偏心轴加工工艺研究

郭光 江西水利职业学院

偏心轴为移动刀提供振荡运动，并因其有效性能，耐腐蚀性，可靠性，长期使用等特点而广受赞誉。 缩短制造周期时间并实现高质量的操作夹具设计非常重要。偏心轴加工工艺对加工质量、生产率和产品成本具有直接影响。

1. 偏心轴的作用

偏心轴是轧花机的重要组成部分之一。 偏心轴是圆形或凸轮形盘，牢固地固定在旋转轴上，其中心偏离轴的中心。这在轧花操作中起着重要作用。这些轴为移动刀提供振荡运动或动作。对参数连杆的检查表明，偏心轴寿命取决于作用在偏心轴上的载荷，其几何形状，冶金特性和磨损。通过使用优质的原材料，先进的方法设计和制造偏心轴，可以提高生产率和高质量的操作。与曲轴相比，偏心轴提供更大的强度和支撑轴承更靠近驱动点。

偏心轴的特点如下：（1）随着偏心距离的增大，作用在电机上的扭矩增大，导致力条件差，结构复杂；（2）偏心轴通常具有偏心距离小的特点，因此只能提供小的位移。偏心轴是重要的元素，在轧花操作中起着重要作用。在偏心轴的设计和开发中，常见原料为合金钢，其成分为Fe（98.5%），Al（0.5%），C（0.5%）和 Mo（0.5%）。

2. 工作原理

步进电机的主轴由磁化驱动，然后由偏心轴驱动。其中集成到电主轴中，以偏心距离e作为半径旋转。由于偏心轴设计偏心距小，驱动活塞与气缸之间的摩擦力矩非常小，摩擦损失小，系统传动效率高。

滚针轴承带动驱动活塞上下移动，轴承的引入是为了减少偏心轴和从动活塞之间的摩擦。 当从动活塞向下移动时，下腔内的油通过输出活塞上的回流孔流入上腔，因此两腔内的压力相等; 回流孔的实际功能是形成内部差分电路。

一种模型参考T-S模糊跟踪控制器，T-S跟踪控制器和模型参考自适应控制器的混合结构，用于非线性偏心机构。为了解决这个非线性系统，运动控制系统可以显著减少不同运动条件下的位置和速度跟踪误差。

绕组函数理论显示了偏心故障对电动机电感的影响，并且使用非对称气隙函数进行仿真。偏心故障是定子和转子之间气隙不等的条件。当最小径向气隙长度的位置固定在空间中时，它被称为静态气隙偏心。在动态偏心的情况下，转子的中心不在旋转中心，因此最小气隙的位置随转子旋转。在实践中，允许气隙偏心率高达10%。为了模拟偏心故障，在与轴连接的盘的一侧附加了重物。对所有特征进行归一化以排除转子速度和负载，以便获得不同条件下的可比数据。静态和动态偏心率往往存在于实践中。偏心模型用于模拟偏心故障的影响。

3. 偏心轴加工工艺

3.1 振动控制

在控制设计的情况下，刚性转子的速度调节是一个简单的过程。即使对于在重力场中旋转的不平衡转子，也可以通过明确地补偿重力扰动来实现精确的速度控制，或者通过诸如滑动模式控制的高权限控制器来实现。然而，对于具有柔性轴的偏心转子，速度调节成为一项具有挑战性的任务，因为执行器既不与输出并置，也不与来自重力的时变扭矩相配合。这是一个实际问题，因为连接旋转构件的轴通常具有一定程度的柔性，如果没有适当地解决，这将限制操作速度和可实现的精度。编码器可用于记录有效载荷的运动以进行评估；它不向控制器提供反馈信号。进行数值模拟和实时实验以评估控制系统的性能。

3.2 电机与轴偏心连接

无刷型永磁电机特别适用于防抱死制动系统（ABS）中的泵。由于轴上的偏心连接，在安全运行模式下，需要保持电动机扭矩的最小值始终高于最大负载扭矩。这种解决方案至少有两个缺点。首先，电机尺寸过大。电机转矩的平均值远高于平均负载转矩。第二个问题是由电动机的低速引起的。电机转矩和负载转矩之间的差异在电机的一圈内发生变化。对于最大负载转矩，电机仅提供略高于所需值的转矩。相反，负载转矩等于零，负载和电动机之间的转矩差异很大。它会导致速度波动，尤其是在低范围内。速度波动又会在系统中产生额外的噪音。三相无刷电机也出现类似的波形。

3.3 偏心桨设计

偏心桨在陆地和水上存在几种运动模式。其中，有轮式和划桨等集中最常见的运动模式。通常，这几种运动可以通过旋转关节实现。所以这里出现的问题是，是否有可能在一个机制内执行轮式和划桨步态。

通过使用偏心桨机构，机器人可以在陆地上进行轮式行走以及水中的水上划桨步态。从壳体突出的每个桨叶外表面将在划桨运动期间用作控制表面并且在运动期间提供动力。这种新颖的设计为所提出的机器人带来了一定的优势。首先，通过使用偏心桨机构，机器人可以在陆地和水中使用相同的运动机制。在陆地上，桨叶起到轮子的作用。在水中，桨叶的突出区域用作控制表面以获得推力。通过改变桨叶轴的位置，可以简单地实现步态过渡。其次，桨叶的伸出和收缩行为是主动致动的。它使机器人比传统的轮式车辆具有更高的机动性。例如，通过突出其桨叶，机器人可以穿过崎岖地形。在平坦的地形上，桨可以缩回，作为轮子滚动。在水中运动时，机器人通过调整控制面的方向和大小来产生矢量推力。

3.4 曲轴扭矩平衡

曲轴等不规则形状的工件，车床的主轴系统难以在所需的恒转速下运转，因为重力不平衡扭矩产生于 工件的偏心不平衡重量。对于这种情况，重力不平衡扭矩可能由三个原因引起：轴颈不平衡，曲柄销不平衡和轴颈未对准。

为了保持恒定的运行速度以抵抗不规则的不平衡扭矩，通常除了主驱动电机之外还使用控制电机。然而，由控制电动机产生的静态预转矩是不平衡转矩的一半，因此它可以补偿工件的不平衡转矩的至少一半。主轴的转速变化或扭转振动可能对加工精度造成不良影响。

3.5 调整和验证气隙不对称性

在真实的机器上精确测量以及调整转子偏心是非常具有挑战性的，因为在感应电机中存在几种可能的气隙不对称源，最终导致固有的静态和动态偏心。参考系的原点定义了定子叠片的中心。从旋转轴到虚线圆的距离给出了在相应方向上产生的气隙。从复平面的中心开始，黑相（表示为定子外壳+层压）定义了所识别的固有偏心率的大小和位置。该阶段的终点是使用两个偏心套筒的所选布置的起点。因此，改变两个套筒的角度取向可以将得到的偏心率（红色相位）调节到任何幅度以及气隙长度内的方向。固有偏心度（定子外壳+层压）的相位通常在机器的两侧具有不同的大小和方向。

有四种可能的位置来通过壳体中的孔光学地测量气隙。为了检测气隙长度，必须在机器内部实现适当的照明。为了研究感应电机参考气隙不对称性的特性，有必要考虑整个机械装置的上述非理想特性。必须确定机器制造中的公差以及偏心套筒。这种耗时的过程对于提供准确可靠的测量结果是必要的。测量机器每侧沿圆周的四个不同位置处的气隙长度，可以达到几十μm的精度。除了使用数码相机测量气隙长度外，还可以在机器的每一侧放置两组激光传感器来测量轴的位置。

4. 结语

由于偏心轴设计偏心距小，摩擦力矩非常小，导致摩擦损失小，系统效率高。由于轴上的偏心连接，泵的特征在于轴的一圈上的负载扭矩的变化。偏心质量的转速改变主轴的振动可能会对机器精度产生不良影响。偏心轴的正确设计和良好的加工工艺可以减少振动，最终使操作无噪音和平稳，提高了效率和加工的质量。