馮佳韻

（深圳市鑫精工平衡機有限公司，廣東深圳 518000）

文章提出的全自動平衡機系統(tǒng)可以自動進行不平衡測量和誤差校正。它由測量和控制單元、機械底座和執(zhí)行單元組成。研究中推導出了不平衡測量和校正的方程式，根據(jù)推導出的方程式，計算出轉子不平衡的大小和需要去除的質量。使用數(shù)據(jù)采集和控制卡來獲得不平衡信號并實現(xiàn)自動化操作。使用具有高精度和快速響應的交流伺服電機來執(zhí)行所尊重的動作。制造了一個樣機來測試這個想法。實驗結果表明，不平衡的減少率在一次校正中超過了95%。這對進一步的工業(yè)發(fā)展是非常重要的。

1 全自動化平衡機的結構概述

全自動平衡機是指在轉子旋轉的同時測量動平衡，得到不平衡的數(shù)值和位置，去除過大的部分，最終達到動平衡（或殘留的不平衡部分在允許范圍內(nèi)）的裝置。高精度自動平衡機的實現(xiàn)，取決于高精度的測量和高精度的平衡校正技術。就平衡校正方法而言，銑削校正和鉆孔校正是實踐中常用的兩種方法。鉆孔校正通常用于手工操作模式或半自動平衡校正系統(tǒng)。然而，銑削修正法具有效率高、易于自動化的特點，被廣泛用于小型電機自動平衡修正。本文采用這種方法來開發(fā)全自動平衡機。系統(tǒng)由三部分組成：機身、控制系統(tǒng)、上位機上的管理軟件。動平衡是旋轉產(chǎn)品生產(chǎn)中普遍存在的一個基本問題，它的優(yōu)劣將直接影響到產(chǎn)品的工作性能和使用壽命。尤其是隨著設備向高速、高效率、高精度方向發(fā)展，動平衡問題越來越嚴重，一些領域已經(jīng)成為影響整個工業(yè)生產(chǎn)質量的主要原因。例如，在汽車、電力設備等領域，隨著電動機的快速、輕量的發(fā)展，這些產(chǎn)品的振動、噪聲等性能的提高，對電機的動平衡技術的要求也隨之提高。因此，對全自動動平衡自動線中的一個關鍵部件——動平衡測試裝置進行了深入的研究。

動平衡裝置是以測量轉子轉動時的不平衡離心力為基礎，利用平衡器的支撐振動量（位移、速度、加速度或振動力），對轉子的不平衡和相位進行平面上的解析和校準，從而達到對動平衡裝置進行系統(tǒng)誤差補償?shù)哪康?。動平衡機的檢測準確度和一次不平衡下降率，既與其機械支撐系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等因素有關，還與其標定方法有很大關系。

全自動平衡機本體包括機械本體、交流電機、步進電機、銑刀和一些傳感器，在立足點、驅動、運動和檢測等方面起著重要作用。

全自動平衡機的機械基礎由轉臺、轉子床、夾具、銑削驅動和進料組成。轉子床用于放置待平衡的轉子，以進行不平衡度的測量。轉盤用于放置夾持機構，通過驅動轉子旋轉實現(xiàn)銑削操作，同時修正不平衡。銑削機構由兩部分組成，它們是銑刀旋轉和進給。銑刀的旋轉由交流變頻電機驅動，而進刀則由交流伺服電機驅動。夾持機構由液壓系統(tǒng)組成，以確保校準銑削順利進行。

控制系統(tǒng)部分由步進電機控制卡、測量卡和PLC組成。其主要功能是信號采集、不平衡提?。ǚ岛拖辔恢担?、轉速調(diào)節(jié)和控制，以及與PC 機的通信。安裝在上位機上的管理軟件負責整個系統(tǒng)運行過程中的協(xié)調(diào)、管理和維護。該軟件是用DELPHI 7開發(fā)系統(tǒng)設計的，它可以采集數(shù)據(jù)采集板后的信息，也可以發(fā)出控制指令，控制電機和液壓系統(tǒng)的動作。由于系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)采集卡只能發(fā)送一路信號脈沖，考慮到系統(tǒng)中各電機的動作不同步，為了節(jié)約成本，所以采用自制的電機控制和選擇卡。然后利用一條路的信號脈沖來控制多個交流伺服電機。

文章提到的全自動平衡機由3個交流伺服電機、1個交流變頻電機和夾持活塞組成。交流伺服電機分別驅動轉臺、轉盤旋轉和銑刀。交流變頻電機驅動銑刀旋轉；旋轉速度由數(shù)據(jù)采集卡的輸出電壓控制。液壓系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器給出的電壓信號控制，實現(xiàn)夾持和松開。當測量到不平衡時，平衡的轉子以一定的速度旋轉，旋轉臺的伺服電機處于速度控制模式，而修正旋轉臺的伺服電機處于位置控制模式，然后使平衡的轉子轉到正確位置。

2 平衡標定控制過程

2.1 控制流程

全自動平衡機控制過程的主要工作是對不平衡值的檢測和對不平衡轉子的平衡校正。整個工作過程主要由兩個階段組成：動態(tài)平衡測量階段與平衡校正階段。

在第一階段，轉子不平衡值的提取算法是成功開發(fā)該系統(tǒng)的關鍵步驟。國內(nèi)外學者已經(jīng)討論了很多提取算法，這些算法不是本文的重點。本階段采用的控制策略如下：在工件加速旋轉的過程中，繼續(xù)進行測量信號分析。當捕捉到幾個周期的穩(wěn)定信號時，可以停止旋轉的轉子。在減速過程中，其他控制命令將同時執(zhí)行。

在第二階段，建立輪廓銑削修正模型是一個非常重要的步驟，它決定了消除不平衡的精度和所用時間。本系統(tǒng)采用的是R 型輪廓銑削修正模型。

2.2 平行調(diào)度算法

在本文的全自動平衡機系統(tǒng)中，安裝在上位機上的管理軟件要不斷地與多個控制卡進行通信，及時響應多個實時請求信號，完成協(xié)調(diào)和管理工作。因此，采用什么樣的調(diào)度算法對提高系統(tǒng)的并行性和效率起著至關重要的作用。通常，有兩種設計思路：時間戳排序并發(fā)控制算法和基于輪回的算法。前者對延遲時間和公平性有很好的支持能力，但它很復雜，需要更多的系統(tǒng)資源。后者的時間復雜度為0（1），易于實現(xiàn)，但很難提供良好的短期公平性保障。在傳統(tǒng)調(diào)度算法的基礎上，綜合DRR 算法和WF2Q 算法的優(yōu)點，提出了基于序列的Round-Robin 算法，并在本系統(tǒng)中使用。之后得到了更好的公平性指數(shù)和0（1）的時間復雜度。

2.3 R型輪廓銑校正模型

轉子的不平衡值是一個矢量，通常用g.mm 表示，指的是轉子修正平面上的一個質量點乘以該點到轉子軸的距離。事實上，它應該是不平衡向量的積分?？紤]到其他因素（如粗糙和不規(guī)則的溝槽表面等），應該去除的不平衡部分不能是一個標準的拱形切片。本系統(tǒng)提出的R 型輪廓銑削矯正模型可以表示為：

式中，k是調(diào)整系數(shù)；ρ是工件的密度；L代表將被切割的拱形切片的長度；H代表深度；d代表銑刀的厚度；R是工件的半徑；X=（R-h/2）代表不平衡矢量的半徑。

根據(jù)式（1），為了得到一個合適的W值，可以改變H或L的值，因此，有兩種方法可用于控制和加工。在實際應用中，用戶可以根據(jù)工件的具體要求進行選擇，讓軟件實施適當?shù)目刂撇呗?。如果第一次的修正動作不能使工件達到平衡狀態(tài)，在第二次甚至第三次使用的銑削修正模型，就會比較復雜。

2.4 控制系統(tǒng)執(zhí)行流程

當控制系統(tǒng)運行時，首先進行初始化，然后銑刀、轉臺、液壓鉗等可以進行各自的初始位置。初始化后，主軸交流伺服電機處于速度控制模式。它將使轉子在轉速下運行，光電傳感器和壓電傳感器輸出信號，然后通過處置板由數(shù)據(jù)采集控制卡采集信號。根據(jù)測得的不平衡度，主控軟件進行解碼，得到轉子的不平衡度和需要修正的銑刀進刀量。如果轉子的不平衡度不合格，轉子將以低速運行，當達到測量零點時，轉子將停止，并使工作臺電機處于位置控制模式，并運行到起始修正位置停止。然后液壓鉗夾住轉子，控制銑刀以預設速度運行，并根據(jù)得到的進給量進給到給定的位置，然后電機帶動轉盤旋轉，銑完后，銑刀倒退并停止運行，轉盤回到初始位置，夾具松開，轉盤處于速度控制模式，再次測量不平衡，不合格的應繼續(xù)修正，而合格的則完成修正，取出轉子后進行下一次不平衡修正。

3 不平衡的測量和糾正實驗設計

3.1 測量原理

對于圓盤式轉子，只需要單一方向的平衡控制機制，轉子的零點位置是由光電傳感器確定的。鑒于壓電傳感器的系數(shù)為k，可以根據(jù)矢量系數(shù)法通過試重試驗得到系數(shù)k。

在不進行試重測量的情況下，測得的不平平衡U1為：

在式（2）中，U1是沒有測試重量的不平衡量，u1是沒有測試重量的壓電傳感器的電壓，φ1是沒有測試重量測量的轉子的不平衡相。

用測試砝碼測量不平衡量U2，其中旋轉角為r，相位為φ0：

在式（3）中，U2是用測試砝碼測量的不平衡；u2是用測試砝碼測量的壓電傳感器的電壓量；φ2是用測試砝碼測量的轉子的不平衡相。

對于不平衡是矢量，根據(jù)矢量的知識，可以從方程（2）和（3）得到方程（4）：

在式（4）中U0是測試重量的不平衡量。

在方程（5）中，ω是旋轉速度。然后我們可以通過公式（2）到（5）得到系數(shù)k。

3.2 校準原則

如果忽略銑刀切入和切出轉子的質量，那么從轉子中取出的質量M如下：

在式（7）中，M是指從轉子上去除的質量；2α是去除質量的角度；B是銑刀的寬度，ρ是轉子的密度，R和r分別是銑削前和銑削后的轉子半徑。

被移除的質量的回轉中心Ys如下所示：

由移除的質量引起的不平衡Q如下：

通過測量得到的不平衡度Q，然后可以通過公式（7）到公式（9）得到饋電量h：）

3.3 原型機測試實驗

該系統(tǒng)的原型已經(jīng)制造完成，銑削角度為70°，銑削寬度為10 mm。

設計的自動平衡機的測量數(shù)據(jù)與制造商的測試數(shù)據(jù)一致。然而，新型的原型機具有更高的精度，更好的穩(wěn)定性。這表明，該系統(tǒng)在不平衡測試上是可行的。不平衡降低率在95%以上，最小殘余不平衡率可達到0.3gmm/kg 以上，所以自動平衡機的校正是可行的。換句話說，該自動平衡機的設計思路、不平衡解碼和理論方案是正確的，原型機可以自動和順利地工作，它可以在工業(yè)中廣泛使用。

4 結束語

自動動態(tài)平衡機是一個復雜的機電一體化設備，開發(fā)這樣一個系統(tǒng)非常困難。文章介紹了全自動平衡機系統(tǒng)的組成和結構。并提供了這種結構下的系統(tǒng)控制過程。提出了R 型輪廓銑校正模型和一種并行調(diào)度算法。開發(fā)了原型機，并給出了實驗結果和分析。實驗和應用結果表明，文章提供的結構和控制策略對其他自動動態(tài)平衡機和類似項目的開發(fā)有一定的意義。不平衡信號可以通過數(shù)據(jù)采集和控制卡獲得。此外，可以通過交流伺服電機來實現(xiàn)移動。本研究中推導出的計算不平衡度和校正的方程式是正確的。自動平衡機系統(tǒng)可以很好地實現(xiàn)對不平衡轉子的動態(tài)平衡校正，不平衡減少率超過95%，最小殘留不平衡率小于0.3gmm/kg。