回转体动平衡校正方法与流程

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种在激光加工时对待加工的高速回转体进行调整用的动平衡校正方法。

背景技术：

回转体通常会因为材质不均匀、毛坯缺陷、加工及装配时产生的误差、或者因设计原因而形成非对称的几何形状。这样的回转体在旋转过程中，会因为每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消而产生大小及方向均呈周期性变化的离心惯性力，故这样的回转体在旋转过程中因处于不平衡状态而引起振动，产生噪音，加速磨损，进而导致回转体的机械寿命缩短，甚至会导致严重的破坏性事故发生。

回转体通常是机械系统的重要组成部分，比如马达、飞轮等。回转体因不平衡而引起振动，进而导致安装有回转体的机械设备振动，产生噪音，甚至会对机械设备造成破坏，尤其是安装有高速旋转的回转体比如马达的机械设备产生的机械事故更为明显，该类故障约占机械设备的全部故障的60％以上。因此，需对回转体进行动平衡校正，即通过增重或减重使回转体在旋转过程中因不平衡引起的振动降低到最低或工程应用允许的范围内。

目前，常用的对回转体进行动平衡调整的方法是：先对回转体进行动平衡质量和角度测量，然后将回转体从测量平台上拆下，并利用辅助工具根据测量结果对回转体进行接触式增重或减重，直至回转体在旋转过程中处于动平衡状态。该种方法存在如下不足：

1、在调整过程中，需对被平衡的回转体进行重复装配和拆卸，故操作人员在调整时不能对回转体的角度位置进行精确控制，导致回转体的调整精度低，进而导致回转体在装配过程中易产生误差，引起多余振动；

2、利用辅助工具对被平衡的回转体进行微小质量的增减操作，实现难度大；

3、辅助工具采用接触式对回转体进行增重或减重，导致回转体在质量增减过程中产生应力；

4、在对被平衡的回转体进行调整时，需通过多个工位进行操作，导致调整执行效率低，调整成本高。

技术实现要素：

为提高调整精度，降低调整难度，提高调整效率，本发明提出一种回转体动平衡校正方法，该回转体动平衡校正方法包括如下步骤：

步骤S1、将待校正回转体安装在回转体动平衡校正装置上；

所述回转体动平衡校正装置包括工作台、驱动电机、激光器、光路系统、调焦机构、动平衡测量系统、寻位系统和控制系统；所述工作台上设置有支撑桥架和旋转轴，该旋转轴架设在所述支撑桥架上，且所述待校正回转体安装固定在所述旋转轴上；所述驱动电机的输出轴与所述旋转轴连接并带动所述旋转轴转动；所述激光器与所述控制系统连接，用于输出高能激光；所述光路系统与所述激光器相连，并对所述激光器输出的高能激光进行扩束整形、路径固定和聚焦；所述调焦机构与所述光路系统连接，并对所述光路系统输出的高能激光的焦点的位置进行调节；所述动平衡测量系统用于测量所述待校正回转体的不平衡质量和相位，并将测量结果传输到所述控制系统中；所述寻位系统用于对所述待校正回转体上的不平衡质量的位置进行定位，并将定位结果传输到所述控制系统中；所述控制系统根据所述寻位系统的定位结果控制所述驱动电机驱动所述旋转轴转动，使所述待校正回转体上的不平衡质量的位置旋转至所述光路系统输出的激光的作用区域内；根据所述动平衡测量系统的测量结果控制所述激光器输出高能激光去除所述待校正回转体上的不平衡质量；

步骤S2、启动所述驱动电机，带动所述旋转轴转动，使所述待校正回转体的转速达到工作转速，待所述振动传感器的测量结果稳定后，所述动平衡测量系统将测量结果传输到所述控制系统中；所述控制系统控制所述驱动电机关停，使所述待校正回转体停止转动；

步骤S3、所述控制系统根据测量结果计算出所述高能激光的加工功率、频率和扫描次数以及所述待校正回转体的加工半径；

步骤S4、所述控制系统根据所述步骤S3中的计算结果控制所述调焦机构对所述光路系统进行调节，使所述光路系统输出的高能激光的焦点位于所述待校正回转体上的待减重位置的切面所在的水平平面上；

步骤S5、所述控制系统根据所述寻位系统的定位结果驱动所述驱动电机工作带动所述旋转轴转动，直至所述待校正回转体上的不平衡质量的位置旋转至所述高能激光的作用区域内，并控制所述激光器输出高能激光对所述待校正回转体进行减重加工；待加工结束后，所述控制系统控制所述待校正回转体转动，直至所述待校正回转体上的下一个不平衡质量的位置旋转至所述高能激光的作用区域内，并控制所述激光器输出高能激光对所述待校正回转体进行减重加工；重复本步骤，直至减重完成；

步骤S6、利用所述动平衡测量系统对减重加工后的回转体进行复测，当所述回转体的不平衡质量不满足使用要求时，重复所述步骤S1至所述步骤S4；当所述回转体的不平衡质量满足使用要求时，校正完成。

该回转体动平衡校正方法利用动平衡测量系统测量出待校正回转体的不平衡质量和相位，利用寻位系统定位出待校正回转体上的不平衡质量的位置，并将定位结果传输到控制系统中，使控制系统根据定位结果控制驱动电机驱动待校正回转体转动至光路系统输出的激光的作用区域内，进而使控制系统根据测量结果控制激光器输出高能激光对待校正回转体进行非接触式的切割加工，去除待校正回转体上的不平衡质量，从而完成对待校正回转体的动平衡校正。该回转体动平衡校正方法利用控制系统根据动平衡测量系统的测量结果自动控制去除的不平衡质量的量，使得回转体的调整精度较高；利用高能激光对待校正回转体进行非接触式的切割加工，可实现微小不平衡质量的去除操作，调整难度大大降低；利用控制系统自动控制完成对回转体的动平衡校正操作，操作简单方便，调整效率高。

优选地，所述工作台上的支撑桥架的顶部设置有固定所述旋转轴用的压板，且该压板通过固定螺钉安装固定在所述支撑桥架上。这样，只需旋拧固定螺钉即可完成安装回转体用的旋转轴的拆装，使得回转体的拆装简单方便。

优选地，所述光路系统包括呈依次设置的扩束镜、转向反光镜、振镜和场镜，所述扩束镜用于对所述激光器输出的高能激光进行扩束；所述转向反光镜对扩束后的高能激光进行反射转向，使所述扩束后的高能激光反射到所述振镜上，并经所述振镜和所述场镜后输出；所述振镜和所述场镜与所述调焦机构连接，并根据所述调焦机构输出的调节要求调节所述扩束后的高能激光的焦点的位置。进一步地，所述振镜为XY双轴振镜。进一步优选地，所述光路系统还包括指示光光源和指示光反光镜，且所述指示光反光镜位于所述扩束镜的前侧并将所述指示光光源发出的指示光反射到所述扩束镜上，且所述激光器输出的高能激光从所述指示光反光镜透射到所述扩束镜上。这样，在校正过程中，可利用光路系统对激光器输出的高能激光进行扩束，同时固定高能激光的传输路径，方便控制，完成高能激光的聚焦操作，方便高能激光完成对待校正回转体的加工表面进行切割加工，提高了校正调整效率。

优选地，所述动平衡测量系统包括振动传感器、光电探测器、数据采集卡和测量电路板，所述振动传感器采集所述待校正回转体的振动数据并转换成振动电信号，所述光电探测器检测所述待校正回转体的转速数据并转换成转速电信号，所述数据采集卡采集所述振动电信号和所述转速电信号并传输到所述测量电路板中，所述测量电路板根据所述振动电信号和所述转速电信号计算出所述待校正回转体的不平衡质量和相位。进一步地，所述动平衡测量系统中包括两个振动传感器，且该两个振动传感器安装在所述工作台上的两个支撑桥架上。这样，可提高动平衡测量系统的测量精准度，进而提高该回转体动平衡校正装置的校正精度。

优选地，所述回转体动平衡校正装置还包括气体供给系统，该气体供给系统与所述控制系统连接；在所述步骤S5中对所述待校正回转体进行减重加工时，利用所述控制系统的控制所述气体供给系统输出惰性气体对所述待校正回转体的加工表面进行气体保护。这样，在激光器输出的高能激光对待校正回转体的加工表面进行激光切割加工时，可利用气体供给系统输出惰性气体对待校正回转体的加工表面进行气体保护，避免待校正回转体的加工表面氧化而影响校正精度。进一步地，所述气体供给系统包括储气瓶和出气管，且所述出气管上设置有与所述控制系统连接的气体控制阀，以便于控制气体供给系统输出的惰性气体的速度，从而在保证气体保护的前提下避免惰性气体浪费。

优选地，所述回转体动平衡校正装置还包括防尘结构，该防尘结构与所述控制系统连接；在所述步骤S5中对所述待校正回转体进行减重加工时，利用所述控制系统控制所述防尘结构运动并罩设在所述待校正回转体上对所述待校正回转体上除不平衡点外的位置进行防尘保护。这样，在切割减重过程中，可利用防尘结构对待校正回转体上除需进行激光切割的不平衡点外的位置进行防尘保护，以避免因激光切割形成的粉尘吸附在回转体上而影响回转体的校正精度。

附图说明

图1为本发明方法中采用的回转体动平衡校正装置的结构框图；

图2为图1所示的回转体平衡校正装置的结构示意图；

图3为本发明回转体动平衡校正方法流程图。

具体实施方式

下面，结合图1-3对本发明回转体动平衡校正方法进行详细说明。

如图1和2所示，本发明回转体动平衡校正方法采用的回转体动平衡校正装置包括工作台1、驱动电机2、激光器3、光路系统4、调焦机构5、动平衡测量系统6、寻位系统7、控制系统8、气体供给系统9和防尘结构10。其中，工作台1上设置有安装待校正回转体A用的支撑桥架11和旋转轴12，该旋转轴12架设在支撑桥架11上，且待校正回转体A安装固定在旋转轴12上。优选地，支撑桥架11的顶部设置有固定旋转轴12用的压板(图中未视出)，且该压板通过固定螺钉安装固定在支撑桥架11上。这样，操作人员只需旋拧固定螺钉即可完成安装回转体用的旋转轴的拆装操作，使得回转体的拆装操作简单方便。

驱动电机2的输出轴与旋转轴12连接并带动旋转轴12转动。这样，在对回转体进行动平衡校正时，可利用驱动电机2驱动旋转轴12带动待校正回转体A转动。优选地，驱动电机2的输出轴可通过联轴器与旋转轴12连接。

激光器3与控制系统8连接，用于输出高能激光。这样，在对待校正回转体A进行动平衡校正时，可利用控制系统8控制激光器3是否输出高能激光，以及在输出高能激光时，控制激光器3输出高能激光的波长和平均功率，以便于提高校正精度。

光路系统4与激光器3相连，并对激光器3输出的高能激光进行扩束整形、路径固定和聚焦，且调焦机构5与光路系统4连接，并对光路系统4输出的高能激光的焦点的位置进行调节。优选地，光路系统4包括呈依次设置的扩束镜41、转向反光镜42、振镜43和场镜44，其中，扩束镜41用于对激光器3输出的高能激光进行扩束；转向反光镜42对扩束后的高能激光进行反射转向，使扩束后的高能激光反射到振镜上，并经振镜43和场镜44后输出；振镜43和场镜43与调焦机构5连接，并根据调焦机构5输出的调节要求调节扩束后的高能激光的焦点的位置。优选地，振镜为XY双轴振镜。优选地，光路系统4还包括指示光光源45和指示光反光镜46，且指示光反光镜46位于扩束镜41的前侧并将指示光光源45发出的指示光反射到扩束镜41上，且激光器3输出的高能激光从指示光反光镜46透射到扩束镜41上。这样，在校正过程中，可利用光路系统4对激光器3输出的高能激光进行扩束，同时固定高能激光的传输路径，方便控制，完成高能激光的聚焦操作，方便高能激光完成对待校正回转体A的加工表面进行切割加工，提高了校正调整效率。

动平衡测量系统6用于测量待校正回转体A的不平衡质量和相位，并将测量结果传输到控制系统8中。其中，动平衡测量系统包括振动传感器61、光电探测器62、数据采集卡63和测量电路板64，振动传感器61采集待校正回转体A的振动数据并转换成振动电信号，光电探测器62检测待校正回转体A的转速数据并转换成转速电信号，数据采集卡63采集振动电信号和转速电信号并传输到测量电路板64中，测量电路板64根据振动电信号和转速电信号计算得出待校正回转体A的不平衡质量和相位。优选地，振动传感器61的数量为两个，并安装在工作台1上的两个支撑桥架11上。这样，可提高动平衡测量系统的测量精准度，进而提高该回转体动平衡校正装置的校正精度。

寻位系统7用于对待校正回转体A上的不平衡质量的位置进行定位，并将定位结果传输到控制系统8中。

气体供给系统9与控制系统8连接，并在控制系统8的控制下输出惰性气体对待校正回转体A的加工表面进行气体保护。这样，在激光器3输出的高能激光对待校正回转体A的加工表面进行激光切割加工时，可利用气体供给系统9输出惰性气体对待校正回转体A的加工表面进行气体保护，避免待校正回转体A的加工表面氧化而影响校正精度。优选地，气体供给系统9包括储气瓶91和出气管，出气管上设置有与控制系统8连接的气体控制阀92，且出气管的出气口931朝向待校正回转体A，这样，可利用控制系统8根据保护需要控制气体供给系统9输出的惰性气体的速度，从而在保证气体保护的前提下避免惰性气体浪费。

防尘结构10与控制系统8连接，并所在控制系统8的控制下罩设在待校正回转体A上或从待校正回转体A上撤下。防尘结构10可由两个半圆柱性壳体扣合形成。这样，在切割过程中，可利用防尘结构10对待校正回转体A上除需进行激光切割的不平衡点外的其余位置进行防尘保护，以避免因激光切割形成的粉尘吸附在待校正回转体A上而影响待校正回转体A的校正精度。

在进行校正时，控制系统8首先根据寻位系统7的定位结果控制驱动电机2驱动旋转轴12转动，使待校正回转体A上的不平衡质量的位置旋转至光路系统4输出的激光的作用区域内；再根据动平衡测量系统6的测量结果控制激光器3输出高能激光去除待校正回转体A上的不平衡质量，并在激光加工过程中利用控制系统8控制气体控制阀92，使出气管从出气口输出惰性气体到待校正回转体A的加工表面上，以便待校正回转体A的表面被氧化而影响待校正回转体A的校正精度。

该回转体动平衡校正装置利用动平衡测量系统测量出待校正回转体的不平衡质量和相位，利用寻位系统定位出待校正回转体上的不平衡质量的位置，并将定位结果传输到控制系统中，使控制系统根据定位结果控制驱动电机驱动待校正回转体转动至光路系统输出的激光的作用区域内，进而使控制系统根据测量结果控制激光器输出高能激光对待校正回转体进行非接触式的切割加工，去除待校正回转体上的不平衡质量，从而完成对待校正回转体的动平衡校正。该回转体动平衡校正装置利用控制系统根据动平衡测量系统的测量结果自动控制去除的不平衡质量的量，使得回转体的调整精度较高；利用高能激光对待校正回转体进行非接触式的切割加工，可实现微小不平衡质量的去除操作，调整难度大大降低；利用控制系统自动控制完成对回转体的动平衡校正操作，操作简单方便，调整效率高。

如3所示，本发明回转体动平衡校正方法包括如下步骤：

步骤S1、将待校正回转体A安装固定在回转体动平衡校正装置中的工作台上的旋转轴12上。

步骤S2、启动驱动电机2，带动旋转轴12转动，使待校正回转体A的转速达到工作转速，待振动传感器61的测量结果稳定后，动平衡测量系统6将测量结果传输到控制系统8中；控制系统8控制驱动电机2关停，使待校正回转体A停止转动。

步骤S3、控制系统8根据测量结果计算出高能激光的加工功率、频率和扫描次数以及待校正回转体A的加工半径。

步骤S4、控制系统8根据步骤S3中的计算结果控制调焦机构5对光路系统4进行调节，使光路系统4输出的高能激光的焦点位于待校正回转体A上的待减重位置的切面所在的水平平面上。

步骤S5、控制系统8根据寻位系统7的定位结果驱动驱动电机工作带动旋转轴转动，直至待校正回转体A上的不平衡质量的位置旋转至高能激光的作用区域内，并控制激光器3输出高能激光对待校正回转体A进行盲孔减重加工；待加工结束后，控制系统8控制待校正回转体A转动，直至待校正回转体A上的下一个不平衡质量的位置旋转至高能激光的作用区域内，并控制激光器3输出高能激光对待校正回转体A进行盲孔减重加工；重复本步骤，直至减重完成。优选地，在对待校正回转体A进行盲孔减重加工时，利用控制系统8控制气体供给系统9输出惰性气体对待校正回转体A的加工表面进行气体保护；利用控制系统8启动防尘结构10，使防尘机构10运动并罩设在待校正回转体A上对待校正回转体A上的除不平衡点外的位置进行防尘保护。

步骤S6、利用动平衡测量系统6对减重加工后的待校正回转体A进行复测，当待校正回转体A的不平衡质量不满足使用要求时，重复步骤S1至步骤S4；当待校正回转体A的不平衡质量满足使用要求时，校正完成。

实施例1

对回转速度为5000r/min的马达转子进行动平衡校正，采用波长为1064nm的红外脉冲激光，其输出平均功率为30W，转子的材质为不锈钢。先对马达转子进行相对零点的喷涂标记，再将马达转子安装在工作台上的支撑桥架上，并用压板和固定螺钉把旋转轴的两端固定安装在支撑桥架上，接通电源，进行动平衡校正。当光电探测器检测到转子速度达5000r/min时，开始利用动平衡测量系统对马达转子进行动平衡测量，左右的不平衡量分别为10mg(34°)和17mg(121°)且达到稳定后，驱动电机停止转动，马达转子自然停止，约用时50s，寻位系统运动，分别寻找出马达转子左右两边的不平衡点并利用驱动电机驱动马达转子转动，使马达转子上的不平衡点旋转至激光可加工区域内，利用激光器输出激光对马达转子进行质量去除，用时约3min。去除完成再进行动平衡复测，此时只有右侧的不平衡量3mg(76°)超过允许值，再次进行不衡量去除，用时约2min，去除完成后进行第二次复测，结果满足要求。总过程中无需人为参与，减少了劳动力，无工件的反复拆装，避免了安装引起的不平衡量误差，总用时8.6min效率明显提高。