CN105222959A - 一种盘类工件加工中的不平衡量在线监控及去重方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种盘类工件加工中的不平衡量在线监控及去重方法。该方法克服现有盘类工件的动平衡需要专用的动平衡机，且平衡效率与精度低等缺点。提出通过监测主轴不平衡振动信号的变化而间接测量在加工盘类工件不平衡量的方法。基于此方法，本发明提出通过对盘类工件加工过程中不平衡状态的监控，防止盘类工件过大不平衡量的形成及恶化；在盘类工件加工完成后，保持其在机床主轴上的装夹位置不变，而在主轴旋转中在线测量盘类工件不平衡量，并通过控制机床去重的方法减小或消除盘类工件的不平衡量。本发明在提高盘类工件的平衡效率和精度，降低平衡成本方面具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种盘类工件加工中的不平衡量在线监控及去重方法，属于精密超精密加工及自动化领域。
背景技术
旋转机械的平衡性能主要取决于其回转机构，而盘类零件是回转机构的重要构成形式，如飞轮、刹车盘、车辆轮毂、砂轮、齿轮、皮带轮等。通常，该类零件回转半径较大，即使很小的不平衡质量也可能形成较大的不平衡量，进而在机构回转中激起较大的不平衡振动，影响机构性能与寿命。例如，飞轮作为卫星常用的角动量交换装置，其动平衡性能直接影响平台的稳定性；发动机飞轮组的不平衡将引起发动机的振动，严重时易引起缸体及飞轮壳的碎裂，同时也加速了曲轴及轴瓦的磨损，缩短了发动机的使用寿命；汽车刹车盘片作为汽车安全部件的一个重要部分，其平衡性能直接影响到车辆的运行安全与性能；汽车轮毂的不平衡会造成车辆在行驶中车轮抖动、方向盘震动的现象，在高速行驶时容易造成轮胎摆动、跳动，失去控制而造成的交通事故；砂轮的不平衡会直接造成工件表面质量和砂轮耐用度的下降，降低磨削的生产率，加剧磨床零件的损坏，产生噪声、恶化工作环境等。因此，动平衡是盘类零件生产、制造过程中必须解决的一个基本共性问题，其优劣程度直接决定了零件乃至整个转子系统的工作性能和使用寿命。
目前，工业现场主要采用工艺动平衡方法对盘类工件实施动平衡，即首先把加工完成后的工件从机床上拆卸下来，再将其安装在专用的动平衡机上进行不平衡量的检测和标定。对于不平衡超标的盘类工件，则需重新返回机床加工或进行其它的特殊处理，以消除或减小盘类工件不平衡量。在实际应用中，工艺动平衡具有平衡效率和精度低，平衡成本高等方面的缺点，主要用于单件、小批量，动平衡精度与效率要求不高的场所。
本发明涉及一种盘类工件加工中的不平衡量在线监控及去重方法，该方法无需专用的动平衡机，无需从机床上取下盘类工件而直接在线实施不平衡检测、在线去重等操作。该方法在节省盘类工件检测成本，提高盘类工件加工效率等方面具有明显优势。
发明内容
本发明克服现有盘类工件的动平衡需要专用的动平衡机，平衡精度低等缺点。基于车铣复合数控机床，发明了一种将盘类工件加工过程中的监控和加工后的在线校正融为一体的动平衡方法。即通过对盘类工件加工过程中不平衡状态的监控，防止盘类工件过大不平衡量的形成。盘类工件加工完成后，保持其在机床主轴上的装夹位置不变，而在主轴旋转中在线测量盘类工件不平衡量，并通过控制机床去重的方法减小或消除盘类工件的不平衡量。
为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：
盘类工件加工中的不平衡量在线监控及去重系统包括车铣复合数控机床一台、信息监测系统一套。
信息监测系统用于监测主轴振动信号、轴承温度信号、基准信号，并对监测信号进行分析。信息监测系统包括两个电涡流传感器（1）（5）、两个热电偶（3）（4）、一个光电传感器（2）、信号采集卡（6）、PC机（7）、CNC控制中心（8）及相应的信号线组成。电涡流传感器（1）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与主轴（9）非接触，用于测量主轴（9）前端振动位移信号。电涡流传感器（5）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与主轴（9）非接触，用于测量主轴（9）尾端振动位移信号。热电偶（3）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与轴承（11）外圈接触和固定，用于测量主轴前端轴承（11）温度信号。热电偶（4）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与轴承（10）外圈接触和固定，用于测量主轴尾端轴承（10）温度信号。光电传感器（2）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与卡盘（12）非接触，用于测量卡盘（12）上的基准信号。电涡流传感器（1）（5）、热电偶（3）（4）、光电传感器（2）所测量信号由信号采集卡（6）采集，并传输到PC机（7）。信号采集卡（6）通过插槽与PC机（7）相连。
盘类工件加工中的不平衡量在线监控及去重方法包括离线实验、在线监控和在线去重三个方面。
离线实验的目的是得到在线监控所需的主轴初始不平衡振动、影响系数及其温度补偿系数，进而构建影响系数调度控制表。离线实验步骤如下：
步骤一，将主轴（9）工作转速离散为有限个实验转速点。并在每个实验转速下，根据主轴（9）工作中前、后轴承（11）（10）的温升情况，选取有限个离散的实验温度条件。
步骤二，选取某一实验转速点：首先在冷态（常温）、无试重条件下测量主轴（9）前、后端的初始不平衡振动；然后在卡盘（12）端面上施加一已知不平衡量，在实验转速下测量主轴（9）前、后端试重后的不平衡振动；进而基于影响系数法的基本原理，计算冷态条件下，卡盘（12）端面相对于主轴（9）前、后端振动监测点的影响系数。
步骤三，机床在步骤二实验转速下运转，实时监测前、后轴承（11）（10）的温度信号，当温度达到实验温度条件时，采用步骤二同样的试重方法，测算该温度条件下卡盘（12）端面相对于主轴（9）前、后端振动监测点的影响系数。
步骤四，重复步骤三的实验过程，测算所有温度条件下卡盘（12）端面相对于主轴（9）前、后端振动监测点的影响系数。
步骤五，结合步骤四、三、二的实验结果，考察前、后轴承（11）（10）温度变化对影响系数的影响，设计影响系数的温度补偿系数。
步骤六，重复实验步骤二～五，测算所有实验转速、冷态下影响系数及其温度补偿系数，构建影响系数在线调度控制表。调度控制表包含各转速、冷态条件下的影响系数，主轴（9）初始不平衡振动及影响系数的温度补偿系数等。
在线监控的目的是实时监测加工过程中盘类工件不平衡量的变化，防止盘类工件加工中异常不平衡量的出现及恶化，减少盘类工件次品率。在线监控工艺流程如下：
1）盘类工件（14）加工过程中不平衡量的监测与判断按以下流程实施：
ⅰ）通过信息监测，实时获取当前工作转速信号ni，当前温度信号（t1j,t2j），测量并提取主轴（9）当前不平衡振动信号（，）。
ⅱ）以当前转速信号ni索引主轴（9）的初始不平衡振动信号（，），依式计算当前盘类工件（14）不平衡所引起的主轴（9）不平衡振动量。
ⅲ）以当前转速信号ni索引系统影响系数（，）。以当前温度信号，索引当前影响系数的温度补偿系数（，），按式计算当前转速及温度条件下的影响系数（，）。
ⅳ）基于影响系数线性可逆的原理，依式分别计算当前在加工盘类工件（14）的不平衡量。
ⅴ）依据的大小，判断当前盘类工件（14）不平衡量的大小和相位。
2）将当前加工过程中盘类工件（14）不平衡量的测算结果与上一次测算结果相比较，判断当前加工过程中盘类工件（14）不平衡量是否异常增加。如果没有发生异常变化，则继续加工并返回到监控状态。否则，系统发出报警信息，结束当前加工进程，停机待查明事项原因。
在线去重的目的是在线减少盘类工件不平衡量，提高盘类工件的平衡效率与平衡性能。在线去重的工艺流程如下：
1）待盘类工件（14）加工工序完成后，启动机床高压空气系统，吹除盘类工件（14）及卡盘（12）上的残屑。
2）按流程ⅰ～ⅴ，测算并判断盘类工件（14）当前残余不平衡量是否超标，若残余不平衡量在允许范围内，则提示取下盘类工件（14），流程结束。若残余不平衡量超标，则执行随后的去重工艺。
3）依据盘类工件（14）的结构特点选取适当的去重模型，并计算残余不平衡量的去重位置和去重量。
4）数控系统控制主轴准停至基准位置。
5）数控系统控制去重刀具至去重位置，根据计算结果去除一部分材料。
6）按工艺ⅰ～ⅴ，重新测算并判断盘类工件（14）不平衡量，若残余不平衡量在允许范围内，则提示取下盘类工件（14），流程结束。若残余不平衡量超标，则提示重新执行去重工艺或判废。
与现有技术相比较，本工艺流程具有以下优点：
1）对盘类工件切削过程中不平衡状态变化的实时监控，可及时发现因盘类工件装夹不当、切削工艺不当、机床异常工作等原因而造成的盘类工件不平衡状态的恶化，实时发出报警与提示信息，降低盘类工件废品率，提高经济效益。
2）本工艺流程无需购置动平衡机、专用的去（加）重设备等，降低了动平衡成本。
3）盘类工件的一次装夹即可实现加工、动平衡等相关工序，节约了大量的盘类工件拆卸和安装校准时间，降低了盘类工件反复装夹所带来的装配误差。在大批量盘类工件生产中，可以显著提高盘类工件的动平衡效率及精度。
4）满足主轴在任意工作转速下的动平衡需求，平衡中考虑了轴承温度变化对动平衡精度的影响，建立了影响系数的温度补偿机制。
5）通过双振动传感器及盘类工件不平衡量的双等效变换，有效地减少主轴挠曲变形、不平衡力偶所引起的盘类工件不平衡量计算误差的问题。
6）可以拓展现有数控机床的功能，提高数控机床的柔性。
7）不平衡振动监测系统也可用于主轴系统异常振动监测及故障诊断，提高数控机床的可靠性。
附图说明
图1信号监测系统
图2离线实验流程
图3盘类工件加工中的不平衡量监控流程
图4盘类工件加工后不平衡量的在线去重流程
图中：1、主轴前端电涡流传感器，2、光电传感器，3、前轴承热电偶传感器，4、后轴承热电偶，5、主轴后端电涡流传感器，6、信号采集单元，7、PC机、8、CNC控制中心，9、主轴，10、主轴尾端轴承，11、主轴前端轴承，12、卡盘，13、去重刀具，14、盘类工件。
具体实施方式
结合附图1，2，3,4详细说明本发明具体实施方式。
1.本发明盘类工件加工中的不平衡量在线监控及去重系统包括车铣复合数控机床一台、信息监测系统一套。
信息监测系统用于监测主轴振动信号、轴承温度信号、基准信号，并对监测信号进行分析。图1信息监测系统包括两个电涡流传感器（1）（5）、两个热电偶（3）（4）、一个光电传感器（2）、信号采集卡（6）、PC机（7）、CNC控制中心（8）及相应的信号线组成。电涡流传感器（1）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与主轴（9）非接触，用于测量主轴（9）前端振动位移信号。电涡流传感器（5）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与主轴（9）非接触，用于测量主轴（9）尾端振动位移信号。热电偶（3）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与轴承（11）外圈接触和固定，用于测量主轴前端轴承（11）温度信号。热电偶（4）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与轴承（10）外圈接触和固定，用于测量主轴尾端轴承（10）温度信号。光电传感器（2）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与卡盘（12）非接触，用于测量卡盘（12）上的基准信号。电涡流传感器（1）（5）、热电偶（3）（4）、光电传感器（2）所测量信号由信号采集卡（6）采集，并传输到PC机（7）。信号采集卡（6）通过插槽与PC机（7）相连。
2.本发明盘类工件加工中的不平衡量在线监控及去重方法包括离线实验、在线监控和在线去重三个方面。
离线实验的目的是得到在线监控所需的主轴初始不平衡振动、影响系数及其温度补偿系数，进而构建影响系数调度控制表，图2为离线实验流程。具体实施步骤如下：
步骤一，将主轴（9）工作转速离散为有限个实验转速点。并在每个实验转速下，根据主轴（9）工作中前、后轴承（11）（10）的温升情况，选取有限个离散的实验温度条件。
步骤二，选取某一实验转速点：首先在冷态（常温）、无试重条件下测量主轴（9）前、后端的初始不平衡振动；然后在卡盘（12）端面上施加一已知不平衡量，在实验转速下测量主轴（9）前、后端试重后的不平衡振动；进而基于影响系数法的基本原理，计算冷态条件下，卡盘（12）端面相对于主轴（9）前、后端振动监测点的影响系数。
步骤三，机床在步骤二实验转速下运转，实时监测前、后轴承（11）（10）的温度信号，当温度达到实验温度条件时，采用步骤二同样的试重方法，测算该温度条件下卡盘（12）端面相对于主轴（9）前、后端振动监测点的影响系数。
步骤四，重复步骤三的实验过程，测算所有温度条件下卡盘（12）端面相对于主轴（9）前、后端振动监测点的影响系数。
步骤五，结合步骤四、三、二的实验结果，考察前、后轴承（11）（10）温度变化对影响系数的影响，设计影响系数的温度补偿系数。
步骤六，重复实验步骤二～五，测算所有实验转速、冷态下影响系数及其温度补偿系数，构建影响系数在线调度控制表。调度控制表包含各转速、冷态条件下的影响系数，主轴（9）初始不平衡振动及影响系数的温度补偿系数等。
在线监控的目的是实时监测加工过程中盘类工件不平衡量的变化，防止盘类工件加工中异常不平衡量的出现及恶化，减少盘类工件次品率。图3为盘类工件加工中的不平衡量在线监控流程，具体实施过程如下：
1）盘类工件（14）加工过程中不平衡量的监测与判断按以下流程实施：
ⅰ）通过信息监测，实时获取当前工作转速信号ni，当前温度信号（t1j,t2j），测量并提取主轴（9）当前不平衡振动信号（，）。
ⅱ）以当前转速信号ni索引主轴（9）的初始不平衡振动信号（，），依式计算当前盘类工件（14）不平衡所引起的主轴（9）不平衡振动量。
ⅲ）以当前转速信号ni索引系统影响系数（，）。以当前温度信号，索引当前影响系数的温度补偿系数（，），按式计算当前转速及温度条件下的影响系数（，）。
ⅳ）基于影响系数线性可逆的原理，依式分别计算当前在加工盘类工件（14）的不平衡量。
ⅴ）依据的大小，判断当前盘类工件（14）不平衡量的大小和相位。
2）将当前加工过程中盘类工件（14）不平衡量的测算结果与上一次测算结果相比较，判断当前加工过程中盘类工件（14）不平衡量是否异常增加。如果没有发生异常变化，则继续加工并返回到监控状态。否则，系统发出报警信息，结束当前加工进程，停机待查明事项原因。
在线去重的目的是在线减少盘类工件不平衡量，提高盘类工件的平衡效率与平衡性能。图4为在线去重工艺流程，具体实施方案如下：
1）待盘类工件（14）加工工序完成后，启动机床高压空气系统，吹除盘类工件（14）及卡盘（12）上的残屑。
2）按流程ⅰ～ⅴ，测算并判断盘类工件（14）当前残余不平衡量是否超标，若残余不平衡量在允许范围内，则提示取下盘类工件（14），流程结束。若残余不平衡量超标，则执行随后的去重工艺。
3）依据盘类工件（14）的结构特点选取适当的去重模型，并计算残余不平衡量的去重位置和去重量。
4）数控系统控制主轴准停至基准位置。
5）数控系统控制去重刀具去除一部分材料。
6）按工艺ⅰ～ⅴ，重新测算并判断盘类工件（14）不平衡量，若残余不平衡量在允许范围内，则提示取下盘类工件（14），流程结束。若残余不平衡量超标，则提示重新执行去重工艺或判废。
以上所述为本发明的一个实例，我们还可对其工艺流程进行一些变换，以适应不同数控机床及盘类工件加工的要求。只要其工艺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 (2)
1.一种盘类工件不平衡量在线监控系统，其特征在于：通过监测主轴不平衡振动而间接测量盘类工件不平衡量；监控系统包括两个电涡流传感器（1）（5）、两个热电偶（3）（4）、一个光电传感器（2）、信号采集卡（6）、PC机（7）、CNC控制中心（8）及相应的信号线组成；电涡流传感器（1）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与主轴（9）非接触，用于测量主轴（9）前端振动位移信号；电涡流传感器（5）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与主轴（9）非接触，用于测量主轴（9）尾端振动位移信号；热电偶（3）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与轴承（11）外圈接触和固定，用于测量主轴前端轴承（11）温度信号；热电偶（4）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与轴承（10）外圈接触和固定，用于测量主轴尾端轴承（10）温度信号；光电传感器（2）通过数据线与信号采集卡（6）相连，端部与卡盘（12）非接触，用于测量卡盘（12）上的基准信号；电涡流传感器（1）（5）、热电偶（3）（4）、光电传感器（2）所测量信号由信号采集卡（6）采集，并传输到PC机（7）；信号采集卡（6）通过插槽与PC机（7）相连。
2.根据权利要求1所述的监控系统，盘类工件加工的不平衡量在线监控及去重方法的特征在于：总体包括离线实验、在线监控和在线去重三个方面；
离线实验实施步骤如下：
步骤一，将主轴（9）工作转速离散为有限个实验转速点；并在每个实验转速下，根据主轴（9）工作中前、后轴承（11）（10）的温升情况，选取有限个离散的实验温度条件；
步骤二，选取某一实验转速点：首先在冷态（常温）、无试重条件下测量主轴（9）前、后端的初始不平衡振动；然后在卡盘（12）端面上施加一已知不平衡量，在实验转速下测量主轴（9）前、后端试重后的不平衡振动；进而基于影响系数法的基本原理，计算冷态条件下，卡盘（12）端面相对于主轴（9）前、后端振动监测点的影响系数；
步骤三，机床在步骤二实验转速下运转，实时监测前、后轴承（11）（10）的温度信号，当温度达到实验温度条件时，采用步骤二同样的试重方法，测算该温度条件下卡盘（12）端面相对于主轴（9）前、后端振动监测点的影响系数；
步骤四，重复步骤三的实验过程，测算所有温度条件下卡盘（12）端面相对于主轴（9）前、后端振动监测点的影响系数；
步骤五，结合步骤四、三、二的实验结果，考察前、后轴承（11）（10）温度变化对影响系数的影响，设计影响系数的温度补偿系数；
步骤六，重复实验步骤二～五，测算所有实验转速、冷态下影响系数及其温度补偿系数，构建影响系数在线调度控制表；调度控制表包含各转速、冷态条件下的影响系数，主轴（9）初始不平衡振动及影响系数的温度补偿系数等；
在线监控工艺流程如下：
1）盘类工件（14）加工过程中不平衡量的监测与判断按以下流程实施：
ⅰ）通过信息监测，实时获取当前工作转速信号ni，当前温度信号（t1j,t2j），测量并提取主轴（9）当前不平衡振动信号（，）；
ⅱ）以当前转速信号ni索引主轴（9）的初始不平衡振动信号（，），依式计算当前盘类工件（14）不平衡所引起的主轴（9）不平衡振动量；
ⅲ）以当前转速信号ni索引系统影响系数（，）；以当前温度信号，索引当前影响系数的温度补偿系数（，），按式计算当前转速及温度条件下的影响系数（，）；
ⅳ）基于影响系数线性可逆的原理，依式分别计算当前在加工盘类工件（14）的不平衡量；
ⅴ）依据的大小，判断当前盘类工件（14）不平衡量的大小和相位；
2）将当前加工过程中盘类工件（14）不平衡量的测算结果与上一次测算结果相比较，判断当前加工过程中盘类工件（14）不平衡量是否异常增加；如果没有发生异常变化，则继续加工并返回到监控状态；否则，系统发出报警信息，结束当前加工进程，停机待查明事项原因；
在线去重的工艺流程如下：
1）待盘类工件（14）加工工序完成后，启动机床高压空气系统，吹除盘类工件（14）及卡盘（12）上的残屑；
2）按流程ⅰ～ⅴ，测算并判断盘类工件（14）当前残余不平衡量是否超标，若残余不平衡量在允许范围内，则提示取下盘类工件（14），流程结束；若残余不平衡量超标，则执行随后的去重工艺；
3）依据盘类工件（14）的结构特点选取适当的去重模型，并计算残余不平衡量的去重位置和去重量；
4）数控系统控制主轴准停至基准位置；
5）数控系统控制去重刀具去除一部分材料；
6）按工艺ⅰ～ⅴ，重新测算并判断盘类工件（14）不平衡量，若残余不平衡量在允许范围内，则提示取下盘类工件（14），流程结束；若残余不平衡量超标，则提示重新执行去重工艺或判废。
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