CN110864077B - 一种具有自主调控能力的电机驱动式自动平衡系统 - Google Patents

一种具有自主调控能力的电机驱动式自动平衡系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有自主调控能力的电机驱动式自动平衡系统，将配重块的驱动方式改为步进电机驱动，将电磁式平衡头的各项功能进行整合优化。驱动结构自身具有自锁功能，不需要额外的结构实现，且采用电机驱动，不需要大量的电磁线圈等结构，减小了结构复杂程度，降低了平衡头的自重；采用模块化设计，各模块间安装定位方便，不需要大量时间进行调试；步进电机的最小移动距离可达微米级别，完全可以满足配重的精度需要；本发明采用可脱离上位机进行自主调控的控制器(PLC)完成全部算法和控制功能，平衡头外部不需要额外装置提供大功率的驱动电源，简化了控制系统的接线，降低了控制系统的复杂程度和使用成本，可脱离计算机运行。

Description

一种具有自主调控能力的电机驱动式自动平衡系统
技术领域
本发明涉及一种具有自主调控能力的电机驱动配重块移动的自动平衡系统，适用于对旋转机械进行在线自动平衡，属于旋转机械自动平衡技术领域。
背景技术
旋转机械在振动故障的原因有很多，如质量不平衡、转子不对中、轴承碰磨等，在所有的振动故障中，70％-80％的振动故障是由质量不平衡引起的。传统的动平衡方法是返厂拆解后进行部件级动平衡，或进行现场动平衡，但是仍需多次启停机对转子加试重进行平衡，人力物力消耗较大。而自动平衡技术可以在转子不停机的状态下通过主动控制改变转子的质量分布，降低不平衡振动。因此，在装备逐步向智能化方向发展的今天，研究自动平衡技术可为高性能旋转机械的研发提供技术支撑。本发明提出一种用电机驱动配重块移动的自动平衡系统，采用三组配重形成星型结构，可实现一定范围内任意大小的合成配重矢量。
1975年，Kihachi Kida等人发明了一种使用齿轮驱动配重块的平衡头(专利号：US3918326A)，用以平衡转子的不平衡振动，但其内部采用了柔性齿轮结构，所以使用寿命受到很大的限制，而且这种平衡头不能根据转子振动情况的变化随时调整平衡质量，安装和调整繁琐。
2012年，德国Hofmann公司发明了一种针对飞机旋转主轴的自动平衡装置(发明号：EP2474469A1)。采用具有触变性质的固体或者液体材料，利用离心力自动调整位置，填充在一个环绕旋转主轴的空腔内。通过改变具有一定质量的材料的位置来达到重新分布质量的自动平衡。该平衡方式是一种被动式自动平衡，在实施平衡的过程中对触变材料、对飞机旋转主轴的旋转速度都有严格的要求。
2012年，美国LORD公司设计了一种改进安装的电磁驱动式自动平衡装置，用于螺旋桨飞机的自动平衡(发明号：WO2012/051475A1)。利用可控的两个配重块，实现一定范围内的平衡质量再分布。该自动平衡装置使用电磁驱动配重块移动的方式，平衡装置磁路中磁隙的微小变化会对驱动能力产生很大影响，且驱动时产生的强电磁场会对附近的电子设备造成干扰。
2016年，意大利Marposs公司发明了一款适用于磨床的机电砂轮平衡系统。该系列平衡装置可安装在砂轮上或者主轴内部，主要应用于检测并校正砂轮不平衡引起的振动。该系列平衡头轴向尺寸大，且需要内部有一定空间的空心转子安装平衡装置，应用存在局限性。
2018年，丰田汽车有限公司发明了一种转子平衡校正装置(专利号：US10119401B2)，该装置使用激光对转子的相应部位进行去重以达到使转子平衡的目的。但该装置中的大功率激光能耗较大，被照射部位存在伤痕，对转子寿命有一定影响，且照射后产生的金属微粒对环境存在污染。
国内学者在自动平衡技术及自动平衡装置等方面也开展了相关研究且取得了一些成果。但均存在于实验室阶段，未见工程应用报道。
1993年，浙江大学提出了电磁式自平衡头(专利CN93102971及专利CN 93206281)，利用电磁力驱动弹簧定位的钢球，使得配重质量发生移动，从而实现质量再分布的平衡目的。但该结构中的弹簧定位不宜控制，且长期使用中当弹簧出现变形时，容易造成磁力驱动失误的问题。
哈工大研发了采用永磁差频电动机原理驱动质量块进行平衡的自动平衡装置，该装置使用和转子转速相对应的三相交流电频率具有一定频率差的三相交流电驱动带有永磁转子的小车作为配重在轨道中移动，进而实现转子平衡的目的。该结构对转子转速测量精度的要求非常高，直接关系到配重小车位置的稳定性；该结构需要持续对平衡装置供电，能耗较大；且该装置占用空间大，空间利用率不高，实际应用具有一定局限性。
西安交通大学设计了依靠电磁感应实现静、动盘间能量传递，驱动动盘内配重质量移动的平衡执行器，以及磁力配重型等多种类型平衡执行器(专利号：CN101587004B)，在2015年提出一种电磁控制磁流变液动平衡方法，通过对电流的调节，改变电磁铁产生的磁感应强度。产生可控磁场后，磁流变液发生形变及位移，以磁流变液质量分布的变化作为补偿质量，实现对旋转机械的在线动平衡(专利号：CN105004482A)。
北京化工大学从2002年开始研究透平机械的自动平衡技术，取得了多项研究成果，开发了连续注排液式(专利号:CN100346089C)及气动压液式(专利号:CN102840949A)在线平衡装置。然而，以上的研究对象多针对高速旋转的加工机械，如磨床、车床等，且上述几种平衡策略在安装拆卸过程中都容易产生一定的工作量及安装误差。
综上所述，当前已经实现工业应用的自动平衡系统，以电磁驱动式和磨床用机电式平衡头为主要类型。自动平衡系统包含平衡执行器和信号采集及控制系统。这两款平衡头的结构尺寸很庞大，控制系统构成复杂，均需要计算机及采集系统支持才能够完成。随着我国工业快速发展需求，研究稳定性高、质量轻、平衡能力大且易安装拆卸的轻量型自动平衡系统，是一个重要研究课题。通过对自动平衡机械结构和控制系统进行重新设计，本发明简化了控制系统的结构，使用步进电机驱动三个配重块以星型结构移动，可实现无级配重，不存在最小精度问题，大大提高了装置的可靠性及稳定性，降低了安装调试的难度。
发明内容
由于电磁式平衡头依靠永磁体的最小磁阻原则进行自锁，驱动时需要对电磁线圈通电使配重盘两侧结构磁化，配重盘外侧安装的一圈极性交替的永久磁体和配重板两侧被电磁铁磁化的侧磁板之间磁力相互吸引和排斥推动配重盘旋转，因此需要大量的机械结构实现自锁和驱动，结构复杂度高，整体重量大。因为配重盘上安装的永磁体个数是有限的，且需要考虑驱动力和自锁力的大小关系要求磁铁直径不能太小，配重盘移动一步的角度等于相邻磁铁的夹角，所以配重盘移动的一步间隔较大，当需要配重处于一步之间时无法实现，即存在最小精度问题。在对电磁式平衡头进行组装调试时，由于制造和安装误差等原因难以将磁隙调整至符合要求，磁隙的微小变化就会导致驱动失败。电磁式平衡头由正反交替的脉冲信号驱动，该信号由特定的驱动装置产生，且信号的设定和发送需由计算机完成，需要进行大量的接线和调试工作，造成了人力物力的浪费。
本发明的目的在于克服现有的旋转机械自动平衡装置中结构复杂、组装调试困难、重量大、不易控制、控制系统庞大复杂等问题以及电磁式平衡头存在的最小精度问题。通过改进自动平衡装置的机械结构和控制系统，简化了自动平衡装置的结构，方便了操作人员的安装调试，装置组成简单故障率低，平衡能力高，可以无级调整，不存在最小精度问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是将配重块的驱动方式改为步进电机驱动，将电磁式平衡头的各项功能进行整合优化，使本发明能实现电磁式平衡头的功能。本发明的驱动结构自身具有自锁功能，不需要额外的结构实现，且本发明采用电机驱动，不需要大量的电磁线圈等结构，减小了结构复杂程度，降低了平衡头的自重；本发明采用模块化设计，各模块间安装定位方便，不需要大量时间进行调试；步进电机的最小移动距离可达微米级别，完全可以满足配重的精度需要，不存在最小精度问题；常用的平衡头控制系统由计算机和高速数据采集器构成，但在实际工作中不可能为每台设备搭配计算机，使用成本高。本发明采用可脱离上位机进行自主调控的控制器(PLC)完成全部算法和控制功能，平衡头外部不需要额外装置提供大功率的驱动电源，简化了控制系统的接线，降低了控制系统的复杂程度和使用成本，可脱离计算机运行。
一种具有自主调控能力的电机驱动式自动平衡系统，包括平衡装置控制系统、底盘2、滑环6、外圈1、上盖10、电机组件12和电机驱动器14。
所述的底盘2连接旋转轴和平衡装置，并对电机组件12起到支承和定位的作用，电机组件12通过内六角螺栓固定到底盘2上对应的位置。外圈1通过内六角螺栓固定在电机组件12外部作为电机组件12的保护罩。
所述的滑环6通过内六角螺栓固定在底盘2中心，滑环6分为动环和静环两部分，动环随平衡装置及旋转轴一起旋转，静环与底盘2相对静止，为平衡装置内部的电机和传感器的供电和信号传输提供线路转接。
所述的上盖10安装于外圈1上且用内六角螺栓固定，用以将平衡装置内部与外部环境隔离开，保护内部结构，减小外部环境对平衡装置的影响。
所述的电机组件12包括电机支架3、线卡子4、步进电机7、配重块8、滚珠丝杆9、轴承11和直线轴承13；电机组件12通过内六角螺栓固定在底盘2上，三组电机组件12互成120度均布在底盘2的圆周上，直线轴承13为配重块8提供支撑和导向作用，步进电机7与滚珠丝杆9连接，通过步进电机7旋转带动滚珠丝杆9旋转，进而使配重块8沿滚珠丝杆9移动，其移动的距离能够精确计算得到，配重块8位于不同位置时能够产生不同的补偿不平衡力，配重块8的底部装有位置传感器且电机支架3的对应位置安装有限位装置，当配重块8到达极限位置时可及时停止，保证了装置的安全性；电机支架3的内壁安装有线卡子4。滚珠丝杆9的端部安装有轴承11，保证滚珠丝杆9同轴性。
所述的电机驱动器14是与步进电机7配套的驱动设备，能够为步进电机7提供电源以及对电机步距角进行细分以提高位置精度，同时电机驱动器14还具有多种保护电路以保证电机的安全运转。电机驱动器14通过内六角螺栓固定在底盘2上。
所述的平衡装置控制系统由可编程逻辑控制器(PLC)和配重块位置传感器构成。PLC是专门用于工业环境的控制设备，具有运行稳定、环境适应性好、便于逻辑控制等特点。经过对PLC进行用户程序的编程后可以实现定义坐标原点、驱动步进电机7运转、监测配重块8当前位置、振动测量等功能，且可以脱离上位机运行，实现自主调控，简化了控制系统的复杂程度，降低了使用成本。当监测到设备的振动值高于所设定的标准时控制程序能够计算出三个配重块8应位于的位置，并驱动步进电机7使配重块沿径向移动到相应位置，可以无级调整，不存在最小精度问题。
本系统的安装顺序如下：
(1)电机组件12的安装动作过程包括：首先将两个直线轴承安装到配重块8两侧的轴承孔内并用卡圈将其固定，然后将带有滚珠丝杆9的步进电机7依次穿过电机支架3和配重块8后将丝杆螺母固定在配重块8上，再将直线轴承的光杆穿过配重块8后通过轴用卡圈和螺栓固定在电机支架3上，最后使用螺栓将电机固定。
(2)自动平衡装置硬件部分的安装动作包括：将电机组件12、电机驱动器14和外圈1放置在底盘2的相应位置上并分别使用对应规格的内六角螺栓进行固定。所有的引线通过专用接头从底盘2的中心孔引出至滑环，滑环通过滑环动支架固定于底盘2上，最后将上盖10固定于外圈1上以保护平衡装置的内部结构。
(3)将平衡装置安装于旋转轴端部并将滑环引线固定后，将所有引线连接至平衡装置控制系统对应位置并将传感器安装到位，至此整套平衡装置安装完成。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.相比电磁驱动式自动平衡装置，本申请的电机驱动式自动平衡装置采用PLC的高速脉冲控制步进电机驱动，装置简单且故障率低，易于检修和维护，可脱离上位机进行自主调控，简化了控制系统的复杂程度，避免了不必要的附加费用和停产损失。
2.相比电磁驱动式自动平衡装置，本申请的电机驱动式平衡装置配重调整方便，降低了安装调试过程的复杂程度，控制算法更为简化，降低了控制算法中潜在问题存在的可能性。
3.相比具有静环和动环的自动平衡装置，本申请的电机驱动式平衡装置除引线外均和旋转轴共同旋转，不存在动、静环的间隙调整问题，避免了振动过大导致的动、静环撞击事故的发生。
4.本发明采用3个配重径向移动的方式，可以进行无级配重调整，不存在最小精度问题。
5.本发明主体结构均固定于底盘2上，内部结构在拆装过程中一目了然，在不影响旋转机械结构的情况下易于平衡头自身故障的检测与检修及更换。
6.本发明可以根据平衡能力的要求、主轴系统的旋转速度要求进行参数设计，因而具有很高的设计和应用的灵活性。
7.本申请的电机驱动式自动平衡装置平衡能力高，用于配重的质量在平衡装置总质量中所占比例较大，即每千克的配重能力更大，减小了额外质量的影响，适用于高精度、高转速的各种加工机械以及离心机等大型设备的自动平衡，且可以得到极高的平衡精度。
8.本发明具有自锁功能、无噪声污染、能耗小、安全性高，制造、使用以及维护费用低，内部组件可根据尺寸大小规范化生产，易于实现产品化。
附图说明
图1电机驱动式自动平衡装置结构示意图(侧面)；
图2电机驱动式自动平衡装置结构示意图(正面)；
图3电机驱动式自动平衡装置中电机组件12结构示意图；
图4具有自主调控能力的电机驱动式自动平衡系统控制原理图；
图中：1、外圈，2、底盘，3、电机支架，4、线卡子，5、滑环支架，6、滑环，7、步进电机，8、配重块，9、滚珠丝杆，10、上盖，11、轴承，12、电机组件，13、直线轴承，14、电机驱动器。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。如图4所示，本专利申请一种采用电机驱动径向配重的自动平衡装置及其控制系统。其中，如说明书所述及下面各实施例所述仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请中说明书内容中的各个模块是完整的系统组成。可针对不同应用条件，可以进行增减相应模块。
基于本申请说明书及若干实施例中所述，本领域普通技术人员在不脱离本发明本质和精神的情况下所获得的所有其他实施例，都属于本发明公开和保护的范围。
实施例1
本发明的一种实施例如下：
首先将两个直线轴承安装到配重块8两侧的轴承孔内并用卡圈将其固定，然后将带有滚珠丝杆9的步进电机7依次穿过电机支架3和配重块8后将丝杆螺母固定在配重块8上，再将直线轴承的光杆穿过配重块8后通过轴用卡圈和螺栓固定在电机支架3上，最后使用螺栓将电机固定，组装完成的整体为电机组件12。将三组电机组件12和三组电机驱动器14互成120度安装于底盘2的相应位置上，所有的引线通过专用接头从底盘2的中心孔引出至滑环，滑环通过滑环支架5固定于底盘2上，最后将上盖10固定于外圈1上。将平衡装置安装于旋转轴端部并将滑环引线固定后，将所有引线连接至平衡装置控制系统对应位置并将传感器安装到位，最后对设备进行整机调试，以保证自动平衡系统的性能。
实施例2
本发明的另一种实施例如下：
首先将两个直线轴承安装到配重块8两侧的轴承孔内并用卡圈将其固定，然后将带有滚珠丝杆9的步进电机7依次穿过电机支架3和配重块8后将丝杆螺母固定在配重块8上，再将直线轴承的光杆穿过配重块8后通过轴用卡圈和螺栓固定在电机支架3上，最后使用螺栓将电机固定，组装完成的整体为电机组件12。将四组电机组件12和四组电机驱动器14互成90度安装于底盘2的相应位置上，所有的引线通过专用接头从底盘2的中心孔引出至滑环，滑环通过滑环支架5固定于底盘2上，最后将上盖10固定于外圈1上。将平衡装置安装于旋转轴端部并将滑环引线固定后，将所有引线连接至平衡装置控制系统对应位置并将传感器安装到位，最后对设备进行整机调试，以保证自动平衡系统的性能。
实施例3
本发明的又一种实施例如下：
首先将丝杆螺母固定于电机支架3上，两个直线轴承安装到配重块8两侧的轴承孔内并用卡圈将其固定，然后将带有滚珠丝杆9的步进电机7固定于配重块8上，将电机自身的重量和配重块8的重量之和作为配重，再将直线轴承的光杆穿过配重块8后通过轴用卡圈和螺栓固定在电机支架3上，组装完成的整体为电机组件12。将四组电机组件12和四组电机驱动器14互成90度安装于底盘2的相应位置上，所有的引线通过专用接头从底盘2的中心孔引出至滑环，滑环通过滑环支架5固定于底盘2上，最后将上盖10固定于外圈1上。将平衡装置安装于旋转轴端部并将滑环引线固定后，将所有引线连接至平衡装置控制系统对应位置并将传感器安装到位，最后对设备进行整机调试，以保证自动平衡系统的性能。

Claims (4)

1.一种具有自主调控能力的电机驱动式自动平衡系统，其特征在于：包括平衡装置控制系统、底盘(2)、滑环(6)、外圈(1)、上盖(10)、电机组件(12)和电机驱动器(14)；
所述的底盘(2)连接旋转轴和平衡装置，并对电机组件(12)起到支承和定位的作用，电机组件(12)通过内六角螺栓固定到底盘(2)上对应的位置；外圈(1)通过内六角螺栓固定在电机组件(12)外部作为电机组件(12)的保护罩；
所述的滑环(6)通过内六角螺栓固定在底盘(2)中心，滑环(6)分为动环和静环两部分，动环随平衡装置及旋转轴一起旋转，静环与底盘(2)相对静止，为平衡装置内部的电机和传感器的供电和信号传输提供线路转接；
所述的上盖(10)安装于外圈(1)上且用内六角螺栓固定，用以将平衡装置内部与外部环境隔离开；
所述的电机组件(12)包括电机支架(3)、线卡子(4)、步进电机(7)、配重块(8)、滚珠丝杆(9)、轴承(11)和直线轴承(13)；电机组件(12)通过内六角螺栓固定在底盘(2)上，三组电机组件(12)互成120度均布在底盘(2)的圆周上，直线轴承(13)为配重块(8)提供支撑和导向作用，步进电机(7)与滚珠丝杆(9)连接，通过步进电机(7)旋转带动滚珠丝杆(9)旋转，进而使配重块(8)沿滚珠丝杆(9)移动，其移动的距离能够精确计算得到，配重块(8)位于不同位置时能够产生不同的补偿不平衡力，配重块(8)的底部装有位置传感器且电机支架(3)的对应位置安装有限位装置，当配重块(8)到达极限位置时可及时停止；电机支架(3)的内壁安装有线卡子(4)；滚珠丝杆(9)的端部安装有轴承(11)，保证滚珠丝杆(9)同轴性。
2.根据权利要求1所述的一种具有自主调控能力的电机驱动式自动平衡系统，其特征在于：所述的电机驱动器(14)是与步进电机(7)配套的驱动设备，能够为步进电机(7)提供电源以及对电机步距角进行细分以提高位置精度，同时电机驱动器(14)还具有多种保护电路以保证电机的安全运转；电机驱动器(14)通过内六角螺栓固定在底盘(2)上。
3.根据权利要求1所述的一种具有自主调控能力的电机驱动式自动平衡系统，其特征在于：所述的平衡装置控制系统由可编程逻辑控制器(PLC)和配重块位置传感器构成；经过对PLC进行用户程序的编程后实现定义坐标原点、驱动步进电机(7)运转、监测配重块(8)当前位置、振动测量功能；当监测到设备的振动值高于所设定的标准时控制程序能够计算出三个配重块(8)应位于的位置，并驱动步进电机(7)使配重块沿径向移动到相应位置，无级调整。
4.根据权利要求1所述的一种具有自主调控能力的电机驱动式自动平衡系统，其特征在于：本系统的安装顺序如下：
1)电机组件(12)的安装动作过程包括：首先将两个直线轴承安装到配重块(8)两侧的轴承孔内并用卡圈将其固定，然后将带有滚珠丝杆(9)的步进电机(7)依次穿过电机支架(3)和配重块(8)后将丝杆螺母固定在配重块(8)上，再将直线轴承的光杆穿过配重块(8)后通过轴用卡圈和螺栓固定在电机支架(3)上，最后使用螺栓将电机固定；
2)自动平衡装置硬件部分的安装动作包括：将电机组件(12)、电机驱动器(14)和外圈(1)放置在底盘(2)的相应位置上并分别使用对应规格的内六角螺栓进行固定；所有的引线通过专用接头从底盘(2)的中心孔引出至滑环，滑环通过滑环动支架固定于底盘(2)上，最后将上盖(10)固定于外圈(1)上以保护平衡装置的内部结构；
3)将平衡装置安装于旋转轴端部并将滑环引线固定后，将所有引线连接至平衡装置控制系统对应位置并将传感器安装到位，至此整套平衡装置安装完成。
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