某型號高速電主軸在線動平衡補償裝置設(shè)計數(shù)控畢業(yè)論文

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1、 編號 2011 屆畢業(yè)論文題目：題目：某型號高速電主軸在線動平衡補償裝置設(shè)計某型號高速電主軸在線動平衡補償裝置設(shè)計 機械動力工程 系系機械制造與自動化 專業(yè)專業(yè)班班 級：級： 08 機制(2)班學(xué)學(xué) 號：號： 姓姓 名：名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： . .2011 年年 6 月月成績 第 1 頁 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院（系）：機械動力工程系設(shè)計（論文）題目：某型號高速電主軸在線動平衡補償裝置設(shè)計學(xué)生： 學(xué)號： 設(shè)計（論文）類別：設(shè)計專業(yè)：機械制造與自動化 班級：08 機制(2)班 設(shè)計（論文）性質(zhì)：應(yīng)用指導(dǎo)教師： 職稱： 是否隸屬科研項目：否1. 設(shè)計（論文）的主要任

2、務(wù)及目標(biāo)認(rèn)真閱讀圖紙和技術(shù)文件，調(diào)研國內(nèi)外高速加工動平衡補償裝置的補償機理，設(shè)計新型智能化、高效化的動平衡補償裝置，滿足以下要求和特點：（1）具有高的工作穩(wěn)定性和可靠性；（2）具有良好的動態(tài)特性和抗干擾能力；（3）便于控制響應(yīng)速度快（4）能耗小，經(jīng)濟效率高 。最終實現(xiàn)高速電主軸的在線動平衡補償。在設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，繪制其總裝配圖紙和零部件圖紙。撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，翻譯外文資料。2. 設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容(1).了解高速加工的有關(guān)概念；(2).分析高速加工過程中的動平衡控制技術(shù)；(3).對現(xiàn)有的高速加工電主軸在線補償技術(shù)進行研究；(4).完成補償方案的設(shè)計和驗證。原始數(shù)據(jù)：提供動平衡裝置原理圖

3、，原始數(shù)據(jù)和技術(shù)要求均以圖紙為依據(jù)。文獻檢索，查閱動平衡補償裝置的相關(guān)資料，并翻譯一篇外文資料。 第 2 頁3、設(shè)計（論文）的基本要求（1）按時獨立完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書規(guī)定的要求，充分發(fā)揮主動性、創(chuàng)造性和刻苦鉆研精神。（2）嚴(yán)格遵守學(xué)校各項規(guī)定。（3）認(rèn)真完成畢業(yè)論文。（4）畢業(yè)論文要求條理清晰、邏輯性強、內(nèi)容翔實，具備一定的理論深度，符合科技論文寫作規(guī)范。4、主要參考文獻1 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熱能動力工程20032 李勇,陸永平采用磁力平衡方法的在線動平衡機技術(shù)研究(I)：基本原理和結(jié)構(gòu)微特電機1999，(1)3 歐陽紅兵,汪希萱.新型電磁式自動平衡頭控制

4、決策的研究制造技術(shù)與機床19984 賀江波,伍良生,張云禧,李智慧. 基于單片機與 PMM871 3 的高速主軸電磁式在線動平衡機構(gòu)的驅(qū)動器設(shè)計. 5 楊慶坤,伍良生，門浩,劉振宇. 步進電機在高速主軸動平衡裝置上的應(yīng)用. 自造業(yè)自動化. 2006, 28 (9): 65-67.6 王俊元,蔣紅琰,杜文華. 復(fù)合式高速電主軸在線動平衡裝置的開發(fā). 中北大學(xué) 學(xué)報(自然科學(xué)版). 2007, 28 (6): 491-495.7 張仕海,伍良生,周大帥. 機床主軸雙平面在線動平衡系統(tǒng)的設(shè)計. 工藝與裝備. 2009, 10: 79-81.8 王金民. 轉(zhuǎn)子在線動平衡技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用. 福建糖業(yè).

5、1997, 18 (1): 34-36.5、進度安排設(shè)計（論文）各階段任務(wù)時間安排1調(diào)研、系統(tǒng)分析及資料準(zhǔn)備4.01-4.15 2 周2程序設(shè)計4.16-5.16 4 周3系統(tǒng)調(diào)試5.17-5.25 1 周4撰寫論文5.26-6.20 4 周5準(zhǔn)備及論文答辯6.20-6.24 0.5 周注：1、此表一式三份，學(xué)院、指導(dǎo)教師、學(xué)生各一份。2、設(shè)計（論文）類別是指設(shè)計、論文，性質(zhì)指應(yīng)用型、理論研究型和其他。 第 3 頁教研室主任簽名：_ 系主任簽名：_ 第 1 頁目目 錄錄第 1 章緒論.51.1、課題研究的目的和意義.51.2、動平衡技術(shù).61.2.1動平衡技術(shù)概述 .61.2.2動平衡技術(shù)研究

6、現(xiàn)狀 .61.2.3電主軸在線動平衡研究 .71.3、高速電主軸技術(shù).71.3.1電主軸概念 .71.3.2電主軸結(jié)構(gòu) .81.3.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .91.3.4電主軸發(fā)展趨勢 .10第 2 章動平衡的理論研究基礎(chǔ).122.1、轉(zhuǎn)子的分類.122.1.1臨界轉(zhuǎn)速 .122.1.2轉(zhuǎn)子分類 .122.2、轉(zhuǎn)子故障的分類.132.3、轉(zhuǎn)子動平衡的動力學(xué)基礎(chǔ).142.3.1靜不平衡與動不平衡 .142.3.2剛性轉(zhuǎn)子的平衡 .162.3.3撓性轉(zhuǎn)子的平衡 .162.4、現(xiàn)有動平衡技術(shù)分析.172.4.1直接在線動平衡裝置 .182.4.2間接在線動平衡裝置 .192.4.3混合型在線動平衡裝置 .

7、20第 3 章高速電主軸在線動平衡裝置設(shè)計.223.1、電主軸主要技術(shù)參數(shù).223.2、動平衡裝置設(shè)計.223.2.1總體模型設(shè)計 .233.2.2動平衡裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 .243.2.3a-a 截面工作原理 .263.2.4b-b/c-c 截面工作原理.283.2.5傳感器選用 .29結(jié) 語. .31致 謝 .32參考文獻 .33 第 2 頁摘摘 要要高速電主軸在工作中容易產(chǎn)生振動，從而對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)或整個系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，因此，必須進行平衡措施以減少不平衡振動。本文針對XX型號高速電主軸，設(shè)計了轉(zhuǎn)速在12000RTM時，能夠整軸進行在線動平衡補償?shù)难b置。本次畢業(yè)設(shè)計的研究內(nèi)容主要包括以下：一、分析動平

8、衡的相關(guān)理論研究基礎(chǔ)，為此次高速電主軸動平衡裝置設(shè)計提供理論依據(jù)和設(shè)計基礎(chǔ)。二、設(shè)計通用的在線動平衡補償裝置，包括驅(qū)動系統(tǒng)、密封機構(gòu)、軸承部分、主軸部分、測量系統(tǒng)、管路系統(tǒng)，并繪制總裝圖及零件圖。本裝置實驗方案的基本思路：首先，基于間接在線動平衡頭的設(shè)計思想，利用電磁場的耦合作用, 無接觸地在加重平面處形成一個具有相同幅值和相位的徑向電磁力，使該電磁力與所需的離心力等效, 以實現(xiàn)在線實時精密補償；考慮到此時空旋轉(zhuǎn)電磁力能耗大、機械結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力大的缺點，接著，基于混合型在線動平衡頭的設(shè)計思想，應(yīng)用電磁混合型動平衡頭的工作原理，在平衡頭上利用旋轉(zhuǎn)極坐標(biāo)合成矢量力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量再分布，使得轉(zhuǎn)子質(zhì)心

9、落在旋轉(zhuǎn)中心上；同時，時空旋轉(zhuǎn)電磁力消失，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在極坐標(biāo)合成力的作用下實現(xiàn)最終動平衡。以上，實現(xiàn)一種對高速下電主軸的實時在線又節(jié)能的動平衡補償方式。三、設(shè)計系統(tǒng)硬件電路，主要包括：調(diào)整環(huán)的驅(qū)動電路的設(shè)計和調(diào)整環(huán)的定位鎖緊電路的設(shè)計，完成相應(yīng)的電路設(shè)計以實現(xiàn)對電主軸動平衡補償過程中的控制。該動平衡補償裝置結(jié)構(gòu)緊湊、合理，拆卸靈活方便，易于加工制造，具有一定的通用性，能夠?qū)崿F(xiàn)對高速電主軸的實時在線動平衡補償，值得一提的是，從能耗角度考慮，該裝置具有一定的經(jīng)濟性，為電主軸的深入推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: :高速電主軸；動平衡；旋轉(zhuǎn)電磁力；振動檢測；驅(qū)動電路； 第 3 頁AbstractH

10、igh-speed electric spindle is easy to produce vibration in work,and destroy the rotary system or the entire system. Therefore, a measure of blance must be taken to reduce the unbalanced vibration. In this issue ,a compensation device was designed of the on-line dynamic balance of entire spindle at t

11、he speed of 12000rpm for a type of high speed electric spindle.The main research contents of this issue is as follows:1. To analyse the theoretical basis of dynamic balance,and provide theoretical basis and design basis for the dynamic balance device design.2. To design universal online dynamic bala

12、nce compensation device, it includes drive systems、Seal body、Bearing part、spindle part、Measurement systems, piping systems, and the mapping of assembly drawings and parts drawing. The basic ideas of experimental program is as follows: firstly, based on the design idea of indirect online balancing he

13、ad, use the coupling effect of electromagnetic, non-contactly form a same amplitude and phase radial electromagnetic force. So that the electromagnetic force is equivalent with the centrifugal force, and achieve the real-time online precise compensation. But considers the defect of high energy consu

14、mption of rotating electromagnetic force and mechanical stress within the structure, so an idea of mixed on-line balance head is taken. It applys the principle of mixed electromagnetic balancing head, uses the rotating polar coordinates to synthesize the vector force on the balancing head. So it rea

15、lizes the redistribution of the quality of rotor systems and allows the mass center of the rotor on the rotation center, at the same time, the time and apace rotating electromagnetic force disappears, then the rotor system realizes the final dynamic balance at the work of polar synthetic force. Abov

16、e is a real-time online and energy-saving type of dynamic balancing compensation for hign-speed spindle.3. Hardware circuit design of the system. It mainly includes the design of balance disc drive circuit and position locking circuit, then implements the process control of spindle balancing compens

17、ation.The dynamic balance compensation device has a compact and reasonable structure , 第 4 頁its flexible to disassemble and easy to process and manufact,so it has certain universal and can realize the real-time online dynamic balance compensation of high-speed electric spindle. Remarkable, from the

18、view of energy consumption , the device has a certain economy, and establishes the basis for the spindle extension and application. Keywords: high-speed electric spindle;active balancing; rotating electromagnetic force; vibration detection; drive circuit 第 5 頁第第 1 章章緒論緒論1.1、 課題研究的目的和意義課題研究的目的和意義據(jù)統(tǒng)計，

19、旋轉(zhuǎn)機械的振動問題中轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動約占 70%-80%，因此，可認(rèn)為轉(zhuǎn)子不平衡是引起旋轉(zhuǎn)機械振動的重要原因。動不平衡在支承上造成動載荷，不僅會引起整個旋轉(zhuǎn)機械的振動，產(chǎn)生噪音，增加能耗，還會加快軸承的磨損，造成轉(zhuǎn)子部件的高頻疲勞破壞、支承機座、某些部件強迫振動損壞，降低旋轉(zhuǎn)機械的壽命。制造、安裝工藝及環(huán)境條件等因素會引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡振動。即使以上各方面都很理想，在一定條件下正確安裝的高精度的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)也會因運行過程中磨損及負載沖擊而產(chǎn)生較大的振動3。特別是高速旋轉(zhuǎn)機械，如壓縮機、汽輪發(fā)電機組、鍋爐引風(fēng)機及大型電機等，研究證明振動量的大小和轉(zhuǎn)速的平方成正比，故高速下，在新機跑合及長期運行過

20、程中常出現(xiàn)振動過大，甚至不能工作，造成巨大的經(jīng)濟損失及安全事故。國內(nèi)外曾經(jīng)由于這方面的原因而引起很大的事故，人員、財產(chǎn)損失很大，例如 1987 年山西大同發(fā)電廠 200MV 機組轉(zhuǎn)子斷裂，1988 年秦嶺電廠 5 號機組主軸斷裂，兩次事故損失均在億元以上，1972 年日本關(guān)西電力公司南海電站 3 號600MV 汽輪發(fā)電機因振動而引起的軸斷機毀事件等等4。因此，必須進行平衡措施5以減少振動量。在電主軸單元技術(shù)領(lǐng)域，加快研究電主軸單元的在線動平衡技術(shù)，提高電主軸運轉(zhuǎn)精度，是國內(nèi)電主軸的主要研究方向之一3。因為在高速運行下，電主軸的振動大小是影響機床系統(tǒng)振動的主要誘因之一，同時也是衡量電主軸動態(tài)性能

21、好壞最直接的指標(biāo)。因此，高速電主軸必須作動平衡，以便消除有害的動態(tài)不平衡力，這是減少離心力對機床振動、加工質(zhì)量、生產(chǎn)安全等方面影響的重要途徑。國內(nèi)到目前為止，針對電主軸運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的不平衡，用的是專門的電主軸平衡機進行測試，直接的電主軸在線動平衡裝置還很少有成功應(yīng)用的實例。將平衡頭作為附件安裝到主軸上的電主軸結(jié)構(gòu)還尚未發(fā)現(xiàn)。相關(guān)動平衡理論表明:基于電機工作原理的電磁式間接在線動平衡頭7-10和基于影響系數(shù)法動平衡控制的電磁式在線混合動平衡頭11-20都是簡單可靠并適用于高速回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合二者優(yōu)點，開發(fā)一種節(jié)能的高速轉(zhuǎn)子在線動平衡補償裝置。 第 6 頁整個在線補償過程中首先采用時空旋轉(zhuǎn)電

22、磁力進行補償，原因是響應(yīng)時間短，為在線補償節(jié)省了時間，提高了效率；接著，在一定的響應(yīng)時間內(nèi)，利用運用影響系數(shù)法策略實現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量再分配，達到平衡要求，同時撤消時空旋轉(zhuǎn)電磁力，之后，達到高速轉(zhuǎn)子的最終在線動平衡，大大避免了時空旋轉(zhuǎn)電磁力能耗大、機械結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力大的缺點。開發(fā)研制出一套配有在線自動平衡裝置的電主軸，研究出具有工程應(yīng)用前景的新驅(qū)動原理和總體結(jié)構(gòu)，且能較好地滿足精度和可靠性要求的動平衡裝置，在電主軸技術(shù)的發(fā)展上，將會有突破性的創(chuàng)新。1.2、 動平衡技術(shù)動平衡技術(shù)1.2.1動平衡技術(shù)概述動平衡技術(shù)概述動平衡技術(shù)的一個重要研究方向是自動平衡技術(shù)。自動平衡技術(shù)就是一種在轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)下就能進行

23、不平衡矢量的識別與配重的動平衡方法。不停機自動平衡的基本原理，就是在旋轉(zhuǎn)軸系的某處附加一個執(zhí)行機構(gòu)，又叫平衡頭。由控制系統(tǒng)對平衡頭進行在線控制，在平衡頭上設(shè)法實現(xiàn)一個大小、相位皆連續(xù)可調(diào)的校正質(zhì)量，在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運行過程中去模擬實現(xiàn)動平衡所需的配重，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動平衡。1.2.2動平衡技術(shù)研究現(xiàn)狀動平衡技術(shù)研究現(xiàn)狀在自動平衡技術(shù)研究領(lǐng)域，加拿大多倫多大學(xué)的J.Van de Vegte于 1978 年研究了在轉(zhuǎn)子上裝有兩個平衡塊的可控的主動平衡頭，它由電機驅(qū)動兩個平衡塊在不同平面的圓 周 上 運 動 從 而 調(diào) 節(jié) 其 相 對 位 置 來 達 到 平 衡 的 目的； 波 蘭 凱 瑟 琳 技 術(shù)

24、 大 學(xué) 的Z.Gosiewski對自動平衡理論和控制策略進行了深入研究，他于 1985 年設(shè)計了一種直角坐標(biāo)式的自動平衡裝置；美國得克薩斯A&M大學(xué)的Louis J.Everett提出了一種不要相位反饋的雙盤轉(zhuǎn)子自動平衡控制策略；韓國高等科學(xué)技術(shù)學(xué)院的C.W.Lee等人利用一個無線電控制的極坐標(biāo)式精密平衡頭實現(xiàn)了撓性轉(zhuǎn)子的動平衡13、14；1996 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陸永平、李勇等人研制出了用于撓性轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的自動平衡頭15，這是國內(nèi)文獻上把自動平衡頭作為轉(zhuǎn)子振動主動控制元件的首例報導(dǎo)。自動平衡技術(shù)取得了長足的進步,歸納起來，目前廣泛應(yīng)用的動平衡頭可分為以下三類： 第 7 頁第一類稱為直接

25、在線動平衡頭，是從質(zhì)量方面著手，通過加重去重的方法，直接將平衡圓盤的幾何中心移到旋轉(zhuǎn)中心，包括噴涂法、噴液法及激光去重法等。這種平衡方法存在的很多實際問題，應(yīng)用范圍狹窄。第二類稱為間接在線動平衡頭，即給圓盤長期提供與不平衡力方向相反、大小相等的力，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時，將其重心強行拉到旋轉(zhuǎn)中心。目前，這種平衡頭主要包括電磁軸承型在線動平衡頭及電磁圓盤型在線動平衡頭。它有一個嚴(yán)重不足就轉(zhuǎn)子在運行過程中一直受平衡電磁力的作用，對于長期運行的旋轉(zhuǎn)機械來說，能耗大，機械結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力大。第三類稱為混合型在線動平衡頭，工作時，由檢測系統(tǒng)測量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動信號，并通過控制系統(tǒng)，以某種方式改變平衡頭內(nèi)部質(zhì)量分布(不加重

26、也不去重)，使其幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心重合，質(zhì)量的重新分布可通過機械方法或電磁方法進行。根據(jù)驅(qū)動平衡質(zhì)量塊移動方式到控制方式的不同，混合在線動平衡頭可分為電動機型、遙控型及電磁型在線動平衡頭?；旌闲驮诰€動平衡裝置在轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡振動時，調(diào)整平衡質(zhì)量塊的位置，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行在線動平衡，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)平衡后，不再對平衡頭輸入能量，即可切斷電動機電源或撤消拖動平衡質(zhì)量塊移動的電磁力，節(jié)約了能源，但是，平衡過程需要一定的響應(yīng)時間。1.2.3電主軸在線動平衡研究電主軸在線動平衡研究在電主軸在線動平衡裝置研究方面，國內(nèi)主要應(yīng)用專門的電主軸平衡機進行不平衡測試；最近有人又提出了將平衡頭直接安裝在主軸上，其可行性還需進

27、一步驗證。國外瑞士 Fischer 公司，推出了配有在線自動動平衡裝置的電主軸部件，加工中心每換一次刀進行一次包括刀具在內(nèi)的自動動平衡，可在 1 秒內(nèi)消除 80%90%的由動平衡引起的振動。研究將電主軸技術(shù)與動平衡技術(shù)融為一體的新裝置，是目前電主軸發(fā)展的重要方向，有很大的意義。1.3、 高速電主軸技術(shù)高速電主軸技術(shù)1.3.1電主軸概念電主軸概念電主軸是將機床主軸與主軸電機融為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。這類主軸的構(gòu)成方式有兩種：一種是通過聯(lián)軸器把電機與主軸直接連接在一起；另一種是把電機轉(zhuǎn)子 第 8 頁與機床主軸做成一體，即將無殼變頻電機的空心轉(zhuǎn)子用壓配合的形式與機床主軸直接過盈套裝在一起成為一體，帶有

28、冷卻套的電機定子裝配在主軸單元的殼體中，成為集成式內(nèi)裝電機主軸。這樣，電機的轉(zhuǎn)子就是機床的主軸，機床主軸單元的殼體就是電機座，這種電機與機床主軸合二為一的傳動結(jié)構(gòu)形式，將機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了電機與機床主軸之間的“零傳動”。它克服了傳統(tǒng)傳動方式的主軸系統(tǒng)在高速下發(fā)生打滑、產(chǎn)生振動和噪聲、增加轉(zhuǎn)動慣量等弊病，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性好等優(yōu)點，并簡化了機床外形設(shè)計，改善了機床的動平衡，易于實現(xiàn)主軸定位和主軸轉(zhuǎn)速的高速化，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)，在高速切削機床上得到了廣泛的應(yīng)用。1.3.2電主軸結(jié)構(gòu)電主軸結(jié)構(gòu)(1)電主軸的工作原理：高速電主軸電機的繞組相位互差120

29、，通以三相交流電后，三相繞組各自形成一個正弦交變磁場，這三個對稱的交變磁場互相迭加，合成一個強度不變，磁極朝一定方向恒速旋轉(zhuǎn)的磁場，磁場轉(zhuǎn)速就是電主軸的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機的同步轉(zhuǎn)速n由輸入電機定子繞組電流的頻率f和電機定子的極對數(shù)P決定。電主軸就是利用變換輸入電動機定子繞組的電流的頻率和激磁電壓來獲得各種轉(zhuǎn)速。在加速和制動過程中，通過改變頻率進行加減速，以免電機溫升過高。由于電機旋轉(zhuǎn)磁場的方向取決于輸入定子三相交流電的相序，故改變電主軸輸入電流的相序，便可改變電主軸的旋轉(zhuǎn)方向。(2)電主軸的結(jié)構(gòu)：高速電主軸要獲得好的動性能和使用壽命，必須對高速電主軸各個部分進行精心設(shè)計和制造。高速電主軸基本

30、結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖1-1所示。 第 9 頁圖 1-1 高速電主軸基本結(jié)構(gòu)原理簡圖內(nèi)裝式電主軸單元由下列各部件及系統(tǒng)組成：1)電動機 接受驅(qū)動控制器提供的中頻電，并將其轉(zhuǎn)換成電主軸的機械能。2)支承 按數(shù)控機床對主軸系統(tǒng)的特殊要求設(shè)置的支承系統(tǒng)，它是決定電主軸單元精度、剛度的主要因素。3)冷卻系統(tǒng) 為將電主軸電動機及軸承高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱能帶走而設(shè)置在電主軸內(nèi)腔的熱交換器。4)松拉刀系統(tǒng) 為電主軸單元實現(xiàn)氣(液)動松拉刀而設(shè)置在轉(zhuǎn)軸體內(nèi)的機構(gòu)。其中拉刀器視電主軸轉(zhuǎn)速、傳遞扭矩的不同可選用HSK、瓣爪、鋼球拉刀等不同型式。5)松刀氣、液壓缸 電主軸松刀時向松拉刀機構(gòu)提供動力源的部件。6)軸承自動卸載

31、系統(tǒng) 電主軸處于松刀狀態(tài)時，用以自動卸去軸承上承受的過大沖擊負荷的系統(tǒng)。7)刀具冷卻系統(tǒng) 在統(tǒng)一設(shè)計前提下，電主軸單元對刀具冷卻通道采取統(tǒng)籌兼顧的措施。常見的電主軸單元中刀具冷卻形式可分兩種：超高速電主軸刀具冷卻選用內(nèi)冷式，高速電主軸刀具冷卻選用外冷式。8)編碼安裝調(diào)整系統(tǒng) 加工中心、大型數(shù)控車用電主軸需具備準(zhǔn)停、準(zhǔn)位功能，因此，必須在電主軸單元中安裝能實現(xiàn)速度反饋和傳遞位置信號的磁性編碼器。其中鋼質(zhì)碼盤應(yīng)安裝在轉(zhuǎn)軸本體上，接收器應(yīng)牢靠地安裝在電主軸外殼上，同時應(yīng)便于調(diào)整。1.3.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國外高速電主軸技術(shù)由于研究較早,電主軸單元發(fā)展較快,技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位,并且隨著

32、變頻技術(shù)及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展日趨完善,逐步形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,高轉(zhuǎn)速電主軸在機床行業(yè)和工業(yè)制造業(yè)中普遍采用。最近及今后一段時間,著重發(fā)展研究高速大功率、低速大扭矩、調(diào)速范圍寬、能實現(xiàn)快速制啟動、準(zhǔn)確定位、自動對刀等數(shù)字化高標(biāo)準(zhǔn)電主軸單元。近幾年美國、日本、德國、意大利、英國、加拿大和瑞士等工業(yè)強國投入巨資大力開發(fā)電主軸技術(shù)。著名的有德國的GMN公司、Siemens公司、意大利的Gamfior公司及日本三菱公司和安川公司等,它們的技術(shù)水平代表了這個領(lǐng)域的世界先進水平。 第 10 頁具有功率大、轉(zhuǎn)速高,采用高速、高剛度軸承,精密加工與精密裝配工藝水平高和配套控制系統(tǒng)水平高等特點。瑞士IBAG公司產(chǎn)品

33、范圍寬，幾乎能生產(chǎn)任何轉(zhuǎn)速、功率、扭矩和尺寸的電主軸，其最大轉(zhuǎn)速可達140 000 r/min，功率為0.12580 kW，扭矩為0.02300 Nm，直徑為33300 mm。其中HF系列陶瓷軸承電主軸的最高轉(zhuǎn)速達24 000 r/min，最大輸出功率為185 kW；AM系列磁浮軸承電主軸的最高轉(zhuǎn)速達70 000 r/min，最大輸出功率為99kW。德國CyTec Systems公司生產(chǎn)的Cyspeed系列電主軸最高轉(zhuǎn)速達40 000 r/min，最大輸出功率為50 kW。美國Ingersoll公司生產(chǎn)的HVM800型臥式加工中心的電主軸最高轉(zhuǎn)速達15 000 r/min，由靜止升至最高轉(zhuǎn)速僅

34、需15s。美國Precise公司生產(chǎn)的用于鉆銑金屬、木材和塑料的中小功率電主軸，最高轉(zhuǎn)速達120 000 r/min，最大功率為12kW。瑞士STEP-TEC公司的HVC系列電主軸，德國GMN公司的HC系列高速電主軸，日本NSK公司的M系列電主軸都具有剛度。高、功率大和調(diào)速范圍寬的特性，完全適用于高速、高效加工。目前，國際上工業(yè)發(fā)達國家正在研制轉(zhuǎn)速高達250000r/min的實用主軸，加工中心用主軸的轉(zhuǎn)速在10 000 20 000 r/min，數(shù)控機床的加工精度普遍已達到1 m的水平。高速加工的研究已轉(zhuǎn)移到難加工材料的切削加工上。我國大型數(shù)控銑、加工中心和數(shù)控車床實用型電主軸的開發(fā)始于 19

35、98 年。迄今為止，洛陽軸研科技公司已能開發(fā)生產(chǎn) 8 大類，20 個系列，200 多種電主軸產(chǎn)品，功率從0.2kW100kW，加工中心用電主軸大型的可達外徑 318 毫米，扭矩 200Nm，小型號外徑80 毫米，5 萬 r/min。它開發(fā)的加工中心、高速銑床和車床用電主軸，已與國產(chǎn)高速機床和國產(chǎn)并聯(lián)機床配套投入使用。與此同時，北京機床研究所也相繼開發(fā)出用日本 FUNAC 電機組裝的20000r/min、24000r/min 電主軸。北京機電研究院、上海第二機床廠等單位，利用德國 REXROTH 的電機組裝成轉(zhuǎn)速高于 10000r/min 的電主軸。北京第一機床廠和日本大隈合作也開發(fā)出轉(zhuǎn)速高于

36、10000r/min 的電主軸。近期又有漢川機床廠，濟寧博特精密絲杠制造有限公司等數(shù)家企業(yè)相繼投入開發(fā)電主軸單元的行列。雖然近年來國產(chǎn)電主軸的開發(fā)取得了很大的進步，但與國外產(chǎn)品相比較，國產(chǎn)的電主軸無論是性能、品種和質(zhì)量都有較大差距，所以目前國產(chǎn)的高轉(zhuǎn)速、高精度數(shù)控機床和加工中心所用的電主軸，仍然主要從國外進口。 第 11 頁1.3.4電主軸發(fā)展趨勢電主軸發(fā)展趨勢國外電主軸技術(shù)發(fā)展趨勢是研究高速大功率、低速大扭矩、高精度高剛度、調(diào)速范圍寬、能實現(xiàn)快速制啟動、準(zhǔn)確定位、自動對刀等數(shù)字化高標(biāo)準(zhǔn)電主軸單元。國內(nèi)電主軸的主要研究方向是8：1）以減少發(fā)熱、提高主軸功率密度為目標(biāo)，解決永磁同步電動機容量低、

37、弱磁困難的技術(shù)難題，研制開發(fā)永磁同步型電主軸及其驅(qū)動系統(tǒng)。2）以提高主軸壽命、減少維修為目標(biāo)，解決國內(nèi)液體動靜壓軸承最高轉(zhuǎn)速低的問題，研制開發(fā)液體動靜壓軸承作為支承的高速精密大功率電主軸。3）以優(yōu)化電主軸動態(tài)和熱態(tài)特性為目標(biāo)，加強滾動摩擦接觸界面的非線性剛度變化規(guī)律、主軸多區(qū)段熱擴散變形規(guī)律及主軸熱變形與振動耦合效應(yīng)等應(yīng)用課題研究，研制開發(fā)“軸承-主軸-電動機-基礎(chǔ)”一體化的電主軸動態(tài)熱態(tài)分析軟件。4）以提高制造高精度為目標(biāo)，研制開發(fā)用于電主軸零部件精密加工和精密裝配的新工藝、新工裝和專用機床。5）進一步提高和完善現(xiàn)有的陶瓷球混合軸承的設(shè)計制造技術(shù)，完善陶瓷球軸承的理論基礎(chǔ)研究，確定實用設(shè)計標(biāo)

38、準(zhǔn)。研究全陶瓷主軸單元及其關(guān)鍵技術(shù)，進一步提高電主軸的動、靜態(tài)精度（如主軸徑向圓跳動、回轉(zhuǎn)精度、軸向竄動、加工中心用電主軸圓周定向精度等）。6）研究開發(fā)更方便、更精確的潤滑方法，改善陶瓷球軸承高速下的潤滑狀態(tài)，提高其使用壽命。加強油氣潤滑、噴油潤滑、環(huán)下潤滑等新型少油潤滑技術(shù)研究，為高速電主軸未來的發(fā)展開辟新的途徑。7）加強在高速電主軸設(shè)計的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性研究。滾動軸承是非線性支承單元，其支承剛度是轉(zhuǎn)速、載荷的非線性函數(shù)，動剛度小于靜剛度。僅僅以靜態(tài)情況下的模態(tài)試驗結(jié)果作為設(shè)計或者判定電主軸軸系轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的依據(jù)，顯然是不合適的。受軸承支承剛度變化的影響，按靜態(tài)計算或試驗所得的電主軸的臨界轉(zhuǎn)

39、速明顯高于其運行時的實際臨界轉(zhuǎn)速。因此，必須考慮轉(zhuǎn)速對軸承支承特性的影響。8）加快研究電主軸單元在線動平衡技術(shù)，提高電主軸運轉(zhuǎn)精度。9)加強計算機仿真技術(shù)在高速電主軸設(shè)計中的應(yīng)用研究。開發(fā)集方案設(shè)計、工藝分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計等子專家系統(tǒng)于一體的并行式多專家電主軸 CAD 設(shè)計系統(tǒng)。 第 12 頁第第 2 章章動平衡的理論研究基礎(chǔ)動平衡的理論研究基礎(chǔ)現(xiàn)代數(shù)控機床的高速化發(fā)展，要求主軸轉(zhuǎn)速提高。但機床主軸組零件在制造過程中，不可避免會因材質(zhì)不均勻、形狀不對稱、加工裝配誤差而導(dǎo)致重心偏離旋轉(zhuǎn)中心，使機床產(chǎn)生振動和振動力，引起機床噪聲、軸承發(fā)熱等。隨著轉(zhuǎn)速升高，不平衡引起的振動越加激烈。轉(zhuǎn)子不平衡是旋轉(zhuǎn)機械

40、最常見的故障，約有一半以上的故障與轉(zhuǎn)子不平衡有關(guān)，因此，對不平衡故障的研究與診斷也最有實際意義。2.1、 轉(zhuǎn)子的分類轉(zhuǎn)子的分類2.1.1臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速是指對應(yīng)于轉(zhuǎn)子振幅及傳送力的局部最大值(local maximum)的速度區(qū)域。良好的動力設(shè)計必須使臨界轉(zhuǎn)速避開轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作速度。同步旋轉(zhuǎn)振幅、轉(zhuǎn)子平衡、軸承動力、結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生噪音(structureborne noise)、及共振顫動的臨闡點等，都受到機械系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速位置的直接影響，而在轉(zhuǎn)子己經(jīng)平衡，并賦予適當(dāng)?shù)妮S承阻尼時，機器的臨界轉(zhuǎn)速是在對系統(tǒng)毫無影響的情況下通過的，而且其非臨界運轉(zhuǎn)(noncriticaloperation)時

41、的運行狀況應(yīng)該是平穩(wěn)的。2.1.2轉(zhuǎn)子分類轉(zhuǎn)子分類大體上轉(zhuǎn)子可以分為兩大類：剛性轉(zhuǎn)子及撓性轉(zhuǎn)子。如果轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速遠低于其一階臨界轉(zhuǎn)速，此時不平衡離心力相對較小而轉(zhuǎn)子剛度大，撓曲變形可以忽略(不平衡力引起的撓曲變形與轉(zhuǎn)子偏心量相比很小)，這種轉(zhuǎn)子稱為剛性轉(zhuǎn)子。反之，不平衡力引起的撓曲變形不能忽略的轉(zhuǎn)子稱為撓性轉(zhuǎn)子(或柔性轉(zhuǎn)子)。工程上通常把工作轉(zhuǎn)速是否超過其第一階臨界轉(zhuǎn)速作為撓性轉(zhuǎn)子與剛性轉(zhuǎn)子的分界。但是從平衡的角度來講，國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的五級分類和KFedern提出的轉(zhuǎn)子柔性的辦法更加細致。五級轉(zhuǎn)子分類如下：第一級：剛性轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子設(shè)想成剛性的，其不平衡可以在任何兩面(任意選定)上校正，校正后，其

42、不平衡可以在轉(zhuǎn)速升至最大運轉(zhuǎn)速率后仍無有意義的變化。 第 13 頁第二級：準(zhǔn)撓性轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子不能設(shè)想成剛性的，但卻能在低速平衡機械中加以適當(dāng)?shù)仄胶?。第三級：撓性轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子無法在低速機械中加以平衡，而需要使用到某些合適的高速平衡技術(shù)。第四級：撓性固著轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子可以歸類為一級、二級或三級的轉(zhuǎn)子，但本身卻附加具有撓性的構(gòu)件，如風(fēng)扇葉片。第五級：單速撓性轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子可以是第三級的轉(zhuǎn)子，但因某種緣故只于一個使用轉(zhuǎn)速下加以平衡而已。剛性轉(zhuǎn)子與撓性轉(zhuǎn)子兩者的動力學(xué)特性有很大不同，因而它們的平衡方法差異很大。2.2、 轉(zhuǎn)子故障的分類轉(zhuǎn)子故障的分類(1)轉(zhuǎn)子不平衡。轉(zhuǎn)子不平衡包括轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量偏心即轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)缺損

43、。其主要振動特征為：振動的時域波形為正弦波；頻譜圖中諧波能量集中于基頻；工作轉(zhuǎn)速一定時，相位穩(wěn)定；轉(zhuǎn)子的軸心軌跡為橢圓；轉(zhuǎn)子的運動特征為同步正運動；振動的強烈程度對于工作轉(zhuǎn)速的變化很敏感。(2)轉(zhuǎn)子彎曲。轉(zhuǎn)子彎曲包括轉(zhuǎn)子弓形彎曲和臨時性彎曲兩種故障。轉(zhuǎn)子弓形彎曲是由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不合理、制造誤差大、材質(zhì)不均勻、轉(zhuǎn)子長期存放不當(dāng)?shù)?，發(fā)生永久彎曲變形。轉(zhuǎn)子臨時性彎曲是指轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸有較大預(yù)負荷、開機運行時暖機不足、升速過快、加載太大、轉(zhuǎn)軸熱變形不均勻等原因造成的。旋轉(zhuǎn)軸彎曲時，由于彎曲所產(chǎn)生的力和轉(zhuǎn)子不平衡所產(chǎn)生的力相位不同，兩者之間相互作用有所抵消，轉(zhuǎn)軸的振幅將在某個速度下減小。當(dāng)彎曲的作用小于不平衡

44、時；振幅的減小發(fā)生在臨界轉(zhuǎn)速下；當(dāng)彎曲的作用大于不平衡時，振幅的減小就發(fā)生在臨界轉(zhuǎn)速以上；轉(zhuǎn)子無論發(fā)生弓形彎曲還是臨時性彎曲，它都要產(chǎn)生與質(zhì)量偏心類似的旋轉(zhuǎn)矢量激振力，同時在軸向發(fā)生與角頻率相等的振動。這兩種故障的機理與轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心相同。不同之處是，具有轉(zhuǎn)子弓形彎曲故障的機器，開機時振動就較大；而轉(zhuǎn)子臨時性彎曲的機器，是隨著開機升速過程振幅增大到某一值后振幅有所減小。(3)轉(zhuǎn)子不對中。由于機器的安裝誤差、承載后的變形以及機器基礎(chǔ)的沉降不均等，造成機器工作狀態(tài)時各轉(zhuǎn)子軸線之間產(chǎn)生軸線平行位移、軸線角度位移或綜合位移等對中變化誤差，統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)子不對中。其主要的振動特征為：特征頻率為角頻率的2倍；由不

45、對中故障產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子的激勵力幅，隨轉(zhuǎn)速的升高而加大；激勵力幅與 第 14 頁不對中兩成正比，隨不對中量的增加，激勵力幅呈線性加大。此外，引起轉(zhuǎn)子故障的原因還有：油膜渦動和油膜振蕩、旋轉(zhuǎn)失速、喘鎮(zhèn)、轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的聯(lián)接松動等。2.3、 轉(zhuǎn)子動平衡的動力學(xué)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)子動平衡的動力學(xué)基礎(chǔ)2.3.1靜不平衡與動不平衡靜不平衡與動不平衡由于設(shè)計和結(jié)構(gòu)方面的因素，以及材質(zhì)不均勻以及制造安裝誤差等原因，所有實際轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸都或多或少地偏離其旋轉(zhuǎn)軸線，這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子各微元質(zhì)量的離心慣性力所組成的力系不是一個平衡力系，這種情況稱為轉(zhuǎn)子不平衡或失衡。一般轉(zhuǎn)子幾乎都是不平衡的，要使一個不平衡轉(zhuǎn)子變?yōu)槠胶廪D(zhuǎn)子

46、，就要重新調(diào)整轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，即在某個局部加重或去重，使轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸和旋轉(zhuǎn)軸一致，轉(zhuǎn)子成為平衡的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子不平衡的情況有以下四種：(1)主矢不為零主矩為零這種不平衡相當(dāng)于把一個不平衡質(zhì)量m加在一個質(zhì)量為M、半徑為R的平衡轉(zhuǎn)子的中心平面上。如圖2-1所示，這時轉(zhuǎn)子新的重心位于原來重心平面內(nèi)，距原來重心的距離為e(e為偏心距，e=mr/M)，新的中心慣性主軸和轉(zhuǎn)動軸線始終平行，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由偏心距引起離心慣性力使軸承產(chǎn)生振動，要使這種轉(zhuǎn)子平衡，只需在中心平面內(nèi)m的對稱位置加一相等的質(zhì)量，轉(zhuǎn)子就平衡了。這種慣性力系簡化為一通過質(zhì)心的合力的不平衡稱為靜不平衡。圖 2-1 000,0RM(2)主

47、矢和主矩不為零但相互垂直這時，主矢在合力偶的作用平面內(nèi)，由于0，0但垂直于，0R0R0M0R0M故可進一步向點簡化，使=0，而=0。這樣新的主矢便是慣性O(shè)0M0R0R0R 第 15 頁力系的合力，作用于點(不是質(zhì)心)。這種不平衡相當(dāng)于在平衡轉(zhuǎn)子M的過點的OO平面上加上不平衡量m，這時中心慣性主軸和轉(zhuǎn)動軸線相交，如圖2-2所示。由于轉(zhuǎn)子的慣性力系最后的簡化仍可以得到一個單獨的合力，這種不平衡稱為準(zhǔn)不平衡，0R平衡這種轉(zhuǎn)子也只需在某一特定的平面上加上或去除一定的質(zhì)量。圖 2-2 00000,0,RMRM(3)主矢為零主矩不為零即=m=0, =0,故轉(zhuǎn)動線通過質(zhì)心。O,O,0，這說明慣性0Rcr2c

48、rM yzJzxJ力系合成一個力偶，可以用兩個等重量的不平衡量分別加至平衡轉(zhuǎn)子的兩個平面上表示，如圖2-3所示。因不平衡量為力偶，故稱為偶不平衡，中心慣性主軸通過質(zhì)心而與轉(zhuǎn)動軸線相交成角。要平衡這種轉(zhuǎn)子不能單獨用一個力來平衡，即不能在一個平面上加重或去重，而必須在兩個平面上加重或去重，方能使轉(zhuǎn)子得到平衡。圖2-3 000,0RM(4)主矢和主矩不為零且不相互垂直0，0且、不垂直，這是最0R0M0R0M普遍的不平衡現(xiàn)象，如圖2-4所示。這相當(dāng)于靜不平衡和偶不平衡的組合。稱為動不 第 16 頁平衡。轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸和轉(zhuǎn)動軸線既不平行也不相交，這種不平衡不能在進一步簡化，既不可能在某一個平面上，而

49、必須在兩個或多個平面上加重或去重才能使轉(zhuǎn)子平衡。圖2-4 00000,0,RMRM上述四種情況中，對前兩種的校正平衡稱為靜平衡，而對后兩種則稱為動平衡。任何一個不平衡的轉(zhuǎn)子經(jīng)過動平衡校正后，不僅消除了偶不平衡，同時也消除了靜不平衡。這時轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸和轉(zhuǎn)動軸線也就完全一致了。2.3.2剛性轉(zhuǎn)子的平衡剛性轉(zhuǎn)子的平衡對于剛性轉(zhuǎn)子，不平衡離心力引起的轉(zhuǎn)子撓曲可以忽略，因此可以用剛體力學(xué)的辦法處理其平衡問題。這時平衡轉(zhuǎn)速一般選得低于第一臨界轉(zhuǎn)速，故又稱低速平衡。剛性轉(zhuǎn)子二面平衡原理口門如下：任一不平衡的剛性轉(zhuǎn)子都可以在兩個與轉(zhuǎn)軸垂直的平面上進行校正地得到平衡。一般剛性轉(zhuǎn)子便是遵照此原理在一個或兩個

50、與轉(zhuǎn)軸垂直的平面上加重或去重以實現(xiàn)平衡的。2.3.3撓性轉(zhuǎn)子的平衡撓性轉(zhuǎn)子的平衡與剛性轉(zhuǎn)子不同，撓性轉(zhuǎn)子平衡又稱高速平衡，對于撓性轉(zhuǎn)子必須考慮在不平衡離心力作用下轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的撓曲變形在不同轉(zhuǎn)速下，離心力大小不一樣，因之轉(zhuǎn)子有不同的撓曲變形，軸承的振動和動反力亦不同。亦即：撓性轉(zhuǎn)子的不平衡狀態(tài)是隨轉(zhuǎn)速變化的。盡管在某一轉(zhuǎn)速下，一個撓性轉(zhuǎn)子已經(jīng)按上面所述的剛性轉(zhuǎn)子平衡方法實現(xiàn)平衡，那么一旦轉(zhuǎn)速改變，它又失去平衡。實際的平衡過程是在一個或幾個平衡轉(zhuǎn)速下在有限的幾個校正平面加校正質(zhì)量，其中怎樣選擇校正平面和平衡轉(zhuǎn)速、怎樣確定校正質(zhì)量的大小和方位，這正是撓性轉(zhuǎn)子平衡所要解決的問題。 第 17 頁2.4、

51、現(xiàn)有動平衡技術(shù)分析現(xiàn)有動平衡技術(shù)分析轉(zhuǎn)子振動系統(tǒng)都可簡化成如圖2-5所示的振動模型，即由許多薄圓盤和不計重量的軸及支承組成，轉(zhuǎn)子的振動可歸結(jié)為圓盤的幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合而引起的。平衡的根本任務(wù)就是設(shè)法使圓盤的幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心重合(多圓盤時的平衡1O2O是指檢測處設(shè)法使圓盤的幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心重合)。當(dāng)圓盤繞其旋轉(zhuǎn)軸以角1O2O速度旋轉(zhuǎn)時，由于、不同心，產(chǎn)生不平衡量，使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生振動。1O2O2me從不平衡量形成的原因著手，主要有兩種平衡思路：第一種是從幾何觀點出發(fā)，設(shè)法將平衡圓盤的質(zhì)心移到；第二種是用一強制力與不平衡量相消(大1O2OF2me小相等、方向相反)。實際上各種自動平衡裝置都

52、是根據(jù)這兩種思路設(shè)計的。圖2-5 轉(zhuǎn)子振動系統(tǒng)簡化模型歸納起來可分為三大類，第一類是從質(zhì)量方面著手，通過加重去重方法直接將平衡圓盤的幾何中心移到旋轉(zhuǎn)中心，稱之為直接在線動平衡裝置，包括噴涂法、噴液法及激光去重法等。第二類是采用力的方法，即給圓盤長期提供與不平衡力方向相反、大小相等的力，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時，將其重心強行拉到旋轉(zhuǎn)中心，稱為問接在線動平衡裝置，如采用電磁軸承方法及電磁圓盤方法等。第三種是通過某種方式改變平衡頭(盤)內(nèi)部質(zhì)量分布(不加重，也不去重)，使其幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心重合，質(zhì)量的重新分布可通過機械方法或電磁方法進行，稱這種平衡裝置為混合型在線動平衡裝置。在線動平衡裝置的分類情況如圖2-6

53、所示。 第 18 頁圖2-6 在線自動平衡裝置分類圖2.4.1直接在線動平衡裝置直接在線動平衡裝置(1)噴涂型在線動平衡裝置圖2-7 噴涂型在線動平衡裝置示意圖這是一種加重式在線自動平衡裝置，裝置原理圖如圖2-7所示。通過噴射槍將高粘度物質(zhì)噴射到轉(zhuǎn)子上，改變轉(zhuǎn)子重心位置，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子動平衡。這種平衡方法存在的問題是，高粘度噴射物質(zhì)以高速噴射并粘附在轉(zhuǎn)子上，根據(jù)，在很短的mvFt時間內(nèi)產(chǎn)生較大的沖擊，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生新的不平衡量； 噴射物質(zhì)粘附在轉(zhuǎn)子上，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子表面質(zhì)量； 此外，噴射速度限制了轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。這種平衡裝置一般用在小型旋轉(zhuǎn)機械或精密儀器制造生產(chǎn)線上。(2)噴液型在線動平衡裝置這也是一種加

54、重式在線動平衡裝置。在轉(zhuǎn)子端部裝上噴液平衡頭，平衡頭的結(jié) 第 19 頁構(gòu)如圖2-8所示。根據(jù)所測到轉(zhuǎn)子振動信號，由單片機或微機控制噴槍，將液體噴射到平衡頭上相應(yīng)的容腔中，以改變平衡頭的重心位置，達到在線動平衡。該裝置存在一些問題：由于容腔容量有限，平衡能力受到限制；容腔中液體揮發(fā)，影響平衡精度。圖2-8 噴液型平衡頭示意圖(3)激光去重在線動平衡裝置通過控制脈沖激光束的發(fā)射時間、脈沖寬度及能量大小，使轉(zhuǎn)子材料在微秒量級時間內(nèi)氣化，改變轉(zhuǎn)子的幾何中心，從而對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行動平衡。該裝置存在一些問題：通過激光束使轉(zhuǎn)子上的金屬氣化，留下許多傷痕，降低轉(zhuǎn)子的疲勞極限，縮短了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的使用壽命；平衡過程中

55、產(chǎn)生飛邊、毛刺和氧化物，嚴(yán)重影響表面質(zhì)量；金屬氣化過程中，金屬微粒以蒸氣的形式散在空氣中，污染環(huán)境，危害人體健康；由于激光束短時氣化微量金屬，平衡能力受到限制。所以，激光在線動平衡對于汽輪機組、大型壓縮機等巨型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的平衡是不適用的，一般只適用于小型機構(gòu)的平衡，如牙鉆、陀螺儀等。2.4.2間接在線動平衡裝置間接在線動平衡裝置這種裝置是在平衡頭(盤)上加上與不平衡離心力大小相等、方向相反的力，抵消不平衡量，達到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動平衡。主要包括電磁軸承型在線動平衡及電磁圓盤型在線動平衡。這類裝置的平衡原理基本一致，通過變頻器在電磁軸承處或平衡圓盤處，長期為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度相同頻率的平衡電磁

56、力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的在線動平衡。它有一個嚴(yán)重不足，就是轉(zhuǎn)子在運行過程中一直受平衡電磁力的作用，對于長期運行的旋轉(zhuǎn)機械來說，能耗大。 第 20 頁2.4.3混合型在線動平衡裝置混合型在線動平衡裝置混合型在線動平衡基本原理：由檢測系統(tǒng)測量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動信號，通過控制系統(tǒng)，改變裝在轉(zhuǎn)子軸上并與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一起旋轉(zhuǎn)的平衡頭內(nèi)部的質(zhì)量分布，產(chǎn)生大小、方向可控的平衡力，以平衡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡激振力。平衡頭內(nèi)部質(zhì)量的分布一般是由兩個平衡質(zhì)量塊來調(diào)節(jié)的。根據(jù)平衡質(zhì)量塊在平衡頭上移動的軌跡，調(diào)整的方式可分為三種，即直角坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式及混合坐標(biāo)式。直角坐標(biāo)式(如圖2.9a)平衡質(zhì)量塊相對平衡頭只作徑向移動，每個平衡質(zhì)

57、量塊相對于平衡頭只改變大小，不改變方向。極坐標(biāo)式(如圖2-9b)平衡質(zhì)量塊相對于平衡頭只作周向移動，各個平衡質(zhì)量塊產(chǎn)生的平衡力只改變方向，不改變大小?；旌献鴺?biāo)式(如圖2.9c)平衡質(zhì)量塊既可做徑向移動，又可做周向移動，平衡力既改變大小，也改變方向。（a）直角坐標(biāo)式 （b）極坐標(biāo)式 （c）混合坐標(biāo)式圖2-9 平衡質(zhì)量塊移動軌跡示意圖混合型在線動平衡裝置在轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡振動時，調(diào)整平衡質(zhì)量塊的位置，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行動平衡。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)平衡后，不再對平衡頭輸入能量，即可切斷電動機電源或撤消拖動平衡質(zhì)量塊移動的電磁力。根據(jù)驅(qū)動平衡質(zhì)量塊移動方式及控制方式的不同，混合在線動平衡裝置可分為電動機型、遙控型及電磁

58、型在線動平衡裝置。電動機型混合在線動平衡裝置是指平衡質(zhì)量塊是由電動機驅(qū)動，而電動機則是通過電刷與控制系統(tǒng)相聯(lián)接的。遙控型混合在線動平衡裝置是指平衡質(zhì)量塊是由電動機驅(qū)動，電動機則是由控制系統(tǒng)無線遙控的(如微波遙控、紅外遙控及超聲波遙控等)。電動機型及遙控型混合在線動平衡裝置是由電動機驅(qū)動平衡質(zhì)量塊在平衡頭上做相對運動，電動機及傳動裝置也以同樣轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，故這類平衡裝置一般不適合高速轉(zhuǎn)子的在線動平衡。所謂電磁型混合在線動平衡裝置是通過電磁力拖動平衡質(zhì)量塊相對平衡頭移動的動平衡裝置。電磁型混合在線動平衡裝置中平衡質(zhì)量塊不是由電動機驅(qū)動的，而 第 21 頁是由外加電磁力撥動，其平衡塊的位置一般

59、由影響系數(shù)法計算確定，影響系數(shù)法是最好的動平衡方法，它不僅表明有關(guān)不平衡響應(yīng)系統(tǒng)的變化的回轉(zhuǎn)速度功能，而且表明了系統(tǒng)的動態(tài)特性。從理論上講可以解決高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的在線動平衡問題。它克服了間接型在線動平衡裝置的先天不足，節(jié)約了能源。但是，由于運用影響系數(shù)計算平衡塊位置，所以其平衡過程需要一定的響應(yīng)時間。 第 22 頁第第 3 3 章章高速電主軸在線動平衡裝置設(shè)計高速電主軸在線動平衡裝置設(shè)計3.1、 電主軸主要技術(shù)參數(shù)電主軸主要技術(shù)參數(shù)電主軸的基本參數(shù)和主要規(guī)格包括:套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速、輸出功率、計算轉(zhuǎn)速、 計算轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩和刀具接口等。其中計算轉(zhuǎn)速又稱額定轉(zhuǎn)速，是指恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動與恒功率驅(qū)動的交匯點,參見

60、圖3-1和圖3-2。它相當(dāng)于圖3.2中的A點，即小圖 3-1 功率、轉(zhuǎn)矩曲線 圖 3-2 功率-轉(zhuǎn)速特性于計算轉(zhuǎn)速時為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動， 大于計算轉(zhuǎn)速時為恒功率驅(qū)動。計算轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)速小于和等于計算轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩。一般電主軸型號中含有套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速和輸出功率這3 個參數(shù)。電主軸還有以下一些重要的性能參數(shù)：精度和靜剛度臨界轉(zhuǎn)速殘余動不平衡值及驗收振動速度值噪聲和套筒溫升值拉緊刀具的拉力值和松開刀具所需液（氣）壓力的最小和最大值使用壽命值電主軸與刀具的接口3.2、 動平衡裝置設(shè)計動平衡裝置設(shè)計第二章動平衡相關(guān)理論基礎(chǔ)表明，基于電機工作原理的電磁式間接在線動平衡頭和基于影響系數(shù)法動平衡控制的電磁式在線混合

61、動平衡頭都是簡單可靠并適用于 第 23 頁高速回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。其中，對于間接在線動平衡，它的優(yōu)點在于，實現(xiàn)動平衡過程時間極短，實現(xiàn)了在線實時補償；缺點在于，轉(zhuǎn)子在運行過程中一直受平衡電磁力的作用，對于長期運行的旋轉(zhuǎn)機械來說，能耗大。對于電磁型混合在線動平衡頭，它的優(yōu)點在于，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)平衡后，撤消拖動平衡質(zhì)量塊移動的電磁力，不再對平衡頭輸入能量，它克服了間接型在線動平衡裝置的先天不足，節(jié)約了能源；缺點在于，由于影響系數(shù)法計算平衡塊位置的過程需要一定的時間，對于對振動時間敏感的情況，比如精密儀器的加工等，該平衡頭就不能滿足加工要求。可以將兩者結(jié)合使用，達到優(yōu)勢互補的效果。運用于高速電主軸，實現(xiàn)一種節(jié)

62、能的在線實時動平衡補償裝置。3.2.1總體模型設(shè)計總體模型設(shè)計建立如圖3-3所示的高速電主軸動平衡實驗裝置。該裝置采用高速電主軸：懸臂平衡頭系統(tǒng)，支撐采用陶瓷軸承。電主軸工作過程中預(yù)先設(shè)定了振動大小(高速主軸的最大質(zhì)量重心偏移量)的極限，當(dāng)測量的振動值高于設(shè)定的參考值時，程序執(zhí)行動平衡，甚至在程序完成平衡之后，隨著旋轉(zhuǎn)速度的改變而產(chǎn)生的新的振動量再次大于設(shè)定值時，系統(tǒng)仍繼續(xù)監(jiān)測主軸狀態(tài)。 第 24 頁圖3-3 高速電主軸動平衡試驗裝置按照圖3-3所示實驗裝置模型，要求傳感器實時監(jiān)測不平衡量、主軸轉(zhuǎn)速、不平衡量相位、平衡盤b、c上平衡塊b、c的相位。當(dāng)出現(xiàn)超標(biāo)不平衡振動時，由非接觸式電渦流傳感器

63、接收振動信號并進行濾波；由光電傳感器1、2分別測量主軸轉(zhuǎn)速和振動相位。這三路電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進入單片微機控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理后計算出精確的不平衡量大小及相位。得到的不平衡振動量和影響系數(shù)事先輸入程序中，用來計算平衡塊矢量，確定最佳相位角。其信號經(jīng)環(huán)形分配器分配后控制驅(qū)動電路驅(qū)動平衡頭工作。3.2.2動平衡裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計動平衡裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計動平衡裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計原理圖見圖3-4所示，控制過程原理圖見圖3-5所示。 第 25 頁圖3-4 動平衡裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖圖3-5 控制過程原理圖按照圖3-4所示平衡頭模型，結(jié)合圖3-5控制過程原理圖，首先，在aa工作部分處，通過控制電路驅(qū)動調(diào)節(jié)定子鐵心a的勵磁電流i

64、、相位導(dǎo)通時間t、初始導(dǎo)通相r產(chǎn)生時空旋轉(zhuǎn)電磁力F1，F(xiàn)1與不平衡力F大小相等、相位相差180。，實時的補償不平衡力；接著，在平衡頭的b-b、c-c工作部分處，電磁鐵b、c導(dǎo)通，按照如下兩步驟依次進行：第一步，控制程序調(diào)節(jié)電流逐漸增加電磁力，當(dāng)增加至與彈性元件彈 第 26 頁性力相等時，保持電流恒定，此時滑盤b、c處于受力平衡狀態(tài)，可以自由轉(zhuǎn)動；第二步，定子鐵心b、c導(dǎo)通勵磁電流i，由數(shù)據(jù)運算處理器驅(qū)動電路，通過所設(shè)的影響系數(shù)法移動原則控制平衡塊的移動過程，使平衡盤b、c旋轉(zhuǎn)到需要方向，合成與不平衡力F大小相等方向相反的力F2，并且由于運用了影響系數(shù)法控制策略，在平衡塊轉(zhuǎn)移動到所需位置時，平衡

65、盤達到與主軸同步旋轉(zhuǎn)的速度。注意，此時F2并未施加于電主軸。最后，數(shù)據(jù)運算處理器驅(qū)動電路發(fā)出新指令，電磁鐵b、c及定子鐵心a、b、c同時斷開，平衡盤b、c被壓板b、c牢牢壓緊，在足夠大的摩擦力作用下與電主軸同步旋轉(zhuǎn)。此時時空旋轉(zhuǎn)電磁力消失，平衡塊合成力F2使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量再分布，使整個高速電主軸系統(tǒng)達到一定的動平衡精度。之后，保持該平衡狀態(tài)，結(jié)束此次平衡工作。3.2.3a-a 截面工作原理截面工作原理以滑盤座上的圓柱表面(材質(zhì)為鐵磁材料)作為作用平面，定子鐵心a沿圓周均勻開槽，控制繞組每相平均占相鄰兩槽，如圖3-6所示。槽數(shù)z、相數(shù)m、槽距角a和相帶角r的關(guān)系為： （3-1）2mr （3-2）z

66、2m為了使定子便于拼接，即易于分成多塊對稱結(jié)構(gòu)，如最簡單的二塊對稱結(jié)構(gòu)，應(yīng)為偶數(shù)。m圖3-6 定子鐵芯結(jié)構(gòu)當(dāng)一相通電時，假設(shè)轉(zhuǎn)子表面是光滑柱面，一相繞組對應(yīng)磁場展丌圖如圖3-8a所示，忽略定轉(zhuǎn)子鐵心的磁壓降，氣隙磁密分布曲線如圖3-7b所示，其中： 第 27 頁（a）對應(yīng)磁路 （b）氣隙磁密分布圖3-7 一相通電時的氣隙磁場 （3-3）l00BH =/(2 )i 式中： 定子繞組勵磁電流；i 一相繞組總的串聯(lián)匝數(shù)； 氣隙長度。該相繞組產(chǎn)生的電磁力F的大小為： （3-4）201coscos22aFeaDFdfB ld 2202sin()8FeiDlik i式中：D轉(zhuǎn)子作用面直徑； 轉(zhuǎn)子作用面軸向長度；Fel 由結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的電磁力系數(shù)。ik電磁力的相位為，即在該相導(dǎo)通相帶的幾何中心線處，方向為離心徑向。00由式(4)可知，該電磁力具有如下特點：（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時；2Fi（2）F的幅值與相位均與 的方向無關(guān)。i當(dāng)各相循環(huán)通電，以單拍為例，按照- - 的順1A2A mA1A2A 序循環(huán)往復(fù)，則對應(yīng)不同瞬間電磁力的時空向量圖如圖3-8所示，形成了一個在空間上以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的電磁力矢量，其平均