氣壓液體式磨床自動(dòng)平衡裝置控制策略與實(shí)驗(yàn)研究

第一作者潘鑫男， 博士生，1987年生

通信作者高金吉男， 教授,中國(guó)工程院院士，1942年生

氣壓液體式磨床自動(dòng)平衡裝置控制策略與實(shí)驗(yàn)研究

潘鑫， 吳海琦, 高金吉

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院診斷與自愈工程研究中心，北京100029)

摘要：砂輪在線動(dòng)平衡裝置是高速磨床上的重要組成部分。介紹了一種新型的氣壓液體式在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)，為該平衡系統(tǒng)提供了一種靶向控制策略。該控制策略在平衡裝置執(zhí)行操作前，已經(jīng)準(zhǔn)確定位不平衡量的大小和相位；平衡過程中，系統(tǒng)有確定目標(biāo)的進(jìn)行注氣操作，系統(tǒng)振動(dòng)幅值單調(diào)下降，平衡過程無錯(cuò)調(diào)現(xiàn)象。對(duì)注氣操作的控制方案進(jìn)行了定量分析，并選出了最優(yōu)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在多種轉(zhuǎn)速下，該類平衡裝置均可在15 s內(nèi)有效地降低系統(tǒng)的不平衡振動(dòng)，且振幅下降比例均在90%以上。

關(guān)鍵詞：磨床；自動(dòng)平衡；氣壓液體；靶向控制

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB026000)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51135001)

收稿日期：2013-10-21修改稿收到日期：2014-02-11

中圖分類號(hào):TB123; TB535文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Control strategy and experiment research on liquid-transfer active balancing device by pneumatic means for grinding machines

PANXin,WUHai-qi,GAOJin-ji(Diagnosis and Self-recovering Research Center, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

Abstract:Active balancing device of grinding wheel is an important part for high-speed grinding machines. A new type of liquid-transfer active balancing device was proposed and a targeted control strategy was provided for the balancing device. In the strategy, the amplitude and phase of imbalance were determined before the running of balancing device. During the process of balancing, the compressed air was injected to a determinate target, so as to make the amplitude of vibration decrease monotonically without any erroneous regulation phenomenon. Quantitative analysis was done on several control paths and the optimal path was selected. The experiment result demonstrates that the unbalance response can be reduced in 15s under three speed conditions and the decrease in amplitude is more than 90%.

Key words:grinding machine; active balancing; liquid transfer; targeted control

磨削加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)中的重要領(lǐng)域。高速及超高速磨削技術(shù)能極大地提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，實(shí)現(xiàn)難加工材料和復(fù)雜型面的精加工。砂輪高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的不平衡離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。所以，在高速磨削過程中，即使極小的不平衡質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生非常大的不平衡離心力，造成機(jī)床振動(dòng)，軸承磨損，被磨削工件產(chǎn)生表面波紋和增大表面粗糙度值，嚴(yán)重影響磨床的加工精度和使用壽命[1]。

因此，在高速磨削的技術(shù)體系中，高速砂輪的在線自動(dòng)平衡技術(shù)是必不可少的。美國(guó)、德國(guó)和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在高速磨床上均已普遍采用了自動(dòng)平衡系統(tǒng)。在我國(guó)，高精度的自動(dòng)平衡產(chǎn)品完全依賴國(guó)外進(jìn)口，且價(jià)格昂貴，所以造成該類產(chǎn)品的使用受限，僅在高檔機(jī)床上可見。已有的自動(dòng)平衡產(chǎn)品主要包括機(jī)電式[2]、電磁滑環(huán)式[3-4]和注液式[5]三種。在前兩種平衡裝置中，不可避免的要在旋轉(zhuǎn)部分引入偏心質(zhì)量塊、機(jī)械傳動(dòng)鏈或其它可動(dòng)部件。在較高的工作轉(zhuǎn)速下，偏心質(zhì)量塊會(huì)使支撐軸承承受極大的旋轉(zhuǎn)載荷，造成支撐軸承變形、卡滯甚至損壞；機(jī)械傳動(dòng)鏈也會(huì)受離心力干擾甚至鎖死，不能正常工作。而注液式平衡裝置因旋轉(zhuǎn)部分無可動(dòng)部件，不受高速離心力的干擾，更適用于高速的場(chǎng)合。但注液式平衡裝置因注液這一過程，需要多個(gè)液壓部件和液體回收、過濾裝置，價(jià)格昂貴，且平衡能力隨平衡過程逐漸減小，平衡狀態(tài)不能停機(jī)保持。所以，近年來，國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者致力于改進(jìn)該類平衡裝置，但在克服已有缺陷的同時(shí)，均會(huì)帶來新的問題：如Kerlin等的液氣式平衡裝置因驅(qū)動(dòng)液體轉(zhuǎn)移的方式為加熱汽化，使該裝置的響應(yīng)速度慢，且制造難度大；Steere Jr.等的氣壓液體式平衡裝置因在連通管上安裝了四個(gè)止逆閥，使該裝置不再適用于高速場(chǎng)合；釋液式平衡裝置雖可以做到平衡液的可控排出，但注液、釋液兩種運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換條件的判斷困難，而且平衡頭旋轉(zhuǎn)部分具有可動(dòng)部件——電磁閥；連續(xù)注排式平衡裝置雖然具備了既能注液又能排液的功能，但無休止的注液、排液，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性有很高要求[6-10]。在本文中，介紹一種新型的氣壓液體式在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)[11-12]，該系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部分無可動(dòng)部件，在整個(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。為該類系統(tǒng)提供了一種靶向控制策略，并通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該類系統(tǒng)的可靠性。

1工作原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣壓液體式自動(dòng)平衡裝置的工作原理為：在對(duì)稱分布的四個(gè)儲(chǔ)液室中預(yù)先充入平衡液，位置相對(duì)的兩個(gè)儲(chǔ)液室的液相通過連通管相連，以壓縮空氣為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)平衡液經(jīng)連通管在兩個(gè)儲(chǔ)液室之間作可控性流動(dòng)。通過改變平衡盤內(nèi)的液體分布，達(dá)到在線平衡受控設(shè)備的目的。

該系統(tǒng)主要包括平衡裝置、氣源系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)三部分，其工作原理圖和系統(tǒng)框圖分別如圖1和圖2所示。

1. 砂輪　2. 接桿法蘭　3.電主軸轉(zhuǎn)子 4.加速度傳感器 5. 位移傳感器6. 轉(zhuǎn)速傳感器 7.控制器 8.氣源(空壓機(jī)) 9.空氣過濾器 10.空氣減壓閥11.電磁閥組　 12.氣源分配器　13.平衡盤 圖1　自動(dòng)平衡系統(tǒng)工作原理圖 Fig.1 Principle digram of balancing system

圖2　自動(dòng)平衡系統(tǒng)框圖 Fig.2 Block digram of balancing system

平衡裝置由平衡盤和氣源分配器組成。其中，平衡盤通過接桿法蘭與電主軸轉(zhuǎn)子連接在一起，隨電主軸同步旋轉(zhuǎn)，內(nèi)含四個(gè)對(duì)稱分布的扇形儲(chǔ)液腔用于儲(chǔ)存平衡液，其儲(chǔ)液腔蓋板內(nèi)加工有兩條弧形的連通管路，用于作為兩對(duì)儲(chǔ)液腔間液體轉(zhuǎn)移時(shí)的液體流道。氣源分配器用于實(shí)現(xiàn)壓縮空氣從靜止管路到旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)液腔的動(dòng)靜傳遞，由定子、中間套和前后軸承組成：定子靜止不動(dòng)，內(nèi)部加工有四條軸向通道，分別連接四條進(jìn)氣管路，其外徑刻有四條軸向均布的環(huán)槽，四條環(huán)槽分別與四條軸向通道相連；中間套隨儲(chǔ)液腔同步旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)徑與定子外徑間有一定間隙，且加工有四個(gè)與儲(chǔ)液腔內(nèi)壁相通的進(jìn)氣孔，分別對(duì)應(yīng)定子上的四個(gè)環(huán)槽，用于將四路氣體引入相應(yīng)儲(chǔ)液腔；前后兩軸承則可以保證中間套和定子在較小間隙下長(zhǎng)周期、穩(wěn)定地運(yùn)行。

氣源系統(tǒng)由氣源、過濾器、減壓閥和電磁閥組構(gòu)成，主要用于將常壓空氣進(jìn)行加壓、過濾，并通過減壓閥調(diào)整至適當(dāng)壓力，最終經(jīng)過電磁閥組有方向的輸入執(zhí)行器。該平衡系統(tǒng)在平衡過程中所需壓縮氣量很小，驅(qū)動(dòng)壓力一般低于0.8 MPa，且在平衡過程完成后，即通過電磁閥切斷氣路，無需持續(xù)的注氣，所以利用小型的空壓機(jī)或普通的壓縮空氣鋼瓶即可滿足本系統(tǒng)對(duì)氣源的要求。

測(cè)控系統(tǒng)由傳感器和控制器組成，傳感器又分振動(dòng)傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，振動(dòng)檢測(cè)可以使用加速度傳感器也可以使用位移傳感器。傳感器用于檢測(cè)軸承座或平衡盤的振動(dòng)信號(hào)以及設(shè)備轉(zhuǎn)速信號(hào)；控制器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、提取，獲得振動(dòng)數(shù)據(jù)，并據(jù)此輸出控制信號(hào)，控制電磁閥組的通斷。

2控制策略

本文采用靶向控制方法對(duì)平衡裝置進(jìn)行在線控制，其特征在于：①在平衡裝置執(zhí)行操作前，系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)確定位不平衡量的大小和相位；②平衡過程中，系統(tǒng)有確定目標(biāo)的進(jìn)行注氣操作；③快速計(jì)算注氣時(shí)間，以使系統(tǒng)振動(dòng)幅值單調(diào)下降，平衡過程無錯(cuò)調(diào)現(xiàn)象。

2.1基本原理

靶向控制方法主要由5部分組成：

(1)數(shù)采，用于接收被測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)，提取其中的一倍頻分量；

(2)定位，利用一倍頻信號(hào)計(jì)算被測(cè)設(shè)備的不平衡量的大小和相位；

(3)轉(zhuǎn)換，將不平衡量轉(zhuǎn)換為平衡裝置中氣體驅(qū)動(dòng)液體轉(zhuǎn)移的時(shí)間控制量；

(4)分配，根據(jù)不平衡量的大小和相位，將時(shí)間控制量分解為相應(yīng)儲(chǔ)液腔的控制時(shí)長(zhǎng)；

(5)編譯，將控制時(shí)長(zhǎng)形成相應(yīng)的控制指令輸出，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器控制各儲(chǔ)液腔對(duì)應(yīng)電磁閥的開閉。

其中，數(shù)采部分通常采用跟蹤濾波或FFT等方法提取振動(dòng)信號(hào)中的一倍頻分量；對(duì)于不平衡量的定位，通常采用影響系數(shù)法來確定不平衡量的大小和所在相位；在計(jì)算時(shí)間控制量的過程中，可采用比例系數(shù)法或自適應(yīng)控制算法確定注氣時(shí)間，這里簡(jiǎn)述比例系數(shù)法的基本原理。

由平衡能力U和轉(zhuǎn)移質(zhì)量m間的關(guān)系知

U=km

(1)

(2)

設(shè)在平衡液的轉(zhuǎn)移過程中，連通管中平衡液的質(zhì)量流量為q，則當(dāng)轉(zhuǎn)移質(zhì)量為m時(shí)，所需注氣總時(shí)間的大小為：

(3)

氣壓液體式平衡裝置，利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)平衡液轉(zhuǎn)移。為了使平衡裝置在相位為(β+180°)的相位產(chǎn)生校正質(zhì)量m，系統(tǒng)應(yīng)在β的相位注入壓縮空氣，所以注氣相位的公式為：

ψ=β+180°-180°=θ

(4)

(5)

將注氣總時(shí)間按正弦或余弦定理分解到各個(gè)儲(chǔ)液腔，即可得到各腔對(duì)應(yīng)電磁閥的開閉時(shí)間。

在注氣時(shí)間的分解過程中，當(dāng)注氣相位處于0°、90°、180°和270°四個(gè)位置時(shí)，只需向單腔注氣；當(dāng)注氣相位處于45°、135°、225°和315°四個(gè)位置時(shí)，需同時(shí)向兩腔注氣，且兩腔注氣時(shí)間相同。對(duì)于這兩種情況，直接執(zhí)行即可，不需要區(qū)分先后。但除這八個(gè)位置之外，其余位置均需兩個(gè)腔注氣，且注氣的時(shí)間長(zhǎng)短不同。這時(shí)，需要根據(jù)控制效果，考慮注氣的先后順序，即優(yōu)化控制路徑。

2.2控制路徑

現(xiàn)以注氣相位在0°~45°范圍內(nèi)為例，進(jìn)行控制效果分析。

(6)

此時(shí)，控制系統(tǒng)需要分別向A、B兩儲(chǔ)液腔注氣。若兩平衡管的質(zhì)量流量相同，且均為q，則A腔和B腔對(duì)應(yīng)的注氣時(shí)間分別為

(7)

式中:ta>tb>0，即A腔對(duì)應(yīng)電磁閥的注氣時(shí)間長(zhǎng)于B腔對(duì)應(yīng)電磁閥。

在這種情況下，控制系統(tǒng)的注氣順序存在5種方案：

(1)先開B腔電磁閥，待B腔注氣結(jié)束后，打開A腔電磁閥，直至注氣結(jié)束?？刂破鬏敵龅目刂浦噶畎▋刹糠郑詴r(shí)間t為變量，剩余不平衡量可用公式表示為

(2)先開A腔電磁閥，待A腔注氣結(jié)束后，打開B腔電磁閥，直至注氣結(jié)束。平衡過程中，剩余不平衡量可用公式表示為

(3)同時(shí)打開A、B兩儲(chǔ)液腔電磁閥，待B腔注氣結(jié)束后，關(guān)閉B腔對(duì)應(yīng)電磁閥，A腔電磁閥繼續(xù)打開，直至注氣結(jié)束。平衡過程中，剩余不平衡量可用公式表示為

(10)

(4)首先打開A腔電磁閥，在A腔注氣一段時(shí)間后，開啟B腔電磁閥，最終兩電磁閥同時(shí)停止工作。平衡過程中，剩余不平衡量可用公式表示為

(11)

(5)將B腔電磁閥的通電時(shí)間均分為j份，在打開A腔電磁閥注氣的過程中，B腔電磁閥間斷性打開，最終使兩電磁閥幾乎同時(shí)停止工作。在該平衡過程中，剩余不平衡量的計(jì)算需分次2j個(gè)區(qū)間進(jìn)行分段考慮，具體可用公式表示為

(12)

由該圖曲線知，方案(3)對(duì)應(yīng)的控制速度最快，控制效果最好，所以在控制程序中，以方案(3)作為最終的控制方案，即當(dāng)需要同時(shí)向兩個(gè)儲(chǔ)液腔注氣時(shí)，控制指令的編譯包括3步：①同時(shí)打開兩目標(biāo)儲(chǔ)液腔對(duì)應(yīng)電磁閥，向儲(chǔ)液腔進(jìn)行注氣，直至注氣時(shí)間短的儲(chǔ)液腔注氣結(jié)束；②關(guān)閉注氣時(shí)間短的儲(chǔ)液腔對(duì)應(yīng)的電磁閥，注氣時(shí)間長(zhǎng)的儲(chǔ)液腔對(duì)應(yīng)電磁閥繼續(xù)開放，直至注氣結(jié)束；③注氣結(jié)束，關(guān)閉電磁閥組。

圖4　控制方案對(duì)比結(jié)果 Fig.4 Comparison of control paths

3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)。

3.1實(shí)驗(yàn)裝置

圖5　平衡系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置 Fig.5 Experimental installation of balancing system

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)格參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)CBN砂輪的規(guī)格參數(shù)相同，外徑250 mm，內(nèi)徑127 mm，厚20 mm。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，便于更好的平衡系統(tǒng)由砂輪不平衡帶來的振動(dòng)。平衡盤外徑100 mm，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。

本實(shí)驗(yàn)裝置選用一臺(tái)無油空氣壓縮機(jī)作為壓縮空氣氣源。該空壓機(jī)的最高工作壓力為0.8 MPa，氣體流量為89 L/min，并配有一容積為6 L的儲(chǔ)氣罐，用于儲(chǔ)存壓縮空氣。在空壓機(jī)出口處加裝過濾減壓器，將壓縮空氣壓力減壓至0.3MPa。4臺(tái)兩位三通電磁閥構(gòu)成電磁閥組，分別對(duì)應(yīng)平衡盤內(nèi)的4個(gè)儲(chǔ)液腔，由一臺(tái)減壓閥統(tǒng)一調(diào)整電磁閥組進(jìn)口處的氣體壓力。該氣源系統(tǒng)如圖6所示。

圖6　氣源系統(tǒng)構(gòu)成 Fig.6 Gas supply system

位移傳感器和接近開關(guān)的電壓信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理卡和數(shù)據(jù)采集卡，輸入工控機(jī)。在工控機(jī)中，利用Labview軟件，編制數(shù)據(jù)處理和控制程序。在該程序中，利用輸入的位移信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，計(jì)算被測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前振動(dòng)的一倍頻振動(dòng)幅值和相位，并判斷被測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)幅值是否超出預(yù)設(shè)值。當(dāng)判斷結(jié)果為真時(shí)，確定系統(tǒng)初始不平衡量的位置和大小，并計(jì)算各電磁閥的通電時(shí)間，輸出控制指令?？刂浦噶钔ㄟ^數(shù)字I/O卡輸出脈沖信號(hào)，進(jìn)而控制各電磁閥的通電時(shí)間。當(dāng)某電磁閥通電后，該電磁閥打開，壓縮空氣通過進(jìn)氣管路進(jìn)入平衡裝置，對(duì)相應(yīng)儲(chǔ)液腔實(shí)現(xiàn)注氣操作。實(shí)驗(yàn)證明每次主動(dòng)平衡過程多次注氣操作的累計(jì)時(shí)間不應(yīng)大于30 s，因此在平衡程序中設(shè)定30 s為一次平衡操作的極限時(shí)間，如果30 s內(nèi)不能將振動(dòng)幅值降低至設(shè)定值以下，則停止本次平衡操作，并提示使用者，驅(qū)動(dòng)壓力過低或不平衡量已超出了該裝置的平衡能力。

3.2實(shí)驗(yàn)效果

因該實(shí)驗(yàn)裝置的臨界轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，所以本文僅在臨界轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行自動(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7所示。

在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動(dòng)幅值為6.3 um，經(jīng)過11 s的自動(dòng)平衡后，系統(tǒng)振動(dòng)幅值降低至0.32 um，振幅下降比例達(dá)94.9%；

在5 000 r/min的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動(dòng)幅值為8.5 um，經(jīng)過15 s的自動(dòng)平衡后，系統(tǒng)振動(dòng)幅值降低至0.35 um(P-P)，振幅下降比例達(dá)95.9%；

在5 500 r/min的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動(dòng)幅值為10.2 um，經(jīng)過15 s的自動(dòng)平衡后，系統(tǒng)振動(dòng)幅值降低至0.37 um，振幅下降比例達(dá)96.4%。

圖7　平衡效果圖 Fig.7 Effect drawings of balancing system

從此實(shí)驗(yàn)效果可以看出，本文所介紹的平衡裝置在3種工況下均可在15 s內(nèi)有效地降低系統(tǒng)振動(dòng)幅值，且振幅下降比例均在90%以上，平衡性能可靠。

4結(jié)論

液體式自動(dòng)平衡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、旋轉(zhuǎn)部分無可動(dòng)部件，比機(jī)械式平衡裝置更適于高速的場(chǎng)合。但已有的注液式平衡裝置由于注液這一過程，具有不可避免的一些缺陷，限制了該類產(chǎn)品的使用。本文介紹了一種新型的液體式平衡裝置，不僅擺脫了注液這一過程，且旋轉(zhuǎn)部分無需增加可動(dòng)部件。為該平衡系統(tǒng)提供了一種靶向控制策略，且對(duì)不同注氣順序的平衡效果進(jìn)行了定量分析，選出了最優(yōu)的控制路徑。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該類平衡裝置可以在多個(gè)工作轉(zhuǎn)速下，快速、有效地降低系統(tǒng)的不平衡振動(dòng)。

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