砂輪不平衡量檢測方法的研究

母德強，陳懿，崔博，范以撒

(長春工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，吉林長春 130012)

0 前言

隨著制造技術(shù)的發(fā)展，對工件加工的精度要求也逐步提高，磨削加工就是精加工的一種。實際的磨削加工是受多因素共同作用的加工系統(tǒng)，加工過程中極易產(chǎn)生振動。這種振動會使砂輪和加工工件間的相對位置發(fā)生微幅的變動，從而影響加工精度［1－4］。而砂輪振動主要是由于砂輪剛性轉(zhuǎn)子不平衡所引起的。由于砂輪制造過程中材質(zhì)的不均勻性、砂輪在安裝過程中的誤差和其他一些因素，均會引起砂輪剛性轉(zhuǎn)子的不平衡。

為克服砂輪的不平衡，自20世紀50年代起，國內(nèi)外便開始進行砂輪在線平衡系統(tǒng)的研究與開發(fā)［5］。通常砂輪平衡系統(tǒng)由平衡頭、傳感器和控制系統(tǒng)三部分組成［6－10］。平衡頭是平衡系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu);傳感器負責(zé)對不平衡量引起的振動信號進行拾取;控制系統(tǒng)對傳感器所采集的振動信號進行分析，并控制平衡頭對砂輪的不平衡量進行平衡［11］。為提高平衡精度，對振動信號的精確檢測是關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)行的測量方法是將加速度傳感器固定于砂輪架上，并與電渦流傳感器相配合來確定不平衡量的大小與相位。這種方法所拾取的信號中不可避免地會夾雜一些其他的振源。

1 砂輪不平衡量幅值與相位的確定

1.1 不平衡量幅值的確定

在磨削系統(tǒng)中，砂輪軸為剛性的;加工過程中系統(tǒng)阻尼影響較小，為簡化計算，故忽略阻尼對系統(tǒng)的影響;加之系統(tǒng)在豎直方向上，為誤差的非敏感方向且支撐剛性較大，故可將系統(tǒng)簡化為一個水平平面內(nèi)的二自由度振動系統(tǒng)［12－13］，如圖1所示。圖中y為傳感器距質(zhì)心的距離。

圖1 砂輪架結(jié)構(gòu)簡圖

系統(tǒng)的左、右端面處存在不平衡量，分別為U1=e1m1，U2=e2m2。其中e1，e2分別為左、右端面處不平衡量的偏心距;m1，m2分別為左、右端面處的不平衡質(zhì)量。

由不平衡量在轉(zhuǎn)動過程中所產(chǎn)生的激振力表示如下:

其中ω為剛性轉(zhuǎn)子的角速度。

根據(jù)上式其在水平面上的水平分力為:

式中:φ為右端面不平衡量U2與砂輪軸軸線所組成平面相對于水平面的初相，φ∈［－π，π］;θ為不平衡量U1，U2所在平面間的相位差，其中θ∈［－π，π］。

根據(jù)理論力學(xué)，可得轉(zhuǎn)子的運動微分方程組為:

式中:M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量;J為以繞通過質(zhì)心并垂直于水平面為軸的轉(zhuǎn)動慣量;KL，KR分別為左右支撐軸承處的油膜剛度;l1，l2分別為轉(zhuǎn)子質(zhì)心到左右支撐的水平距離;a為左端面到左支撐的水平距離;b為右端面到右支撐的水平距離;x為轉(zhuǎn)子質(zhì)心相對于靜止位置的位移;α為轉(zhuǎn)子軸線相對于靜止位置時的偏轉(zhuǎn)角。

1.1.1 當(dāng)僅有左側(cè)不平衡量作用時

當(dāng)U1≠0，U2=0時，設(shè)振動方程解的形式如下:

將其代入方程組，又由于KL≈KR，所以設(shè)K=KL=KR，因此可得簡化解:

由此可得傳感器處振動位移如下:

Δx1=yα1cos(ωt+θ+φ)+x1cos(ωt+θ+φ)=AU1cos(ωt+θ+φ)

其中A為振幅影響系數(shù)，表示如下:

1.1.2 當(dāng)僅有右側(cè)不平衡量作用時

同理可得，當(dāng)U1=0，U2≠0時，設(shè)振動方程解的形式如下:

將其代入方程組，可解得:

傳感器處振動位移如下:

其中B為振幅影響系數(shù)，表示如下:

1.1.3 雙側(cè)不平衡量共同作用時

當(dāng)U1≠0，U2≠0時，根據(jù)力學(xué)疊加原理，傳感器處振動位移如下:

Δx=Δx1+Δx2

由此可分別得出砂輪軸左、右兩端的振動幅值，如下:

1.2 不平衡量相位的確定

砂輪不平衡量的相位用轉(zhuǎn)速跟蹤法來確定，這種方法也叫整周期截斷DFT法，該方法主要用于旋轉(zhuǎn)機械振動信號的測量。它以旋轉(zhuǎn)頻率為基頻，對所采集的振動信號進行DFT計算，這樣就可以確定不平衡量的相位。

不平衡量的時域波形為周期諧波信號f(t)，即不平衡量的振動信號在一個周期內(nèi)有有限個極值點和第一類間斷點。滿足Dirichlet條件，則信號f(t)可作傅里葉變換。

具體變換步驟如下:

綜上所述，不平衡量的振動信號可表示為:

利用最大振幅相位法可求出振幅峰值處的相位與基準信號上升沿間的所對應(yīng)的相位夾角，如圖2所示。

圖2 不平衡量相位提取圖

2 對新的檢測方法的試驗驗證

現(xiàn)行的振動信號檢測方法是將加速度傳感器固定于砂輪架上，對砂輪的振動信號進行拾取。

這種方法所拾取的振動信號不可避免會夾雜一些其他振源的振動信號，也可以說所拾取的是磨床的振動信號。

為提高信號的檢測精度和抗干擾能力，對現(xiàn)行的檢測方法進行改進。用激光位移傳感器替換加速度傳感器，需要注意的是激光位移傳感器測量的是砂輪軸非支撐處振動位移，并將其用磁力表座固定于砂輪架上。

新方法通過激光位移傳感器拾取的是砂輪軸被測量處相對于砂輪架的振動信號。與現(xiàn)行的檢測方法相比，該檢測方法可以剔除其他振源的振動信號。例如，電機和傳動機構(gòu)的振動。同時也提高了檢測的抗干擾能力。

2.1 現(xiàn)行檢測方法拾取的振動信號的時頻分析

檢測時，設(shè)備布局如圖3所示。

圖3 現(xiàn)行檢測法設(shè)備布局圖

設(shè)置的采樣點數(shù)為1 024，采樣頻率為5 000 Hz。在這種采樣參數(shù)下，測得水平方向的振動信號時域圖，如圖4所示，其頻譜圖如圖5所示。

圖4 現(xiàn)行檢測方法采集的振動信號時域圖

圖5 現(xiàn)行檢測方法采集的振動信號頻域圖

2.2 新方法所測相對振動信號的時頻分析

采用新的檢測方法時，設(shè)備布局與進行絕對振動信號時的布局相似，區(qū)別在于用磁力表座將激光位移傳感器固定于砂輪架上，傳感器與被測量處不接觸，如圖6所示。

圖6 新型檢測法設(shè)備布局圖

設(shè)置的采樣點數(shù)為1 024，采樣頻率為5 000 Hz。在這種采樣參數(shù)下，測得相對于砂輪架的振動信號的時域圖如圖7所示，其頻域圖如圖8所示。

圖7 相對振動信號的時域圖

圖8 相對振動信號的頻域圖

3 結(jié)束語

通過上述實驗驗證，在相同的實驗條件下，相對振動信號檢測法與現(xiàn)行檢測方法相比，可以剔除其他振源的干擾信號，從而提高振動信號的采集精度，同時也提高了采集振動信號過程中的抗干擾能力。

［1］蘇健，章鐵鐘，高冰，等．砂輪在線自動平衡系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢［J］．軸承，2006(11):16－19．

［2］韓繼光，王貴成．精密磨床的砂輪自動平衡系統(tǒng)［J］．徐州師范大學(xué)學(xué)報，2007，25(1):65－68．

［3］魏于評，周松喜，郭樺．不平衡量對砂輪跳動影響的研究［J］．金剛石與磨料磨具工程，2011，31(4):70－73．

［4］林遠東．偏心質(zhì)量引起的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)振動的動力學(xué)研究［J］．機械設(shè)計與制造，2008(5):29－30．

［5］路長厚，艾興．國內(nèi)外砂輪平衡技術(shù)發(fā)展狀況［J］．磨床與磨削，1997(3):14－17．

［6］馬海濤，尤文，賈文超．一種基于重塊平衡原理的砂輪動平衡系統(tǒng)建模方法［J］．長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，27(1):21－23．

［7］賀世正．釋放液體式自動平衡頭的研究［J］．浙江大學(xué)學(xué)報，2001，35(4):418－422．

［8］冀清發(fā)．砂輪在線液體自動平衡系統(tǒng)及其平衡精度的研究［D］．長春:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所研究生院，2004．

［9］沈明．氣體介質(zhì)的砂輪動平衡裝置的研制［J］．磨床與磨削，1997(3):25－27．

［10］母德強，趙心文，毛志陽，等．徑注式砂輪在線液體平衡裝置的設(shè)計［J］．中國機械工程，1996，7(3):58－60．

［11］蘇健，高冰，張衛(wèi)軍，等．砂輪自動平衡系統(tǒng)的原理及應(yīng)用［J］．軸承，2003(1):29－31．

［12］謝志江，唐一科，李遠友．轉(zhuǎn)子雙面現(xiàn)場動平衡的不卸試重平衡法［J］．重慶大學(xué)學(xué)報，2002，25(9):101－103．

［13］唐一科．用振幅測量原理研究機器剛性轉(zhuǎn)子現(xiàn)場雙面動平衡問題的新方法［J］．重慶大學(xué)學(xué)報，1989，12(4):46－54．