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       摘要: 砂輪不平衡是磨床振動(dòng)的主要原因。為了在線調(diào)整砂輪的平衡狀態(tài)，提高磨床的磨削精度，介紹一種新型的氣壓液體式在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)。該平衡系統(tǒng)利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)平衡液在位置相對(duì)的儲(chǔ)液腔間進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)移，改變平衡盤中的液體分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)砂輪平衡狀態(tài)的在線調(diào)整。通過對(duì)裝置平衡性能的分析，認(rèn)為該類裝置具有平衡速度快、平
衡能力線性度好的優(yōu)點(diǎn)。最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置在5 500 r /min 的轉(zhuǎn)速下，將系統(tǒng)不平衡振動(dòng)從10． 2 μm 降至0． 37μm，振幅下降比例達(dá)95%以上。

   
      在機(jī)械加工過程中，機(jī)床自身的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)床的加工精度和加工效率。對(duì)磨床而言，振動(dòng)會(huì)使被磨工件產(chǎn)生表面波紋和增大工件的表面粗糙度，影響工件質(zhì)量; 且振動(dòng)會(huì)加劇砂輪自身的磨損，導(dǎo)致砂輪頻繁地修整與更換，影響加工周期。

      砂輪不平衡是導(dǎo)致磨床振動(dòng)的主要原因。即使在磨削前預(yù)先對(duì)砂輪進(jìn)行過動(dòng)平衡，但在磨削過程中，冷卻液的不均勻吸附和砂輪的不均勻磨損均會(huì)導(dǎo)致砂輪不平衡量的再次產(chǎn)生，且該不平衡量隨著磨削過程逐漸增大。不平衡量所產(chǎn)生的離心力與砂輪轉(zhuǎn)速的平方成正比，對(duì)于高速和超高速的磨床，即使極小的不平衡量，也會(huì)產(chǎn)生非常大的離心力，嚴(yán)重影響磨床的正常運(yùn)行。因此，為了獲得更高的加工精度和加工效率，在磨床上加裝在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)是非常必要的。目前，該類產(chǎn)品主要有電機(jī)式［1］、電磁式［2 － 3］和注液式［4 － 5］三種，由國(guó)外的Schmitt 和Dittel 等公司生產(chǎn); 國(guó)內(nèi)也有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，但均尚處于研發(fā)階段，未見到成熟產(chǎn)品［6 － 8］。在本文中，重點(diǎn)介紹了一種新型的氣壓液體式在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)［9］，并對(duì)該系統(tǒng)的平衡性能進(jìn)行了理論分析，最后通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該類系統(tǒng)的性能。

     1 、平衡原理

     氣壓液體式平衡裝置屬于液體式平衡裝置中的一種。在設(shè)備安裝前，需要在兩組位置相對(duì)的儲(chǔ)液腔中預(yù)先充入平衡液體。平衡過程中，通過向指定儲(chǔ)液腔充入壓縮氣體，驅(qū)動(dòng)平衡液在相對(duì)儲(chǔ)液腔間轉(zhuǎn)移，改變平衡盤中液體的質(zhì)量分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪的在線自動(dòng)平衡。

     整個(gè)平衡過程中，不需要外界注入或向外界排出平衡液，平衡液僅在密閉的儲(chǔ)液腔間進(jìn)行定向轉(zhuǎn)移。

     與已有的注液式平衡裝置相比，該氣壓液體式平衡裝置因擺脫了注排液這一過程，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):

     ( 1) 在整個(gè)平衡過程中，因平衡過程可逆，所以整個(gè)裝置可以始終保持最大的平衡能力;
     ( 2) 平衡液在封閉的環(huán)境中工作，損耗接近于零，因此可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要任意選擇適用的平衡液;
     ( 3) 采用高穩(wěn)定性平衡液做到長(zhǎng)期潔凈無沉積，可以使用更細(xì)的管徑，從而減小液體的最小可控轉(zhuǎn)移量，使得平衡精度更高;
     ( 4) 選用高密度平衡液，在平衡盤體積一定的情況下，可以得到更大的平衡能力;
     ( 5) 平衡狀態(tài)具備停機(jī)保持功能。

     2 、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

     氣壓液體式自動(dòng)平衡裝置由平衡盤和氣源分配器兩部分組成，如圖1 所示。

                          圖1 平衡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

 
     2. 1 平衡盤

     平衡盤固定在砂輪主軸上，和主軸同步旋轉(zhuǎn)。平衡盤內(nèi)部對(duì)稱分布4 個(gè)扇形儲(chǔ)液腔，預(yù)先充入平衡液。在儲(chǔ)液腔的一側(cè)蓋板上加工氣體和液體流道。其中，注氣流道4 條，分別對(duì)應(yīng)4 個(gè)儲(chǔ)液腔，由4 臺(tái)兩位三通電磁閥控制通斷。連通流道2 條，分別對(duì)應(yīng)兩組位置相對(duì)的儲(chǔ)液腔。連通流道的兩端均位于儲(chǔ)液腔的最大半徑處，連通流道中心點(diǎn)所在半徑最小。當(dāng)壓力氣體進(jìn)入某一儲(chǔ)液腔并達(dá)到預(yù)定壓力后，平衡液將通過連通流道被壓入對(duì)側(cè)儲(chǔ)液腔，實(shí)現(xiàn)了平衡液的定向轉(zhuǎn)移。

                                    圖2 平衡盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

     2. 2 氣源分配器
 

     氣源分配器的主要功能是實(shí)現(xiàn)壓縮空氣從靜止氣管到旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)液腔間的傳輸。根據(jù)安裝位置和注氣方向的不同，該分配器的具體結(jié)構(gòu)可以有多種形式。以軸向注氣的分配器為例，該結(jié)構(gòu)包含定子、中間套和前后軸承四部分，其中，定子和兩軸承的內(nèi)圈均靜止不動(dòng)，中間套和兩軸承的外圈同平衡盤一起同步旋轉(zhuǎn)。壓縮空氣由定子引入，經(jīng)定子外壁上的4 道環(huán)槽可以進(jìn)入中間套的4 個(gè)進(jìn)氣孔，繼而通過中間套內(nèi)的4 條進(jìn)氣流道最終將壓縮空氣導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)液腔。中間套與儲(chǔ)液腔內(nèi)壁過盈配合，中間套與定子之間留有十幾微米的間隙。前后兩軸承可以保證在這樣小的間隙下轉(zhuǎn)子正常旋轉(zhuǎn)。定子采用軟支撐的方式固定，設(shè)備運(yùn)行過程中，前后軸承僅承受定子的自身重力和隨動(dòng)的簡(jiǎn)諧激振力。

                         圖3 氣源分配器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
 

     3 、平衡性能分析

     3. 1 單腔注液

     對(duì)于普通單個(gè)扇形儲(chǔ)液腔，儲(chǔ)液腔內(nèi)注入的平衡液質(zhì)量m 可由下式計(jì)算得出:

     式中，ρ 為平衡液密度，B 為儲(chǔ)液腔厚度，θ 為扇形儲(chǔ)液腔對(duì)于圓心角，Ｒ2為儲(chǔ)液腔外徑，Ｒ'1為儲(chǔ)液腔液層內(nèi)徑，儲(chǔ)液腔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

                 圖4 儲(chǔ)液腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

     儲(chǔ) 液腔平衡能力U 由下式計(jì)算得出:

     以Ｒ'1為中間變量，得儲(chǔ)液腔平衡能力U 和腔內(nèi)注入平衡液質(zhì)量m 的關(guān)系為:

     公式兩邊同時(shí)對(duì)m 求導(dǎo)，得到儲(chǔ)液腔平衡能力和單位液體質(zhì)量的關(guān)系為:

     3. 2 對(duì)腔轉(zhuǎn)移

     氣壓液體式平衡裝置在壓縮氣體驅(qū)動(dòng)平衡液轉(zhuǎn)移時(shí)，相對(duì)位置的兩儲(chǔ)液腔同時(shí)動(dòng)作，對(duì)應(yīng)平衡液在兩相對(duì)儲(chǔ)液腔間做一增一減的流動(dòng)。所以在分析轉(zhuǎn)移質(zhì)量和平衡能力的關(guān)系時(shí)，兩相對(duì)儲(chǔ)液腔需同時(shí)考慮。以A、C 兩相對(duì)儲(chǔ)液腔為例: 平衡裝置啟動(dòng)前，兩腔儲(chǔ)液量相同; 平衡過程中，在C 腔注入壓縮空氣，驅(qū)動(dòng)平衡液向A 腔流動(dòng)，直至C 腔液體全部轉(zhuǎn)移至A 腔。因平衡液在轉(zhuǎn)移過程中無損耗，所以C 腔儲(chǔ)液量的減小量等于A 腔儲(chǔ)液量的增加量。設(shè)A 腔的實(shí)際儲(chǔ)液量為MA，其中初始儲(chǔ)液量為mA，液體轉(zhuǎn)移量為m; C 腔的實(shí)際儲(chǔ)液量為MC，其中初始儲(chǔ)液量為mC，液體轉(zhuǎn)移量為m。則六個(gè)參數(shù)的關(guān)系為:mA = mC; MA = mA + m; MC = mC － m將液體轉(zhuǎn)移量的公式代入上式，得

     所以該組儲(chǔ)液腔的總平衡能力U 和液體轉(zhuǎn)移量m的關(guān)系為

     3． 3 性能對(duì)比

  
     氣壓液體式平衡裝置因?yàn)槠鋵?duì)腔轉(zhuǎn)移的平衡方式，使得平衡能力與平衡質(zhì)量的關(guān)系發(fā)生了變化。在本節(jié)中，利用實(shí)驗(yàn)用儲(chǔ)液腔的基本參數(shù)，對(duì)該種平衡方式和傳統(tǒng)單腔注液方式進(jìn)行定量對(duì)比。儲(chǔ)液腔的基本參數(shù)如表1 所示。

                                            表1 儲(chǔ)液腔基本參數(shù)

                                      表2 平衡性能對(duì)比結(jié)果

     由上表知，形成相同的平衡能力，對(duì)腔轉(zhuǎn)移的平衡方式所需轉(zhuǎn)移的平衡液質(zhì)量?jī)H為單腔注液所需注入平衡液質(zhì)量的一半; 在對(duì)腔轉(zhuǎn)移過程中，單位質(zhì)量液體對(duì)應(yīng)平衡能力基本不變，而在單腔注液過程中，單位質(zhì)量液體對(duì)應(yīng)平衡能力具有較大偏差。從該結(jié)果可以看出，和傳統(tǒng)單腔注液的平衡方式相比，對(duì)腔轉(zhuǎn)移的平衡方式具有平衡速度快、平衡能力線性度好的優(yōu)點(diǎn)，有利于平衡系統(tǒng)控制精度和控制速度的提高。

     4 、實(shí)驗(yàn)研究

     為了驗(yàn)證氣壓液體式自動(dòng)平衡裝置的平衡效果，在臥式磨削試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

     試驗(yàn)臺(tái)所用電主軸為磨削專用電主軸，功率9 kW。所用模擬砂輪的規(guī)格為250 × 127 × 20。模擬砂輪由左右兩砂輪法蘭夾緊，固定在電主軸上。平衡盤和砂輪左法蘭加工成一體，位于砂輪盤的內(nèi)部，便于更好地平衡系統(tǒng)由砂輪不平衡帶來的振動(dòng)。平衡盤外徑100mm，內(nèi)含儲(chǔ)液腔深60 mm，所用平衡液為硅油，設(shè)計(jì)平衡能力為1 356 g·mm。在平衡盤的端部加工一凸臺(tái)，利用接近開關(guān)測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)相位。平衡盤的長(zhǎng)度大于砂輪和砂輪法蘭的安裝尺寸，高出的部分用于作為位移傳感器的測(cè)量面，因?yàn)樵摐y(cè)量面非常接近砂輪，且隨砂輪同步旋轉(zhuǎn)，所以可以直接的反應(yīng)砂輪的實(shí)際振動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)裝置如圖5 所示。

                          圖5 平衡系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

     在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)定系統(tǒng)允許的振動(dòng)幅值為0． 4μm。當(dāng)系統(tǒng)的振動(dòng)幅值超出該設(shè)定值后，控制器輸出控制指令，進(jìn)行自動(dòng)平衡操作。因?qū)嶒?yàn)裝置的臨界轉(zhuǎn)速為7 000 r /min，所以本文僅在臨界轉(zhuǎn)速以下做了自動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，所選轉(zhuǎn)速分別為3 000 r /min，5 000 r /min和5 500 r /min，分別對(duì)應(yīng)砂輪線速度為39 m/s，62 m/s和72 m/s，具體平衡效果如圖6 所示。

  
                              圖6 平衡效果圖

     在3 000 r /min 的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動(dòng)幅值為8． 3μm( P － P) ，經(jīng)過自動(dòng)平衡后，系統(tǒng)振動(dòng)幅值降低至0． 35 μm( P － P) ，振幅下降比例達(dá)95． 6%; 在5 000r /min的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動(dòng)幅值為6． 5 μm( P － P) ，經(jīng)過自動(dòng)平衡后，系統(tǒng)振動(dòng)幅值降低至0． 36 μm( P －P) ，振幅下降比例達(dá)94． 5%; 在5 500 r /min 的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動(dòng)幅值為10． 2 μm( P － P) ，經(jīng)過自動(dòng)平衡后，系統(tǒng)振動(dòng)幅值降低至0． 37 μm( P － P) ，振幅下降比例達(dá)96． 4%。從此實(shí)驗(yàn)效果可以看出，本文所介紹的
平衡裝置在3 種工況下均可有效的降低系統(tǒng)振動(dòng)幅值，平衡性能可靠。

     5 、結(jié)論

    
     在本文中，介紹了一種新型的氣壓液體式自動(dòng)平衡裝置。該類平衡裝置具有平衡速度快、平衡能力線性度好的優(yōu)點(diǎn)，有利于平衡系統(tǒng)控制精度和控制速度的提高。建立了臥式轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)該平衡裝置的實(shí)際平衡效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在3 000 r /min、5 000r /min、5 500 r /min 三個(gè)轉(zhuǎn)速下，分別進(jìn)行在線自動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，均可有效地降低系統(tǒng)振動(dòng)幅值，系統(tǒng)振動(dòng)幅值下降比例均在90% 以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該平衡裝置的平衡性能可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景。    

     由于本實(shí)驗(yàn)?zāi)壳暗难芯恐攸c(diǎn)在于驗(yàn)證該平衡裝置的可行性和可靠性，下一步將考慮將該平衡裝置應(yīng)用到實(shí)際磨床上，研究該平衡裝置在磨床上的在線自動(dòng)平衡效果以及該裝對(duì)被磨工件表面質(zhì)量的改善效果。