CN116079487B - 一种辊筒模具超精密机床双面动平衡功能实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种辊筒模具超精密机床双面动平衡功能实现方法，属于超精密加工装备技术领域，能够提升辊筒模具动平衡调整的效率，提高辊筒模具的加工精度。包括以下步骤：S3.启动超精密机床，由光栅尺组件测量X轴溜板的位移数据，由超精密机床自带的编码器精确记录辊筒模具在此期间的角位移；S5.利用S3的数据获取辊筒模具两个端面的不平衡质量和安装误差的方位；S6.确定两个校正面需要增加的平衡质量和方位。本发明不需要增加额外的传感器，直接在数控系统中采集原始的直线轴伺服性能数据(跟踪误差)，即可实现转子系统的精密动平衡。只依靠机床本身具有的设备和性能，未引入外来误差，系统可靠性更高，容易实现系统集成。
Description
技术领域
本发明属于超精密加工装备技术领域，具体涉及一种辊筒模具超精密机床双面动平衡功能实现方法。
背景技术
辊筒模具在进行车削之前需要进行动平衡调整。辊筒模具的尺寸和重量较大，精确调整辊筒模具在机床上的位置是一件困难的事，辊筒模具的安装误差会引起不平衡质量。辊筒模具在转动时，不平衡质量的存在会引起转子系统和机床床身的振动。转子系统的振动会破坏机床各部件间的接触刚度，主轴转子与轴套会逐渐贴合甚至发生摩擦，导致主轴发生“抱轴”现象，容易出现事故。而且辊筒模具不平衡质量的存在也会降低其自身的加工精度。高效快速地对辊筒模具进行动平衡调整成为了一个目标。
由于上述对辊筒模具动平衡调整提出的要求，所以目前人们主要是通过外部的加速度传感器、键相传感器等配合动平衡仪进行调节，各传感器测出的辊筒模具的加速度、角位移等经过处理来确定不平衡质量的方位和大小。在外部添加传感器来进行动平衡调节成本较高，且调试和操作过程繁琐，对于操作人员有较高的要求，并没有充分利用超精密机床自身的特性。同时，传感器本身也有一定的精度，要将传感器布置在合理的位置才能充分发挥其特性。利用外部传感器做动平衡调整具有一定的难度。
发明内容
本发明为了解决上述问题，进而提供一种辊筒模具超精密机床双面动平衡功能实现方法，能够提升辊筒模具动平衡调整的效率，提高辊筒模具的加工精度。
本发明所采取的技术方案是：
一种辊筒模具超精密机床双面动平衡功能实现方法，包括以下步骤：
S1.将超精密机床的Z轴溜板移动至超精密机床的头架；
S2.使超精密机床的X轴溜板处于悬浮状态；
S3.启动超精密机床，由光栅尺组件测量X轴溜板的位移数据，由超精密机床自带的编码器精确记录辊筒模具在此期间的角位移；
S4.将Z轴溜板移动至超精密机床的尾架处，重复S2和S3；
S5.利用S3的数据获取辊筒模具两个端面的不平衡质量和安装误差的方位；
S6.确定两个校正面需要增加的平衡质量及其方位；
S7.对辊筒模具两端位置进行调节，实现辊筒模具的动平衡。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.与传统的辊筒模具动平衡调节相比，本发明不需要增加额外的传感器，直接在数控系统中采集原始的直线轴伺服性能数据(跟踪误差)，即可实现转子系统的精密动平衡。
2.本发明不增加额外的传感器，只依靠机床本身具有的设备和性能，未引入外来误差，系统可靠性更高，容易实现系统集成。
3.本发明中动平衡模块可进一步扩展成为机床性能指标的一个参考，作为机床状态的一个监测。
附图说明
图1是本发明使用的超精密机床结构示意图；
图2是本发明辊筒模具某一截面示意图；
图3是本发明动平衡示意图；
图4是本发明辊筒模具左端面和右端面安装误差的偏转角度示意图；
其中：1、头架；2、主轴座；3、四爪卡盘；4、辊筒模具；5、辊筒模具支撑轴；6、尾架；7、Z轴导轨；8、Z轴溜板；9、X轴导轨；10、X轴溜板；11、光栅尺组件；12、机床基座；13、虚线一；14、虚线二；15、虚线三。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的做进一步详细的描述。
参照图1所示，本发明的一种辊筒模具超精密机床双面动平衡功能实现方法，是利用超精密机床实现的，该超精密机床包括头架1、主轴座2、四爪卡盘3、辊筒模具4、辊筒模具支撑轴5、尾架6、Z轴导轨7、Z轴溜板8、X轴导轨9、X轴溜板10、光栅尺组件11及机床基座12。头架1和尾架6相对安装在机床基座12上，主轴座2安装在头架1上，尾座安装在尾架6上，两个四爪卡盘3相对分别安装在主轴座2和尾座上，辊筒模具4两端均通过辊筒模具支撑轴5安装在对应的四爪卡盘3上，机床基座12上还安装有Z轴导轨7，Z轴导轨7上安装有Z轴溜板8，X轴导轨9安装在Z轴溜板8上，X轴导轨9上安装有X轴溜板10，光栅尺组件11安装在Z轴溜板8上用于监测X轴溜板10的移动，X轴溜板10上安装有刀具组件。
X轴导轨9为液体静压导轨，X轴导轨9在工作时与X轴溜板10之间存在一层液体润滑油膜，X轴溜板10处于悬浮状态，X轴溜板10运动速度对油膜厚度影响小。
本发明的方法与传统方法不同，不需要利用外部的传感器，而是直接利用超精密机床X轴振动的数据以及机床内部的编码器的数据获取辊筒模具两个端面的不平衡质量和安装误差的方位，进而确定校正面一和校正面二需要增加的平衡质量和方位。而后进行调节，实现辊筒模具的动平衡。其中：校正面一和校正面二分别位于辊筒模具4的两端面附近，与辊筒模具4轴线垂直。两校正面与相近端面距离相等。
包括以下步骤：
S1.将超精密机床的Z轴溜板8移动至超精密机床的头架1；
S2.使超精密机床的X轴溜板10处于悬浮状态；
S3.启动超精密机床，由光栅尺组件11测量X轴溜板10的位移数据，由超精密机床自带的编码器精确记录辊筒模具4在此期间的角位移(辊筒模具旋转的角度)；
S4.将Z轴溜板8移动至超精密机床的尾架6处，重复S2和S3，
S5.利用S3的数据获取辊筒模具4两个端面的不平衡质量和安装误差的方位；
S6.确定两个校正面需要增加的平衡质量及其方位；校正面一和校正面二分别位于辊筒模具4的两端面附近，与辊筒模具4轴线垂直。两校正面与相近端面距离相等。
S7.对辊筒模具4两端位置进行调节，实现辊筒模具4的动平衡。
具体为：本发明利用超精密机床的X轴的来实现双面动平衡。将Z轴溜板8移动至超精密机床头架1处停止供油；对X轴导轨9继续供油，X轴溜板10处于悬浮状态。启动超精密机床，使得辊筒模具4转动，因为未对辊筒模具4做动平衡调节，机床基座12、机床Z轴导轨9、Z轴溜板10等可看作一个整体，会发生一定频率的振动。X轴溜板10因处于液体悬浮状态，相对于地面位置不变，但X轴导轨9发生振动，故X轴溜板10与X轴导轨9之间发生往复的相对运动，位移数据可以由光栅尺组件11读出。再按照同样方法将Z轴溜板8移动至超精密机床尾架6处，重复在机床头架1处的操作，注意保持辊筒模具4的转速不变。因辊筒模具4长度较大，靠近头架1或尾架6时可以认为只有相近端面存在的不平衡质量引起振动。
Z轴溜板8在机床头架1处与尾架6处时，光栅尺组件11各读出一组X轴溜板10与X轴导轨9之间发生相对位移的数据，超精密机床自带的编码器能精确记录辊筒模具4在此期间的角位移。X轴溜板10与X轴导轨9相对位移最大时，辊筒模具4端面不平衡质量部分和圆心的连线平行于X轴，此时不平衡质量部分受到的离心力沿机床X轴方向的分量最大，引起的振动最大，X轴溜板10与X轴导轨9相对位移最大，由此可以确定两个端面不平衡质量的分布位置，即确定辊筒模具4两端面安装误差的分布，由此可以算出式(16)，式(17)中的h1(x)，h2(x)。将h1(x)，h2(x)带入式(16)、式(17)、式(18)、式(19)、式(20)、式(21)可以得到校正面一和校正面二上产生的不平衡量。
其中：式(16)、式(17)、式(18)、式(19)、式(20)、式(21)的推导过程为：
辊筒模具4在安装时其安装误差导致了不平衡质量的产生。如图2所示，为辊筒模具4某一截面示意图，虚线一13为辊筒模具4安装后截面的理想位置，轴线为A0，虚线二14为辊筒模具4安装后截面的偏差位置，轴线为A1，虚线三15为辊筒模具4截面的实际偏差位置关于轴线A0的对称。设偏移距离为h(h为安装误差引起的偏心距，与辊筒模具4安装方式有关，为确定值)辊筒模具4的截面外圆半径为R1，内圆半径为R2，根据图2所示的几何关系，可以得出(1)式和(2)式。
其中(1)式表示下半部分的不平衡质量对应的面积，(2)式表示上半部分的不平衡质量对应的面积，不平衡质量对应的总面积设为S。
S＝S1-S2 (3)
辊筒模具4在某一截面的不平衡质量设为ΔM,截面距离端面的距离设为Δx,则某一截面上的不平衡质量可由(4)式表示。
ΔM＝ρSΔx (4)
辊筒模具4的截面外圆半径为R1，内圆半径为R2，其不平衡量设为ΔU，可以由下式表示。
ΔU＝Δxρ(S1R1-S2R2) (5)
辊筒模具4，辊筒支撑轴5构成一转子系统，辊筒模具4的质量均匀分布，并且结构是对称的，可以认为两个四爪卡盘3处安装误差的大小相等。对辊筒模具4采用双面动平衡调节。校正面一和校正面二分别位于辊筒模具4的两端面附近，与辊筒模具4轴线垂直，两校正面与相近端面距离相等，设为L1，如图3所示(为计算方便，图3的坐标轴设置未与机床的坐标轴采取相同的方式)。
取与校正面一距离为x的辊筒模具4某一的截面。该截面上的不平衡质量Mx产生的离心惯性力Fx(Rx为截面上不平衡质量Mx所在的回转半径)
Fx＝Mxω2Rx (6)
该截面上不平衡质量在校正面一和校正面二上产生的离心惯性力设为F1x，F2x。
为了调节辊筒模具4的动平衡，需要在校正面一，校正面二上增加平衡质量，分别设为M1，M2，所在的回转半径分别为R1，R2。
辊筒模具4的安装误差由(5)式求得，可以得到如下式子。
进一步的，可以将上式转化为积分形式可以求出F1。
同理可以求出F2，即
辊筒模具4两端的安装误差导致的不平衡质量，其产生的离心惯性力可以认为分布在xy平面和xz平面上的两种离心惯性力的矢量和。安装误差沿辊筒模具4轴线分布函数分别设为h1(x),h2(x)。h1(x),h2(x)与安装误差的方位有关。由此可以得到。
同理可得
从而得到需要在校正面一，校正面二上增加的平衡质量M1、M2。
在此过程中：求出不平衡质量的方位，确定h1(x),h2(x),进而确定两个校正面上需要增加的平衡质量M1和M2，由以下步骤实现：
步骤一：构建机床X轴进给系统的机电模型。
步骤二：获取机床主轴转速稳定后的辊筒模具4的实际角度、X轴导轨9的实际位置。
步骤三：根据辊筒模具4的实际角度、X轴导轨9的实际位置。由X轴进给系统的机电模型测得辊筒模具4动不平衡对X轴导轨9的扰动力，获得辊筒模具4实际角度与动不平衡对X轴导轨9扰动力之间的关系。
步骤四：对多圈的扰动力数据在相同的辊筒模具4实际角度下进行平滑滤波处理。
其中：机床X轴进给系统的机电模型为：其中，m为X轴进给系统的总质量，F为辊筒模具4动不平衡对X轴进给系统的扰动力。
X轴进给系统的传递函数为：其中，s为拉普拉斯算子，m为X轴进给系统的总质量，B为X轴粘滞阻尼系数，Ki为电机电流力矩系数。
用最小二乘法对车床X轴进给系统进行辨识，辨识出的X轴进给系统的传递函数为：其中，mn,Bn,Kin均为识别出的实际参数的名义系数。
所述辊筒模具4动不平衡对X轴进给系统的扰动力Fd的计算公式为：其中，XAct为X轴实际位置，τ为扰动观测器的滤波时间常数。
θ＝Smax，其中，Smax为F取得最大值时的角度。F最大时，辊筒模具4的不平衡质量部分与辊筒模具4的圆心连线和机床X轴平行，此时不平衡质量部分受到的离心力沿机床X轴方向分量最大，引起的振动最大，X轴溜板10与X轴导轨9相对位移也最大，从而可以确定安装误差的初始方位。
将Z轴溜板8移动至超精密机床尾架6处停止供油；对X轴导轨9继续供油，X轴溜板10处于悬浮状态，依据进给系统的机电模型，算出尾架6处辊筒模具4的端面的安装误差对应的角度，由此辊筒模具4的两端面安装误差的方位求出，可以算出安装误差在xy平面和xz平面上沿着辊筒模具4轴线的分布情况，即可以算出式(16)，式(17)中的h1(x)，h2(x)。
从机床头架1看去，如图4所示，设辊筒模具4的左端面和右端面安装误差的偏转角度为θ1，θ2。依照图3中的坐标系，安装误差在xy平面和xz平面上沿着辊筒转子4轴线的分布函数h1(x),h2(x)。
将h1(x),h2(x)带入式(16)、式(17)、式(18)、式(19)、式(20)、式(21)可以得到校正面一和校正面二上需要增加的平衡质量M1和M2。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (1)
1.一种辊筒模具超精密机床双面动平衡功能实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.将超精密机床的Z轴溜板(8)移动至超精密机床的头架(1)；
S2.使超精密机床的X轴溜板(10)处于悬浮状态；
将Z轴溜板(8)移动至超精密机床头架(1)处停止供油；对X轴导轨(9)继续供油，X轴溜板(10)处于悬浮状态；
S3.启动超精密机床，由光栅尺组件(11)测量X轴溜板(10)的位移数据，由超精密机床自带的编码器精确记录辊筒模具(4)在此期间的角位移；
S4.将Z轴溜板(8)移动至超精密机床的尾架(6)处，重复S2和S3，
S5.利用S3的数据获取辊筒模具(4)两个端面的不平衡质量和安装误差的方位；
获得安装误差的方位的具体步骤为：
S51.构建机床X轴进给系统的机电模型；
机电模型为：
其中，m为X轴进给系统的总质量，F为辊筒模具(4)动不平衡对X轴进给系统的扰动力；
S52.获取机床主轴转速稳定后的辊筒模具(4)的实际角度、X轴导轨(9)的实际位置；
S53.根据辊筒模具(4)的实际角度、X轴导轨(9)的实际位置，由X轴进给系统的机电模型测得辊筒模具(4)动不平衡对X轴导轨(9)的扰动力，获得辊筒模具(4)实际角度与动不平衡对X轴导轨(9)扰动力之间的关系；
具体步骤为：
X轴进给系统的传递函数为：
其中，s为拉普拉斯算子，m为X轴进给系统的总质量，B为X轴粘滞阻尼系数，Ki为电机电流力矩系数；
用最小二乘法对车床X轴进给系统进行辨识，辨识出的X轴进给系统的传递函数为：
其中，mn,Bn,Kin均为识别出的实际参数的名义系数；
所述辊筒模具(4)动不平衡对X轴进给系统的扰动力Fd的计算公式为：
其中，XAct为X轴实际位置，τ为扰动观测器的滤波时间常数；
θ＝Smax，
其中，Smax为F取得最大值时的角度，此时不平衡质量部分受到的离心力沿机床X轴方向的分量最大，引起的振动最大，X轴溜板(10)与X轴导轨(9)相对位移也最大，从而可以确定安装误差的初始方位，
设辊筒转子4的左端面和右端面安装误差的偏转角度为θ1，θ2，安装误差在xy平面和xz平面上沿着辊筒转子4轴线的分布函数h1(x)，h2(x)，
S54.对多圈的扰动力数据在相同的辊筒模具(4)实际角度下进行平滑滤波处理；
S6.确定两个校正面需要增加的平衡质量及其方位；
截取辊筒模具(4)某一截面，设偏移距离为h，辊筒模具(4)的截面外圆半径为R1，内圆半径为R2，根据辊筒模具(4)截面上的几何关系，可以得出(1)式和(2)式，
其中(1)式表示下半部分的不平衡质量对应的面积，(2)式表示上半部分的不平衡质量对应的面积，不平衡质量对应的总面积设为S，
S＝S1-S2 (3)
辊筒模具(4)在某一截面的不平衡质量设为ΔM,截面距离端面的距离设为Δx,则某一截面上的不平衡质量可由(4)式表示，
ΔM＝ρSΔx (4)
辊筒模具(4)的截面外圆半径为R1，内圆半径为R2，其不平衡量设为ΔU，可以由下式表示，
ΔU＝Δxρ(S1R1-S2R2) (5)
两个校正面设为校正面一和校正面二，且校正面一和校正面二分别位于辊筒模具(4)的两端面附近，与辊筒模具(4)轴线垂直，两校正面与相近端面距离相等，设为L1，
取与校正面一距离为x的辊筒模具(4)某一的截面，该截面上的不平衡质量Mx产生的离心惯性力Fx，
Fx＝Mxω2Rx (6)
其中：Rx为截面上不平衡质量Mx所在的回转半径；
该截面上不平衡质量在校正面一和校正面二上产生的离心惯性力设为F1x，F2x，
为了调节辊筒模具(4)的动平衡，需要在校正面一，校正面二上增加平衡质量，分别设为M1，M2，所在的回转半径分别为R1，R2，
辊筒模具(4)的安装误差由(5)式求得，可以得到如下式子，
进一步的，可以将上式转化为积分形式可以求出F1，
同理可以求出F2，即
参数h与辊筒模具(4)两端面安装误差的方位有关，辊筒模具(4)两端的安装误差导致的不平衡质量，其产生的离心惯性力可以认为分布在xy平面和xz平面上的两种离心惯性力的矢量和，安装误差沿辊筒模具(4)轴线分布函数分别设为h1(x)，h2(x)，h1(x)，h2(x)与安装误差的方位有关，由此可以得到，
同理可得
从而得到需要在校正面一，校正面二上增加的平衡质量M1、M2；
S7.对辊筒模具(4)两端位置进行调节，实现辊筒模具(4)的动平衡。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116079487A (zh) | 2023-05-09 |
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