專利名稱：一種摩擦型全自動(dòng)高速主軸在線動(dòng)平衡系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摩擦型全自動(dòng)高速主軸在線動(dòng)平衡系統(tǒng)及其控制方法， 屬于精密超精密加工及自動(dòng)化領(lǐng)域。
技術(shù)背景高速精密超精密加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展方向，在線動(dòng)平衡則是這一 領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，尤其在高速精密磨削中更是如此。高速主軸系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的不平衡離心力的大小可用下式表示_F 二 M柳2其中，M為高速主軸系統(tǒng)的質(zhì)量，e為高速主軸系統(tǒng)的重心與其旋轉(zhuǎn)軸線 的偏心距，《為高速主軸系統(tǒng)的工作角速度(弧度/秒)，w = 2;rw/60，"為高速 主軸轉(zhuǎn)速。令^7-Me， f/為不平衡的質(zhì)徑積，其單位為g.wm，通常用f/表示不平衡 量的大小。可見，高速主軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的不平衡離心力與速度的平方成正比， 而高速主軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速非常高，若高速主軸系統(tǒng)有極小的不平衡量，也 會(huì)產(chǎn)生非常大的不平衡離心力，引起機(jī)床振動(dòng)、軸承磨損等故障。因此，高 速主軸系統(tǒng)的不平衡量嚴(yán)重影響著機(jī)床的加工精度和使用壽命，為保證機(jī)床 的加工精度必須設(shè)法減小高速主軸系統(tǒng)的不平衡量。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)平衡的任務(wù) 就是確定高速主軸系統(tǒng)不平衡量U的大小和方向，然后在其相反的方向某一 半徑r處加一平衡質(zhì)量m，使，與U的大小相等、方向相反，以減小或消除高 速主軸系統(tǒng)的不平衡量t/。在線動(dòng)平衡可在主軸工作轉(zhuǎn)速下自動(dòng)識(shí)別不平衡量的大小和相位，并自 動(dòng)完成平衡工作，與傳統(tǒng)的平衡方法相比，具有平衡效率高，平衡精度高， 操作簡(jiǎn)便，高度自動(dòng)化，不依賴于操作者技能等特點(diǎn)，且可以對(duì)高速主軸系 統(tǒng)的平衡狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，能夠?qū)⒏咚僦鬏S系統(tǒng)的平衡狀況始終控制在所要求的精度范圍內(nèi)，因此高速主軸系統(tǒng)自動(dòng)在線平衡越來(lái)越得到人們的關(guān)注?，F(xiàn)有兩類在線自動(dòng)平衡方法。第一種是從外部對(duì)轉(zhuǎn)子加上同步外力，該 力與轉(zhuǎn)子上的不平衡離心力平衡，這樣來(lái)消除轉(zhuǎn)子的同步振動(dòng)。該方法中通 常使用電磁作用器，其缺點(diǎn)是沒有從根本上消除產(chǎn)生振動(dòng)的不平衡質(zhì)量。第 二種方法是控制轉(zhuǎn)子上的質(zhì)量重新配置，是通過質(zhì)量補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即調(diào)整 校正平衡塊(也稱調(diào)整環(huán)或平衡環(huán)，可以是固體、液體或氣體)的不平衡質(zhì)量， 使轉(zhuǎn)子質(zhì)心軸線與轉(zhuǎn)子彈性軸線趨近，以消除不平衡質(zhì)量，包括噴涂型、噴 液型、激光去重型以及電磁型。其中噴涂型、噴液型和激光去重型自動(dòng)平衡 法存在平衡精度低等問題，難于在高速高精度旋轉(zhuǎn)設(shè)備中應(yīng)用；電磁型在線 動(dòng)平衡技術(shù)由于其機(jī)械執(zhí)行部件(即平衡頭， 一般采用步進(jìn)電機(jī)的工作原理 設(shè)計(jì)而成)及控制系統(tǒng)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、效率低及成本偏高等缺點(diǎn)，也難于 在工程實(shí)際中應(yīng)用。研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、高精度的高速主軸在線動(dòng)平衡裝置，對(duì)于高速精密 超精密加工具有重要的意義。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有高速主軸用高精度在線動(dòng)平衡系統(tǒng)精度低、效 率低以及系統(tǒng)過于復(fù)雜、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，提出了一種摩擦型的全自動(dòng)高速 主軸在線動(dòng)平衡系統(tǒng)及其控制方法。該系統(tǒng)的平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定、易 于控制；同時(shí)控制系統(tǒng)的核心處理器采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，數(shù) 據(jù)處理速度快、精度高，保證了較短的動(dòng)平衡時(shí)間和甚佳的平衡效果；該動(dòng) 平衡系統(tǒng)的可行的控制方法和有效的數(shù)據(jù)處理算法，使得整個(gè)系統(tǒng)更加完善。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案 一種摩擦型全自動(dòng)高 速主軸在線動(dòng)平衡裝置，整體上采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以嚙合齒圈6為中心 左右對(duì)稱，包括有外殼、連接軸、平衡環(huán)和平衡環(huán)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分；其 中外殼包括有軸承4和由隔磁材料制成的圓筒形殼體1、端蓋2和軸承蓋3，端蓋2、軸承蓋3和軸承4各有對(duì)稱的兩個(gè)，殼體l、端蓋2和軸承蓋3三者緊固配合；連接軸包括中心軸5和圓環(huán)形嚙合齒圈6，嚙合齒圈6的兩端面設(shè)置有三 角尖齒離合器爪齒；嚙合齒圈6套裝在中心軸5上，二者緊固連接；中心軸5 的一端設(shè)置有用于與高速主軸緊固連接的螺桿；平衡環(huán)包括由軟磁材料制成的平衡環(huán)身7和由隔磁材料制成的平衡環(huán)體 8，圓環(huán)形平衡環(huán)身7套裝在平衡環(huán)體8上，二者緊固連接構(gòu)成平衡環(huán)；圓環(huán) 形平衡環(huán)身7上設(shè)置有用于傳感器讀取信號(hào)和校正高速主軸不平衡量的不平 衡量缺口，平衡環(huán)體8設(shè)置有中心孔，其內(nèi)側(cè)面設(shè)置有三角尖齒離合器爪齒， 以嚙合齒圈6為中心，兩對(duì)稱的平衡環(huán)套裝在中心軸5上，二者的中心線重 合，平衡環(huán)可在中心軸5上沿軸向內(nèi)外移動(dòng)，向內(nèi)移動(dòng)時(shí)，平衡環(huán)外側(cè)的三 角尖齒離合器爪齒與嚙合齒圈6外側(cè)的三角尖齒離合器爪齒嚙合，向外移動(dòng) 時(shí)二者分離；平衡環(huán)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電磁鐵、減速軸承13、彈簧14和彈簧擋圈15， 電磁鐵又包括有電磁鐵線圈11、由隔磁材料制成的電磁鐵擋圈10、由軟磁材 料制成的電磁鐵骨架9和電磁鐵套筒12;電磁鐵骨架9設(shè)置有中心孔，圓環(huán) 形電磁鐵擋圈10套裝在電磁鐵骨架9的內(nèi)側(cè)，電磁鐵線圈11纏繞在電磁鐵 骨架9上，電磁鐵套筒12套在電磁鐵骨架9和電磁鐵擋圈10上，電磁鐵線 圈11被封裝在由電磁鐵骨架9、電磁鐵套筒12和電磁鐵擋圈11封閉成的內(nèi) 部空間內(nèi)；兩對(duì)稱的電磁鐵分別固定連接在端蓋2的內(nèi)側(cè)端部；減速軸承13 整體嵌入在電磁鐵骨架9內(nèi)，二者緊配合，且減速軸承13外圈內(nèi)側(cè)與電磁鐵 骨架9內(nèi)側(cè)在同一個(gè)平面內(nèi)，減速軸承13內(nèi)圈內(nèi)側(cè)高于其外圈內(nèi)側(cè)，平衡環(huán) 向外移動(dòng)時(shí)，只能移動(dòng)到減速軸承13內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)處；彈簧擋圈15套在中心 軸5上，二者松配合，彈簧擋圈15的外側(cè)與軸承4內(nèi)圈內(nèi)惻緊靠在一起，圓 柱彈簧14的一端固定在彈簧擋圈15上，另一端套在平衡環(huán)體8的外側(cè)端部， 裝配后彈簧14有預(yù)壓縮量，在預(yù)壓力的作用下，平衡環(huán)向內(nèi)移動(dòng)與嚙合齒圈 6緊固嚙合。摩擦型全自動(dòng)高速主軸在線動(dòng)平衡裝置的控制系統(tǒng)，包括核心電路模塊 A、控制執(zhí)行電路模塊B、檢測(cè)模塊C、前端通道模塊D;所述的核心電路模塊A又包括核心處理器Al和與核心處理器Al相連接的時(shí)鐘模塊A2、電源管理 模塊A3、與上位機(jī)間的SCI通訊模塊A4、 A/D轉(zhuǎn)換模塊A5、顯示模塊A6、報(bào) 警模塊A7和處理器外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊A8;所述的控制執(zhí)行電路模塊B又包括第一 光電隔離B1、電磁鐵通斷控制電路B2;檢測(cè)模塊C包括第一平衡環(huán)位置傳感 器C1、第二平衡環(huán)位置傳感器C2、高速主軸基準(zhǔn)傳感器C3和高速主軸振動(dòng) 傳感器C4;前端通道模塊D包括功率放大模塊D1、抗混疊濾波器D2和第二 光電隔離模塊D3;其中核心電路模塊A通過控制執(zhí)行電路模塊B中的第一光電隔離B1與電磁鐵 通斷控制電路B2相連；電磁鐵通斷控制電路B2分別與平衡環(huán)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 中的兩個(gè)電磁鐵線圈ll相連；第一平衡環(huán)位置傳感器C1、第二平衡環(huán)位置傳感器C2、高速主軸基準(zhǔn)傳 感器C3通過前端通道模塊D中的第二光電隔離D3與核心處理器Al相連；高 速主軸振動(dòng)傳感器C4依次通過前端通道模塊D中的抗混疊濾波器D2和功率 放大模塊Dl與核心處理器Al相連。一種摩擦型全自動(dòng)高速主軸在線動(dòng)平衡裝置的控制方法，該方法是按 以下步驟進(jìn)行的1) 與高速主軸的連接將平衡頭的端部螺桿與高速主軸緊固連接，平衡 環(huán)在彈簧14的預(yù)壓力作用下，平衡環(huán)通過嚙合齒圈6與中心軸5緊固連接；2) 高速主軸幾何誤差的獲取在主軸低速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下獲取主軸幾何誤 差數(shù)據(jù)，分解出與主軸轉(zhuǎn)頻相同的幾何誤差成份，其幅值和相位為^Z^;3) 按以下步驟進(jìn)行動(dòng)平衡步驟1:調(diào)整第一平衡環(huán)、第二平衡環(huán)的位置，使二者的不平衡量VI、 V2相差180度，具體操作過程是i )高速主軸運(yùn)行穩(wěn)定后，核心處理器A1通過兩個(gè)通用輸入輸出口輸出 控制信號(hào)，該信號(hào)又經(jīng)第一光電隔離模塊Bl和電磁鐵通斷控制電路B2后，控制第一電磁鐵、第二電磁鐵通電；ii) 在電磁力的作用下，平衡環(huán)克服彈簧14的彈力作用，向外移動(dòng)與嚙 合齒圈6瞬間分離，同時(shí)平衡環(huán)外側(cè)與減速軸承13的內(nèi)圈內(nèi)側(cè)緊密接觸，然后在減速軸承13的滾動(dòng)摩擦力和圓柱彈簧14的滑動(dòng)摩擦力的共同作用下平 衡環(huán)達(dá)到穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，且速度小于主軸轉(zhuǎn)速；iii) 第一平衡環(huán)位置傳感器Cl、第二平衡環(huán)位置傳感器C2及主軸基準(zhǔn)傳 感器C3的輸出脈沖信號(hào)經(jīng)第二光電隔離模塊D3后，輸入到核心處理器Al的 事件管理器EV的三個(gè)捕獲單元中，經(jīng)軟件計(jì)算后獲得主軸轉(zhuǎn)頻及第一平衡環(huán) 不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2分別相對(duì)于主軸基準(zhǔn)的位置，并將主軸 轉(zhuǎn)頻數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)顯示模塊A6顯示；當(dāng)檢測(cè)到第一平衡環(huán)不平衡量VI相對(duì)于主軸基準(zhǔn)到達(dá)90度位置時(shí)，核 心處理器Al控制第一電磁鐵斷電，同時(shí)在彈簧14的作用下第一平衡環(huán)與中 心軸5緊固嚙合，隨高速主軸同步旋轉(zhuǎn)；用同樣的方法把第二平衡環(huán)不平衡量V2定位在相對(duì)主軸基準(zhǔn)270度位 置；此時(shí)第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2的位置相差180度； 即第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2方向相反，相互抵銷，則 剩余不平衡量完全為主軸自身的原始不平衡量f/z^，其中f/、 P分別為主軸 原始不平衡量的大小和相位；步驟2:啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，采集經(jīng)抗混疊濾波D2和功率放大Dl調(diào)理電路后 的主軸振動(dòng)信號(hào)，判斷振動(dòng)量是否超標(biāo)，即振幅是否大于2微米；若未超標(biāo) 則繼續(xù)采集振動(dòng)信號(hào)，若超標(biāo)則報(bào)警，然后開始執(zhí)行步驟3;步驟3:利用最小二乘法擬合主軸振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，獲得振動(dòng)信號(hào)前四階頻率成份的幅值和相位，設(shè)其分別為基頻4z&、 二倍頻^z^、三倍頻^z^、四倍頻4Z^，其中4、 &， 4、 &， 4、 ^， 4、 ^分別為振動(dòng)信號(hào)基 頻、二倍頻、三倍頻和四倍頻的幅值與相位；基頻^Z^中包含有主軸的基礎(chǔ)幾何誤差數(shù)據(jù)4z&故需去除，得主軸原始不平衡量f/ze引起的振動(dòng)的幅值和相位為7々二4々4-4)Z^，其中r、 ^分別為幅值和相位；若^2>2且%3〉2且%4〉2，則主軸振動(dòng)是由不平衡量引起的，并立刻執(zhí)行步驟4，進(jìn)行動(dòng)平衡操作；步驟4:第一平衡環(huán)不平衡量VI的位置保持不變，即仍處在相對(duì)主軸基準(zhǔn)90度處，第二平衡環(huán)不平衡量V2定位在相對(duì)主軸基準(zhǔn)180度處，具體操作工程同步驟i中所述，這樣第一平衡環(huán)不平衡量n、第二平衡環(huán)不平衡量V2相差90度；此時(shí)第一平衡環(huán)不平衡量VI、第二平衡環(huán)不平衡量V2的合成 不平衡量為f/Z^，其中C7。 ^為第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平 衡量V2合成不平衡量的幅值和相位，與R的合成不平衡量為f/2 ;步驟5:重復(fù)步驟2 3，獲取第二平衡環(huán)不平衡量V2位置變化后主軸振動(dòng)的基頻幅值和相位信息AZ^，其中A、^分別為幅值和相位，進(jìn)而獲得合成不平衡量^引起振動(dòng)的幅值和相位，即l^^,AZ^-4^&，其中K、^分別為幅值和相位；步驟6:主軸原始不平衡量的大小t/可利用式①求得I> , Ul ① 、l+斗2、os卩式中f/為主軸原始不平衡量的大??；^為第一平衡環(huán)不平衡量VI、第二平 衡環(huán)不平衡量V2相差90度時(shí)的合成不平衡量的幅值；r為主軸原始不平衡量 ^^引起振動(dòng)的幅值；《為合成不平衡量[/2引起振動(dòng)的幅值；P為不平衡量C/ 引起振動(dòng)的相位^與合成不平衡量^/2引起振動(dòng)的相位^2之差即|3 = --<^主軸原始不平衡量的相位e可利用式②(D求得Y:arccos( ~1-^-) ④2U,U2式中Y為"與^間的夾角；^為第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡 量V2相差90度時(shí)合成不平衡量的相位；e為主軸原始不平衡量的相位； 獲取主軸原始不平衡量f/Z6后，f/ZP送數(shù)據(jù)顯示模塊A6顯示； 步驟7:通過矢量變換求取為抵消主軸系統(tǒng)原始不平衡量C/Z^第一平衡環(huán)不平衡量VI、第二平衡環(huán)不平衡量V2相對(duì)于主軸基準(zhǔn)需到達(dá)的位置數(shù)據(jù)的單位為弧度；步驟8:定位第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2相對(duì)于主 軸基準(zhǔn)到達(dá)位置c^、 (Xw處，具體操作過程同步驟l; 步驟9:驗(yàn)證動(dòng)平衡效果采集主軸振動(dòng)信號(hào)，若主軸振動(dòng)未超標(biāo)則結(jié)束，若超標(biāo)則重新執(zhí)行步驟 1 9。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1) 與現(xiàn)有電磁型高速主軸在線動(dòng)平衡系統(tǒng)的平衡頭相比，該摩擦型全 自動(dòng)高速主軸在線動(dòng)平衡系統(tǒng)的平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定、體積小、可靠性咼o(2) 平衡頭的簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)使得控制系統(tǒng)也較為簡(jiǎn)潔，提高了穩(wěn)定性。 在核心處理器的選擇中，選用高性能數(shù)字信號(hào)處理器與選用單片機(jī)相比，前 者大幅提高了數(shù)據(jù)處理速度和精度，從而提高了動(dòng)平衡效果。(3) 經(jīng)大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該摩擦型全自動(dòng)高速主軸在線動(dòng)平衡系統(tǒng)動(dòng) 平衡效果顯著，尤其對(duì)于轉(zhuǎn)速在40HZ 100HZ之間的精密外圓磨床平衡效果 甚佳。(4) 該摩擦型全自動(dòng)高速主軸在線動(dòng)平衡系統(tǒng)的平衡精度與國(guó)外動(dòng)平衡 系統(tǒng)相當(dāng)，但是結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，且具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。


圖1裝配圖 圖2中心軸14圖3嚙合齒圈主視圖 圖4嚙合齒圈俯視5平衡環(huán)身主視6平衡環(huán)身俯視7平衡環(huán)體主視8平衡環(huán)體左視9電磁鐵骨架主視10電磁鐵骨架俯視11控制系統(tǒng)總體框12控制系統(tǒng)總體程序框13 A/D中斷程序框14主軸基準(zhǔn)脈沖中斷程序框15第一平衡環(huán)脈沖中斷程序框16第二平衡環(huán)脈沖中斷程序框17高速主軸原始不平衡量的大小t/和相位e的求取原理中1、殼體，2、端蓋，3、軸承蓋，4、軸承，5、中心軸，6、嚙合 齒圈，7、平衡環(huán)身，8、平衡環(huán)體，9、電磁鐵骨架，10、電磁鐵擋圈，11、 電磁鐵線圈，12、電磁鐵套筒，13、減速軸承，14、彈簧，15、彈簧擋圈， Al、數(shù)字信號(hào)處理器，A2、時(shí)鐘模塊，A3、電源管理模塊，A4、上位機(jī)，A5、 A/D轉(zhuǎn)換模塊，A6、顯示模塊，A7、報(bào)警模塊，A8、外擴(kuò)RAM， Bl、第一光電 隔離模塊，B2、電磁鐵通斷控制模塊，Cl、第一平衡環(huán)位置檢測(cè)傳感器，C2、 第二平衡環(huán)位置檢測(cè)傳感器，C3、主軸基準(zhǔn)傳感器，C4、主軸振動(dòng)傳感器， Dl、功率放大模塊，D2、抗混疊濾波器，D3、第二光電隔離模塊。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖1 17詳細(xì)說明本實(shí)施例本發(fā)明主要包括平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分。 (一)平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)圖1為平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)總體裝配圖。平衡頭整體上采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 以嚙合齒圈6為中心左右對(duì)稱，包括外殼、連接軸、平衡環(huán)和平衡環(huán)驅(qū)動(dòng)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)四部分，其中-外殼包括有軸承4和由隔磁材料制成的圓筒形殼體1、圓蓋形端蓋2和圓蓋形軸承蓋3，端蓋2、軸承蓋3和軸承4各有對(duì)稱的兩個(gè)，殼體l、端蓋2和軸承蓋3三者緊固配合；連接軸包括中心軸5和圓環(huán)形嚙合齒圈6，嚙合齒圈6的兩端面設(shè)置有三 角尖齒離合器爪齒；嚙合齒圈6套裝在中心軸5上，二者緊固連接；中心軸5 的一端設(shè)置有用于與高速主軸緊固連接的螺桿；中心軸5結(jié)構(gòu)如圖2所示， 嚙合齒圈6結(jié)構(gòu)如圖3、 4所示。平衡環(huán)包括由軟磁材料制成的平衡環(huán)身7和由隔磁材料制成的平衡環(huán)體 8，圓環(huán)形平衡環(huán)身7套裝在平衡環(huán)體8上，二者緊固連接構(gòu)成平衡環(huán)；圓環(huán) 形平衡環(huán)身7上設(shè)置有用于傳感器讀取信號(hào)和校正高速主軸不平衡量用的不 平衡量缺口，平衡環(huán)體8設(shè)置有中心孔，其內(nèi)側(cè)面設(shè)置有三角尖齒離合器爪 齒，以嚙合齒圈6為中心，兩對(duì)稱的平衡環(huán)套裝在中心軸5上，二者的中心 線重合，平衡環(huán)可在中心軸5上沿軸向內(nèi)外移動(dòng)，向內(nèi)移動(dòng)時(shí)，平衡環(huán)外側(cè) 的三角尖齒離合器爪齒與嚙合齒圈6外側(cè)的三角尖齒離合器爪齒嚙合，向外 移動(dòng)時(shí)二者分離；本裝置以嚙合齒圈6為中心左右對(duì)稱，面向嚙合齒圈6的 一側(cè)為內(nèi)側(cè)，背向嚙合齒圈6的一側(cè)為外側(cè)。平衡環(huán)身7結(jié)構(gòu)如圖5、 6所示， 平衡環(huán)體8結(jié)構(gòu)如圖7、 8所示。平衡環(huán)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電磁鐵、減速軸承13、彈簧14和彈簧擋圈15， 電磁鐵又包括有電磁鐵線圈11、由隔磁材料制成的電磁鐵擋圈10、由軟磁材 料制成的電磁鐵骨架9和電磁鐵套筒12;電磁鐵骨架9設(shè)置有中心孔，電磁 鐵骨架9套裝在中心軸5上，圓環(huán)形電磁鐵擋圈10套裝在電磁鐵骨架9的內(nèi) 側(cè)，電磁鐵線圈11纏繞在電磁鐵骨架9上，電磁鐵套筒12套在電磁鐵骨架9 和電磁鐵擋圈10上，電磁鐵線圈11被封裝在由電磁鐵骨架9、電磁鐵套筒 12和電磁鐵擋圈11封閉成的內(nèi)部空間內(nèi)；兩對(duì)稱的電磁鐵分別固定連接在端蓋2的內(nèi)側(cè)端部；減速軸承13整體嵌入在電磁鐵骨架9內(nèi)，二者緊配合，且減速軸承13外圈內(nèi)側(cè)與電磁鐵骨架9內(nèi)側(cè)在同一個(gè)平面內(nèi)，減速軸承13內(nèi) 圈內(nèi)側(cè)高于其外圈內(nèi)側(cè)，平衡環(huán)向外移動(dòng)時(shí)，只能移動(dòng)到減速軸承13內(nèi)圈的 內(nèi)側(cè)處；彈簧擋圈15套在中心軸5上，二者松配合，彈簧擋圈15的外側(cè)與 軸承4內(nèi)圈內(nèi)側(cè)緊靠在一起，圓柱彈簧14的一端套在彈簧擋圈15上，另一 端套在平衡環(huán)體8的外側(cè)端部，裝配后彈簧14有預(yù)壓縮量，在預(yù)壓力的作用 下，平衡環(huán)向內(nèi)移動(dòng)與嚙合齒圈6緊固嚙合。電磁鐵骨架9和電磁鐵套筒12 均選用軟磁材料如電工純鐵、坡莫合金等，電磁鐵擋圈IO選用隔磁材料如錫 青銅、鋁等，電磁鐵線圈11選用耐溫等級(jí)為E (120攝氏度)的縮醛漆包圓 銅線，且電磁鐵骨架9、電磁鐵擋圈10和電磁鐵套筒12加工成型后均經(jīng)過熱 處理。電磁鐵骨架9結(jié)構(gòu)如圖9、 IO所示。 (二)控制系統(tǒng)圖11為控制系統(tǒng)總體框圖，包括核心電路模塊A、控制執(zhí)行電路模塊B、 檢測(cè)模塊C、前端通道模塊D;所述的核心電路模塊A又包括核心處理器A1 和與核心處理器Al相連接的時(shí)鐘模塊A2、電源管理模塊A3、與上位機(jī)間的 SCI通訊模塊A4、 A/D轉(zhuǎn)換模塊A5、顯示模塊A6、報(bào)警模塊A7和處理器外擴(kuò) 存儲(chǔ)模塊A8;所述的控制執(zhí)行電路模塊B又包括第一光電隔離B1、電磁鐵通 斷控制電路B2;檢測(cè)模塊C包括第一平衡環(huán)位置傳感器C1、第二平衡環(huán)位置 傳感器C2、高速主軸基準(zhǔn)傳感器C3和高速主軸振動(dòng)傳感器C4;前端通道模 塊D包括功率放大模塊D1、抗混疊濾波器D2和第二光電隔離模塊D3;其中-核心電路模塊A通過控制執(zhí)行電路模塊B中的第一光電隔離B1與電磁鐵 通斷控制電路B2相連；電磁鐵通斷控制電路B2分別與平衡環(huán)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 中的兩個(gè)電磁鐵線圈ll相連；第一平衡環(huán)位置傳感器C1、第二平衡環(huán)位置傳感器C2、高速主軸基準(zhǔn)傳 感器C3通過前端通道模塊D中的第二光電隔離D3與核心處理器Al相連；高 速主軸振動(dòng)傳感器C4依次通過前端通道模塊D中的抗混疊濾波器D2和功率 放大模塊Dl與核心處理器Al相連。核心電路模塊A主要完成經(jīng)功率放大電路Al和抗混疊濾波器A2調(diào)理后 的高速主軸振動(dòng)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、采集數(shù)據(jù)的分析處理及結(jié)果顯示、動(dòng)平衡 所需檢測(cè)信號(hào)的輸入以及控制信號(hào)的輸出任務(wù)；控制執(zhí)行電路模塊B主要完 成輸出控制信號(hào)的調(diào)理工作，用以控制第一電磁鐵和第二電磁鐵的通斷來(lái)實(shí) 現(xiàn)平衡環(huán)的位置調(diào)整；檢測(cè)模塊C用于完成平衡環(huán)位置信號(hào)、高速主軸基準(zhǔn) 信號(hào)及其振動(dòng)信號(hào)的精確獲??；前端通道模塊D用于完成各檢測(cè)信號(hào)(即各 傳感器輸出信號(hào))的調(diào)理工作，實(shí)現(xiàn)與數(shù)字信號(hào)處理器輸入信號(hào)的匹配。該摩擦型動(dòng)平衡系統(tǒng)的工作原理及工作過程如下1) 與高速主軸的連接將平衡頭的端部螺桿與高速主軸緊固連接，平衡 環(huán)在彈簧14的預(yù)壓力作用下，平衡環(huán)通過嚙合齒圈6與中心軸5緊固連接；2) 高速主軸幾何誤差(包括測(cè)量部位的幾何偏心和表面形狀誤差)的獲 取在主軸低速(^12轉(zhuǎn)/分鐘)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下獲取主軸幾何誤差數(shù)據(jù)，分解 出與主軸轉(zhuǎn)頻相同的幾何誤差成份，其幅值和相位為4^&;用作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。3) 按以下步驟進(jìn)行動(dòng)平衡步驟1:調(diào)整第一平衡環(huán)、第二平衡環(huán)的位置，使二者的不平衡量VI、V2相差180度，則兩不平衡量V1、 V2方向相反互相抵消，使之不影響主軸系 統(tǒng)的原始不平衡量；具體操作過程是i) 高速主軸運(yùn)行穩(wěn)定后，核心處理器A1通過兩個(gè)通用輸入輸出口輸出 控制信號(hào)，該信號(hào)又經(jīng)第一光電隔離模塊Bl和電磁鐵通斷控制電路B2后， 控制第一電磁鐵、第二電磁鐵通電；ii) 在電磁力的作用下，平衡環(huán)克服彈簧14的彈力作用，向外移動(dòng)與嚙 合齒圈6瞬間分離，同時(shí)平衡環(huán)外側(cè)與減速軸承13的內(nèi)圈內(nèi)側(cè)緊密接觸，然 后在減速軸承13的滾動(dòng)摩擦力和圓柱彈簧14的滑動(dòng)摩擦力的共同作用下平 衡環(huán)達(dá)到穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，且速度小于主軸轉(zhuǎn)速；即平衡環(huán)與主軸形成差速運(yùn)動(dòng)， 這樣，平衡環(huán)相對(duì)于中心軸5可在周向做任意角度的自由旋轉(zhuǎn)。iii) 第一平衡環(huán)位置傳感器Cl、第二平衡環(huán)位置傳感器C2及主軸基準(zhǔn)傳 感器C3的輸出脈沖信號(hào)經(jīng)第二光電隔離模塊D3后，輸入到核心處理器A1的事件管理器EV的三個(gè)捕獲單元中，經(jīng)軟件計(jì)算后獲得主軸轉(zhuǎn)頻及第一平衡環(huán) 不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2分別相對(duì)于主軸基準(zhǔn)的位置，并將主軸 轉(zhuǎn)頻數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)顯示模塊A6顯示；當(dāng)檢測(cè)到第一平衡環(huán)不平衡量VI相對(duì)于主軸基準(zhǔn)到達(dá)90度位置時(shí)，核 心處理器Al控制第一電磁鐵斷電，同時(shí)在彈簧14的作用下第一平衡環(huán)與中 心軸5緊固嚙合，隨高速主軸同步旋轉(zhuǎn)；用同樣的方法把第二平衡環(huán)不平衡量V2定位在相對(duì)主軸基準(zhǔn)270度位 置；此時(shí)第一平衡環(huán)不平衡量Vl、第二平衡環(huán)不平衡量V2的位置相差180度； 即第一平衡環(huán)不平衡量VK第二平衡環(huán)不平衡量V2方向相反，相互抵銷，則 剩余不平衡量完全為主軸自身的原始不平衡量t/Z^，其中t/、 0分別為主軸 原始不平衡量的大小和相位；步驟2:啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，采集經(jīng)抗混疊濾波D2和功率放大Dl調(diào)理電路后 的高速主軸振動(dòng)信號(hào)，判斷振動(dòng)量是否超標(biāo)，即振幅是否大于2微米；若未超標(biāo)則繼續(xù)采集振動(dòng)信號(hào)，若超標(biāo)則報(bào)警，然后開始執(zhí)行步驟3;啟動(dòng)故障診斷操作。步驟3:利用最小二乘法擬合主軸振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，獲得振動(dòng)信號(hào)前四階頻率成份的幅值和相位，設(shè)其分別為基頻4Z&、 二倍頻4Z^、三倍頻4Z^、四倍頻^Z&，其中4、 &， 4、 ^， 4、 ^， 4、 ^分別為振動(dòng)信號(hào)基 頻、二倍頻、三倍頻和四倍頻的幅值與相位；基頻4Z&中包含有主軸的基礎(chǔ)幾何誤差數(shù)據(jù)^z^故需去除，得主軸原始不平衡量f/ze引起的振動(dòng)的幅值和相位為yZ0二4Z^-，其中7、 ^分別為幅值和相位；若^Z >2且JZ >2且J/, 〉2，則主軸振動(dòng)是由不平衡量引起的，并立刻執(zhí)行步驟4，進(jìn)行動(dòng)平衡操作；步驟4:第一平衡環(huán)不平衡量V1的位置保持不變，即仍處在相對(duì)主軸基 準(zhǔn)90度處，第二平衡環(huán)不平衡量V2定位在相對(duì)主軸基準(zhǔn)180度處，具體操作工程同步驟l中所述，這樣第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量 V2相差90度；此時(shí)第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2的合成 不平衡量為^z《，其中M、 ^為第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平 衡量V2合成不平衡量的幅值和相位，t/與^的合成不平衡量為"2 ;步驟5:重復(fù)步驟2 3，獲取第二平衡環(huán)不平衡量V2位置變化后主軸振動(dòng)的基頻幅值和相位信息^z^，其中A、 ^分別為幅值和相位，進(jìn)而獲得合成不平衡量"2引起振動(dòng)的幅值和相位，即kz-,^z^-4)z&，其中r2、^分別為幅值和相位；步驟6:高速主軸原始不平衡量的大小t/和相位e的求取，求取原理圖如附圖17所示。圖中各參數(shù)的含義如下 C7-為高速主軸原始不平衡量的大小； e -為高速主軸原始不平衡量的相位。fA-為第一平衡環(huán)不平衡量VI、第二平衡環(huán)不平衡量V2相差90度時(shí)的 合成不平衡量的幅值；《-為第一平衡環(huán)不平衡量VI 、第二平衡環(huán)不平衡量V2相差90度時(shí)合成 不平衡量的相位；^-為"與^的合成不平衡量的大小；7-為主軸原始不平衡量f/z^引起振動(dòng)的幅值；0-為主軸原始不平衡量f/^弓I起振動(dòng)的相位；《-為合成不平衡量CA引起振動(dòng)的幅值；A -為合成不平衡量t/2弓1起振動(dòng)的相位；卩-為0與^兩相位之差；y-為u與t/,間的夾角；在轉(zhuǎn)速一定的情況下，轉(zhuǎn)子不平衡量的幅值與其激起的振動(dòng)的幅值之比 為一常數(shù)(設(shè)為K)，且振動(dòng)相位滯后于不平衡量相位一常數(shù)角度(設(shè)為a)， 由此可得④⑤表達(dá)式<formula>formula see original document page 21</formula> (5)由附圖17中所示的幾何關(guān)系及④⑤表達(dá)式可得()表達(dá)式:<formula>formula see original document page 21</formula> (6)<formula>formula see original document page 21</formula> (7) 由⑦表達(dá)式可推得高速主軸原始不平衡量的大小表達(dá)式:<formula>formula see original document page 21</formula> ①由⑤①表達(dá)式及圖中幾何關(guān)系可得②表達(dá)式<formula>formula see original document page 21</formula> ④進(jìn)一步可由圖中幾何關(guān)系獲得高速主軸不平衡量相位③表達(dá)式<formula>formula see original document page 21</formula> ③ 進(jìn)而由圖中幾何關(guān)系可得高速主軸振動(dòng)相位滯后于其不平衡量相位一常數(shù)角度⑧表達(dá)式<formula>formula see original document page 21</formula> ⑧獲得主軸原始不平衡量"Z^后，[/z^送數(shù)據(jù)顯示模塊A6顯示；步驟7:通過矢量變換求取為抵消主軸系統(tǒng)原始不平衡量VZe，第一平衡 環(huán)不平衡量VI、第二平衡環(huán)不平衡量V2相對(duì)于主軸基準(zhǔn)需到達(dá)的位置數(shù)據(jù)的單位為弧度；步驟8:定位第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2相對(duì)于主軸基準(zhǔn)到達(dá)位置otw、 c^處，具體操作過程同步驟l; 步驟9:驗(yàn)證動(dòng)平衡效果采集主軸振動(dòng)信號(hào)，若主軸振動(dòng)未超標(biāo)則結(jié)束，若超標(biāo)則重新執(zhí)行步驟 1 9，達(dá)到最佳平衡效果。本實(shí)施例中，我們選用DSP TMS320F2812為系統(tǒng)核心處理器。由于所有 的動(dòng)平衡操作都是在軟件的控制下實(shí)現(xiàn)的，因此軟件的設(shè)計(jì)就顯得十分重要。 該摩擦型動(dòng)平衡系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)邏輯性較強(qiáng)。圖12為控制系統(tǒng)總體程序框圖。首先初始化DSP;然后等待平衡環(huán)不平 衡量V1、 V2相差180度操作結(jié)束，若未結(jié)束則繼續(xù)等待，若結(jié)束則啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換，并判斷振動(dòng)量是否超標(biāo)，若未超標(biāo)則繼續(xù)采集振動(dòng)信號(hào)，判斷振動(dòng)量 是否超標(biāo)，若超標(biāo)則進(jìn)行故障診斷，判斷振動(dòng)是否由不平衡量引起，若是則 報(bào)警，并進(jìn)行動(dòng)平衡操作，計(jì)算r^);然后等待不平衡量V1、 V2相差90度 操作結(jié)束，若未結(jié)束則繼續(xù)等待，若結(jié)束則計(jì)算W;然后判斷振動(dòng)是否超標(biāo)， 若未超標(biāo)則繼續(xù)判斷，若超標(biāo)則計(jì)算r^^;然后計(jì)算C/ZP、《、a;然后計(jì) 算 。aV2，判斷VI、 V2是否到達(dá)o^、 2處，若未到達(dá)則繼續(xù)等待，若到 達(dá)則控制第一、二電磁鐵斷電；然后判斷振動(dòng)量是否仍超標(biāo)以驗(yàn)證動(dòng)平衡效 果，若達(dá)到要求則繼續(xù)判斷，若仍超標(biāo)則從步驟1開始重新進(jìn)行動(dòng)平衡，如 此循環(huán)。圖13為A/D中斷程序框圖。讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果后，判斷振動(dòng)量是否超 標(biāo)，即振幅是否大于2微米。圖14為主軸基準(zhǔn)脈沖中斷程序框圖。首先讀取主軸的轉(zhuǎn)頻，然后判斷V1、 V2相差180度操作標(biāo)志位是否置位，若置位則控制第一、二電磁鐵通電。若 未置位則判斷V1、 V2相差90度操作標(biāo)志位是否置位，若置位則控制第一電 磁鐵通電，若未置位則判斷動(dòng)平衡操作是否開始，若開始則控制第一、二電 磁鐵通電，若未開始則判斷A/D啟動(dòng)標(biāo)志位是否置位，若置位則啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，置位關(guān)閉捕獲單元標(biāo)志位，若未置位則結(jié)束。圖15為第一平衡環(huán)脈沖中斷程序框圖。首先讀取第一平衡環(huán)不平衡量VI 的位置，然后判斷V1定位在270度處標(biāo)志位是否置位，若置位則繼續(xù)判斷V1 是否到達(dá)270度處，若到達(dá)則控制第一電磁鐵斷電，若V1定位在270度處標(biāo)志位未置位或著VI未到達(dá)270度處，則進(jìn)行下面的判斷。判斷V1、 V2是否 己經(jīng)分別到達(dá)270度、90度處，若均到達(dá)則啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志位置位，若未 滿足則進(jìn)行V1、 V2相差90度邏輯判斷，判斷邏輯同上。最后判斷V1定位在 c^處標(biāo)志位是否置位，若置位則判斷VI是否到達(dá)o^處，若到達(dá)則控制第一 電磁鐵斷電，若未到達(dá)或者VI定位在o^處標(biāo)志位未置位則結(jié)束。圖16為第二平衡環(huán)脈沖中斷程序框圖。此程序的判讀邏輯完全同第一平 衡環(huán)脈沖中斷程序邏輯，對(duì)應(yīng)的控制對(duì)象為第二平衡環(huán)不平衡量V2和第二電 磁鐵。以上所述為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例，我們還可對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些變換， 以應(yīng)用于其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備。只要其平衡頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想以及整體控制思 想同本發(fā)明所敘述的 一致，均應(yīng)視為本發(fā)明所包括的范圍。
權(quán)利要求
1、一種摩擦型全自動(dòng)高速主軸在線動(dòng)平衡裝置，其特征在于平衡裝置整體上采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以嚙合齒圈(6)為中心左右對(duì)稱，包括有外殼、連接軸、平衡環(huán)和平衡環(huán)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分；其中外殼包括有軸承(4)和由隔磁材料制成的圓筒形殼體(1)、端蓋(2)和軸承蓋(3)，端蓋(2)、軸承蓋(3)和軸承(4)各有對(duì)稱的兩個(gè)，殼體(1)、端蓋(2)和軸承蓋(3)三者緊固配合；連接軸包括中心軸(5)和圓環(huán)形嚙合齒圈(6)，嚙合齒圈(6)的兩端面設(shè)置有三角尖齒離合器爪齒；嚙合齒圈(6)套裝在中心軸(5)上，二者緊固連接；中心軸(5)的一端設(shè)置有用于與高速主軸緊固連接的螺桿；平衡環(huán)包括由軟磁材料制成的平衡環(huán)身(7)和由隔磁材料制成的平衡環(huán)體(8)，圓環(huán)形平衡環(huán)身(7)套裝在平衡環(huán)體(8)上，二者緊固連接構(gòu)成平衡環(huán)；圓環(huán)形平衡環(huán)身(7)上設(shè)置有用于傳感器讀取信號(hào)和校正高速主軸不平衡量的不平衡量缺口，平衡環(huán)體(8)設(shè)置有中心孔，其內(nèi)側(cè)面設(shè)置有三角尖齒離合器爪齒，以嚙合齒圈(6)為中心，兩對(duì)稱的平衡環(huán)套裝在中心軸(5)上，二者的中心線重合，平衡環(huán)可在中心軸(5)上沿軸向內(nèi)外移動(dòng)，向內(nèi)移動(dòng)時(shí)，平衡環(huán)外側(cè)的三角尖齒離合器爪齒與嚙合齒圈(6)外側(cè)的三角尖齒離合器爪齒嚙合，向外移動(dòng)時(shí)二者分離；平衡環(huán)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電磁鐵、減速軸承(13)、彈簧(14)和彈簧擋圈(15)，電磁鐵又包括有電磁鐵線圈(11)、由隔磁材料制成的電磁鐵擋圈(10)、由軟磁材料制成的電磁鐵骨架(9)和電磁鐵套筒(12)；電磁鐵骨架(9)設(shè)置有中心孔，圓環(huán)形電磁鐵擋圈(10)套裝在電磁鐵骨架(9)的內(nèi)側(cè)，電磁鐵線圈(11)纏繞在電磁鐵骨架(9)上，電磁鐵套筒(12)套在電磁鐵骨架(9)和電磁鐵擋圈(10)上，電磁鐵線圈(11)被封裝在由電磁鐵骨架(9)、電磁鐵套筒(12)和電磁鐵擋圈(11)封閉成的內(nèi)部空間內(nèi)；兩對(duì)稱的電磁鐵分別固定連接在端蓋(2)的內(nèi)側(cè)端部；減速軸承(13)整體嵌入在電磁鐵骨架(9)內(nèi)，二者緊配合，且減速軸承(13)外圈內(nèi)側(cè)與電磁鐵骨架(9)內(nèi)側(cè)在同一個(gè)平面內(nèi)，減速軸承(13)內(nèi)圈內(nèi)側(cè)高于其外圈內(nèi)側(cè)，平衡環(huán)向外移動(dòng)時(shí)，只能移動(dòng)到減速軸承(13)內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)處；彈簧擋圈(15)套在中心軸(5)上，二者松配合，彈簧擋圈(15)的外側(cè)與軸承(4)內(nèi)圈內(nèi)側(cè)緊靠在一起，圓柱彈簧(14)的一端固定在彈簧擋圈(15)上，另一端套在平衡環(huán)體(8)的外側(cè)端部，裝配后彈簧(14)有預(yù)壓縮量，在預(yù)壓力的作用下，平衡環(huán)向內(nèi)移動(dòng)與嚙合齒圈(6)緊固嚙合。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦型全自動(dòng)高速主軸在線動(dòng)平衡裝置的控制系統(tǒng)， 其特征在于包括核心電路模塊(A)、控制執(zhí)行電路模塊(B)、檢測(cè)模塊(C)、 前端通道模塊(D);所述的核心電路模塊(A)又包括核心處理器(A1)和與核心 處理器(Al)相連接的時(shí)鐘模塊(A2)、電源管理模塊(A3)、與上位機(jī)間的SCI 通訊模塊(A4) 、 A/D轉(zhuǎn)換模塊(A5)、顯示模塊(A6)、報(bào)警模塊(A7)和處理器外 擴(kuò)存儲(chǔ)模塊(A8);所述的控制執(zhí)行電路模塊(B)又包括第一光電隔離(B1)、電 磁鐵通斷控制電路(B2);檢測(cè)模塊(C)包括第一平衡環(huán)位置傳感器(C1)、第二 平衡環(huán)位置傳感器(C2)、高速主軸基準(zhǔn)傳感器(C3)和高速主軸振動(dòng)傳感器 (C4);前端通道模塊(D)包括功率放大模塊(Dl)、抗混疊濾波器(D2)和第二光 電隔離模塊(D3);其中核心電路模塊(A)通過控制執(zhí)行電路模塊(B)中的第一光電隔離(Bl) 與電磁鐵通斷控制電路(B2)相連；電磁鐵通斷控制電路(B2)分別與平衡 環(huán)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)電磁鐵線圈(11)相連；第一平衡環(huán)位置傳感器(Cl)、第二平衡環(huán)位置傳感器(C2)、高速主軸基準(zhǔn)傳感器(C3)通過前端通道模塊(D)中的第二光電隔離(D3)與核心處 理器(Al)相連；高速主軸振動(dòng)傳感器(C4)依次通過前端通道模塊(D)中 的抗混疊濾波器(D2)和功率放大模塊(D1)與核心處理器(Al)相連。
3、 一種摩擦型全自動(dòng)高速主軸在線動(dòng)平衡裝置的控制方法，其特征在于，該 方法是按以下步驟進(jìn)行的1) 與高速主軸的連接將平衡頭的端部螺桿與高速主軸緊固連接，平衡 環(huán)在彈簧(14)的預(yù)壓力作用下，平衡環(huán)通過嚙合齒圈(6)與中心軸(5) 緊固連接；2) 高速主軸幾何誤差的獲取在主軸低速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下獲取主軸幾何誤 差數(shù)據(jù)，分解出與主軸轉(zhuǎn)頻相同的幾何誤差成份，其幅值和相位為^Z^;3) 按以下步驟進(jìn)行動(dòng)平衡步驟1:調(diào)整第一平衡環(huán)、第二平衡環(huán)的位置，使二者的不平衡量VI、V2相差180度，具體操作過程是i )高速主軸運(yùn)行穩(wěn)定后，核心處理器A1通過兩個(gè)通用輸入輸出口輸出 控制信號(hào)，該信號(hào)又經(jīng)第一光電隔離模塊(Bl)和電磁鐵通斷控制電路(B2) 后，控制第一電磁鐵、第二電磁鐵通電；ii) 在電磁力的作用下，平衡環(huán)克服彈簧(14)的彈力作用，向外移動(dòng) 與嚙合齒圈(6)瞬間分離，同時(shí)平衡環(huán)外側(cè)與減速軸承(13)的內(nèi)圈內(nèi)側(cè)緊 密接觸，然后在減速軸承(13)的滾動(dòng)摩擦力和圓柱彈簧(14)的滑動(dòng)摩擦 力的共同作用下平衡環(huán)達(dá)到穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，且速度小于主軸轉(zhuǎn)速；iii) 第一平衡環(huán)位置傳感器(Cl)、第二平衡環(huán)位置傳感器(C2)及主軸 基準(zhǔn)傳感器(C3)的輸出脈沖信號(hào)經(jīng)第二光電隔離模塊(D3)后，輸入到核 心處理器(Al)的事件管理器EV的三個(gè)捕獲單元中，經(jīng)軟件計(jì)算后獲得主軸轉(zhuǎn)頻及第一平衡環(huán)不平衡量VI、第二平衡環(huán)不平衡量V2分別相對(duì)于主軸基準(zhǔn) 的位置，并將主軸轉(zhuǎn)頻數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)顯示模塊(A6)顯示；當(dāng)檢測(cè)到第一平衡環(huán)不平衡量VI相對(duì)于主軸基準(zhǔn)到達(dá)90度位置時(shí)，核 心處理器(Al)控制第一電磁鐵斷電，同時(shí)在彈簧(14)的作用下第一平衡 環(huán)與中心軸(5)緊固嚙合，隨高速主軸同步旋轉(zhuǎn)；用同樣的方法把第二平衡環(huán)不平衡量V2定位在相對(duì)主軸基準(zhǔn)270度位 置；此時(shí)第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2的位置相差180度； 即第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2方向相反，相互抵銷，則剩余不平衡量完全為主軸自身的原始不平衡量f/Z^其中f/、 e分別為主軸原始不平衡量的大小和相位；步驟2:啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，采集經(jīng)抗混疊濾波(D2)和功率放大(Dl)調(diào)理 電路后的主軸振動(dòng)信號(hào)，判斷振動(dòng)量是否超標(biāo)，即振幅是否大于2微米；若未超標(biāo)則繼續(xù)采集振動(dòng)信號(hào)，若超標(biāo)則報(bào)警，然后開始執(zhí)行步驟3;步驟3:利用最小二乘法擬合主軸振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，獲得振動(dòng)信號(hào)前四階頻率成份的幅值和相位，設(shè)其分別為基頻4Z&、 二倍頻4Z^、三倍頻4Z&、四倍頻4Z^，其中4、 &， 4、 ^， 4、 &， 4、 ^分別為振動(dòng)信號(hào)基 頻、二倍頻、三倍頻和四倍頻的幅值與相位；基頻4Z&中包含有主軸的基礎(chǔ)幾何誤差數(shù)據(jù)4)Z^故需去除，得主軸原始不平衡量uze引起的振動(dòng)的幅值和 相位為<formula>formula see original document page 5</formula>其中r、 ^分別為幅值和相位；若<formula>formula see original document page 5</formula>，則主軸振動(dòng)是由不平衡量引起的，并立刻執(zhí)行步驟4，進(jìn)行動(dòng)平衡操作；步驟4:第一平衡環(huán)不平衡量VI的位置保持不變，即仍處在相對(duì)主軸基準(zhǔn)90度處，第二平衡環(huán)不平衡量V2定位在相對(duì)主軸基準(zhǔn)180度處，具體操 作工程同步驟l中所述，這樣第一平衡環(huán)不平衡量VI、第二平衡環(huán)不平衡量 V2相差90度；此時(shí)第一平衡環(huán)不平衡量VI、第二平衡環(huán)不平衡量V2的合成 不平衡量為t/z^，其中M、 ^為第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平 衡量V2合成不平衡量的幅值和相位，"與M的合成不平衡量為^ ;步驟5:重復(fù)步驟2 3，獲取第二平衡環(huán)不平衡量V2位置變化后主軸振動(dòng)的基頻幅值和相位信息gZ^，其中A、 A,分別為幅值和相位，進(jìn)而獲得合成不平衡量^引起振動(dòng)的幅值和相位，即i^^二az^-4)Z^，其中r2、A分別為幅值和相位；步驟6:主軸原始不平衡量的大小f/可利用式①求得<formula>formula see original document page 6</formula>①式中C/為主軸原始不平衡量的大小；f/,為第一平衡環(huán)不平衡量VI、第二平 衡環(huán)不平衡量V2相差90度時(shí)的合成不平衡量的幅值；r為主軸原始不平衡量 C/Ze引起振動(dòng)的幅值；K為合成不平衡量^引起振動(dòng)的幅值；f3為不平衡量f/引起振動(dòng)的相位^與合成不平衡量^引起振動(dòng)的相位A之差即P = ^-A ;主軸原始不平衡量的相位e可利用式②③求得<formula>formula see original document page 6</formula>②式中Y為t/與W間的夾角；^為第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡 量V2相差90度時(shí)合成不平衡量的相位；e為主軸原始不平衡量的相位；獲取主軸原始不平衡量f/ZP后，"z^送數(shù)據(jù)顯示模塊(A6)顯示；步驟7:通過矢量變換求取為抵消主軸系統(tǒng)原始不平衡量"z^，第一平衡 環(huán)不平衡量VI、第二平衡環(huán)不平衡量V2相對(duì)于主軸基準(zhǔn)需到達(dá)的位置數(shù)據(jù) avl、 aV2， avl、 2的單{立為弧度；步驟8:定位第一平衡環(huán)不平衡量V1、第二平衡環(huán)不平衡量V2相對(duì)于主 軸基準(zhǔn)到達(dá)位置c^、 (Xw處，具體操作過程同步驟l;步驟9:驗(yàn)證動(dòng)平衡效果采集主軸振動(dòng)信號(hào)，若主軸振動(dòng)未超標(biāo)則結(jié)束，若超標(biāo)則重新執(zhí)行步驟 1 9。全文摘要
本發(fā)明涉及一種摩擦型全自動(dòng)高速主軸在線動(dòng)平衡系統(tǒng)及其控制方法，屬于精密超精密加工及自動(dòng)化領(lǐng)域。該在線動(dòng)平衡系統(tǒng)的平衡頭機(jī)械裝置采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其核心是左右對(duì)稱的兩個(gè)校正用平衡環(huán)及其驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，平衡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)尤其簡(jiǎn)單可靠；該動(dòng)平衡系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)中，選用高性能數(shù)字信號(hào)處理器作為核心處理器，其非常高的數(shù)據(jù)處理速度和精度，保證了較短的動(dòng)平衡時(shí)間和甚佳的平衡效果；該動(dòng)平衡系統(tǒng)的可行的控制方法和有效的數(shù)據(jù)處理算法，使得整個(gè)系統(tǒng)更加完善。本發(fā)明對(duì)于高速精密超精密加工具有重要的意義。
文檔編號(hào)G01M1/30GK101241034SQ20081010238
公開日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者伍良生, 周大帥, 張?jiān)旗? 朱美玲 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)