高速电主轴系统的在线动平衡及其仿真研究

　　动平衡技术是高速电主轴的关键技术之一。目前，几乎所有的平衡措施都为停机作业的离线动平衡，花费较多人力、财力和时间，造成直接的经济损失。为了减少损失并且提高效率和加土精度，必须要求转子系统能够实现符合一定动平衡精度的在线动平衡

　　从不平衡量形成原因着手，主要有两种平衡，第一种是用一强制力与不平衡量相消(大小相等、方向相反)，如基于电动机土作原理的电磁式间接在线动 平衡头，其缺点是能耗大;第二种是从几何观点出发，将转子系统的不平衡质心移到平衡质心，如基于影响系数法动平衡控制的电磁式混合在线动平衡头，其缺点是 平衡过程需要一定的响应时间。

　　针对德国GMN公司电主轴系统HC120cg -22000/6电主轴，综合运用这两种思路，设计一套优化的动平衡补偿装置，实现“实时节能”的在线动平衡补偿。提出设计方案，利用Pro /Engneer3 . 0工程软件，建立此动平衡装置三维实体几何模型，并进行模型的虚拟装配，以建立好的几何模型为基础，借助Mech/Prc接口模块在ADAMS工程软件中 建立运动仿真模型通过仿真分析，证明该平衡装置能够实现预期的动平衡效果。

　　1设计方案

　　图1所示为高速电主轴在线动平衡实验装置。该装置采用高速电主轴悬臂平衡头系统，支撑采用陶瓷轴承。电主轴工作过程中预先设定了振动大小(高速 主轴的最大质量重心偏移量)的极限，当测量的振动值高于设定的参考值时，程序执行动平衡。甚至在程序完成平衡之后，随着旋转速度的改变而产生的新的振动量 再次大于设定值时.系统仍继续监测主轴状态。

　　按照图1、2所示实验装置模型和平衡头结构模型，要求传感器实时监测不平衡量、主轴转速、不平衡量相位、滑盘b、c上平衡块b、c相位。当出现 超标不平衡振动时，由非接触式电涡流传感器接收振动信号并进行滤波;由光纤传感器1、2分别测量主轴转速和振动相位。这三路电信号经A/ D转换后进入单片微机控制系统，数据处理后计算出精确的不平衡量大小及相位;得到的不平衡振动量和影响系数事先输入程序中，用来计算平衡块矢量，确定最佳 相位角。其信号经D/A转换和PWM(脉冲宽度解调)后控制驱动电路驱动平衡头工作。

　　图3所示为控制过程原理图。按照图2所示模型，结合图3原理图，首先，在a一a工作部分处，通过控制电路驱动调节定子铁心a的励磁电流i、相位 导通时间t、初始导通相:产生时空旋转电磁力F1。F1与不平衡力F大小相等、相位相差1800，实时地补偿不平衡力;接着，在平衡头的b一b,c一c工 作部分处，电磁铁b、c导通，按照如下两步骤依次进行:第一步，控制程序调节电流逐渐增加电磁力，当增加至与弹性元件弹性力相等时，保持电流恒定。此时滑 盘b、c处于受力平衡状态，可以自由转动;第二步，定子铁心b、c导通励磁电流i，由数据运算处理器驱动电路，通过所设的影响系数法移动原则控制平衡块的 移动过程，使滑盘b、c旋转到需要方向，合成与不平衡力F大小相等方向相反的力F2。并且由于运用了影响系数法控制策略，在平衡块转移到所需位置时，滑盘 达到与主轴同步旋转的速度。注意，此时F2并未施加于电主轴最后，数据运算处理器驱动电路发出新指令，电磁铁h、c及定子铁心a、h、c同时一断开，滑盘 h、c被压板h,c牢牢压紧，在足够大的摩擦力作用下与电主轴同步旋转。此时时空旋转电磁力消失，平衡块合成力F2使转子系统质量再分布，使整个高速电主 轴系统达到一定的动平衡精度。之后，保持该平衡状态，结束此次平衡工作。