偏心軸加工工藝研究

郭光 江西水利職業(yè)學院

偏心軸為移動刀提供振蕩運動，并因其有效性能，耐腐蝕性，可靠性，長期使用等特點而廣受贊譽。 縮短制造周期時間并實現(xiàn)高質(zhì)量的操作夾具設(shè)計非常重要。偏心軸加工工藝對加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和產(chǎn)品成本具有直接影響。

1. 偏心軸的作用

偏心軸是軋花機的重要組成部分之一。 偏心軸是圓形或凸輪形盤，牢固地固定在旋轉(zhuǎn)軸上，其中心偏離軸的中心。這在軋花操作中起著重要作用。這些軸為移動刀提供振蕩運動或動作。對參數(shù)連桿的檢查表明，偏心軸壽命取決于作用在偏心軸上的載荷，其幾何形狀，冶金特性和磨損。通過使用優(yōu)質(zhì)的原材料，先進的方法設(shè)計和制造偏心軸，可以提高生產(chǎn)率和高質(zhì)量的操作。與曲軸相比，偏心軸提供更大的強度和支撐軸承更靠近驅(qū)動點。

偏心軸的特點如下：（1）隨著偏心距離的增大，作用在電機上的扭矩增大，導(dǎo)致力條件差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；（2）偏心軸通常具有偏心距離小的特點，因此只能提供小的位移。偏心軸是重要的元素，在軋花操作中起著重要作用。在偏心軸的設(shè)計和開發(fā)中，常見原料為合金鋼，其成分為Fe（98.5%），Al（0.5%），C（0.5%）和 Mo（0.5%）。

2. 工作原理

步進電機的主軸由磁化驅(qū)動，然后由偏心軸驅(qū)動。其中集成到電主軸中，以偏心距離e作為半徑旋轉(zhuǎn)。由于偏心軸設(shè)計偏心距小，驅(qū)動活塞與氣缸之間的摩擦力矩非常小，摩擦損失小，系統(tǒng)傳動效率高。

滾針軸承帶動驅(qū)動活塞上下移動，軸承的引入是為了減少偏心軸和從動活塞之間的摩擦。 當從動活塞向下移動時，下腔內(nèi)的油通過輸出活塞上的回流孔流入上腔，因此兩腔內(nèi)的壓力相等; 回流孔的實際功能是形成內(nèi)部差分電路。

一種模型參考T-S模糊跟蹤控制器，T-S跟蹤控制器和模型參考自適應(yīng)控制器的混合結(jié)構(gòu)，用于非線性偏心機構(gòu)。為了解決這個非線性系統(tǒng)，運動控制系統(tǒng)可以顯著減少不同運動條件下的位置和速度跟蹤誤差。

繞組函數(shù)理論顯示了偏心故障對電動機電感的影響，并且使用非對稱氣隙函數(shù)進行仿真。偏心故障是定子和轉(zhuǎn)子之間氣隙不等的條件。當最小徑向氣隙長度的位置固定在空間中時，它被稱為靜態(tài)氣隙偏心。在動態(tài)偏心的情況下，轉(zhuǎn)子的中心不在旋轉(zhuǎn)中心，因此最小氣隙的位置隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在實踐中，允許氣隙偏心率高達10%。為了模擬偏心故障，在與軸連接的盤的一側(cè)附加了重物。對所有特征進行歸一化以排除轉(zhuǎn)子速度和負載，以便獲得不同條件下的可比數(shù)據(jù)。靜態(tài)和動態(tài)偏心率往往存在于實踐中。偏心模型用于模擬偏心故障的影響。

3. 偏心軸加工工藝

3.1 振動控制

在控制設(shè)計的情況下，剛性轉(zhuǎn)子的速度調(diào)節(jié)是一個簡單的過程。即使對于在重力場中旋轉(zhuǎn)的不平衡轉(zhuǎn)子，也可以通過明確地補償重力擾動來實現(xiàn)精確的速度控制，或者通過諸如滑動模式控制的高權(quán)限控制器來實現(xiàn)。然而，對于具有柔性軸的偏心轉(zhuǎn)子，速度調(diào)節(jié)成為一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因為執(zhí)行器既不與輸出并置，也不與來自重力的時變扭矩相配合。這是一個實際問題，因為連接旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的軸通常具有一定程度的柔性，如果沒有適當?shù)亟鉀Q，這將限制操作速度和可實現(xiàn)的精度。編碼器可用于記錄有效載荷的運動以進行評估；它不向控制器提供反饋信號。進行數(shù)值模擬和實時實驗以評估控制系統(tǒng)的性能。

3.2 電機與軸偏心連接

無刷型永磁電機特別適用于防抱死制動系統(tǒng)（ABS）中的泵。由于軸上的偏心連接，在安全運行模式下，需要保持電動機扭矩的最小值始終高于最大負載扭矩。這種解決方案至少有兩個缺點。首先，電機尺寸過大。電機轉(zhuǎn)矩的平均值遠高于平均負載轉(zhuǎn)矩。第二個問題是由電動機的低速引起的。電機轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩之間的差異在電機的一圈內(nèi)發(fā)生變化。對于最大負載轉(zhuǎn)矩，電機僅提供略高于所需值的轉(zhuǎn)矩。相反，負載轉(zhuǎn)矩等于零，負載和電動機之間的轉(zhuǎn)矩差異很大。它會導(dǎo)致速度波動，尤其是在低范圍內(nèi)。速度波動又會在系統(tǒng)中產(chǎn)生額外的噪音。三相無刷電機也出現(xiàn)類似的波形。

3.3 偏心槳設(shè)計

偏心槳在陸地和水上存在幾種運動模式。其中，有輪式和劃槳等集中最常見的運動模式。通常，這幾種運動可以通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實現(xiàn)。所以這里出現(xiàn)的問題是，是否有可能在一個機制內(nèi)執(zhí)行輪式和劃槳步態(tài)。

通過使用偏心槳機構(gòu)，機器人可以在陸地上進行輪式行走以及水中的水上劃槳步態(tài)。從殼體突出的每個槳葉外表面將在劃槳運動期間用作控制表面并且在運動期間提供動力。這種新穎的設(shè)計為所提出的機器人帶來了一定的優(yōu)勢。首先，通過使用偏心槳機構(gòu)，機器人可以在陸地和水中使用相同的運動機制。在陸地上，槳葉起到輪子的作用。在水中，槳葉的突出區(qū)域用作控制表面以獲得推力。通過改變槳葉軸的位置，可以簡單地實現(xiàn)步態(tài)過渡。其次，槳葉的伸出和收縮行為是主動致動的。它使機器人比傳統(tǒng)的輪式車輛具有更高的機動性。例如，通過突出其槳葉，機器人可以穿過崎嶇地形。在平坦的地形上，槳可以縮回，作為輪子滾動。在水中運動時，機器人通過調(diào)整控制面的方向和大小來產(chǎn)生矢量推力。

3.4 曲軸扭矩平衡

曲軸等不規(guī)則形狀的工件，車床的主軸系統(tǒng)難以在所需的恒轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，因為重力不平衡扭矩產(chǎn)生于 工件的偏心不平衡重量。對于這種情況，重力不平衡扭矩可能由三個原因引起：軸頸不平衡，曲柄銷不平衡和軸頸未對準。

為了保持恒定的運行速度以抵抗不規(guī)則的不平衡扭矩，通常除了主驅(qū)動電機之外還使用控制電機。然而，由控制電動機產(chǎn)生的靜態(tài)預(yù)轉(zhuǎn)矩是不平衡轉(zhuǎn)矩的一半，因此它可以補償工件的不平衡轉(zhuǎn)矩的至少一半。主軸的轉(zhuǎn)速變化或扭轉(zhuǎn)振動可能對加工精度造成不良影響。

3.5 調(diào)整和驗證氣隙不對稱性

在真實的機器上精確測量以及調(diào)整轉(zhuǎn)子偏心是非常具有挑戰(zhàn)性的，因為在感應(yīng)電機中存在幾種可能的氣隙不對稱源，最終導(dǎo)致固有的靜態(tài)和動態(tài)偏心。參考系的原點定義了定子疊片的中心。從旋轉(zhuǎn)軸到虛線圓的距離給出了在相應(yīng)方向上產(chǎn)生的氣隙。從復(fù)平面的中心開始，黑相（表示為定子外殼+層壓）定義了所識別的固有偏心率的大小和位置。該階段的終點是使用兩個偏心套筒的所選布置的起點。因此，改變兩個套筒的角度取向可以將得到的偏心率（紅色相位）調(diào)節(jié)到任何幅度以及氣隙長度內(nèi)的方向。固有偏心度（定子外殼+層壓）的相位通常在機器的兩側(cè)具有不同的大小和方向。

有四種可能的位置來通過殼體中的孔光學地測量氣隙。為了檢測氣隙長度，必須在機器內(nèi)部實現(xiàn)適當?shù)恼彰?。為了研究感?yīng)電機參考氣隙不對稱性的特性，有必要考慮整個機械裝置的上述非理想特性。必須確定機器制造中的公差以及偏心套筒。這種耗時的過程對于提供準確可靠的測量結(jié)果是必要的。測量機器每側(cè)沿圓周的四個不同位置處的氣隙長度，可以達到幾十μm的精度。除了使用數(shù)碼相機測量氣隙長度外，還可以在機器的每一側(cè)放置兩組激光傳感器來測量軸的位置。

4. 結(jié)語

由于偏心軸設(shè)計偏心距小，摩擦力矩非常小，導(dǎo)致摩擦損失小，系統(tǒng)效率高。由于軸上的偏心連接，泵的特征在于軸的一圈上的負載扭矩的變化。偏心質(zhì)量的轉(zhuǎn)速改變主軸的振動可能會對機器精度產(chǎn)生不良影響。偏心軸的正確設(shè)計和良好的加工工藝可以減少振動，最終使操作無噪音和平穩(wěn)，提高了效率和加工的質(zhì)量。