一種機(jī)械式自平衡電主軸系統(tǒng)及試驗(yàn)研究??

樊紅衛(wèi) 邵偲潔 楊一晴 萬(wàn) 翔 張旭輝 馬宏偉

(西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710054)

主軸是機(jī)床的核心功能部件，其性能對(duì)機(jī)床加工質(zhì)量具有重要影響。電主軸因結(jié)構(gòu)緊湊、旋轉(zhuǎn)精度高等優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床。不平衡是各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見(jiàn)的故障原因，電主軸由于其高轉(zhuǎn)速，不平衡問(wèn)題更為突出。因此，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡成為電主軸領(lǐng)域重要的研究方向之一。動(dòng)平衡方法根據(jù)機(jī)器是否停機(jī)可分為離線平衡和在線平衡，而在線平衡由于其廣泛適用性、無(wú)人干預(yù)等顯著特點(diǎn)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)主軸在線平衡技術(shù)開(kāi)展了大量研究，目前主流的主軸在線自動(dòng)平衡技術(shù)是將主動(dòng)式平衡頭集成于主軸前端，結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和動(dòng)平衡控制器完成主軸的在線主動(dòng)平衡。根據(jù)平衡頭種類不同，可大致分為三類:機(jī)械式平衡[1-2]、噴液式平衡[3-5]及電磁式平衡[6-9]。目前，絕大多數(shù)的研究均只是針對(duì)平衡裝置本身的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)展開(kāi)，缺乏系統(tǒng)化的電主軸-平衡頭集成單元一體化設(shè)計(jì)，制約了這一技術(shù)的推廣應(yīng)用步伐。本文將介紹一種采用非接觸式機(jī)械自平衡頭實(shí)現(xiàn)電主軸自動(dòng)平衡的完整系統(tǒng)，為國(guó)產(chǎn)電主軸的品質(zhì)提升和智能化提供技術(shù)借鑒。

1 自平衡電主軸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種高速電主軸振動(dòng)多信息在線監(jiān)測(cè)與分析、自動(dòng)平衡和自動(dòng)報(bào)警及降速處理的多信息智能化自平衡電主軸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)寬調(diào)速范圍大不平衡量的快速調(diào)節(jié)。

1.2 系統(tǒng)總體方案

針對(duì)電主軸不平衡問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種非接觸機(jī)械式自平衡綜合監(jiān)控電主軸系統(tǒng)，包括電主軸及其附件、狀態(tài)監(jiān)控和自動(dòng)平衡三個(gè)子系統(tǒng)，如圖1所示。電主軸附件為主軸提供支撐、實(shí)現(xiàn)冷卻和保證潤(rùn)滑。通過(guò)狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電主軸狀態(tài)預(yù)警和調(diào)控；通過(guò)自動(dòng)平衡子系統(tǒng)對(duì)電主軸實(shí)時(shí)不平衡進(jìn)行在線不停機(jī)自動(dòng)校正。

2 自平衡電主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 電主軸及附件設(shè)計(jì)

電主軸安裝方式影響主軸運(yùn)行狀態(tài)。為保證支撐剛度，系統(tǒng)在試驗(yàn)臺(tái)面上開(kāi)設(shè)兩個(gè)放置槽，螺栓穿過(guò)主軸外部殼體上留有的安裝孔及調(diào)整板上的安裝孔將主軸和調(diào)整板連接，再用螺栓連接將其與放置于放置槽內(nèi)的帶螺紋的滑塊連接，從而將電主軸固定在試驗(yàn)臺(tái)上，如圖2所示。

潤(rùn)滑和冷卻是保證高速電主軸平穩(wěn)運(yùn)行的重要條件。為保證潤(rùn)滑效果，電主軸系統(tǒng)采用油霧潤(rùn)滑。又因螺桿式空壓機(jī)采用氣罐分離，減少了開(kāi)機(jī)次數(shù)，能更好地起到穩(wěn)壓作用，故利用螺桿式空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮，再經(jīng)冷干機(jī)過(guò)濾、冷卻和干燥后，令其使?jié)櫥统捎挽F狀對(duì)電主軸進(jìn)行油霧潤(rùn)滑；為更好地對(duì)高速電主軸進(jìn)行冷卻，系統(tǒng)采用循環(huán)水冷的方式。

2.2 平衡單元設(shè)計(jì)

平衡單元是整個(gè)電主軸系統(tǒng)的核心部件，必須能夠精確地反饋系統(tǒng)振動(dòng)情況，并根據(jù)振動(dòng)及時(shí)準(zhǔn)確地抵消不平衡。因此，本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)平衡子系統(tǒng)。自動(dòng)平衡子系統(tǒng)包括振動(dòng)加速度和鑒相傳感器、非接觸機(jī)械式自動(dòng)平衡頭及其控制器，如圖3所示。非接觸平衡頭包括平衡執(zhí)行器和信號(hào)發(fā)射器，平衡執(zhí)行器采用非接觸機(jī)械式結(jié)構(gòu)，信號(hào)發(fā)射器則須保證平衡執(zhí)行器與其之間的間隙不超過(guò)3 mm。平衡原理是控制機(jī)對(duì)加速度傳感器和鑒相傳感器監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)和相位信號(hào)進(jìn)行分析后，通過(guò)發(fā)射器控制平衡執(zhí)行器中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心齒輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)齒輪盤的合矢量即能夠抵消外界不平衡，從而達(dá)到平衡狀態(tài)。如圖4所示，外界不平衡矢量A恰好能被兩偏心齒盤分別產(chǎn)生的不平衡矢量B和C的合矢量抵消時(shí)，即達(dá)到平衡。

2.3 振動(dòng)檢測(cè)及控制單元設(shè)計(jì)

振動(dòng)檢測(cè)及控制單元是監(jiān)測(cè)電主軸運(yùn)行狀況、及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和調(diào)控的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)設(shè)置了狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)，包括各路傳感器、外置式監(jiān)控儀和電控柜，如圖5所示。系統(tǒng)采用包括加速度、速度、轉(zhuǎn)速、位移、溫度及聲發(fā)射傳感器在內(nèi)的16路傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)電主軸整體運(yùn)行狀態(tài)，所有傳感器信號(hào)都經(jīng)過(guò)信號(hào)集成變送單元將其一分為二，一路通過(guò)外置式監(jiān)控儀接入上位機(jī)，一路接入電控柜。上位機(jī)裝有電主軸運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件，可對(duì)輸入的傳感器信號(hào)和頻譜分析結(jié)果進(jìn)行顯示、繪制軸心軌跡，方便觀察各傳感器的信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。電控柜的主要功能是電主軸調(diào)速以及根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警及主動(dòng)降速以保護(hù)主軸安全。電控柜界面通過(guò)觸控屏幕按鍵控停系統(tǒng)所有配套機(jī)器，并在傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)超過(guò)預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警；如信號(hào)繼續(xù)增大并超過(guò)預(yù)設(shè)停機(jī)值時(shí)，電控柜通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降速，以保護(hù)電主軸的電動(dòng)機(jī)及軸承。

2.4 其他附件設(shè)計(jì)

(1)潤(rùn)滑油循環(huán)使用部件

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了潤(rùn)滑油循環(huán)使用部件，包括油霧分離器和真空發(fā)生器。將電主軸前端的排油管道接入油霧分離器，將空氣和油進(jìn)行分離，分離出的油可再次循環(huán)使用，分離出的空氣利用管道接入真空發(fā)生器，使廢棄空氣通過(guò)真空發(fā)生器的氣壓調(diào)節(jié)排出到試驗(yàn)室外，節(jié)能又環(huán)保。

(2)排線裝置

為方便安裝油霧分離器等小型試驗(yàn)裝置，也能更好地整理和固定試驗(yàn)系統(tǒng)各進(jìn)出線路，在試驗(yàn)臺(tái)前端設(shè)計(jì)了排線裝置。

(3)防護(hù)罩

為在一定程度上降低意外事故的傷害，防止灰塵和切屑，對(duì)非接觸式平衡頭系統(tǒng)采用剛性材料制成的防護(hù)罩，安全又方便。

3 自平衡電主軸系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

為驗(yàn)證電主軸系統(tǒng)的在線自平衡功能的有效性，建立了如圖6所示自平衡電主軸系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。所選電主軸為磨削電主軸，型號(hào)為170MD12Y16，主軸電動(dòng)機(jī)具體參數(shù)如表1所示。加速度傳感器選用ICP加速度傳感器，型號(hào)為 LW187483，靈敏度為 0.103 V/g。電主軸右端軸段通過(guò)適配器安裝非接觸式自動(dòng)平衡子系統(tǒng)，適配器也可用作不平衡模擬盤。

表1 電主軸電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

3.2 試驗(yàn)原理

根據(jù)振動(dòng)理論，轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)屬于強(qiáng)迫振動(dòng)，如圖7所示，在豎直方向上的振動(dòng)微分方程可表示為:

式中:M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；m為轉(zhuǎn)子偏心質(zhì)量；e為偏心距；C為阻尼；K為剛度；x為豎直方向振動(dòng)位移；ω為轉(zhuǎn)子角速度。由式(1)可知，不平衡me和轉(zhuǎn)速ω是不平衡振動(dòng)的主要影響因素，如圖7所示。因此，電主軸在線主動(dòng)平衡試驗(yàn)針對(duì)不平衡量和轉(zhuǎn)速兩個(gè)因素開(kāi)展。

3.3 自平衡實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)在以下3種情況下進(jìn)行:(1)在配重盤0°位置加1個(gè)重量為5.38 g的螺釘；(2)在配重盤0°和90°分別加1個(gè)重量為 5.38 g 的螺釘；(3)在配重盤 0°、90°和 180°的位置分別加一個(gè)重量為5.38 g的螺釘。分別測(cè)試3種不平衡下，轉(zhuǎn)速在 1 800、2 400、3 000、3 600、4 200、4 800 r/min時(shí)的平衡信息。

設(shè)置電主軸轉(zhuǎn)速，待穩(wěn)定后，測(cè)量平衡前系統(tǒng)振動(dòng)量；將平衡目標(biāo)值設(shè)為0.1μm，按下平衡鍵，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，測(cè)量平衡后系統(tǒng)振動(dòng)量；平衡效果、振動(dòng)降低量、降低率和平衡后的振動(dòng)結(jié)果如圖8所示。可以看出:(1)系統(tǒng)振動(dòng)量明顯降低，不平衡問(wèn)題得到解決；(2)振動(dòng)降低量和降低率在首次低速平衡時(shí)較大，高速時(shí)很小；(3)平衡后振動(dòng)量達(dá)到設(shè)置精度，甚至更高精度。但平衡后振動(dòng)量不同，是受系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

試驗(yàn)結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的自平衡電主軸試驗(yàn)系統(tǒng)是可行、有效的，其自動(dòng)平衡子系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)、分析系統(tǒng)振動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速范圍內(nèi)不同平衡量下的快速平衡調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)電主軸不平衡問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種非接觸機(jī)械式自平衡電主軸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警和自平衡功能。

(2)對(duì)電主軸及其附件、狀態(tài)監(jiān)控和自動(dòng)平衡3個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，特別是狀態(tài)監(jiān)控和自動(dòng)平衡子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)介紹了特定功能附件。

(3)建立了試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速不同不平衡量下的自平衡實(shí)驗(yàn)，獲得了不同轉(zhuǎn)速下振動(dòng)降低量、平衡后振動(dòng)量和振動(dòng)降低率。結(jié)果表明:在轉(zhuǎn)速1 800～4 800 r/min，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)量降至0.1μm的高精度自平衡，證明系統(tǒng)是可行、有效的。