全自动平衡机系统误差分析及标定方法研究

冯佳韵

（深圳市鑫精工平衡机有限公司，广东深圳 518000）

文章提出的全自动平衡机系统可以自动进行不平衡测量和误差校正。它由测量和控制单元、机械底座和执行单元组成。研究中推导出了不平衡测量和校正的方程式，根据推导出的方程式，计算出转子不平衡的大小和需要去除的质量。使用数据采集和控制卡来获得不平衡信号并实现自动化操作。使用具有高精度和快速响应的交流伺服电机来执行所尊重的动作。制造了一个样机来测试这个想法。实验结果表明，不平衡的减少率在一次校正中超过了95%。这对进一步的工业发展是非常重要的。

1 全自动化平衡机的结构概述

全自动平衡机是指在转子旋转的同时测量动平衡，得到不平衡的数值和位置，去除过大的部分，最终达到动平衡（或残留的不平衡部分在允许范围内）的装置。高精度自动平衡机的实现，取决于高精度的测量和高精度的平衡校正技术。就平衡校正方法而言，铣削校正和钻孔校正是实践中常用的两种方法。钻孔校正通常用于手工操作模式或半自动平衡校正系统。然而，铣削修正法具有效率高、易于自动化的特点，被广泛用于小型电机自动平衡修正。本文采用这种方法来开发全自动平衡机。系统由三部分组成：机身、控制系统、上位机上的管理软件。动平衡是旋转产品生产中普遍存在的一个基本问题，它的优劣将直接影响到产品的工作性能和使用寿命。尤其是随着设备向高速、高效率、高精度方向发展，动平衡问题越来越严重，一些领域已经成为影响整个工业生产质量的主要原因。例如，在汽车、电力设备等领域，随着电动机的快速、轻量的发展，这些产品的振动、噪声等性能的提高，对电机的动平衡技术的要求也随之提高。因此，对全自动动平衡自动线中的一个关键部件——动平衡测试装置进行了深入的研究。

动平衡装置是以测量转子转动时的不平衡离心力为基础，利用平衡器的支撑振动量（位移、速度、加速度或振动力），对转子的不平衡和相位进行平面上的解析和校准，从而达到对动平衡装置进行系统误差补偿的目的。动平衡机的检测准确度和一次不平衡下降率，既与其机械支撑系统、传动系统、测试系统等因素有关，还与其标定方法有很大关系。

全自动平衡机本体包括机械本体、交流电机、步进电机、铣刀和一些传感器，在立足点、驱动、运动和检测等方面起着重要作用。

全自动平衡机的机械基础由转台、转子床、夹具、铣削驱动和进料组成。转子床用于放置待平衡的转子，以进行不平衡度的测量。转盘用于放置夹持机构，通过驱动转子旋转实现铣削操作，同时修正不平衡。铣削机构由两部分组成，它们是铣刀旋转和进给。铣刀的旋转由交流变频电机驱动，而进刀则由交流伺服电机驱动。夹持机构由液压系统组成，以确保校准铣削顺利进行。

控制系统部分由步进电机控制卡、测量卡和PLC组成。其主要功能是信号采集、不平衡提取（幅值和相位值）、转速调节和控制，以及与PC 机的通信。安装在上位机上的管理软件负责整个系统运行过程中的协调、管理和维护。该软件是用DELPHI 7开发系统设计的，它可以采集数据采集板后的信息，也可以发出控制指令，控制电机和液压系统的动作。由于系统中采用的数据采集卡只能发送一路信号脉冲，考虑到系统中各电机的动作不同步，为了节约成本，所以采用自制的电机控制和选择卡。然后利用一条路的信号脉冲来控制多个交流伺服电机。

文章提到的全自动平衡机由3个交流伺服电机、1个交流变频电机和夹持活塞组成。交流伺服电机分别驱动转台、转盘旋转和铣刀。交流变频电机驱动铣刀旋转；旋转速度由数据采集卡的输出电压控制。液压系统由数据采集器给出的电压信号控制，实现夹持和松开。当测量到不平衡时，平衡的转子以一定的速度旋转，旋转台的伺服电机处于速度控制模式，而修正旋转台的伺服电机处于位置控制模式，然后使平衡的转子转到正确位置。

2 平衡标定控制过程

2.1 控制流程

全自动平衡机控制过程的主要工作是对不平衡值的检测和对不平衡转子的平衡校正。整个工作过程主要由两个阶段组成：动态平衡测量阶段与平衡校正阶段。

在第一阶段，转子不平衡值的提取算法是成功开发该系统的关键步骤。国内外学者已经讨论了很多提取算法，这些算法不是本文的重点。本阶段采用的控制策略如下：在工件加速旋转的过程中，继续进行测量信号分析。当捕捉到几个周期的稳定信号时，可以停止旋转的转子。在减速过程中，其他控制命令将同时执行。

在第二阶段，建立轮廓铣削修正模型是一个非常重要的步骤，它决定了消除不平衡的精度和所用时间。本系统采用的是R 型轮廓铣削修正模型。

2.2 平行调度算法

在本文的全自动平衡机系统中，安装在上位机上的管理软件要不断地与多个控制卡进行通信，及时响应多个实时请求信号，完成协调和管理工作。因此，采用什么样的调度算法对提高系统的并行性和效率起着至关重要的作用。通常，有两种设计思路：时间戳排序并发控制算法和基于轮回的算法。前者对延迟时间和公平性有很好的支持能力，但它很复杂，需要更多的系统资源。后者的时间复杂度为0（1），易于实现，但很难提供良好的短期公平性保障。在传统调度算法的基础上，综合DRR 算法和WF2Q 算法的优点，提出了基于序列的Round-Robin 算法，并在本系统中使用。之后得到了更好的公平性指数和0（1）的时间复杂度。

2.3 R型轮廓铣校正模型

转子的不平衡值是一个矢量，通常用g.mm 表示，指的是转子修正平面上的一个质量点乘以该点到转子轴的距离。事实上，它应该是不平衡向量的积分。考虑到其他因素（如粗糙和不规则的沟槽表面等），应该去除的不平衡部分不能是一个标准的拱形切片。本系统提出的R 型轮廓铣削矫正模型可以表示为：

式中，k是调整系数；ρ是工件的密度；L代表将被切割的拱形切片的长度；H代表深度；d代表铣刀的厚度；R是工件的半径；X=（R-h/2）代表不平衡矢量的半径。

根据式（1），为了得到一个合适的W值，可以改变H或L的值，因此，有两种方法可用于控制和加工。在实际应用中，用户可以根据工件的具体要求进行选择，让软件实施适当的控制策略。如果第一次的修正动作不能使工件达到平衡状态，在第二次甚至第三次使用的铣削修正模型，就会比较复杂。

2.4 控制系统执行流程

当控制系统运行时，首先进行初始化，然后铣刀、转台、液压钳等可以进行各自的初始位置。初始化后，主轴交流伺服电机处于速度控制模式。它将使转子在转速下运行，光电传感器和压电传感器输出信号，然后通过处置板由数据采集控制卡采集信号。根据测得的不平衡度，主控软件进行解码，得到转子的不平衡度和需要修正的铣刀进刀量。如果转子的不平衡度不合格，转子将以低速运行，当达到测量零点时，转子将停止，并使工作台电机处于位置控制模式，并运行到起始修正位置停止。然后液压钳夹住转子，控制铣刀以预设速度运行，并根据得到的进给量进给到给定的位置，然后电机带动转盘旋转，铣完后，铣刀倒退并停止运行，转盘回到初始位置，夹具松开，转盘处于速度控制模式，再次测量不平衡，不合格的应继续修正，而合格的则完成修正，取出转子后进行下一次不平衡修正。

3 不平衡的测量和纠正实验设计

3.1 测量原理

对于圆盘式转子，只需要单一方向的平衡控制机制，转子的零点位置是由光电传感器确定的。鉴于压电传感器的系数为k，可以根据矢量系数法通过试重试验得到系数k。

在不进行试重测量的情况下，测得的不平平衡U1为：

在式（2）中，U1是没有测试重量的不平衡量，u1是没有测试重量的压电传感器的电压，φ1是没有测试重量测量的转子的不平衡相。

用测试砝码测量不平衡量U2，其中旋转角为r，相位为φ0：

在式（3）中，U2是用测试砝码测量的不平衡；u2是用测试砝码测量的压电传感器的电压量；φ2是用测试砝码测量的转子的不平衡相。

对于不平衡是矢量，根据矢量的知识，可以从方程（2）和（3）得到方程（4）：

在式（4）中U0是测试重量的不平衡量。

在方程（5）中，ω是旋转速度。然后我们可以通过公式（2）到（5）得到系数k。

3.2 校准原则

如果忽略铣刀切入和切出转子的质量，那么从转子中取出的质量M如下：

在式（7）中，M是指从转子上去除的质量；2α是去除质量的角度；B是铣刀的宽度，ρ是转子的密度，R和r分别是铣削前和铣削后的转子半径。

被移除的质量的回转中心Ys如下所示：

由移除的质量引起的不平衡Q如下：

通过测量得到的不平衡度Q，然后可以通过公式（7）到公式（9）得到馈电量h：）

3.3 原型机测试实验

该系统的原型已经制造完成，铣削角度为70°，铣削宽度为10 mm。

设计的自动平衡机的测量数据与制造商的测试数据一致。然而，新型的原型机具有更高的精度，更好的稳定性。这表明，该系统在不平衡测试上是可行的。不平衡降低率在95%以上，最小残余不平衡率可达到0.3gmm/kg 以上，所以自动平衡机的校正是可行的。换句话说，该自动平衡机的设计思路、不平衡解码和理论方案是正确的，原型机可以自动和顺利地工作，它可以在工业中广泛使用。

4 结束语

自动动态平衡机是一个复杂的机电一体化设备，开发这样一个系统非常困难。文章介绍了全自动平衡机系统的组成和结构。并提供了这种结构下的系统控制过程。提出了R 型轮廓铣校正模型和一种并行调度算法。开发了原型机，并给出了实验结果和分析。实验和应用结果表明，文章提供的结构和控制策略对其他自动动态平衡机和类似项目的开发有一定的意义。不平衡信号可以通过数据采集和控制卡获得。此外，可以通过交流伺服电机来实现移动。本研究中推导出的计算不平衡度和校正的方程式是正确的。自动平衡机系统可以很好地实现对不平衡转子的动态平衡校正，不平衡减少率超过95%，最小残留不平衡率小于0.3gmm/kg。