CN102095554B - 喷液式高速主轴在线自动平衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷液式高速主轴在线自动平衡系统，系统主要由机械结构部分和电气控制部分组成。其中机械结构部分包括水盘结构与喷头部分，水盘直接安装在主轴一端，其内部的水道设计可以保证液体由喷头射入水盘后能稳定准确地分布在指定的水腔；喷头与工作台连接，位置、角度可调；电气控制部分实时获取主轴的振动信号，根据主轴振动变化情况控制阀组件进行精确喷水，每一次喷水前与喷水后采集的振动信息都用于系统控制的判断依据。本发明所涉及的喷液式高速主轴在线自动平衡系统经过反复喷液后，可最终使液体产生的离心力与主轴初始不平衡量抵消，主轴系统达到平衡目标。

Description

喷液式高速主轴在线自动平衡系统

技术领域

本发明属于高速动平衡装备技术领域，涉及一种用于机床主轴的动平衡系统，尤其是一种喷液式高速主轴在线自动平衡系统。

背景技术

现代机械加工正朝着高速高精度方向发展，这对高端数字控制机床的切削效率和加工精度提出来更苛刻的要求，主轴作为数控机床的核心部件，是决定机床性能的关键所在。由于机械加工和装配误差等因素的影响，主轴重心与回转中心重合性较差，由此产生的离心力导致的机床振动、机床噪声等一系列问题直接影响了机床的加工精度，也限制了机床加工效率的提高。目前，加工过程中的振动问题并没有得到充分的解决，其危害反而随着机械加工水平的日益提高而变得越来越突出，主要表现在以下几个方面：

(1)现代机械加工精度已达到亚微米甚至纳米级水平，可以设想，在如此精密的加工中，工件和刀具间即使发生极微小的振动，不仅会严重降低工件的表面质量，而且会使加工精度丧失殆尽。

(2)振动会使刀具磨损，严重时会使加工无法进行下去，这将极大的妨碍柔性制造系统、计算机集成制造系统的使用及无人化加工的实现。

(3)为避免或减小振动，有时不得不降低加工用量，限制了机械加工生产效率的提高。我国目前的机床加工效率只相当于工业发达国家水平的一半，机械加工振动问题没有得到很好的解决是其中的重要原因。

目前，大多数旋转机械都是使用离线平衡来消除不平衡引起的振动。然而，该方法有许多缺点：

(1)离线平衡花费太多时间且代价很高；

(2)如果不平衡的分布在转子运行期间发生变化，离线平衡就无能为力；

(3)如果转子在不同转速下运行，离线平衡也无效，因为转子的动力学特性将随着转速的变化而改变。

因此，主轴在线动平衡成为一项不可缺少的关键技术。

目前主要的在线动平衡系统按补偿质量的性质分为三类：

1、直接执行装置：从质量方面着手，通过加重去重，直接将平衡圆盘的几何中心移到旋转中心，有喷涂法、喷液法及激光去重法等。

2、间接执行装置：给圆盘长期提供与不平衡力方向相反、大小相等的力，将其重心强行拉到旋转中心。目前，这种动平衡执行装置主要有电磁轴承型和电磁圆盘型。

3、混合执行装置：在工作时，以某种方式改变动平衡执行装置内部质量分布，使其几何中心与旋转中心重合，质量的重新分布可通过机械方法或电磁方法进行。根据驱动平衡质量块移动方式到控制方式的不同，可分为电动机型和电磁型。在转子产生不平衡振动时，调整平衡质量块的位置，对转子系统进行在线动平衡，转子系统平衡后，即可切断电动机电源或撤消拖动平衡质量块移动的电磁力。

以上提到的在线动平衡系统都存在一些不足，激光去重的方法无法还原调整之前的状态，而且精度不高，辅助设备复杂，很难再工业现场应用；利用电磁力的平衡装置内能耗大，内部机械结构应力大，且在高速运行时磁场会发生畸变控制的非线性增强，控制难度大大提高。混合执行的平衡方法一般存在平衡时间较长、操作繁琐和机械结构复杂的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有的在线动平衡系统的各种不足，提供一种喷液式高速主轴在线自动平衡系统，该系统通过向水盘的水腔内注入适当的液体，使主轴重心发生改变，最终重新回归主轴的旋转中心上，从而最终达到在线动平衡的效果。该系统具有较高平衡效率、平衡精度且装置简单可靠的高速主轴在线自动平衡系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种喷液式高速主轴在线自动平衡系统，由机械结构部分和电气控制部分组成，所述机械结构部分包括水盘结构和喷头结构，所述水盘结构包括依靠套筒实现轴向定位的水盘内圈，所述水盘内圈的外壁上固定套设有水盘外圈，在所述水盘内圈的内壁上设有若干道环形水槽，每道水槽内各设有一个径向通孔，所述各水槽上的径向通孔在圆周上均匀分布；所述水盘外圈内侧周向分设有多个相互独立的内凹结构，所述多个内凹结构与所述环形水槽内的径向通孔一一对应，位置相互对应的所述径向通孔和内凹结构连通形成独立水腔；所述喷头结构包括一个伸入水盘内圈内侧的喷头，所述喷头上设有多个分别对应水盘内圈内壁各环形水槽的水枪喷嘴，所述喷头固定在喷头支架上。

上述水盘内圈的内壁与高速主轴配合，整个水盘内圈依靠套筒实现在高速主轴上的轴向定位。

上述水盘外圈和水盘内圈通过螺钉固定连接。

上述水盘内圈的内壁上设有四道环形水槽，所述四道环形水槽内的四个径向通孔在圆周上分布间隔90°布置，所述水盘内圈内侧周向分设有四个相互独立的内凹结构，所述四个内凹结构与环形水槽内的通孔一样沿周向间隔90°分布；所述水盘内圈、水盘外圈通过螺钉连接后形成四个相互独立且分布在同一截面上的水腔，相邻水腔之间间隔90°。

上述喷头由喷头主体、水枪喷嘴以及管接头组成，每个所述水枪喷嘴连通有一个管接头，所述管接头实现水管与水枪喷嘴的连接；所述喷头支架由立柱和底座组成，所述喷头主体固定于立柱上端，所述立柱固定在底座上。

上述电气控制部分包括核心电路模块、控制执行模块、前端通道模块和检测模块；所述检测模块由转速检测模块和加速度检测模块组成，所述加速度检测模块通过前端通道模块连接至核心电路模块，所述转速检测模块的输出端与所述核心电路模块的输入端连接；所述核心电路模块的输出端连接至所述控制执行模块的输入端。

上述核心电路模块包括核心处理器、电源管理模块、串口通讯模块、USB通讯模块、A/D转换模块、存储器模块和显示模块；所述控制执行模块包括电磁阀、电气隔离模块和水泵；所述前端通道模块包括放大器、带通滤波器、传感器供电模块；所述检测模块包括高速主轴转速传感器和高速主轴振动加速度传感器；所述核心电路模块通过控制执行模块中的电气隔离模块与电磁阀连接；检测模块中的振动加速度传感器与前端通道模块中的传感器供电模块连接，高速主轴转速传感器与核心处理器连接；前端通道模块中的带通滤波器与A/D转换模块连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明的喷液式高速主轴在线自动平衡系统，通过在设置高速主轴上设置带有水腔的水盘，并通过向水盘的水腔内注入适当的液体，使主轴重心发生改变，最终重新回归主轴的旋转中心上，从而最终达到在线动平衡的效果。该种平衡系统能够还原调整状态，结构简单，利于工业现场应用，并且其具有较高平衡效率、平衡精度。

附图说明

图1为本发明的系统总体框图；

图2为平衡算法示意图；

图3为电气控制部分原理框图；

图4为水盘结构装配示意图；

图5为水盘内圈2结构图；

图6为水盘外圈1结构图，其中(a)图是(b)图的左视图；

图7为喷头结构装配示意图；

图8为本发明的应用实例中系统机械结构装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的喷液式高速主轴在线自动平衡系统，由机械结构部分和电气控制部分组成，以下是这两部分的详细说明：

(1)机械结构

图8为本发明所设计的喷液式高速主轴在线自动平衡系统应用于实例中的机械结构装配示意图，有图可知，本发明的机械结构部分包括水盘结构和喷头结构两部分：

其中水盘结构的装配示效果如图4，水盘结构分为水盘外圈1与水盘内圈2两个部分，水盘内圈2的外壁上固定套设水盘外圈1，水盘内圈2采用过盈配合安装在高速主轴上，轴向采用套筒进行固定，其内壁上设有若干道环形水槽。如图6所示，在水盘外圈1内侧周向分设有多个相互独立的内凹结构，多个内凹结构与环形水槽内的径向通孔一一对应，位置相互对应的径向通孔和内凹结构连通形成独立水腔；

在本发明的最佳实施例中，如图5，在水盘内圈2内壁设置四道水槽，每道水槽各有一个通孔用以连同水槽与相对应的水腔，水盘内圈2向分布有四个螺钉孔，相邻螺钉孔间隔90°，水盘内圈2与水盘外圈1利用螺钉紧固。水盘外圈1的外表面有一个相位检测孔，配合传感器可以每转过一周产生一个方波信号，这路信号可用于水盘相位鉴别。

参见图7，喷头结构包括一个伸入水盘内圈2内侧的喷头，喷头上设有多个分别对应水盘内圈2内壁各环形水槽的水枪喷嘴5，喷头固定在喷头支架上。喷头由喷头主体、水枪喷嘴5以及管接头4组成，每个水枪喷嘴5连通有一个管接头4，管接头4实现水管与水枪喷嘴5的连接；喷头支架由立柱6和底座7组成，喷头主体固定于立柱6上端，立柱6固定在底座7上。喷头部分的装配效果如图3，其中，管接头4两端为螺纹结构，一端可与水枪喷嘴5上的螺纹结构直接连接，另一端可与水管连接。水枪喷嘴5凸台处分布有四个径向螺纹孔用于与管接头4连接，水枪喷嘴5的一端的断面上分布有五个间隔20°的螺纹孔，用于水枪喷嘴5与立柱6的连接，通过选择水枪喷嘴5上的安装螺纹孔可以调整水枪喷嘴5角度。水枪喷嘴5内部有水道将四个径向螺纹孔分别与喷口相连，动平衡过程中，液体经管接头4进入水枪喷嘴5，最后从喷口射出进入水盘水槽。立柱6的主要功能是连接水枪喷嘴5与底座7，支架的上端有三个通孔，三个通孔分布在一个圆弧上，相邻间隔20°，利用这三个通孔可使用螺钉将支架7与水枪喷嘴5连接。立柱6下端分布有四个通孔，用于立柱6与底座7的连接。底座7为厚板结构，底座7的一面与工作台配合，并利用底座7上六个通孔与工作台连接，六个通孔对称分布，两侧各三个，当水枪喷嘴5的安装需要调整时，可以利用底座7上的3个方槽进行安装位置的调整，底座7的一个侧面分布有四个等间距的螺纹孔，与立柱6的上的四个通孔相对应，在进行螺纹紧固后保证立柱6与底座7基本垂直。最后经安装调整后应使水枪喷嘴5的四个喷口与水盘内圈2的四个水槽一一对应。

(2)控制系统

控制系统总体框图如图1，本发明所设计的在线动平衡系统的控制部分主要包括核心电路模块A、控制执行模块D、前端通道模块B和检测模块C；检测模块C由转速检测模块和加速度检测模块组成，加速度检测模块通过前端通道模块B连接至核心电路模块A，转速检测模块的输出端与所述核心电路模块A的输入端连接；核心电路模块A的输出端连接至所述控制执行模块D的输入端。

以上的核心电路模块A包括核心处理器A1、电源管理模块A2、串口通讯模块A5、USB通讯模块A5、A/D转换模块A3、存储器模块A7和显示模块A4。控制执行模块D包括电磁阀D1、电气隔离模块和水泵D2；前端通道模块B包括放大器B3、带通滤波器B2、传感器供电模块B1。检测模块C包括高速主轴转速传感器C1和高速主轴振动加速度传感器C2。核心电路模块A通过控制执行模块D中的电气隔离模块与电磁阀D1连接；检测模块C中的振动加速度传感器C2与前端通道模块B中的传感器供电模块B1连接，高速主轴转速传感器C1与核心处理器A1连接；前端通道模块B中的带通滤波器B2与A/D转换模块A3连接。

其中，检测模块C中的振动加速度传感器C2利用自带磁座安装在主轴外壳表面，传感器头指向高速主轴中心，转速传感器C1利用螺纹孔安装在轴系结构上，与振动加速度传感器类似，方向指向主轴中心。振动传感器与前段模块中的传感器供电模块B1相连，供电模块为加速度传感提供恒流稳压的电源，转速传感器C1经电气隔离后进入核心电路模块A，进行计数测量转速。前段通道模块末端与核心电路模块A连接，信号在被滤波、放大等处理之后进入核心电路模块A。其中核心处理器A1用于系统的运算与整体控制，与其他模块都有连接；串口通信模块A5和USB通讯模块A6都与核心处理器A1相连，主要功能是实现系统与工控机之间通讯；A/D转换模块A3是振动加速度信号处理的最后一个环节，信号经A/D转换后数据进入核心处理器A1；存储器模块A7与核心处理器A1相连，用于存储系统前一时刻的振动量等重要数据；显示模块A4与核心处理器A1相连，能将系统的一些实时信息直接显示在LCD显示屏上面；电源管理模块A2为核心电路A提供工作电源。

控制执行模块D主要包括四个电磁阀D1与电气隔离；核心电路A产生的控制信号通过电气隔离后控制电磁阀D1的通断时间。

基于上述喷液式高速主轴在线自动平衡系统，本发明所设计的在线动平衡系统的控制方法步骤如下：

1)与高速主轴连接：水盘内圈2在预紧力的作用下与主轴实现过盈配合，内圈的前后用套筒实现轴向定位。

2)主轴信号的获取：本发明中利用振动加速度传感器的磁力座将传感器吸附在主轴外壳表面，传感器指向主轴的轴心；一般使用的加速度传感器需要一定的恒流稳压电源，本发明中由传感器供电模块B1提供；由加速度传感器产生的信号一般较弱且混有许多噪声干扰，信号需经过通过放大器B3和带通滤波器B2放大调理。信号调理放大之后进入核心电路A的A/D转换模块A3，A/D采样后的结果送入核心处理器A1单元，经处理和比较后得到主轴的振动量。为了获得主轴转速信号，可利用光电传感器获得转速方波信号，本发明在主轴回转面上贴有一定宽度的反光材料，转速传感器C1利用螺纹紧固在传感器支架上，传感器头指向主轴的轴心。转速传感器C1产生的方波信号经电气隔离1进入核心电路A模块，利用计数的方法得到主轴转速。

3)结合图2，本发明动平衡步骤如下：

a高速主轴运行稳定之后，通过检测模块C得到的主轴振动加速度信号通过前段通道模块的处理进入核心电路A，在获得一个比较稳定的主轴振动量之后，实际检测的振动量会与设定的预期值进行比较并以此判断是否进行动平衡。

b检测振动量与预期振动量进行比价之后，如果检测振动量小于预期振动量，则系统不进行动平衡，只保持检测主轴状态。如果检测振动量大于预期振动量，则系统开始实施动平衡，同时保存这一次的检测结果，取1腔为x正方向，2腔为Y正方向，初始不平衡量用(x₀，y₀)表示。用u₀ ²表示不平衡量大小。

x₀ ²+y₀ ²＝u₀ ²                            (1)

c系统进入动平衡之后会首先进行试喷水，核心电路A模块对喷液通道1发出一定时间长度的高电平信号，为保护核心电路A，核心电路A的输出信号不能直接控制电磁阀D1，信号经过电气隔离2之后对电磁阀D1进行控制，1号电磁阀相应导通一定时间，一定量的液体通过水枪喷头进入水腔1，同时主轴的平衡状态发生改变。

d第一次试喷水完成后，检测到的振动信号进入核心电路A，得到的振动量会被保存下来。第一次的喷水产生的不平衡了记为(x₁，0)，喷水一次后的不平衡量记为u₁ ²。则

(x₀+x₁)²+y₀ ²＝u₁ ²                            (2)

e对1号腔完成喷水后再次对1腔进行喷水，这一次产生的不平衡量记为(x₁，0)，两次喷水后的不平衡量记为u₂ ²，则

(x₀+2x₁)²+y₀ ²＝u₂ ²                           (3)

f有(1)，(2)，(3)式联立得

x₀x₁＝(u₁ ²-u₀ ²)-(u₂ ²-u₀ ²)/4                  (4)

式中u₀，u₁，u₂都可以用所测的振动值线性表示，通过判断(4)式右侧的正负好可以判断x₀，x₁的正负号关系，如(4)式右侧为正，则x₀，x₁同号，即初始不平衡量的x分量与X1同方向，如(4)式右侧为负，则x₀，x₁异号，即初始不平衡量的x分量与X1反方向。由此可以判断初始判断初始不平衡量x分量方向。

g同理可以判断出初始判断初始不平衡量y分量方向

h完成以上步骤既确定初始不平衡量(x₀，y₀)的象限，如x₀＞0，y₀＞0，则初始不平衡量在第一象限，下面应向对应的第三象限进行补充喷水。首先对X方向进行补差，如需补偿的象限是第三象限，则向3号腔里喷水，喷水采用逐步喷水，每步喷水后检测振动情况，如发现振动开始增大时立即停止喷水，同理对Y方向进行补偿，直至振动量达到最小。

Claims (7)

1.一种喷液式高速主轴在线自动平衡系统，由机械结构部分和电气控制部分组成，其特征在于：所述机械结构部分包括水盘结构和喷头结构，所述水盘结构包括依靠套筒实现轴向定位的水盘内圈(2)，所述水盘内圈(2)的外壁上固定套设有水盘外圈(1)，在所述水盘内圈(2)的内壁上设有若干道环形水槽，每道环形水槽内各设有一个径向通孔，所述各环形水槽上的径向通孔在圆周上均匀分布；所述水盘外圈(1)内侧周向分设有多个相互独立的内凹结构，所述多个内凹结构与所述环形水槽内的径向通孔一一对应，位置相互对应的所述径向通孔和内凹结构连通形成独立水腔；所述喷头结构包括一个伸入水盘内圈(2)内侧的喷头，所述喷头上设有多个分别对应水盘内圈(2)内壁各环形水槽的水枪喷嘴(5)，所述喷头固定在喷头支架上。

2.根据权利要求1所述的喷液式高速主轴在线自动平衡系统，其特征在于：所述水盘内圈(2)的内壁与高速主轴配合，整个水盘内圈(2)依靠套筒实现在高速主轴上的轴向定位。

3.根据权利要求1所述的喷液式高速主轴在线自动平衡系统，其特征在于：所述水盘外圈(1)和水盘内圈(2)通过螺钉固定连接。

4.根据权利要求1或3所述的喷液式高速主轴在线自动平衡系统，其特征在于：所述水盘内圈(2)的内壁上设有四道环形水槽，所述四道环形水槽内的四个径向通孔在圆周上分布间隔90°布置，所述水盘内圈(2)内侧周向分设有四个相互独立的内凹结构，所述四个内凹结构与环形水槽内的通孔一样沿周向间隔90°分布；所述水盘内圈(2)、水盘外圈(1)通过螺钉连接后形成四个相互独立且分布在同一截面上的水腔，相邻水腔之间间隔90°。

5.根据权利要求1所述的喷液式高速主轴在线自动平衡系统，其特征在于：所述喷头由喷头主体、水枪喷嘴(5)以及管接头(4)组成，每个所述水枪喷嘴(5)连通有一个管接头(4)，所述管接头(4)实现水管与水枪喷嘴(5)的连接；所述喷头支架由立柱(6)和底座(7)组成，所述喷头主体固定于立柱(6)上端，所述立柱(6)固定在底座(7)上。

6.根据权利要求1所述的喷液式高速主轴在线自动平衡系统，其特征在于：所述电气控制部分包括核心电路模块(A)、控制执行模块(D)、前端通道模块(B)和检测模块(C)；所述检测模块(C)由转速检测模块和加速度检测模块组成，所述加速度检测模块通过前端通道模块(B)连接至核心电路模块(A)，所述转速检测模块的输出端与所述核心电路模块(A)的输入端连接；所述核心电路模块(A)的输出端连接至所述控制执行模块(D)的输入端。

7.根据权利要求6所述的喷液式高速主轴在线自动平衡系统，其特征在于：所述核心电路模块(A)包括核心处理器(A1)、电源管理模块(A2)、串口通讯模块(A5)、USB通讯模块(A6)、A/D转换模块(A3)、存储器模块(A7)和显示模块(A4)；所述控制执行模块(D)包括电磁阀(D1)、电气隔离模块和水泵(D2)；所述前端通道模块(B)包括放大器(B3)、带通滤波器(B2)、传感器供电模块(B1)；所述检测模块(C)包括高速主轴转速传感器(C1)和高速主轴振动加速度传感器(C2)；所述核心电路模块(A)通过控制执行模块(D)中的电气隔离模块与电磁阀(D1)连接；检测模块(C)中的高速主轴振动加速度传感器(C2)与前端通道模块(B)中的传感器供电模块(B1)连接，高速主轴转速传感器(C1)与核心处理器(A1)连接；前端通道模块(B)中的带通滤波器(B2)与A/D转换模块(A3)连接。

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