一种主轴内置机械式在线动平衡系统的制作方法
【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。
【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。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，如何在狭小空间进行动平衡装置的固定、装置内部结构布置都具有 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及调 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，包括动平衡装置、运动控制系统、数 据无线传输系统、动不平衡检测计算系统和控制决策运算系统；
[0006] 所述动平衡装置置于主轴内，工作时，由同心且并列的两组质量组块产生质量偏 心，主轴旋转时由质量偏心产生与主轴自身产生的动不平衡力作用位置相同、大小相等、方 向相反的动平衡力，执行在线校正主轴的动不平衡；
[0007] 所述动不平衡检测计算系统检测主轴的不平衡信号，根据信号分析主轴动不平衡 特性，计算主轴动不平衡等效离心力及其矢量方向和位置；
[0008] 所述控制决策运算系统将获得的主轴动不平衡等效离心力等效分解到两个动不 平衡调整平面，计算各平面动不平衡等效离心力；并制定两动不平衡调整平面内动平衡装 置中的每组质量块的质量分布策略；
[0009] 所述数据无线传输系统的天线环安装在动平衡装置的端盖外端，接收及传输动不 平衡校正指令；
[0010] 所述运动控制系统安装于动平衡装置的控制腔内，运动控制系统的电源环安装在 动平衡装置的端盖外端；运动控制系统接收动不平衡校正指令，控制动平衡装置中电机的 运转。
[0011] 进一步地，所述动平衡装置包括屏蔽罩、两沿轴向并列设置的质量调整组块、至少 两个稳固涨环、控制腔、稳固绗架及两端盖；所述屏蔽罩内依次设置两质量调整组块和稳固 绗架I，两质量调整组块分别带有稳固绗架II和III，相邻稳固绗架间分别通过螺栓固定连 接，在稳固绗架I内形成安装运动控制系统的控制腔，屏蔽罩两端分别设置端盖，屏蔽罩外 周设置稳固涨环，稳固涨环为两端带缺口的金属薄环结构，稳固涨环每端缺口至少三处且 形状相同、均布，两端对称布置。
[0012] 进一步地，所述质量调整组块包括大质量块、小质量块、稳固绗架及相互连接的两 组电机、减速器，所述两组电机、减速器对称设置在稳固绗架上，相对端的一个减速器输出 轴上安装大质量块，另一个减速器输出轴上安装小质量块，所述大质量块和小质量块均为 扇形块，相互套置，初始安装时扇形缺口处对应设置，两质量块产生的质量偏心为零，工作 时，两质量块同心旋转形成角度并产生质量偏心。
[0013] 进一步地，所述端盖外端开有两个同心的环形槽，分别容置运动控制系统的天线 环和电源环，端盖中部开有连通控制腔的导线通孔。
[0014] 进一步地，所述动不平衡检测计算系统包括两个加速度传感器、相位传感器、数据 采集卡和工控机，所述两个加速度传感器分别固定在主轴轴套上，检测主轴产生的变形信 号；
[0015] 所述相位传感器为红外信号传感器，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；
[0016] 所述数据采集卡连接加速度传感器和相位传感器，采集传感器信号；
[0017] 所述工控机根据采集的信号分析主轴动不平衡特性，计算主轴动不平衡等效离心 力及其矢量方向和位置。
[0018] 进一步地，所述工控机对主轴动不平衡检测的计算，包括以下步骤：
[0019] ①采集传感器信号：所述主轴置于轴套中，加速度传感器为两个，测量由于主轴动 不平衡作用在轴套上引起轴套变形的加速度模拟信号；同时采集相位传感器信号，所述相 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；
[0020] ②信号的幅频转换：通过采集卡对采集到的加速度模拟信号转换成时域信号，将 时域信号转换为频域信号；将相位传感器信号转换成时域信号；
[0021] ③提取主轴转速同频信号，并确定采集信号的相位角：根据主轴转速特征，在获得 的加速度信号频域特性得到与主轴转速同频率的加速度信号及幅值，并根据加速度信号和 相位信号的时间对应关系，得到该频率下轴套最大变形时主轴旋转的角度即为采集信号的 相位角9 ;
[0022] ④获得主轴套变形量：根据第③步所述幅值建立周期函数，对该函数进行二次积 分，分别得到两加速度传感器所在位置的同一相位的轴套最大变形量y2、y6;
[0023] ⑤确定动不平衡位置：由已知的轴套固定端变形为零和第④步骤中轴套最大变形 量y2、y6的位置，根据该四点位置拟合一光滑曲线f(x)，该曲线二次可导，设f(X) " = 0,则 x= 1D，计算f(lD) =yD，1D为轴向位置，yD为最大变形量，得到曲线最大幅值点D;
[0024] ⑥计算主轴动不平衡所产生的离心力：根据轴套的弹性模量k、主轴轴套的最大 变形量yD，根据胡克定律，f=ky，计算得到轴套获得的该变形所承受的作用力FD;该作用 力即为主轴动不平衡所产生离心力的等效力，该作用力所处位置及与主轴相对应的相位关 系即为主轴动不平衡所产生离心力FD的矢量方向0和位置1D。
[0025] 进一步地，所述控制决策运算系统实现主轴动平衡双平面等效力平衡调节，具体 步骤为：
[0026] ①标定两组质量组块在主轴内孔中的轴向位置1A、1B;
[0027] ②双平面受力等效分解：双平面指两组质量组块所在的与主轴垂直的径向平面， 在主轴动不平衡所产生离心力矢量所在平面内，以两组动平衡质量组块所在位置1或1 8及 已知离心力Fd所在位置1D为基点，离心力Fd的矢量方向为0，根据杠杆原理，将离心力Fd 等效分解到两组动平衡质量组块所在位置的等效力？/、Fb'；
[0028] ③计算平衡力矢量：根据等效力的大小计算动平衡质量组块所需产生的平衡力 FA、FB及矢量方向0A、0B，该矢量方向与等效力成180度夹角关系；其中FA=FA'，FB=FB'， 0 A= 9 B= 180- 9 ；
[0029] ④计算大小质量块调整角度：动平衡质量组块大、小质量块所产生的离心力f\、 f2，得到f\、f2的合力f，合力f即为FA或FB，由方程组
[0030]
[0031] 得到f\、f2与合力f的矢量夹角a^a2;
[0032] 将大、小质量块所产生的离心力f\、f2的矢量方向与调整前的矢量方向之间的夹 角02及方向定义为质量块的调整值，其中夹角0i、小于180度，调整方向为使夹 角Pi、缩小的旋转方向。
[0033] 进一步地，所述标定是在主轴低速旋转的情况下，通过一个质量组块的大、小质量 块调整，使得该质量组块所在的调整面A面或B面产生已知离心力匕或F。，通过测量计算 得到该位置点在轴向上与近端轴套固定端的距离1或1B，即校正面的位置，同样道理可知 另一个质量组块校正面的位置18或1A。
[0034] 进一步地，所述运动控制系统包括运动控制卡、电源转换器、电源环、电源架；
[0035] 所述运动控制卡实现运动控制指令的发送，运动控制卡识别无线传输来的指令信 号，向电机发送连续的脉冲信号驱动电机工作；
[0036] 所述电源转换器连接运动控制卡，提供低压电，电源与电源环相连，电源环布置在 一侧端盖的外端；
[0037] 所述电源环安装在端盖上。
[0038] 进一步地，所述数据无线传输系统包括无线发射装置、信号接收装置、天线环和固