CN114264413A - 一种高精度一体化激光去重自动平衡装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于动平衡去重装置及方法领域，具体涉及一种高精度一体化激光去重自动平衡装置及方法。具有装备支撑机构、振动传递机构、振动检测机构、参考相位检测机构、自动对位机构和激光去重机构；所述装备支撑机构内设置有一个用于传递转子旋转时产生振动的振动传递机构，所述振动传递机构上固定有一个检测振动的振动检测机构和一个参考相位检测机构，所述振动传递机构上方设置有一个用于自动对位的自动对位机构，所述自动对位机构上设置有一个激光去重机构。本发明采用的激光去重方式属于无接触式去重，校正后转子内部不会出现内应力，可有效提高转子的工作性能和使用寿命。

Description

一种高精度一体化激光去重自动平衡装置及方法

技术领域

本发明属于动平衡去重装置及方法领域，具体涉及一种高精度一体化激光去重自动平衡装置及方法。

背景技术

机械的振动问题一直是旋转机械失效的主要原因之一，其中约有30％是因为转子的不平衡造成的。特别是近些年来，机械一直在朝着高速化、高精度和高可靠性等方向发展，解决旋转机械的不平衡问题显得尤为重要，高精度的动平衡装置及方法可以有效提升旋转设备的工作性能和使用寿命。

现有的动平衡去重校正方法，大多数采用钻削、铣削或磨削的方法，即在动平衡检测装置上检测出转子的不平衡矢量，并标记出转子不平衡半径和角度位置，然后在钻床、铣床或者磨床上进行去重，去重完成后再检测剩余不平衡量是否合格，需要经过多次重复检测和去重步骤后才能实现转子的动平衡。现有的去重校正方法存在以下缺陷：(1)采用钻削或铣削等传统机械加工方式去重，属于接触式加工，必然会使转子产生机械变形，从而在转子内部出现相应的内应力，降低转子的工作性能和使用寿命；(2)外部钻削或铣削去重方式难以计算转子的去重质量，往往需要多次重复检测和去重才能将转子的剩余不平衡量降低至合格范围，增加了辅助时间和操作人员的工作强度，平衡效率不高，并且由于去重和检测装置分离，多次去重带来的装夹误差无法避免，大大降低了平衡精度；(3)如采用检测和去重一体化的自动平衡去重装置，虽然避免了重复检测和去重以及装夹误差，提升了平衡效率，但受限于装置体积和重量，由于缺乏必要的硬件支撑，去重加工误差较大，导致平衡精度很难有效提升。

经过检索，中国专利申请公布号为C110940460A公开了一种微型涡喷发动机转子的超精密激光自动去重动平衡机，采用高压空气驱动，模拟转子整机运行状态，在微小校正面上实现精确的平衡校正，提高了平衡精度与平衡效率，但其校正方式为在转子侧面进行激光脉冲去重，对于部分盘类转子如叶片等在侧面去重会损坏零件的工作结构，只适用于宽径比较大的转子。

中国专利申请公布号为CN110091068A公开了一种用于电机转子动平衡后激光自动去重的装置及方法，利用颜色识别器来识别动平衡检测的圆周起点，检测后可控制PC根据提供的不平衡数据发送指令给自动对位系统和激光去重系统，实现了电机转子的一体化激光去重校正，具有装夹简单、精度易于控制等优点，然而其校正面为一圆周，激光去重方式为脉冲去重，去重精度不高，且容易破坏转子的表面质量，影响工作性能和使用寿命，另外转子必须提前做好标记颜色传感器才能识别出圆周起点，增加了工作强度。

中国专利公开号为CN101629865A公开了一种激光动平衡调整方法及其装置，通过传感器检测工件不平衡位置，激光穿过振镜系统和平场镜对不平衡位置进行激光切除，实现在高速运转的转子上进行在线校正，然而在工件旋转时对转子进行去重，难以控制其去重精度，并且转子高速旋转时一旦转速出现波动会改变激光去重位置，从而降低平衡效率。

近些年来随着激光加工技术的迅猛发展，相比传统的钻削、铣削等机械去重方式，激光去重利用高能量烧蚀实现材料去除，属于无接触式加工，特别适用于硬度大、熔点高的难加工材料，这是传统的去重方式难以实现的，并且激光去重效率高，材料内部不会出现内应力，易于实现检测与校正一体化的去重平衡装置。然而现有的激光去重平衡设备多采用脉冲打孔的方式，根据脉冲时间或脉冲个数来计算去重质量，去重精度不高，激光烧蚀后会留下残渣和毛刺，转子表面会出现翻边现象，容易破坏工件的表面质量，降低平衡质量。

因此，有必要设计一种高精度的一体化激光去重自动平衡装置，来克服以上缺陷。

发明内容

本发明旨在为解决上述现有动平衡技术存在的难点，克服多次重复往返检测与校正、平衡精度不高、平衡效率低下以及激光去重的破坏转子表面质量的缺陷，提供一种高精度一体化激光去重自动平衡装置及方法。

实现本发明目的的技术方案是：一种高精度一体化激光去重自动平衡装置，具有装备支撑机构、振动传递机构、振动检测机构、参考相位检测机构、自动对位机构和激光去重机构；所述装备支撑机构内设置有一个用于传递转子旋转时产生振动的振动传递机构，所述振动传递机构上固定有一个检测振动的振动检测机构和一个参考相位检测机构，所述振动传递机构上方设置有一个用于自动对位的自动对位机构，所述自动对位机构上设置有一个激光去重机构。

进一步的，所述装备支撑机构包括基座和固定在基座上的立柱；所述振动传递机构包括旋转轴、联轴器、轴承座、上连接板、下连接板、簧板、伺服电机、分度盘和电机连接板；所述轴承座安装在基座底部，所述上连接板安装在轴承座底部，所述下连接板安装在上连接板下方并通过四周若干根簧板固定相连，所述旋转轴、联轴器、伺服电机从上到下依次相连，所述旋转轴穿过基座上端面，并且固定有一个位于基座上方的分度盘，所述电机连接板设置在上连接板下方，并固定有伺服电机。

进一步的，所述振动检测机构包括依次固定在簧板外侧的传感器磁座、加速度传感器。

进一步的，所述参考相位检测机构包括设置在振动传递机构旁的光纤传感器和标记贴纸。所述标记贴纸贴于联轴器侧面上，以便光纤传感器检测实际转速。

进一步的，所述自动对位机构包括Y轴滑台模组，所述Y轴滑台模组安装在立柱侧面。

进一步的，所述激光去重机构包括激光光源、谐振腔、振镜、场镜、Z轴焦距升降模组和光路密封伸缩管；所述Z轴焦距升降模组安装在自动对位机构上，所述激光光源安装在Z轴焦距升降模组顶端，所述谐振腔安装在Z轴焦距升降模组侧面，并且通过光路密封伸缩管和激光光源末端连接，所述谐振腔旁设置有振镜，所述振镜下方设置有场镜。

一种采用用于盘类转子的一体化激光去重自动平衡装置的动平衡方法，包括以下步骤：

S1.动平衡标定：

S1.1.将标定转子放置于旋转轴上，启动装置，待转速稳定后对采集得到的加速度传感器测量信号进行相关处理，检测出初始振动响应为

，停止检测。

S1.2.在标定转子的特定角度添加试重

，再次启动装置，检测出添加试重后振动响应为

，停止检测。

S1.3.计算影响因子

，对于同一批转子只需标定一次即可，后续转子无需标定。

S2.不平衡量检测：

S2.1.将转子放置于旋转轴上，启动装置，检测转子振动响应为

，计算出转子不平衡质量

S2.2.若转子不平衡量大于许用不平衡量，则对转子进行激光去重校正，若转子不平衡量小于许用不平衡量，则判断转子合格，转子动平衡过程结束。

S3.激光去重：

S3.1.根据S2中计算出的不平衡质量信息，工控机控制伺服电机驱动转子旋转到特定角度，并控制所述Y轴滑台模组运动到转子去重半径位置。

S3.2.计算转子所需去重的不平衡质量m，再根据所述转子的密度计算出所需去除的圆孔半径和深度。

S3.3.驱动Z轴焦距升降模组运动到合适位置，以便激光能量聚焦在所述转子去重表面，启动激光光源，对所述转子进行激光去重，去重结束后关闭激光光源。

S3.4.对去重后转子再次进行不平衡量检测，若转子剩余不平衡量小于许用不平衡量，则判断转子合格，转子动平衡过程结束；反之重复进行S3，直至转子剩余不平衡量小于许用不平衡量。

转子转速稳定时同时采集所述光纤传感器和加速度传感器的测量数据，并以所述光纤传感器所测得的转速信号为基础，通过所述加速度传感器测得的振动信号解算出振动幅值和相位。

根据计算出的去除体积，控制振镜利用旋切法对转子进行分层打孔去重。

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

(1)本发明相较于传统的去重校正方式属于接触式加工，加工时转子会产生机械变形，从而使转子出现内应力，降低转子工作寿命。而本发明采用的激光去重方式属于无接触式去重，校正后转子内部不会出现内应力，可有效提高转子的工作性能和使用寿命。

(2)本发明集检测与校正于一体，避免了普通平衡机需要多次重复往返检测与校正，有效降低了劳动强度，提高了平衡效率，同时从根本上消除了多次装夹导致的误差，极大地提高了平衡精度。

(3)本发明采用的旋切法分层校正激光工艺，适用于熔点高、硬度大的难加工材料，相比于现有的脉冲去重方式，克服了去重精度不高，激光烧蚀后会留下残渣和毛刺，转子表面的翻边等缺陷，不会破坏工件的表面质量，有效提升了平衡质量和平衡后的转子使用寿命。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明振动传递机构结构示意图；

图3为本发明激光去重机构结构示意图；

图4为本发明操作流程图。

具体实施方式

实施例1

见图1和图2，本发明具有装备支撑机构1、振动传递机构2、振动检测机构3、参考相位检测机构4、自动对位机构5和激光去重机构6；装备支撑机构1内设置有一个用于传递转子旋转时产生振动的振动传递机构2，振动传递机构2上固定有一个检测振动的振动检测机构3和一个参考相位检测机构4，振动传递机构2上方设置有一个用于自动对位的自动对位机构5，自动对位机构5上设置有一个激光去重机构6。

装备支撑机构1包括基座11和固定在基座11上的立柱12；振动传递机构2包括旋转轴21、联轴器22、轴承座23、上连接板24、下连接板25、簧板26、伺服电机27、分度盘28和电机连接板29；轴承座23安装在基座11底部，上连接板24安装在轴承座23底部，下连接板25安装在上连接板24下方并通过四周四根簧板26固定相连，旋转轴21、联轴器22、伺服电机27从上到下依次相连，旋转轴21穿过基座11上端面，并且固定有一个位于基座11上方的分度盘28，电机连接板29设置在上连接板24下方，并固定有伺服电机27。轴承座23和旋转轴21底部之间设置有一个轴承。旋转轴21上安装固定有一个转子100，旋转轴21安装转子100的一段利用锥面来紧固转子100，旋转轴21分为两个部分，利用螺钉实现连接，下端与联轴器22连接，上端用来定位与夹紧转子100，且可根据不同尺寸的转子100来更换旋转轴21的上端。旋转轴21通过联轴器22由伺服电机27带动旋转，并可驱动转子100旋转到特定角度进行去重。分度盘28上刻有正反转两个方向的圆周角度，校正时，控制伺服电机驱动转子100旋转到特定角度，并控制Y轴滑台模组51运动到转子去重半径位置。

振动检测机构3包括依次固定在簧板26外侧的传感器磁座31、加速度传感器32。加速度传感器32利用压电效应检测所述簧板上26的振动，并将振动信息传输至外接的数据采集卡和计算机，数据采集卡和计算机集成于电机柜(未图示)中。

参考相位检测机构4包括设置在振动传递机构2旁的光纤传感器41和标记贴纸42。标记贴纸42贴于联轴器22侧面上，以便光纤传感器41检测实际转速。

见图3，自动对位机构5包括Y轴滑台模组51，Y轴滑台模组51安装在立柱12侧面。激光去重机构6包括激光光源61、谐振腔62、振镜63、场镜64、Z轴焦距升降模组65和光路密封伸缩管66；Z轴焦距升降模组65安装在自动对位机构5上，激光光源61安装在Z轴焦距升降模组65顶端，谐振腔62安装在Z轴焦距升降模组65侧面，并且通过光路密封伸缩管66和激光光源61末端连接，谐振腔62旁设置有振镜63，振镜63下方设置有场镜64。Z轴焦距升降模组65可以调节谐振腔62、振镜63和场镜64的上下位置。

实施例2

见图4，一种采用盘类转子的一体化激光去重自动平衡装置的动平衡方法，包括以下步骤：

S1.动平衡标定：

S1.1.将标定转子放置于旋转轴上，启动装置，待转速稳定后对采集得到的加速度传感器测量信号进行相关处理，检测出初始振动响应为

，停止检测。

S1.2.在标定转子的特定角度添加试重

，再次启动装置，检测出添加试重后振动响应为

，停止检测。

S1.3.计算影响因子

，对于同一批转子只需标定一次即可，后续转子无需标定。

S2.不平衡量检测：

S2.1.将转子放置于旋转轴上，启动装置，检测转子振动响应为

，计算出转子不平衡质量

S2.2.若转子不平衡量大于许用不平衡量，则对转子进行激光去重校正，若转子不平衡量小于许用不平衡量，则判断转子合格，转子动平衡过程结束。

S3.激光去重：

S3.1.根据S2中计算出的不平衡质量信息，工控机控制伺服电机驱动转子旋转到特定角度，并控制所述Y轴滑台模组运动到转子去重半径位置。

S3.2.计算转子所需去重的不平衡质量m，再根据所述转子的密度计算出所需去除的圆孔半径和深度。

S3.3.驱动Z轴焦距升降模组运动到合适位置，以便激光能量聚焦在所述转子去重表面，启动激光光源，对所述转子进行激光去重，去重结束后关闭激光光源。

S3.4.对去重后转子再次进行不平衡量检测，若转子剩余不平衡量小于许用不平衡量，则判断转子合格，转子动平衡过程结束；反之重复进行S3，直至转子剩余不平衡量小于许用不平衡量。

转子转速稳定时同时采集所述光纤传感器和加速度传感器的测量数据，并以所述光纤传感器所测得的转速信号为基础，通过所述加速度传感器测得的振动信号解算出振动幅值和相位。

根据计算出的去除体积，控制振镜利用旋切法对转子进行分层打孔去重。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高精度一体化激光去重自动平衡装置，其特征在于：具有装备支撑机构(1)、振动传递机构(2)、振动检测机构(3)、参考相位检测机构(4)、自动对位机构(5)和激光去重机构(6)；所述装备支撑机构(1)内设置有一个用于传递转子旋转时产生振动的振动传递机构(2)，所述振动传递机构(2)上固定有一个检测振动的振动检测机构(3)和一个参考相位检测机构(4)，所述振动传递机构(2)上方设置有一个用于自动对位的自动对位机构(5)，所述自动对位机构(5)上设置有一个激光去重机构(6)。

2.根据权利要求1所述的高精度一体化激光去重自动平衡装置，其特征在于：所述装备支撑机构(1)包括基座(11)和固定在基座(11)上的立柱(12)；所述振动传递机构(2)包括旋转轴(21)、联轴器(22)、轴承座(23)、上连接板(24)、下连接板(25)、簧板(26)、伺服电机(27)、分度盘(28)和电机连接板(29)；所述轴承座(23)安装在基座(11)底部，所述上连接板(24)安装在轴承座(23)底部，所述下连接板(25)安装在上连接板(24)下方并通过四周若干根簧板(26)固定相连，所述旋转轴(21)、联轴器(22)、伺服电机(27)从上到下依次相连，所述旋转轴(21)穿过基座(11)上端面，并且固定有一个位于基座(11)上方的分度盘(28)，所述电机连接板(29)设置在上连接板(24)下方，并固定有伺服电机(27)。

3.根据权利要求2所述的高精度一体化激光去重自动平衡装置，其特征在于：所述振动检测机构(3)包括依次固定在簧板(26)外侧的传感器磁座(31)、加速度传感器(32)。

4.根据权利要求2所述的高精度一体化激光去重自动平衡装置，其特征在于：所述参考相位检测机构(4)包括设置在振动传递机构(2)旁的光纤传感器(41)和标记贴纸(42)，所述标记贴纸(42)贴于联轴器(22)侧面上，以便光纤传感器(41)检测实际转速。

5.根据权利要求2所述的高精度一体化激光去重自动平衡装置，其特征在于：所述自动对位机构(5)包括Y轴滑台模组(51)，所述Y轴滑台模组(51)安装在立柱(12)侧面。

6.根据权利要求1所述的高精度一体化激光去重自动平衡装置，其特征在于：所述激光去重机构(6)包括激光光源(61)、谐振腔(62)、振镜(63)、场镜(64)、Z轴焦距升降模组(65)和光路密封伸缩管(66)；所述Z轴焦距升降模组(65)安装在自动对位机构(5)上，所述激光光源(61)安装在Z轴焦距升降模组(65)顶端，所述谐振腔(62)安装在Z轴焦距升降模组(65)侧面，并且通过光路密封伸缩管(66)和激光光源(61)末端连接，所述谐振腔(62)旁设置有振镜(63)，所述振镜(63)下方设置有场镜(64)。

7.一种采用权利要求1所述的用于盘类转子的一体化激光去重自动平衡装置的动平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.动平衡标定：

S1.1.将标定转子放置于旋转轴上，启动装置，待转速稳定后对采集得到的加速度传感器测量信号进行相关处理，检测出初始振动响应为

停止检测；

S1.2.在标定转子的特定角度添加试重

再次启动装置，检测出添加试重后振动响应为

停止检测；

S1.3.计算影响因子

对于同一批转子只需标定一次即可，后续转子无需标定；

S2.不平衡量检测：

S2.1.将转子放置于旋转轴上，启动装置，检测转子振动响应为

计算出转子不平衡质量

S2.2.若转子不平衡量大于许用不平衡量，则对转子进行激光去重校正，若转子不平衡量小于许用不平衡量，则判断转子合格，转子动平衡过程结束；

S3.激光去重：

S3.1.根据S2中计算出的不平衡质量信息，工控机控制伺服电机驱动转子旋转到特定角度，并控制所述Y轴滑台模组运动到转子去重半径位置；

S3.2.计算转子所需去重的不平衡质量m，再根据所述转子的密度计算出所需去除的圆孔半径和深度；

S3.3.驱动Z轴焦距升降模组运动到合适位置，以便激光能量聚焦在所述转子去重表面，启动激光光源，对所述转子进行激光去重，去重结束后关闭激光光源；

S3.4.对去重后转子再次进行不平衡量检测，若转子剩余不平衡量小于许用不平衡量，则判断转子合格，转子动平衡过程结束；反之重复进行S3，直至转子剩余不平衡量小于许用不平衡量；

转子转速稳定时同时采集所述光纤传感器和加速度传感器的测量数据，并以所述光纤传感器所测得的转速信号为基础，通过所述加速度传感器测得的振动信号解算出振动幅值和相位；

根据计算出的去除体积，控制振镜利用旋切法对转子进行分层打孔去重。

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