CN102252806A - 一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置及其控制系统 - Google Patents

Abstract

一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置及其控制系统，属于精密超精密加工及自动化领域。通过控制主轴系统上的两个平衡头不平衡量的重新配置来改变系统的不平衡状态。其每个平衡头的平衡盘由周向互成120°角的油囊-承摩簧片机构推动。复位簧片保证正常运转时平衡盘与主轴的紧密啮合。在分离过程中，复位簧片保证平衡盘相对主轴差速运动及其稳定。控制系统实现多路信号同时采集、信号并行处理与多路信号并行输出等方案，缩短平衡时间；系统结合泄油提前角输出控制信号，对四个平衡盘的位置分别调节，提高控制的准确性。

Description

一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种可置于主轴箱内部的高速主轴在线动平衡装置及其控制系统，属于精密超精密加工及自动化领域。

背景技术

随着国际机床行业向高速、高精度、高效等方向的发展。主轴系统不平衡问题越来越成为制约我国机床在转速、精度等方面性能提高的关键性问题。

转子旋转时所产生的不平衡离心力与转速的平方成正比，而高速主轴系统旋转时转速非常高，若高速主轴系统有极小的不平衡量，也会产生非常大的不平衡离心力，引起机床振动、轴承磨损等故障。因此，高速主轴系统的不平衡量严重影响着机床的加工精度和使用寿命，为保证机床的加工精度必须设法减小高速主轴系统的不平衡量。

转子系统动平衡的任务就是确定高速主轴系统不平衡量的大小和方向，然后在其相反的方向某一半径处加一平衡质量，使附加不平衡量与主轴系统不平衡量的大小相等、方向相反，以减小或消除高速主轴系统的不平衡量。转子动平衡技术通常分为工艺动平衡、现场动平衡、在线动平衡。工艺动平衡是指在动平衡机上进行的平衡；现场动平衡是指转子在实际工作的条件下，利用一些现场测试和分析设备对转子实施的平衡操作；在线动平衡是指在机组不停机的状态下，利用一种自动控制机构来实现对转子系统平衡的方法。

在线动平衡可在主轴工作转速下自动识别不平衡量的大小和相位，并自动完成平衡工作，与传统的平衡方法相比，具有避免频繁开关机试重，提高平衡效率和精度，同时可根据机床加工工况的改变等因素的影响，对不平衡量实施自动平衡的优点。因此高速主轴系统自动在线平衡越来越得到人们的关注。

目前，通过控制转子上的质量重新配置，通过质量补偿来实现动平衡调节的动平衡装置主要有：喷涂型、喷液型、激光去重型以及电磁型等。其中喷涂型、喷液型和激光去重型自动平衡法存在平衡精度低等问题，难于在高速高精度旋转设备中应用；电磁型在线动平衡技术由于其机械执行部件及控制系统复杂、稳定性差、效率低及成本偏高等缺点，也难于在工程实际中应用。其他相关装置多具有结构和驱动机构复杂，尤其是轴向尺寸较大，难以在现有的机床上实现应用等缺点。因此，研究结构简单，轴向尺寸较小，准确可靠，实际应用时对现有机床主轴系统改动不大的动平衡装置及其控制系统，对于高速精密超精密加工具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有高速主轴在线动平衡装置结构和驱动系统复杂，轴向尺寸较大，难以在现有的机床上实现应用，且多用于单平面平衡等缺点，提出了一种液压驱动、摩擦力矩实现差速并稳定，可置于主轴箱内部的高速主轴双面在线动平衡装置及其控制系统。系统具有工作原理简单、机构容易实现、轴向尺寸小、无电磁干扰等特点。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置，包括有两个平衡头，平衡头采用对称式结构设计，每个平衡头包括两个平衡盘合成所需调节的不平衡量；其特征在于：

所述的平衡头包括两个平衡盘1、啮合齿座2、复位簧片3、油囊4，油囊架12；啮合齿座2两侧对称分布着平衡盘1，啮合齿座2和平衡盘1之间通过啮合齿来啮合，两个平衡盘1内侧对称布置有三个油囊支架12，油囊支架12上的通孔连接有油囊4，油囊4与平衡盘1之间装一承摩簧片5上，平衡盘1上有构成不平衡量的缺口，平衡盘1的外侧布置且沿主轴周向均匀分布的三个复位簧片3，一侧的复位簧片3由簧片连接环10相连并与主轴固定；

平衡盘1具有构成不平衡量的缺口及单向啮合齿6，单向啮合齿6沿平衡盘齿1圈周向均匀分布，啮合齿座2具有双向啮合齿7，与平衡盘1的啮合齿相配合，其通过圆柱销15与主轴8固定；平衡盘1与啮合齿座2通过复位簧片3及油囊4-承摩簧片5机构实现啮合或分离；

三个复位簧片3通过连接螺钉9与簧片连接环10固定连接，构成复位簧片组；平衡盘1、复位簧片组与主轴连接；四个平衡盘1对应四组复位簧片组，分为内外各两组，内复位簧片组Z1用于两内侧平衡盘的复位、压紧，空套于主轴上，由轴肩定位；外复位簧片组Z2用于两外侧平衡盘的复位、压紧，并空套于主轴上，由两锁紧螺母16进行定位及调节预紧力；

油管接头11与油囊架12连接，通过油囊架12内部油路对油囊供油，油囊4、承摩簧片5均与油囊架12固定连接；油囊架12与主轴箱体14通过连接螺栓13连接；承摩簧片5位于油囊4与平衡盘1之间，且油囊4内低油压时，承摩簧片5与平衡盘1不接触，平衡盘1与啮合齿座2啮合；油囊4内高油压时，油囊4的膨胀力通过承摩簧片5作用于平衡盘，推动平衡盘1与啮合齿座2分离。

所述的平衡盘1、啮合齿座2为整体加工式结构；所述复位簧片3构成的复位簧片组为整体可拆装式结构；所述的油囊4-承摩簧片5为整体可拆装式结构；

所述的一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置的控制系统，包括液压控制系统、不平衡振动监测与控制系统两部分，其特征在于：

液压控制系统：包括油箱LPS1、油泵LPS2、两位四通阀LPS3、缓冲油腔LPS4、溢流阀LPS5、电机LPS6、滤器LPS7、油管L1、L2、L3、油管接头；油箱LPS1出油口p10经滤器LPS7、油管与油泵LPS2进油相接，油泵LPS2出油口经进油管L1与两位四通阀LPS3的p1口相连，p2口经进油管L1与缓冲油腔LPS4进油口p5相连；缓冲油腔LPS4回油口p6经回油管L2与两位四通阀LPS3的p3口相连，p4口经回油管L2与油箱LPS1回油口p8相连；缓冲油腔LPS4溢油口p7经溢流阀LPS5及溢油管L3与油箱LPS1溢流回油口p9相连；缓冲油腔LPS4出油口p11、p12、p13分别通过油管与各自所控油囊4连接；两位四通阀LPS3电磁铁接控制信号，控制两位四通阀LPS3的工作位置；

不平衡振动监测与控制系统：包括两个电涡流传感器v1、v2，四个光电传感器s1、s2、s3、s4，一个光电传感器st1，BNC2110屏蔽式接线盒，NIPCI-6221动态信号采集卡，计算机，电脑RS232串口控制的智能多路控制器，两位四通阀控制端电磁铁；主轴前轴承座的振动监测传感器v1，主轴后轴承座的振动监测传感器v2，四个平衡盘位置监测传感器s1、s2、s3、s4，以及基准信号传感器st1分别通过信号电缆与BNC2110屏蔽式接线盒连接，测量信号经信号采集卡与计算机信号相连，；计算机通过RS232串口与智能多路控制器相连，智能多路控制器的输出接两位四通阀LPS4的控制端电磁铁。

所述的一种内置式主轴双面在线动平衡装置的控制方法，该方法包括：系统使用前准备工作、振动信号分析与控制两个方面：

1)系统使用前准备工作包括：

1依据系统结构设计及平衡精度等级要求输入系统基本参数；包括：四个平衡盘固有不平衡量、平衡精度等级、平衡盘啮合齿的齿距、各传感器参数；并将这些参数作为基本控制参数存入系统，用于后续计算与控制；

2通过两次试重，分别计算两校正平面对两监测点的影响系数，并存储于系统，为动平衡过程中的相关计算所用；具体操作为：

传感器v1测量监测点pt1的振动信号，传感器v2测量监测点pt2的振动信号；

i调节平衡头I、II的合成不平衡量均为零，此时在平衡转速上测量前轴承测点pt1的原始不平衡振动

表示为

同时测量后轴承测点pt2的原始不平衡振动

表示为

ii试重一，调整平衡头II的合成不平衡量为0，平衡头I的合成不平衡量为

此时在平衡转速上测量测点pt1不平衡振动为

表示为

测量测点pt2不平衡振动为

表示为

由式

计算校正平面A对测点pt1的影响系数

由式

计算校正平面A对测点pt2的影响系数

并将

和存储于系统；

iii试重二，调整平衡头I的合成不平衡量为0，平衡头II的合成不平衡量为此时在平衡转速上测量测点pt1不平衡振动为

表示为测量测点pt2不平衡振动为

表示为

由式

计算校正平面B对测点pt1的影响系数

由式

计算校正平面B对测点pt2的影响系数

并将

和

存储于系统；

3泄油提前角的测算，为消除液压油泄放所引起的控制误差，系统使用前通过实验测定泄油所需时间t，并存储于系统；由式γ＝Δω×t可计算出泄油提前角γ，其中Δω为调整过程中平衡盘与主轴之间的速度差；系统发出泄油信号的位置角由式δ＝χ-γ得出，其中δ为泄油位置角，χ为平衡盘的目标调整角；

2)振动信号分析与控制按以下步骤实施：

步骤1：信号采集模块将测点pt1、pt2的振动信号，四个平衡盘的位置信号，基准信号采集到控制系统；系统首先根据平衡精度等级的要求判断测点pt1、pt2的振动是否超越精度要求，如果振动量在精度允许范围内，则继续监测；

步骤2：如果测点振动量超过精度允许范围，则判断系统是否已连续进行了3次动平衡操作，如果已经连续进行了3次动平衡操作，系统振动量仍不能达到精度允许范围内，说明测点pt1、pt2的振动不一定是由系统不平衡所引起，或动平衡系统故障，此时需要停机，查找振动或故障原因；

步骤3：如果系统本次动平衡次数在3次范围之内，系统分离出测点pt1、pt2振动的基频分量，如果基频分量在平衡精度等级要求范围内，说明测点振动主要不是因不平衡所引起，方法失效，需要停机，分析振动产生原因；

步骤4：如果基频分量超过平衡精度等级要求，则由式

及

计算平面A所需施加的不平衡量

及平面B所需施加的不平衡量

平衡盘1的目标调整角由公式

及

得出；上式中，当θ₂-θ₁＜180°时等式右边取正，当θ₂-θ₁＞180°时取负；式中p为平衡盘与主轴同步旋转所产生的不平衡量大小，θ₁、θ₂分别为同一平衡头中两平衡盘相对主轴基准的目标调整角，Q₁为不平衡量

的幅值，φ₁为不平衡量

的相位；

将四个平衡盘1的目标调整角分别减去泄油提前角，得到四个平衡盘的泄油位置角，并计算机控制系统输出控制信号对平衡盘位置进行调节；

步骤5：平衡盘位置调整后，重新转入主轴振动监测状态，并判断测点振动是否符合精度要求；若符合精度要求则继续监测，若不符合精度要求则重新执行步骤2～4。

与现有技术相比较，本系统具有以下优点：

1、平衡装置设计为主轴箱内置式，装置结构简单，可靠性较高。轴向尺寸小，应用于实际机床时对机床主轴的尺寸改动不大，为装置的实际应用提供方便。

2、在盘式在线动平衡装置的基础上，采用液压驱动，摩擦力矩实现差速稳定的设计理念。液压油的压力较容易控制，动合力调节范围广，可应用于大、中、小多种型号的机床主轴，甚至是大型旋转机械的动平衡。装置适用范围广。

3、平衡头采用盘式分装结构，两个平衡盘可实现单面动平衡；四个盘可实现双面动平衡。系统既可用于单平面在线动平衡，也可用于双平面在线动平衡。

4、平衡盘与主轴的同步与脱离采用动开式结构，机床正常运转时不需要供入高压油，节省能量。

5、系统整体采取多路信号同时采集、信号并行处理与多路信号并行输出等，缩短平衡时间。

附图说明

图1平衡头工作原理图

图2平衡盘主视图

图3平衡盘俯视图

图4啮合齿座主视图

图5啮合齿座俯视图

图6复位簧片机构主视图

图7复位簧片机构俯视图

图8油囊-承摩簧片机构主视图

图9液压系统原理图

图10系统监测与控制结构图

图11平衡盘、啮合齿座、复位簧片组与主轴的连接图

图12控制系统总体框图

图13单平面不平衡量合成原理

图中：1、平衡盘，2、啮合齿座，3、复位簧片，4、油囊，5、承摩簧片，6、平衡盘啮合齿，7、啮合齿座啮合齿，8、主轴，9、连接螺钉，10、簧片连接环，11、油管接头，12、油囊架，13、连接螺栓，14、主轴箱体，15、圆柱销，16、紧螺母，LPS1、油箱，LPS2、油泵，LPS3、两位四通阀，LPS4、缓冲油腔，LPS5、溢流阀，LPS6、电机，L1、进油管路，L2、回油管路，L3、溢流管路，v1、前端电涡流传感器，v2、后端电涡流传感器，s1、平衡盘1位置传感器，s2、平衡盘2位置传感器，s3、平衡盘3位置传感器，s4平衡盘4位置传感器，st1、基准传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步的说明

一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置，包括有两个平衡头，平衡头采用对称式结构设计，每个平衡头包括两个平衡盘合成所需调节的不平衡量；其特征在于：

如图1所示，所述的平衡头包括两个平衡盘1、啮合齿座2、复位簧片3、油囊4，油囊架12；啮合齿座2两侧对称分布着平衡盘1，啮合齿座2和平衡盘1之间通过啮合齿来啮合，两个平衡盘1内侧对称布置有三个油囊支架12，油囊支架12上的通孔连接有油囊4，油囊4与平衡盘1之间装一承摩簧片5上，平衡盘1上有构成不平衡量的缺口，平衡盘1的外侧布置且沿主轴周向均匀分布的三个复位簧片3，一侧的复位簧片3由簧片连接环10相连并与主轴固定；

如图2和图3所示，平衡盘1具有构成不平衡量的缺口及单向啮合齿6，单向啮合齿6沿平衡盘齿1圈周向均匀分布，啮合齿座2具有双向啮合齿7，与平衡盘1的啮合齿相配合，其通过圆柱销15与主轴8固定；平衡盘1与啮合齿座2通过复位簧片3及油囊4-承摩簧片5机构实现啮合或分离；啮合齿座得结构如图4，图5所示。

如图6和图7所示，三个复位簧片3通过连接螺钉9与簧片连接环10固定连接，构成复位簧片组；平衡盘1、复位簧片组与主轴连接；四个平衡盘1对应四组复位簧片组，分为内外各两组，内复位簧片组Z1用于两内侧平衡盘的复位、压紧，空套于主轴上，由轴肩定位；外复位簧片组Z2用于两外侧平衡盘的复位、压紧，并空套于主轴上，由两锁紧螺母16进行定位及调节预紧力；

如图8所示，油管接头11与油囊架12连接，通过油囊架12内部油路对油囊供油，油囊4、承摩簧片5均与油囊架12固定连接；油囊架12与主轴箱体14通过连接螺栓13连接；承摩簧片5位于油囊4与平衡盘1之间，且油囊4内低油压时，承摩簧片5与平衡盘1不接触，平衡盘1与啮合齿座2啮合；油囊4内高油压时，油囊4的膨胀力通过承摩簧片5作用于平衡盘，推动平衡盘1与啮合齿座2分离。

所述的平衡盘1、啮合齿座2为整体加工式结构；所述复位簧片3构成的复位簧片组为整体可拆装式结构；所述的油囊4-承摩簧片5为整体可拆装式结构；

所述的一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置的控制系统，包括液压控制系统、不平衡振动监测与控制系统两部分，其特征在于：

所述的液压控制系统如图9所示：包括油箱LPS1、油泵LPS2、两位四通阀LPS3、缓冲油腔LPS4、溢流阀LPS5、电机LPS6、滤器LPS7、油管L1、L2、L3、油管接头；油箱LPS1出油口p10经滤器LPS7、油管与油泵LPS2进油相接，油泵LPS2出油口经进油管L1与两位四通阀LPS3的p1口相连，p2口经进油管L1与缓冲油腔LPS4进油口p5相连；缓冲油腔LPS4回油口p6经回油管L2与两位四通阀LPS3的p3口相连，p4口经回油管L2与油箱LPS1回油口p8相连；缓冲油腔LPS4溢油口p7经溢流阀LPS5及溢油管L3与油箱LPS1溢流回油口p9相连；缓冲油腔LPS4出油口p11、p12、p13分别通过油管与各自所控油囊4连接；两位四通阀LPS3电磁铁接控制信号，控制两位四通阀LPS3的工作位置；

不平衡振动监测与控制系统如图10所示：包括两个电涡流传感器v1、v2，四个光电传感器s1、s2、s3、s4，一个光电传感器st1，BNC2110屏蔽式接线盒，NIPCI-6221动态信号采集卡，计算机，电脑RS232串口控制的智能多路控制器，两位四通阀控制端电磁铁；主轴前轴承座的振动监测传感器v1，主轴后轴承座的振动监测传感器v2，四个平衡盘位置监测传感器s1、s2、s3、s4，以及基准信号传感器st1分别通过信号电缆与BNC2110屏蔽式接线盒连接，测量信号经信号采集卡与计算机信号相连，；计算机通过RS232串口与智能多路控制器相连，智能多路控制器的输出接两位四通阀LPS4的控制端电磁铁。

整个系统的连接如图11所示。

所述的一种内置式主轴双面在线动平衡装置的控制方法，该方法如图12所示，其包括：系统使用前准备工作、振动信号分析与控制两个方面：

1)系统使用前准备工作包括：

1依据系统结构设计及平衡精度等级要求输入系统基本参数；包括：四个平衡盘固有不平衡量、平衡精度等级、平衡盘啮合齿的齿距、各传感器参数；并将这些参数作为基本控制参数存入系统，用于后续计算与控制；

2通过两次试重，分别计算两校正平面对两监测点的影响系数，并存储于系统，为动平衡过程中的相关计算所用；具体操作为：

传感器v1测量监测点pt1的振动信号，传感器v2测量监测点pt2的振动信号；

i调节平衡头I、II的合成不平衡量均为零，此时在平衡转速上测量前轴承测点pt1的原始不平衡振动表示为

同时测量后轴承测点pt2的原始不平衡振动

表示为

ii试重一，调整平衡头II的合成不平衡量为0，平衡头I的合成不平衡量为

此时在平衡转速上测量测点pt1不平衡振动为

表示为

测量测点pt2不平衡振动为表示为

由式

计算校正平面A对测点pt1的影响系数

由式计算校正平面A对测点pt2的影响系数并将

和

存储于系统；

iii试重二，调整平衡头I的合成不平衡量为0，平衡头II的合成不平衡量为

此时在平衡转速上测量测点pt1不平衡振动为

表示为

测量测点pt2不平衡振动为

表示为

由式

计算校正平面B对测点pt1的影响系数

由式

计算校正平面B对测点pt2的影响系数

并将和

存储于系统；

3泄油提前角的测算，为消除液压油泄放所引起的控制误差，系统使用前通过实验测定泄油所需时间t，并存储于系统；由式γ＝Δω×t可计算出泄油提前角γ，其中Δω为调整过程中平衡盘与主轴之间的速度差；系统发出泄油信号的位置角由式δ＝χ-γ得出，其中δ为泄油位置角，χ为平衡盘的目标调整角；

2)振动信号分析与控制按以下步骤实施：

步骤1：信号采集模块将测点pt1、pt2的振动信号，四个平衡盘的位置信号，基准信号采集到控制系统；系统首先根据平衡精度等级的要求判断测点pt1、pt2的振动是否超越精度要求，如果振动量在精度允许范围内，则继续监测；

步骤2：如果测点振动量超过精度允许范围，则判断系统是否已连续进行了3次动平衡操作，如果已经连续进行了3次动平衡操作，系统振动量仍不能达到精度允许范围内，说明测点pt1、pt2的振动不一定是由系统不平衡所引起，或动平衡系统故障，此时需要停机，查找振动或故障原因；

步骤3：如果系统本次动平衡次数在3次范围之内，系统分离出测点pt1、pt2振动的基频分量，如果基频分量在平衡精度等级要求范围内，说明测点振动主要不是因不平衡所引起，方法失效，需要停机，分析振动产生原因；

步骤4：如果基频分量超过平衡精度等级要求，则由式

及

计算平面A所需施加的不平衡量

及平面B所需施加的不平衡量

平衡盘1的目标调整角由公式

及得出；上式中，当θ₂-θ₁＜180°时等式右边取正，当θ₂-θ₁＞180°时取负；式中p为平衡盘与主轴同步旋转所产生的不平衡量大小，θ₁、θ₂分别为同一平衡头中两平衡盘相对主轴基准的目标调整角，Q₁为不平衡量的幅值，φ₁为不平衡量

的相位；角度相位如图13所示。

将四个平衡盘1的目标调整角分别减去泄油提前角，得到四个平衡盘的泄油位置角，并计算机控制系统输出控制信号对平衡盘位置进行调节；

步骤5：平衡盘位置调整后，重新转入主轴振动监测状态，并判断测点振动是否符合精度要求；若符合精度要求则继续监测，若不符合精度要求则重新执行步骤2～4。

以上所述为本发明的一个实例，我们还可对其机械结构进行一些变换，以应用于其他旋转设备。只要其平衡头的机械结构设计思想以及整体控制思想同本发明所叙述的一致，均应视为本发明所包括的范围。

Claims (4)

1.一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置，包括有两个平衡头，平衡头采用对称式结构设计，每个平衡头包括两个平衡盘合成所需调节的不平衡量；其特征在于：

所述的平衡头包括两个平衡盘(1)、啮合齿座(2)、复位簧片(3)、油囊(4)，油囊架(12)；啮合齿座(2)两侧对称分布着平衡盘(1)，啮合齿座(2)和平衡盘(1)之间通过啮合齿来啮合，两个平衡盘(1)内侧对称布置有三个油囊支架(12)，油囊支架(12)上的通孔连接有油囊(4)，油囊(4)与平衡盘(1)之间装一承摩簧片(5)上，平衡盘(1)上有构成不平衡量的缺口，平衡盘(1)的外侧布置且沿主轴周向均匀分布的三个复位簧片(3)，一侧的复位簧片(3)由簧片连接环(10)相连并与主轴固定；

平衡盘(1)具有构成不平衡量的缺口及单向啮合齿(6)，单向啮合齿(6)沿平衡盘齿(1)圈周向均匀分布，啮合齿座(2)具有双向啮合齿(7)，与平衡盘(1)的啮合齿相配合，其通过圆柱销(15)与主轴(8)固定；平衡盘(1)与啮合齿座(2)通过复位簧片(3)及油囊(4)-承摩簧片(5)机构实现啮合或分离；

三个复位簧片(3)通过连接螺钉(9)与簧片连接环(10)固定连接，构成复位簧片组；平衡盘(1)、复位簧片组与主轴连接；四个平衡盘(1)对应四组复位簧片组，分为内外各两组，内复位簧片组(Z1)用于两内侧平衡盘的复位、压紧，空套于主轴上，由轴肩定位；外复位簧片组(Z2)用于两外侧平衡盘的复位、压紧，并空套于主轴上，由两锁紧螺母(16)进行定位及调节预紧力；

油管接头(11)与油囊架(12)连接，通过油囊架(12)内部油路对油囊供油，油囊(4)、承摩簧片(5)均与油囊架(12)固定连接；油囊架(12)与主轴箱体(14)通过连接螺栓(13)连接；承摩簧片(5)位于油囊(4)与平衡盘(1)之间，且油囊(4)内低油压时，承摩簧片(5)与平衡盘(1)不接触，平衡盘(1)与啮合齿座(2)啮合；油囊(4)内高油压时，油囊(4)的膨胀力通过承摩簧片(5)作用于平衡盘，推动平衡盘(1)与啮合齿座(2) 分离；

2.根据权利要求1所述的一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置，其特征在于：所述的平衡盘(1)、啮合齿座(2)为整体加工式结构；所述复位簧片(3)构成的复位簧片组为整体可拆装式结构；所述的油囊(4)-承摩簧片(5)为整体可拆装式结构；

3.根据权利要求1所述的一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置的控制系统，包括液压控制系统、不平衡振动监测与控制系统两部分，其特征在于：

液压控制系统：包括油箱(LPS1)、油泵(LPS2)、两位四通阀(LPS3)、缓冲油腔(LPS4)、溢流阀(LPS5)、电机(LPS6)、滤器(LPS7)、油管(L1、L2、L3)、油管接头；油箱(LPS1)出油口(p10)经滤器(LPS7)、油管与油泵(LPS2)进油相接，油泵(LPS2)出油口经进油管(L1)与两位四通阀(LPS3)的p1相连，p2口经进油管(L1)与缓冲油腔(LPS4)进油口(p5)相连；缓冲油腔(LPS4)回油口(p6)经回油管(L2)与两位四通阀(LPS3)的p3相连，p4口经回油管(L2)与油箱(LPS 1)回油口(p8)相连；缓冲油腔(LPS4)溢油口(p7)经溢流阀(LPS5)及溢油管(L3)与油箱(LPS1)溢流回油口(p9)相连；缓冲油腔(LPS4)出油(p11、p12、p13)分别通过油管与各自所控油囊(4)连接；两位四通阀(LPS3)电磁铁接控制信号，控制两位四通阀(LPS3)的工作位置；

不平衡振动监测与控制系统：包括两个电涡流传感器(v1、v2)，四个光电传感器(s1、s2、s3、s4)，一个光电传感器(st1)，BNC2110屏蔽式接线盒，NIPCI-6221动态信号采集卡，计算机，电脑RS232串口控制的智能多路控制器，两位四通阀控制端电磁铁；主轴前轴承座的振动监测传感器(v1)，主轴后轴承座的振动监测传感器(v2)，四个平衡盘位置监测传感器(s1、s2、s3、s4)，以及基准信号传感器(st1)分别通过信号电缆与BNC2110屏蔽式接线盒连接，测量信号经信号采集卡与计算机信号相连，；计算机通过RS232串口与智能多路控制器相连，智能多路控制器的输出接两位四通阀(LPS4) 的控制端电磁铁；

4.根据权利要求3所述的一种内置式主轴双面在线动平衡装置的控制方法，其特征在于：该方法包括：系统使用前准备工作、振动信号分析与控制两个方面：

1系统使用前准备工作包括：

1)依据系统结构设计及平衡精度等级要求输入系统基本参数；包括：四个平衡盘固有不平衡量、平衡精度等级、平衡盘啮合齿的齿距、各传感器参数；并将这些参数作为基本控制参数存入系统，用于后续计算与控制；

2)通过两次试重，分别计算两校正平面对两监测点的影响系数，并存储于系统，为动平衡过程中的相关计算所用；具体操作为：

传感器(v1)测量监测点pt1的振动信号，传感器(v2)测量监测点pt2的振动信号；

i)调节平衡头I、II的合成不平衡量均为零，此时在平衡转速上测量前轴承测点pt1的原始不平衡振动 

表示为 

同时测量后轴承测点pt2的原始不平衡振动 

表示为 

ii)试重一，调整平衡头II的合成不平衡量为0，平衡头I的合成不平衡量为 

此时在平衡转速上测量测点pt1不平衡振动为 

表示为 

测量测点pt2不平衡振动为 

表示为 由式 

计算校正平面A对测点pt1的影响系数 

由式 

计算校正平面A对测点pt2的影响系数 

并将 

和 

存储于系统；

iii)试重二，调整平衡头I的合成不平衡量为0，平衡头II的合成不平衡量为 

此时在平衡转速上测量测点pt1不平衡振动为 表示为 

测量测点pt2不平衡振动为 

表示为 

由式 计算校正平面B对测点pt1的影响系数 

由式 

计算校正平面B对测点pt2的影响系数 

并将 

和 

存储于系统；

3)泄油提前角的测算，为消除液压油泄放所引起的控制误差，系统使用前通过实验测定泄油所需时间t，并存储于系统；由式γ＝Δω×t可计算出泄油提前角γ，其中Δω为调整过程中平衡盘与主轴之间的速度差；系统发出泄油信号的位置角由式δ＝χ-γ得出，其中δ为泄油位置角，χ为平衡盘的目标调整角；

2振动信号分析与控制按以下步骤实施：

步骤1：信号采集模块将测点pt1、pt2的振动信号，四个平衡盘的位置信号，基准信号采集到控制系统；系统首先根据平衡精度等级的要求判断测点pt1、pt2的振动是否超越精度要求，如果振动量在精度允许范围内，则继续监测；

步骤2：如果测点振动量超过精度允许范围，则判断系统是否已连续进行了3次动平衡操作，如果已经连续进行了3次动平衡操作，系统振动量仍不能达到精度允许范围内，说明测点pt1、pt2的振动不一定是由系统不平衡所引起，或动平衡系统故障，此时需要停机，查找振动或故障原因；

步骤3：如果系统本次动平衡次数在3次范围之内，系统分离出测点pt1、pt2振动的基频分量，如果基频分量在平衡精度等级要求范围内，说明测点振动主要不是因不平衡所引起，方法失效，需要停机，分析振动产生原因；

步骤4：如果基频分量超过平衡精度等级要求，则由式 

及 计算平面A所需施加的不平衡量 

及平面B所需施加的不平衡量 

平衡盘(1)的目标调整角由公式 

及 

得出；上式中，当θ₂-θ₁＜180°时等式右边取正，当θ₂-θ₁＞180°时取负；式中p为平衡盘与主轴同步旋转所产生的不平衡量大小，θ₁、θ₂分别为同一平衡头中两平衡盘相对主轴基准的目标调整角，Q₁为不平衡量 

的幅值，φ₁为不平衡量 

的相位；

将四个平衡盘(1)的目标调整角分别减去泄油提前角，得到四个平衡盘的泄油位置角，并计算机控制系统输出控制信号对平衡盘位置进行调节；

步骤5：平衡盘位置调整后，重新转入主轴振动监测状态，并判断测点振动是否符合精度要求；若符合精度要求则继续监测，若不符合精度要求则重新执行步骤2～4。 

Images