第一作者潘鑫男， 博士生，1987年生

通信作者高金吉男， 教授,中國工程院院士，1942年生

氣壓液體式磨床自動平衡裝置控制策略與實驗研究

潘鑫， 吳海琦, 高金吉

(北京化工大學機電工程學院診斷與自愈工程研究中心，北京100029)

摘要：砂輪在線動平衡裝置是高速磨床上的重要組成部分。介紹了一種新型的氣壓液體式在線自動平衡系統(tǒng)，為該平衡系統(tǒng)提供了一種靶向控制策略。該控制策略在平衡裝置執(zhí)行操作前，已經(jīng)準確定位不平衡量的大小和相位；平衡過程中，系統(tǒng)有確定目標的進行注氣操作，系統(tǒng)振動幅值單調(diào)下降，平衡過程無錯調(diào)現(xiàn)象。對注氣操作的控制方案進行了定量分析，并選出了最優(yōu)方案。實驗結果表明，在多種轉(zhuǎn)速下，該類平衡裝置均可在15 s內(nèi)有效地降低系統(tǒng)的不平衡振動，且振幅下降比例均在90%以上。

關鍵詞：磨床；自動平衡；氣壓液體；靶向控制

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃(“973”計劃)項目(2012CB026000)；國家自然科學基金重點項目(51135001)

收稿日期：2013-10-21修改稿收到日期：2014-02-11

中圖分類號:TB123; TB535文獻標志碼：A

Control strategy and experiment research on liquid-transfer active balancing device by pneumatic means for grinding machines

PANXin,WUHai-qi,GAOJin-ji(Diagnosis and Self-recovering Research Center, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

Abstract:Active balancing device of grinding wheel is an important part for high-speed grinding machines. A new type of liquid-transfer active balancing device was proposed and a targeted control strategy was provided for the balancing device. In the strategy, the amplitude and phase of imbalance were determined before the running of balancing device. During the process of balancing, the compressed air was injected to a determinate target, so as to make the amplitude of vibration decrease monotonically without any erroneous regulation phenomenon. Quantitative analysis was done on several control paths and the optimal path was selected. The experiment result demonstrates that the unbalance response can be reduced in 15s under three speed conditions and the decrease in amplitude is more than 90%.

Key words:grinding machine; active balancing; liquid transfer; targeted control

磨削加工技術是先進制造技術中的重要領域。高速及超高速磨削技術能極大地提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，實現(xiàn)難加工材料和復雜型面的精加工。砂輪高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的不平衡離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。所以，在高速磨削過程中，即使極小的不平衡質(zhì)量也會產(chǎn)生非常大的不平衡離心力，造成機床振動，軸承磨損，被磨削工件產(chǎn)生表面波紋和增大表面粗糙度值，嚴重影響磨床的加工精度和使用壽命[1]。

因此，在高速磨削的技術體系中，高速砂輪的在線自動平衡技術是必不可少的。美國、德國和日本等工業(yè)發(fā)達國家在高速磨床上均已普遍采用了自動平衡系統(tǒng)。在我國，高精度的自動平衡產(chǎn)品完全依賴國外進口，且價格昂貴，所以造成該類產(chǎn)品的使用受限，僅在高檔機床上可見。已有的自動平衡產(chǎn)品主要包括機電式[2]、電磁滑環(huán)式[3-4]和注液式[5]三種。在前兩種平衡裝置中，不可避免的要在旋轉(zhuǎn)部分引入偏心質(zhì)量塊、機械傳動鏈或其它可動部件。在較高的工作轉(zhuǎn)速下，偏心質(zhì)量塊會使支撐軸承承受極大的旋轉(zhuǎn)載荷，造成支撐軸承變形、卡滯甚至損壞；機械傳動鏈也會受離心力干擾甚至鎖死，不能正常工作。而注液式平衡裝置因旋轉(zhuǎn)部分無可動部件，不受高速離心力的干擾，更適用于高速的場合。但注液式平衡裝置因注液這一過程，需要多個液壓部件和液體回收、過濾裝置，價格昂貴，且平衡能力隨平衡過程逐漸減小，平衡狀態(tài)不能停機保持。所以，近年來，國內(nèi)外的很多學者致力于改進該類平衡裝置，但在克服已有缺陷的同時，均會帶來新的問題：如Kerlin等的液氣式平衡裝置因驅(qū)動液體轉(zhuǎn)移的方式為加熱汽化，使該裝置的響應速度慢，且制造難度大；Steere Jr.等的氣壓液體式平衡裝置因在連通管上安裝了四個止逆閥，使該裝置不再適用于高速場合；釋液式平衡裝置雖可以做到平衡液的可控排出，但注液、釋液兩種運行方式轉(zhuǎn)換條件的判斷困難，而且平衡頭旋轉(zhuǎn)部分具有可動部件——電磁閥；連續(xù)注排式平衡裝置雖然具備了既能注液又能排液的功能，但無休止的注液、排液，對執(zhí)行機構的可靠性有很高要求[6-10]。在本文中，介紹一種新型的氣壓液體式在線自動平衡系統(tǒng)[11-12]，該系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部分無可動部件，在整個平衡過程中，不需要外界注入或向外界排出平衡液，平衡液僅在密閉的儲液腔間進行定向轉(zhuǎn)移。為該類系統(tǒng)提供了一種靶向控制策略，并通過實驗，驗證了該類系統(tǒng)的可靠性。

1工作原理與系統(tǒng)設計

氣壓液體式自動平衡裝置的工作原理為：在對稱分布的四個儲液室中預先充入平衡液，位置相對的兩個儲液室的液相通過連通管相連，以壓縮空氣為動力源驅(qū)動平衡液經(jīng)連通管在兩個儲液室之間作可控性流動。通過改變平衡盤內(nèi)的液體分布，達到在線平衡受控設備的目的。

該系統(tǒng)主要包括平衡裝置、氣源系統(tǒng)和測控系統(tǒng)三部分，其工作原理圖和系統(tǒng)框圖分別如圖1和圖2所示。

1. 砂輪　2. 接桿法蘭　3.電主軸轉(zhuǎn)子 4.加速度傳感器 5. 位移傳感器6. 轉(zhuǎn)速傳感器 7.控制器 8.氣源(空壓機) 9.空氣過濾器 10.空氣減壓閥11.電磁閥組　 12.氣源分配器　13.平衡盤 圖1　自動平衡系統(tǒng)工作原理圖 Fig.1 Principle digram of balancing system

圖2　自動平衡系統(tǒng)框圖 Fig.2 Block digram of balancing system

平衡裝置由平衡盤和氣源分配器組成。其中，平衡盤通過接桿法蘭與電主軸轉(zhuǎn)子連接在一起，隨電主軸同步旋轉(zhuǎn)，內(nèi)含四個對稱分布的扇形儲液腔用于儲存平衡液，其儲液腔蓋板內(nèi)加工有兩條弧形的連通管路，用于作為兩對儲液腔間液體轉(zhuǎn)移時的液體流道。氣源分配器用于實現(xiàn)壓縮空氣從靜止管路到旋轉(zhuǎn)儲液腔的動靜傳遞，由定子、中間套和前后軸承組成：定子靜止不動，內(nèi)部加工有四條軸向通道，分別連接四條進氣管路，其外徑刻有四條軸向均布的環(huán)槽，四條環(huán)槽分別與四條軸向通道相連；中間套隨儲液腔同步旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)徑與定子外徑間有一定間隙，且加工有四個與儲液腔內(nèi)壁相通的進氣孔，分別對應定子上的四個環(huán)槽，用于將四路氣體引入相應儲液腔；前后兩軸承則可以保證中間套和定子在較小間隙下長周期、穩(wěn)定地運行。

氣源系統(tǒng)由氣源、過濾器、減壓閥和電磁閥組構成，主要用于將常壓空氣進行加壓、過濾，并通過減壓閥調(diào)整至適當壓力，最終經(jīng)過電磁閥組有方向的輸入執(zhí)行器。該平衡系統(tǒng)在平衡過程中所需壓縮氣量很小，驅(qū)動壓力一般低于0.8 MPa，且在平衡過程完成后，即通過電磁閥切斷氣路，無需持續(xù)的注氣，所以利用小型的空壓機或普通的壓縮空氣鋼瓶即可滿足本系統(tǒng)對氣源的要求。

測控系統(tǒng)由傳感器和控制器組成，傳感器又分振動傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，振動檢測可以使用加速度傳感器也可以使用位移傳感器。傳感器用于檢測軸承座或平衡盤的振動信號以及設備轉(zhuǎn)速信號；控制器對振動信號進行采集、提取，獲得振動數(shù)據(jù)，并據(jù)此輸出控制信號，控制電磁閥組的通斷。

2控制策略

本文采用靶向控制方法對平衡裝置進行在線控制，其特征在于：①在平衡裝置執(zhí)行操作前，系統(tǒng)已經(jīng)準確定位不平衡量的大小和相位；②平衡過程中，系統(tǒng)有確定目標的進行注氣操作；③快速計算注氣時間，以使系統(tǒng)振動幅值單調(diào)下降，平衡過程無錯調(diào)現(xiàn)象。

2.1基本原理

靶向控制方法主要由5部分組成：

(1)數(shù)采，用于接收被測設備的實時振動信號，提取其中的一倍頻分量；

(2)定位，利用一倍頻信號計算被測設備的不平衡量的大小和相位；

(3)轉(zhuǎn)換，將不平衡量轉(zhuǎn)換為平衡裝置中氣體驅(qū)動液體轉(zhuǎn)移的時間控制量；

(4)分配，根據(jù)不平衡量的大小和相位，將時間控制量分解為相應儲液腔的控制時長；

(5)編譯，將控制時長形成相應的控制指令輸出，驅(qū)動執(zhí)行器控制各儲液腔對應電磁閥的開閉。

其中，數(shù)采部分通常采用跟蹤濾波或FFT等方法提取振動信號中的一倍頻分量；對于不平衡量的定位，通常采用影響系數(shù)法來確定不平衡量的大小和所在相位；在計算時間控制量的過程中，可采用比例系數(shù)法或自適應控制算法確定注氣時間，這里簡述比例系數(shù)法的基本原理。

由平衡能力U和轉(zhuǎn)移質(zhì)量m間的關系知

U=km

(1)

(2)

設在平衡液的轉(zhuǎn)移過程中，連通管中平衡液的質(zhì)量流量為q，則當轉(zhuǎn)移質(zhì)量為m時，所需注氣總時間的大小為：

(3)

氣壓液體式平衡裝置，利用壓縮空氣驅(qū)動平衡液轉(zhuǎn)移。為了使平衡裝置在相位為(β+180°)的相位產(chǎn)生校正質(zhì)量m，系統(tǒng)應在β的相位注入壓縮空氣，所以注氣相位的公式為：

ψ=β+180°-180°=θ

(4)

(5)

將注氣總時間按正弦或余弦定理分解到各個儲液腔，即可得到各腔對應電磁閥的開閉時間。

在注氣時間的分解過程中，當注氣相位處于0°、90°、180°和270°四個位置時，只需向單腔注氣；當注氣相位處于45°、135°、225°和315°四個位置時，需同時向兩腔注氣，且兩腔注氣時間相同。對于這兩種情況，直接執(zhí)行即可，不需要區(qū)分先后。但除這八個位置之外，其余位置均需兩個腔注氣，且注氣的時間長短不同。這時，需要根據(jù)控制效果，考慮注氣的先后順序，即優(yōu)化控制路徑。

2.2控制路徑

現(xiàn)以注氣相位在0°~45°范圍內(nèi)為例，進行控制效果分析。

(6)

此時，控制系統(tǒng)需要分別向A、B兩儲液腔注氣。若兩平衡管的質(zhì)量流量相同，且均為q，則A腔和B腔對應的注氣時間分別為

(7)

式中:ta>tb>0，即A腔對應電磁閥的注氣時間長于B腔對應電磁閥。

在這種情況下，控制系統(tǒng)的注氣順序存在5種方案：

(1)先開B腔電磁閥，待B腔注氣結束后，打開A腔電磁閥，直至注氣結束。控制器輸出的控制指令包括兩部分，以時間t為變量，剩余不平衡量可用公式表示為

(2)先開A腔電磁閥，待A腔注氣結束后，打開B腔電磁閥，直至注氣結束。平衡過程中，剩余不平衡量可用公式表示為

(3)同時打開A、B兩儲液腔電磁閥，待B腔注氣結束后，關閉B腔對應電磁閥，A腔電磁閥繼續(xù)打開，直至注氣結束。平衡過程中，剩余不平衡量可用公式表示為

(10)

(4)首先打開A腔電磁閥，在A腔注氣一段時間后，開啟B腔電磁閥，最終兩電磁閥同時停止工作。平衡過程中，剩余不平衡量可用公式表示為

(11)

(5)將B腔電磁閥的通電時間均分為j份，在打開A腔電磁閥注氣的過程中，B腔電磁閥間斷性打開，最終使兩電磁閥幾乎同時停止工作。在該平衡過程中，剩余不平衡量的計算需分次2j個區(qū)間進行分段考慮，具體可用公式表示為

(12)

由該圖曲線知，方案(3)對應的控制速度最快，控制效果最好，所以在控制程序中，以方案(3)作為最終的控制方案，即當需要同時向兩個儲液腔注氣時，控制指令的編譯包括3步：①同時打開兩目標儲液腔對應電磁閥，向儲液腔進行注氣，直至注氣時間短的儲液腔注氣結束；②關閉注氣時間短的儲液腔對應的電磁閥，注氣時間長的儲液腔對應電磁閥繼續(xù)開放，直至注氣結束；③注氣結束，關閉電磁閥組。

圖4　控制方案對比結果 Fig.4 Comparison of control paths

3實驗研究

為了驗證氣壓液體式自動平衡裝置的平衡效果，在臥式磨削試驗臺上進行了相關實驗。

3.1實驗裝置

圖5　平衡系統(tǒng)實驗裝置 Fig.5 Experimental installation of balancing system

試驗臺所用電主軸為磨削專用電主軸，功率9 kW。所用模擬砂輪的規(guī)格參數(shù)與標準CBN砂輪的規(guī)格參數(shù)相同，外徑250 mm，內(nèi)徑127 mm，厚20 mm。模擬砂輪由左右兩砂輪法蘭夾緊，固定在電主軸上。平衡盤和砂輪左法蘭加工成一體，位于砂輪盤的內(nèi)部，便于更好的平衡系統(tǒng)由砂輪不平衡帶來的振動。平衡盤外徑100 mm，內(nèi)含儲液腔深60 mm，所用平衡液為硅油，設計平衡能力為1 356 g.mm。在平衡盤的端部加工一凸臺，利用接近開關測量試驗臺轉(zhuǎn)速和振動相位。平衡盤的長度大于砂輪和砂輪法蘭的安裝尺寸，高出的部分用于作為位移傳感器的測量面，因為該測量面非常接近砂輪，且隨砂輪同步旋轉(zhuǎn)，所以可以直接的反應砂輪的實際振動。該實驗裝置如圖5所示。

本實驗裝置選用一臺無油空氣壓縮機作為壓縮空氣氣源。該空壓機的最高工作壓力為0.8 MPa，氣體流量為89 L/min，并配有一容積為6 L的儲氣罐，用于儲存壓縮空氣。在空壓機出口處加裝過濾減壓器，將壓縮空氣壓力減壓至0.3MPa。4臺兩位三通電磁閥構成電磁閥組，分別對應平衡盤內(nèi)的4個儲液腔，由一臺減壓閥統(tǒng)一調(diào)整電磁閥組進口處的氣體壓力。該氣源系統(tǒng)如圖6所示。

圖6　氣源系統(tǒng)構成 Fig.6 Gas supply system

位移傳感器和接近開關的電壓信號通過信號調(diào)理卡和數(shù)據(jù)采集卡，輸入工控機。在工控機中，利用Labview軟件，編制數(shù)據(jù)處理和控制程序。在該程序中，利用輸入的位移信號和轉(zhuǎn)速信號，計算被測系統(tǒng)當前振動的一倍頻振動幅值和相位，并判斷被測系統(tǒng)的振動幅值是否超出預設值。當判斷結果為真時，確定系統(tǒng)初始不平衡量的位置和大小，并計算各電磁閥的通電時間，輸出控制指令。控制指令通過數(shù)字I/O卡輸出脈沖信號，進而控制各電磁閥的通電時間。當某電磁閥通電后，該電磁閥打開，壓縮空氣通過進氣管路進入平衡裝置，對相應儲液腔實現(xiàn)注氣操作。實驗證明每次主動平衡過程多次注氣操作的累計時間不應大于30 s，因此在平衡程序中設定30 s為一次平衡操作的極限時間，如果30 s內(nèi)不能將振動幅值降低至設定值以下，則停止本次平衡操作，并提示使用者，驅(qū)動壓力過低或不平衡量已超出了該裝置的平衡能力。

3.2實驗效果

因該實驗裝置的臨界轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，所以本文僅在臨界轉(zhuǎn)速以下進行自動平衡實驗，所選轉(zhuǎn)速分別為3 000 r/min,5 000 r/min和5 500 r/min，分別對應砂輪線速度為39 m/s, 62 m/s和72 m/s，具體平衡效果如圖7所示。

在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動幅值為6.3 um，經(jīng)過11 s的自動平衡后，系統(tǒng)振動幅值降低至0.32 um，振幅下降比例達94.9%；

在5 000 r/min的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動幅值為8.5 um，經(jīng)過15 s的自動平衡后，系統(tǒng)振動幅值降低至0.35 um(P-P)，振幅下降比例達95.9%；

在5 500 r/min的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動幅值為10.2 um，經(jīng)過15 s的自動平衡后，系統(tǒng)振動幅值降低至0.37 um，振幅下降比例達96.4%。

圖7　平衡效果圖 Fig.7 Effect drawings of balancing system

從此實驗效果可以看出，本文所介紹的平衡裝置在3種工況下均可在15 s內(nèi)有效地降低系統(tǒng)振動幅值，且振幅下降比例均在90%以上，平衡性能可靠。

4結論

液體式自動平衡裝置結構簡單、旋轉(zhuǎn)部分無可動部件，比機械式平衡裝置更適于高速的場合。但已有的注液式平衡裝置由于注液這一過程，具有不可避免的一些缺陷，限制了該類產(chǎn)品的使用。本文介紹了一種新型的液體式平衡裝置，不僅擺脫了注液這一過程，且旋轉(zhuǎn)部分無需增加可動部件。為該平衡系統(tǒng)提供了一種靶向控制策略，且對不同注氣順序的平衡效果進行了定量分析，選出了最優(yōu)的控制路徑。通過實驗結果表明，該類平衡裝置可以在多個工作轉(zhuǎn)速下，快速、有效地降低系統(tǒng)的不平衡振動。

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