靜態平衡儀—基于高精度圓測偏移研究

鄭仲深++伍嘉華++陳漢森++陳奕方++張家欽

摘 要：本文概述模擬圓做高速旋轉運動時所產生的抖動結合后臺算法運算的情況，此操作過于復雜且占用工時長（30s～1min）功效不高，不利于制造業的快速增長。通過調查發現：運用以圓形物體為軸心做高速運轉的工業產品無處不在，但是低精度，不規則的產品現象會導致一系列嚴重問題。因此提出：本產品為高精度圓偏差靜態平衡測量，適用于大部分繞軸做高速旋轉運動的圓體，通過鑲嵌于設備上多點分布的壓力傳感器產生一定頻率的震動從而使圓體產生共振，傳感器反饋數據經后臺算法分析后，得出圓重心的偏移量數據，其速度反應能力之快（0.01s）將能大大整塊產業產值的增加。

關鍵詞：高精度圓偏差靜態平衡測量；壓力傳感器；靜平衡

中圖分類號：R161 文獻標識碼：A

汽車車輪在日常的使用過程中，一旦車輪精度低、車輪偏重，容易使汽車產生輪胎擺動、跳動，失去控制，并且會改變底盤鋼性、結構，更會影響到人們的生命安全。還有如工業砂輪切割片在高速運轉的過程中，一旦偏重嚴重，砂輪片就會在實踐切割中砂輪破裂飛出，從而導致嚴重的后果。本文的主角：高精度圓測偏移則可以完美的解決這一問題。

一、概況

高精度圓測偏移可以運用在各個領域：日常生活方面可以運用于車輛輪胎圓精度的檢測，特別運用于貨車，由于長時間的運載重量貨物，高精度的偏差平衡測量可大大提高輪胎的平衡質量，改變底盤鋼性、結構等，提升汽車的安全性能；工業領域方面可以運用于工業砂輪切割片圓精度的測驗，高精度圓測偏移的作用是解決工作運行中如混合料分布不均，行位公差及靜平衡超差等問題，從而提高產品生產的質量及效率，能大大增加產業產值。本技術基于多點分布壓力傳感器的靜平衡原理，可做成一系列高精度圓測偏移的靜態平衡儀設備，可應用的范圍非常廣泛。

二、產品特點

1.生活方面：高精度圓偏差靜態平衡測量適用于汽車輪胎等日常大部分繞軸做高速旋轉運動的圓體，高精度的偏差平衡測量可大大提高輪胎的平衡質量，改善汽車行駛的平順性，改變底盤鋼性、結構并提高零部件的使用壽命等，提升汽車的安全性能，大大減少交通事故的發生。由此看來，車輪的平衡問題將會讓人們越來越重視。

2.工業方面：大部分工業企業所需要用到的砂輪，總會在不經意間受損，比如在搬運過程中，不小心與其他物體相碰，或者稍有不穩掉落地板。而且砂輪是有它特定的規格和一定的存放期限，砂輪一定要在特定的期限內被使用，否則，將要視為過期處理。過期了的砂輪外表面會有所損壞，如果不能處理掉過期的砂輪，它的不平衡現象而造成的微頻振動，將會影響被磨損物體的質量和機床的使用壽命，特別是高速旋轉的時候，如果不想辦法解決這種問題，將會大大提高工業企業對制造工程的成本。工業砂輪切割片高速旋轉切割時，如果砂輪不平衡，就會產生偏心力，造成磨削狀況很差，這種偏心力對于外徑尺寸較大的砂輪來說將是一個很嚴重的問題。若砂輪偏重嚴重，會在實踐切割中砂輪破裂飛出，危險程度極大。而且，砂輪不平衡產生的振動，在切割過程中也會產生很大的噪音，而且會使磨具磨損快，不僅圓度無法保證，連工件的表面也會變得非常粗糙。高精度的偏差平衡測量能精確測量出圓形物體的重量偏差，解決工作運行中如混合材料分布不均，行位公差及靜平衡超差等問題，提高產品生產的質量及效率，能大大增加產業產值。

3.動平衡與靜平衡的比較

控制旋轉物體的平衡需要通過兩種方式實現：測量和校正。動態平衡機通過對被測物體的衡量，借助其他輔助工具比如轉床，點焊機等將被測物體不平衡的地方校正，或者通過手動完成。但實際操作起來還需看工作人員的技術和責任心，當顯示儀器上顯示0，說明被測物體以及達到平衡狀態。雖然不需要自己動手，但是做動平衡的過程中，工作人員還是不可以離開工作崗位，要檢查數據的顯示是否為零，防止出現不必要的過失。雖然大部分品牌輪胎服務站都有提供動態平衡這樣的快修服務，但是在價格方面，不同材質的被測物體價格也會有所不同，便宜的和貴的車輪維修費差距也比較大。而高精度圓靜態平衡儀是通過分布在儀器上的多點傳感器，以一定頻率振動，讓圓體產生共振，以多點壓力傳感的形變量通過電感電流的形式測出圓體半徑，角度，得出圓重心的偏移量數據，其速度反應能力快至0.01s，如果結合新技術進一步發展，添加機械臂則可代替人工，在汽車輪胎檢測以及工業砂輪等零件測試方面，能大大提升檢測質量與效率，增加產業產值。

三、產品技術要點

1.本產品為高精度圓偏差平衡測量，多點分布壓力傳感器是在測試技術中是關鍵部件之一。

通過布置在設備上3個壓力傳感器，以一定頻率產生震動使圓體產生共振，多點分布的壓力傳感把共振接收下來并轉換生成對應的電信號。外部細微的形變都能通過輸出的電量來表達，同時，傳感器反饋回來的數據會通過一個數字稱重模塊的數據封裝打包，發送到PLC端口。PLC通過算法優化和反饋回來的電信號來計算出偏重結果，并在測量設備的顯示屏中顯示偏差結果。

2.因材質、形狀的不確定性，影響設備平臺的承受能力和通過性，這問題需要根據產品的特性和規模進行相應調整和后期長時間的調研實踐和優化算法。同時，不同材質的產品也需要使用不同傳感器的設備配置，最終才能完美適配。

四、質量要求

高精度圓偏差測量儀屬于高精度設備，它的制作過程復雜，而且對高級控制器的要求也非常高。同時，它也容易受到電磁的干擾，這很有可能在實際應用上產生各種報錯問題從而影響用戶的體驗。為了防止以上問題的出現，在產品外觀設計上要使用金屬材料，其好處有：（1）形成金屬屏蔽罩阻礙外界電磁脈沖對設備內部敏感電子元器的干擾；（2）金屬外殼能在工業級使用強度高的情況下延長硬件使用壽命。在內部硬件設計上，LED數字控制模組、數字稱重模塊和PLC可編程邏輯控制器均為高精度用點設備，所以內部細微的電流波動都有可能給用電器帶來干擾，所以在內部設計上我們要分開布置，在關鍵零件上要放置金屬屏蔽網，另外PLC可編程邏輯控制器需為工業級的微型計算機，但是它對電源的要求極高，電源需要獨立設計與擺放，在電源內部交流直流轉換、多級降壓線圈等易產生交變電場的模塊需要放置金屬屏蔽網，防止電場對PLC的干擾。如今工業企業生產面臨多種問題，更需要運用操作更方便靈活的壓力傳感器，因此，壓力傳感器也有其精度要求，使用被測量物體不得超過壓力傳感器的使用量程，根據敏感度的要求理論上被測物體不能輕于5g，實際上我們可以根據實際操作降低稱量質量限制從而提高敏感度，同時我們會根據壓力傳感器物理最大接受量程來設置機器的最大接受量程（機器最大接受量程<壓力傳感器最大物理接受量程），另外我們會在壓力傳感器上設計一個鎖止結構防止壓力傳感器過載從而保護傳感器。

結語

靜態平衡儀的出現，不僅能有效地檢查出各種圓型產品的質量偏差，重心偏差等類型的問題，使得產品各指標的偏差值浮動范圍縮小，而且，該儀器的運行速度之快能有效高效地提高產品最后一道工序——檢測效率。特別值得一提的是，因為效率的提高呈指數形式上升，利用機器一體化完成產品的檢測就可以省去人工檢測，這樣就能節約了冗雜的人工費用和避免了工人身體出現問題。當然，這是靜態平衡儀1.0，只能按照固定的框架和大小來測量某些特定的東西，接下來我們會繼續研發靜態平衡儀N+代，不斷完善測量需求，以及增加測量范圍。

參考文獻

[1][1]孟偉.談車輪平衡儀的結構[J].黑龍江科技信息，2012（25） ：2-2.

[2]梁祥，范振江，張永軍.新型壓力傳感器的應用研究[J].工業，2016（8）：285-287.endprint