關于高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺動平衡檢測及調(diào)整方法的研究

孫宏偉

(科德數(shù)控股份有限公司，遼寧 大連116100)

高速直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)臺是車銑復合加工中心中非常重要的功能部件，高速轉(zhuǎn)臺在車削加工中的振動情況，直接影響數(shù)控機床加工零件的精度及機床使用壽命。高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生動不平衡現(xiàn)象通常有以下幾部分原因：當轉(zhuǎn)臺空載時，可能存在轉(zhuǎn)臺本體轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不對稱、轉(zhuǎn)臺生產(chǎn)制造過程中零件加工誤差和裝配誤差等；當轉(zhuǎn)臺在使用過程中，可能存在被加工件質(zhì)量不對稱、工裝夾具設計不對稱等情況。轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生的動不平衡將引起數(shù)控轉(zhuǎn)臺的振動，進而引起數(shù)控機床的噪聲過大，軸承壽命的降低等現(xiàn)象。因此高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺通過動平衡檢測并進行質(zhì)量調(diào)整之后，使其回轉(zhuǎn)軸線與慣性軸線重合，去除了不平衡力，實現(xiàn)了動平衡。本文對數(shù)控轉(zhuǎn)臺動平衡的計算方法、檢測方法和調(diào)整方案進行了詳細闡述，對高速直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的設計及應用具有指導意義。

1 轉(zhuǎn)臺動平衡理論

數(shù)控轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)部分稱其為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)子部分，轉(zhuǎn)臺的動不平衡即為轉(zhuǎn)子不平衡[3]。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均使其中心主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不重合而產(chǎn)生離心力引起轉(zhuǎn)子的振動，即稱為轉(zhuǎn)子不平衡。轉(zhuǎn)子不平衡的類型分為：靜態(tài)不平衡、力偶不平衡、準靜不平衡和動態(tài)不平衡。動態(tài)不平衡是由靜態(tài)不平衡和力偶不平衡相疊加而成。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)子可以將其看作由多個沿軸向的圓盤面組成，如圖1a。一個質(zhì)量分布均勻的圓盤，其重心正好在旋轉(zhuǎn)軸線上，旋轉(zhuǎn)時各方向的離心力大小相等，其合力為0，此時不會產(chǎn)生離心力，轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)，如圖1b所示。當圓盤質(zhì)量不均勻，圓盤的重心O1與回轉(zhuǎn)中心O之間存在一個偏心距r，圓盤旋轉(zhuǎn)時各方向的離心力大小不相等，合力不為0，見圖1c所示。

轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，各圓盤離心力相互疊加，所產(chǎn)生的離心力F計算公式為：

F=∑Δmiriω2=mrω2

(1)

式中：F為離心力，N；Δmi為第i個圓盤質(zhì)量，kg；ri為質(zhì)心與選擇軸線中心距離，m；m為轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量，kg；r為轉(zhuǎn)子質(zhì)心與回轉(zhuǎn)軸線的距離矢量即旋轉(zhuǎn)半徑，m；ω為轉(zhuǎn)子角速度，°/s。

轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的振動為周期振動，振動規(guī)律為規(guī)則的正余弦波，根據(jù)振動理論[1]，角速度ω與角頻率ωn相等，其與振動頻率f及轉(zhuǎn)速n的關系為：

(2)

因此：

(3)

動平衡中通常使用質(zhì)矢積mr來表示對轉(zhuǎn)子進行校正時的不平衡量，用U表示，不平衡矢量U=mr，g·mm。U的大小表示不平衡量，角度表示不平衡相位，即不平衡質(zhì)量在垂直于轉(zhuǎn)子的極坐標系中與基準的夾角。

衡量轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)子的平衡精度一般采用轉(zhuǎn)子單位質(zhì)量的不平衡量即不平衡度e表示，不平衡度也叫轉(zhuǎn)子的偏心距，那么

e=mr/M

(4)

式中：e為不平衡度，μm；M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，kg。

由于數(shù)控轉(zhuǎn)臺具有長徑比小，剛性大等特點，可以將其看作為剛性轉(zhuǎn)子，將本身的彎曲忽略不計，可以采用單面動平衡法，在一個任選平面進行加減重量動平衡矯正，矯正后在任意轉(zhuǎn)速下，其不平衡量不會明顯超過平衡等級要求。采用單面動平衡矯正時，只需考慮轉(zhuǎn)子的不平衡力，而不必考慮不平衡力偶。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺通常采用單面影響系數(shù)平衡法，影響系數(shù)法是指被測轉(zhuǎn)臺的不平衡量與振動系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)，被測轉(zhuǎn)臺的不平衡量可以是各平面中不平衡量引起的振動響應的線性疊加。各平衡面上的單位不平衡量引起的振動響應，即為影響系數(shù)。

設轉(zhuǎn)臺的初始不平衡量U0，影響系數(shù)為α，輸出的振動響應X0為[2]：

X0=αU0

(5)

選定某一矯正平面，增加已知平衡量U1, 加重后輸出的振動響應X1為：

X1=α(U)0+U1)

(6)

可得影響系數(shù)為：

(7)

不平衡量為：

(8)

根據(jù)求出的不平衡量的位置和大小，在矯正平面不平衡量的位置上去掉與不平衡量大小相等的質(zhì)量塊或者在其對稱位置增加與不平衡量大小相等質(zhì)量塊，實現(xiàn)動平衡矯正，由于校正后無法實現(xiàn)絕對平衡，因此引入了動平衡精度等級G。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺輸出的振動響應為周期性振動，即為簡諧振動[1]。簡諧振動旋轉(zhuǎn)矢量在垂直軸上的投影為：

X=Asin(ωnt+φ0)

(9)

式中：X為振動位移，mm；A為振動幅值，mm；ωn為圓頻率，°/s，與旋轉(zhuǎn)角速度ω相等；旋轉(zhuǎn)矢量與水平軸的初始夾角φ0為初相位角；t為時間，s；ωnt+φ0為在t時刻時相位角。簡諧振動旋轉(zhuǎn)矢量在坐標軸上投影表示如圖2所示。

由此可知，轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)動平衡調(diào)整需要提取不平衡振動信號的幅值和相位。對簡諧振動的位移求一階導數(shù)和二階導數(shù)分別得到振動速度V和振動加速度a。

(10)

(11)

根據(jù)以上分析，對比簡諧振動的運動學特征：

(1)振動位移、振動速度和振動加速度均具有相同圓頻率。

國際標準采用轉(zhuǎn)子質(zhì)心的轉(zhuǎn)動線速度來表示平衡精度等級G，即為振動速度V，根據(jù)簡諧振動理論：

G=eω/1 000

(12)

(13)

通過采集振動信號的振動幅值和振動相位角，可求出振動位移即為轉(zhuǎn)子偏心距e，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可知角速度即可得出動平衡等級G的值。

根據(jù)ISO標準將G分為11個等級(2.5的倍數(shù))G4000、G1600、G630、G250、G100、G40、G16、G6.3、G2.5、G1、G0.4，數(shù)控轉(zhuǎn)臺動平衡等級按照G6.3等級進行調(diào)整。

2 轉(zhuǎn)臺動平衡檢測設備選用

數(shù)控轉(zhuǎn)臺動平衡檢測設備主要有兩類：一類為外置手持動平衡儀，見圖3，此種動平衡儀硬件包括集成動平衡儀、光電速度傳感器及磁性加速度傳感器。速度傳感器及加速度傳感器均為外置形式，布置于轉(zhuǎn)臺的外表面，此種方法具有很高的靈活性，檢測成本低，一臺動平衡儀可進行多臺數(shù)控機床轉(zhuǎn)臺的檢測，但由于傳感器的外置，檢測時無法關閉機床防護門，有一定的安全隱患。如加工零件的形狀復雜，品類較多，需要重復多次的安裝兩種傳感器，操作不便捷。

另一類為在線動平衡儀，見圖4，由動平衡控制模塊、振動傳感器、速度傳感器和動平衡軟件組成。可以將整套產(chǎn)品集成到數(shù)控機床中，操作面板為機床控制面板，動平衡軟件可作為一種應用軟件使用。速度傳感器和振動傳感器也可預埋到數(shù)控轉(zhuǎn)臺內(nèi)部結構中，將動平衡控制模塊安裝到數(shù)控機床電控柜中，與數(shù)控系統(tǒng)相連，此種方法安全性和可操作性更高。在數(shù)控系統(tǒng)中安裝動平衡軟件，根據(jù)采集的信號經(jīng)過處理，形成不平衡量的調(diào)整方案。在實際應用中，我們對車銑復合加工中心轉(zhuǎn)臺配置了在線動平衡儀，不僅保護了機床的使用壽命，更提高了加工質(zhì)量。

根據(jù)兩種動平衡檢測設備的應用特性，外置手持動平衡儀的應用比較廣泛，常用于作為機加工車間的配件儀器使用，一臺設備可兼容不同的高速轉(zhuǎn)臺動平衡檢測，也可作為轉(zhuǎn)臺功能部件裝配動平衡檢測。在線動平衡儀通常配置到高檔數(shù)控機床中，傳感器內(nèi)嵌到數(shù)控轉(zhuǎn)臺中，應用更便捷。

3 轉(zhuǎn)臺動平衡調(diào)整方法

根據(jù)轉(zhuǎn)臺動平衡理論，轉(zhuǎn)臺的動平衡調(diào)整方法采用單面動平衡法，手持動平衡儀與在機床線動平衡儀均可輔助轉(zhuǎn)臺調(diào)整轉(zhuǎn)臺動平衡。

采用某品牌手持動平衡儀進行轉(zhuǎn)臺動平衡調(diào)整，將加速度傳感器吸附到轉(zhuǎn)臺外圓周軸承位置，將光電傳感器反光貼粘到工作臺圓周上，光電傳感器固定安裝，轉(zhuǎn)臺開始旋轉(zhuǎn)，測試此時振動的最大值及位置，此時為未加重狀態(tài)。停機，增加試重，再開機測試加試重后的振動最大值和位置，進而顯示出不平衡量和相位。停機后加平衡配重塊，再開機計算平衡后殘余不平衡量的大小和相位。與動平衡等級換算出來的值對比，判斷是否滿足動平衡等級要求。

采用了某品牌的機床在線動平衡儀，與數(shù)控機床集成，其動平衡主要的調(diào)整方法可以分為兩種類型：

(1)展開角度方法：通過移動兩個相等重量的砝碼到計算好的位置來補償不平衡量，見圖5。

將預先準備好的2個配重塊，安裝到轉(zhuǎn)臺指定的矯正平面配重槽中，對稱位置安裝，通常配重槽位置為工作臺上表面或者背面，給定轉(zhuǎn)臺指定轉(zhuǎn)速，打開動平衡檢測軟件，經(jīng)過檢測處理后，軟件給出兩個配重塊布置角度，通過移動配重塊位置與轉(zhuǎn)臺的不平衡量相互抵消。

此種方法的特點是可采用固定質(zhì)量的配重塊，通過安裝不同位置來進行動平衡調(diào)整，無需準備大量不同質(zhì)量的配重塊。這種方法也是轉(zhuǎn)臺動平衡調(diào)整中最常應用的方法。轉(zhuǎn)臺臺面配重槽設計時需要注意保證配重塊可以360°任意位置均可以安裝。

(2)固定位置方法：通過增加配重塊到特定的位置來補償不平衡量，見圖6。

將工作臺預留圓周均布螺紋孔，給定轉(zhuǎn)臺指定轉(zhuǎn)速，打開動平衡檢測軟件，經(jīng)過檢測處理后，軟件給出需要增加重量的位置以及每個位置增加多大的配重塊。

此種方法的特點是配重塊安裝位置固定不變，在圓周中取均布的幾個位置，安裝不同的質(zhì)量塊，達到動平衡調(diào)整的目的。需要準備不同質(zhì)量的配重塊，配合調(diào)整。此種情況通常適用于小型數(shù)控轉(zhuǎn)臺，如臺面尺寸200 mm左右的高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺。

4 實例測試

結合動平衡理論以及動平衡檢測設備調(diào)整方法，設計數(shù)控轉(zhuǎn)臺的動平衡調(diào)整方案。某一五軸立式加工中心，配置轉(zhuǎn)臺臺面直徑400 mm，最高轉(zhuǎn)速2 000 r/min。機床安裝某品牌在線動平衡儀，此動平衡儀通過展開角度法，進行轉(zhuǎn)臺動平衡的調(diào)整。此品牌配置信號處理器，通過將速度傳感器和振動傳感器預埋到轉(zhuǎn)臺內(nèi)部，進行型號采集。通過軟件處理器，在軟件中輸出配重塊調(diào)整的位置以及調(diào)整后不平衡量的大小,示意圖如圖7所示。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺的動平衡等級要求按照G6.3級進行調(diào)試。根據(jù)動平衡等級及轉(zhuǎn)速換算出e的值。在線動平衡儀軟件顯示的不平衡量與e值進行對比，判斷是否符合動平衡等級要求。

表1中列出了G6.3級時許用不平衡量的標準值，記錄了不同轉(zhuǎn)速下動平衡調(diào)整前不平衡量和動平衡調(diào)整后不平衡量值，通過對比可知動平衡調(diào)整達到了要求的平衡等級，可以進行高速車削加工。

表1 動平衡檢測表

5 結語

高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺的動平衡情況對數(shù)控機床的加工精度及使用壽命等有著重要的影響。動平衡理論本質(zhì)上則為轉(zhuǎn)子不平衡。數(shù)控轉(zhuǎn)臺通常采用單面影響系數(shù)平衡法對其進行動平衡矯正。動平衡儀均是通過采集不平衡振動信號的幅值和相位，處理后得出不平衡量，進而判斷轉(zhuǎn)子是否符合規(guī)定的動平衡等級。對目前市面上常用的動平衡儀種類以及動平衡儀的調(diào)整方法進行闡述，并將其應用到產(chǎn)品中，此項研究對數(shù)控機床高速轉(zhuǎn)臺的使用具有重要意義。