全自动动平衡校正机设计概要文档格式.docx
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关键词动平衡,全自动平衡机,铣削用量
Automaticdynamicbalancecorrectionmachinedesign
Abstract
Nowadays,Dynamicbalancingtechnologyhasbeenwellestablished,butthefunctionofthetraditionalbalancingmachinesislimitedtorotors’unbalancingtest.Inmanycases,therotors’balanceadjustmentisstilldonebyhand,sotheproductivityisrelativelylow.
Thisthesiscomprehensivelyconsideredrelativemeritsofdiversiformbalancingmachinesofdifferentautomaticlevelathomeandabroad,anddevelopedonedoubleworking-positiontypeofautomateddynamicbalancing,whichappliestomicro-midielectricmachinerotor’sR-millingbalancecorrection.
Toassuresystemaccuracy,thewriterfocusesontheaccuracyanalysisofbalancingcorrectionsystemandpropositionofresolutionmethods,foundedontheaccuracycontrolofbalancemeasurementsystemwhichhasbeendiscussedinnumerousliteratures.
Firstly,relativeimportanceandcontroldifficultiesofvariousfactorswhichimpactoncorrectionaccuracyareanalyzedindetail.Theworkreachesresultsthatdepthdispersionofside-cutandchamferedcornerlengthtoleranceofmillingcuttertoolnosearethemainfactors,aswellasphaseerrorandplacedeviationofcorrectionplane.
Thentherelationshipbetweenfeedvolumeandunbalancequalityisanalyzed,onthebasisofwhichthede-weightingmathematicalmodelisestablished.Besides,thepossibleamendingerroristheoreticallyanalyzed.
Fortheresearchofthecontrollingsystem,theskeletonofthemechanicalconfigurationandthecontrollingformulaarefirstlyintroduced.Servosystemisakeytechnologytotherealizationofautomaticde-weightingandtoensurethecorrectingprecision.So,thekeytechnologyofservosystemisalsoresearchedinthispaper,includingspindleservoandfeedingservosystem.Forthespindleservosystem,thefocusisontheresearchofthespeedadjustingprincipleandthemethodofpositioncontrolling.Forthefeedingservosystem,theprincipleofpulsecomparisonisfirstlyintroduced,thensomekeycircuitsaredesignedandanalyzed.Besides,theelectronicgearusedintheACservosystemisalsoresearched.Forthesoftware,thede-weightingprocedureisdesigned.
Keywords:
DynamicBalancing,AutomatedBalancingMachine,MillingDosa
目录
1绪论1
1.1课题背景及目的1
1.2国内外研究状况1
1.3课题研究内容及要求3
2转子的动平衡原理5
2.1转子产生不平衡的原因及其危害5
2.2不平衡的种类7
2.3刚性转子的动平衡原理7
2.4挠性转子的动平衡原理7
2.5校正理论研究8
2.5.1校正方法简介............................................................................................................8
2.5.2全自动平衡机系统的组成9
2.5.3全自动平衡机系统的控制流程10
2.5.4R型铣削模型10
3全自动动平衡机的系统构架13
3.1平衡机的分类13
3.2系统构架14
3.2.1平衡机14
3.2.2去重机15
3.2.3控制系统15
4全自动动平衡机的测量理论研究16
4.1测量原理16
4.1.1直流分量18
4.1.2基波分量18
4.1.3谐波分量19
4.1.4异频分量和噪声19
4.2动不平衡量的测量数学模型21
4.3数字信号处理方法22
4.3.1干扰信号分类22
4.3.2不平衡量提取方法23
4.3.3数字滤波方法24
5全自动动平衡机的测试系统设计33
5.1测量系统的组成33
5.2系统部分硬件34
5.2.1振动传感器34
5.2.2参考信号测量传感器36
5.2.3电荷放大器38
5.2.4增益控制40
5.2.5中心频率跟踪的窄带滤波器设计40
5.2.6压电信号调理电路设计46
5.2.7数据采集卡46
5.2.8程控放大电路的设计47
6总结与展望49
致谢51
参考文献52
1绪论
1.1课题背景及目的
转子由于设计、材质不均匀以及制造安装误差等原因,往往造成其中心惯性主轴或多或少地偏离其旋转轴线,这种情况称为转子具有不平衡量。
当具有不平衡量的转子高速旋转时,就会产生一个周期的激振力,从而引起振动和噪音。
振动会加速轴承等零件的磨损,严重时甚至会导致事故;
此外,振动还会通过轴承、机座传到基础,恶化附近的工作环境。
由振动故障诊断结果统计表明,引起振动过大的激振力中有90%是转子不平衡力,可见此问题比较突出,所以必须对转子进行动平衡,使其达到一定的标准。
动平衡是旋转类产品生产、制造过程中必须解决的一个基本共性问题,其优劣程度直接决定着产品的工作性能、使用寿命以及产品质量等。
而且,产品的动平衡测量及校正往往处于产品零件生产工序的末端,此前已经过初步铸造到最终成形等多道复杂工序,其平衡性能和工作效率等指标将直接影响到产品的最终质量评定、总体生产效率以及企业的成本控制。
由于目前国内外生产的全自动平衡机,通过软硬件的改进,在信号采集、滤波等处理上提升性能,以提高测量系统及整机精度的研究颇多;
此项研究偏重于去重校正系统部分的研究,力图通过样机实际生产制造的细节,提出一些理论观点和实践经验,供全自动动动平衡测试设备生产研究相关人员讨论参考,促进我国全自动平衡机的推广和应用。
1.2国内外研究状况
动平衡的测量离不开动平衡机,动平衡机是动平衡技术的重要组成部分。
世界上第一台动平衡机的出现迄今已经有一百多年的历史了。
在上个世纪四十年代以前,转子的不平衡量的测量主要是在纯机械的设备上来完成的,不平衡量的测量没有什么精度可言,由于机械测量原理的限制,只能一种观测估算的方法。
相位的测量一般采用的仪器主要是千分表,不平衡相位的判断是利用机械系统谐振增加灵敏度完成的。
动平衡机技术的真正变革性的发展主要得益于电子和信息技术的迅速发展。
到上世纪五十年代的时候,绝大多数的平衡设备的测试系统都利用了电子测量技术,平面分离电路有效地消除了左右面的相互影响,由电机拖动的“标准转子”大大提高了调整平衡机的效率[1][2]。
在这期间,一些通用的平衡机逐渐形成了系列化产品,与此同时,一些工业发达的国家开始逐渐发展测量与校正装置组合为一体的平衡机,除此之外,供大批量生产用的(如汽车曲轴,电机转子)平衡自动线也开始发展,这个时期,测量方式仍在不断改进。
到了二十世纪七十年代,平衡机的发展出现了一次大的飞跃,主要标志是此时出现了硬支撑平衡机。
它克服了传统软支撑平衡机的缺陷(需要动态调整),只需要在静态下进行尺寸设定,这就是后来的永久标定式的平衡机。
我国动平衡技术的发展起步比起发达国家晚得多,对动平衡机理论和设备进行研究开始于1958年华中工学院研制成功第一台DS-500型通用动平衡机,它真正采用了电子测量技术[1]。
从那时开始算起,我国的动平衡测量技术大概经历了以下几个阶段,50年代的闪光式动平衡机,此时技术以真空管构成的RC带通滤波器为特征,到60年代出现了电子管式动平衡机,它的核心是晶体管,70年代发展了瓦特表式动平衡机,它的核心是集成电路,80年代出现了的动平衡机内包含了电子解算电路。
几十年来我国的动平衡机技术虽然取得了较大的发展,但是和世界先进水平相比,无论在产品的种类上还是性能上都有着很大的差距。
国内动平衡机的设计一部分是引进国外淘汰或者即将淘汰的型号,一部分灵敏度、频响特性都比较差的仿制或自行设计的产品,这些产品,大多存在很多共同的缺点如性能差、指示精度低、功能单一等缺点。
国内动平衡机生产企业也存在结构不合理,生产效益低下,缺少新产品、新技术,而且缺乏对新知识、新方法的应用等问题。
目前从事动平衡机的研制工作,并形成一定实力的有浙江大学、华中科技大学、北京航空航天大学、上海交通大学等高校,以及生产平衡机的上海申克试验机有限公司等厂家。
现在计算机,数字技术,传感器技术已经广泛应用于动平衡机的数据采集和测量系统。
随着转子平衡机理论的不断完善和实践技术日趋成熟,如今动平衡机的研究开发和制造水平都已经有了很大的提高。
现代新型的动平衡机都是机电一体化成度极高的高科技产品。
目前国内动平衡校正系统存在的很多缺点和不足有体现在以下几个方面:
第一,关于系统集成方面的技术研究还相对较少,在国内对动平衡机系统集成方面的技术进行了研究的单位也只有浙江大学等少数几家单位,其他大多数企业和科研单位的研究还主要集中在动平衡称重的设备和方法上,因为在这些设备中不平衡量测量和系统的校正系统一体化的集成技术应用较少,也就是说大部分没有和数控加工设备联机的功能。
第二,理论分析与应用脱节。
虽然部分单元技术方面如不平衡量的测量方法和在转子动力学等方面在我国的研究非常活跃,而且也并取得了非常不错的成就。
然而,尽管在实验和理论方面的研究同国外先进水平的差距已经不是很大,但是我们国家的水平与发达国家还存在一定的差距,这种差距主要体现在实际应用方面。
第三,去重加工技术及设备的研究开发相对滞后。
目前国内普遍采用的人工手动的方法进行转子动平衡去重加工,而测量和去重一体化的数控加工等技术的应用不多。
另外一方面,目前国内大部分科研单位和企业对动平衡的研究多集中在如何提高测量精度方面,这些研究主要关注在软硬件的改进方面,比如设计精度更高的压电传感器、跟踪滤波电路和采用相敏检波电路等,从而在信号采集、滤波等方面取得了很大进步。
而对于去重部分的问题,如去重策略,加工模型的建立和误差分析方面研究较少,致使难以达到较好的平衡效果。
第四,在人机交互设计方面考虑往往太少,不够周全。
1.3课题研究内容及要求
转子的动平衡过程包括两个部分的内容,测量和校正。
对于不同类型的转子,其不平衡量的测量和校正方法是不一样的,有的转子偶不平衡很小,对转子的实际工作运行的影响可以忽略不计,这类转子只需要在一个平衡面内进行平衡校正即可满足实际应用的要求,这类转子的典型是如飞轮,砂轮,汽车离合器盘等薄盘形状的转子。
这类转子的特点是最大外径远远大于轴向长度,通常外径是净长度的5倍以上。
除此之外的转子动平衡通常必须在两个或多个校正面进行。
如汽车发动机曲轴,电机的转子等。
平衡校正的本质就是改善不平衡转子的质量分布,最终目的是为了使质量分布相对于实际旋转轴线变得均匀,使转子运转时的动平衡达到规定的要求范围。
目前,常用的不平衡校正方法有:
去重,加重,调整校正质量等。
其中去重和加重是最常见也是最易于实现的方法。
钻孔是最常用的去重方法。
常见的加重方法主要有:
螺钉联接,焊接,喷镀金等。
近些年来,随着科学技术的不断发展,现代平衡机的转子校正开始应用一些新工艺,新技术新方法,如激光去重,电解去重,熔镀法加重等新兴的工艺技术。
本文综合考虑国内外全自动平衡机以及自动化程度,针对根据市场需求,以单面立式硬支撑型飞轮平衡机为研究对象,为其设计自动测量系统,实现平衡量的自动测量。
测量系统,其主要功能是对来自传感器的不平衡信号进行处理,滤除无用的直流分量、各次谐波分量、异频分量和各种干扰噪声,取出有用的不平衡基波分量,并进行运算,最终指示出校正面上的不平衡量的大小和方位。
因此,测量性能的好坏直接影响整机最小可达剩余不平衡量和不平衡量减低率这两项主要性能指标。
对测量系统的基本要求是,根据所规定的平衡精度,要有充分的灵敏度和精确度,在长期使用中要足够稳定。
2转子的动平衡原理
机器中绕轴线旋转的零部件,称为机器的转子。
如果一个转子的质量分布均匀,制造和安装都合格,则运转是平稳的。
理想情况下,其对轴承的压力,除重力之外别无其他的力,即与转子不旋转时一样,只有静压力。
这种旋转与不旋转时对轴承都只有静压力的转子,称为平衡的转子。
如果转子在旋转时对轴承除有静压力外还附加有动压力,则称之为不平衡的转子。
转子如果是不平衡的,附加动压力将通过轴承传达到机器上,引起整个机器的振动,产生噪音,加速轴承的磨损,降低机器的寿命,甚至使机器控制失灵,发生严重事故[4,5]。
现代机器正向高速、高效率、高精度和大型化发展,创造舒适的工作条件、抑制噪声、节约能源都已提到日程上来。
因此,限制和减小各种机器的振动就愈加显得重要。
2.1转子产生不平衡的原因及其危害
转子产生不平衡的原因是很多的,但大致可以归纳为以下几种基本原因:
1、转子结构的不对称
平常我们也可以看到,不同旋转机器的结构是不同的,有很多旋转部件的结构是不对称的,其中最典型的例子是曲轴。
随着发动机气缸排列方式的不同,发动机气缸工作顺序的不同,以及气缸数目的不同,设计人员设计方案的不同,曲轴的结构是多种多样的;
曲轴结构上的不对称,是有其工作特点所决定的,因此,设计上要求必须为曲轴设计配重,出厂前还必须对每根曲轴做平衡试验,剩余不平衡量只有满足一定的要求方可投入使用。
2、原材料或毛坯的缺陷
由于材料的缺陷,引起转子的不平衡而导致零部件的失效是机械工程中经常遇到的现象。
例如:
原材料密度不均匀,铸造毛坯有气孔、砂眼、缩孔和组织疏松等缺陷;
锻件有重皮和夹杂物,焊接结构的焊缝不均匀等,都会引起转子的不平衡或零件的失效。
3、转子加工和装配有误差
如果转子在加工或装配过程中存在误差,也就改变了转子绕轴线的质量分布,也就破坏了转子的不平衡状态。
转子与轴颈轴线的不同轴;
装配时径向间隙不均匀或不同轴;
联接螺钉拧紧程度不同或由于热压配合和焊接所引起的挠曲变形等,都会引起转子的不平衡。
4、机器在运转过程中所产生的不平衡
砂轮、泵、螺旋桨推进器、离心机分离钵等工作时的不均匀磨损;
由于运转过程中温度变化而产生的变形,由于机器运转过程中离心力所引起的零部件的微小移动或弹性变形等,也都会破坏转子原来的平衡状态[6]。
5、机器在维修过程中产生的不平衡
不同行业的机械部门有不同的标准,在不同环境条件下,工作机械还有不同的精度要求,维修部门一般设备落后,技术力量差,在维修过程中排除了主要故障的同时,却引发出潜在的隐患的现象也是常见的,特别是对于转子的动平衡是人眼观察不到,手也感觉不到的,必须通过动平衡试验才能定结论,这些也是容易被人们忽视的原因之一[3]。
在汽车维修行业中,由于发动机曲轴动不平衡过大,而使飞轮壳碎裂报废数个却使一些维修人员找不到原因的现象,也不是罕见的[7];
原因是上次维修过程中传动系组件装配中出现了错误操作。
若将曲轴飞轮组件进一步平衡,问题就解决了。
因此,随着机械运转速度的不断提高,转子的平衡问题,必须引起足够的重视。
在多数情况下,机械振动是有害的,其危害性主要有:
(1)、使机器支撑受到动载荷的作用,影响支撑的正常工作。
(2)、动、静部分磨损、基础松裂,或使机器油管裂开、自动调节器失效,致使机器要经常修理或过早损坏。
(3)、扰动四周的机械设备和仪表,使调节装置和保护系统有可能发生误动作而使设备和仪表无法正常工作。
(4)、产生噪音,影响工作人员的身心健康。
如果转子转速与转子轴系的固有频率相同(或接近时),机器就会发生共振。
出现共振时,振幅迅速增大,机组将产生剧烈振动以至损坏。
据报导,在1972年6月,日本关西海南电厂一台600MW的汽轮机组在试车时,因振功过大而造成飞车,致使机组全部损坏[8]。
当然,还有些其它原因也会引起机器振功,例如大型汽轮发电机组的转子还会由于油膜振荡、间隙振荡等原因引起振动。
但据统计概率来看,由于转子质量分布不均匀引起的扳动约占70~80%。
因此,失衡转子的平衡校正问题在现代工业发展中是一个非常突出的问题。
2.2不平衡的种类
转子的不平衡可以作如下理解:
当转子的中心主惯性轴线(惯量主轴)与旋转轴线不重合时,我们就说转子上存在不平衡。
转子的不平衡具有四种基本类型:
静不平衡、力偶不平衡、动不平衡和准静不平衡。
2.3刚性转子的动平衡原理
在平衡技术中,刚性转子是指转子是刚性的,即在重力和因质量不平衡所产生的不平衡离心力作用下转轴的变形可以忽略,且平衡状态并不改变或只作稍微改变的转子。
当然,绝对刚性的转子是不存在的,只有当工作转速远低于转子的第一临界转速时,由于不平衡离心力使转子产生的变形很小,以至可以忽略不计,习惯上,对这样的转子就可以认为是刚性转子[4]。
在平衡实践中,有些转子的工作转速很低,如人造卫星的自旋速度等。
在这种情况下,由不平衡质量所产生的不平衡离心力不大,这时也往往是把这类转子作为刚性转子进行处理。
其动平衡原理如下:
1、不管转子的初始不平衡是如何分布的,总可以在预选的两校正平面内进行平衡校正。
因为转子上的不平衡重量与所加的平衡重量在旋转时所产生的离心力都与转速的平方成正比,因此刚性转子的平衡与转速无关。
在某一转速下平衡好的刚性转子,其剩余不平衡量的值在其它转速、以至最高工作转速下,也不会显著地超过其允许的剩余不平衡量。
2转子的不平衡由静不平衡和动不平衡组成,两者可分别进行校正。
但若转子的初始不平衡量不大,由初始不平衡所产生的离心力在平衡机的容限范围内时,根据静、动不平衡的特点,就可以直接对转子作动不平衡校正,而无需事先对转子作静平衡。
这是因为静止平衡好的转子,转动时仍可能不平衡,面在转动时平衡好的转子,在静止时一定是平衡的。
刚性转子的动平衡原理较为简单,但它是转子动平衡的基础,在熟悉刚性转子的动平衡原理后,其它类型的转子的动平衡也就不难掌握。
2.4挠性转子的动平衡原理
在平衡技术中,把凡是不符合刚性转子定义的转子,统称为挠性转子。
具体地讲,对于工作转速接近或高于转子自身的第一临界转速,这时的转子都应称为挠性转子。
例如套装式叶轮的汽轮机转子、大多数发电机转子。
特别是随着近代机械工业的发展,出现了一些长径比很大的转子,如大型化工设备中的某些转子、燃汽轮转子等,这些转子的临界转速很低,但工作转速很高,因此部有可能在高于二阶或三阶临界转速下工作。
在这种工作状态下,转子已呈现挠曲状,因此,这时若再如刚性转子那样,平衡时不考虑转子的挠曲变形,那末平衡后往往就得不到预期的效果,而且有时还会出现愈平衡情况愈糟[4]。
挠性转子的动平衡原理简述如下:
1、失衡挠性转子的动挠度随转速的变化而变化。
因此,挠性转子不仅要求在工作转速下平衡,而且要在整个转速范围内都应进行动平衡校验。
2、在接近临界转速时,挠性转子轴线上各点同时出现最大挠度时所形成的弹性曲线可近似地视为转子在这一临界转速时振动的振型。
振型可用函数的形式表示,且振型函数具有正交性。
因此,挠性转子平衡时可以按振型逐阶地进行。
如果逐阶平衡好了,这时转子在整个工作转速范围内也就平衡了[5]。
3、挠性转子上平衡配
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