高速磨削在線動平衡系統(tǒng)硬件設(shè)計*

尹明泉 景敏卿 劉 恒 樊紅衛(wèi)

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子及信息系統(tǒng)研究所，陜西西安 710049)

現(xiàn)代高速數(shù)控機(jī)床普遍采用電主軸取代傳統(tǒng)機(jī)械主軸，因此主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)上萬轉(zhuǎn)，甚至數(shù)十萬轉(zhuǎn)。在如此高的轉(zhuǎn)速下，電主軸的微小不平衡量，都將引起巨大的慣性離心力，進(jìn)而造成機(jī)床的振動，導(dǎo)致工件精度和表面質(zhì)量下降。因此，國內(nèi)高檔數(shù)控機(jī)床一般都配有專門的動平衡系統(tǒng)。圖1是使用某國產(chǎn)數(shù)控磨床加工齒輪工件的工作現(xiàn)場(這里，仍采用機(jī)械主軸，工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min)。圖中，砂輪軸端安裝了美國許密特工業(yè)公司研制的SBS自動平衡頭。

在線自動動平衡是近些年興起并開始在工程實際中應(yīng)用的智能動平衡工藝。目前，國內(nèi)機(jī)床上安裝的在線動平衡裝置主要來自美國、德國和日本等廠家。就一個普通的機(jī)械式SBS動平衡頭，價格在8萬元左右，而新型的電磁式平衡頭更要大約14萬元。因此，我國必須研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的在線自動平衡裝置(含平衡頭和測控系統(tǒng))，擺脫被國外產(chǎn)品壟斷國內(nèi)市場的局面。

國內(nèi)關(guān)于自動平衡頭的研究工作大概始于20世紀(jì)90年代。浙江大學(xué)汪希萱、曾勝、歐陽紅兵［1－2］，國防科技大學(xué)葛哲學(xué)、陶利民［3－4］，北京化工大學(xué)何立東、沈偉、劉錦南［5－6］，北京工業(yè)大學(xué)伍良生、楊慶坤［7－8］等人先后研究出了機(jī)械式和電磁式自動平衡頭，但都未能投入使用，尚未見一套國內(nèi)自主研發(fā)的動平衡系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床主軸。

筆者在閱讀前人文獻(xiàn)過程中，深刻認(rèn)識到電主軸已成為數(shù)控機(jī)床的核心功能部件，尤其成為制約高檔數(shù)控機(jī)床發(fā)展的重要部件，而高轉(zhuǎn)速、高精度、大功率、高可靠性的電主軸系統(tǒng)儼然已成為目前發(fā)展的主要方向。作為保證電主軸高速、高精度的平衡運行監(jiān)測裝置，其更是電主軸自動平衡過程中不可或缺的部分。要監(jiān)測主軸的高轉(zhuǎn)速，并對這種高轉(zhuǎn)速主軸系統(tǒng)的不平衡振動進(jìn)行主動平衡控制就需要監(jiān)測系統(tǒng)在軟件方面實現(xiàn)快速計算與決策，同時在硬件方面更應(yīng)該具有良好的高速性和可靠性。本文通過DSP和FPGA相結(jié)合的方式實現(xiàn)信號的高速采集和處理。另外，由于要實現(xiàn)對不平衡振動的快速、精確控制，要求在信號采集過程中盡量保證信號的高信噪比，從而更容易地提取不平衡振動特征，因此采用三級信號調(diào)理電路(信號隔離放大、可編程截止頻率濾波和阻抗匹配電路)，以保證數(shù)字轉(zhuǎn)換后信號的純凈度。因此，針對高速數(shù)控磨床砂輪—電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)及其對高轉(zhuǎn)速、高精度、高可靠性的要求，設(shè)計了一套實用的在線動平衡系統(tǒng)硬件，它包括測控系統(tǒng)和自動平衡頭兩部分。

1 在線動平衡測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

動平衡測控系統(tǒng)的主要功能是完成不平衡量提取以及根據(jù)不平衡大小和方位驅(qū)動控制自動平衡頭移動。因此，測控系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括測振傳感器、鑒相傳感器、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、DSP微處理器、FPGA模塊和D/A驅(qū)動模塊等，其相互連接關(guān)系如圖2所示。

圖中，在線動平衡測控過程為:首先，由傳感器采集到振動信號和轉(zhuǎn)速信號;經(jīng)過信號調(diào)理模塊對其隔離放大、濾波等前期處理;然后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，將離散數(shù)字序列存放在高速緩存區(qū)，利用可編程邏輯控制器FPGA將高速緩存區(qū)的數(shù)據(jù)傳送給DSP模塊。這些離散數(shù)據(jù)經(jīng)由DSP模塊進(jìn)行信號特征提取和控制算法運算，一方面通過FPGA傳給D/A模塊輸出信號進(jìn)行動平衡控制，另一方面通過網(wǎng)絡(luò)硬件協(xié)議棧W3100A上傳至監(jiān)測前端進(jìn)行特征信號實時在線顯示。在如上監(jiān)測裝置中，采用可編程邏輯控制器FPGA，有以下3個作用:(1)控制各器件的動作時序，使各個器件在不同時刻按規(guī)定的先后順序執(zhí)行;(2)對脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，以作為主軸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和相位計算的參考標(biāo)準(zhǔn);(3)作為數(shù)據(jù)傳遞的中間橋梁，由于FPGA和DSP采用HPI通信，使數(shù)據(jù)傳輸更為快捷。

在動平衡測控系統(tǒng)中，振動信號的硬件調(diào)理(主要是放大和濾波)對整個平衡裝置的測試精度影響較大，筆者采用了如圖3所示的信號調(diào)理模塊。其中，模擬濾波器采用TLC04(可編程截止頻率低通濾波器)，其原理如圖4所示。

從圖4可知，TLC04是一個具有四階開關(guān)電容的巴特沃斯濾波器，通過改變時鐘發(fā)生器的輸出可以達(dá)到改變不同截止頻率，從而實現(xiàn)可編程濾波的目的。

從模擬濾波器輸出的信號經(jīng)過阻抗匹配電路，可以抑制信號的反射，獲得最大功率輸出，使輸入DSP中的信號盡可能干凈。

根據(jù)以上原理，筆者設(shè)計開發(fā)的振動信號調(diào)理電路如圖5所示。

2 在線自動動平衡裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于機(jī)械式自動平衡裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要特殊電動機(jī)，且平衡轉(zhuǎn)速受限。因此，筆者采用新型電磁滑環(huán)式平衡頭結(jié)構(gòu)，如圖6［6，9］所示。整個平衡頭由動環(huán)和靜環(huán)兩部分組成，其中，動環(huán)是核心部件，隨主軸轉(zhuǎn)動，靜環(huán)則與機(jī)床不動部分固連。這種結(jié)構(gòu)的平衡頭軸向和徑向尺寸小、機(jī)械零部件少、離合簡單，因此，理論上可用于更高轉(zhuǎn)速場合。

如圖6c，靜環(huán)是驅(qū)動機(jī)構(gòu)，由線圈和鐵芯組成。線圈有兩組，每組分別控制一個配重盤。當(dāng)控制器發(fā)出電壓脈沖后，線圈得電，即產(chǎn)生電磁場，并磁化鐵芯得到加強(qiáng)磁場。動環(huán)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖6a和b所示，靠過盈配合裝在主軸上，隨主軸一起轉(zhuǎn)動。其內(nèi)部為對稱結(jié)構(gòu)，包括2個配重盤、3個磁性板(中間和兩側(cè))、2個隔磁板、2個滾動軸承、2個端部外殼。中間磁性板居于整個動環(huán)的中心，其他部件以它為中心對稱組裝。配重盤是動環(huán)的核心構(gòu)件，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7中，配重盤基體由鋁或不銹鋼制成。一般是在半個圓環(huán)面上均勻加工若干個孔以提供校正質(zhì)量。在整個圓環(huán)面的外緣上均勻加工若干個小孔并在孔中鑲?cè)氪笮∠嗤拟S鐵硼等永磁材料作為永磁體，兩個相鄰永磁體的磁極方向相反。配重盤和主軸之間有兩對滾動軸承，其內(nèi)圈用過盈配合安裝在主軸上，外圈與配重盤的內(nèi)圈過盈連接。

本文設(shè)計的平衡頭結(jié)構(gòu)除了動作簡單外，平衡頭與主軸之間的離合方式也很簡單，而且在文獻(xiàn)［9］中已經(jīng)證明是可靠的。該電磁平衡頭的鎖緊方式為磁路鎖緊，原理如下:如圖 8［10］，a、c 是穩(wěn)定平衡位置，b是中間過渡位置，這3個位置構(gòu)成1個最小平衡作動單元。在圖8a、c中，由磁阻最小原理，中間配重盤和兩邊磁性板能形成一個閉合回路，實現(xiàn)配重盤的鎖緊。

圖8中，a、c兩個平衡位置的線圈磁場方向相反，這是靠驅(qū)動電壓極性反向產(chǎn)生的。對線圈施加極性交替變換的電壓脈沖的目的是保證配重盤沿同一個方向連續(xù)運動。

3 結(jié)語

(1)提出了機(jī)床主軸在線動平衡測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案，并對不平衡振動信號的調(diào)理電路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。

(2)提出了電磁平衡頭的基本結(jié)構(gòu)，討論了各組成部件的材料、形式和裝配關(guān)系等，建立了該平衡頭的三維模型。

(3)本文所設(shè)計的在線動平衡系統(tǒng)以“DSP+FPGA”為測控核心，以無需外加離合器的電磁平衡頭為執(zhí)行器，為旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線動平衡系統(tǒng)的國產(chǎn)化提供了一條可行的技術(shù)途徑。

［1］歐陽紅兵，汪希萱.兩種新型電磁式在線自動平衡頭［J］.工藝裝備，2002，40(455):47 －48.

［2］汪希萱，曾勝.電磁式在線自動平衡系統(tǒng)及其動平衡方法研究［J］.熱能動力工程，2003，18(103):53 －57.

［3］葛哲學(xué)，陶利民.新型電磁式自動平衡裝置的研究［J］.機(jī)械，2001，28(6):62－64.

［4］葛哲學(xué).剛性轉(zhuǎn)子自動平衡系統(tǒng)研究［D］.長沙:國防科技大學(xué)，2002.

［5］沈偉，何立東，高金吉.應(yīng)用電磁式主動平衡裝置解決煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動問題的研究［J］.煉油技術(shù)與工程，2005，35(11):25 －29.

［6］劉錦南.電磁式自動平衡系統(tǒng)的實驗研究及其在超重力機(jī)中的應(yīng)用［D］.北京:北京化工大學(xué)，2006:17－36.

［7］楊慶坤.高速主軸在線動平衡裝置的設(shè)計與研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2006.

［8］伍良生，賀江波，張云禧，等.高速主軸在線動平衡機(jī)構(gòu)驅(qū)動器設(shè)計［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，33(12):1233 －1238.

［9］沈偉.旋轉(zhuǎn)機(jī)械主動平衡技術(shù)及工程應(yīng)用的研究［D］.北京:北京化工大學(xué)，2006:21 －60.

［10］Moon Jong Duk，Kim Bong－Suk，Lee Soo－Hun.Development of the active balancing device for high－speed spindle system using influence coefficients［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46(9):978 －987.