CN105021352A - 一种主轴内置机械式在线动平衡系统 - Google Patents

Abstract

一种主轴内置机械式在线动平衡系统，属于高速主轴在线动平衡技术领域。包括动平衡装置、运动控制系统、数据无线传输系统、动不平衡检测计算系统、控制决策运算系统；动平衡装置置于主轴内，动不平衡检测计算系统检测主轴的不平衡信号，分析计算主轴动不平衡等效离心力及其矢量方向和位置；控制决策运算系统将等效离心力等效分解到两个动不平衡调整平面，计算各平面动不平衡等效离心力；并制定每组质量块的质量分布策略；数据无线传输系统接收及传输动不平衡校正指令；运动控制系统安装于动平衡装置的控制腔内，接收动不平衡校正指令，控制动平衡装置中电机的运转。本发明适合各种主轴运行工况，实现主轴动不平衡状态的在线校正。

Description

一种主轴内置机械式在线动平衡系统

技术领域

本发明属于高速主轴在线动平衡技术领域，特别是涉及一种主轴内置机械式在线动平衡系统。

背景技术

高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，高速数控机床的技术水平高低是衡量一个国家制造业水平高低的标志。主轴是所有旋转加工的数控机床中最为关键的部件之一，其性能对整台机床的加工精度、可靠性等都有至关重要的影响。旋转不平衡是影响主轴回转精度的主要因素之一，在主轴上实现动平衡已成为一项不可或缺的关键技术,它是以提高主轴的回转精度、可靠性及使用寿命为奋斗的终极目标。在线动平衡的效率和精度，结构和安装，以及是否产生附加不平衡等方面的技术问题的解决将是在线动平衡装置考虑的重要问题。但是,采取内置式双面动平衡技术一直是行业内的难点。首先，在线动平衡是指在主轴不停机的状态下,动平衡的测量、计算及动平衡校正都需要实时实现。然而，高速数控机床主轴的转速大多为上万转，有的甚至达到十几万转，而且功率较大。内置式动平衡装置需要放置在主轴内部随主轴旋转，因此测控系统的反应速度、信号传送、供电等方面都难以满足动平衡装置的需求。再者，由于一般主轴工艺孔空间狭小，而机械式动平衡装置结构复杂，如何在狭小空间进行动平衡装置的固定、装置内部结构布置都具有挑战性。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种主轴内置机械式在线动平衡系统及调整方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种主轴内置机械式在线动平衡系统，包括动平衡装置、运动控制系统、数据无线传输系统、动不平衡检测计算系统和控制决策运算系统；

所述动平衡装置置于主轴内，工作时，由同心且并列的两组质量组块产生质量偏心，主轴旋转时由质量偏心产生与主轴自身产生的动不平衡力作用位置相同、大小相等、方向相反的动平衡力，执行在线校正主轴的动不平衡；

所述动不平衡检测计算系统检测主轴的不平衡信号，根据信号分析主轴动不平衡特性，计算主轴动不平衡等效离心力及其矢量方向和位置；

所述控制决策运算系统将获得的主轴动不平衡等效离心力等效分解到两个动不平衡调整平面，计算各平面动不平衡等效离心力；并制定两动不平衡调整平面内动平衡装置中的每组质量块的质量分布策略；

所述数据无线传输系统的天线环安装在动平衡装置的端盖外端，接收及传输动不平衡校正指令；

所述运动控制系统安装于动平衡装置的控制腔内，运动控制系统的电源环安装在动平衡装置的端盖外端；运动控制系统接收动不平衡校正指令，控制动平衡装置中电机的运转。

进一步地，所述动平衡装置包括屏蔽罩、两沿轴向并列设置的质量调整组块、至少两个稳固涨环、控制腔、稳固绗架及两端盖；所述屏蔽罩内依次设置两质量调整组块和稳固绗架Ⅰ，两质量调整组块分别带有稳固绗架Ⅱ和Ⅲ，相邻稳固绗架间分别通过螺栓固定连接，在稳固绗架Ⅰ内形成安装运动控制系统的控制腔，屏蔽罩两端分别设置端盖，屏蔽罩外周设置稳固涨环，稳固涨环为两端带缺口的金属薄环结构，稳固涨环每端缺口至少三处且形状相同、均布，两端对称布置。

进一步地，所述质量调整组块包括大质量块、小质量块、稳固绗架及相互连接的两组电机、减速器，所述两组电机、减速器对称设置在稳固绗架上，相对端的一个减速器输出轴上安装大质量块，另一个减速器输出轴上安装小质量块，所述大质量块和小质量块均为扇形块，相互套置，初始安装时扇形缺口处对应设置，两质量块产生的质量偏心为零，工作时，两质量块同心旋转形成角度并产生质量偏心。

进一步地，所述端盖外端开有两个同心的环形槽，分别容置运动控制系统的天线环和电源环，端盖中部开有连通控制腔的导线通孔。

进一步地，所述动不平衡检测计算系统包括两个加速度传感器、相位传感器、数据采集卡和工控机，所述两个加速度传感器分别固定在主轴轴套上，检测主轴产生的变形信号；

所述相位传感器为红外信号传感器，设置在对应主轴中心标记线处，检测识别主轴转动相位标记，相位传感器测量中心与主轴中心线保持水平；

所述数据采集卡连接加速度传感器和相位传感器，采集传感器信号；

所述工控机根据采集的信号分析主轴动不平衡特性，计算主轴动不平衡等效离心力及其矢量方向和位置。

进一步地，所述工控机对主轴动不平衡检测的计算，包括以下步骤：

①采集传感器信号：所述主轴置于轴套中，加速度传感器为两个，测量由于主轴动不平衡作用在轴套上引起轴套变形的加速度模拟信号；同时采集相位传感器信号，所述相位传感器设置在对应主轴中心标记线处，检测识别主轴转动相位标记；

②信号的幅频转换：通过采集卡对采集到的加速度模拟信号转换成时域信号，将时域信号转换为频域信号；将相位传感器信号转换成时域信号；

③提取主轴转速同频信号，并确定采集信号的相位角：根据主轴转速特征，在获得的加速度信号频域特性得到与主轴转速同频率的加速度信号及幅值，并根据加速度信号和相位信号的时间对应关系，得到该频率下轴套最大变形时主轴旋转的角度即为采集信号的相位角θ；

④获得主轴套变形量：根据第③步所述幅值建立周期函数，对该函数进行二次积分，分别得到两加速度传感器所在位置的同一相位的轴套最大变形量y₂、y₆；

⑤确定动不平衡位置：由已知的轴套固定端变形为零和第④步骤中轴套最大变形量y₂、y₆的位置，根据该四点位置拟合一光滑曲线f(x)，该曲线二次可导，设f(x)”＝0，则x＝l_D，计算f(l_D)＝y_D，l_D为轴向位置，y_D为最大变形量，得到曲线最大幅值点D；

⑥计算主轴动不平衡所产生的离心力：根据轴套的弹性模量k、主轴轴套的最大变形量y_D，根据胡克定律，f＝ky,计算得到轴套获得的该变形所承受的作用力F_D；该作用力即为主轴动不平衡所产生离心力的等效力，该作用力所处位置及与主轴相对应的相位关系即为主轴动不平衡所产生离心力F_D的矢量方向θ和位置l_D。

进一步地，所述控制决策运算系统实现主轴动平衡双平面等效力平衡调节，具体步骤为：

①标定两组质量组块在主轴内孔中的轴向位置l_A、l_B；

②双平面受力等效分解：双平面指两组质量组块所在的与主轴垂直的径向平面，在主轴动不平衡所产生离心力矢量所在平面内，以两组动平衡质量组块所在位置l_A或l_B及已知离心力F_D所在位置l_D为基点，离心力F_D的矢量方向为θ，根据杠杆原理，将离心力F_D等效分解到两组动平衡质量组块所在位置的等效力F_A'、F_B'；

③计算平衡力矢量：根据等效力的大小计算动平衡质量组块所需产生的平衡力F_A、F_B及矢量方向θ_A、θ_B，该矢量方向与等效力成180度夹角关系；其中F_A＝F_A'，F_B＝F_B'，θ_A＝θ_B＝180-θ；

④计算大小质量块调整角度：动平衡质量组块大、小质量块所产生的离心力f₁、f₂，得到f₁、f₂的合力f，合力f即为F_A或F_B，由方程组

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{1}cos\mathrm{\α}1+f_{2}cos\mathrm{\α}2=f\\ f_1\sin \mathrm{\α}1=f_{2}sin\mathrm{\α}2\end{array}\right.$

得到f₁、f₂与合力f的矢量夹角α₁，α₂；

将大、小质量块所产生的离心力f₁、f₂的矢量方向与调整前的矢量方向之间的夹角β₁、β₂及方向定义为质量块的调整值，其中夹角β₁、β₂小于180度，调整方向为使夹角β₁、β₂缩小的旋转方向。

进一步地，所述标定是在主轴低速旋转的情况下，通过一个质量组块的大、小质量块调整，使得该质量组块所在的调整面A面或B面产生已知离心力F₁或F₀，通过测量计算得到该位置点在轴向上与近端轴套固定端的距离l_A或l_B，即校正面的位置，同样道理可知另一个质量组块校正面的位置l_B或l_A。

进一步地，所述运动控制系统包括运动控制卡、电源转换器、电源环、电源架；

所述运动控制卡实现运动控制指令的发送，运动控制卡识别无线传输来的指令信号，向电机发送连续的脉冲信号驱动电机工作；

所述电源转换器连接运动控制卡，提供低压电，电源与电源环相连，电源环布置在一侧端盖的外端；

所述电源环安装在端盖上。

进一步地，所述数据无线传输系统包括无线发射装置、信号接收装置、天线环和固定架，所述信号接收装置安装在控制腔内，一端连接运动控制卡，另一端连接安装在端盖上的天线环接收端；

所述无线发射装置所连接的天线环通过固定架固定在主轴内腔，并接近无线发射装置连接的安装在端盖上的天线环；

所述的无线发射装置和信号接收装置成对使用。

本发明的有益效果为：

本发明的主轴在线动平衡系统适合各种主轴运行工况，实现主轴动不平衡状态的在线校正。利用该系统可实现高速主轴动平衡状态的监控、分析、调整，从所获特性可知该系统可提高高速主轴的回转精度，从而实现高质量零件的加工。

本发明的主轴在线动平衡系统结构紧凑，可适应高速旋转状态，而且损耗低、效率高。动平衡调整功能全面，可实现刚性主轴、挠性主轴的在线动不平衡校正。

附图说明

图1为本发明具结构框图。

图2为本发明动不平衡装置的结构示意图。

图3为图2中质量调整组结构示意图。

图4为图3中大小质量块配合安装结构示意图。

图5为图2中稳固涨环结构示意图。

图6为图2中端盖结构示意图。

图7为本发明主轴与轴套的装配关系及动平衡检测仪器布置示意图。

图8为主轴动平衡检测计算的原理示意图。

图9为本发明待测等效动不平衡离心力矢量方向的示意图。

图10为本发明主轴动不平衡计算方法计算的流程图。

图11为本发明具体实施方式的双平面等效调节方法示意图。

图12为本发明的动平衡装置安放位置标定计算的原理示意图。

图13为本发明的单一校正面动平衡校正计算的原理示意图。

图14为本发明具体实施方式的质量调整组块大小质量块所产生离心力与其合力矢量关系原理示意图。

图15为本发明控制决策运算系统的流程图。

其中，1-稳固涨环，2-动平衡质量调整块，3-电机，4-减速器，5-稳固绗架，6-控制腔，7-屏蔽罩，8-端盖，9-大质量块，10-小质量块，11.涨片，12-电源环，13-缺口，14-天线环,15-环形槽，16-通孔；17-轴套固定端Ⅰ，18-加速度传感器Ⅰ，19-主轴，20-轴套，21-轴承，22-加速度传感器Ⅱ，23-轴套固定Ⅱ，24-主轴相位标志线，25-相位传感器，26-数据采集卡，27-工控机；

x、y坐标轴，坐标原点O为轴套一端固定点，x为轴套轴向，指向轴套另一固定点；y为轴套径向，I点表示轴套上另一端的固定点，F₂、F₆为加速度传感器Ⅰ、Ⅱ的测量位置，F_D为拟合的轴套最大变形位置，l_D、l₂、l₆、L分别表示长度，即为轴向坐标值，y₂、y₆、y_D为轴套在该点的变形量，θ表示F_D的矢量方向；

A、B质量组块平面中心，C标定时不平衡力F的作用点，D工作时主轴产生的动不平衡力作用位置，l_A、l_B表示A、B质量组块平面所在轴向位置，m_A1、m_A2是A平面内大小质量块的偏心质量，m_B1、m_B2是B平面内大小质量块的偏心质量，α_A1，α_A2是A平面上大小质量块所产生离心力与合力的夹角，α_B1、α_B2是B平面上大小质量块所产生离心力与合力的夹角，β_A1、β_A2为A面内大小质量块需做调整的角度，β_B1、β_B2为B面内大小质量块需做调整的角度，V₁是标定时主轴的转速，V工作时主轴的转速，l_C为标定时测量的主轴离心力位置与坐标原点的距离。m₁m₂分别表示A平面或B平面的大小质量块的偏心质量，α₁、α₂是A平面或B平面上大小质量块所产生离心力与合力的夹角，夹角β₁、β₂表示A平面或B平面内大小质量块所需调整的角度。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例：如图1所示，包括动平衡装置、运动控制系统、数据无线传输系统、动不平衡检测计算系统、控制决策运算系统和工控机；

所述动平衡装置置于主轴19内，工作时，由同心且并列的两组质量组块产生质量偏心，主轴19旋转时由质量偏心产生与主轴19自身产生的动不平衡力作用位置相同、大小相等、方向相反的动平衡力，执行在线校正主轴19的动不平衡；

所述动不平衡检测计算系统检测主轴的不平衡信号，根据信号分析主轴动不平衡特性，计算主轴动不平衡等效离心力及其矢量方向和位置；

所述控制决策运算系统将获得的主轴动不平衡等效离心力等效分解到两个动不平衡调整平面，计算各平面动不平衡等效离心力；并制定两动不平衡调整平面内动平衡装置中的每组质量块的质量分布策略；

所述数据无线传输系统的天线环安装在动平衡装置的端盖外端，接收及传输动不平衡校正指令；

所述运动控制系统安装于动平衡装置的控制腔内，运动控制系统的电源环安装在动平衡装置的端盖外端；运动控制系统接收动不平衡校正指令，控制动平衡装置中电机的运转；

工控机包括工业控制计算机及连接的数据线、电源线、电源架，工业控制计算机选用IPC-610L，工业控制计算机与其它装置的数据连接通过数据线实现，工业控制计算机上安装相关的计算程序，包括控制决策运算系统、动不平衡检测计算系统的数据分析系统和动不平衡计算系统。

如图2所示，本发明包括屏蔽罩7、两沿轴向并列设置的质量调整组块、至少两个稳固涨环1、控制腔6、稳固绗架5及两端盖8；所述屏蔽罩7内依次设置两质量调整组块和稳固绗架Ⅰ，两质量调整组块分别带有稳固绗架Ⅱ和Ⅲ，相邻稳固绗架5间分别通过螺栓固定连接，在稳固绗架Ⅰ内形成安装运动控制系统的控制腔6，屏蔽罩7两端分别设置端盖8，屏蔽罩7外周设置稳固涨环1。其中电机选用的型号为0801HS06AX，减速器选用型号为22GN06C6D。

如图3、图4所示，所述质量调整组块包括大质量块9、小质量块10、稳固绗架5及相互连接的两组电机3、减速器4，所述两组电机3、减速器4对称设置在稳固绗架Ⅱ或Ⅲ上，相对端的一个减速器输出轴上安装大质量块9，另一个减速器输出轴上安装小质量块10，所述大质量块9和小质量块10相互套置，质量偏心，偏心处对应设置，两质量块产生的离心力为0，工作时，两质量块同心旋转形成角度并产生质量偏心。所述大质量块9、小质量块10均为扇形块，初始安装时，两质量块的扇形缺口对应设置。如图4所示的一组动平衡质量调整块，由一个大质量块9和一个小质量块10构成，大质量块9和小质量块10都为多半圆状，同心安装，调整质量是两质量块相互转动，实现质量矢量大小和方向的调整。

如图5所示，所述稳固涨环1为两端带缺口的金属薄环结构，涨环每端缺口13至少三处且形状相同、均布，两端对称布置。安装本发明时，通过稳固涨环1固定在主轴内腔中。

如图6所示，所述端盖8沿圆周设置有至少三个涨片11，起固定支撑作用。在端盖8外端开有两个同心的环形槽15，分别容置运动控制系统的天线环14和电源环12，端盖中部开有连通控制腔的导线通孔16。所述屏蔽罩7为金属圆筒，起到屏蔽的作用。所述电机3为步进电机或伺服电机。所述运动控制系统为现有结构，设置于本发明的稳固绗架Ⅰ内的控制腔6内，其电源环12安装在端盖8上。

本发明所述的动平衡装置置于主轴内，工作时，由同心且并列的两组质量调整组块产生质量偏心，主轴旋转时由质量偏心产生与主轴自身产生的动不平衡力(离心力)作用位置相同、大小相等、方向相反的动平衡力，执行在线校正主轴的动不平衡。

如图8-图10所示，本发明一种主轴动不平衡检测计算方法，包括以下步骤：

①采集传感器信号：所述主轴置于轴套中，加速度传感器为两个，测量由于主轴动不平衡作用在轴套上引起轴套变形的加速度模拟信号；同时采集相位传感器信号，所述相位传感器设置在对应主轴中心标记线处，检测识别主轴转动相位标记；

②信号的幅频转换：通过采集卡对采集到的加速度模拟信号转换成时域信号，将时域信号转换为频域信号；将相位传感器信号转换成时域信号；

③提取主轴转速同频信号，并确定采集信号的相位角：根据主轴转速特征，在获得的加速度信号频域特性得到与主轴转速同频率的加速度信号及幅值，并根据加速度信号和相位信号的时间对应关系，得到该频率下轴套最大变形时主轴旋转的角度即为采集信号的相位角θ；

④获得主轴套变形量：根据第③步所述幅值建立周期函数，对该函数进行二次积分，分别得到两加速度传感器所在位置的同一相位的轴套最大变形量y₂、y₆；

⑤确定动不平衡位置：由已知的轴套固定端变形为零和第④步骤中轴套最大变形量y₂、y₆的位置，根据该四点位置拟合一光滑曲线f(x)，该曲线二次可导，设f(x)”＝0，则x＝l_D，计算f(l_D)＝y_D，l_D为轴向位置，y_D为最大变形量，得到曲线最大幅值点D；

⑥计算主轴动不平衡所产生的离心力：根据轴套的弹性模量k、主轴轴套的最大变形量y_D，根据胡克定律，f＝ky,计算得到轴套获得的该变形所承受的作用力F_D；该作用力即为主轴动不平衡所产生离心力的等效力，该作用力所处位置及与主轴相对应的相位关系即为主轴动不平衡所产生离心力F_D的矢量方向θ和位置l_D。

如图7所示，本发明主轴动不平衡检测计算系统，包括两个加速度传感器Ⅰ18、Ⅱ22、相位传感器25和数据采集卡26，两个加速度传感器Ⅰ18、Ⅱ22和相位传感器25检测主轴19的不平衡信号，数据采集卡26分别连接加速度传感器Ⅰ18、加速度传感器Ⅱ22和相位传感器25，通过数据采集卡26采集信号，工控机27根据采集的信号分析主轴19动不平衡特性，计算主轴19动不平衡等效离心力及其矢量方向和位置。

所述主轴19置于轴套20中，两个加速度传感器分别固定在主轴轴套20上，检测主轴轴套20产生的变形信号。

所述相位传感器25为红外信号传感器，设置在对应主轴19中心标记线处，检测识别主轴19转动相位标记，相位传感器25测量中心与主轴19中心线保持水平。其中加速度传感器选用型号为LC0401T，相位相对传感器选用型号为CZ-V1P，数据采集卡选用型号为PCI-1712，数据采集卡与各传感器相连并采集数据，然后通过连接工控机而将数据输送到工业控制计算机。

本实施方式中，主轴内置机械式在线动平衡系统校正动平衡对象为主轴型号为SYL04，因此动平衡装置结构的总体尺寸为φ60mm×450mm，运动控制系统安装在动平衡装置内，其信号传输通过数据无线传输系统完成，动不平衡检测计算系统包括硬件和软件两部分，硬件部分负责采集动不平衡信号，软件部分安装在工控机实现信号的采集与计算，控制决策运算系统为软件系统并安装在工控机上。

所述运动控制系统包括运动控制卡、电源转换器、电源环12，运动控制卡选用型号为MC6314，无线发射装置选用与信号接收装置选用蓝牙芯片BLE0202C2P，无线发射装置所连接的天线环14通过固定架固定，并与天线环14相互接近安装。

如图2所示，天线环10与电源环9固定在端盖8上。

如图11-图15所示，控制决策运算系统实现主轴动平衡双平面等效力平衡的调节，其调节方法是由同心且并列的两组质量组块产生质量偏心，主轴旋转时，由质量偏心产生与主轴自身的动不平衡力位置相同、大小相等、方向相反的平衡力，执行校正主轴的动不平衡；

具体包括以下步骤：

①标定两组质量组块在主轴内孔中的轴向位置l_A、l_B；

②双平面受力等效分解：双平面指两组质量组块所在的与主轴垂直的径向平面，在主轴动不平衡所产生离心力矢量所在平面内，以两组动平衡质量组块所在位置l_A或l_B及已知离心力F_D所在位置l_D为基点，离心力F_D的矢量方向为θ，根据杠杆原理，将离心力F_D等效分解到两组动平衡质量组块所在位置的等效力F_A'、F_B'；

③计算平衡力矢量：根据等效力的大小计算动平衡质量组块所需产生的平衡力F_A、F_B及矢量方向θ_A、θ_B，该矢量方向与等效力成180度夹角关系；其中F_A＝F_A'，F_B＝F_B'，θ_A＝θ_B＝180-θ；

④计算大小质量块调整角度：动平衡质量组块大、小质量块所产生的离心力f₁、f₂，得到f₁、f₂的合力f，合力f即为F_A或F_B，由方程组

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{1}cos\mathrm{\α}1+f_{2}cos\mathrm{\α}2=f\\ f_1\sin \mathrm{\α}1=f_{2}sin\mathrm{\α}2\end{array}\right.$

如图15所示，得到f₁、f₂与合力f的矢量夹角α₁，α₂；

将大、小质量块所产生的离心力f₁、f₂的矢量方向与调整前的矢量方向之间的夹角β₁、β₂及方向定义为质量块的调整值，其中夹角β₁、β₂小于180度，调整方向为使夹角β₁、β₂缩小的旋转方向。

所述标定是在主轴低速旋转的情况下，通过一个质量组块中同心且并列的两组质量组块的角度调整，使得该质量组块所在的调整面A面或B面产生已知离心力F₁或F₀，通过测量计算得到该位置点在轴向上与近端轴套固定端的距离l_A或l_B，即校正面的位置，同样道理可知另一个质量组块校正面的位置l_B或l_A。

本发明在应用时的具体调整方法如下：

步骤1：安装在线动平衡系统，如图7-图11所示；

步骤1.1：将动平衡装置安放到主轴19内孔中，固定稳固涨环1并使动平衡装置固定在主轴19内腔中，确保动平衡装置与主轴19回转中心同心；

步骤1.2：将两个加速度传感器Ⅰ18、Ⅱ22分别固定在主轴轴套20上，两加速度传感器中心连线及主轴19轴线构成的平面垂直于水平面，测量加速度传感器与主轴轴套20一固定点之间的距离分别是l₂、l₆；

步骤1.3：水平安装相位传感器25，设置在对应主轴19中心标记线处，检测识别主轴19转动相位标记，相位传感器25测量中心与主轴19中心线保持水平；

步骤1.4：将电源架和无线发射装置所连接的天线环伸入主轴19内部并固定，电源架与电源环12接触，无线发射装置所连接的天线环通过固定架固定并与天线环14接近；

步骤2：在线动平衡校正的标定，如图11-图15所示；

步骤2.1：低速启动主轴旋转至稳定状态；

步骤2.2：调整一个质量组块的大、小质量块，使得该质量组块所在的调整面A面产生已知离心力F₁；

步骤2.3：加速度传感器获得动不平衡信号并将模拟信号传递给数据采集卡并计算主轴动不平衡量，包括离心力F及其矢量方向和位置l_C，该位置l_C就是该校正平面距近端固定位置距离l_A；

步骤2.4：依照以上2.2-2.3步骤计算另一校正面B面的位置l_B；

步骤3：进行动不平衡测量；

步骤3.1：主轴工作状态至稳定；

步骤3.2：加速度传感器获得动不平衡信号并将模拟信号传递给数据采集卡，信号经滤波、傅立叶变换最终提供给动不平衡检测计算系统；

步骤3.3：加速度信号经幅频转换，然后提取与主轴转速同频率的信号，根据相位传感器传回的信号对比测得的数据，确定测得同频数据最大值所处矢量角度与主轴旋转相位标准位置的相位角θ；

步骤3.4：提取到的信号经二次积分可知每个加速度传感器处主轴轴套的最大变形量y₂和y₆；

步骤3.5：设定主轴轴套两端固定位置位移为零，与加速度传感器所处点通过四点拟合成二次可导曲线，求出该曲线的导数为零位置的点的坐标D(x,y)，其在X(轴向)方向上的坐标值(l_D)为轴套最大变形值在轴向上的位置，y方向上的坐标值(y₄)为轴套最大变形值；

步骤3.6：已知轴套弹性模量，根据胡克定律，求得产生最大变形值时轴套所受到的径向方向的力，该力即为动不平衡等效离心力F_D；

步骤4：进行主轴动不平衡校正，如图11-图15所示；

步骤4.1：已知两个平衡面轴向位置参数l_A、l_B和主轴动不平衡力(F_D)及其位置(l_D)，根据杠杆原理，计算求得两个与F_D等效的动平衡力F_A、F_B；

步骤4.2：假设每组质量块的大、小质量块调整角度β₁、β₂后可使大、小质量块旋转所产生离心力(f₁、f₂)的合力(f)与同一调整面所等效的离心力(F_A或F_B)大小相等、方向相反，根据下面的二元一次方程组可计算得到为实现主轴动平衡而需调整质量块与合力的角度α₁、α₂，

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1\·{\mathrm{cos\α}}_1+f_2{\mathrm{cos\α}}_2=f\\ f_1\·{\mathrm{sin\α}}_1=f_2{\mathrm{sin\α}}_2\end{array}\right.;$

已知合力(f)的矢量角度(θ_A或θ_B)与主轴动不平衡等效离心力相位角(θ)成180度，计算得到调整后每个质量块所处的相位角；

步骤4.3：根据调整前质量块所处的相位角，计算得到质量块所需调整的角度(β₁或β₂)；

步骤4.4：根据质量块所需调整的角度和方向，计算电机所需旋转的角度和方向，将角度换算成脉冲数，控制电机旋转，调整相应的质量块；

步骤5：主轴动不平衡数据、质量块调整数据实时在工控机显示器上显示，实现整个过程的实时监控。

Claims (10)

1.一种主轴内置机械式在线动平衡系统，其特征在于：包括动平衡装置、运动控制系统、数据无线传输系统、动不平衡检测计算系统和控制决策运算系统；

所述动平衡装置置于主轴内，工作时，由同心且并列的两组质量组块产生质量偏心，主轴旋转时由质量偏心产生与主轴自身产生的动不平衡力作用位置相同、大小相等、方向相反的动平衡力，执行在线校正主轴的动不平衡；

所述动不平衡检测计算系统检测主轴的不平衡信号，根据信号分析主轴动不平衡特性，计算主轴动不平衡等效离心力及其矢量方向和位置；

所述控制决策运算系统将获得的主轴动不平衡等效离心力等效分解到两个动不平衡调整平面，计算各平面动不平衡等效离心力；并制定两动不平衡调整平面内动平衡装置中的每组质量块的质量分布策略；

所述数据无线传输系统的天线环安装在动平衡装置的端盖外端，接收及传输动不平衡校正指令；

所述运动控制系统安装于动平衡装置的控制腔内，运动控制系统的电源环安装在动平衡装置的端盖外端；运动控制系统接收动不平衡校正指令，控制动平衡装置中电机的运转。

2.根据权利要求1所述主轴内置机械式在线动平衡系统，其特征在于：所述动平衡装置包括屏蔽罩、两沿轴向并列设置的质量调整组块、至少两个稳固涨环、控制腔、稳固绗架及两端盖；所述屏蔽罩内依次设置两质量调整组块和稳固绗架Ⅰ，两质量调整组块分别带有稳固绗架Ⅱ和Ⅲ，相邻稳固绗架间分别通过螺栓固定连接，在稳固绗架Ⅰ内形成安装运动控制系统的控制腔，屏蔽罩两端分别设置端盖，屏蔽罩外周设置稳固涨环，稳固涨环为两端带缺口的金属薄环结构，稳固涨环每端缺口至少三处且形状相同、均布，两端对称布置。

3.根据权利要求2所述主轴内置机械式在线动平衡系统，其特征在于：所述质量调整组块包括大质量块、小质量块、稳固绗架及相互连接的两组电机、减速器，所述两组电机、减速器对称设置在稳固绗架上，相对端的一个减速器输出轴上安装大质量块，另一个减速器输出轴上安装小质量块，所述大质量块和小质量块均为扇形块，相互套置，初始安装时扇形缺口处对应设置，两质量块产生的质量偏心为零，工作时，两质量块同心旋转形成角度并产生质量偏心。

4.根据权利要求2所述主轴内置机械式在线动平衡系统，其特征在于：所述端盖外端开有两个同心的环形槽，分别容置运动控制系统的天线环和电源环，端盖中部开有连通控制腔的导线通孔。

5.根据权利要求1所述主轴内置机械式在线动平衡系统，其特征在于：所述动不平衡检测计算系统包括两个加速度传感器、相位传感器、数据采集卡和工控机，所述两个加速度传感器分别固定在主轴轴套上，检测主轴产生的变形信号；

所述相位传感器为红外信号传感器，设置在对应主轴中心标记线处，检测识别主轴转动相位标记，相位传感器测量中心与主轴中心线保持水平；

所述数据采集卡连接加速度传感器和相位传感器，采集传感器信号；

所述工控机根据采集的信号分析主轴动不平衡特性，计算主轴动不平衡等效离心力及其矢量方向和位置。

6.根据权利要求5所述主轴内置机械式在线动平衡系统，其特征在于：所述工控机对主轴动不平衡检测的计算，包括以下步骤：

①采集传感器信号：所述主轴置于轴套中，加速度传感器为两个，测量由于主轴动不平衡作用在轴套上引起轴套变形的加速度模拟信号；同时采集相位传感器信号，所述相位传感器设置在对应主轴中心标记线处，检测识别主轴转动相位标记；

②信号的幅频转换：通过采集卡对采集到的加速度模拟信号转换成时域信号，将时域信号转换为频域信号；将相位传感器信号转换成时域信号；

③提取主轴转速同频信号，并确定采集信号的相位角：根据主轴转速特征，在获得的加速度信号频域特性得到与主轴转速同频率的加速度信号及幅值，并根据加速度信号和相位信号的时间对应关系，得到该频率下轴套最大变形时主轴旋转的角度即为采集信号的相位角θ；

④获得主轴套变形量：根据第③步所述幅值建立周期函数，对该函数进行二次积分，分别得到两加速度传感器所在位置的同一相位的轴套最大变形量y₂、y₆；

⑤确定动不平衡位置：由已知的轴套固定端变形为零和第④步骤中轴套最大变形量y₂、y₆的位置，根据该四点位置拟合一光滑曲线f(x)，该曲线二次可导，设f(x)”＝0，则x＝l_D，计算f(l_D)＝y_D，l_D为轴向位置，y_D为最大变形量，得到曲线最大幅值点D；

⑥计算主轴动不平衡所产生的离心力：根据轴套的弹性模量k、主轴轴套的最大变形量y_D，根据胡克定律，f＝ky,计算得到轴套获得的该变形所承受的作用力F_D；该作用力即为主轴动不平衡所产生离心力的等效力，该作用力所处位置及与主轴相对应的相位关系即为主轴动不平衡所产生离心力F_D的矢量方向θ和位置l_D。

7.根据权利要求1所述主轴内置机械式在线动平衡系统，其特征在于：所述控制决策运算系统实现主轴动平衡双平面等效力平衡调节，具体步骤为：

①标定两组质量组块在主轴内孔中的轴向位置l_A、l_B；

②双平面受力等效分解：双平面指两组质量组块所在的与主轴垂直的径向平面，在主轴动不平衡所产生离心力矢量所在平面内，以两组动平衡质量组块所在位置l_A或l_B及已知离心力F_D所在位置l_D为基点，离心力F_D的矢量方向为θ，根据杠杆原理，将离心力F_D等效分解到两组动平衡质量组块所在位置的等效力F_A'、F_B'；

③计算平衡力矢量：根据等效力的大小计算动平衡质量组块所需产生的平衡力F_A、F_B及矢量方向θ_A、θ_B，该矢量方向与等效力成180度夹角关系；其中F_A＝F_A'，F_B＝F_B'，θ_A＝θ_B＝180-θ；

④计算大小质量块调整角度：动平衡质量组块大、小质量块所产生的离心力f₁、f₂，得到f₁、f₂的合力f，合力f即为F_A或F_B，由方程组

得到f₁、f₂与合力f的矢量夹角α₁，α₂；

将大、小质量块所产生的离心力f₁、f₂的矢量方向与调整前的矢量方向之间的夹角β₁、β₂及方向定义为质量块的调整值，其中夹角β₁、β₂小于180度，调整方向为使夹角β₁、β₂缩小的旋转方向。

8.根据权利要求7所述主轴内置机械式在线动平衡系统，其特征在于：所述标定是在主轴低速旋转的情况下，通过一个质量组块的大、小质量块调整，使得该质量组块所在的调整面A面或B面产生已知离心力F₁或F₀，通过测量计算得到该位置点在轴向上与近端轴套固定端的距离l_A或l_B，即校正面的位置，同样道理可知另一个质量组块校正面的位置l_B或l_A。

9.根据权利要求1所述主轴内置机械式在线动平衡系统，其特征在于：所述运动控制系统包括运动控制卡、电源转换器、电源环、电源架；

所述运动控制卡实现运动控制指令的发送，运动控制卡识别无线传输来的指令信号，向电机发送连续的脉冲信号驱动电机工作；

所述电源转换器连接运动控制卡，提供低压电，电源与电源环相连，电源环布置在一侧端盖的外端；

所述电源环安装在端盖上。

10.根据权利要求1所述主轴内置机械式在线动平衡系统，其特征在于：所述数据无线传输系统包括无线发射装置、信号接收装置、天线环和固定架，所述信号接收装置安装在控制腔内，一端连接运动控制卡，另一端连接安装在端盖上的天线环接收端；

所述无线发射装置所连接的天线环通过固定架固定在主轴内腔，并接近无线发射装置连接的安装在端盖上的天线环；

所述的无线发射装置和信号接收装置成对使用。