針對高轉速、大尺寸數控轉臺不平衡信號的提取與實現

李文慶 劉俊武 郝天陽 湯洪濤

（科德數控股份有限公司，遼寧 大連116600）

數控轉臺是機床的重要部件，其性能對機床的性能和壽命影響很大。當旋轉物體質量不對稱、加工制造過程中有誤差、整體裝配或安裝不精確、使用過程中產生形變等，回轉部件對支撐軸承的壓力隨轉子轉動而發生變化，此時即產生了不平衡量[1]，從而造成機床噪聲與振動，影響機床的加工質量與效率。尤其是對于立式車銑復合加工中心來說，由于需要進行高速的車削做業，對轉臺的最小不平衡量有較高要求；對于大尺寸的數控加工中心，由于轉臺的直徑大，轉速增加后轉臺的線速度非常大，這對現場操作工人都有一定危險性。與此同時，只有當旋轉機械部分處于最理想的平衡狀態時才可能使工件的加工質量保持一致并且達到較高的標準。而在線動平衡裝置可以使不平衡引起的機床振動控制在要求的精度范圍內，對提高機床的整體性能、延長使用壽命等具有重要意義。但是對于目前的高檔數控機床行業來說，可以方便集成的動平衡檢測產品少之又少，大部分都依賴進口，價格昂貴。對于動平衡檢測領域，大多數產品主要集中于磨床的砂輪動平衡檢測，機械轉子的動平衡檢測，在轉速、工作頻率、剩余不平衡量等關鍵指標上并不適用于數控轉臺。總的來說，目前國內開發的現場動平衡檢測系統主要面向特定企業，針對特定類型的產品，功能單一；一次平衡實驗精度不高，一般要進行多次平衡才能達到高精度。因此對于立式車銑復合加工中心來說，亟需一種高精度、多功能且對原有結構影響小、沖擊小，成本低，易于集成的動平衡在線檢測系統。

1 動平衡分析方法——影響系數法

數控轉臺動平衡的目的是經過一系列測試，確定不平衡量的大小和方向，然后通過改變轉臺四周質量塊的分布來將不平衡量抵消或者減小。對于該類的測試來說，轉子——支撐系統可以認為是一個單入單出的線性系統[2]，不平衡量和振動響應成線性關系。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，然后求出被測對象不平衡量的大小和位置，此類方法即稱為影響系數法。

圖1 轉臺輸入/輸出系統框圖

振動響應Y(t)是不平衡量U(t)的振動響應，則U(t)和Y(t)的關系：

對上式進行傅里葉變換，得到系統的頻率響應：

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

測量流程：

（1）采集轉臺轉速信號和轉臺振動信號。

（2）獲取原始振動信號的大小和相位。

（3）加試重塊，提取振動信號的大小和相位。

（4）計算轉臺不平衡量的大小和相位。

動平衡測量系統框圖如圖2。

2 軟件控制流程（圖3）

首先，如果試初次測量，則要先用影響系數法求出系統的影響系數。其次，計算系統初始不平衡量，得到初始不平衡量的大小和相位。最后，調整轉臺質量塊，質量塊的移動方式有直角坐標式、極坐標式、混合坐標移動方式等幾種[3,4]，重新測量系統不平衡量，直到達到要求標準為止。

圖2 動平衡測試系統硬件組成

圖3 動平衡檢測軟件流程圖

3 振動信號提取

不平衡量信號及其特征參數的提取是在線動平衡測試系統的核心問題，特征信號的提取精度將直接影響測量精度和平衡精度[5]。由于DFT 等分析方法都要求對信號進行整周期的提取，傳統方法是先根據轉速計算出轉臺的周期，然后作為采樣間隔，觸發AD 轉換。該種方式由于并不同步的原因，導致誤差較大。本文采用將轉速信號直接倍頻，觸發采樣的方式提高的AD轉換精度，同時滿足整周期采樣的要求[6]。綜上，對于轉速信號，主要是對接近開關的信號進行處理，包括整形、變壓、鎖相、倍頻。速度傳感器采用接近開關。對于振動信號，也即加速度信號的提取，由于電荷類型加速度傳感器輸出信號較弱，故需要電荷轉電壓電路，實際中也可以選擇內部集成放大電路的電壓型輸出的加速度傳感器。對于初始的電壓信號，需要放大和限幅電路。對于濾波器的選擇，可以選擇二階低通濾波器、級聯積分器、精密全部整流電路的組合，已經滿足工作轉速內的振動信號的處理；當然，也可以考慮實現更為方便的，中心帶通濾波器或者跟蹤濾波器等集成濾波器方案。

轉速信號作為AD 采樣以及諸多軟件處理流程的觸發源，同時還用做相位標準信號，輸入至ADC 和微處理器，完成最后的采樣處理環節。

4 結論

目前立式車銑復合加工中心必須配備動平衡檢測裝置，以保證在高速車削狀態下旋轉機械部分處于理想狀態。目前應用瓶頸在于國內沒有可以較好的集成到數控系統內的動平衡檢測裝置，僅能依靠國外個別廠家，并且價格昂貴；同時對于大半徑轉臺，動平衡轉速范圍過高，轉臺線速度過大，不方便現場工程應用操作。針對該問題，構建了以ARM 為核心的不平衡信號檢測系統，采用加速度傳感器測量振動信號，接近開關測量數控轉臺的轉速信號。分析了對于剛性轉子單面影響系數法的測量原理和測量實現，并針對轉速信號、加速度信號給出了處理方案和硬件實現。結合實際應用給出了測量結果，實際實驗應用表明，該方法能夠準確測量不平衡量的大小和相位，該測量方法和以該方法為基礎的在線動平衡檢測模塊，已經廣泛應用在立式車銑復合加工中心類高檔機床上，它的特點是成本低、可集成、精度高，轉速可以在較大范圍滿足動平衡檢測的需要。