CN102980724B - 回转体动平衡仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回转体动平衡仪，其特征在于：包括调速交流电动机、由调速交流电动机驱动的传动圆盘、与传动圆盘固连的支架组件、回转体、位移信号发生器、控制箱及磨削机构，由支架组件将回转体定位夹紧，传动圆盘设于工作台上，交流电动机一带动传动圆盘和支架组件为回转体提供转矩，驱动回转体转动，由位移信号发生器将回转体在X-Y平面上高速回转的偏心位移信号反映到传感器可以检测到的位置上，由传感器检测回转体的偏心位移信号并输出到控制器中，控制系统控制回转体的转速、磨削的位置深度及处理反馈信号。本发明测量和加工的原理是：存在质量偏心的回转体在旋转运动时会受到离心力的作用，其采用统一的测量基准和加工基准、采用人机交互式闭环反馈控制方式，可实现不同精度的测量和加工要求。

Description

回转体动平衡仪

技术领域

本发明涉及一种对回转体类零件或机构进行动平衡测试的仪器，可应用于精密测量和精密加工领域。

背景技术

各类机械中普遍存在质量分布不均匀、质心作变速运动的回转体构件。这类构件运动时产生离心力，构件的离心力会在运动副中引起附加应力，增加摩擦力，加速构件磨损，降低有效承载能力，缩短构件寿命。离心力的大小和方向是周期性变化的，在惯性力的作用下运动构件会发生振动，产生噪音声，从而限制了速度和工作效率的提升，因此消除和减小回转运动件的离心力是提高机械工作性能的一项重要措施。目前国内很多加工企业为能够高效生产并优化工作环境，耗费巨资购买国外的先进设备，而国内设备无法达到高速、高效的要求，很大程度上是由于机构运动时的振动和噪音问题。

现有的解决回转体在旋转时的动不平衡问题都没有给出完整的、精度较高的、可行性较强的解决方案。

针对回转体动不平衡问题，苏顺在题为《振动测试在解决现场回转件动平衡中的应用研究》的论文中，提出了解决大型矿工设备动不平衡问题的一种经验方法：利用振动测试法测出振动数据，将所测得数据作为动平衡指标，通过增减配重，把振动调整到允许范围，即通过在垂直于回转轴线的一个平面上安装平衡质量，使工作机械的振动达到标准范围。此方法通过经验尝试，需要有经验的人员操作，而且，此方法只能减小不能消除动不平衡。

针对回转体动不平衡问题，罗金荣在题为《回转件机加工中的同步检测》的论文中提出了实时图像拍摄跟踪法，即通过实时图像拍摄跟踪加工实况，并对采样信息进行处理，反馈到加工发生信号处理器中，实现同步检测、加工，统一检测基准和加工基准，缩小测量误差，提高测量精度。此法只保证了尺寸精度，无法改善由于材料不均引起的质量偏心。

针对回转体动不平衡问题，曹美珍、高永全在题为《磁悬浮刚性回转件的动平衡测量》的论文中，提出了利用磁悬浮轴承技术将回转体悬浮，以减小滚动摩擦、提高测量精度；利用压电传感器检测偏心位移信号，计算偏心质量和位置。此法可计算出偏心质量、但是无法确定偏心位置，而且测量、加工分开操作，不同的基准会引入基准不重合误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种对回转体零件或机构的动不平衡进行精密测量和精密加工的仪器。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种回转体动平衡仪，其特征在于：包括调速交流电动机、由调速交流电动机驱动的传动圆盘、与传动圆盘网连的支架组件、回转体、位移信号发生器、控制箱及磨削机构，由支架组件将回转体定位夹紧，传动圆盘设于工作台上，调速交流电动机一带动传动圆盘和支架组件为回转体提供转矩，驱动回转体转动，由位移信号发生器将回转体在X-Y平面上高速回转的偏心位移信号反映到传感器可以检测到的位置上；

磨削机构位于回转体的上方，包括横架在支架组件上方的大U型架、与大U型架固连的小U型架、凸轮、驱动凸轮的交流电机二、垂直步进电机、垂直丝杠螺母机构、水平丝杠螺母副及水平步进电机，垂直步进电机与大U型架之间构成滑动副，垂直步进电机驱动垂直丝杠螺母机构上下移动，从而在将回转体放置定位后可确定垂直丝杠螺母机构在Z轴上的初始位置，在磨削时，由交流电机二通过凸轮驱动垂直丝杠螺母机构上下运动，水平步进电机通过水平丝杠螺母副驱动大U型架前后移动；

控制箱包括传感装置及控制系统，传感装置连接位移信号发生器及控制系统，控制系统控制支架组件、交流电动机一、交流电机二及步进电机。

优选地，所述支架组件包括支架、穿设在支架上的伸缩连杆及套在伸缩连杆外的弹簧，伸缩连杆的一端抵住所述回转体的外圆周面，在另一端上设有橡胶轮，橡胶轮以滚动摩擦形式连接所述位移信号发生器。

优选地，所述传动圆盘与所述工作台的接触面及所述传动圆盘与所述回转体的接触面均有较低的粗糙度要求值。

优选地，垂直丝杠螺母机构包括丝杆、螺母及凸轮杆，凸轮杆与螺母固连，丝杆由所述垂直步进电机驱动，所述交流电机二通过所述凸轮驱动垂直丝杠螺母机构从而带动凸轮杆上下移动。

优选地，在所述回转体的上方设有磨削片，磨削片与回转体固连，利用磨削片的磨削位置和磨削量判断所述回转体的偏心位置和质量。

本发明测量和加工的原理是：存在质量偏心的回转体在旋转运动时会受到离心力的作用，其采用统一的测量基准和加工基准、采用人机交互式闭环反馈控制方式，可实现不同精度的测量和加工要求。

附图说明

图1为回转体动平衡仪的前视剖示图；

图2为回转体动平衡仪的磨削机构的轴测图；

图3为回转体动平衡仪的轴测图；

图4为回转体动平衡仪的控制流程框图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，在本发明提供的一种回转体动平衡仪中，由交流电动机一1带动传动圆盘2和圆环形的支架5为回转体3提供转矩，驱动回转体3转动，该驱动方式为加工机构提供了安装空间。交流电动机一1采用可调速电动机，可调速交流电动机可实现不同的精度要求和步进式的测量与加工。通过控制箱10的控制面板设置交流电机一1的转速及转速步进增量。传动圆盘2和支架5固连在一起，通过联轴器连接到交流电动机一1的输出轴上，传动圆盘2采用轻质、易加工、易表面处理的复合材料，传动圆盘2与工作台、传动圆盘2与回转体3的接触面均有较低的粗糙度要求值，以减少摩擦损耗和提高测量精度。支架5与传动圆盘2采用相同材料，支架5内部有伸缩连杆9和弹簧7。采用伸缩连杆9是为了满足不同径向尺寸的回转体3的要求，当固定好回转体3时，伸缩连杆9的长度固定，由已知的弹簧7的弹性系数k、回转体3的质量m及回转体3的半径，控制箱10内的控制系统即可通过公式F＝mw²r＝kl计算得到使弹簧伸缩定长l的最小偏心力F所对应的交流电动机一1的最低转速w。伸缩连杆9的末端通过橡胶轮6以滚动摩擦形式连接位移信号发生器8，位移信号发生器8只做X-Y平面上的平移，不绕Z轴转动。

在图1所示的控制箱10内集成了传感装置和完成信号接收、处理、发送、控制面板显示等功能的控制系统，传感装置可以采用位移传感器或压电传感器等。本发明的传感器系统采用压电传感器或位移传感器接收回转体3离心运动时的位移信号，采用在回转体3轴线垂直面上定点跟踪的方式，即通过传感器和回转体3之间的位移信号发生器8将回转时X-Y平面上的偏心移动信号传递给传感器。本发明的控制系统通过分析传感器的输出信号即可得到被测回转体3的动平衡特性。对于待加工回转体3还需要控制系统对采集的位移信号进行处理，控制磨削机构对质量偏心进行调节。

通过控制面板实现回转体3初始信息的输入，包括质量、材料、径向和轴向尺寸、速度步进增量的选择、测量或加工精度的选择等。其中回转体3的质量对应交流电机一1的最小初始速度和速度步进增量的设定，回转体3的径向尺寸对应伸缩连杆9的伸缩系数和速度步进增量的设定(因速度步进增量的选择还受到机构尺寸的限制，如水平丝杠螺母副11中的丝杆位置的限制等)，回转体3的材料属性和轴向尺寸对应垂直丝杠螺母机构在Z轴上初始位置的设定。本发明的控制系统采用交互式闭环反馈方式，通过操作面板向控制系统输入回转体的材料、尺寸和加工要求(设置不同的加工精度)、转速及其步进增量等。通过设置转速及其步进增量，可以满足不同测量或加工的精度需求，实现步进式的测量或加工。

如图1所示，磨削片4是用在回转体3有外形要求的场合，磨削片4作为加工辅助件，在使用前需完成动平衡测试，在加工零件时放置在回转体3的上方与回转体3固连，利用磨削片4的磨削位置和磨削量判断回转体3的偏心位置和质量，再通过添加质量或在无粗糙度要求的部位磨削等方式改善偏心问题；亦可用于测量时对偏心质量位置的确定。

如图2所示，由于磨削时速度方向变化较快，丝杆螺母副难以达到快速实时跟踪的要求，因此此处采用凸轮变速机构，磨削机构中的螺母21与凸轮杆20固连，垂直步进电机16与大U型架12间为滑动副，由凸轮17推动凸轮杆20做升降运动，凸轮17由固连在小U型架19上的交流电机二18驱动，小U型架19固连在大U型架12上。砂轮机构只做Y方向上和Z方向上的移动，Y方向上的移动通过驱动水平丝杠螺母副11实现，水平丝杠螺母副11由水平步进电机15驱动；Z方向上的移动包括了初始位置的设定和磨削时的升降运动两部分，其中，初始位置的设定是通过向控制面板输入回转体3的轴向尺寸和材料属性确定的，由垂直步进电机16驱动垂直丝杠螺母副，实现Z方向的定位。

本发明的加工系统采用磨削机构，通过控制系统处理位移传感器或压电传感器的输入信号，分析控制砂轮13在回转体3垂直轴线平面上的Y坐标位置和轴线上的Z坐标位置。砂轮13的Y坐标位置是由大U型架12下的水平丝杠螺母副11通过水平步进电机15定位的，砂轮13的X坐标位置不变，即砂轮13在固定的X坐标位置上通过改变Y坐标的值追踪回转体3的偏心位置，这种单一坐标追踪方式简化了追踪机构，提高了追踪效率，但由此提高了磨削机构的控制精度要求，为解决这一问题，在控制系统中设置交流电机一1与砂轮磨削的升降驱动电机同步转速，由此就可以解决偏心坐标追踪的难题，水平位置步进电机15的控制信号是对位移传感器或压电传感器的输出信号进行处理并结合实时反馈的位移信号得到的；加工时，砂轮13在回转体3轴线方向的Z坐标位置是通过Z方向上的丝杠螺母副定位的，砂轮13磨削时的微量升降运动由交流电机二16带动凸轮机构实现，采用凸轮机构是为了满足砂轮13升降运动的高速要求，Z轴位置控制信号是根据被加工件的轴向尺寸及材料进行设定和结合实时反馈信号进行修改的。

待加工的回转体3若外表面有粗糙度或圆柱度等要求，在加工时可采用将已完成动平衡测试的磨削片4固定在待加工回转体3的上表面同轴心位置处代替待加工回转体3进行磨削加工。

如图3所示，水平步进电机15、垂直步进电机16和交流电机一1的控制信号均来自控制箱10内的控制芯片，控制系统的控制流程如图4所示。

本发明不局限于图1至图3所示实施方式的结构。控制芯片的类型不限于某一种，采用单片机或ARM或DSP的控制方式均在本发明的保护范围内；同步测量与加工的方式也不限于砂轮磨削，亦可在偏心位置的对称位置上添加质量；只要是利用偏心质量旋转时产生的离心力或位移进行测量或加工的方式均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种回转体动平衡仪，其特征在于：包括调速交流电动机（1）、由调速交流电动机（1）驱动的传动圆盘（2）、与传动圆盘（2）固连的支架组件、回转体（3）、位移信号发生器（8）、控制箱（10）及磨削机构，由支架组件将回转体（3）定位夹紧，传动圆盘（2）设于工作台上，调速交流电动机（1）带动传动圆盘（2）和支架组件为回转体（3）提供转矩，驱动回转体（3）转动，由位移信号发生器（8）将回转体（3）在X-Y平面上高速回转的偏心位移信号反映到传感器可以检测到的位置上；

磨削机构位于回转体（3）的上方，包括横架在支架组件上方的大U型架（12）、与大U型架（12）固连的小U型架（19）、凸轮（17）、驱动凸轮（17）的交流电机二（18）、垂直步进电机（16）、垂直丝杠螺母机构、水平丝杠螺母副（11）及水平步进电机（15），垂直步进电机（16）与大U型架（12）之间构成滑动副，垂直步进电机（16）驱动垂直丝杠螺母机构上升下降，从而确定垂直丝杠螺母机构的初始位置，在磨削时，由交流电机二（18）通过凸轮（17）驱动垂直丝杠螺母机构上下运动，水平步进电机（15）通过水平丝杠螺母副（11）驱动大U型架（12）前后移动；

控制箱（10）包括传感装置及控制系统，传感装置连接位移信号发生器（8）及控制系统，控制系统控制调速交流电动机（1）、交流电机二（18）及垂直步进电机（16）。

2.如权利要求1所述的一种回转体动平衡仪，其特征在于：所述支架组件包括支架（5）、穿设在支架（5）上的伸缩连杆（9）及套在伸缩连杆（9）外的弹簧（7），伸缩连杆（9）的一端抵住所述回转体（3）的外圆周面，在另一端上设有橡胶轮（6），橡胶轮（6）以滚动摩擦形式连接所述位移信号发生器（8），存在质量偏心的所述回转体（3）在所述调速交流电动机（1）驱动下进行旋转运动时，受到离心力的作用，使得一侧的伸缩连杆（9）收缩，弹簧（7）压缩，位于另一侧的伸缩连杆（9）在弹簧（7）回复力的作用下伸出，使得所述位移信号发生器（8）产生X-Y平面上的位移量。

3.如权利要求1所述的一种回转体动平衡仪，其特征在于：所述传动圆盘（2）与所述工作台的接触面及所述传动圆盘（2）与所述回转体（3）的接触面均有较低的粗糙度要求值。

4.如权利要求1所述的一种回转体动平衡仪，其特征在于：垂直丝杠螺母机构包括丝杆（14）、螺母（21）及凸轮杆（20），凸轮杆（20）与螺母（21）固连，丝杆（14）由所述垂直步进电机（16）驱动，所述交流电机二（18）通过所述凸轮（17）驱动垂直步进电机（16）从而带动凸轮杆（20）上下移动。

5. 如权利要求1所述的一种回转体动平衡仪，其特征在于：在所述回转体（3）的上方设有磨削片（4），磨削片（4）与回转体（3）固连，利用磨削片（4）的磨削位置和磨削量判断所述回转体（3）的偏心位置和质量。