CN101912825A - 用于离心机的两轴向自适应式动平衡执行装置 - Google Patents

Abstract

用于离心机的两轴向自适应式动平衡执行装置，包括动平衡执行单元，动平衡执行单元包括底座，导轨，滑块和传动机构，动平衡质量块固接与滑块上；动平衡执行单元的两个调节方向垂直；机臂外设采集装置，采集装置与处理器连接，各执行单元的传动机构受控于处理器。本发明具有能实现自适应动平衡调整，控制准确的优点。

Description

用于离心机的两轴向自适应式动平衡执行装置

技术领域

本发明涉及一种用于离心机的两轴向自适应式动平衡执行装置。

技术背景

目前，对离心机转子的动平衡工作大都是在动平衡机上完成的，也有一部分是用现场动平衡技术来对离心机转子进行动平衡，但是这些消除动不平衡量的方法都是消除或增加一部分质量，实现过程很复杂，所需要的时间也很长，而且只要转子的转速或质量分布发生改变就需要将转子拿到动平衡机上重新做动平衡。

发明内容

为克服现有技术的平衡过程复杂，耗时长，只要转子的转速或质量分布发生改变就需要将转子拿到动平衡机上重新做动平衡的缺点，本发明提供了一种直接安装于离心机上、当转子的质量分布或转速发生改变时能实现自适应动平衡调整的用于离心机的两轴向自适应式动平衡执行装置。

用于离心机的两轴向自适应式动平衡执行装置，包括固定于离心机的机臂上、分别沿两个方向调节其动平衡质量块的动平衡执行单元和控制动平衡执行单元的执行控制器，所述的动平衡执行单元包括固定于所述的机臂上的底座，固定在所述的底座上的导轨，与所述的导轨滑动连接的滑块和推动所述的滑块沿所述的导轨往复运动的传动机构，和固接在所述的滑块上的动平衡质量块；所述的动平衡执行单元的两个调节方向垂直；

所述的机臂外设有采集由不平衡量引起的机臂的周期性振动响应的采集装置，所述的采集装置与一能获取不同的平衡量引起的振动响应的幅值和相位、并根据所述的幅值和相位计算出机臂的原始不平衡量和各滑块的移动方向和移动距离的处理器连接，所述的处理器通过无线通讯装置与所述执行控制器通讯。

进一步，所述的机臂上设有两个动平衡执行单元，两个动平衡执行单元的导轨相互垂直。

或者，所述的机臂上均匀分布有四个动平衡执行单元，相对的两个动平衡执行单元的导轨共线、滑块的移动方向相反；相邻的两个动平衡执行单元的导轨相互垂直。

进一步，所述的采集装置包括设置在所述的机臂的旋转驱动机构上、能将旋转驱动机构的转速转换成脉冲序列信号的光电编码器，与所述的光电编码器连接的数据采集卡，与所述的数据采集卡连接、并感应机臂是否发生振动并获取振动信号的振动传感器和触发所述的数据采集卡、使其开始采样的触发机构；

将所述的光电编码器输出的脉冲序列信号作为数据采集卡的外时钟信号，将所述的振动传感器输出的振动信号作为数据采集卡的输入信号，将根据所述的外时钟信号对所述的振动信号进行采样后得到的采样信号作为所述的数据采集卡的输出信号，所述的采样信号输入所述的处理器中。

进一步，所述的振动传感器为电涡流传感器。

进一步，所述的触发机构包括固定于所述的机臂上、与任一动平衡执行单元的导轨共线的磁钢和与所述的数据采集卡连接的霍尔开关，所述的机臂每转一转，所述的霍尔开关与所述的磁钢相遇一次，所述的霍尔开关与所述的磁钢相遇时发出的脉冲触发所述的数据采集卡进行采样。

进一步，所述的处理器包括当机臂低速转动时、获取并记录机臂的加工误差曲线的系统误差记录模块，当机臂正常工作时、获取并记录机臂产生的第一振动信号的第一缓存模块，使各执行单元的滑块发生移动、并记录滑块移动方向和距离的执行模块，获取并记录滑块移动后、机臂产生的第二振动信号的第二缓存模块，分别将第一、第二振动信号中的加工误差去除、并滤除干扰噪声信号的、获取振动信号的幅值和相位的去误差模块，根据第一、第二振动信号的幅值和相位及滑块的质量和移动距离、用影响系数法计算得到机臂的原始不平衡量、并将所述的原始不平衡量转换为各执行机构的滑块所需移动的方向和距离的计算模块。

进一步，所述的传动机构包括步进电机和丝杠机构，丝杠与所述的电机的输出轴连接，丝杠螺母与所述的质量块固接；所述的丝杠的两侧分别上设有限制滑块移动范围的限位开关，所述的丝杠的两端分别通过支承座与底座连接，所述的支承座与所述的丝杆之间设有轴承，所述的支承座固定于所述的底座；所述的步进电机受控于所述的执行控制器。

进一步，所述的旋转驱动机构包括与带动所述的机臂旋转的齿轮机构，大齿轮与所述的机臂固接，小齿轮与所述的大齿轮啮合传动，小齿轮与提供动力的驱动电机联动，所述的光电编码器安装于所述的小齿轮的转轴上。

进一步，所述的处理器通过无线通讯装置与所述的执行控制器通讯，无线通讯装置使用RS232与所述的处理器通讯。

本发明的技术构思是：通过在机臂上安装动平衡执行单元，通过分析机臂的由不平衡量引起的振动响应来获取动平衡执行单元的调整参数，使机臂达到动平衡。当机臂的转速和质量分布发生变化时，机臂的振动响应也相应的发生变化，处理器将重新分析、计算振动响应，重新移动动平衡执行机构的滑块，使机臂重新达到动平衡。

本发明使用霍尔开关作为动平衡测量的相位基准和数据采集卡开始采集数据的触发信号。机臂转动时，霍尔开关平时输出的是高电平，在和磁钢相遇时将输出低电平，所以机臂每转一转，霍尔开关输出一个脉冲，这个脉冲输入给采集卡，其上升沿作为数据采集卡开始采集数据的基准信号；驱动机构动作时，驱动电机的动力经小齿轮，大齿轮传递至机臂，从而使机臂转动；联接在小齿轮转轴上的光电编码器将小齿轮转轴的转速转换为脉冲序列输出，这个脉冲序列输入给数据采集卡，作为数据采集卡采样的外时钟信号，保证机臂不论转速大小，机臂每转一转，数据采集卡整周期采样                                                个点，而且采样点的位置固定；在有不平衡量的情况下，机臂会有周期性振动，电涡流传感器安装在机臂的外侧，依靠检测其和机臂的间隙变化量来测量出机臂的对动不平衡量的振动响应；电涡流传感器的输出信号输入给数据采集卡，作为数据采集卡的输入信号；数据采集卡接收到基准信号脉冲后启动，进入准备采样的状态，之后每接收到一个外时钟信号脉冲采集一次输入信号，采集完

个点后通过USB总线将数据传输给计算机，完成一次数据采集过程。

由于离心机的机臂直径较大，加工完成后的圆度不可能很好，机臂在旋转时，机臂的加工误差曲线和不平衡量的振动响应曲线同频率、且初始相位相同，所以离心机在投入使用前，应当将机臂的加工误差曲线测量出来并将其作为系统的固有参数记录下来；得到机臂加工误差曲线的方法是：使机臂在极低的转速下转

转，使不平衡量引起的振动的大小几乎为0，系统经过上文所述的数据采集过程后，数据采集卡将采集到机臂的加工误差曲线，并传输给处理器。在计算机臂的不平衡量时，先将振动信号中的加工误差去除，提高控制的准确性。

本发明具有直接安装于离心机上、当转子的质量分布或转速发生改变时能实现自适应动平衡调整，控制准确的优点。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为两个动平衡执行单元安装于机臂上的示意图。

图3为四个动平衡执行单元安装于机臂上的示意图。

图4为动平衡执行单元的剖视图。

图5为本发明的控制流程图。

具体实施方式

实施例一

参照图1、2、4、5

用于实现上述执行方法的动平衡执行装置，包括固定于离心机的机臂1上、分别沿两个方向调节其动平衡质量块的动平衡执行单元2和控制动平衡执行单元工作的执行控制器7，所述的动平衡执行单元2包括固定于所述的机臂1上的底座21，固定在所述的底座21上的导轨22，与所述的导轨22滑动连接的滑块23和推动所述的滑块23沿所述的导轨22往复运动的传动机构，所述的动平衡质量块24固接与所述的滑块23上，所述的动平衡执行单元2的两个调节方向垂直；动平衡执行单元2受控于所述执行控制器7；

所述的机臂1外设有采集由不平衡量引起的机臂1的周期性振动响应的采集装置，所述的采集装置与一能获取不同的平衡量引起的振动响应的幅值和相位、并根据所述的幅值和相位计算出机臂的原始不平衡量和各滑块的移动方向和移动距离的处理器3连接，所述的处理器3通过无线通讯装置6和所述执行控制器7通讯，无线通讯装置6使用RS232与所述的处理器3通讯。

所述的机臂1上设有两个动平衡执行单元2，两个动平衡执行单元2的导轨22相互垂直。

所述的采集装置包括设置在所述的机臂1的旋转驱动机构上、能将旋转驱动机构的转速转换成脉冲序列信号的光电编码器41，与所述的光电编码器41连接的数据采集卡42，与所述的数据采集卡42连接、并感应机臂1是否发生振动并获取振动信号的振动传感器43和触发所述的数据采集卡42、使其开始采样的触发机构；

将所述的光电编码器41输出的脉冲序列信号作为数据采集卡42的外时钟信号，将所述的振动传感器43输出的振动信号作为数据采集卡42的输入信号，将根据所述的外时钟信号对所述的振动信号进行采样后得到的采样信号作为所述的数据采集卡42的输出信号，所述的采样信号输入所述的处理器3中。

所述的振动传感器43为电涡流传感器。

所述的触发机构包括固定于所述的机臂上、与任一动平衡执行单元的导轨共线的磁钢441和与所述的数据采集卡42连接的霍尔开关442，所述的机臂1每转一转，所述的霍尔开关442与所述的磁钢441相遇一次，所述的霍尔开关442与所述的磁钢441相遇时发出的脉冲触发所述的数据采集卡42进行采样。

所述的处理器3包括当机臂低速转动时、获取并记录机臂的加工误差曲线的系统误差记录模块，当机臂1正常工作时、获取并记录机臂1产生的第一振动信号的第一缓存模块，使各执行单元的滑块发生移动、并记录滑块移动方向和距离的执行模块，获取并记录滑块23移动后、机臂1产生的第二振动信号的第二缓存模块，分别将第一、第二振动信号中的加工误差去除、并滤除振动信号的噪声、获取振动信号的幅值和相位的去误差模块，根据第一、第二振动信号的幅值和相位及滑块的质量和移动距离、用影响系数法计算得到机臂的不平衡量、并将所述的不平衡量转换为各执行机构的滑块23所需移动的方向和距离的计算模块。

所述的传动机构包括步进电机251和丝杠机构，丝杠252与所述的电机251的输出轴连接，丝杆螺母253与所述的质量块24固接；所述的丝杠252的两侧分别上设有限制滑块移动范围的限位开关254，所述的丝杠的两端分别通过支承座255与底座21连接，所述的支承座255与所述的丝杆254之间设有轴承256，所述的支承座255固定于所述的底座21；所述的步进电机251受控于所述的执行控制器。

所述的旋转驱动机构包括与带动所述的机臂1旋转的齿轮机构，大齿轮51与所述的机臂1固接，小齿轮52与所述的大齿轮51啮合传动，小齿轮52与提供动力的驱动电机联动，所述的光电编码器41安装于所述的小齿轮52的转轴53上。

处理器的执行步骤如下：

（1）、在离心机的机臂上安装分别沿两个方向调节其动平衡质量块的动平衡执行单元，两个调节方向相互垂直；

（2）、将驱动机臂旋转的驱动机构的当前转速转换成脉冲序列信号，保证机臂每转一转，不论机臂转速高低，脉冲序列中的脉冲数一样，实时记录所述的脉冲序列信号；

（3）、在机臂上设定一个标记，使得机臂每转一转，标记发出一个脉冲信号，且标记的位置在一个滑块移动方向上；并规定以机臂的回转中心为原点，所述的标记和所述的原点的连线为轴，从所述的原点到所述的标记处的方向为

向，并按照右手定则找到

轴和

向；

（4）、离心机在投入使用前，需要获取机臂的加工误差曲线，并将所述的加工误差曲线作为系统误差保存下来；使机臂在极低的转速下转

转，使动不平衡量引起的振动的大小几乎为0，以当前脉冲序列信号作为数据采集卡的外时钟信号，以标记发出的脉冲信号作为数据采集卡的触发信号，对所述的机臂加工误差曲线进行整周期采样，采样机臂转动的转数为

，转子每转一转，数据采集卡整周期采样个点，获得造成机臂的加工误差曲线（

），记录所述的加工误差曲线；

（5）、使离心机处于正常工作状态，获取机臂的不平衡量引起的第一振动信号，以当前脉冲序列信号作为数据采集卡的外时钟信号，以标记发出的脉冲作为数据采集卡的触发信号，对所述的第一振动信号采样，采样机臂转动的转数及每转的采样点数和步骤（4）中一样，分别为

和

，获得第一振动响应曲线（

）；去除第一振动响应曲线中的加工误差

（

），

利用自动跟踪相关滤波法消除干扰信号、并获取第一振动响应曲线的幅值和相位分别为：

（6）、分别移动各动平衡执行单元的滑块，并记录两个滑块移动方向上滑块移动的位移量分别为

、

，其中如果位移量为正表示向正方向移动，为负表示向负方向移动；

获取机臂当前的不平衡量引起的第二振动信号，以当前脉冲序列信号作为数据采集卡的外时钟信号，以标记发出的脉冲作为数据采集卡的触发信号对所述的第二振动信号采样，采样机臂转动的转数及每转的采样点数和步骤（4）中一样，分别为

和

，获得第二振动响应曲线（

）；去除第二振动响应曲线中的加工误差

（），利用自动跟踪相关滤波消除干扰信号、并获取第二振动响应曲线的幅值和相位分别为：

（7）、根据步骤（5）和步骤（6）得出的第一、第二振动响应曲线的幅值和相位，以及各滑块的移动方向和位移量，使用影响系数法计算出机臂的原始不平衡量：

根据所述的原始不平衡量，并分别取其在两个滑块移动方向上的投影为

、

，即

，得出为使离心机达到动平衡、各动平衡执行机构的滑块需移动的方向和距离，计算公式如下：

，

其中

为正表示向

方向移动，为负表示向

方向移动，

为正表示向方向移动，为负表示向

方向移动；x、y为步骤(6)中两个滑块移动的位移量；m为移动部分质量，移动部分包括滑块、丝杆螺母、动平衡质量块和联接用的螺栓螺母；

（8）、使各动平衡执行机构的滑块移动至要求的位置；获取离心机当前的振动响应，判断当前振动是否处于振动允许范围内，若是，则保持各滑块的位置；若否，则返回步骤（5）。

进一步，步骤（8）中，在移动滑块前，先判断滑块是否会被移动到导轨之外：若是，则发出报警，并提示无法完成动平衡；若否，则移动滑块。

本发明的技术构思是：通过在机臂上安装动平衡执行单元2，通过分析机臂1的由不平衡量引起的振动响应来获取动平衡执行单元2的调整参数，使机臂1达到动平衡。当机臂1的转速和质量分布发生变化时，机臂1的振动响应也相应的发生变化，处理器3将重新分析、计算振动响应，重新移动动平衡执行机构2的滑块23，使机臂1重新达到动平衡。

本发明使用霍尔开关作为动平衡测量的相位基准和数据采集卡开始采集数据的触发信号。机臂转动时，霍尔开关平时输出的是高电平，在和磁钢相遇时将输出低电平，所以机臂每转一转，霍尔开关输出一个脉冲，这个脉冲输入给采集卡，其上升沿作为数据采集卡开始采集数据的基准信号；驱动机构动作时，驱动电机的动力经小齿轮，大齿轮传递至机臂，从而使机臂转动；联接在小齿轮转轴上的光电编码器将小齿轮转轴的转速转换为脉冲序列输出，这个脉冲序列输入给数据采集卡，作为数据采集卡采样的外时钟信号，保证机臂不论转速大小，机臂每转一转，数据采集卡整周期采样

个点，而且采样点的位置固定。在有动不平衡量的情况下，机臂会有周期性振动，电涡流传感器安装在机臂的外侧，依靠检测其和机臂的间隙变化量来测量出机臂的对动不平衡量的振动响应；电涡流传感器的输出信号输入给数据采集卡，作为数据采集卡的输入信号；数据采集卡接收到基准信号脉冲后启动，进入准备采样的状态，之后每接收到一个外时钟信号脉冲采集一次输入信号，采集完个点后通过USB总线将数据传输给计算机，完成一次数据采集过程。

由于离心机的机臂直径较大，加工完成后的圆度不可能很好，机臂在旋转时，机臂的加工误差曲线和动不平衡量的振动响应曲线同频率、且初始相位相同，所以离心机在投入使用前，应当将机臂的加工误差曲线测量出来并将其作为系统的固有参数记录下来；得到机臂加工误差曲线的方法是：是机臂在极低的转速下转

转，使动不平衡量的大小几乎为0，系统经过上文所述的数据采集过程后，采集卡将采集到机臂的加工误差曲线，并传输给处理器。在计算机臂的不平衡量时，先将振动信号中的加工误差去除，提高控制的准确性。

数据采集卡每次都采集转臂的

个整转的信号，机臂加工误差曲线为

（

），第一振动信号为

（），第二振动信号

（

），两个动平衡执行单元的导轨方向分别为

、

方向，且设定滑块向外移动为正向，向内移动为负向，移动的部分质量为

，移动部分包括滑块、丝杆螺母、动平衡质量块和联接用的螺栓螺母。

（1）消除加工误差，得到由于不平衡量引起的振动信号：

（

）

（）

（2）使用自动跟踪相关滤波消除干扰信号并得到机臂的第一振动信号的振动幅值和相位：

设第一振动信号的表达式为（

），其中

为不平衡信号，

为干扰噪声信号；

设

，

（）

对

，

从

求和：

对

，其中

，在采样周期足够多的情况下，

对

，其中

，在采样周期足够多的情况下

，

所以

，

所以

， 

所以第一振动信号的振动幅值和相位分别为

同样地，使用上文所述的自动跟踪相关滤波消除干扰信号并得到机臂的第二振动信号的振动幅值和相位分别为：

（3）使用影响系数法计算机臂的不平衡量：

可以将第一、第二振动信号写成向量形式：

，

设初始时机臂的不平衡量为

，对应的振动响应信号为第一振动信号

，若不平衡量对振动响应的影响系数是

，则

                     （1）

动平衡执行单元的滑块移动位移

（（其中

为

轴上的滑块移动距离，

为

轴上的滑块移动距离，x、y为正表示向正方向移动，为负表示向负方向移动），

为移动部分质量，移动部分包括滑块、丝杆螺母、动平衡质量块和联接用的螺栓螺母，则在由于滑块移动产生不平衡量的为

，保持试验转速不变，则此时的振动响应信号为第二振动信号：

                     (2)

由(1)和(2)可得

                       (3)

故由(1)和(3)可得原始不平衡量为：

（4）计算两个步进电机的移动距离和方向;

设初始不平衡量

在

轴和

轴上的分量分别为

、

，则初始不平衡量向量可以转化为复数形式：

则

方向和

方向上的滑块需要移动的距离分别为

、，且

，

计算结果为正值时表示向相应坐标轴的正方向移动，为负值时表示向相应坐标轴的负方向移动。

实施例二

参照图1、3、4、5

本实施例与实施例一的区别之处在于：所述的机臂上均匀分布有四个动平衡执行单元，相对的两个动平衡执行单元的导轨共线、滑块的移动方向相反；相邻的两个动平衡执行单元的导轨相互垂直。其余与实施例一相同。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.用于离心机的两轴向自适应式动平衡执行装置，包括固定于离心机的机臂上、分别沿两个方向调节其动平衡质量块的动平衡执行单元和控制动平衡执行单元的执行控制器，所述的动平衡执行单元包括固定于所述的机臂上的底座，固定在所述的底座上的导轨，与所述的导轨滑动连接的滑块和推动所述的滑块沿所述的导轨往复运动的传动机构，和固接在所述的滑块上的动平衡质量块；所述的动平衡执行单元的两个调节方向垂直；

所述的机臂外设有采集由不平衡量引起的机臂的周期性振动响应的采集装置，所述的采集装置与一能获取不同的平衡量引起的振动响应的幅值和相位、并根据所述的幅值和相位计算出机臂的原始不平衡量和各滑块的移动方向和移动距离的处理器连接，所述的处理器通过无线通讯装置与所述执行控制器通讯。

2.如权利要求1所述的动平衡执行装置，其特征在于：所述的机臂上设有两个动平衡执行单元，两个动平衡执行单元的导轨相互垂直。

3.如权利要求1所述的动平衡执行装置，其特征在于：所述的机臂上均匀分布有四个动平衡执行单元，相对的两个动平衡执行单元的导轨共线、滑块的移动方向相反；相邻的两个动平衡执行单元的导轨相互垂直。

4.如权利要求2或3所述的动平衡执行装置，其特征在于：所述的采集装置包括设置在所述的机臂的旋转驱动机构上、能将旋转驱动机构的转速转换成脉冲序列信号的光电编码器，与所述的光电编码器连接的数据采集卡，与所述的数据采集卡连接、并感应机臂是否发生振动并获取振动信号的振动传感器和触发所述的数据采集卡、使其开始采样的触发机构；

将所述的光电编码器输出的脉冲序列信号作为数据采集卡的外时钟信号，将所述的振动传感器输出的振动信号作为数据采集卡的输入信号，将根据所述的外时钟信号对所述的振动信号进行采样后得到的采样信号作为所述的数据采集卡的输出信号，所述的采样信号输入所述的处理器中。

5.如权利要求4所述的动平衡执行装置，其特征在于：所述的振动传感器为电涡流传感器。

6.如权利要求5所述的动平衡执行装置，其特征在于：所述的触发机构包括固定于所述的机臂上、与任一动平衡执行单元的导轨共线的磁钢和与所述的数据采集卡连接的霍尔开关，所述的机臂每转一转，所述的霍尔开关与所述的磁钢相遇一次，所述的霍尔开关与所述的磁钢相遇时发出的脉冲触发所述的数据采集卡进行采样。

7.如权利要求6所述的动平衡执行装置，其特征在于：所述的处理器包括当机臂低速转动时、获取并记录机臂的加工误差曲线的系统误差记录模块，当机臂正常工作时、获取并记录机臂产生的第一振动信号的第一缓存模块，使各执行单元的滑块发生移动、并记录滑块移动方向和距离的执行模块，获取并记录滑块移动后、机臂产生的第二振动信号的第二缓存模块，分别将第一、第二振动信号中的加工误差去除、并滤除干扰噪声信号的、获取振动信号的幅值和相位的去误差模块，根据第一、第二振动信号的幅值和相位及滑块的质量和移动距离、用影响系数法计算得到机臂的原始不平衡量、并将所述的原始不平衡量转换为各执行机构的滑块所需移动的方向和距离的计算模块。

8.如权利要求7所述的动平衡执行装置，其特征在于：所述的传动机构包括步进电机和丝杠机构，丝杠与所述的电机的输出轴连接，丝杠螺母与所述的质量块固接；所述的丝杠的两侧分别上设有限制滑块移动范围的限位开关，所述的丝杠的两端分别通过支承座与底座连接，所述的支承座与所述的丝杆之间设有轴承，所述的支承座固定于所述的底座；所述的步进电机受控于所述的执行控制器。

9.如权利要求8所述的动平衡执行装置，其特征在于：所述的旋转驱动机构包括与带动所述的机臂旋转的齿轮机构，大齿轮与所述的机臂固接，小齿轮与所述的大齿轮啮合传动，小齿轮与提供动力的驱动电机联动，所述的光电编码器安装于所述的小齿轮的转轴上。

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