李文慶 劉俊武 郝天陽(yáng) 湯洪濤

（科德數(shù)控股份有限公司，遼寧 大連116600）

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)是機(jī)床的重要部件，其性能對(duì)機(jī)床的性能和壽命影響很大。當(dāng)旋轉(zhuǎn)物體質(zhì)量不對(duì)稱、加工制造過(guò)程中有誤差、整體裝配或安裝不精確、使用過(guò)程中產(chǎn)生形變等，回轉(zhuǎn)部件對(duì)支撐軸承的壓力隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化，此時(shí)即產(chǎn)生了不平衡量[1]，從而造成機(jī)床噪聲與振動(dòng)，影響機(jī)床的加工質(zhì)量與效率。尤其是對(duì)于立式車銑復(fù)合加工中心來(lái)說(shuō)，由于需要進(jìn)行高速的車削做業(yè)，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的最小不平衡量有較高要求；對(duì)于大尺寸的數(shù)控加工中心，由于轉(zhuǎn)臺(tái)的直徑大，轉(zhuǎn)速增加后轉(zhuǎn)臺(tái)的線速度非常大，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作工人都有一定危險(xiǎn)性。與此同時(shí)，只有當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械部分處于最理想的平衡狀態(tài)時(shí)才可能使工件的加工質(zhì)量保持一致并且達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)。而在線動(dòng)平衡裝置可以使不平衡引起的機(jī)床振動(dòng)控制在要求的精度范圍內(nèi)，對(duì)提高機(jī)床的整體性能、延長(zhǎng)使用壽命等具有重要意義。但是對(duì)于目前的高檔數(shù)控機(jī)床行業(yè)來(lái)說(shuō)，可以方便集成的動(dòng)平衡檢測(cè)產(chǎn)品少之又少，大部分都依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴。對(duì)于動(dòng)平衡檢測(cè)領(lǐng)域，大多數(shù)產(chǎn)品主要集中于磨床的砂輪動(dòng)平衡檢測(cè)，機(jī)械轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡檢測(cè)，在轉(zhuǎn)速、工作頻率、剩余不平衡量等關(guān)鍵指標(biāo)上并不適用于數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)?？偟膩?lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡檢測(cè)系統(tǒng)主要面向特定企業(yè)，針對(duì)特定類型的產(chǎn)品，功能單一；一次平衡實(shí)驗(yàn)精度不高，一般要進(jìn)行多次平衡才能達(dá)到高精度。因此對(duì)于立式車銑復(fù)合加工中心來(lái)說(shuō)，亟需一種高精度、多功能且對(duì)原有結(jié)構(gòu)影響小、沖擊小，成本低，易于集成的動(dòng)平衡在線檢測(cè)系統(tǒng)。

1 動(dòng)平衡分析方法——影響系數(shù)法

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡的目的是經(jīng)過(guò)一系列測(cè)試，確定不平衡量的大小和方向，然后通過(guò)改變轉(zhuǎn)臺(tái)四周質(zhì)量塊的分布來(lái)將不平衡量抵消或者減小。對(duì)于該類的測(cè)試來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子——支撐系統(tǒng)可以認(rèn)為是一個(gè)單入單出的線性系統(tǒng)[2]，不平衡量和振動(dòng)響應(yīng)成線性關(guān)系。利用這一特性，可以先求出單位不平衡量的輸出，求出影響系數(shù)，然后求出被測(cè)對(duì)象不平衡量的大小和位置，此類方法即稱為影響系數(shù)法。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)輸入/輸出系統(tǒng)框圖

振動(dòng)響應(yīng)Y(t)是不平衡量U(t)的振動(dòng)響應(yīng)，則U(t)和Y(t)的關(guān)系：

對(duì)上式進(jìn)行傅里葉變換，得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)：

因此，輸入不平衡量的大小與系統(tǒng)響應(yīng)的大小之比為一常數(shù)k；由不平衡量引起的基頻振動(dòng)相位與不平衡量相位的滯后角α 不變。

測(cè)量流程：

（1）采集轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速信號(hào)和轉(zhuǎn)臺(tái)振動(dòng)信號(hào)。

（2）獲取原始振動(dòng)信號(hào)的大小和相位。

（3）加試重塊，提取振動(dòng)信號(hào)的大小和相位。

（4）計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)不平衡量的大小和相位。

動(dòng)平衡測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖2。

2 軟件控制流程（圖3）

首先，如果試初次測(cè)量，則要先用影響系數(shù)法求出系統(tǒng)的影響系數(shù)。其次，計(jì)算系統(tǒng)初始不平衡量，得到初始不平衡量的大小和相位。最后，調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的移動(dòng)方式有直角坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式、混合坐標(biāo)移動(dòng)方式等幾種[3,4]，重新測(cè)量系統(tǒng)不平衡量，直到達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)為止。

圖2 動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

圖3 動(dòng)平衡檢測(cè)軟件流程圖

3 振動(dòng)信號(hào)提取

不平衡量信號(hào)及其特征參數(shù)的提取是在線動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)的核心問(wèn)題，特征信號(hào)的提取精度將直接影響測(cè)量精度和平衡精度[5]。由于DFT 等分析方法都要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行整周期的提取，傳統(tǒng)方法是先根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)算出轉(zhuǎn)臺(tái)的周期，然后作為采樣間隔，觸發(fā)AD 轉(zhuǎn)換。該種方式由于并不同步的原因，導(dǎo)致誤差較大。本文采用將轉(zhuǎn)速信號(hào)直接倍頻，觸發(fā)采樣的方式提高的AD轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)滿足整周期采樣的要求[6]。綜上，對(duì)于轉(zhuǎn)速信號(hào)，主要是對(duì)接近開(kāi)關(guān)的信號(hào)進(jìn)行處理，包括整形、變壓、鎖相、倍頻。速度傳感器采用接近開(kāi)關(guān)。對(duì)于振動(dòng)信號(hào)，也即加速度信號(hào)的提取，由于電荷類型加速度傳感器輸出信號(hào)較弱，故需要電荷轉(zhuǎn)電壓電路，實(shí)際中也可以選擇內(nèi)部集成放大電路的電壓型輸出的加速度傳感器。對(duì)于初始的電壓信號(hào)，需要放大和限幅電路。對(duì)于濾波器的選擇，可以選擇二階低通濾波器、級(jí)聯(lián)積分器、精密全部整流電路的組合，已經(jīng)滿足工作轉(zhuǎn)速內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)的處理；當(dāng)然，也可以考慮實(shí)現(xiàn)更為方便的，中心帶通濾波器或者跟蹤濾波器等集成濾波器方案。

轉(zhuǎn)速信號(hào)作為AD 采樣以及諸多軟件處理流程的觸發(fā)源，同時(shí)還用做相位標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，輸入至ADC 和微處理器，完成最后的采樣處理環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

目前立式車銑復(fù)合加工中心必須配備動(dòng)平衡檢測(cè)裝置，以保證在高速車削狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)機(jī)械部分處于理想狀態(tài)。目前應(yīng)用瓶頸在于國(guó)內(nèi)沒(méi)有可以較好的集成到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)平衡檢測(cè)裝置，僅能依靠國(guó)外個(gè)別廠家，并且價(jià)格昂貴；同時(shí)對(duì)于大半徑轉(zhuǎn)臺(tái)，動(dòng)平衡轉(zhuǎn)速范圍過(guò)高，轉(zhuǎn)臺(tái)線速度過(guò)大，不方便現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用操作。針對(duì)該問(wèn)題，構(gòu)建了以ARM 為核心的不平衡信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，采用加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)信號(hào)，接近開(kāi)關(guān)測(cè)量數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。分析了對(duì)于剛性轉(zhuǎn)子單面影響系數(shù)法的測(cè)量原理和測(cè)量實(shí)現(xiàn)，并針對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)、加速度信號(hào)給出了處理方案和硬件實(shí)現(xiàn)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用給出了測(cè)量結(jié)果，實(shí)際實(shí)驗(yàn)應(yīng)用表明，該方法能夠準(zhǔn)確測(cè)量不平衡量的大小和相位，該測(cè)量方法和以該方法為基礎(chǔ)的在線動(dòng)平衡檢測(cè)模塊，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在立式車銑復(fù)合加工中心類高檔機(jī)床上，它的特點(diǎn)是成本低、可集成、精度高，轉(zhuǎn)速可以在較大范圍滿足動(dòng)平衡檢測(cè)的需要。