靜態(tài)平衡儀—基于高精度圓測(cè)偏移研究

鄭仲深++伍嘉華++陳漢森++陳奕方++張家欽

摘 要：本文概述模擬圓做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的抖動(dòng)結(jié)合后臺(tái)算法運(yùn)算的情況，此操作過于復(fù)雜且占用工時(shí)長(zhǎng)（30s～1min）功效不高，不利于制造業(yè)的快速增長(zhǎng)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：運(yùn)用以圓形物體為軸心做高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工業(yè)產(chǎn)品無處不在，但是低精度，不規(guī)則的產(chǎn)品現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致一系列嚴(yán)重問題。因此提出：本產(chǎn)品為高精度圓偏差靜態(tài)平衡測(cè)量，適用于大部分繞軸做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圓體，通過鑲嵌于設(shè)備上多點(diǎn)分布的壓力傳感器產(chǎn)生一定頻率的震動(dòng)從而使圓體產(chǎn)生共振，傳感器反饋數(shù)據(jù)經(jīng)后臺(tái)算法分析后，得出圓重心的偏移量數(shù)據(jù)，其速度反應(yīng)能力之快（0.01s）將能大大整塊產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的增加。

關(guān)鍵詞：高精度圓偏差靜態(tài)平衡測(cè)量；壓力傳感器；靜平衡

中圖分類號(hào)：R161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

汽車車輪在日常的使用過程中，一旦車輪精度低、車輪偏重，容易使汽車產(chǎn)生輪胎擺動(dòng)、跳動(dòng)，失去控制，并且會(huì)改變底盤鋼性、結(jié)構(gòu)，更會(huì)影響到人們的生命安全。還有如工業(yè)砂輪切割片在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，一旦偏重嚴(yán)重，砂輪片就會(huì)在實(shí)踐切割中砂輪破裂飛出，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。本文的主角：高精度圓測(cè)偏移則可以完美的解決這一問題。

一、概況

高精度圓測(cè)偏移可以運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域：日常生活方面可以運(yùn)用于車輛輪胎圓精度的檢測(cè)，特別運(yùn)用于貨車，由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)載重量貨物，高精度的偏差平衡測(cè)量可大大提高輪胎的平衡質(zhì)量，改變底盤鋼性、結(jié)構(gòu)等，提升汽車的安全性能；工業(yè)領(lǐng)域方面可以運(yùn)用于工業(yè)砂輪切割片圓精度的測(cè)驗(yàn)，高精度圓測(cè)偏移的作用是解決工作運(yùn)行中如混合料分布不均，行位公差及靜平衡超差等問題，從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量及效率，能大大增加產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值。本技術(shù)基于多點(diǎn)分布?jí)毫鞲衅鞯撵o平衡原理，可做成一系列高精度圓測(cè)偏移的靜態(tài)平衡儀設(shè)備，可應(yīng)用的范圍非常廣泛。

二、產(chǎn)品特點(diǎn)

1.生活方面：高精度圓偏差靜態(tài)平衡測(cè)量適用于汽車輪胎等日常大部分繞軸做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圓體，高精度的偏差平衡測(cè)量可大大提高輪胎的平衡質(zhì)量，改善汽車行駛的平順性，改變底盤鋼性、結(jié)構(gòu)并提高零部件的使用壽命等，提升汽車的安全性能，大大減少交通事故的發(fā)生。由此看來，車輪的平衡問題將會(huì)讓人們?cè)絹碓街匾暋?/p>

2.工業(yè)方面：大部分工業(yè)企業(yè)所需要用到的砂輪，總會(huì)在不經(jīng)意間受損，比如在搬運(yùn)過程中，不小心與其他物體相碰，或者稍有不穩(wěn)掉落地板。而且砂輪是有它特定的規(guī)格和一定的存放期限，砂輪一定要在特定的期限內(nèi)被使用，否則，將要視為過期處理。過期了的砂輪外表面會(huì)有所損壞，如果不能處理掉過期的砂輪，它的不平衡現(xiàn)象而造成的微頻振動(dòng)，將會(huì)影響被磨損物體的質(zhì)量和機(jī)床的使用壽命，特別是高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，如果不想辦法解決這種問題，將會(huì)大大提高工業(yè)企業(yè)對(duì)制造工程的成本。工業(yè)砂輪切割片高速旋轉(zhuǎn)切割時(shí)，如果砂輪不平衡，就會(huì)產(chǎn)生偏心力，造成磨削狀況很差，這種偏心力對(duì)于外徑尺寸較大的砂輪來說將是一個(gè)很嚴(yán)重的問題。若砂輪偏重嚴(yán)重，會(huì)在實(shí)踐切割中砂輪破裂飛出，危險(xiǎn)程度極大。而且，砂輪不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)，在切割過程中也會(huì)產(chǎn)生很大的噪音，而且會(huì)使磨具磨損快，不僅圓度無法保證，連工件的表面也會(huì)變得非常粗糙。高精度的偏差平衡測(cè)量能精確測(cè)量出圓形物體的重量偏差，解決工作運(yùn)行中如混合材料分布不均，行位公差及靜平衡超差等問題，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量及效率，能大大增加產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值。

3.動(dòng)平衡與靜平衡的比較

控制旋轉(zhuǎn)物體的平衡需要通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：測(cè)量和校正。動(dòng)態(tài)平衡機(jī)通過對(duì)被測(cè)物體的衡量，借助其他輔助工具比如轉(zhuǎn)床，點(diǎn)焊機(jī)等將被測(cè)物體不平衡的地方校正，或者通過手動(dòng)完成。但實(shí)際操作起來還需看工作人員的技術(shù)和責(zé)任心，當(dāng)顯示儀器上顯示0，說明被測(cè)物體以及達(dá)到平衡狀態(tài)。雖然不需要自己動(dòng)手，但是做動(dòng)平衡的過程中，工作人員還是不可以離開工作崗位，要檢查數(shù)據(jù)的顯示是否為零，防止出現(xiàn)不必要的過失。雖然大部分品牌輪胎服務(wù)站都有提供動(dòng)態(tài)平衡這樣的快修服務(wù)，但是在價(jià)格方面，不同材質(zhì)的被測(cè)物體價(jià)格也會(huì)有所不同，便宜的和貴的車輪維修費(fèi)差距也比較大。而高精度圓靜態(tài)平衡儀是通過分布在儀器上的多點(diǎn)傳感器，以一定頻率振動(dòng)，讓圓體產(chǎn)生共振，以多點(diǎn)壓力傳感的形變量通過電感電流的形式測(cè)出圓體半徑，角度，得出圓重心的偏移量數(shù)據(jù)，其速度反應(yīng)能力快至0.01s，如果結(jié)合新技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，添加機(jī)械臂則可代替人工，在汽車輪胎檢測(cè)以及工業(yè)砂輪等零件測(cè)試方面，能大大提升檢測(cè)質(zhì)量與效率，增加產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值。

三、產(chǎn)品技術(shù)要點(diǎn)

1.本產(chǎn)品為高精度圓偏差平衡測(cè)量，多點(diǎn)分布?jí)毫鞲衅魇窃跍y(cè)試技術(shù)中是關(guān)鍵部件之一。

通過布置在設(shè)備上3個(gè)壓力傳感器，以一定頻率產(chǎn)生震動(dòng)使圓體產(chǎn)生共振，多點(diǎn)分布的壓力傳感把共振接收下來并轉(zhuǎn)換生成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。外部細(xì)微的形變都能通過輸出的電量來表達(dá)，同時(shí)，傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)會(huì)通過一個(gè)數(shù)字稱重模塊的數(shù)據(jù)封裝打包，發(fā)送到PLC端口。PLC通過算法優(yōu)化和反饋回來的電信號(hào)來計(jì)算出偏重結(jié)果，并在測(cè)量設(shè)備的顯示屏中顯示偏差結(jié)果。

2.因材質(zhì)、形狀的不確定性，影響設(shè)備平臺(tái)的承受能力和通過性，這問題需要根據(jù)產(chǎn)品的特性和規(guī)模進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和后期長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)研實(shí)踐和優(yōu)化算法。同時(shí)，不同材質(zhì)的產(chǎn)品也需要使用不同傳感器的設(shè)備配置，最終才能完美適配。

四、質(zhì)量要求

高精度圓偏差測(cè)量?jī)x屬于高精度設(shè)備，它的制作過程復(fù)雜，而且對(duì)高級(jí)控制器的要求也非常高。同時(shí)，它也容易受到電磁的干擾，這很有可能在實(shí)際應(yīng)用上產(chǎn)生各種報(bào)錯(cuò)問題從而影響用戶的體驗(yàn)。為了防止以上問題的出現(xiàn)，在產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)上要使用金屬材料，其好處有：（1）形成金屬屏蔽罩阻礙外界電磁脈沖對(duì)設(shè)備內(nèi)部敏感電子元器的干擾；（2）金屬外殼能在工業(yè)級(jí)使用強(qiáng)度高的情況下延長(zhǎng)硬件使用壽命。在內(nèi)部硬件設(shè)計(jì)上，LED數(shù)字控制模組、數(shù)字稱重模塊和PLC可編程邏輯控制器均為高精度用點(diǎn)設(shè)備，所以內(nèi)部細(xì)微的電流波動(dòng)都有可能給用電器帶來干擾，所以在內(nèi)部設(shè)計(jì)上我們要分開布置，在關(guān)鍵零件上要放置金屬屏蔽網(wǎng)，另外PLC可編程邏輯控制器需為工業(yè)級(jí)的微型計(jì)算機(jī)，但是它對(duì)電源的要求極高，電源需要獨(dú)立設(shè)計(jì)與擺放，在電源內(nèi)部交流直流轉(zhuǎn)換、多級(jí)降壓線圈等易產(chǎn)生交變電場(chǎng)的模塊需要放置金屬屏蔽網(wǎng)，防止電場(chǎng)對(duì)PLC的干擾。如今工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)面臨多種問題，更需要運(yùn)用操作更方便靈活的壓力傳感器，因此，壓力傳感器也有其精度要求，使用被測(cè)量物體不得超過壓力傳感器的使用量程，根據(jù)敏感度的要求理論上被測(cè)物體不能輕于5g，實(shí)際上我們可以根據(jù)實(shí)際操作降低稱量質(zhì)量限制從而提高敏感度，同時(shí)我們會(huì)根據(jù)壓力傳感器物理最大接受量程來設(shè)置機(jī)器的最大接受量程（機(jī)器最大接受量程<壓力傳感器最大物理接受量程），另外我們會(huì)在壓力傳感器上設(shè)計(jì)一個(gè)鎖止結(jié)構(gòu)防止壓力傳感器過載從而保護(hù)傳感器。

結(jié)語

靜態(tài)平衡儀的出現(xiàn)，不僅能有效地檢查出各種圓型產(chǎn)品的質(zhì)量偏差，重心偏差等類型的問題，使得產(chǎn)品各指標(biāo)的偏差值浮動(dòng)范圍縮小，而且，該儀器的運(yùn)行速度之快能有效高效地提高產(chǎn)品最后一道工序——檢測(cè)效率。特別值得一提的是，因?yàn)樾实奶岣叱手笖?shù)形式上升，利用機(jī)器一體化完成產(chǎn)品的檢測(cè)就可以省去人工檢測(cè)，這樣就能節(jié)約了冗雜的人工費(fèi)用和避免了工人身體出現(xiàn)問題。當(dāng)然，這是靜態(tài)平衡儀1.0，只能按照固定的框架和大小來測(cè)量某些特定的東西，接下來我們會(huì)繼續(xù)研發(fā)靜態(tài)平衡儀N+代，不斷完善測(cè)量需求，以及增加測(cè)量范圍。

參考文獻(xiàn)

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