一种主轴内置机械式在线动平衡系统的调整方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高速主轴在线动平衡技术领域，特别是涉及一种主轴内置机械式在线 动平衡系统的调整方法。
【背景技术】
[0002] 高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，高速数控机床的技术水 平高低是衡量一个国家制造业水平高低的标志。主轴是所有旋转加工的数控机床中最为关 键的部件之一，其性能对整台机床的加工精度、可靠性等都有至关重要的影响。旋转不平衡 是影响主轴回转精度的主要因素之一，在主轴上实现动平衡已成为一项不可或缺的关键技 术，它是以提高主轴的回转精度、可靠性及使用寿命为奋斗的终极目标。在线动平衡的效 率和精度，结构和安装，以及是否产生附加不平衡等方面的技术问题的解决将是在线动平 衡装置考虑的重要问题。但是，采取内置式双面动平衡技术一直是行业内的难点。首先， 在线动平衡是指在主轴不停机的状态下，动平衡的测量、计算及动平衡校正都需要实时实 现。然而，高速数控机床主轴的转速大多为上万转，有的甚至达到十几万转，而且功率较大。 内置式动平衡装置需要放置在主轴内部随主轴旋转，因此测控系统的反应速度、信号传送、 供电等方面都难以满足动平衡装置的需求，如何采用正确的方法平衡各方面的不利并实 现主轴在线动平衡具有十分重要的作用。再者，由于一般主轴工艺孔空间狭小，而机械式动 平衡装置结构复杂，动平衡装置调节过程中任何一个参数的不确定、不稳定都会破坏主轴 原有特性，甚至附加主轴以新的动不平衡或影响主轴回转精度。因此，采用适当的方法实现 主轴内置机械式在线动平衡系统正常工作具有挑战性。
【发明内容】
[0003] 针对上述存在的技术问题，本发明提供一种主轴内置机械式在线动平衡系统的调 整方法。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0005] 本发明一种主轴内置机械式在线动平衡系统的调整方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1 :安装在线动平衡系统；
[0007] 步骤2:在线动平衡校正的标定：标定出两调整平衡面轴向位置参数1A、1B;
[0008] 步骤3:进行动不平衡测量，计算得到动不平衡等效离心力FD及其位置1 D;
[0009] 步骤4 :进行主轴动不平衡校正：根据上述得到的参数计算得到质量块所需调整 的角度^或0 2，控制电机旋转，调整相应的质量块；
[0010] 步骤5:主轴动不平衡数据、质量块调整数据实时在工控机显示器上显示，实现整 个过程的实时监控。
[0011] 进一步地，所述安装在线动平衡系统，包括如下步骤：
[0012] 步骤1. 1 :将动平衡装置安放到主轴内孔中，固定稳固涨环并使动平衡装置固定 在主轴内腔中，确保动平衡装置与主轴回转中心同心；
[0013] 步骤1. 2 :将两个加速度传感器分别固定在主轴轴套上，两加速度传感器中心连 线及主轴轴线构成的平面垂直于水平面，测量加速度传感器与主轴轴套一固定点之间的距 离1 2和1 6;
[0014] 步骤1. 3 :水平安装相位传感器，设置在对应主轴中心标记线处，检测识别主轴转 动相位标记，相位传感器测量中心与主轴中心线保持水平；
[0015] 步骤1. 4 :将电源架和固定架伸入主轴内部并固定，电源架与电源环接触，固定架 与天线环接近；
[0016] 进一步地，所述在线动平衡校正的标定，包括如下步骤：
[0017] 步骤2. 1 :低速启动主轴旋转至稳定状态；
[0018] 步骤2.2 :调整一个质量组块的大、小质量块，使得该质量组块所在的调整面A面 产生已知离心力F1;
[0019] 步骤2. 3 :加速度传感器获得动不平衡信号并将模拟信号传递给数据采集卡并计 算主轴动不平衡量，包括离心力F及其矢量方向和位置1。，该位置1。就是该校正平面距近 端固定位置距离1A;
[0020] 步骤2. 4 :依照以上2. 2-2. 3步骤计算另一校正面B面的位置1B;
[0021] 进一步地，所述进行动不平衡测量，包括如下步骤：
[0022] 步骤3. 1 :主轴工作状态至稳定；
[0023] 步骤3. 2 :加速度传感器获得动不平衡信号并将模拟信号传递给数据采集卡，信 号经滤波、傅立叶变换最终提供给动不平衡检测计算系统；
[0024] 步骤3. 3 :加速度信号经幅频转换，然后提取与主轴转速同频率的信号，根据相位 传感器传回的信号对比测得的数据，确定测得同频数据最大值所处矢量角度与主轴旋转相 位标准位置的相位角0 ;
[0025] 步骤3. 4 :提取到的信号经二次积分可知每个加速度传感器处主轴轴套的最大变 形量和y6;
[0026] 步骤3. 5 :设定主轴轴套两端固定位置位移为零，与加速度传感器所处点通过四 点拟合成二次可导曲线，求出该曲线的导数为零位置的点的坐标D(x，y)，其在轴向X方向 上的坐标值1D为轴套最大变形值在轴向上的位置，y方向上的坐标值y4为轴套最大变形 值；
[0027] 步骤3. 6 :已知轴套弹性模量，根据胡克定律，求得产生最大变形值时轴套所受到 的径向方向的力，该力即为动不平衡等效离心力FD;
[0028] 进一步地，所述进行主轴动不平衡校正，包括如下步骤：
[0029] 步骤4. 1 :已知两个平衡面轴向位置参数1A、1B和主轴动不平衡等效离心力FD及 其位置1D，根据杠杆原理，计算求得两个与Fd等效的动平衡力FA、Fb;
[0030] 步骤4. 2 :假设每组质量块的大、小质量块调整角度0i、0 2后可使大、小质量块 旋转所产生离心力f\、f2的合力f与同一调整面所等效的离心力FA或FB大小相等、方向相 反，根据下面的二元一次方程组可计算得到为实现主轴动平衡而需调整质量块与合力的角 a丄、a 2，
[0031]
[0032] 已知合力f的矢量角度9 4或0B与主轴动不平衡等效离心力相位角0成180度， 计算得到调整后每个质量块所处的相位角；
[0033] 步骤4.3 :根据调整前质量块所处的相位角，计算得到质量块所需调整的角度 或02;
[0034] 步骤4. 4:根据质量块所需调整的角度和方向，计算电机所需旋转的角度和方向， 将角度换算成脉冲数，控制电机旋转，调整相应的质量块。
[0035] 本发明的有益效果为：
[0036] 本发明适合安装了内置式动平衡装置的各种主轴运行工况，实现主轴动不平衡状 态的在线校正。利用该调整方法可实现高速主轴动平衡状态的监控、分析、调整，从所获特 性可知该系统可提高高速主轴的回转精度，从而实现高质量零件的加工。
[0037] 本发明调整方法实用、可靠，可适应高速旋转状态，而且损耗低、效率高。动平衡调 整功能全面，可实现刚性主轴、挠性主轴的在线动不平衡校正。
【附图说明】
[0038] 图1为本发明在线动平衡调整方法的流程图。
[0039] 图2为本发明调整方法适用的在线动平衡系统结构框图。
[0040] 图3为本发明动不平衡装置的结构示意图。
[0041] 图4为图3中质量调整组结构示意图。
[0042] 图5为图3中大小质量块配合安装结构示意图。
[0043] 图6为图3中稳固涨环结构示意图。
[0044] 图7为图3中端盖结构示意图。
[0045] 图8为本发明主轴与轴套的装配关系及动平衡检测仪器布置示意图。
[0046] 图9为主轴动平衡检测计算的原理示意图。
[0047] 图10为本发明待测等效动不平衡离心力矢量方向的示意图。
[0048] 图11为本发明【具体实施方式】的双平面等效调节方法示意图。
[0049] 图12为本发明的动平衡装置安放位置标定计算的原理示意图。
[0050] 图13为本发明的单一校正面动平衡校正计算的原理示意图。
[0051] 图14为本发明【具体实施方式】的质量调整组块大小质量块所产生离心力与其合力 矢量关系原理示意图。
[0052] 其中，1-稳固涨环，2-动平衡质量调整块，3-电机，4-减速器，5-稳固绗架，6-控 制腔，屏蔽罩，8_端盖，9_大质量块，10-小质量块，11.涨片，12-电源环，13-缺口，14-天 线环，15-环形槽，16-通孔；17-轴套固定端I，18-加速度传感器I，19-主轴，20-轴套， 21-轴承，22-加速度传感器II，23-轴套固定II，24-主轴相位标志线，25-相位传感器， 26-数据采集卡，27-工控机；