CN111168244B - 一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统 - Google Patents

Abstract

一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统，包括超高速柔性主轴，超高速柔性主轴支撑在主轴夹具上，超高速柔性主轴的两端安装有不平衡去重盘，每个不平衡去重盘旁边配合有一个激光在线去重系统，两个激光在线去重系统和一个测控系统连接，激光在线去重系统实现上下和左右两个方向的位置调整以及去重激光器两个方向的旋转运动调姿，测控系统实现复杂工况条件下振动信号的采集与精确提取、激光去重系统位置与去重激光器姿态调整控制、激光脉冲发射控制以及人机交互的功能；本发明结合激光快速去除技术，实现了超高速柔性转子旋转状态下的不平衡测试与自动去重功能，节约了人工成本，大大提高了平衡效率。

Description

一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统

技术领域

本发明涉及高速转子动平衡技术领域，具体涉及一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统。

背景技术

随着科技的进步与发展，机械设备的自动化程度在不断提升，功能也在日益增多，同时机械设备的结构也变得越来越复杂，如果发生故障，其拆卸与维修成本以及影响生产等将给企业造成很大的损失，所以人们都希望设备能够长时间稳定运行，最大的发挥其生产能力；这就需要能够准确的掌握机械设备的运行状态，并及时高效的进行故障抑制。而旋转机械在我们现在机械领域占据了很大的比例，旋转机械有60％的故障是由不平衡引起的，如何高效高精度的进行不平衡量检测与动平衡处理具有很重要的工业价值。

离线平衡技术需要对转子进行拆卸，不但耗时耗力，而且还无法平衡由于安装误差、工作过程中的离心膨胀等因素造成的不平衡振动；现场平衡主要依靠动平衡仪实现，动平衡仪具有数据采集、频谱分析等功能，通过影响系数法、模态平衡法等方法对主轴转子的不平衡量进行辨识，可以减少拆装转子的劳动量，同时由于试验的状态与实际工作状态一致，平衡完成后不需要再装配等工序，能够获得更高的平衡精度。但是现场平衡需要通过手动方式进行校正，在平衡过程中也需要一定次数的启停机，影响生产效率，另外传统的人工矫正方法不能保证很高的精度，接触式的去重方式所用的钻头等刀具去重时会对转子产生机械作用力，可能会造成变形或损伤等不利影响。

随着激光快速去除技术得到越来越广泛的应用，激光加工作为一种非接触式的加工手段，对材料进行去除时不仅不会产生机械力，而且去除精度高，激光脉冲作用时间短，能对旋转状态下的物体进行指定位置精密切除，高速柔性转子工作在越阶范围内，在动平衡时就特别需要超高精度的去重，激光去重在此就表现出了极大的优势，但是目前还没有相关文献公开。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统，结合激光快速去除技术，实现了超高速柔性转子旋转状态下的不平衡测试与自动去重功能，节约了人工成本，大大提高了平衡效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统，包括超高速柔性主轴14，超高速柔性主轴14支撑在主轴夹具13上，超高速柔性主轴14的两端安装有不平衡去重盘12，每个不平衡去重盘12旁边配合有一个激光在线去重系统，两个激光在线去重系统和一个测控系统连接，激光在线去重系统实现上下和左右两个方向的位置调整以及去重激光器两个方向的旋转运动调姿，测控系统实现复杂工况条件下振动信号的采集与精确提取、激光去重系统位置与去重激光器姿态调整控制、激光脉冲发射控制以及人机交互的功能。

所述的不平衡去重盘12通过锁紧螺母被安装在超高速柔性主轴14两端，不平衡去重盘12中间所开的安装孔1203为锥形孔，与超高速柔性主轴14两端的短锥面相互配合实现安装定位；不平衡去重盘12端面被均匀划分成四等份，每等份的去重区域1202设置在不同的半径范围内，其余区域为非去重部位，全部涂上反光材料1201；不平衡去重盘12上设有区域标记点1204，用作不平衡零相位参考点。

所述的激光去重系统包括去重激光器9，去重激光器9安装在激光器支架10上，激光器支架10通过支架安装轴3安装在摆头支架11上，摆头支架11固定于导轨滑块副2上，导轨滑块副2连接在丝杠导轨副1上；激光器支架10一个侧面安装有一个调姿电机一4，摆头支架11内部安装有调姿电机二16，调姿电机二16和支架安装轴3连接，调姿电机一4和激光器5外壳的转轴连接，调姿电机一4、调姿电机二16用以调整去重激光器9和激光器支架10的角度，实现两个方向的旋转摆动调整，使用光电传感器实现调姿基准确定。

所述的测控系统包括安装在主轴夹具13上的振动传感器8，振动传感器8的输出通过信号接收器6-1、数据采集卡6-2和上位机6-3的输入连接，上位机6-3通过运动控制卡6-4控制激光去重系统的位置；上位机6-3通过数字控制卡6-5控制去重激光器9进行去重工作。

所述的信号接收器6-1、数据采集卡6-2、上位机6-3、运动控制卡6-4与数字控制卡6-5集成在测控集成箱6内，上位机6-3中集成有无试重不平衡矢量解算方法、在线平衡去重切除轨迹规划算法及运动控制算法的软件执行程序。

所述的振动传感器8为无线振动传感器，振动传感器8通过无线发射器7和信号调理接收器6-1实现数据传输，信号传输所用的通讯技术为5G传输技术。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

本发明通过两个激光在线去重系统和一个测控系统实现了超高速柔性转子旋转状态下的不平衡测试与自动去重功能，节约了人工成本，大大提高了平衡效率，解决了超高速柔性主轴14工作转速下难平衡的问题，另外激光加工可以通过脉冲能量的调整来控制单位去重量，能获得很高的平衡精度。

本发明激光去除对象为不平衡去重盘12，所进行的去重不对高速柔性主轴表面产生任何破坏；另外激光加工属于非接触加工，加工过程中不产生任何的机械力，不会对超高速柔性主轴14机械特性造成任何影响，不平衡去重盘12还可以进行定期更换，可以有效的增加超高速柔性主轴14寿命，大大节约生产消耗成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明不平衡去重盘12的示意图。

图3为本发明去重激光器9的安装示意图。

图4为本发明测控集成箱6内部组成的示意图。

具体实施方式

参照图1、图2、图3和图4，一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统，包括超高速柔性主轴14，超高速柔性主轴14支撑在主轴夹具13上，超高速柔性主轴14的两端安装有不平衡去重盘12，超高速柔性主轴14高速旋转下，通过激光器对不平衡去重盘12不同相位去重区域1202的材料精确去除实现整个主轴系统的质量调整，完成不平衡质量补偿工作,不平衡去重盘12作为去重对象，避免了直接在超高速柔性主轴14上进行去重；每个不平衡去重盘12旁边配合有一个激光在线去重系统，两个激光在线去重系统和一个测控系统连接；为了满足激光去重系统的位置需求，激光在线去重系统通过摆头机构实现激光器两个方向的旋转运动调姿，整个摆头机构通过丝杠滑块副与丝杠导轨副实现整体上下和左右两个方向的位置调整；测控系统包括振动传感器8以及拥有信号接收、信号采集处理、控制与界面显示功能的测控集成箱6，实现复杂工况条件下主轴振动信号的采集与不平衡特性的精确提取、主轴不平衡质量等效计算与去重轨迹规划、激光去重系统位置与去重激光器姿态调整控制、激光脉冲发射控制以及人机交互的功能。

参照图2，所述的不平衡去重盘12中间所开的安装孔1203为锥形孔，与超高速柔性主轴14两端的短锥面相互配合实现安装定位，通过锁紧螺母加以固定；为了控制不平衡去重盘12端面的激光去除轨迹，保证去重位置精确且易控制，不平衡去重盘12端面被均匀划分成四等份，每等份的去重区域1202设置在不同的半径范围内，其余区域为非去重部位，全部涂上反光材料1201，保证在指定位置去除过程中对其余相位不产生任何影响；不平衡去重盘12上设有区域标记点1204，用作不平衡零相位参考点。

参照图3，所述的激光去重系统包括去重激光器9，去重激光器9安装在激光器支架10上，激光器支架10通过支架安装轴3安装在摆头支架11上，摆头支架11固定于导轨滑块副2上，导轨滑块副2连接在丝杠导轨副1上；激光器支架10一个侧面安装有一个调姿电机一4，激光器支架10另一个侧面安装有调姿电机一4，调姿电机一4、摆头支架11内部安装有调姿电机16，调姿电机二16和支架安装轴3连接，实现激光器支架10的旋转；调姿电机一4和激光器外壳5的转轴连接，实现去重激光器9的摆动调整；调姿电机一4、调姿电机二16用以调整去重激光器9和激光器支架10的角度；使用光电传感器实现调姿基准确定。为了满足激光去重需要，所述的去重激光器9为大功率脉冲型激光器。

参照图4，所述的测控系统包括安装在主轴夹具13上的振动传感器8，振动传感器8的输出通过信号接收器6-1、数据采集卡6-2和上位机6-3的输入连接，上位机6-3通过运动控制卡6-4控制激光去重系统的位置，上位机6-3通过数字控制卡6-5控制去重激光器9进行去重工作。

所述的信号接收器6-1、数据采集卡6-2、上位机6-3、运动控制卡6-4与数字控制卡6-5集成在测控集成箱6内；为了准确提取振动信息、精确实现不平衡去重，上位机6-3中集成有无试重不平衡矢量解算方法、在线平衡去重切除轨迹规划算法及运动控制算法的软件执行程序；上位机6-3中还包含人机交互界面，在测控集成箱6的屏幕上显示出来，以便操作人员实时观察振动信息以及进行动平衡执行操作。

所述的振动传感器8为无线振动传感器，振动传感器8通过无线发射器7和信号调理接收器6-1实现数据传输，信号传输所用的通讯技术为5G传输技术，用以提高信号的传输速度，增加传输效率。

本发明的工作原理为：

首先将不平衡去重盘12的锥形安装孔1203套在超高速柔性主轴14两端的短锥面上，并用锁紧螺母锁紧，保证超高速柔性主轴14在旋转时不平衡去重盘12随超高速柔性主轴14同步旋转；超高速柔性主轴14在旋转中，通过测控系统对其振动状态进行实时检测，当超高速柔性主轴14的振动超过预设指标时，通过无试重不平衡矢量解算方法计算得到不平衡量的大小及相位，通过在线平衡去重切除轨迹规划算法计算得到去重方案，再通过运动控制算法程序驱动运动控制卡6-4，控制去重激光器9到达精确位置和调整到准确姿态，数字控制卡6-5控制去重激光器9脉冲发射，完成不平衡去重加工工作；动平衡工作完成，将去重激光器9位置移向远离超超高速柔性主轴14工作区位置，留下生产加工操作空间，调整去重激光器9姿态让激光发射探头处于最安全的方位，防止超高速柔性主轴14工作过程中生产产生的费屑等损伤去重激光器9。

Claims (6)

1.一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统，包括超高速柔性主轴(14)，超高速柔性主轴(14)支撑在主轴夹具(13)上，其特征在于：超高速柔性主轴(14)的两端安装有不平衡去重盘(12)，超高速柔性主轴(14)高速旋转下，通过激光器对不平衡去重盘(12)不同相位去重区域(1202)的材料精确去除实现整个主轴系统的质量调整，完成不平衡质量补偿工作；每个不平衡去重盘(12)旁边配合有一个激光在线去重系统，两个激光在线去重系统和一个测控系统连接；激光在线去重系统通过摆头机构实现激光器两个方向的旋转运动调姿，整个摆头机构通过丝杠滑块副与丝杠导轨副实现整体上下和左右两个方向的位置调整；测控系统包括振动传感器(8)以及拥有信号接收、信号采集处理、控制与界面显示功能的测控集成箱(6)，实现复杂工况条件下主轴振动信号的采集与不平衡特性的精确提取、主轴不平衡质量等效计算与去重轨迹规划、激光去重系统位置与去重激光器姿态调整控制、激光脉冲发射控制以及人机交互的功能。

2.根据权利要求1所述的一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统，其特征在于：所述的不平衡去重盘(12)通过锁紧螺母被安装在超高速柔性主轴(14)两端，不平衡去重盘(12)中间所开的安装孔(1203)为锥形孔，与超高速柔性主轴(14)两端的短锥面相互配合实现安装定位；不平衡去重盘(12)端面被均匀划分成四等份，每等份的去重区域(1202)设置在不同的半径范围内，其余区域为非去重部位，全部涂上反光材料(1201)；不平衡去重盘(12)上设有区域标记点(1204)，用作不平衡零相位参考点。

3.根据权利要求1所述的一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统，其特征在于：所述的激光去重系统包括去重激光器(9)，去重激光器(9)安装在激光器支架(10)上，激光器支架(10)通过支架安装轴(3)安装在摆头支架(11)上，摆头支架(11)固定于导轨滑块副(2)上，导轨滑块副(2)连接在丝杠导轨副1上；激光器支架(10)一个侧面安装有一个调姿电机一(4)，摆头支架(11)内部安装有调姿电机二(16)，调姿电机二(16)和支架安装轴(3)连接，调姿电机一(4)和激光器(5)外壳的转轴连接，调姿电机二(16)、调姿电机一(4)分别用以调整激光器支架(10)和去重激光器(9)的角度，实现两个方向的旋转摆动调整，使用光电传感器实现调姿基准确定。

4.根据权利要求1所述的一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统，其特征在于：所述的测控系统包括安装在主轴夹具(13)上的振动传感器(8)，振动传感器(8)的输出通过信号接收器(6-1)、数据采集卡(6-2)和上位机(6-3)的输入连接，上位机(6-3)通过运动控制卡(6-4)即控制激光去重系统的位置；上位机(6-3)通过数字控制卡(6-5)控制去重激光器(9)进行去重工作。

5.根据权利要求4所述的一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统，其特征在于：所述的信号接收器(6-1)、数据采集卡(6-2)、上位机(6-3)、运动控制卡(6-4)与数字控制卡(6-5)集成在测控集成箱(6)内，上位机(6-3)中集成有无试重不平衡矢量解算方法、在线平衡去重切除轨迹规划算法及运动控制算法的软件执行程序。

6.根据权利要求4所述的一种超精密柔性转子双面在线去重动平衡系统，其特征在于：所述的振动传感器(8)为无线振动传感器，振动传感器(8)通过无线发射器(7)和信号调理接收器(6-1)实现数据传输，信号传输所用的通讯技术为5G传输技术。

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