高速磨削在線動平衡系統硬件設計*

尹明泉 景敏卿 劉 恒 樊紅衛

(西安交通大學機械工程學院機械電子及信息系統研究所，陜西西安 710049)

現代高速數控機床普遍采用電主軸取代傳統機械主軸，因此主軸轉速可達上萬轉，甚至數十萬轉。在如此高的轉速下，電主軸的微小不平衡量，都將引起巨大的慣性離心力，進而造成機床的振動，導致工件精度和表面質量下降。因此，國內高檔數控機床一般都配有專門的動平衡系統。圖1是使用某國產數控磨床加工齒輪工件的工作現場(這里，仍采用機械主軸，工作轉速為3 000 r/min)。圖中，砂輪軸端安裝了美國許密特工業公司研制的SBS自動平衡頭。

在線自動動平衡是近些年興起并開始在工程實際中應用的智能動平衡工藝。目前，國內機床上安裝的在線動平衡裝置主要來自美國、德國和日本等廠家。就一個普通的機械式SBS動平衡頭，價格在8萬元左右，而新型的電磁式平衡頭更要大約14萬元。因此，我國必須研制具有自主知識產權的在線自動平衡裝置(含平衡頭和測控系統)，擺脫被國外產品壟斷國內市場的局面。

國內關于自動平衡頭的研究工作大概始于20世紀90年代。浙江大學汪希萱、曾勝、歐陽紅兵［1－2］，國防科技大學葛哲學、陶利民［3－4］，北京化工大學何立東、沈偉、劉錦南［5－6］，北京工業大學伍良生、楊慶坤［7－8］等人先后研究出了機械式和電磁式自動平衡頭，但都未能投入使用，尚未見一套國內自主研發的動平衡系統用于數控機床主軸。

筆者在閱讀前人文獻過程中，深刻認識到電主軸已成為數控機床的核心功能部件，尤其成為制約高檔數控機床發展的重要部件，而高轉速、高精度、大功率、高可靠性的電主軸系統儼然已成為目前發展的主要方向。作為保證電主軸高速、高精度的平衡運行監測裝置，其更是電主軸自動平衡過程中不可或缺的部分。要監測主軸的高轉速，并對這種高轉速主軸系統的不平衡振動進行主動平衡控制就需要監測系統在軟件方面實現快速計算與決策，同時在硬件方面更應該具有良好的高速性和可靠性。本文通過DSP和FPGA相結合的方式實現信號的高速采集和處理。另外，由于要實現對不平衡振動的快速、精確控制，要求在信號采集過程中盡量保證信號的高信噪比，從而更容易地提取不平衡振動特征，因此采用三級信號調理電路(信號隔離放大、可編程截止頻率濾波和阻抗匹配電路)，以保證數字轉換后信號的純凈度。因此，針對高速數控磨床砂輪—電主軸轉子系統及其對高轉速、高精度、高可靠性的要求，設計了一套實用的在線動平衡系統硬件，它包括測控系統和自動平衡頭兩部分。

1 在線動平衡測控系統硬件設計

動平衡測控系統的主要功能是完成不平衡量提取以及根據不平衡大小和方位驅動控制自動平衡頭移動。因此，測控系統的硬件設備主要包括測振傳感器、鑒相傳感器、信號調理模塊、A/D轉換模塊、DSP微處理器、FPGA模塊和D/A驅動模塊等，其相互連接關系如圖2所示。

圖中，在線動平衡測控過程為:首先，由傳感器采集到振動信號和轉速信號;經過信號調理模塊對其隔離放大、濾波等前期處理;然后，經A/D轉換，將離散數字序列存放在高速緩存區，利用可編程邏輯控制器FPGA將高速緩存區的數據傳送給DSP模塊。這些離散數據經由DSP模塊進行信號特征提取和控制算法運算，一方面通過FPGA傳給D/A模塊輸出信號進行動平衡控制，另一方面通過網絡硬件協議棧W3100A上傳至監測前端進行特征信號實時在線顯示。在如上監測裝置中，采用可編程邏輯控制器FPGA，有以下3個作用:(1)控制各器件的動作時序，使各個器件在不同時刻按規定的先后順序執行;(2)對脈沖信號進行計數，以作為主軸轉子轉速和相位計算的參考標準;(3)作為數據傳遞的中間橋梁，由于FPGA和DSP采用HPI通信，使數據傳輸更為快捷。

在動平衡測控系統中，振動信號的硬件調理(主要是放大和濾波)對整個平衡裝置的測試精度影響較大，筆者采用了如圖3所示的信號調理模塊。其中，模擬濾波器采用TLC04(可編程截止頻率低通濾波器)，其原理如圖4所示。

從圖4可知，TLC04是一個具有四階開關電容的巴特沃斯濾波器，通過改變時鐘發生器的輸出可以達到改變不同截止頻率，從而實現可編程濾波的目的。

從模擬濾波器輸出的信號經過阻抗匹配電路，可以抑制信號的反射，獲得最大功率輸出，使輸入DSP中的信號盡可能干凈。

根據以上原理，筆者設計開發的振動信號調理電路如圖5所示。

2 在線自動動平衡裝置結構設計

由于機械式自動平衡裝置結構復雜、需要特殊電動機，且平衡轉速受限。因此，筆者采用新型電磁滑環式平衡頭結構，如圖6［6，9］所示。整個平衡頭由動環和靜環兩部分組成，其中，動環是核心部件，隨主軸轉動，靜環則與機床不動部分固連。這種結構的平衡頭軸向和徑向尺寸小、機械零部件少、離合簡單，因此，理論上可用于更高轉速場合。

如圖6c，靜環是驅動機構，由線圈和鐵芯組成。線圈有兩組，每組分別控制一個配重盤。當控制器發出電壓脈沖后，線圈得電，即產生電磁場，并磁化鐵芯得到加強磁場。動環是執行機構，如圖6a和b所示，靠過盈配合裝在主軸上，隨主軸一起轉動。其內部為對稱結構，包括2個配重盤、3個磁性板(中間和兩側)、2個隔磁板、2個滾動軸承、2個端部外殼。中間磁性板居于整個動環的中心，其他部件以它為中心對稱組裝。配重盤是動環的核心構件，結構如圖7所示。

圖7中，配重盤基體由鋁或不銹鋼制成。一般是在半個圓環面上均勻加工若干個孔以提供校正質量。在整個圓環面的外緣上均勻加工若干個小孔并在孔中鑲入大小相同的釹鐵硼等永磁材料作為永磁體，兩個相鄰永磁體的磁極方向相反。配重盤和主軸之間有兩對滾動軸承，其內圈用過盈配合安裝在主軸上，外圈與配重盤的內圈過盈連接。

本文設計的平衡頭結構除了動作簡單外，平衡頭與主軸之間的離合方式也很簡單，而且在文獻［9］中已經證明是可靠的。該電磁平衡頭的鎖緊方式為磁路鎖緊，原理如下:如圖 8［10］，a、c 是穩定平衡位置，b是中間過渡位置，這3個位置構成1個最小平衡作動單元。在圖8a、c中，由磁阻最小原理，中間配重盤和兩邊磁性板能形成一個閉合回路，實現配重盤的鎖緊。

圖8中，a、c兩個平衡位置的線圈磁場方向相反，這是靠驅動電壓極性反向產生的。對線圈施加極性交替變換的電壓脈沖的目的是保證配重盤沿同一個方向連續運動。

3 結語

(1)提出了機床主軸在線動平衡測控系統的硬件設計方案，并對不平衡振動信號的調理電路進行了詳細設計。

(2)提出了電磁平衡頭的基本結構，討論了各組成部件的材料、形式和裝配關系等，建立了該平衡頭的三維模型。

(3)本文所設計的在線動平衡系統以“DSP+FPGA”為測控核心，以無需外加離合器的電磁平衡頭為執行器，為旋轉機械在線動平衡系統的國產化提供了一條可行的技術途徑。

［1］歐陽紅兵，汪希萱.兩種新型電磁式在線自動平衡頭［J］.工藝裝備，2002，40(455):47 －48.

［2］汪希萱，曾勝.電磁式在線自動平衡系統及其動平衡方法研究［J］.熱能動力工程，2003，18(103):53 －57.

［3］葛哲學，陶利民.新型電磁式自動平衡裝置的研究［J］.機械，2001，28(6):62－64.

［4］葛哲學.剛性轉子自動平衡系統研究［D］.長沙:國防科技大學，2002.

［5］沈偉，何立東，高金吉.應用電磁式主動平衡裝置解決煙氣輪機轉子振動問題的研究［J］.煉油技術與工程，2005，35(11):25 －29.

［6］劉錦南.電磁式自動平衡系統的實驗研究及其在超重力機中的應用［D］.北京:北京化工大學，2006:17－36.

［7］楊慶坤.高速主軸在線動平衡裝置的設計與研究［D］.北京:北京工業大學，2006.

［8］伍良生，賀江波，張云禧，等.高速主軸在線動平衡機構驅動器設計［J］.北京工業大學學報，2007，33(12):1233 －1238.

［9］沈偉.旋轉機械主動平衡技術及工程應用的研究［D］.北京:北京化工大學，2006:21 －60.

［10］Moon Jong Duk，Kim Bong－Suk，Lee Soo－Hun.Development of the active balancing device for high－speed spindle system using influence coefficients［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46(9):978 －987.