劉 健 肖文生

(中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東東營257061)

動(dòng)平衡是旋轉(zhuǎn)類產(chǎn)品生產(chǎn)、制造過程中必須解決的一個(gè)基本的共性問題，其優(yōu)劣程度直接決定產(chǎn)品的工作性能、使用壽命，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生巨大的影響。如在汽車和電動(dòng)工具等行業(yè)，其電機(jī)向高速化和輕量化發(fā)展，對(duì)此類產(chǎn)品的振動(dòng)、噪聲等性能要求也越來越高，相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)動(dòng)平衡技術(shù)也提出了更苛刻的要求。國內(nèi)電機(jī)制造廠的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，除了少數(shù)廠引進(jìn)國外全自動(dòng)動(dòng)平衡外，大多數(shù)廠仍為手工去重。手工去重一般需去重4～5次，不僅生產(chǎn)效率低、校正質(zhì)量差，而且對(duì)轉(zhuǎn)子的破壞大。單是操作人員經(jīng)驗(yàn)所引起的重量偏差就達(dá)10%～50%，對(duì)轉(zhuǎn)子電氣性能的削弱造成電機(jī)性能退化，不能滿足高效生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)電機(jī)的需要［1］。因此研制、開發(fā)高精度、高效率、自動(dòng)化的動(dòng)平衡機(jī)成為必要。

1 總體方案

動(dòng)平衡校正工藝主要有測量、校正、檢驗(yàn)三道工序，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)，通常還需自動(dòng)傳送、分揀等輔助工藝。

多工位全自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)因校正工藝被分為幾道工序并行、同步進(jìn)行，極大提高了平衡校正效率;另外將任務(wù)分解，在不同的工位并行處理，降低系統(tǒng)的集成度和復(fù)雜度，提高可靠性，容易實(shí)現(xiàn)模塊化。典型的多工位全自動(dòng)動(dòng)平衡采用六工位，主要由準(zhǔn)備工位、測量工位、第一面去重工位、第二面轉(zhuǎn)相工位、第二面去重工位、檢驗(yàn)工位以及旋轉(zhuǎn)機(jī)械手傳送裝置、輸送裝置、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等組成［2］，如圖1所示。

兩工位全自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)布局方案如圖2所示，由動(dòng)平衡測量、校正兩個(gè)工位及機(jī)械手傳送裝置等組成。測量工位的功能為測量轉(zhuǎn)子兩校正面上的不平衡量的大小和相位，并將轉(zhuǎn)子停止于其中一校正面不平衡量的相位上(使轉(zhuǎn)子該校正面上的不平衡量方位垂直向下);校正工位的功能為轉(zhuǎn)子兩校正平面上不平衡量的校正;機(jī)械手傳送裝置負(fù)責(zé)測量和校正兩工位上轉(zhuǎn)子的傳送。其工作過程為:測量、校正兩工位并行處理，測量工位任務(wù)完成的轉(zhuǎn)子傳送給校正工位進(jìn)行去重，同時(shí)校正工位任務(wù)完成的轉(zhuǎn)子傳送給測量工位進(jìn)行檢測，符合平衡要求，則取下，換入新轉(zhuǎn)子。否則再由機(jī)械手傳送到校正工位進(jìn)行二次去重，超過三次還不滿足要求，即判廢，換入新轉(zhuǎn)子。如此循環(huán)進(jìn)行。

2 主要單元模塊

2.1 測量單元

測量單元的主要功能為轉(zhuǎn)子的不平衡量的測量，通過利用一定的驅(qū)動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)待測轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，使其處于易于表征自身不平衡特征的狀態(tài)中，這些動(dòng)平衡特征信息通過支承傳遞到傳感器上，由其轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)，并經(jīng)調(diào)理、采集和分析處理完成對(duì)不平衡量幅值和相位的確定。除此以外，為配合自動(dòng)校正，還需在測量結(jié)束時(shí)，將轉(zhuǎn)子快速、準(zhǔn)確地停在第一校正面的相位上。如圖3為測量單元結(jié)構(gòu)示意圖。

衡量測量單元主要性能指標(biāo)有最小可達(dá)剩余不平衡量、不平衡量減少率，前者主要取決于支承傳感的分辨率和測量系統(tǒng)消除干擾的能力，后者主要取決于系統(tǒng)標(biāo)定及誤差的補(bǔ)償。

另外，結(jié)束測量的工件必須盡量快速、精確地停留在第一校正面的相位上，因此定相所需時(shí)間長短對(duì)系統(tǒng)的效率影響很大。在使用下切式圈帶(如圖4)制動(dòng)工件時(shí)，要想使工件與圈帶不滑動(dòng)而使其停止，圈帶的減速不能過快，否則圈帶和工件之間就會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)。這樣，工件停止就需要較長時(shí)間，對(duì)于節(jié)拍較快的情況不適合。采用如圖5所示的雙切式圈帶驅(qū)動(dòng)形式，加大驅(qū)動(dòng)帶摩擦力，控制采用防抱死控制策略，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略上保證快速定相［2］。

2.2 校正單元

去重單元和轉(zhuǎn)相單元總稱為校正單元。對(duì)校正單元來說，一次不平衡去重率、調(diào)整方便性是評(píng)價(jià)校正單元的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。一次不平衡去重率是指校正轉(zhuǎn)子經(jīng)過一次校正循環(huán)后，所能去除的不平衡量與校正前不平衡量的比值，取決于去重建模的精度、刀具進(jìn)給定位精度、轉(zhuǎn)相機(jī)構(gòu)的精度及測量的精度等;調(diào)整方便性是指當(dāng)平衡工件變化后機(jī)器重新調(diào)整是否方便、迅速。

2.2.1 去重單元

去重單元要求去除轉(zhuǎn)子不平衡量的銑削動(dòng)力頭應(yīng)具有兩維進(jìn)給能力。采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用光電編碼器對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行半閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)銑削動(dòng)力頭的二維(銑削長度和深度)進(jìn)給，達(dá)到較高的定位精度，同時(shí)又具有很大的價(jià)格優(yōu)勢。刀具由高速旋轉(zhuǎn)的主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。去重單元的銑削動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)如圖6所示。

由于動(dòng)平衡去重單元的精度要求很高，需要采用多種方法進(jìn)行誤差綜合補(bǔ)償。首先采用避免誤差的方法，在去重單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用合理的結(jié)構(gòu)，使刀具的變形盡可能小。在加工制造過程中，關(guān)鍵的部件采用高精度的加工技術(shù)和裝配工藝，主軸要進(jìn)行動(dòng)平衡。另外設(shè)計(jì)了刀具接觸傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的高精度自動(dòng)定位，避免由于轉(zhuǎn)子(相同類型)直徑變化及刀具磨損引起的誤差，并減少由于轉(zhuǎn)子類型變化對(duì)刀的調(diào)整時(shí)間。

除此以外，去重單元還有夾緊定位部分，為了使測量、加工的基準(zhǔn)一致，采用轉(zhuǎn)子外圓和軸端共同定位。具體實(shí)現(xiàn)用V型定位塊約束4個(gè)自由度，軸向定位壓頭約束一個(gè)自由度，由于銑削力不會(huì)導(dǎo)致工件轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不予約束(壓緊后產(chǎn)生摩擦力足以保證轉(zhuǎn)子不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng))，工件夾緊、定位裝置采用氣動(dòng)系統(tǒng)。

2.2.2 轉(zhuǎn)相單元

轉(zhuǎn)相單元的功能為校正面不平衡量位置的準(zhǔn)確定位，是動(dòng)平衡校正精度的關(guān)鍵之一。采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過同步帶傳動(dòng)減速，再帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)械手完成轉(zhuǎn)子校正面不平衡量位置的定位。轉(zhuǎn)相單元結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.3 機(jī)械手傳送單元

機(jī)械手傳送單元的功能為不同工位間工件的傳送。采用氣動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)低成本。該單元由一只升降氣缸，一只擺動(dòng)氣缸(或旋轉(zhuǎn)、升降組合式氣缸)和若干個(gè)氣爪及手臂、升降/旋轉(zhuǎn)托盤組合完成傳送任務(wù)。采用旋轉(zhuǎn)式傳送路徑，布置緊湊，占地空間小。安裝方式可采用上置式(整個(gè)單元在頂部固定)或下置式(在底部固定)。如圖8所示為兩工位機(jī)械手傳送裝置的示意圖。

根據(jù)不同工位的需要(工位數(shù)變化時(shí))，機(jī)械手傳送裝置只需改變升降/旋轉(zhuǎn)托盤的結(jié)構(gòu)及添加相應(yīng)的機(jī)械手臂、氣爪個(gè)數(shù)，如圖9和10所示;工位數(shù)不變，校正轉(zhuǎn)子尺寸結(jié)構(gòu)變化(在一定的范圍內(nèi))時(shí)，只需改變機(jī)械手手指結(jié)構(gòu)尺寸，或同時(shí)改變氣爪型號(hào)，氣爪的規(guī)格應(yīng)與被校正轉(zhuǎn)子配套，根據(jù)校正轉(zhuǎn)子的質(zhì)量和轉(zhuǎn)子鐵芯外徑選擇。

機(jī)械手傳送裝置要求:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，運(yùn)動(dòng)靈活，定位精確。在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)允許的條件下，應(yīng)盡量減小傳輸單元機(jī)械手臂的長度，縮短不同工位間轉(zhuǎn)子傳送路程，提高傳送效率，同時(shí)減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。手臂盡量采用輕質(zhì)材料，減小機(jī)械手傳送裝置的慣性沖擊，提高定位精度。

提高氣動(dòng)機(jī)械手的到位精度，避免回彈措施:①調(diào)整旋轉(zhuǎn)氣缸定位塊處于準(zhǔn)確的角度位置上;②采用液壓緩沖裝置;③減小旋轉(zhuǎn)機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;④保證進(jìn)氣壓力穩(wěn)定，進(jìn)氣壓力和旋轉(zhuǎn)氣缸進(jìn)出口節(jié)流閥要調(diào)節(jié)合適(進(jìn)氣壓力和旋轉(zhuǎn)氣缸進(jìn)出口節(jié)流閥的開度要匹配)。這些措施可使機(jī)械手旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，避免沖擊，避免機(jī)械手到位后發(fā)生回彈或到位不夠的現(xiàn)象。

除此之外，系統(tǒng)為了保證轉(zhuǎn)子固定位置的一致性，減小由于軸向位移所帶來的校正誤差，系統(tǒng)應(yīng)有轉(zhuǎn)子軸向推動(dòng)定位機(jī)構(gòu)。

3 樣機(jī)實(shí)例

開發(fā)的兩工位自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)產(chǎn)品樣機(jī)如圖11所示，圖12為校正平衡后的轉(zhuǎn)子。

參照國標(biāo)GB4201－84通用臥式平衡機(jī)校驗(yàn)法［3］，對(duì)該機(jī)進(jìn)行性能測試，達(dá)到了以下技術(shù)指標(biāo):最小可達(dá)剩余不平衡量e0的0.2 g·mm/kg;不平衡減少率URR為95%;一次不平衡去重率為89.6%;單件平衡時(shí)間為15～20 s。

4 結(jié)語

該平衡機(jī)已成功應(yīng)用于永康市多家電動(dòng)工具生產(chǎn)企業(yè)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子平衡生產(chǎn)、質(zhì)量管理一體化，確保了產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性，取得了良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

全自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)涉及到精密機(jī)械與以微電子為主導(dǎo)的多種新興技術(shù)融合的綜合性高新技術(shù)，是一種機(jī)電一體化的復(fù)雜技術(shù)。全自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究及其產(chǎn)業(yè)化的成功，推動(dòng)了我國動(dòng)平衡行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，減少全自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)對(duì)國外的依賴，節(jié)省國家外匯。也會(huì)推動(dòng)相關(guān)行業(yè)如電機(jī)、電動(dòng)工具以及汽車、摩托車等行業(yè)的技術(shù)革新，尤其是為這些行業(yè)在國際市場的競爭提供了強(qiáng)有力的支持手段。

［1］華自強(qiáng)，陳艾青.PDX2－1型轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡自動(dòng)去重機(jī)［J］.電動(dòng)工具，1998(2):16 －20.

［2］劉健.多工位全自動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

［3］GB4201—84，通用臥式平衡機(jī)校驗(yàn)法［S］.