陀螺轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精密調(diào)整方法*

張廣威,婁志峰，魏　超

(大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連　116023)

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陀螺轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精密調(diào)整方法*

張廣威,婁志峰，魏超

(大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116023)

摘要：陀螺儀廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，其動(dòng)平衡精度要求較高，但調(diào)整較為繁瑣且效率不高。為了解決某型號(hào)陀螺儀動(dòng)平衡調(diào)整難題，針對(duì)陀螺儀自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及高精度、高穩(wěn)定性的要求，采用質(zhì)心平移法研制了調(diào)整分辨率達(dá)到0.2μm的陀螺儀動(dòng)平衡自動(dòng)化調(diào)整裝置，并用此裝置進(jìn)行了動(dòng)平衡調(diào)整實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)三次調(diào)整后，剩余不平衡量為14.3mg·mm，滿足精度要求。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了質(zhì)心平移法調(diào)整的合理性及可行性,調(diào)整效率顯著提高。

關(guān)鍵詞：陀螺儀;調(diào)整裝置;動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)

0引言

轉(zhuǎn)子不平衡是引起機(jī)器振動(dòng)的主要原因之一，也是誘發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定的主要因素。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者就如何有效消除轉(zhuǎn)子不平衡開展了大量研究。郭曉偉[1]等提出通過(guò)力學(xué)計(jì)算將轉(zhuǎn)子質(zhì)心處的許用不平衡量平移到易處理的兩個(gè)端面進(jìn)行校正，達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)的目的。徐賓剛[2]等采用影響系數(shù)法的平衡目標(biāo)和優(yōu)化思想，利用遺傳算法計(jì)算出配重，有效降低轉(zhuǎn)子剩余不平衡量。劉鋼旗[3]等利用轉(zhuǎn)子有限元建模技術(shù)，通過(guò)無(wú)試重模態(tài)動(dòng)平衡方法計(jì)算出平衡所需的配重大小和方位，顯著提高轉(zhuǎn)子平衡效率。商占勝[4]深入分析撓性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡原理及動(dòng)平衡設(shè)備對(duì)轉(zhuǎn)子平衡的影響，提出通過(guò)改善轉(zhuǎn)子安裝工藝的方法消除轉(zhuǎn)子不平衡的影響。D.J. Rodrigues[5]等基于大量實(shí)驗(yàn)建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出雙平面自動(dòng)平衡裝置消除剛性轉(zhuǎn)子的不平衡。K.Green[6]等對(duì)偏心轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡機(jī)械的動(dòng)力系統(tǒng)模型的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析研究。從國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡的研究可以看出，消除不平衡的方法多是在轉(zhuǎn)子單個(gè)端面或者左、右兩個(gè)校正平面上進(jìn)行調(diào)整,適當(dāng)?shù)卦鲋鼗驕p重消除轉(zhuǎn)子的不平衡力,使轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡。

陀螺儀在慣性制導(dǎo)領(lǐng)域中起到關(guān)鍵作用，其良好的工作性能對(duì)飛行器飛行姿態(tài)的判斷至關(guān)重要。陀螺轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速可以達(dá)到每分鐘一萬(wàn)多轉(zhuǎn)，甚至更高。轉(zhuǎn)子在如此高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，對(duì)動(dòng)平衡精度的要求非常高。陀螺轉(zhuǎn)子的不平衡調(diào)整需在組裝完整情況下進(jìn)行，且對(duì)單個(gè)部件均已進(jìn)行不平衡調(diào)整，若采用加減重的方法會(huì)破壞各部件的自身平衡精度。長(zhǎng)期以來(lái)，陀螺轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡調(diào)整多依靠工人技能和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成。人工手動(dòng)調(diào)整難以精確控制位移量，且對(duì)工人技能水平要求高，但調(diào)整效率較低及難度較大，因此迫切需要研制用于陀螺轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的自動(dòng)化裝置。

本文針對(duì)陀螺轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡手動(dòng)調(diào)整過(guò)程中存在的調(diào)整位移難以控制、對(duì)工人技能要求高、調(diào)整效率低等問(wèn)題，結(jié)合陀螺儀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及高精度、高可靠性的要求，研制了陀螺儀動(dòng)平衡自動(dòng)化調(diào)整裝置，該裝置采用質(zhì)心平移法實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡調(diào)整，且能使自動(dòng)化調(diào)整和測(cè)量同步進(jìn)行，減少調(diào)整過(guò)程中人為因素干擾，有效提高調(diào)整精度和效率。

1陀螺儀動(dòng)平衡自動(dòng)化調(diào)整裝置

圖1為陀螺儀拆卸圖，轉(zhuǎn)子軸頸與軸承之間采用間隙配合，其中轉(zhuǎn)子軸頸上均布有12個(gè)調(diào)整螺紋孔。陀螺儀動(dòng)平衡自動(dòng)化調(diào)整裝置如圖2所示，由陀螺儀夾持模塊、轉(zhuǎn)子調(diào)整模塊、轉(zhuǎn)子移動(dòng)測(cè)量模塊、機(jī)器視覺模塊、工控機(jī)等組成。整個(gè)控制系統(tǒng)基于LabVIEW軟件各模塊化功能設(shè)計(jì)完成。裝置調(diào)整分辨率達(dá)到0.2μm。調(diào)整原理如下：在互相垂直的90°方向兩個(gè)調(diào)整螺釘同時(shí)拉動(dòng)轉(zhuǎn)子中心，并由兩個(gè)位移傳感器分別測(cè)量轉(zhuǎn)子在兩個(gè)調(diào)整方向上的位移。根據(jù)平行四邊形法則，在調(diào)整方向上兩個(gè)位移矢量的合成即為質(zhì)心位移矢量，將轉(zhuǎn)子質(zhì)心調(diào)整到許可范圍內(nèi)，滿足動(dòng)平衡精度要求。

圖1　陀螺儀拆卸圖

圖2　陀螺儀動(dòng)平衡自動(dòng)化調(diào)整裝置

1.1陀螺儀夾持模塊

陀螺儀夾持模塊如圖3，安裝在整個(gè)調(diào)整裝置的中間部位，用于固定陀螺儀。在安裝不同陀螺儀時(shí)，調(diào)整螺紋孔的高度稍有不同，通過(guò)升降臺(tái)的上下移動(dòng)解決高度不統(tǒng)一的問(wèn)題。為了保證調(diào)整螺紋孔與調(diào)整螺釘同心，采用步進(jìn)電機(jī)通過(guò)連接桿與陀螺轉(zhuǎn)子相連，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，保證調(diào)整螺紋孔與螺釘同心，使得調(diào)整螺釘能順利進(jìn)入螺紋孔。V型夾塊用于夾持陀螺儀工裝并通過(guò)定位銷保證該工裝安裝位置唯一。

圖3　陀螺儀夾持模塊

1.2轉(zhuǎn)子調(diào)整模塊

在調(diào)整過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)整螺釘旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，調(diào)整螺釘螺帽與陀螺儀工裝之間通過(guò)塑料墊片接觸，減少二者間的摩擦力。隨著調(diào)整螺釘?shù)牟粩噙M(jìn)入，轉(zhuǎn)子開始出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，轉(zhuǎn)子相對(duì)位移量滿足要求時(shí)步進(jìn)電機(jī)開始反轉(zhuǎn)退出。調(diào)整裝置采用雙滑塊導(dǎo)軌及兩端安裝壓簧結(jié)構(gòu)解決在調(diào)整過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和導(dǎo)軌電機(jī)轉(zhuǎn)速不一致與調(diào)整螺紋孔螺距不匹配的問(wèn)題。整個(gè)調(diào)整模塊通過(guò)導(dǎo)軌滑塊帶動(dòng)。圖4為轉(zhuǎn)子調(diào)整模塊。

圖4　轉(zhuǎn)子調(diào)整模塊

1.3轉(zhuǎn)子移動(dòng)測(cè)量模塊

該模塊主要用于測(cè)量轉(zhuǎn)子與殼體的相對(duì)位移。手動(dòng)平移臺(tái)用于調(diào)節(jié)下端位移傳感器和上端位移傳感器的相對(duì)位置。在調(diào)整過(guò)程中，上端位移傳感器與陀螺轉(zhuǎn)子接觸，下端位移傳感器與陀螺儀殼體接觸。隨著調(diào)整螺釘對(duì)陀螺轉(zhuǎn)子拉力增加，轉(zhuǎn)子與殼體均發(fā)生彈性變形，上下位移傳感器均有微小變化。在陀螺轉(zhuǎn)子與殼體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，上端位移傳感器數(shù)值逐步變小，下端傳感器保持不變，二者之間的變化差值即為轉(zhuǎn)子的相對(duì)位移量。轉(zhuǎn)子移動(dòng)測(cè)量模塊如圖5所示。

圖5　轉(zhuǎn)子移動(dòng)測(cè)量模塊

1.4機(jī)器視覺模塊

機(jī)器視覺模塊由工業(yè)CCD相機(jī)、高亮度LED同軸光源、高精度低畸變光學(xué)鏡頭、三維手動(dòng)平移臺(tái)等組成。在標(biāo)定過(guò)程中通過(guò)調(diào)整三維手動(dòng)平移臺(tái)在X、Y、Z三個(gè)方向的位移，保證目標(biāo)螺紋孔處于光學(xué)鏡頭視野范圍內(nèi)，鏡頭光軸與一端調(diào)整螺釘夾角30°?；贚abVIEW視覺處理功能對(duì)采集到的螺紋孔圖像二值化、邊緣檢查、邊緣線擬合、特征信息提取，最終計(jì)算出圓心坐標(biāo)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)夾持模塊中的升降臺(tái)和步進(jìn)電機(jī)改變陀螺轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，保證調(diào)整螺釘順利進(jìn)入螺紋孔。圖6轉(zhuǎn)子對(duì)準(zhǔn)與調(diào)整策略。圖7為實(shí)驗(yàn)中采集到的調(diào)整螺紋孔圖像。

圖6　轉(zhuǎn)子對(duì)準(zhǔn)與調(diào)整策略

圖7　螺紋孔圖像

1.5軟件控制策略

控制系統(tǒng)基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)完成。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，每個(gè)模塊單獨(dú)編寫、調(diào)試，最后集成為一個(gè)完整系統(tǒng)。同時(shí)建立映射關(guān)系模型將轉(zhuǎn)子不平衡量和相位轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)兩個(gè)調(diào)整方向的位移量，在調(diào)整過(guò)程中，任一方向調(diào)整到對(duì)應(yīng)距離后對(duì)應(yīng)的調(diào)整螺釘停止工作。并且建立數(shù)據(jù)采集、處理和調(diào)整量的反饋調(diào)整機(jī)制，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)高效自動(dòng)化。控制流程如圖8所示。

圖8　控制流程圖

動(dòng)平衡調(diào)整過(guò)程如下：將動(dòng)平衡測(cè)試過(guò)的陀螺儀安裝在調(diào)整裝置上，通過(guò)機(jī)器視覺模塊采集調(diào)整螺紋孔圖像，并計(jì)算出螺紋孔圖像中心坐標(biāo)，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)夾持模塊中升降平臺(tái)和步進(jìn)電機(jī)，保證螺釘與螺紋孔同心。導(dǎo)軌滑塊驅(qū)動(dòng)整個(gè)調(diào)整裝置前進(jìn)，調(diào)整螺釘同時(shí)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。上端位移傳感器與轉(zhuǎn)子接觸，下端位移傳感器與陀螺儀殼體接觸。在調(diào)整過(guò)程中，轉(zhuǎn)子與殼體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)刻，上端位移傳感器示值逐漸表小，而二者之間的差值即為轉(zhuǎn)子和殼體的相對(duì)位移。在兩個(gè)調(diào)整方向上同時(shí)滿足位移要求時(shí)，步進(jìn)電機(jī)及導(dǎo)軌電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)整個(gè)調(diào)整裝置及測(cè)量裝置退出。

2動(dòng)平衡調(diào)整實(shí)驗(yàn)

陀螺儀的動(dòng)平衡調(diào)整必須將轉(zhuǎn)子安裝在它本身的機(jī)體和軸承中，采用自身驅(qū)動(dòng)方式，并在實(shí)際的工作轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子軸頸在軸承中安裝位置，使轉(zhuǎn)子質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)主軸的距離在許可范圍內(nèi)，從而達(dá)到平衡的要求。平衡精度等級(jí)從要求最高的G0.4到要求最低的G4000，共11級(jí)，精度等級(jí)之間的公比為2.5。陀螺轉(zhuǎn)子選取的精度等級(jí)為G0.4。在開始動(dòng)平衡過(guò)程以前，根據(jù)陀螺儀的實(shí)際使用條件、應(yīng)用場(chǎng)合等因素，確定轉(zhuǎn)子的許用不平衡量。

其中eper為允許不平衡度(μm)；G為平衡精度等級(jí)(mm/s)；n為轉(zhuǎn)速(rpm)。

轉(zhuǎn)子許用不平衡量：Uper=M·eper

其中Uper為許用不平衡量(g·mm)。M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量(g)。

其中e為轉(zhuǎn)子偏心距(μm)；U為轉(zhuǎn)子不平衡量(g·mm)；M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量(g)。

本次試驗(yàn)過(guò)程如圖9所示，轉(zhuǎn)子質(zhì)量為60.64g，工作轉(zhuǎn)速為14400rpm，則允許的剩余不平衡度為0.3μm，Uper為18.2mg·mm。

圖9　動(dòng)平衡調(diào)整實(shí)驗(yàn)

動(dòng)平衡調(diào)整數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　陀螺儀動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由上述調(diào)整過(guò)程可知，在第3次調(diào)整后，剩余不平衡量14.3mg·mm≤Uper，達(dá)到轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡要求。陀螺儀由陀螺轉(zhuǎn)子、軸承及其它部件組成。由于轉(zhuǎn)子自身平衡精度有限，軸承內(nèi)環(huán)偏心難以完全消除及轉(zhuǎn)子軸頸在軸承中的安裝位置不同等因素影響，在調(diào)整位移小于2μm時(shí)，很難一次完成，且相位也發(fā)生一定變化，但調(diào)整效率較人工手動(dòng)調(diào)整明顯調(diào)高。

因陀螺儀平衡精度要求較高，僅提高個(gè)別零部件的平衡精度不僅受限于當(dāng)今技術(shù)條件，且會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本，顯然不是明智之舉。通過(guò)質(zhì)心平移法在不破壞陀螺儀自身零部件平衡精度的前提下可以有效地滿足陀螺儀的不平衡調(diào)整。

3結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)陀螺儀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和平衡精度要求，研制了陀螺儀動(dòng)平衡自動(dòng)化調(diào)整裝置?；贚abVIEW軟件實(shí)現(xiàn)裝置自動(dòng)識(shí)別、判斷及數(shù)據(jù)處理等操作。通過(guò)陀螺轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡調(diào)整實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了質(zhì)心平移法消除陀螺儀不平衡方案的合理性及可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)整效率比人工手動(dòng)調(diào)整顯著提高，且節(jié)省大量人力成本。

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(編輯趙蓉)

The Precision Balancing Adjustment Method for Gyroscope Rotor

ZHANG Guang-wei, LOU Zhi-feng, WEI Chao

(Key Laboratory for Precision & Non-traditional Machining of Ministry of Education,Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116023, China)

Abstract：Gyroscope is widely used in aerospace and other fields, whose dynamic balancing precision demand is higher. But the adjustment is complicated and the efficiency is inefficient. In order to solve a certain type of gyroscope dynamic balancing adjustment problem, according to the structural characteristics of this gyroscope and the requirements of high precision and stability, an automated dynamic balancing adjustment device was developed by the method of centroid translation and its resolution was 0.2μm. The dynamic balancing experiment was done by the device. The experimental result shows that non-dynamic balancing quantity is 14.3mg·mm which satisfies the precision requirement. The rationality and feasibility for the method of centroid translation was velidated by this dynamic balancing adjustment experiment. The adjusting efficiency was improved significantly.

Key words：gyroscope; adjusting device; dynamic balancing experiment

中圖分類號(hào)：TH166;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張廣威(1987—)，男，河南杞縣人，大連理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控精密微小連接技術(shù)與設(shè)備，(Email)f1zhang@126.com。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2013ZX04001091)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAF08B02)

收稿日期：2015-02-03

文章編號(hào)：1001-2265(2015)12-0027-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.008