多工位全自動動平衡機開發*

劉 健 肖文生

(中國石油大學(華東)機電工程學院，山東東營257061)

動平衡是旋轉類產品生產、制造過程中必須解決的一個基本的共性問題，其優劣程度直接決定產品的工作性能、使用壽命，對產品的質量產生巨大的影響。如在汽車和電動工具等行業，其電機向高速化和輕量化發展，對此類產品的振動、噪聲等性能要求也越來越高，相應的電機轉子對動平衡技術也提出了更苛刻的要求。國內電機制造廠的轉子動平衡，除了少數廠引進國外全自動動平衡外，大多數廠仍為手工去重。手工去重一般需去重4～5次，不僅生產效率低、校正質量差，而且對轉子的破壞大。單是操作人員經驗所引起的重量偏差就達10%～50%，對轉子電氣性能的削弱造成電機性能退化，不能滿足高效生產優質電機的需要［1］。因此研制、開發高精度、高效率、自動化的動平衡機成為必要。

1 總體方案

動平衡校正工藝主要有測量、校正、檢驗三道工序，為實現全自動，通常還需自動傳送、分揀等輔助工藝。

多工位全自動動平衡機因校正工藝被分為幾道工序并行、同步進行，極大提高了平衡校正效率;另外將任務分解，在不同的工位并行處理，降低系統的集成度和復雜度，提高可靠性，容易實現模塊化。典型的多工位全自動動平衡采用六工位，主要由準備工位、測量工位、第一面去重工位、第二面轉相工位、第二面去重工位、檢驗工位以及旋轉機械手傳送裝置、輸送裝置、控制系統和輔助系統等組成［2］，如圖1所示。

兩工位全自動動平衡機布局方案如圖2所示，由動平衡測量、校正兩個工位及機械手傳送裝置等組成。測量工位的功能為測量轉子兩校正面上的不平衡量的大小和相位，并將轉子停止于其中一校正面不平衡量的相位上(使轉子該校正面上的不平衡量方位垂直向下);校正工位的功能為轉子兩校正平面上不平衡量的校正;機械手傳送裝置負責測量和校正兩工位上轉子的傳送。其工作過程為:測量、校正兩工位并行處理，測量工位任務完成的轉子傳送給校正工位進行去重，同時校正工位任務完成的轉子傳送給測量工位進行檢測，符合平衡要求，則取下，換入新轉子。否則再由機械手傳送到校正工位進行二次去重，超過三次還不滿足要求，即判廢，換入新轉子。如此循環進行。

2 主要單元模塊

2.1 測量單元

測量單元的主要功能為轉子的不平衡量的測量，通過利用一定的驅動設備帶動待測轉子運轉，使其處于易于表征自身不平衡特征的狀態中，這些動平衡特征信息通過支承傳遞到傳感器上，由其轉換為電量信號，并經調理、采集和分析處理完成對不平衡量幅值和相位的確定。除此以外，為配合自動校正，還需在測量結束時，將轉子快速、準確地停在第一校正面的相位上。如圖3為測量單元結構示意圖。

衡量測量單元主要性能指標有最小可達剩余不平衡量、不平衡量減少率，前者主要取決于支承傳感的分辨率和測量系統消除干擾的能力，后者主要取決于系統標定及誤差的補償。

另外，結束測量的工件必須盡量快速、精確地停留在第一校正面的相位上，因此定相所需時間長短對系統的效率影響很大。在使用下切式圈帶(如圖4)制動工件時，要想使工件與圈帶不滑動而使其停止，圈帶的減速不能過快，否則圈帶和工件之間就會出現滑動。這樣，工件停止就需要較長時間，對于節拍較快的情況不適合。采用如圖5所示的雙切式圈帶驅動形式，加大驅動帶摩擦力，控制采用防抱死控制策略，從結構設計和控制策略上保證快速定相［2］。

2.2 校正單元

去重單元和轉相單元總稱為校正單元。對校正單元來說，一次不平衡去重率、調整方便性是評價校正單元的主要評價指標。一次不平衡去重率是指校正轉子經過一次校正循環后，所能去除的不平衡量與校正前不平衡量的比值，取決于去重建模的精度、刀具進給定位精度、轉相機構的精度及測量的精度等;調整方便性是指當平衡工件變化后機器重新調整是否方便、迅速。

2.2.1 去重單元

去重單元要求去除轉子不平衡量的銑削動力頭應具有兩維進給能力。采用步進電動機、滾珠絲杠作為驅動機構，利用光電編碼器對步進電動機進行半閉環控制，實現銑削動力頭的二維(銑削長度和深度)進給，達到較高的定位精度，同時又具有很大的價格優勢。刀具由高速旋轉的主軸電動機驅動。去重單元的銑削動力頭結構如圖6所示。

由于動平衡去重單元的精度要求很高，需要采用多種方法進行誤差綜合補償。首先采用避免誤差的方法，在去重單元的結構設計中，采用合理的結構，使刀具的變形盡可能小。在加工制造過程中，關鍵的部件采用高精度的加工技術和裝配工藝，主軸要進行動平衡。另外設計了刀具接觸傳感系統，實現對刀具的高精度自動定位，避免由于轉子(相同類型)直徑變化及刀具磨損引起的誤差，并減少由于轉子類型變化對刀的調整時間。

除此以外，去重單元還有夾緊定位部分，為了使測量、加工的基準一致，采用轉子外圓和軸端共同定位。具體實現用V型定位塊約束4個自由度，軸向定位壓頭約束一個自由度，由于銑削力不會導致工件轉動，對轉動自由度不予約束(壓緊后產生摩擦力足以保證轉子不會轉動)，工件夾緊、定位裝置采用氣動系統。

2.2.2 轉相單元

轉相單元的功能為校正面不平衡量位置的準確定位，是動平衡校正精度的關鍵之一。采用步進電動機通過同步帶傳動減速，再帶動旋轉夾持機械手完成轉子校正面不平衡量位置的定位。轉相單元結構如圖7所示。

2.3 機械手傳送單元

機械手傳送單元的功能為不同工位間工件的傳送。采用氣動方案實現低成本。該單元由一只升降氣缸，一只擺動氣缸(或旋轉、升降組合式氣缸)和若干個氣爪及手臂、升降/旋轉托盤組合完成傳送任務。采用旋轉式傳送路徑，布置緊湊，占地空間小。安裝方式可采用上置式(整個單元在頂部固定)或下置式(在底部固定)。如圖8所示為兩工位機械手傳送裝置的示意圖。

根據不同工位的需要(工位數變化時)，機械手傳送裝置只需改變升降/旋轉托盤的結構及添加相應的機械手臂、氣爪個數，如圖9和10所示;工位數不變，校正轉子尺寸結構變化(在一定的范圍內)時，只需改變機械手手指結構尺寸，或同時改變氣爪型號，氣爪的規格應與被校正轉子配套，根據校正轉子的質量和轉子鐵芯外徑選擇。

機械手傳送裝置要求:轉動慣量較小，運動靈活，定位精確。在轉子結構允許的條件下，應盡量減小傳輸單元機械手臂的長度，縮短不同工位間轉子傳送路程，提高傳送效率，同時減小轉動慣量。手臂盡量采用輕質材料，減小機械手傳送裝置的慣性沖擊，提高定位精度。

提高氣動機械手的到位精度，避免回彈措施:①調整旋轉氣缸定位塊處于準確的角度位置上;②采用液壓緩沖裝置;③減小旋轉機械手的轉動慣量;④保證進氣壓力穩定，進氣壓力和旋轉氣缸進出口節流閥要調節合適(進氣壓力和旋轉氣缸進出口節流閥的開度要匹配)。這些措施可使機械手旋轉平穩，避免沖擊，避免機械手到位后發生回彈或到位不夠的現象。

除此之外，系統為了保證轉子固定位置的一致性，減小由于軸向位移所帶來的校正誤差，系統應有轉子軸向推動定位機構。

3 樣機實例

開發的兩工位自動動平衡機產品樣機如圖11所示，圖12為校正平衡后的轉子。

參照國標GB4201－84通用臥式平衡機校驗法［3］，對該機進行性能測試，達到了以下技術指標:最小可達剩余不平衡量e0的0.2 g·mm/kg;不平衡減少率URR為95%;一次不平衡去重率為89.6%;單件平衡時間為15～20 s。

4 結語

該平衡機已成功應用于永康市多家電動工具生產企業的轉子動平衡生產中，實現了轉子平衡生產、質量管理一體化，確保了產品的一致性和穩定性，取得了良好的經濟與社會效益。

全自動動平衡機涉及到精密機械與以微電子為主導的多種新興技術融合的綜合性高新技術，是一種機電一體化的復雜技術。全自動動平衡機關鍵技術的研究及其產業化的成功，推動了我國動平衡行業的技術進步，減少全自動動平衡機對國外的依賴，節省國家外匯。也會推動相關行業如電機、電動工具以及汽車、摩托車等行業的技術革新，尤其是為這些行業在國際市場的競爭提供了強有力的支持手段。

［1］華自強，陳艾青.PDX2－1型轉子動平衡自動去重機［J］.電動工具，1998(2):16 －20.

［2］劉健.多工位全自動動平衡機設計方法及關鍵技術研究［D］.杭州:浙江大學，2005.

［3］GB4201—84，通用臥式平衡機校驗法［S］.