机床主轴在线动平衡技术综述.pdf

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综述现代制造工程2008年第7期机床主轴在线动平衡技术综述。

周大帅12，伍良生2（1佳木斯大学，佳木斯154002；2北京工业大学，北京100022）摘要：

机床主轴在线动平衡技术是我国数控机床发展的核心关键技术。

详细阐述了实现机床主轴动平衡的基本思路、应用方法，以及国内外主轴在线动平衡技术现状等，并提出了主轴在线动平衡技术的发展方向。

关键词：

主轴；在线动平衡装置；展望中图分类号：

TP29文献标识码：

A文章编号：

1671-3133（2008）07-0121-04ThesummarizeofonlinebalancingmachinetoolspindleZhouDashuail，WuLiangshen92（1JiamusiUniversity，Jiamusi154002，Heilongjiang，CHN；2CoUegeofMechaniudEngineering&AppliedElectronicsTechnology，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100022，CHN）Abstract：

Balancingmachinetoolonlinetechnologyisthecoreofthedevelopmentofkeytecbnolog,esinOIITcountryDescribesthebasicideas，applicationmethods，andthespindlebalancingtechnologyofmachinetoolspindlebMancmgathomeandabroad，bringforwardtherequirementtoonlinebalancingmachinetoolspindleanddevelopmentdirectionKeywords：

Spindle；Onhnebalancingmachinetoolspindle；Expecation0引言机床高速化的应用和发展，要求主轴转速越来越高。

但机床主轴零件在制造过程中，不可避免会因材质不均匀、形状不对称，以及加工装配误差而导致重心偏离旋转中心，使机床产生振动和振动力，引起机床噪声、轴承发热等。

转速越高，不平衡引起的振动越加激烈。

解决这一问题最有效的方法就是对其旋转部分（即主轴）进行高精度的平衡。

与传统动平衡技术相比，主轴在线动平衡具有能够排除动平衡过程可能出现的错误、提高平衡精度和效率、减少停机损失和可实现在线实时动平衡的特点。

1主轴在线动平衡简介主轴的动平衡究其根源就是通过改变主轴本身的质量分布，来达到其主惯性轴与旋转轴相重合的工艺过程。

在线动平衡能够在转子正常运行状态下，实时监控转子振动，并随时消除运行过程中出现的不平衡，整个动平衡过程无需停车。

对大型旋转设备而言，提高一次动平衡精度，对于减少设备的起停机和加重次数、提高设备的利用率、减少经济损失有重要的影响。

因此，如何提高在线一次平衡，并开发出相应完善的主轴在线平衡系统，已经成为主轴在线平衡技术中的一个重要研究内容。

自从1987年第一台自动平衡器在美国问世以来，自动平衡装置日益得到广泛推广和应用，归纳起来，可以分为三类，如图1所示21。

转子系统在线动平衡装置垫兰鱼茎嬖fL嘶礓再砰广幽而疆蕊lr皇壁塑璺型l垫兰鱼鎏垦lLf酥函网堡垒纂囊眢H蔼珏蕊一电动机型动平衡装置JI坚坚兰兰竺些一L叫电磁机型图1主轴在线动平衡装置分类图从动平衡的角度来说，主轴的平衡大体分为离线国家自然科学基金资助项目（50375002）；北京市自然科学基金资助项目（3022003）；北京市教委科技计划发展项目121万方数据现代制造工程2008年第7期综述平衡和在线平衡两大类旧J。

在离线平衡中，又根据主轴系统实际运转情况的不同，分为刚性主轴平衡和柔性主轴平衡两大类。

其中刚性主轴平衡包括单面平衡（含矢量相位法和四次开机法）和双面平衡（含矢量法和静态耦合法）。

在在线平衡中，包括了被动平衡方法和主动平衡方法，主动平衡方法包括了适用于变速旋转平衡中的影响系数法、时变观察法和最小矩阵估计三种方法。

其中，影响系数法和修正后的影响系数法只需要一次开机就可以完成平衡过程Mo，速度快，模型准确，方法可靠性高，应用范围广，是目前动平衡方法中比较先进的方法之一。

2主轴在线动平衡技术现状为了能够使在线动平衡在各种转速下进行，从20世纪60年代初各国学者开始了主动式自动平衡的研究，到目前为止已经产生了多种形式的在线动平衡装置。

这类自动平衡装置一般由信号采集器、控制器和执行器等几部分组成，采集器拾取不平衡所产生的振动信号，控制器根据信号采集器获得瞬时振动信号的变化，对执行器进行有效控制，自动完成补偿质量的移动、合成或去掉等操作。

21国外主轴动平衡技术的发展现状国外具有代表性的是美国SCHMITrINDUSTRIES公司和意大利MARPOOSS公司的产品pj。

其中美国SCHMITTINDUSTRIES公司的SBS（SB_2500，SB3500，SB-4500）系列产品中SB-4500是一种新型的在线动平衡仪器，该议器使用计算机控制，采用内置驱动卡槽，能将其所有的平衡器进行整合和标准化，使在线动平衡提高到了一个新的水平，平衡精度达到02斗m，转速达到30030000rmin，允许轴径范围：

西1524一咖12192mm之间。

该产品可数字显示，通过数控机床的主控系统连线控制，实现全自动平衡，可自动巡报平衡变化，监测诊断故障等多项菜单选择功能。

德国卡尔申克（CARLSCHENCKAG）股份有限公司是世界上著名的动平衡机生产商，其研制的CAB690测量仪不仅能对刚性转子进行在线动平衡，并能进行高速挠性测量（测量范围可达10100000rmin），还可以在工作转速时进行平衡，可以获得在高速或超低速运转中评估主轴转子特征的测量值，例如振动速度、形状偏差以及冲击值的测量。

此外，CAB803、CAB700、cAB610CAB620测量仪也具有在线动平衡的功能。

CAB系列为每一平衡任务提供了适合的测量仪，每一测量仪的基本原理是相同的，并122为用户提供了如中文对话、自动测量、各种定位方式、控制功能和校正补偿等功能。

美国Baladyne公司开发的在线平衡系统经过25s的“学习”后，集成在主轴中的平衡装置采集到整个系统的动态特性，再经过Is的自动调节后即可达到平衡。

美国的肯纳金属公司（KennametalHertel）也推出了一种整体自动平衡系统，即用电磁技术把切削刀具与机床主轴作为整体进行自动平衡称为整体自动平衡系统（TotalAutomaticBalancingSystem，TABS），如图2a所示，它能实现刀具在装入机床主轴后，与主轴一起在机床上自动进行平衡。

平衡时刀具与主轴一起以工作转速旋转，整个平衡过程不超过2s，主轴回转精度在50nm以下。

这种平衡方法只要在现有的机床上配置KennametalBaadyne电磁平衡系统，并采甩KennametalHertel公司的电磁平衡刀柄就可实现整个旋转系统的平衡，系统框图如图2b所示，两个测量振动的传感器安装在机床主轴的外壳上，测量机床主轴在两个平面上的振动。

控制器处理来自主轴外壳上振动传感器和来自刀柄上平衡环位置的信号，借助这三个信号，控制器能测出主轴的转速、相位角和平衡环的位置，并将它们的值显示出来。

a）整体系统b）系统框图图2整体自动平衡系统TABS及平衡系统框图意大利MARPOSS公司采用刚性质量补偿原理，使在线平衡系统在系统工作时，用于传送动力的碳刷滑环相接触，非工作状态时，碳刷滑环分离，这样就避免了非工作期间的碳刷滑环磨损，从而延长部件的使用寿命。

其最新产品E28和E82的特点为：

微处理器控制，下作参数程序化设置，确保最大工作效率。

菜单式结构功能选择包括：

可设定振动值和阈值参数；测量单位（pm、inch、mms）；工作模式（手动、自动）；扫频；语言（English、French、German）；通过数字和图形进行信息显示以标尺和数字形式给出振动量；系统的工作条件和振动状态以一系列图形给出，可数字化显示和警告工作运行过程。

22国内主轴动平衡技术的发展现状从1958年华中工学院动平衡科研组成功研制出万方数据综述现代制造工程2008年第7期第一台采用电子测量技术的DS-500型通用动平衡机开始，40多年来，我国在刚性和挠性主轴平衡酶理论和方法上进行了大量的研究，如表l所示，目前已形成一支素质较高的科研队伍和较强的生产能力。

表1国内在线动平衡研究概况北京京仪北方仪器仪表有限公司（原北京测振仪器厂）是在国内最早从事研制与生产振动测试和振动分析仪器的专业化企业，该厂研制的VT系列动平衡仪主要包括三种机型：

VT600、VTT00及VT800，其主要功能是仿照德国申克公司的VIBROPORT系列通用振动测试仪而研制生产的。

最新研制的VT800系列现场动平衡仪最大测量点数为2，转速测量范围为3030000rmin，振动测量范围0015000txm、0012000mms，相位精度003600200。

该厂研制的BD-2型与IDBl型现场动平衡仪，频率范围分别为5500Hz、31000Hz（即转速范围为：

30030000rmin、18060000rmin），相角精度分别为：

50、3。

，位移范围为33001xm、8mV8V（60dB）。

利用光电头和振动传感器接动平衡仪可对旋转主轴进行在线动平衡，找到加配重的质量和相位，该仪器可进行单、双面动平衡。

清华大学就利用该厂的设备MJ，研制了刚性转子现场动平衡分析软件系统，如图3所示，通过该实验设备，振动幅值测量值波动范围在001276岬之间，振动相位测量值波动范围在12303260之间。

装后形成纯机械式动平衡头。

具体平衡过程是：

任选一个平衡盘，通过在线动态测量及计算，判断该盘是否可移动，如果可移动，进一步计算移动角度及控制该平衡盘的定子线圈通电时间，由计算机发出相应时问的控制信号，将该盘移动到指定位置；如果该盘不可移动，则另选下一平衡盘做同样的工作。

该盘移动后，轮流选择其他平衡盘进行移动，直到达到平衡要求。

与其他方法比较，该平衡控制策略能实时动态判断可移动的平衡盘及其移动角度，并能快速将其移动到指定位置，大大降低了转子不平衡量，残余振动振幅降至6m以下，使转子进入较好的平衡状态，大大提高了平衡速度。

图4基于纯机械式平衡头的在线动平衡实验装置上海机床工具（集团）公司所属的上海申克试验机有限公司，是目前我国最大的、通用范围最广、技术水平最高的通用动平衡机生产企业。

该厂的产品是图3转子现场动平衡实验系统在采用德国申克制造技术的基础上，突破大型动平衡浙江大学研制的纯机械式在线动平衡系统软机的诸多设计常规而研制开发的。

其中HS30BU框架件L6J，利用直接在线平衡装置，如图4所示，采用九块式平衡机专为校正高速车床主轴而设计制造，主要性三类薄圆铝板叠成平衡盘，用三层特殊圆筒套装形成能参数为：

工件最大质量为440kg；工件最大直径为静止部件。

将静止部件与平衡盘按特殊方式配合安1260mm；轴径范围为西10一咖80mm；圈带传动处直径123万方数据现代制造工程2008年第7期综述为西20t争450mm；平衡转速为600、920、1200、1840rmin（当拖动工件直径为西100ram时）；最小可达剩余不平衡量为059mmkg；不平衡量减少率90；能满足整体平衡质量为80250kg多种规格车床主轴箱；同时能满足ISO标准G25级车床主轴最高转速为15000rmin精度要求。

专家认为，该厂大型动平衡机的生产，为我国大型电动机、鼓风机和造纸机械行业提供了精良装备，具有广阔的市场前景。

虽然如此，对一些高速主轴在线专用平衡系统（如电主轴在线动平衡）的研究和整个测试过程自动化方面，国内技术水平与国外相比还有明显差距，主要表现在：

许多在线动平衡系统开发背景还比较单一，人机交互性不强；功能相对单一，主要面向于特定的企业，其一次平衡实验精度亦不高，达到高平衡精度通常需要进行多次平衡。

因此，开发一套高精度、多功能和完善的转子现场动平衡系统已经成为转子现场动平衡系统发展的重要方向。

3主轴在线动平衡技术展望从在线动平衡的发展过程来看，在线动平衡技术实际上就是平衡技术与其他领域技术有效融合的过程。

由于旋转主轴的种类繁多，所以在线动平衡装置的设计也不可能完全一样。

在数控机床主轴在线动平衡方面，在线动平衡要求更为苛刻，这些都是造成在线动平衡发展缓慢的原因。

总之应根据各类机床在线动平衡装置的特点和平衡机械的要求，发展大功率系列，完善中功率系列，逐步淘汰低功率系列，提高机械加工水平和效率。

同时更应注意解决在线动平衡的效率和精度、结构和安装，以及是否产生附加不平衡等方面的技术问题。

鉴于传感器技术、计算机技术、数字信号处理（DSP）技术、控制通讯技术和精密制造技术等的发展，对主轴在线动平衡测试技术的发展产生重大的影响，随这些技术的发展，主轴在线动平衡测试技术将在如下方面产生突破。

1）由于主轴系统的动平衡需要高速、精确和实时的大量数据处理，DSP的高速计算性能为在线电主轴的动平衡技术提供了硬件保障，从动平衡精度上来讲，动平衡技术的水平很大程度上取决于其测试系统技术水平的高低，即动平衡测试系统的可靠性及精度。

国内已经出现了一系列动平衡测试系统，北京工业大学在这方面就有了长足进展，并获得了相关的专利等，使得在线动平衡技术水平不断上升。

2）改进落后的硬件技术，在轴承合理润滑、气封、抗干扰和图形显示等方面的卓越性能都使得在线测124试技术成为可能。

在在线动平衡工艺方面，高速和精确的喷涂技术和加去重技术进一步使得动平衡的测试和校正一体化得以实现。

3）精密机械制造技术和在线检测技术的发展，合理的预紧力控制、轴上零件连接技术及检测技术，使动平衡测试精度上升。

4）新型材料传感器技术的发展，使动平衡测试采用非接触的间接测试，从而使动平衡测试精度提高。

5）新材料、新观念、新算法的不断m现和改良，将在平衡技术的发展上起积极的推动作用，使平衡精度和平衡效率不断提高。

6）平衡精度更高，自动化、网络化、智能化程度更高及使用寿命更长。

目前，比较先进的在线自动平衡系统的最佳平衡精度可达到01斗m（振动峰值），但是要稳定达到01斗m的平衡精度，仍存在一定的问题；某些在线动平衡系统已经实现了自动检测、自动跟踪补偿和自我学习和适应能力；同时，网络化技术也将改变机械加工的生产方式，依托于网络的自动控制技术，要求在线动平衡系统具备网络通讯和远程控制功能；并且，使用寿命是用户最为关切的指标之一，进一步提高产品的使用寿命仍将是研究的重点。

参考文献：

1汪希萱，曾胜电磁式在线自动平衡系统及其动平衡方法研究J热能动力工程，2003，18（103）：

53572曾胜电磁式旋转机械在线自动平衡系统的研究D杭州：

浙江大学，19973孙宝东高速转子自动平衡技术的研究D哈尔滨：

哈尔滨工业大学，19954伍良生高速磨削中的快速现场动平衡技术J金刚石与磨料磨具工程，2004，4（140）：

10135夏松波旋转机械自动动平衡综述J中国机械工程，1999，4（10）：

4584626孙延添刚性转子现场动平衡理论分析及实验研究D北京：

清华大学，20057张加庆纯机械式在线动平衡系统的研究D浙江：

浙江大学，2006作者简介：

周大帅，教师，北京工业大学在读博士。

研究方向：

控制工程自动化、信号分析、测试与故障诊断、振动控制。

伍良生。

工学博士，博士后，北京工业大学机电学院博士生导师。

研究方向：

高速主轴系统及其关键技术，机械工程测试技术，信号分析与故障诊断，噪声与振动控制。

Email：

zhoudashuaiemailsWteducn收稿日期：

2008旬3旬8万方数据