樊紅衛(wèi) 邵偲潔 楊一晴 萬 翔 張旭輝 馬宏偉

(西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710054)

主軸是機(jī)床的核心功能部件，其性能對機(jī)床加工質(zhì)量具有重要影響。電主軸因結(jié)構(gòu)緊湊、旋轉(zhuǎn)精度高等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床。不平衡是各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見的故障原因，電主軸由于其高轉(zhuǎn)速，不平衡問題更為突出。因此，轉(zhuǎn)子動平衡成為電主軸領(lǐng)域重要的研究方向之一。動平衡方法根據(jù)機(jī)器是否停機(jī)可分為離線平衡和在線平衡，而在線平衡由于其廣泛適用性、無人干預(yù)等顯著特點成為當(dāng)前研究的熱點。

國內(nèi)外學(xué)者已對主軸在線平衡技術(shù)開展了大量研究，目前主流的主軸在線自動平衡技術(shù)是將主動式平衡頭集成于主軸前端，結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和動平衡控制器完成主軸的在線主動平衡。根據(jù)平衡頭種類不同，可大致分為三類:機(jī)械式平衡[1-2]、噴液式平衡[3-5]及電磁式平衡[6-9]。目前，絕大多數(shù)的研究均只是針對平衡裝置本身的設(shè)計與試驗展開，缺乏系統(tǒng)化的電主軸-平衡頭集成單元一體化設(shè)計，制約了這一技術(shù)的推廣應(yīng)用步伐。本文將介紹一種采用非接觸式機(jī)械自平衡頭實現(xiàn)電主軸自動平衡的完整系統(tǒng)，為國產(chǎn)電主軸的品質(zhì)提升和智能化提供技術(shù)借鑒。

1 自平衡電主軸系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

設(shè)計一種高速電主軸振動多信息在線監(jiān)測與分析、自動平衡和自動報警及降速處理的多信息智能化自平衡電主軸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)寬調(diào)速范圍大不平衡量的快速調(diào)節(jié)。

1.2 系統(tǒng)總體方案

針對電主軸不平衡問題，設(shè)計一種非接觸機(jī)械式自平衡綜合監(jiān)控電主軸系統(tǒng)，包括電主軸及其附件、狀態(tài)監(jiān)控和自動平衡三個子系統(tǒng)，如圖1所示。電主軸附件為主軸提供支撐、實現(xiàn)冷卻和保證潤滑。通過狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)實現(xiàn)電主軸狀態(tài)預(yù)警和調(diào)控；通過自動平衡子系統(tǒng)對電主軸實時不平衡進(jìn)行在線不停機(jī)自動校正。

2 自平衡電主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 電主軸及附件設(shè)計

電主軸安裝方式影響主軸運行狀態(tài)。為保證支撐剛度，系統(tǒng)在試驗臺面上開設(shè)兩個放置槽，螺栓穿過主軸外部殼體上留有的安裝孔及調(diào)整板上的安裝孔將主軸和調(diào)整板連接，再用螺栓連接將其與放置于放置槽內(nèi)的帶螺紋的滑塊連接，從而將電主軸固定在試驗臺上，如圖2所示。

潤滑和冷卻是保證高速電主軸平穩(wěn)運行的重要條件。為保證潤滑效果，電主軸系統(tǒng)采用油霧潤滑。又因螺桿式空壓機(jī)采用氣罐分離，減少了開機(jī)次數(shù)，能更好地起到穩(wěn)壓作用，故利用螺桿式空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮，再經(jīng)冷干機(jī)過濾、冷卻和干燥后，令其使?jié)櫥统捎挽F狀對電主軸進(jìn)行油霧潤滑；為更好地對高速電主軸進(jìn)行冷卻，系統(tǒng)采用循環(huán)水冷的方式。

2.2 平衡單元設(shè)計

平衡單元是整個電主軸系統(tǒng)的核心部件，必須能夠精確地反饋系統(tǒng)振動情況，并根據(jù)振動及時準(zhǔn)確地抵消不平衡。因此，本文設(shè)計了自動平衡子系統(tǒng)。自動平衡子系統(tǒng)包括振動加速度和鑒相傳感器、非接觸機(jī)械式自動平衡頭及其控制器，如圖3所示。非接觸平衡頭包括平衡執(zhí)行器和信號發(fā)射器，平衡執(zhí)行器采用非接觸機(jī)械式結(jié)構(gòu)，信號發(fā)射器則須保證平衡執(zhí)行器與其之間的間隙不超過3 mm。平衡原理是控制機(jī)對加速度傳感器和鑒相傳感器監(jiān)測到的振動和相位信號進(jìn)行分析后，通過發(fā)射器控制平衡執(zhí)行器中的電機(jī)驅(qū)動偏心齒輪盤轉(zhuǎn)動，兩個齒輪盤的合矢量即能夠抵消外界不平衡，從而達(dá)到平衡狀態(tài)。如圖4所示，外界不平衡矢量A恰好能被兩偏心齒盤分別產(chǎn)生的不平衡矢量B和C的合矢量抵消時，即達(dá)到平衡。

2.3 振動檢測及控制單元設(shè)計

振動檢測及控制單元是監(jiān)測電主軸運行狀況、及時進(jìn)行預(yù)警和調(diào)控的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)設(shè)置了狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)，包括各路傳感器、外置式監(jiān)控儀和電控柜，如圖5所示。系統(tǒng)采用包括加速度、速度、轉(zhuǎn)速、位移、溫度及聲發(fā)射傳感器在內(nèi)的16路傳感器來監(jiān)測電主軸整體運行狀態(tài)，所有傳感器信號都經(jīng)過信號集成變送單元將其一分為二，一路通過外置式監(jiān)控儀接入上位機(jī)，一路接入電控柜。上位機(jī)裝有電主軸運行狀態(tài)監(jiān)測軟件，可對輸入的傳感器信號和頻譜分析結(jié)果進(jìn)行顯示、繪制軸心軌跡，方便觀察各傳感器的信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。電控柜的主要功能是電主軸調(diào)速以及根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行自動報警及主動降速以保護(hù)主軸安全。電控柜界面通過觸控屏幕按鍵控停系統(tǒng)所有配套機(jī)器，并在傳感器監(jiān)測信號超過預(yù)設(shè)報警值時，自動進(jìn)行報警；如信號繼續(xù)增大并超過預(yù)設(shè)停機(jī)值時，電控柜通過PLC實現(xiàn)主動降速，以保護(hù)電主軸的電動機(jī)及軸承。

2.4 其他附件設(shè)計

(1)潤滑油循環(huán)使用部件

本系統(tǒng)設(shè)計了潤滑油循環(huán)使用部件，包括油霧分離器和真空發(fā)生器。將電主軸前端的排油管道接入油霧分離器，將空氣和油進(jìn)行分離，分離出的油可再次循環(huán)使用，分離出的空氣利用管道接入真空發(fā)生器，使廢棄空氣通過真空發(fā)生器的氣壓調(diào)節(jié)排出到試驗室外，節(jié)能又環(huán)保。

(2)排線裝置

為方便安裝油霧分離器等小型試驗裝置，也能更好地整理和固定試驗系統(tǒng)各進(jìn)出線路，在試驗臺前端設(shè)計了排線裝置。

(3)防護(hù)罩

為在一定程度上降低意外事故的傷害，防止灰塵和切屑，對非接觸式平衡頭系統(tǒng)采用剛性材料制成的防護(hù)罩，安全又方便。

3 自平衡電主軸系統(tǒng)試驗驗證

3.1 試驗平臺構(gòu)建

為驗證電主軸系統(tǒng)的在線自平衡功能的有效性，建立了如圖6所示自平衡電主軸系統(tǒng)試驗平臺。所選電主軸為磨削電主軸，型號為170MD12Y16，主軸電動機(jī)具體參數(shù)如表1所示。加速度傳感器選用ICP加速度傳感器，型號為 LW187483，靈敏度為 0.103 V/g。電主軸右端軸段通過適配器安裝非接觸式自動平衡子系統(tǒng)，適配器也可用作不平衡模擬盤。

表1 電主軸電動機(jī)主要參數(shù)

3.2 試驗原理

根據(jù)振動理論，轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動屬于強(qiáng)迫振動，如圖7所示，在豎直方向上的振動微分方程可表示為:

式中:M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；m為轉(zhuǎn)子偏心質(zhì)量；e為偏心距；C為阻尼；K為剛度；x為豎直方向振動位移；ω為轉(zhuǎn)子角速度。由式(1)可知，不平衡me和轉(zhuǎn)速ω是不平衡振動的主要影響因素，如圖7所示。因此，電主軸在線主動平衡試驗針對不平衡量和轉(zhuǎn)速兩個因素開展。

3.3 自平衡實驗

試驗在以下3種情況下進(jìn)行:(1)在配重盤0°位置加1個重量為5.38 g的螺釘；(2)在配重盤0°和90°分別加1個重量為 5.38 g 的螺釘；(3)在配重盤 0°、90°和 180°的位置分別加一個重量為5.38 g的螺釘。分別測試3種不平衡下，轉(zhuǎn)速在 1 800、2 400、3 000、3 600、4 200、4 800 r/min時的平衡信息。

設(shè)置電主軸轉(zhuǎn)速，待穩(wěn)定后，測量平衡前系統(tǒng)振動量；將平衡目標(biāo)值設(shè)為0.1μm，按下平衡鍵，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，測量平衡后系統(tǒng)振動量；平衡效果、振動降低量、降低率和平衡后的振動結(jié)果如圖8所示。可以看出:(1)系統(tǒng)振動量明顯降低，不平衡問題得到解決；(2)振動降低量和降低率在首次低速平衡時較大，高速時很小；(3)平衡后振動量達(dá)到設(shè)置精度，甚至更高精度。但平衡后振動量不同，是受系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

試驗結(jié)果證明所設(shè)計的自平衡電主軸試驗系統(tǒng)是可行、有效的，其自動平衡子系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測、分析系統(tǒng)振動，并實現(xiàn)寬調(diào)速范圍內(nèi)不同平衡量下的快速平衡調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語

(1)針對電主軸不平衡問題，設(shè)計了一種非接觸機(jī)械式自平衡電主軸系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時監(jiān)控、預(yù)警和自平衡功能。

(2)對電主軸及其附件、狀態(tài)監(jiān)控和自動平衡3個子系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，特別是狀態(tài)監(jiān)控和自動平衡子系統(tǒng)的實現(xiàn)，同時介紹了特定功能附件。

(3)建立了試驗臺，進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速不同不平衡量下的自平衡實驗，獲得了不同轉(zhuǎn)速下振動降低量、平衡后振動量和振動降低率。結(jié)果表明:在轉(zhuǎn)速1 800～4 800 r/min，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)振動量降至0.1μm的高精度自平衡，證明系統(tǒng)是可行、有效的。