關(guān)于高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡檢測(cè)及調(diào)整方法的研究

孫宏偉

(科德數(shù)控股份有限公司，遼寧 大連116100)

高速直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)是車銑復(fù)合加工中心中非常重要的功能部件，高速轉(zhuǎn)臺(tái)在車削加工中的振動(dòng)情況，直接影響數(shù)控機(jī)床加工零件的精度及機(jī)床使用壽命。高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生動(dòng)不平衡現(xiàn)象通常有以下幾部分原因：當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)空載時(shí)，可能存在轉(zhuǎn)臺(tái)本體轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不對(duì)稱、轉(zhuǎn)臺(tái)生產(chǎn)制造過程中零件加工誤差和裝配誤差等；當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)在使用過程中，可能存在被加工件質(zhì)量不對(duì)稱、工裝夾具設(shè)計(jì)不對(duì)稱等情況。轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生的動(dòng)不平衡將引起數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的振動(dòng)，進(jìn)而引起數(shù)控機(jī)床的噪聲過大，軸承壽命的降低等現(xiàn)象。因此高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)通過動(dòng)平衡檢測(cè)并進(jìn)行質(zhì)量調(diào)整之后，使其回轉(zhuǎn)軸線與慣性軸線重合，去除了不平衡力，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)平衡。本文對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡的計(jì)算方法、檢測(cè)方法和調(diào)整方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述，對(duì)高速直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡理論

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)部分稱其為轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)子部分，轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)不平衡即為轉(zhuǎn)子不平衡[3]。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均使其中心主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不重合而產(chǎn)生離心力引起轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，即稱為轉(zhuǎn)子不平衡。轉(zhuǎn)子不平衡的類型分為：靜態(tài)不平衡、力偶不平衡、準(zhǔn)靜不平衡和動(dòng)態(tài)不平衡。動(dòng)態(tài)不平衡是由靜態(tài)不平衡和力偶不平衡相疊加而成。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)子可以將其看作由多個(gè)沿軸向的圓盤面組成，如圖1a。一個(gè)質(zhì)量分布均勻的圓盤，其重心正好在旋轉(zhuǎn)軸線上，旋轉(zhuǎn)時(shí)各方向的離心力大小相等，其合力為0，此時(shí)不會(huì)產(chǎn)生離心力，轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)，如圖1b所示。當(dāng)圓盤質(zhì)量不均勻，圓盤的重心O1與回轉(zhuǎn)中心O之間存在一個(gè)偏心距r，圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)各方向的離心力大小不相等，合力不為0，見圖1c所示。

轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，各圓盤離心力相互疊加，所產(chǎn)生的離心力F計(jì)算公式為：

F=∑Δmiriω2=mrω2

(1)

式中：F為離心力，N；Δmi為第i個(gè)圓盤質(zhì)量，kg；ri為質(zhì)心與選擇軸線中心距離，m；m為轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量，kg；r為轉(zhuǎn)子質(zhì)心與回轉(zhuǎn)軸線的距離矢量即旋轉(zhuǎn)半徑，m；ω為轉(zhuǎn)子角速度，°/s。

轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)為周期振動(dòng)，振動(dòng)規(guī)律為規(guī)則的正余弦波，根據(jù)振動(dòng)理論[1]，角速度ω與角頻率ωn相等，其與振動(dòng)頻率f及轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：

(2)

因此：

(3)

動(dòng)平衡中通常使用質(zhì)矢積mr來表示對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行校正時(shí)的不平衡量，用U表示，不平衡矢量U=mr，g·mm。U的大小表示不平衡量，角度表示不平衡相位，即不平衡質(zhì)量在垂直于轉(zhuǎn)子的極坐標(biāo)系中與基準(zhǔn)的夾角。

衡量轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)子的平衡精度一般采用轉(zhuǎn)子單位質(zhì)量的不平衡量即不平衡度e表示，不平衡度也叫轉(zhuǎn)子的偏心距，那么

e=mr/M

(4)

式中：e為不平衡度，μm；M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，kg。

由于數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)具有長(zhǎng)徑比小，剛性大等特點(diǎn)，可以將其看作為剛性轉(zhuǎn)子，將本身的彎曲忽略不計(jì)，可以采用單面動(dòng)平衡法，在一個(gè)任選平面進(jìn)行加減重量動(dòng)平衡矯正，矯正后在任意轉(zhuǎn)速下，其不平衡量不會(huì)明顯超過平衡等級(jí)要求。采用單面動(dòng)平衡矯正時(shí)，只需考慮轉(zhuǎn)子的不平衡力，而不必考慮不平衡力偶。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)通常采用單面影響系數(shù)平衡法，影響系數(shù)法是指被測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的不平衡量與振動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)，被測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的不平衡量可以是各平面中不平衡量引起的振動(dòng)響應(yīng)的線性疊加。各平衡面上的單位不平衡量引起的振動(dòng)響應(yīng)，即為影響系數(shù)。

設(shè)轉(zhuǎn)臺(tái)的初始不平衡量U0，影響系數(shù)為α，輸出的振動(dòng)響應(yīng)X0為[2]：

X0=αU0

(5)

選定某一矯正平面，增加已知平衡量U1, 加重后輸出的振動(dòng)響應(yīng)X1為：

X1=α(U)0+U1)

(6)

可得影響系數(shù)為：

(7)

不平衡量為：

(8)

根據(jù)求出的不平衡量的位置和大小，在矯正平面不平衡量的位置上去掉與不平衡量大小相等的質(zhì)量塊或者在其對(duì)稱位置增加與不平衡量大小相等質(zhì)量塊，實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡矯正，由于校正后無法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)平衡，因此引入了動(dòng)平衡精度等級(jí)G。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)輸出的振動(dòng)響應(yīng)為周期性振動(dòng)，即為簡(jiǎn)諧振動(dòng)[1]。簡(jiǎn)諧振動(dòng)旋轉(zhuǎn)矢量在垂直軸上的投影為：

X=Asin(ωnt+φ0)

(9)

式中：X為振動(dòng)位移，mm；A為振動(dòng)幅值，mm；ωn為圓頻率，°/s，與旋轉(zhuǎn)角速度ω相等；旋轉(zhuǎn)矢量與水平軸的初始夾角φ0為初相位角；t為時(shí)間，s；ωnt+φ0為在t時(shí)刻時(shí)相位角。簡(jiǎn)諧振動(dòng)旋轉(zhuǎn)矢量在坐標(biāo)軸上投影表示如圖2所示。

由此可知，轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡調(diào)整需要提取不平衡振動(dòng)信號(hào)的幅值和相位。對(duì)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的位移求一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)分別得到振動(dòng)速度V和振動(dòng)加速度a。

(10)

(11)

根據(jù)以上分析，對(duì)比簡(jiǎn)諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征：

(1)振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度均具有相同圓頻率。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采用轉(zhuǎn)子質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)線速度來表示平衡精度等級(jí)G，即為振動(dòng)速度V，根據(jù)簡(jiǎn)諧振動(dòng)理論：

G=eω/1 000

(12)

(13)

通過采集振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)幅值和振動(dòng)相位角，可求出振動(dòng)位移即為轉(zhuǎn)子偏心距e，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可知角速度即可得出動(dòng)平衡等級(jí)G的值。

根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)將G分為11個(gè)等級(jí)(2.5的倍數(shù))G4000、G1600、G630、G250、G100、G40、G16、G6.3、G2.5、G1、G0.4，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡等級(jí)按照G6.3等級(jí)進(jìn)行調(diào)整。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡檢測(cè)設(shè)備選用

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡檢測(cè)設(shè)備主要有兩類：一類為外置手持動(dòng)平衡儀，見圖3，此種動(dòng)平衡儀硬件包括集成動(dòng)平衡儀、光電速度傳感器及磁性加速度傳感器。速度傳感器及加速度傳感器均為外置形式，布置于轉(zhuǎn)臺(tái)的外表面，此種方法具有很高的靈活性，檢測(cè)成本低，一臺(tái)動(dòng)平衡儀可進(jìn)行多臺(tái)數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)的檢測(cè)，但由于傳感器的外置，檢測(cè)時(shí)無法關(guān)閉機(jī)床防護(hù)門，有一定的安全隱患。如加工零件的形狀復(fù)雜，品類較多，需要重復(fù)多次的安裝兩種傳感器，操作不便捷。

另一類為在線動(dòng)平衡儀，見圖4，由動(dòng)平衡控制模塊、振動(dòng)傳感器、速度傳感器和動(dòng)平衡軟件組成。可以將整套產(chǎn)品集成到數(shù)控機(jī)床中，操作面板為機(jī)床控制面板，動(dòng)平衡軟件可作為一種應(yīng)用軟件使用。速度傳感器和振動(dòng)傳感器也可預(yù)埋到數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，將動(dòng)平衡控制模塊安裝到數(shù)控機(jī)床電控柜中，與數(shù)控系統(tǒng)相連，此種方法安全性和可操作性更高。在數(shù)控系統(tǒng)中安裝動(dòng)平衡軟件，根據(jù)采集的信號(hào)經(jīng)過處理，形成不平衡量的調(diào)整方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們對(duì)車銑復(fù)合加工中心轉(zhuǎn)臺(tái)配置了在線動(dòng)平衡儀，不僅保護(hù)了機(jī)床的使用壽命，更提高了加工質(zhì)量。

根據(jù)兩種動(dòng)平衡檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用特性，外置手持動(dòng)平衡儀的應(yīng)用比較廣泛，常用于作為機(jī)加工車間的配件儀器使用，一臺(tái)設(shè)備可兼容不同的高速轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡檢測(cè)，也可作為轉(zhuǎn)臺(tái)功能部件裝配動(dòng)平衡檢測(cè)。在線動(dòng)平衡儀通常配置到高檔數(shù)控機(jī)床中，傳感器內(nèi)嵌到數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)中，應(yīng)用更便捷。

3 轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡調(diào)整方法

根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡理論，轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)平衡調(diào)整方法采用單面動(dòng)平衡法，手持動(dòng)平衡儀與在機(jī)床線動(dòng)平衡儀均可輔助轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡。

采用某品牌手持動(dòng)平衡儀進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡調(diào)整，將加速度傳感器吸附到轉(zhuǎn)臺(tái)外圓周軸承位置，將光電傳感器反光貼粘到工作臺(tái)圓周上，光電傳感器固定安裝，轉(zhuǎn)臺(tái)開始旋轉(zhuǎn)，測(cè)試此時(shí)振動(dòng)的最大值及位置，此時(shí)為未加重狀態(tài)。停機(jī)，增加試重，再開機(jī)測(cè)試加試重后的振動(dòng)最大值和位置，進(jìn)而顯示出不平衡量和相位。停機(jī)后加平衡配重塊，再開機(jī)計(jì)算平衡后殘余不平衡量的大小和相位。與動(dòng)平衡等級(jí)換算出來的值對(duì)比，判斷是否滿足動(dòng)平衡等級(jí)要求。

采用了某品牌的機(jī)床在線動(dòng)平衡儀，與數(shù)控機(jī)床集成，其動(dòng)平衡主要的調(diào)整方法可以分為兩種類型：

(1)展開角度方法：通過移動(dòng)兩個(gè)相等重量的砝碼到計(jì)算好的位置來補(bǔ)償不平衡量，見圖5。

將預(yù)先準(zhǔn)備好的2個(gè)配重塊，安裝到轉(zhuǎn)臺(tái)指定的矯正平面配重槽中，對(duì)稱位置安裝，通常配重槽位置為工作臺(tái)上表面或者背面，給定轉(zhuǎn)臺(tái)指定轉(zhuǎn)速，打開動(dòng)平衡檢測(cè)軟件，經(jīng)過檢測(cè)處理后，軟件給出兩個(gè)配重塊布置角度，通過移動(dòng)配重塊位置與轉(zhuǎn)臺(tái)的不平衡量相互抵消。

此種方法的特點(diǎn)是可采用固定質(zhì)量的配重塊，通過安裝不同位置來進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整，無需準(zhǔn)備大量不同質(zhì)量的配重塊。這種方法也是轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡調(diào)整中最常應(yīng)用的方法。轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面配重槽設(shè)計(jì)時(shí)需要注意保證配重塊可以360°任意位置均可以安裝。

(2)固定位置方法：通過增加配重塊到特定的位置來補(bǔ)償不平衡量，見圖6。

將工作臺(tái)預(yù)留圓周均布螺紋孔，給定轉(zhuǎn)臺(tái)指定轉(zhuǎn)速，打開動(dòng)平衡檢測(cè)軟件，經(jīng)過檢測(cè)處理后，軟件給出需要增加重量的位置以及每個(gè)位置增加多大的配重塊。

此種方法的特點(diǎn)是配重塊安裝位置固定不變，在圓周中取均布的幾個(gè)位置，安裝不同的質(zhì)量塊，達(dá)到動(dòng)平衡調(diào)整的目的。需要準(zhǔn)備不同質(zhì)量的配重塊，配合調(diào)整。此種情況通常適用于小型數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，如臺(tái)面尺寸200 mm左右的高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)。

4 實(shí)例測(cè)試

結(jié)合動(dòng)平衡理論以及動(dòng)平衡檢測(cè)設(shè)備調(diào)整方法，設(shè)計(jì)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)平衡調(diào)整方案。某一五軸立式加工中心，配置轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面直徑400 mm，最高轉(zhuǎn)速2 000 r/min。機(jī)床安裝某品牌在線動(dòng)平衡儀，此動(dòng)平衡儀通過展開角度法，進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)平衡的調(diào)整。此品牌配置信號(hào)處理器，通過將速度傳感器和振動(dòng)傳感器預(yù)埋到轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部，進(jìn)行型號(hào)采集。通過軟件處理器，在軟件中輸出配重塊調(diào)整的位置以及調(diào)整后不平衡量的大小,示意圖如圖7所示。

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)平衡等級(jí)要求按照G6.3級(jí)進(jìn)行調(diào)試。根據(jù)動(dòng)平衡等級(jí)及轉(zhuǎn)速換算出e的值。在線動(dòng)平衡儀軟件顯示的不平衡量與e值進(jìn)行對(duì)比，判斷是否符合動(dòng)平衡等級(jí)要求。

表1中列出了G6.3級(jí)時(shí)許用不平衡量的標(biāo)準(zhǔn)值，記錄了不同轉(zhuǎn)速下動(dòng)平衡調(diào)整前不平衡量和動(dòng)平衡調(diào)整后不平衡量值，通過對(duì)比可知?jiǎng)悠胶庹{(diào)整達(dá)到了要求的平衡等級(jí)，可以進(jìn)行高速車削加工。

表1 動(dòng)平衡檢測(cè)表

5 結(jié)語(yǔ)

高速數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)平衡情況對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度及使用壽命等有著重要的影響。動(dòng)平衡理論本質(zhì)上則為轉(zhuǎn)子不平衡。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)通常采用單面影響系數(shù)平衡法對(duì)其進(jìn)行動(dòng)平衡矯正。動(dòng)平衡儀均是通過采集不平衡振動(dòng)信號(hào)的幅值和相位，處理后得出不平衡量，進(jìn)而判斷轉(zhuǎn)子是否符合規(guī)定的動(dòng)平衡等級(jí)。對(duì)目前市面上常用的動(dòng)平衡儀種類以及動(dòng)平衡儀的調(diào)整方法進(jìn)行闡述，并將其應(yīng)用到產(chǎn)品中，此項(xiàng)研究對(duì)數(shù)控機(jī)床高速轉(zhuǎn)臺(tái)的使用具有重要意義。