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      1 引 言

      在生產(chǎn)和生活中, 旋轉(zhuǎn)的機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有時(shí)會產(chǎn)生振動(dòng), 這樣的振動(dòng)是無益的。長時(shí)間的振動(dòng)會造成能量轉(zhuǎn)換過程中巨大的浪費(fèi), 嚴(yán)重的時(shí)候甚至產(chǎn)生斷裂, 引發(fā)事故。為避免類似的現(xiàn)象發(fā)生, 對旋轉(zhuǎn)體做動(dòng)平衡是非常有效的手段。對于剛性轉(zhuǎn)子, 其工作轉(zhuǎn)速n 一般低于轉(zhuǎn)子一階自振頻率nc ,即n < ( 0. 6 ~ 0. 75) nc , 這類轉(zhuǎn)子不考慮其轉(zhuǎn)軸的彈性變形, 對于高度為h , 直徑為d 的剛性轉(zhuǎn)子, 當(dāng)h/ d < = 0. 2 轉(zhuǎn)子的質(zhì)量可以看作分布在同一平面內(nèi)。[ 1] 其旋轉(zhuǎn)不平衡的原因是轉(zhuǎn)子的重心不與軸線重合。類似于剎車盤這種圓盤狀的剛性轉(zhuǎn)子都可以在本平衡機(jī)上進(jìn)行校正。

      2 平衡機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      2.1 1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      本平衡機(jī)測試系統(tǒng)采用基于影響系數(shù)法[ 2] 的動(dòng)平衡檢測原理, 主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、偏心振動(dòng)壓電傳感器模塊和相位測量光電傳感器模塊等組成, 如圖1 所示。

      數(shù)據(jù)采集卡包括以下功能電路:

      1) 基準(zhǔn)信號發(fā)生器, 通過對光電傳感器采集的信號進(jìn)行整型, 變?yōu)榉讲ㄐ盘柗謨陕?span>, 一路經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻, 生成開關(guān)電容濾波器的控制信號; 另一路送單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行不平衡角度的測量。

      2) 開關(guān)電容濾波電路[ 3] , 通過開關(guān)電容濾波器的傳感器信號被濾除了與轉(zhuǎn)速不同頻率的其他噪聲。

      3) 程控放大電路, 因?yàn)闄z測到的不平衡電壓信號是變化的, 當(dāng)電壓信號變化時(shí), 有必要選擇合適的電壓放大倍數(shù)。通過程序選擇電壓放大電路中電阻的大小實(shí)現(xiàn)程控放大。

      轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心力壓迫主軸振動(dòng)。位于主軸上的壓電傳感器檢測到這個(gè)壓力并轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出到數(shù)據(jù)采集模塊中; 另一路安裝在轉(zhuǎn)子主軸邊的光電傳感器產(chǎn)生與主軸旋轉(zhuǎn)同頻率的參考信號, 兩路信號進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡, 數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)將傳感器采集的信號進(jìn)行放大, 整形,濾波。經(jīng)處理后的信號進(jìn)入C51 系列單片機(jī)系統(tǒng)的下位機(jī)進(jìn)行不平衡量與不平衡相位的計(jì)算與處理, 得到相位與幅值信號, 經(jīng)RS- 232 串口傳至上位機(jī)顯示和進(jìn)行相關(guān)計(jì)算, 由上位機(jī)程序判斷銑削弧度, 計(jì)算銑削深度和銑削位置。隨后上位機(jī)將角度信號和深度信號發(fā)送至PLC 并使各執(zhí)行部分進(jìn)行銑削去重的步驟。本機(jī)選用歐姆龍PLC 作為控制器, 負(fù)責(zé)對各執(zhí)行部件進(jìn)行電氣控制。

      2.1 2 PLC控制電路設(shè)計(jì)

      可編程序控制器( PLC) 是以微機(jī)技術(shù)為核心的通用工業(yè)控制裝置[ 4] , 它是將傳統(tǒng)的繼電器- 接觸器控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融于一體,具有功能強(qiáng)大、環(huán)境適應(yīng)性好、編程簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。本機(jī)選用歐姆龍公司的PLC, 伺服系統(tǒng)選用三菱公司Minas A4 系列交流伺服系統(tǒng)。并采用位置控制方式對電機(jī)進(jìn)行精確控制。圖2 為PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

      3 銑削去重?cái)?shù)學(xué)模型

      不平衡量通常在工程中采用重徑積來表示,如: 100 的物理意義為: 在100 的半徑處其殘余的不平衡量為1。平衡去重就是要在檢測出對應(yīng)的相位去掉固定大小的不平衡量( 單位為) 。平衡機(jī)去重方法有很多, 工程中常用的包括鉆削去重法, V 型銑削去重法, 外圍圓弧銑削去重法等。針對剎車盤這種盤狀工件, 去重系統(tǒng)采用外圍圓弧銑削方法進(jìn)行操作。此方法的優(yōu)點(diǎn)是一次去重量大, 加工速度快, 效率高, 便于程序控制。

      去重量與去重深度和去重弧度有關(guān), 按照實(shí)際工藝要求, 采用定長變深的去重策略[ 5] , 即固定剎車盤外圍銑削弧度為或。根據(jù)測量的不平衡量大小由程序判斷銑削弧度, 調(diào)整銑削深度不至于過深。根據(jù)上述特點(diǎn)如圖3 建立幾何去重模型: M= 不平衡量h = 去重深度D = 工件半徑Q= 工件密度B= 外圍銑削弧度, 圖4 為圖3 的側(cè)面結(jié)構(gòu)圖。

      圖中陰影部分為通過外圍圓弧銑削掉的部分,根據(jù)對稱性, 被銑削掉的部分的重心處于圖3 中的橫軸上。由于在自動(dòng)去重中, 工件半徑D, 銑刀刀寬w 都是已知量, 因此, 需要找出此不平衡量與銑削深度h, 外圍銑削弧度B之間的函數(shù)關(guān)系。

      4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

      組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng), 它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。

      應(yīng)用亞控公司的組態(tài)王軟件開發(fā)的控制界面,顯示測量出的工件不平衡量與不平衡角度的實(shí)時(shí)值, 并且能夠?qū)崟r(shí)顯示銑削運(yùn)行的狀態(tài)。系統(tǒng)支持手動(dòng)與自動(dòng)兩種方式, 當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí), 銑刀的伸縮, 銑刀旋轉(zhuǎn), 主軸與夾具的氣動(dòng)控制都可以進(jìn)行手動(dòng)操作。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí), 只需要操作人員將工件放置到工位上, 點(diǎn)擊/ 工件夾緊0后, 系統(tǒng)將自動(dòng)對工件進(jìn)行測試和銑削去重, 去重完成后汽缸自動(dòng)頂起工件并保存數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)軟件還包括參數(shù)設(shè)置, 報(bào)表查詢, 用戶密碼管理等界面。本系統(tǒng)控制主界面如圖5。

      動(dòng)平衡測試與工件去重都在機(jī)床上完成, 控制臺負(fù)責(zé)進(jìn)行測試操作、參數(shù)設(shè)置以及實(shí)時(shí)監(jiān)控去重流程?？刂栖浖缑嬗押?span>, 方便操作, 并具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲, 報(bào)表記錄、查詢、打印等功能。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換( Dy namic Data Ex chang e , DDE) 是Window s提供的一套基于消息的數(shù)據(jù)交換協(xié)議。在實(shí)際工程中經(jīng)常需要對批量加工的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存, 組態(tài)王的報(bào)表功能能滿足這種需要。其中報(bào)表的管理需要組態(tài)王和Ex cel 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換, 基于DDE 的處理[ 6] , 組態(tài)能夠?qū)⒚看渭庸で昂蟮牟黄胶饬?span>, 不平衡角度以及加工日期時(shí)間等數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的形式保存起來, 方便以后的查詢、管理。

      4 結(jié) 論

      采用組態(tài)王編寫的上位機(jī)控制系統(tǒng)能直觀的顯示不平衡量值以及不平衡角度的具體位置, 且能方便的監(jiān)控銑削狀態(tài)?；?span>PLC 控制的交流伺服電機(jī)的精確控制使平衡機(jī)自動(dòng)去重達(dá)到高精度的要求, 減少了系統(tǒng)中的校正誤差。大量實(shí)踐證明該平衡機(jī)一次去重率能達(dá)到90%以上。而且對于類似的需要通過銑削進(jìn)行平衡的盤狀轉(zhuǎn)子具有廣泛的通用性。