高速磨削在線動(dòng)平衡系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)*

尹明泉 景敏卿 劉 恒 樊紅衛(wèi)

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子及信息系統(tǒng)研究所，陜西西安 710049)

現(xiàn)代高速數(shù)控機(jī)床普遍采用電主軸取代傳統(tǒng)機(jī)械主軸，因此主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)上萬(wàn)轉(zhuǎn)，甚至數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)。在如此高的轉(zhuǎn)速下，電主軸的微小不平衡量，都將引起巨大的慣性離心力，進(jìn)而造成機(jī)床的振動(dòng)，導(dǎo)致工件精度和表面質(zhì)量下降。因此，國(guó)內(nèi)高檔數(shù)控機(jī)床一般都配有專門的動(dòng)平衡系統(tǒng)。圖1是使用某國(guó)產(chǎn)數(shù)控磨床加工齒輪工件的工作現(xiàn)場(chǎng)(這里，仍采用機(jī)械主軸，工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min)。圖中，砂輪軸端安裝了美國(guó)許密特工業(yè)公司研制的SBS自動(dòng)平衡頭。

在線自動(dòng)動(dòng)平衡是近些年興起并開始在工程實(shí)際中應(yīng)用的智能動(dòng)平衡工藝。目前，國(guó)內(nèi)機(jī)床上安裝的在線動(dòng)平衡裝置主要來自美國(guó)、德國(guó)和日本等廠家。就一個(gè)普通的機(jī)械式SBS動(dòng)平衡頭，價(jià)格在8萬(wàn)元左右，而新型的電磁式平衡頭更要大約14萬(wàn)元。因此，我國(guó)必須研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的在線自動(dòng)平衡裝置(含平衡頭和測(cè)控系統(tǒng))，擺脫被國(guó)外產(chǎn)品壟斷國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的局面。

國(guó)內(nèi)關(guān)于自動(dòng)平衡頭的研究工作大概始于20世紀(jì)90年代。浙江大學(xué)汪希萱、曾勝、歐陽(yáng)紅兵［1－2］，國(guó)防科技大學(xué)葛哲學(xué)、陶利民［3－4］，北京化工大學(xué)何立東、沈偉、劉錦南［5－6］，北京工業(yè)大學(xué)伍良生、楊慶坤［7－8］等人先后研究出了機(jī)械式和電磁式自動(dòng)平衡頭，但都未能投入使用，尚未見一套國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的動(dòng)平衡系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床主軸。

筆者在閱讀前人文獻(xiàn)過程中，深刻認(rèn)識(shí)到電主軸已成為數(shù)控機(jī)床的核心功能部件，尤其成為制約高檔數(shù)控機(jī)床發(fā)展的重要部件，而高轉(zhuǎn)速、高精度、大功率、高可靠性的電主軸系統(tǒng)儼然已成為目前發(fā)展的主要方向。作為保證電主軸高速、高精度的平衡運(yùn)行監(jiān)測(cè)裝置，其更是電主軸自動(dòng)平衡過程中不可或缺的部分。要監(jiān)測(cè)主軸的高轉(zhuǎn)速，并對(duì)這種高轉(zhuǎn)速主軸系統(tǒng)的不平衡振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)平衡控制就需要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在軟件方面實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算與決策，同時(shí)在硬件方面更應(yīng)該具有良好的高速性和可靠性。本文通過DSP和FPGA相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速采集和處理。另外，由于要實(shí)現(xiàn)對(duì)不平衡振動(dòng)的快速、精確控制，要求在信號(hào)采集過程中盡量保證信號(hào)的高信噪比，從而更容易地提取不平衡振動(dòng)特征，因此采用三級(jí)信號(hào)調(diào)理電路(信號(hào)隔離放大、可編程截止頻率濾波和阻抗匹配電路)，以保證數(shù)字轉(zhuǎn)換后信號(hào)的純凈度。因此，針對(duì)高速數(shù)控磨床砂輪—電主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)及其對(duì)高轉(zhuǎn)速、高精度、高可靠性的要求，設(shè)計(jì)了一套實(shí)用的在線動(dòng)平衡系統(tǒng)硬件，它包括測(cè)控系統(tǒng)和自動(dòng)平衡頭兩部分。

1 在線動(dòng)平衡測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

動(dòng)平衡測(cè)控系統(tǒng)的主要功能是完成不平衡量提取以及根據(jù)不平衡大小和方位驅(qū)動(dòng)控制自動(dòng)平衡頭移動(dòng)。因此，測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括測(cè)振傳感器、鑒相傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、DSP微處理器、FPGA模塊和D/A驅(qū)動(dòng)模塊等，其相互連接關(guān)系如圖2所示。

圖中，在線動(dòng)平衡測(cè)控過程為:首先，由傳感器采集到振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào);經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)其隔離放大、濾波等前期處理;然后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，將離散數(shù)字序列存放在高速緩存區(qū)，利用可編程邏輯控制器FPGA將高速緩存區(qū)的數(shù)據(jù)傳送給DSP模塊。這些離散數(shù)據(jù)經(jīng)由DSP模塊進(jìn)行信號(hào)特征提取和控制算法運(yùn)算，一方面通過FPGA傳給D/A模塊輸出信號(hào)進(jìn)行動(dòng)平衡控制，另一方面通過網(wǎng)絡(luò)硬件協(xié)議棧W3100A上傳至監(jiān)測(cè)前端進(jìn)行特征信號(hào)實(shí)時(shí)在線顯示。在如上監(jiān)測(cè)裝置中，采用可編程邏輯控制器FPGA，有以下3個(gè)作用:(1)控制各器件的動(dòng)作時(shí)序，使各個(gè)器件在不同時(shí)刻按規(guī)定的先后順序執(zhí)行;(2)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以作為主軸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和相位計(jì)算的參考標(biāo)準(zhǔn);(3)作為數(shù)據(jù)傳遞的中間橋梁，由于FPGA和DSP采用HPI通信，使數(shù)據(jù)傳輸更為快捷。

在動(dòng)平衡測(cè)控系統(tǒng)中，振動(dòng)信號(hào)的硬件調(diào)理(主要是放大和濾波)對(duì)整個(gè)平衡裝置的測(cè)試精度影響較大，筆者采用了如圖3所示的信號(hào)調(diào)理模塊。其中，模擬濾波器采用TLC04(可編程截止頻率低通濾波器)，其原理如圖4所示。

從圖4可知，TLC04是一個(gè)具有四階開關(guān)電容的巴特沃斯濾波器，通過改變時(shí)鐘發(fā)生器的輸出可以達(dá)到改變不同截止頻率，從而實(shí)現(xiàn)可編程濾波的目的。

從模擬濾波器輸出的信號(hào)經(jīng)過阻抗匹配電路，可以抑制信號(hào)的反射，獲得最大功率輸出，使輸入DSP中的信號(hào)盡可能干凈。

根據(jù)以上原理，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)的振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。

2 在線自動(dòng)動(dòng)平衡裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于機(jī)械式自動(dòng)平衡裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要特殊電動(dòng)機(jī)，且平衡轉(zhuǎn)速受限。因此，筆者采用新型電磁滑環(huán)式平衡頭結(jié)構(gòu)，如圖6［6，9］所示。整個(gè)平衡頭由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)兩部分組成，其中，動(dòng)環(huán)是核心部件，隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，靜環(huán)則與機(jī)床不動(dòng)部分固連。這種結(jié)構(gòu)的平衡頭軸向和徑向尺寸小、機(jī)械零部件少、離合簡(jiǎn)單，因此，理論上可用于更高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合。

如圖6c，靜環(huán)是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由線圈和鐵芯組成。線圈有兩組，每組分別控制一個(gè)配重盤。當(dāng)控制器發(fā)出電壓脈沖后，線圈得電，即產(chǎn)生電磁場(chǎng)，并磁化鐵芯得到加強(qiáng)磁場(chǎng)。動(dòng)環(huán)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖6a和b所示，靠過盈配合裝在主軸上，隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。其內(nèi)部為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，包括2個(gè)配重盤、3個(gè)磁性板(中間和兩側(cè))、2個(gè)隔磁板、2個(gè)滾動(dòng)軸承、2個(gè)端部外殼。中間磁性板居于整個(gè)動(dòng)環(huán)的中心，其他部件以它為中心對(duì)稱組裝。配重盤是動(dòng)環(huán)的核心構(gòu)件，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7中，配重盤基體由鋁或不銹鋼制成。一般是在半個(gè)圓環(huán)面上均勻加工若干個(gè)孔以提供校正質(zhì)量。在整個(gè)圓環(huán)面的外緣上均勻加工若干個(gè)小孔并在孔中鑲?cè)氪笮∠嗤拟S鐵硼等永磁材料作為永磁體，兩個(gè)相鄰永磁體的磁極方向相反。配重盤和主軸之間有兩對(duì)滾動(dòng)軸承，其內(nèi)圈用過盈配合安裝在主軸上，外圈與配重盤的內(nèi)圈過盈連接。

本文設(shè)計(jì)的平衡頭結(jié)構(gòu)除了動(dòng)作簡(jiǎn)單外，平衡頭與主軸之間的離合方式也很簡(jiǎn)單，而且在文獻(xiàn)［9］中已經(jīng)證明是可靠的。該電磁平衡頭的鎖緊方式為磁路鎖緊，原理如下:如圖 8［10］，a、c 是穩(wěn)定平衡位置，b是中間過渡位置，這3個(gè)位置構(gòu)成1個(gè)最小平衡作動(dòng)單元。在圖8a、c中，由磁阻最小原理，中間配重盤和兩邊磁性板能形成一個(gè)閉合回路，實(shí)現(xiàn)配重盤的鎖緊。

圖8中，a、c兩個(gè)平衡位置的線圈磁場(chǎng)方向相反，這是靠驅(qū)動(dòng)電壓極性反向產(chǎn)生的。對(duì)線圈施加極性交替變換的電壓脈沖的目的是保證配重盤沿同一個(gè)方向連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)提出了機(jī)床主軸在線動(dòng)平衡測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，并對(duì)不平衡振動(dòng)信號(hào)的調(diào)理電路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

(2)提出了電磁平衡頭的基本結(jié)構(gòu)，討論了各組成部件的材料、形式和裝配關(guān)系等，建立了該平衡頭的三維模型。

(3)本文所設(shè)計(jì)的在線動(dòng)平衡系統(tǒng)以“DSP+FPGA”為測(cè)控核心，以無(wú)需外加離合器的電磁平衡頭為執(zhí)行器，為旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線動(dòng)平衡系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化提供了一條可行的技術(shù)途徑。

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