郭光 江西水利職業(yè)學(xué)院

偏心軸為移動刀提供振蕩運(yùn)動，并因其有效性能，耐腐蝕性，可靠性，長期使用等特點(diǎn)而廣受贊譽(yù)。 縮短制造周期時間并實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的操作夾具設(shè)計非常重要。偏心軸加工工藝對加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和產(chǎn)品成本具有直接影響。

1. 偏心軸的作用

偏心軸是軋花機(jī)的重要組成部分之一。 偏心軸是圓形或凸輪形盤，牢固地固定在旋轉(zhuǎn)軸上，其中心偏離軸的中心。這在軋花操作中起著重要作用。這些軸為移動刀提供振蕩運(yùn)動或動作。對參數(shù)連桿的檢查表明，偏心軸壽命取決于作用在偏心軸上的載荷，其幾何形狀，冶金特性和磨損。通過使用優(yōu)質(zhì)的原材料，先進(jìn)的方法設(shè)計和制造偏心軸，可以提高生產(chǎn)率和高質(zhì)量的操作。與曲軸相比，偏心軸提供更大的強(qiáng)度和支撐軸承更靠近驅(qū)動點(diǎn)。

偏心軸的特點(diǎn)如下：（1）隨著偏心距離的增大，作用在電機(jī)上的扭矩增大，導(dǎo)致力條件差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；（2）偏心軸通常具有偏心距離小的特點(diǎn)，因此只能提供小的位移。偏心軸是重要的元素，在軋花操作中起著重要作用。在偏心軸的設(shè)計和開發(fā)中，常見原料為合金鋼，其成分為Fe（98.5%），Al（0.5%），C（0.5%）和 Mo（0.5%）。

2. 工作原理

步進(jìn)電機(jī)的主軸由磁化驅(qū)動，然后由偏心軸驅(qū)動。其中集成到電主軸中，以偏心距離e作為半徑旋轉(zhuǎn)。由于偏心軸設(shè)計偏心距小，驅(qū)動活塞與氣缸之間的摩擦力矩非常小，摩擦損失小，系統(tǒng)傳動效率高。

滾針軸承帶動驅(qū)動活塞上下移動，軸承的引入是為了減少偏心軸和從動活塞之間的摩擦。 當(dāng)從動活塞向下移動時，下腔內(nèi)的油通過輸出活塞上的回流孔流入上腔，因此兩腔內(nèi)的壓力相等; 回流孔的實(shí)際功能是形成內(nèi)部差分電路。

一種模型參考T-S模糊跟蹤控制器，T-S跟蹤控制器和模型參考自適應(yīng)控制器的混合結(jié)構(gòu)，用于非線性偏心機(jī)構(gòu)。為了解決這個非線性系統(tǒng)，運(yùn)動控制系統(tǒng)可以顯著減少不同運(yùn)動條件下的位置和速度跟蹤誤差。

繞組函數(shù)理論顯示了偏心故障對電動機(jī)電感的影響，并且使用非對稱氣隙函數(shù)進(jìn)行仿真。偏心故障是定子和轉(zhuǎn)子之間氣隙不等的條件。當(dāng)最小徑向氣隙長度的位置固定在空間中時，它被稱為靜態(tài)氣隙偏心。在動態(tài)偏心的情況下，轉(zhuǎn)子的中心不在旋轉(zhuǎn)中心，因此最小氣隙的位置隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在實(shí)踐中，允許氣隙偏心率高達(dá)10%。為了模擬偏心故障，在與軸連接的盤的一側(cè)附加了重物。對所有特征進(jìn)行歸一化以排除轉(zhuǎn)子速度和負(fù)載，以便獲得不同條件下的可比數(shù)據(jù)。靜態(tài)和動態(tài)偏心率往往存在于實(shí)踐中。偏心模型用于模擬偏心故障的影響。

3. 偏心軸加工工藝

3.1 振動控制

在控制設(shè)計的情況下，剛性轉(zhuǎn)子的速度調(diào)節(jié)是一個簡單的過程。即使對于在重力場中旋轉(zhuǎn)的不平衡轉(zhuǎn)子，也可以通過明確地補(bǔ)償重力擾動來實(shí)現(xiàn)精確的速度控制，或者通過諸如滑動模式控制的高權(quán)限控制器來實(shí)現(xiàn)。然而，對于具有柔性軸的偏心轉(zhuǎn)子，速度調(diào)節(jié)成為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)閳?zhí)行器既不與輸出并置，也不與來自重力的時變扭矩相配合。這是一個實(shí)際問題，因?yàn)檫B接旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的軸通常具有一定程度的柔性，如果沒有適當(dāng)?shù)亟鉀Q，這將限制操作速度和可實(shí)現(xiàn)的精度。編碼器可用于記錄有效載荷的運(yùn)動以進(jìn)行評估；它不向控制器提供反饋信號。進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)時實(shí)驗(yàn)以評估控制系統(tǒng)的性能。

3.2 電機(jī)與軸偏心連接

無刷型永磁電機(jī)特別適用于防抱死制動系統(tǒng)（ABS）中的泵。由于軸上的偏心連接，在安全運(yùn)行模式下，需要保持電動機(jī)扭矩的最小值始終高于最大負(fù)載扭矩。這種解決方案至少有兩個缺點(diǎn)。首先，電機(jī)尺寸過大。電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平均值遠(yuǎn)高于平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩。第二個問題是由電動機(jī)的低速引起的。電機(jī)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的差異在電機(jī)的一圈內(nèi)發(fā)生變化。對于最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)僅提供略高于所需值的轉(zhuǎn)矩。相反，負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于零，負(fù)載和電動機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩差異很大。它會導(dǎo)致速度波動，尤其是在低范圍內(nèi)。速度波動又會在系統(tǒng)中產(chǎn)生額外的噪音。三相無刷電機(jī)也出現(xiàn)類似的波形。

3.3 偏心槳設(shè)計

偏心槳在陸地和水上存在幾種運(yùn)動模式。其中，有輪式和劃槳等集中最常見的運(yùn)動模式。通常，這幾種運(yùn)動可以通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)。所以這里出現(xiàn)的問題是，是否有可能在一個機(jī)制內(nèi)執(zhí)行輪式和劃槳步態(tài)。

通過使用偏心槳機(jī)構(gòu)，機(jī)器人可以在陸地上進(jìn)行輪式行走以及水中的水上劃槳步態(tài)。從殼體突出的每個槳葉外表面將在劃槳運(yùn)動期間用作控制表面并且在運(yùn)動期間提供動力。這種新穎的設(shè)計為所提出的機(jī)器人帶來了一定的優(yōu)勢。首先，通過使用偏心槳機(jī)構(gòu)，機(jī)器人可以在陸地和水中使用相同的運(yùn)動機(jī)制。在陸地上，槳葉起到輪子的作用。在水中，槳葉的突出區(qū)域用作控制表面以獲得推力。通過改變槳葉軸的位置，可以簡單地實(shí)現(xiàn)步態(tài)過渡。其次，槳葉的伸出和收縮行為是主動致動的。它使機(jī)器人比傳統(tǒng)的輪式車輛具有更高的機(jī)動性。例如，通過突出其槳葉，機(jī)器人可以穿過崎嶇地形。在平坦的地形上，槳可以縮回，作為輪子滾動。在水中運(yùn)動時，機(jī)器人通過調(diào)整控制面的方向和大小來產(chǎn)生矢量推力。

3.4 曲軸扭矩平衡

曲軸等不規(guī)則形狀的工件，車床的主軸系統(tǒng)難以在所需的恒轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)橹亓Σ黄胶馀ぞ禺a(chǎn)生于 工件的偏心不平衡重量。對于這種情況，重力不平衡扭矩可能由三個原因引起：軸頸不平衡，曲柄銷不平衡和軸頸未對準(zhǔn)。

為了保持恒定的運(yùn)行速度以抵抗不規(guī)則的不平衡扭矩，通常除了主驅(qū)動電機(jī)之外還使用控制電機(jī)。然而，由控制電動機(jī)產(chǎn)生的靜態(tài)預(yù)轉(zhuǎn)矩是不平衡轉(zhuǎn)矩的一半，因此它可以補(bǔ)償工件的不平衡轉(zhuǎn)矩的至少一半。主軸的轉(zhuǎn)速變化或扭轉(zhuǎn)振動可能對加工精度造成不良影響。

3.5 調(diào)整和驗(yàn)證氣隙不對稱性

在真實(shí)的機(jī)器上精確測量以及調(diào)整轉(zhuǎn)子偏心是非常具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樵诟袘?yīng)電機(jī)中存在幾種可能的氣隙不對稱源，最終導(dǎo)致固有的靜態(tài)和動態(tài)偏心。參考系的原點(diǎn)定義了定子疊片的中心。從旋轉(zhuǎn)軸到虛線圓的距離給出了在相應(yīng)方向上產(chǎn)生的氣隙。從復(fù)平面的中心開始，黑相（表示為定子外殼+層壓）定義了所識別的固有偏心率的大小和位置。該階段的終點(diǎn)是使用兩個偏心套筒的所選布置的起點(diǎn)。因此，改變兩個套筒的角度取向可以將得到的偏心率（紅色相位）調(diào)節(jié)到任何幅度以及氣隙長度內(nèi)的方向。固有偏心度（定子外殼+層壓）的相位通常在機(jī)器的兩側(cè)具有不同的大小和方向。

有四種可能的位置來通過殼體中的孔光學(xué)地測量氣隙。為了檢測氣隙長度，必須在機(jī)器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)恼彰?。為了研究感?yīng)電機(jī)參考?xì)庀恫粚ΨQ性的特性，有必要考慮整個機(jī)械裝置的上述非理想特性。必須確定機(jī)器制造中的公差以及偏心套筒。這種耗時的過程對于提供準(zhǔn)確可靠的測量結(jié)果是必要的。測量機(jī)器每側(cè)沿圓周的四個不同位置處的氣隙長度，可以達(dá)到幾十μm的精度。除了使用數(shù)碼相機(jī)測量氣隙長度外，還可以在機(jī)器的每一側(cè)放置兩組激光傳感器來測量軸的位置。

4. 結(jié)語

由于偏心軸設(shè)計偏心距小，摩擦力矩非常小，導(dǎo)致摩擦損失小，系統(tǒng)效率高。由于軸上的偏心連接，泵的特征在于軸的一圈上的負(fù)載扭矩的變化。偏心質(zhì)量的轉(zhuǎn)速改變主軸的振動可能會對機(jī)器精度產(chǎn)生不良影響。偏心軸的正確設(shè)計和良好的加工工藝可以減少振動，最終使操作無噪音和平穩(wěn)，提高了效率和加工的質(zhì)量。