偏心軸加工工藝研究

郭光 江西水利職業學院

偏心軸為移動刀提供振蕩運動，并因其有效性能，耐腐蝕性，可靠性，長期使用等特點而廣受贊譽。 縮短制造周期時間并實現高質量的操作夾具設計非常重要。偏心軸加工工藝對加工質量、生產率和產品成本具有直接影響。

1. 偏心軸的作用

偏心軸是軋花機的重要組成部分之一。 偏心軸是圓形或凸輪形盤，牢固地固定在旋轉軸上，其中心偏離軸的中心。這在軋花操作中起著重要作用。這些軸為移動刀提供振蕩運動或動作。對參數連桿的檢查表明，偏心軸壽命取決于作用在偏心軸上的載荷，其幾何形狀，冶金特性和磨損。通過使用優質的原材料，先進的方法設計和制造偏心軸，可以提高生產率和高質量的操作。與曲軸相比，偏心軸提供更大的強度和支撐軸承更靠近驅動點。

偏心軸的特點如下：（1）隨著偏心距離的增大，作用在電機上的扭矩增大，導致力條件差，結構復雜；（2）偏心軸通常具有偏心距離小的特點，因此只能提供小的位移。偏心軸是重要的元素，在軋花操作中起著重要作用。在偏心軸的設計和開發中，常見原料為合金鋼，其成分為Fe（98.5%），Al（0.5%），C（0.5%）和 Mo（0.5%）。

2. 工作原理

步進電機的主軸由磁化驅動，然后由偏心軸驅動。其中集成到電主軸中，以偏心距離e作為半徑旋轉。由于偏心軸設計偏心距小，驅動活塞與氣缸之間的摩擦力矩非常小，摩擦損失小，系統傳動效率高。

滾針軸承帶動驅動活塞上下移動，軸承的引入是為了減少偏心軸和從動活塞之間的摩擦。 當從動活塞向下移動時，下腔內的油通過輸出活塞上的回流孔流入上腔，因此兩腔內的壓力相等; 回流孔的實際功能是形成內部差分電路。

一種模型參考T-S模糊跟蹤控制器，T-S跟蹤控制器和模型參考自適應控制器的混合結構，用于非線性偏心機構。為了解決這個非線性系統，運動控制系統可以顯著減少不同運動條件下的位置和速度跟蹤誤差。

繞組函數理論顯示了偏心故障對電動機電感的影響，并且使用非對稱氣隙函數進行仿真。偏心故障是定子和轉子之間氣隙不等的條件。當最小徑向氣隙長度的位置固定在空間中時，它被稱為靜態氣隙偏心。在動態偏心的情況下，轉子的中心不在旋轉中心，因此最小氣隙的位置隨轉子旋轉。在實踐中，允許氣隙偏心率高達10%。為了模擬偏心故障，在與軸連接的盤的一側附加了重物。對所有特征進行歸一化以排除轉子速度和負載，以便獲得不同條件下的可比數據。靜態和動態偏心率往往存在于實踐中。偏心模型用于模擬偏心故障的影響。

3. 偏心軸加工工藝

3.1 振動控制

在控制設計的情況下，剛性轉子的速度調節是一個簡單的過程。即使對于在重力場中旋轉的不平衡轉子，也可以通過明確地補償重力擾動來實現精確的速度控制，或者通過諸如滑動模式控制的高權限控制器來實現。然而，對于具有柔性軸的偏心轉子，速度調節成為一項具有挑戰性的任務，因為執行器既不與輸出并置，也不與來自重力的時變扭矩相配合。這是一個實際問題，因為連接旋轉構件的軸通常具有一定程度的柔性，如果沒有適當地解決，這將限制操作速度和可實現的精度。編碼器可用于記錄有效載荷的運動以進行評估；它不向控制器提供反饋信號。進行數值模擬和實時實驗以評估控制系統的性能。

3.2 電機與軸偏心連接

無刷型永磁電機特別適用于防抱死制動系統（ABS）中的泵。由于軸上的偏心連接，在安全運行模式下，需要保持電動機扭矩的最小值始終高于最大負載扭矩。這種解決方案至少有兩個缺點。首先，電機尺寸過大。電機轉矩的平均值遠高于平均負載轉矩。第二個問題是由電動機的低速引起的。電機轉矩和負載轉矩之間的差異在電機的一圈內發生變化。對于最大負載轉矩，電機僅提供略高于所需值的轉矩。相反，負載轉矩等于零，負載和電動機之間的轉矩差異很大。它會導致速度波動，尤其是在低范圍內。速度波動又會在系統中產生額外的噪音。三相無刷電機也出現類似的波形。

3.3 偏心槳設計

偏心槳在陸地和水上存在幾種運動模式。其中，有輪式和劃槳等集中最常見的運動模式。通常，這幾種運動可以通過旋轉關節實現。所以這里出現的問題是，是否有可能在一個機制內執行輪式和劃槳步態。

通過使用偏心槳機構，機器人可以在陸地上進行輪式行走以及水中的水上劃槳步態。從殼體突出的每個槳葉外表面將在劃槳運動期間用作控制表面并且在運動期間提供動力。這種新穎的設計為所提出的機器人帶來了一定的優勢。首先，通過使用偏心槳機構，機器人可以在陸地和水中使用相同的運動機制。在陸地上，槳葉起到輪子的作用。在水中，槳葉的突出區域用作控制表面以獲得推力。通過改變槳葉軸的位置，可以簡單地實現步態過渡。其次，槳葉的伸出和收縮行為是主動致動的。它使機器人比傳統的輪式車輛具有更高的機動性。例如，通過突出其槳葉，機器人可以穿過崎嶇地形。在平坦的地形上，槳可以縮回，作為輪子滾動。在水中運動時，機器人通過調整控制面的方向和大小來產生矢量推力。

3.4 曲軸扭矩平衡

曲軸等不規則形狀的工件，車床的主軸系統難以在所需的恒轉速下運轉，因為重力不平衡扭矩產生于 工件的偏心不平衡重量。對于這種情況，重力不平衡扭矩可能由三個原因引起：軸頸不平衡，曲柄銷不平衡和軸頸未對準。

為了保持恒定的運行速度以抵抗不規則的不平衡扭矩，通常除了主驅動電機之外還使用控制電機。然而，由控制電動機產生的靜態預轉矩是不平衡轉矩的一半，因此它可以補償工件的不平衡轉矩的至少一半。主軸的轉速變化或扭轉振動可能對加工精度造成不良影響。

3.5 調整和驗證氣隙不對稱性

在真實的機器上精確測量以及調整轉子偏心是非常具有挑戰性的，因為在感應電機中存在幾種可能的氣隙不對稱源，最終導致固有的靜態和動態偏心。參考系的原點定義了定子疊片的中心。從旋轉軸到虛線圓的距離給出了在相應方向上產生的氣隙。從復平面的中心開始，黑相（表示為定子外殼+層壓）定義了所識別的固有偏心率的大小和位置。該階段的終點是使用兩個偏心套筒的所選布置的起點。因此，改變兩個套筒的角度取向可以將得到的偏心率（紅色相位）調節到任何幅度以及氣隙長度內的方向。固有偏心度（定子外殼+層壓）的相位通常在機器的兩側具有不同的大小和方向。

有四種可能的位置來通過殼體中的孔光學地測量氣隙。為了檢測氣隙長度，必須在機器內部實現適當的照明。為了研究感應電機參考氣隙不對稱性的特性，有必要考慮整個機械裝置的上述非理想特性。必須確定機器制造中的公差以及偏心套筒。這種耗時的過程對于提供準確可靠的測量結果是必要的。測量機器每側沿圓周的四個不同位置處的氣隙長度，可以達到幾十μm的精度。除了使用數碼相機測量氣隙長度外，還可以在機器的每一側放置兩組激光傳感器來測量軸的位置。

4. 結語

由于偏心軸設計偏心距小，摩擦力矩非常小，導致摩擦損失小，系統效率高。由于軸上的偏心連接，泵的特征在于軸的一圈上的負載扭矩的變化。偏心質量的轉速改變主軸的振動可能會對機器精度產生不良影響。偏心軸的正確設計和良好的加工工藝可以減少振動，最終使操作無噪音和平穩，提高了效率和加工的質量。