CN116079237A - 一种激光去重平衡机精确去除质量的装置及误差补偿方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光去重平衡机精确去除质量的装置及误差补偿方法，包括机架、大理石支撑机构、激光去重机构、精密定位机构、转子支撑机构和信号采集机构，机架顶部安装有大理石支撑机构，大理石支撑机构上固定有精密定位机构，精密定位机构通过一连接板与激光去重机构连接，激光去重机构随精密定位机构水平移动和垂直升降移动；机架上连接有转子支撑机构，转子支撑机构上连接有信号采集机构；本发明能够准确去除转子的不平衡量，无需多次重复检测去重，提高了转子的平衡精度和效率。

Description

一种激光去重平衡机精确去除质量的装置及误差补偿方法
技术领域
本发明涉及激光去重平衡机技术领域，特别涉及一种激光去重平衡机精确去除质量的装置及误差补偿方法。
背景技术
随着机械转子逐渐向着高转速、高精度、高可靠性等方向发展，转子不平衡导致过大的振动会严重影响机械的工作性能和使用寿命，故动平衡是很多精密转子整机装配前的一个重要工艺环节，现有的动平衡工艺大多是由平衡装置标识出不平衡位置，然后人工进行去重，无法准确估算实际去除的质量，往往需要多次进行检测-去重，平衡精度很大程度上受工人熟练度所影响，劳动强度较大，效率低下。
现在市面上也有一些集检测与去重一体的动平衡机，虽然可以对工件进行精准去重，然而这些装置大多采用钻铣磨等传统去重方式，这些方式均属于接触式加工，去重过程容易使工件出现变形，边缘处的接触应力会影响转子的工作性能；而激光去重属于非接触式加工，其具有易于实现自动化、易于精确控制、加工过程无变形等优点，有助于提高机械转子的平衡精度和平衡效率。
经过检索，中国专利(公开号CN 112129458 A)公开了一种实现激光去重平衡机精确去重量的试验装置及方法，针对激光去重时偏焦造成的激光去除质量不稳定和误差现象，利用多次实验取平均值精确计算出激光去除的质量后编制模板，提高了激光去除质量的精确性和稳定性；但是其对转子进行动平衡时激光去除圆孔存在锥度，从而无法精准控制去除质量。
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激光去重平衡机精确去除质量的装置及误差补偿方法，能够准确去除转子的不平衡量，无需多次重复检测去重，提高了转子的平衡精度和效率。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
一种激光去重平衡机精确去除质量的装置，包括机架6、大理石支撑机构、激光去重机构3、精密定位机构2、转子支撑机构4和信号采集机构5，机架6顶部安装有大理石支撑机构，大理石支撑机构上固定有精密定位机构2，精密定位机构2通过一连接板与激光去重机构3连接，激光去重机构3随精密定位机构2水平移动和垂直升降移动；机架6上连接有转子支撑机构4，转子支撑机构4上连接有信号采集机构5。
所述大理石支撑机构包括大理石底座10及其上连接的大理石立柱8，精密定位机构2固定安装于大理石立柱8上，精密定位机构2包括水平直线电机模组9和垂直丝杆电机模组7，水平直线电机模组9实现激光去重机构3的水平定位，垂直丝杆电机模组7通过升降调节激光去重机构3的聚焦平面。
所述激光去重机构3包括激光器17，激光器17固定在机架6底部，激光从激光器17向上经光纤传输至激光隔离器输出头11，并经过反射镜组改变方向依次穿过同轴相机模组12、振镜13和场镜15，最终到达工件20待去除位置；振镜13控制激光在工件20不平衡位置上分层切除一圆形盲孔，实现对工件20的去重平衡，同轴相机模组12观察激光去重后的工件表面质量，离子风枪14吹去材料烧蚀后的残渣，集尘装置16固定在大理石底座10上，收集材料烧蚀后的残渣。
所述转子支撑机构4包括电主轴25，电主轴25固定连接于机架6上，电主轴25上连接有传感器支撑件23，电主轴25通过刀柄21和主轴18驱动工件20旋转。
所述电主轴25伸出端为一刀柄接口，与刀柄21连接，刀柄21能够夹紧不同主轴18实现对不同工件20的驱动旋转，主轴18上连接的压紧螺母19能将工件20压紧避免其在旋转过程中移动。
所述信号采集机构5包括振动传感器24和转速传感器22，转速传感器22连接固定于传感器支撑件23上，工件20由于不平衡产生的振动经主轴18、刀柄21、电主轴25传递至支撑轴承外圈；振动传感器24固定于电主轴25的支撑轴承外圈，振动传感器24和转速传感器22采集得到的信号经过计算机进行数据处理，解算出转子的不平衡量.
利用一种激光去重平衡机精确去除质量的装置的误差补偿方法，包括以下步骤：
步骤一、划分半径范围：根据转子的不平衡质量的范围，固定一个去重深度l，并将所要去除的盲孔半径根据密度体积计算公式划分为不同区段，d1-d0,d2-d1,…dn-dn-1，各区段范围相等，即s＝d1-d0＝d2-d1＝…＝dn-dn-1；
步骤二、激光去重：选取第一区段的半径值d0,d1，去重深度为l，根据材料密度计算出理论去除质量分别为m0,m1，利用激光去重机构3去除材料，去重完成后测量实际去除质量分别为m'0,m1'，最后根据公式
Figure BDA0003894786650000031
计算出相对去除质量误差为η0,η1，若两者相对误差均满足要求，即η0,η1均小于要求最小相对误差ηp，进行步骤四操作；反之，则进行步骤三操作；
步骤三、误差补偿：
(1)依照步骤二相对误差对所要去除的盲孔半径进行补偿，根据误差补偿公式
Figure BDA0003894786650000032
计算出补偿后去除理论质量的材料所需加工盲孔半径为d′0,d′1；
(2)依照计算出的半径d′0,d′1对材料进行激光去除质量，测量实际去除质量后计算出与理论去除质量的相对误差，若相对误差不满足要求，则将d′0,d′1作为补偿前的半径根据误差补偿公式重新计算出补偿后的半径d″0,d″1，再次进行去除质量后重新计算相对误差，若仍然不满足要求，重复该操作直到相对误差小于ηp，并记补偿后的实际去除半径为
Figure BDA0003894786650000033
步骤四、选取半径区段的中点
Figure BDA0003894786650000034
作为半径计算出理论去除质量mf，并根据满足要求的补偿后的实际去除半径d′0,d′1计算出这一区段中点所对应的实际去除半径
Figure BDA0003894786650000035
去除质量后得到相对误差ηf，若ηf小于ηp，则满足要求，则该区段内的去除半径根据公式
Figure BDA0003894786650000036
计算出实际去除半径，并进行下一半径区段的误差补偿，反之，以中点df为端点，将该区段一分为二，重新划分后的半径区段为df-d0,d1-df,d2-d1…dn-dn-1，对该半径区段重复上述操作重新进行半径补偿。
转子进行动平衡时，信号采集机构5在动平衡检测时采集振动和转速信号，并解算出转子不平衡量和相位，根据误差补偿方法计算出实际去除半径，通过精密定位机构2将振镜13移动到不平衡位置，进行激光去重后可使转子达到要求的平衡精度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明的激光去重平衡机由电主轴驱动，在提高机械转子平衡转速的同时，还可实现准停功能，集检测与去重一体，无需人工去重，减少了操作强度，消除了人为因素造成了误差；
2.本发明提供的精确去除质量的装置及误差补偿方法，可以改善激光去除质量时盲孔锥度等问题造成的无法准确定量去除不平衡量，提高了激光去重的准确性和稳定性，有利于平衡精度等级的提升。
附图说明
图1为本发明装置的总体结构图。
图2是本发明装置的正视图。
图3是本发明装置转子支撑结构的结构图。
图4是本发明误差补偿方法的流程图。
具体实施方式
下面结合图并通过实施例对本发明作进一步详述。
参照图1，一种激光去重平衡机精确去除质量的装置，包括机架6、大理石支撑机构、激光去重机构3、精密定位机构2、转子支撑机构4和信号采集机构5，机架6顶部安装有大理石支撑机构，大理石支撑机构1上固定有精密定位机构2，精密定位机构2通过一连接板与激光去重机构3连接，激光去重机构3随精密定位机构2水平移动和垂直升降移动；机架6上连接有转子支撑机构4，转子支撑机构4上连接有信号采集机构5。
参照图1，所述大理石支撑机构包括大理石底座10及其上连接的大理石立柱8，精密定位机构2固定安装于大理石立柱8上，精密定位机构2包括水平直线电机模组9和垂直丝杆电机模组7，水平直线电机模组9实现激光去重机构3的水平定位，垂直丝杆电机模组7通过升降调节激光去重机构3的聚焦平面。
参照图2，所述激光去重机构3包括激光隔离器输出头11、激光器17、同轴相机模组12、振镜13、场镜15、集尘装置16和离子风枪14；激光器17固定在机架6底部，激光从激光器17向上经光纤传输至激光隔离器输出头11，并经过反射镜组改变方向依次穿过同轴相机模组12、振镜13和场镜15，最终到达工件20待去除位置；振镜13控制激光在工件20不平衡位置上分层切除一圆形盲孔，实现对工件20的去重平衡，同轴相机模组12观察激光去重后的工件表面质量，离子风枪14吹去材料烧蚀后的残渣，避免影响后续激光去重；集尘装置16固定在大理石底座10上，收集材料烧蚀后的残渣。
参照图3，所述转子支撑机构4包括电主轴25、刀柄21、主轴18和压紧螺母19，电主轴25固定连接于机架6上，电主轴25上连接有传感器支撑件23，电主轴25通过刀柄21和主轴18驱动工件20旋转，电主轴25伸出端为一刀柄接口，可与刀柄21连接，刀柄21可以夹紧不同主轴18实现对不同工件20的驱动旋转，主轴18上连接的压紧螺母19可将工件20压紧避免其在旋转过程中移动。
参照图3，所述信号采集机构5包括振动传感器24和转速传感器22，转速传感器22通过螺纹连接固定于传感器支撑件23上，工件20由于不平衡产生的振动经主轴18、刀柄21、电主轴25传递至支撑轴承外圈；电主轴25外壳上有一圆孔，振动传感器24穿过这一圆孔固定于电主轴25的支撑轴承外圈，振动传感器24和转速传感器22采集得到的信号经过计算机进行数据处理，解算出转子的不平衡量.
参照图4，利用一种激光去重平衡机精确去除质量的装置的误差补偿方法，包括以下步骤：
步骤一、划分半径范围：根据转子的不平衡质量的大致范围，固定一个合理的去重深度l，并将所要去除的盲孔半径根据密度体积计算公式划分为不同区段，d1-d0,d2-d1,…dn-dn-1，各区段范围相等，即s＝d1-d0＝d2-d1＝-＝dn-dn-1；
步骤二、激光去重：根据步骤一所划分的半径区段，选取第一区段的半径值d0,d1，去重深度为l，根据材料密度计算出理论去除质量分别为m0,m1，利用激光去重机构3去除材料，去重完成后测量实际去除质量分别为m'0,m1'，最后根据公式
Figure BDA0003894786650000061
计算出相对去除质量误差为η0,η1，若两者相对误差均满足要求，即η0,η1均小于要求最小相对误差ηp，进行步骤四操作；反之，则进行步骤三操作；
步骤三、误差补偿：
(1)依照步骤二相对误差对所要去除的盲孔半径进行补偿，一般而言，所去除的实际质量要小于理论质量，故根据误差补偿公式
Figure BDA0003894786650000062
计算出补偿后去除理论质量的材料所需加工盲孔半径为d′0,d′1；
(2)依照计算出的半径d′0,d′1对材料进行激光去除质量，测量实际去除质量后计算出与理论去除质量的相对误差，若相对误差不满足要求，则将d′0,d′1作为补偿前的半径根据误差补偿公式重新计算出补偿后的半径d″0,d″1，再次进行去除质量后重新计算相对误差，若仍然不满足要求，重复该操作直到相对误差小于ηp，并记补偿后的实际去除半径为
Figure BDA0003894786650000063
步骤四、选取半径区段的中点
Figure BDA0003894786650000064
作为半径计算出理论去除质量mf，并根据满足要求的补偿后的实际去除半径d′0,d′1计算出这一区段中点所对应的实际去除半径
Figure BDA0003894786650000065
去除质量后得到相对误差ηf，若ηf小于ηp，则满足要求，则该区段内的去除半径可根据公式
Figure BDA0003894786650000066
计算出实际去除半径，并进行下一半径区段的误差补偿，反之，以中点df为端点，将该区段一分为二，重新划分后的半径区段为df-d0,d1-df,d2-d1…dn-dn-1，对该半径区段重复上述操作重新进行半径补偿。
转子进行动平衡时，信号采集机构5在动平衡检测时采集振动和转速信号，并解算出转子不平衡量和相位，根据误差补偿方法计算出实际去除半径，通过精密定位机构2将振镜13移动到不平衡位置，进行激光去重后可使转子达到要求的平衡精度。

Claims (8)

1.一种激光去重平衡机精确去除质量的装置，其特征在于：包括机架(6)、大理石支撑机构、激光去重机构(3)、精密定位机构(2)、转子支撑机构(4)和信号采集机构(5)，机架(6)顶部安装有大理石支撑机构，大理石支撑机构上固定有精密定位机构(2)，精密定位机构(2)通过一连接板与激光去重机构(3)连接，激光去重机构(3)随精密定位机构(2)水平移动和垂直升降移动；机架(6)上连接有转子支撑机构(4)，转子支撑机构(4)上连接有信号采集机构(5)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述大理石支撑机构包括大理石底座(10)及其上连接的大理石立柱(8)，精密定位机构(2)固定安装于大理石立柱(8)上，精密定位机构(2)包括水平直线电机模组(9)和垂直丝杆电机模组(7)，水平直线电机模组(9)实现激光去重机构(3)的水平定位，垂直丝杆电机模组(7)通过升降调节激光去重机构(3)的聚焦平面。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述激光去重机构(3)包括激光器(17)，激光器(17)固定在机架(6)上，激光从激光器(17)经光纤传输至激光隔离器输出头(11)，并经过反射镜组改变方向依次穿过同轴相机模组(12)、振镜(13)和场镜(15)，最终到达工件(20)待去除位置；振镜(13)控制激光在工件(20)不平衡位置上分层切除一圆形盲孔，实现对工件(20)的去重平衡，同轴相机模组(12)观察激光去重后的工件表面质量，离子风枪(14)吹去材料烧蚀后的残渣，集尘装置(16)固定在大理石底座(10)上，收集材料烧蚀后的残渣。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述转子支撑机构(4)包括电主轴(25)，电主轴(25)固定连接于机架(6)上，电主轴(25)上连接有传感器支撑件(23)，电主轴(25)通过刀柄(21)和主轴(18)驱动工件(20)旋转。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述电主轴(25)伸出端为一刀柄接口，与刀柄(21)连接，刀柄(21)能够夹紧不同主轴(18)实现对不同工件(20)的驱动旋转，主轴(18)上连接的压紧螺母(19)能将工件(20)压紧避免其在旋转过程中移动。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述信号采集机构(5)包括振动传感器(24)和转速传感器(22)，转速传感器(22)连接固定于传感器支撑件(23)上，工件(20)由于不平衡产生的振动经主轴(18)、刀柄(21)、电主轴(25)传递至支撑轴承外圈；振动传感器(24)固定于电主轴(25)的支撑轴承外圈，振动传感器(24)和转速传感器(22)采集得到的信号经过计算机进行数据处理，解算出转子的不平衡量。
7.利用权利要求6所述一种激光去重平衡机精确去除质量的装置的误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、划分半径范围：根据转子的不平衡质量的范围，固定一个去重深度l，并将所要去除的盲孔半径根据密度体积计算公式划分为不同区段，d1-d0,d2-d1,…dn-dn-1，各区段范围相等，即s＝d1-d0＝d2-d1＝…＝dn-dn-1；
步骤二、激光去重：选取第一区段的半径值d0,d1，去重深度为l，根据材料密度计算出理论去除质量分别为m0,m1，利用激光去重机构(3)去除材料，去重完成后测量实际去除质量分别为m'0,m′1，最后根据公式计算出相对去除质量误差为η0,η1，若两者相对误差均满足要求，即η0,η1均小于要求最小相对误差ηp，进行步骤四操作；反之，则进行步骤三操作；
步骤三、误差补偿：
(1)依照步骤二相对误差对所要去除的盲孔半径进行补偿，根据误差补偿公式计算出补偿后去除理论质量的材料所需加工盲孔半径为d′0,d′1；
(2)依照计算出的半径d′0,d′1对材料进行激光去除质量，测量实际去除质量后计算出与理论去除质量的相对误差，若相对误差不满足要求，则将d′0,d′1作为补偿前的半径根据误差补偿公式重新计算出补偿后的半径d″0,d″1，再次进行去除质量后重新计算相对误差，若仍然不满足要求，重复该操作直到相对误差小于ηp，并记补偿后的实际去除半径为
步骤四、选取半径区段的中点作为半径计算出理论去除质量mf，并根据满足要求的补偿后的实际去除半径d′0,d′1计算出这一区段中点所对应的实际去除半径去除质量后得到相对误差ηf，若ηf小于ηp，则满足要求，则该区段内的去除半径根据公式计算出实际去除半径，并进行下一半径区段的误差补偿，反之，以中点df为端点，将该区段一分为二，重新划分后的半径区段为df-d0,d1-df,d2-d1…dn-dn-1，对该半径区段重复上述操作重新进行半径补偿。
8.根据权利要求7所述的误差补偿方法，其特征在于：转子进行动平衡时，信号采集机构(5)在动平衡检测时采集振动和转速信号，并解算出转子不平衡量和相位，根据误差补偿方法计算出实际去除半径，通过精密定位机构(2)将振镜(13)移动到不平衡位置，进行激光去重后使转子达到要求的平衡精度。
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