全自动平衡机去重控制系统的研究设计Word文件下载.doc

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MechanicalandElectronicEngineering

CollegeofMechanicalEngineeringof

ChongqingUniversity,Chongqing,China

April2011

重庆大学硕士学位论文中文摘要

摘要

如今动平衡技术已经非常成熟，但是传统的动平衡机只能完成转子的动平衡测试，而很多情况下转子的动平衡校正还是由人工完成，所以生产效率比较低。

为适应现代企业高效率的生产要求，动平衡测试与自动校正一体机已成为必然趋势和主流。

本文阐述了动平衡技术的基础理论，在原有的单面立式动平衡测试机的基础上研究开发了一套动平衡机自动去重系统。

文章首先建立了转子振动的数学模型，导出了转子不平衡量大小和相位的数学表达式，并对对转子振动信息的测量方法做了介绍。

如何实现转子的全自动动平衡校正是本文研究的重点。

为此，文章研究探讨了转子的校正策略，结合转子的实际外形并考虑到校正过程的操作简便性，本系统采用在转子的端面钻孔去重的校正方法。

在此基础上分析了各种情况下进刀量和不平衡质量大小的关系，并建立了去重数学模型。

随后针对校正过程中存在的误差进行了理论分析。

在控制系统的研究中，文章对系统的总体结构和总体方案进行了设计。

伺服技术是系统实现去重自动化并保证校正精度的关键。

文章对主轴伺服和进给伺服的关键技术也进行了详细的研究。

包括主轴伺服的调速原理和定向控制，脉冲比较进给伺服的原理，关键电路的设计与分析。

并对交流伺服系统中的电子齿轮进行了研究。

另外，对去重系统软件的流程进行了设计。

最后，为了保证系统的稳定性和可靠性，对设备的电磁兼容性进行了设计。

全自动动平衡机是一个高难度的机电一体化产品，涉及到众多学科领域，包括机械技术，电工电子技术，传感器技术，信息处理技术，自动控制原理等。

本课题研制的全自动去重控制系统，可以大大提高转子校正的效率和精度，对于节省生产劳动力，提高生产效率具有重要的意义。

关键词：

去重策略误差分析伺服系统电磁兼容

59

重庆大学硕士学位论文英文摘要

ABSTRACT

Nowadays,Dynamicbalancingtechnologyhasbeenwellestablished,butthefunctionofthetraditionalbalancingmachinesislimitedtorotors’unbalancingtest.Inmanycases,therotors’balanceadjustmentisstilldonebyhand,sotheproductivityisrelativelylow.

Inordertomeetmodernbusinessrequirementsofefficientproduction,Dynamicbalancingequipmentswiththefunctionofbothtestingandautomaticcorrectionareboundtobecomeaninevitabletrendandmainstreamtechnology.

Thispaperfirstlyelaboratedthebasictheoryofdynamicbalancingtechnology,thenasetofautomaticunbalancede-weightingsystemisresearchedanddevelopedonthebasisoftheoriginalsingle-sidedverticaldynamicbalancingtestingmachine,

Firstthemathematicalmodeloftherotor’svibrationisestablished,fromwhichtherotor’sunbalancingphaseandqualityaremathematicallyexpressed.Thengeneralmethodsofmeasuringtheinformationaboutrotor’svibrationhavebeendescribed.

Howtorealizerotor’sautomaticbalancingcorrectionisthefocusofthispaper.Therefore,inthispaperweresearchedtherotorcorrectionstrategy,allowingfortheactualshapeoftherotorandconvenienceofthecorrectionprocessaswellaseaseofoperation,thissystemusesthecorrectionmethodofdrillholesontheendoftherotor.

Thentherelationshipbetweenfeedvolumeandunbalancequalityisanalyzed,onthebasisofwhichthede-weightingmathematicalmodelisestablished.Besides,thepossibleamendingerroristheoreticallyanalyzed.

Fortheresearchofthecontrollingsystem,theskeletonofthemechanicalconfigurationandthecontrollingformulaarefirstlyintroduced.Servosystemisakeytechnologytotherealizationofautomaticde-weightingandtoensurethecorrectingprecision.So,thekeytechnologyofservosystemisalsoresearchedinthispaper,includingspindleservoandfeedingservosystem.Forthespindleservosystem,thefocusisontheresearchofthespeedadjustingprincipleandthemethodofpositioncontrolling.Forthefeedingservosystem,theprincipleofpulsecomparisonisfirstlyintroduced,thensomekeycircuitsaredesignedandanalyzed.Besides,theelectronicgearusedintheACservosystemisalsoresearched.Forthesoftware,thede-weightingprocedureisdesigned.

Finally,inordertoguaranteethestabilityandreliabilityofthewholeequipment,theEMC（ElectromagneticCompatibility）ofthesystemisanalyzedanddesigned.

Theautomaticdynamicbalancingequipmentisamechatronicproductwithgreatdifficultiesandvarioussophisticatedtechnologieswhichincludemechanicaltechnology,electricalandelectronictechnology,sensorandmeasuringtechnology,informationprocessingandautomaticcontrollingprincipleetc.Theautomaticde-weightingcontrollingsystemresearchedanddevelopedinthispapercansubstantiallyimprovetheproductivityandprecisionoftheunbalanceamendingoftherotors,whichplaysanimportantroleinsavinglaborandimprovetheefficiencyoftheproducingprocess.

Keywords:

De-weightingStrategy,ErrorAnalysis,ServoSystem,EMC

重庆大学硕士学位论文目录

目录

中文摘要 I

英文摘要 II

1绪论 1

1.1概述 1

1.2国内外动平衡机的发展历史和现状 1

1.3校正方法与工艺简介 3

1.4本课题研究的目的和内容 4

1.4.1研究目的 4

1.4.2研究内容 4

2转子动平衡理论与不平衡振动的测量 5

2.1转子的不平衡理论 5

2.1.1基本概念 5

2.1.2转子不平衡力学原理 6

2.2转子不平衡振动系统的建模与分析 8

2.3转子振幅及相位的测量 11

2.3.1基频振动的测量 11

2.3.2相位的测量 12

2.4本章小结 13

3校正策略及校正误差的研究分析 14

3.1校正面的选择 14

3.2校正方法概述 14

3.3钻削去重建模 15

3.4校正误差分析 21

3.4.1校正量半径误差 21

3.4.2质量分布误差 22

3.4.3极坐标校正的相位误差 24

3.4.4钻孔去重半径和质量分布误差 25

3.5本章小结 27

4去重控制系统的研究设计 28

4.1系统总体设计 28

4.2校正装置机械结构设计 29

4.3交流主轴伺服系统 30

4.3.1矢量变换控制系统原理及控制方案 31

4.3.2主轴电机的位置控制 36

4.4脉冲比较的进给位置伺服系统研究 38

4.4.1脉冲比较伺服系统原理 38

4.4.2脉冲比较电路设计 40

4.5交流伺服系统的电子齿轮 42

4.6去重控制软件设计 46

4.6.1开发平台简介 46

4.6.2去重程序流程设计 47

4.8本章小结 49

5设备电磁兼容设计与现场调试 50

5.1电磁兼容概述 50

5.2设备电磁兼容设计 51

5.2.1滤波设计 51

5.2.2电源的电磁兼容设计 52

5.2.3提高设备抗耦合干扰的措施 53

5.2.4系统的接地设计 55

5.3样机的现场调试 56

5.4本章小结 57

6总结 58

致谢 59

参考文献 60

附录 64

作者在攻读硕士学位期间发表的论文 64

重庆大学硕士学位论文1绪论

1绪论

1.1概述

除了某些靠振动来工作的机械以外，对大部分机器来说，振动会给生产生活带来极大地不便和危害[1]。

在现代生产和生活中，绕固定轴旋转的零部件是最常见的，如飞轮，车轮，风扇，汽车离合器等，通常将这些绕固定轴旋转的零部件成为转子。

质量分布不均匀是引起转子不平衡的最重要的原因，由于设计方面、制造工艺、使用的材料的特性，现场环境的影响等因素，实际的转子不可能是一个质量分布均匀的刚体[1]。

这些分布不均匀的质量必然会造成实际的旋转中心所代表的转动轴与转子质心所在的中心惯性主轴偏离，这样，在转子旋转的过程中就会形成一个离心力作用在实际的转动轴上。

通过转轴和支撑的传递，这个离心力引起的振动就会传动到机体上。

从而给实际生产生活带来不便甚至是危害。

例如，汽车发动机或者车轮如果存在较大的动不平衡量，一方面会是乘客感到不舒适，另一方面也存在安全隐患并且容易造成零件的磨损，影响汽车发动机和车轮的寿命。

因此，对于转子的设计，制造，使用和运行的过程中，都要对其进行动平衡校正，校正的目的就是使其动不平衡量限制在所规定的允许范围内。

所以，动平衡技术就逐渐发展成为一种专门的技术。

在工业飞速发展，科学不断进步的今天，生产水平不断提高，人们的生活质量不断改善，对生产生活中的各种转子的动平衡的要求就越来越高，动平衡技术已经成为工业生产中，特别是机械制造领域中一个非常重要的内容，尤其是在电机，汽车，机床等制造行业更是如此。

1.2国内外动平衡机的发展历史和现状

动平衡的测量离不开动平衡机，动平衡机是动平衡技术的重要组成部分。

世界上第一台动平衡机的出现迄今已经有一百多年的历史了[1][2]。

在上个世纪四十年代以前，转子的不平衡量的测量主要是在纯机械的设备上来完成的，不平衡量的测量没有什么精度可言，由于机械测量原理的限制，只能一种观测估算的方法。

相位的测量一般采用的仪器主要是千分表，不平衡相位的判断是利用机械系统谐振增加灵敏度完成的。

动平衡机技术的真正变革性的发展主要得益于电子和信息技术的迅速发展。

到上世纪五十年代的时候，绝大多数的平衡设备的测试系统都利用了电子测量技术，平面分离电路有效地消除了左右面的相互影响，由电机拖动的“标准转子”大大提高了调整平衡机的效率[1][2]。

在这期间，一些通用的平衡机逐渐形成了系列化产品，与此同时，一些工业发达的国家开始逐渐发展测量与校正装置组合为一体的平衡机，除此之外，供大批量生产用的（如汽车曲轴，电机转子）平衡自动线也开始发展，这个时期，测量方式仍在不断改进。

到了二十世纪七十年代，平衡机的发展出现了一次大的飞跃，主要标志是此时出现了硬支撑平衡机。

它克服了传统软支撑平衡机的缺陷（需要动态调整），只需要在静态下进行尺寸设定，这就是后来的永久标定式的平衡机。

我国动平衡技术的发展起步比起发达国家晚得多，对动平衡机理论和设备进行研究开始于1958年华中工学院研制成功第一台DS-500型通用动平衡机，它真正采用了电子测量技术[1]。

从那时开始算起，我国的动平衡测量技术大概经历了以下几个阶段，50年代的闪光式动平衡机，此时技术以真空管构成的RC带通滤波器为特征，到60年代出现了电子管式动平衡机，它的核心是晶体管，70年代发展了瓦特表式动平衡机，它的核心是集成电路，80年代出现了的动平衡机内包含了电子解算电路。

几十年来我国的动平衡机技术虽然取得了较大的发展，但是和世界先进水平相比，无论在产品的种类上还是性能上都有着很大的差距。

国内动平衡机的设计一部分是引进国外淘汰或者即将淘汰的型号，一部分灵敏度、频响特性都比较差的仿制或自行设计的产品，这些产品，大多存在很多共同的缺点如性能差、指示精度低、功能单一等缺点。

国内动平衡机生产企业也存在结构不合理，生产效益低下，缺少新产品、新技术，而且缺乏对新知识、新方法的应用等问题。

目前从事动平衡机的研制工作，并形成一定实力的有浙江大学、华中科技大学、北京航空航天大学、上海交通大学等高校，以及生产平衡机的上海申克试验机有限公司等厂家。

现在计算机，数字技术，传感器技术已经广泛应用于动平衡机的数据采集和测量系统。

随着转子平衡机理论的不断完善和实践技术日趋成熟，如今动平衡机的研究开发和制造水平都已经有了很大的提高。

现代新型的动平衡机都是机电一体化成度极高的高科技产品。

现在，国外的平衡机的研发水平已经相当成熟，现在普遍认为研制平衡机水平最高的是德国和日本。

在德国，开发和制造动平衡机的公司主要有三家，其中申克（Shenck）公司是这三家公司中规模最大的，它在国际上也是最享有盛誉的，可以说在德国动平衡机领域中申克公司是技术最领先的一家，在世界上也是首屈一指的，他们拥有最专业，最优秀的动平衡技术人才。

申克公司制造的平衡机和平衡系统比世界上任何平衡机制造厂家都多，平衡转子的质量范围从1克到10吨，。

另外一个比较著名的动平衡技术公司是霍夫曼（Hofmann）公司。

霍夫曼（Hofmann）公司的规模远不及申克公司的大，大约为申克公司的三分之一左，它的主要产品类型有半自动以及全自动平衡机以及通用型平衡机，另外还有专用动平衡机如大型风扇、软盘平衡机等。

另外一家公司是洛特林格公司（Reutlinger），它的规模和国际声誉远远不如前两家。

1950年日本开始正式制造电测平衡机，其后随着传感器，电子测量，自动控制等技术的飞速进步，各种形式的平衡机也相继被制造出来。

专业的平衡机生产厂家有日本国际计测器株式会社（简称KOKUSAI），它成立于1969年6月1日，主要从事开发和生产汽车零部件及各种电机在线检测仪器和设备的研发制造，至今已有30余年历史[3]。

它在中国，设有上海、长春和台湾三个事务所，在上海、湖北孝感和长春有三个合资公司，并在中国青岛设有轮胎平衡机维修中心。

目前国内动平衡校正系统存在的很多缺点和不足有体现在以下几个方面：

第一，关于系统集成方面的技术研究还相对较少，在国内对动平衡机系统集成方面的技术进行了研究的单位也只有浙江大学等少数几家单位，其他大多数企业和科研单位的研究还主要集中在动平衡称重的设备和方法上，因为在这些设备中不平衡量测量和系统的校正系统一体化的集成技术应用较少，也就是说大部分没有和数控加工设备联机的功能。

第二，理论分析与应用脱节。

虽然部分单元技术方面如不平衡量的测量方法和在转子动力学等方面在我国的研究非常活跃，而且也并取得了非常不错的成就。

然而，尽管在实验和理论方面的研究同国外先进水平的差距已经不是很大，但是我们国家的水平与发达国家还存在一定的差距，这种差距主要体现在实际应用方面。

第三，去重加工技术及设备的研究开发相对滞后。

目前国内普遍采用的人工手动的方法进行转子动平衡去重加工，而测量和去重一体化的数控加工等技术的应用不多。

另外一方面，目前国内大部分科研单位和企业对动平衡的研究多集中在如何提高测量精度方面，这些研究主要关注在软硬件的改进方面，比如设计精度更高的压电传感器、跟踪滤波电路和采用相敏检波电路等，从而在信号采集、滤波等方面取得了很大进步。

而对于去重部分的问题，如去重策略，加工模型的建立和误差分析方面研究较少，致使难以达到较好的平衡效果。

第四，在人机交互设计方面考虑往往太少，不够周全。

1.3校正方法与工艺简介

转子的动平衡过程包括两个部分的内容，测量和校正。

对于不同类型的转子，其不平衡量的测量和校正方法是不一样的，有的转子偶不平衡很小，对转子的实际工作运行的影响可以忽略不计，这类转子只需要在一个平衡面内进行平衡校正即可满足实际应用的要求，这类转子的典型是如飞轮，砂轮，汽车离合器盘等薄盘形状的转子[3]。

这类转子的特点是最大外径远远大于轴向长度，通常外径是净长度的5倍以上。

除此之外的转子动平衡通常必须在两个或多个校正面进行。

如汽车发动机曲轴，电机的转子等。

平衡校正的本质就是改善不平衡转子的质量分布，最终目的是为了使质量分布相对于实际旋转轴线变得均匀，使转子运转时的动平衡达到规定的要求范围。

目前，常用的不平衡校正方法有：

去重，加重，调整校正质量等。

其中去重和加重是最常见也是最易于实现的方法。

钻孔是最常用的去重方法。

常见的加重方法主要有：

螺钉联接，焊接，喷镀金等。

近些年来，随着科学技术的不断发展，现代平衡机的转子校正开始应用一些新工艺，新技术新方法，如激光去重，电解去重，熔镀法加重等新兴的工艺技术。

1.4本课题研究的目的和内容

1.4.1研究目的

目前国内对转子动平衡技术研究大多还集中在如何提高转子的测量精度方面，而转子的动平衡校正环节往往是由人工手动来完成的，为了提高转子动平衡校正的效率，节省企业的劳动成本和资源。

本文在原有的单面立式动平衡测试机的基础上，将测量和自动去重系统集成在一起，实现盘类转子的全自动平衡校正。

本系统是一套涉及机械技术，电气控制技术，伺服系统，电子技术，传感器技术，信号处理等技术的高难度机电一体化设备，与原先的手工去重设备相比，可以极大提高生产效率。

文章对系统中涉及到的几个关键技术进行了较详细的研究和探索。

本文对于多孔校正去重策略和伺服系统的研究对于研究开发其他自动去重机也很重要的参考价值。

1.4.2研究内容

本文的主要内容有：

①动平衡理论研究。

动平衡理论是研究动平衡机的理论基础。

振动数学模型的建立导出了转子振动不平衡量的大小和相位的数学表达式，为振动不平衡的测量提供了理论依据。

另外对动平衡的测量方法作了介绍。

②校正策略研究。

在本系统中，采取在转子的端面进行钻孔去重的校正策略，这有利于实现去重的自动化。

自动去重系统是通过控制钻头的进刀量间接地去除不平衡质量，因此，文章建立了钻孔去重的数学模型，导出了各种情况下进刀量和不平衡质量的数学关系。

③误差分析。

校正过程中不可避免地会出现误差，针对各种误差，文章进行了理论分析。

这些误差包括：

校正半径误差，钻孔质量分布的误差，还有去重相位偏移所产生的误差。

④去重控制系统的研究。

对去重控制系统进行了总体设计，并对其中涉及到的伺服系统进行了详细研究，包括主轴伺服系统和进给伺服系统。

并对去重控制软件流程进行了设计。

⑤设备的电磁兼容的设计。

电磁兼容性是机电一体化产品研发必须要考虑的问题，本文采取了各种电磁兼容措施，以确保系统可以安全，稳定，可靠地运行

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