一种高速电主轴的在线动平衡补偿装置及其补偿方法

摘要

本发明涉及主轴在线动平衡技术领域，尤其涉及一种高速电主轴的在线动平衡补偿装置及其补偿方法。本发明的基本思想是采用两套所述补偿装置，使其合成一个不平衡矢量，以平衡所述电主轴转子的不平衡矢量。与现有技术相比，本发明实施例所提供的补偿装置，结构简单，安装方便。在补偿过程中，通过改变所述补偿装置中自身带有不平衡矢量的平衡环与所述转子的相对位置关系来平衡所述转子的不平衡矢量，不加重也不去重，不会破坏所述转子本身的质量，无须停机。同时，在所述平衡环两侧加入弹性元件使得在补偿过程中，无须一直对所述平衡环施加外力，可节省能耗。

说明书

技术领域

本发明涉及主轴在线动平衡技术领域，尤其涉及一种高速电主轴的在线动 平衡补偿装置及其补偿方法。

背景技术

旋转机械的转子在转动时，由于机械加工中，材料密度分布不均匀、加工 毛坯的缺陷、加工误差、装配误差或者设计等原因，都或多或少使转子质量分 布不均匀，从而产生转子不平衡的问题。而由于转子不平衡引起的振动是旋转 机械振动中最为常见的一种现象，特别对高速旋转的设备尤为常见。尽管很多 大型旋转机械在制造厂都做过单转子平衡，但由于现场运行条件与制造厂进行 平衡的条件不同，轴系平衡状态可能会由于安装、运行条件、磨损、甚至部件 飞脱、热变形等原因发生变化。据有关资料统计，旋转机械由于振动原因导致 设备失效的大约为60％～70％，其中，因转子不平衡而导致失效的比例为30% 左右。转子不平衡给机电设备的工作性能造成了很大的负面影响，同时也是诱 发、加剧其它故障的重要原因。因转子不平衡而引起振动的问题已日益突出， 甚至在一些领域已经成为制约整个行业产品质量、性能进一步提高的瓶颈，动 平衡技术的重要性也愈加彰显。

近年来，数字信号处理技术、通信移植技术、总线技术、自动控制技术等 的快速发展，带动了高速度﹑高精密性的动平衡技术数字化、智能化、网络化 日新月异的发展。现代转子动平衡技术通常可分为工艺动平衡、现场动平衡、 在线动平衡三类。工艺动平衡是指在动平衡机上进行的平衡；现场动平衡是指 转子在实际工作的条件下，利用一些现场测试和分析设备对转子实施的平衡操 作；在线动平衡是指在机组不停机的状态下，利用一种自动控制机构来实现对 转子系统的平衡的方法。

目前，在线动平衡补偿方法归纳起来可分为二大类，第一类从质量方面着 手，通过加重去重的方法直接将转子的重心移到旋转中心，称之为直接在线动 平衡装置，包括喷涂法、喷液法及激光去重法等。第二类采用力的方法，即给 转子长期提供与不平衡矢量方向相反、大小相等的力，当转子旋转时，将其重 心强拉至旋转中心，称为间接在线动平衡装置，如采用电磁轴承方法及电磁圆 盘方法等。上述第一类方法会破坏转子的质量，容易产生新的不平衡，效率低。 对于上述第二类方法，圆盘在运行过程中一直受平衡电磁力的作用，对于长期 运行的旋转机械来说，能耗大，并且机械结构复杂、操作繁琐、故障率高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高速电主轴的在线动平衡补偿装 置、用于控制两套所述补偿装置的控制系统、采用两套所述补偿装置及所述控 制系统对所述高速电主轴进行在线动平衡补偿的补偿方法。

所述补偿装置，包括：

第一内环，其固定地套在所述电主轴的转子上，随所述转子同步转动；

第二内环，其与所述第一内环交错相对，且固定地套在所述转子上，随所 述转子同步转动；

平衡环，其自身带有一个不平衡矢量，套在所述第一内环及第二内环上， 在其中一个内环的驱动下随该内环同步转动，并能在外力的作用下沿所述转子 轴心方向作轴向移动，作轴向移动时，所述平衡环由其中一个内环驱动切换为 由另一个内环驱动，每当所述平衡环由其中一个内环驱动切换为由另一个内环 驱动时，所述平衡环就相对所述转子转动一个角度。

进一步地，所述平衡环两侧安装有弹性元件，所述弹性元件以大小相等， 方向相反的力将所述平衡环向中间压紧，使所述平衡环保持同时套在所述第一 内环及第二内环上。

所述控制系统，包括：

检测模块，其分散安装在第一套所述补偿装置的平衡环(简称第一平衡环)、 第二套所述补偿装置的平衡环（简称第二平衡环）及所述转子上，用于检测所 述转子的振动、转速及位置信号以及所述第一平衡环、第二平衡环的转速及位 置信号。

信号处理模块，其与所述检测模块连接，用于对所述转子的振动信号进行 预处理；

第一通信模块，其与所述检测模块连接；

控制模块，其与所述第一通信模块及所述信号处理模块连接，用于实时检 测通过第一通信模块接收到的所述转子的振动信号以及通过信号处理模块接收 到的所述转子、第一平衡环及第二平衡环的转速及位置信号，并根据上述信号 判断所述转子的振动强度是否超标，以及如果超标，所述第一平衡环及第二平 衡环需要切换驱动内环的次数；

第二通信模块；

驱动模块，其通过所述第二通信模块与所述控制模块连接，用于根据通过 所述第二通信模块接收到的所述第一平衡环及第二平衡环需要切换驱动内环的 次数控制所述第一平衡环及第二平衡环相对所述转子转动，以平衡所述转子的 不平衡矢量。

进一步地，所述检测模块包括：

转子振动电涡流传感器，其安装在所述转子上，用于检测所述转子的振动 信号;

所述信号处理模块包括：

信号调理模块，其与所述转子振动电涡流传感器连接，用于将所述转子的 振动信号进行滤波处理；

A/D转换模块，其与所述信号调理模块连接，用于将经过滤波处理后的振 动信号转换为数字信号。

进一步地，所述检测模块包括：

第一平衡环电感传感器，其安装在所述第一平衡环上，用于检测所述第一 平衡环的转速及位置信号；

第二平衡环电感传感器，其安装在所述第二平衡环上，用于检测所述第二 平衡环的转速及位置信号；

转子基准电感传感器，其安装在所述转子上，用于检测所述转子的转速及 位置信号；

所述第一通信模块包括一第一光电隔离器，其与所述第一平衡环电感传感 器、第二平衡环电感传感器及转子基准电感传感器连接。

进一步地，所述控制模块包括：

微控制器，以及与所述微控制器连接的电源管理模块、时钟模块、上位机、 显示模块、报警模块、随机存取存储器；

所述微控制器与所述A/D转换模块及所述第一光电隔离器连接，用于实时 检测通过所述第一光电隔离器接收到的所述转子的振动信号以及通过所述A/D 转化模块接收到的所述转子、第一平衡环及第二平衡环的转速及位置信号，并 根据上述信号判断所述转子的振动强度是否超标，以及如果超标，所述第一平 衡环及第二平衡环需要切换驱动内环的次数。

进一步地，所述第二通信模块包括一第二光电隔离器；

所述驱动模块包括一喷气装置，所述喷气装置包括：

喷气口通断控制电路，其与所述第二光电隔离器连接，用于根据通过该第 二光电隔离器接收到的所述微控制器的命令控制下述四个喷气口喷气，使相应 平衡环沿所述转子轴心做轴向移动，以切换相应平衡环的驱动内环，最终使相 应平衡环相对所述转子转动到相应位置，以在最大程度上抵消掉所述转子的不 平衡矢量；

第一左喷气口，其安装在所述第一平衡环左侧，且与所述喷气口通断控制 电路连接，用于控制所述第一平衡环沿所述转子轴心向右移动；

第一右喷气口，其安装在所述第一平衡环右侧，且与所述喷气口通断控制 电路连接，用于控制所述第一平衡环沿所述转子轴心向左移动；

第二左喷气口，其安装在所述第二平衡环左侧，且与所述喷气口通断控制 电路连接，用于控制所述第二平衡环沿所述转子轴心向右移动；

第二右喷气口，其安装在所述第二平衡环右侧，且与所述喷气口通断控制 电路连接，用于控制所述第二平衡环沿所述转子轴心向左移动。

所述补偿方法，包括：

补偿装置安装步骤：将两套如权利要求1或2所述的补偿装置安装在所述 转子上；

信号检测步骤：检测模块检测所述转子的振动、转速、位置信号及第一平 衡环及第二平衡环的转速及位置信号；

信号处理步骤：控制模块根据上述信号判断所述转子振动是否超标，以及 如果超标，所述第一平衡环及第二平衡环为平衡所述转子的不平衡矢量需要切 换驱动内环的次数；

补偿执行步骤：驱动模块根据所述第一平衡环及第二平衡环需要调节驱动 内环的次数控制所述第一平衡环及第二平衡环相对所述转子转动到相应位置， 以平衡所述转子的不平衡矢量。

进一步地，所述补偿方法还包括：

信号预处理步骤：信号处理模块对所述转子的振动信号进行预处理。

进一步地，所述补偿方法还包括：

补偿结果验证步骤：控制模块实时检测所述转子的振动强度是否回到标准 范围内，如振动强度回到标准范围内，则返回所述信号检测步骤，否则，返回 所述信号处理步骤。

本发明的基本思想是采用两套所述补偿装置，使其合成一个不平衡矢量， 以平衡所述转子的不平衡矢量。与现有技术相比，本发明实施例所提供的补偿 装置，结构简单，安装方便。在补偿过程中，通过改变所述补偿装置中自身带 有不平衡矢量的平衡环与所述转子的相对位置关系来平衡所述转子的不平衡矢 量，不加重也不去重，不会破坏所述转子本身的质量，无须停机。同时，在所 述平衡环两侧加入弹性元件使得在补偿过程中，无须一直对所述平衡环施加外 力，可节省能耗。

附图说明

图1：本发明实施例提供的补偿装置安装在转子上时的立体示意图；

图2：本发明实施例提供的补偿装置安装在转子上时的主视图；

图3：本发明实施例提供的第一内环主视图；

图4：本发明实施例提供的第二内环主视图；

图5：本发明实施例提供平衡环主视图；

图6：本发明实施例提供的补偿装置安装在转子上时的侧视图；

图7：本发明实施例提供的补偿装置安装在转子上时的透视图1；

图8：本发明实施例提供的补偿装置安装在转子上时的透视图2；

图9：本发明实施例提供的带喷气口的两套补偿装置安装在转子上时的主视图； 图10：本发明实施例提供的通过两套补偿装置对转子实行在线动平衡原理图； 图11：本发明提供的控制系统示意图；

图12：本发明实施例提供的控制系统示意图；

图13：本发明实施例提供的补偿方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本实施例提供的补偿装置安装在转子上时的立体示意图。

图2示出了本实施例提供的补偿装置安装在转子上时的主视图。

根据图2，本实施例提供的补偿装置，包括：

第一内环31，其固定地套在所述电主轴的转子1上，随转子1同步转动；

第二内环32；其与第一内环31交错相对，且固定地套在转子1上，随转 子1同步转动。

平衡环2，其自身带有一个不平衡矢量，套在第一内环31及第二内环32 上，在其中一个内环的驱动下随该内环同步转动，并能在外力的作用下沿转子 1轴心方向作轴向移动，作轴向移动时，平衡环2由其中一个内环驱动切换为 由另一个内环驱动，每当平衡环2由其中一个内环驱动切换为由另一个内环驱 动时，平衡环2相对转子1转动一个角度。

进一步地，平衡环2两侧安装有一弹性元件4，弹性元件4以大小相等、 方向相反的力将平衡环2向中间压紧，使平衡环2保持同时套在第一内环31 及第二内环32上。

为更好理解本发明，以下对本发明实施例作具体说明：

图3及图4分别为第一内环31及第二内环32主视图，根据图3及图4所 示，第一内环31与第二内环32完全相同，且都与转子1过盈连接。

图5为平衡环2主视图，根据图5所示，平衡环2上有内齿及一圆形缺口， 该圆形缺口为平衡环2提供不平衡矢量。

图6为所述补偿装置安装在转子1上时的侧视图(未标示出所述弹性元件 4)，根据图6所示，第一内环31与第二内环32交错相对。

图7及图8为所述补偿装置的透视图（未标示出弹性元件4），根据图7及 图8可以看出，第一内环31与第二内环32同时嵌入平衡环2的内齿中，当平 衡环2沿转子1的轴心方向向左移动时，平衡环2可切换到由第一内环31驱动； 当平衡环2沿转子1轴心方向向右移动时，平衡环2可切换到由第二内环32 驱动。每当平衡环2由一个内环驱动切换到由另一个内环驱动时，平衡环2就 相对转子1转动一个角度。

根据图7和图8还可以看出，当平衡环2切换了驱动内环后，在弹性元件 4的作用下回到初始位置的过程中，平衡环2与第一内环31及第二内环32的 驱动关系并不会受到影响。

根据图9及图10所示，每套所述补偿装置可为转子1提供一个不平衡矢量 （即平衡环2自身所带的不平衡矢量）,采用两套所述补偿装置可为转子1提供 两个不平衡矢量U1和U2,将这两个不平衡矢量根据矢量合成法则叠加可形成一 个合成矢量U’。当第一套所述补偿装置的平衡环（简称第一平衡环21）及第二 套所述补偿装置的平衡环（简称第二平衡环22）相对转子1转动到适当位置时， 所述合成适量U’就能够在最大程度上抵消转子1的不平衡矢量U,使转子1的 振动强度回到标准范围内，从而达到在线动平衡的目的。

根据图11，本实施例提供的用于控制两套所述补偿装置的控制系统，包括：

检测模块3，其包括：

第一平衡环电感传感器31，其安装在第一平衡环21上，用于检测第一平 衡环21的转速及位置信号；

第二平衡环电感传感器32，其安装在第二平衡环22上，用于检测第二平 衡环22的转速及位置信号；

转子基准电感传感器33，其安装在转子1上，用于检测转子1的转速及位 置信号；

转子振动电涡流传感器34，其安装在转子1上，用于检测转子1的振动信 号；

信号处理模块4，其包括：

信号调理模块41，其与转子振动电涡流传感器34连接，用于将转子1的 振动信号进行滤波处理；

A/D转换模块42，其与信号调理模块41连接，用于将经过滤波处理后的振 动信号转换为数字信号；

第一通信模块5，其包括：

第一光电隔离器51，其与第一平衡环电感传感器31、第二平衡环电感传感 器32、转子基准电感传感器33连接；

控制模块6，其包括：

微控制器61，以及与微控制器61连接的电源管理模块62、时钟模块63、 上位机64、显示模块65、报警模块66、随机存取存储器67；

微控制器61与A/D转换模块42及第一光电隔离器51连接，用于实时检测 通过第一光电隔离器51接收到的转子1的振动信号以及通过A/D转化模块42 接收到的转子1、第一平衡环21及第二平衡环22的转速及位置信号，并根据 上述信号判断转子1的振动强度是否超标，以及如果超标，第一平衡环21及第 二平衡环22需要切换驱动内环的次数；

第二通信模块7，其包括：

第二光电隔离器71；

驱动模块8，其包括一喷气装置，所述喷气装置包括：

喷气口通断控制电路81，其与第二光电隔离器71连接，用于根据通过第 二光电隔离器71接收到的微控制器61的命令控制下述四个喷气口喷气，使相 应平衡环沿转子1轴心做轴向移动，以切换相应平衡环的驱动内环，最终使相 应平衡环相对转子1转动到相应位置，以在最大程度上抵消掉转子1的不平衡 矢量；

第一左喷气口82，其安装在第一平衡环21左侧，且与喷气口通断控制电 路81连接，用于控制第一平衡环21沿转子轴心向右移动；

第一右喷气口84，其安装在第一平衡环21右侧，且与喷气口通断控制电 路81连接，用于控制第一平衡环21沿转子轴心向左移动；

第二左喷气口83，其安装在第二平衡环22左侧，且与喷气口通断控制电 路81连接，用于控制第二平衡环22沿转子轴心向右移动；

第二右喷气口85，其安装在第二平衡环22右侧，且与喷气口通断控制电 路81连接，用于控制第二平衡环22沿转子轴心向左移动。

上述4个喷气口与第一平衡环21及第二平衡环22的位置关系可参考图9 所示。

根据图13，本实施例提供的采用两套所述补偿装置及所述控制系统的补偿 方法，包括：

补偿装置安装步骤：将两套所述补偿装置安装到转子1上；

信号检测步骤：转子振动电涡流传感器34实时检测转子1的振动信号，并 发送到信号调理模块41；转子基准电感传感器33、第一平衡环电感传感器31、 第二平衡环电感传感器32分别实时检测转子1、第一平衡环21、第二平衡环 22的转速及位置信号，并发送到光电隔离器51；

信号预处理步骤：信号调理模块41对转子1的振动信号进行滤波处理，

A/D转换模块将滤波后的转子1的振动信号转换为数字信号，并发送到微 控制器61，光电隔离器51将转子1、第一平衡环21、第二平衡环22的转速及 位置信号发送到微控制器61；

信号处理步骤：微控制器61判断转子1的振动是否超标，如未超标，则继 续检测，如超标，则微控制器61根据转子1的振动、转速及位置信号计算出所 述转子1的不平衡矢量，再结合第一平衡环21及第二平衡环22的位置信号， 根据矢量合成法则分别计算出第一平衡环21及第二平衡环22所需要调节的角 度，再将其转换为第一平衡环21及第二平衡环22分别需要切换驱动内环的次 数；

补偿执行步骤：喷气口通断控制电路81根据通过第二光电隔离器71接收 到的微控制器61的命令控制下述四个喷气口喷气，使相应平衡环沿转子1轴心 做轴向移动，以切换相应平衡环的驱动内环，最终使相应平衡环相对转子1转 动到相应位置，以在最大程度上抵消转子1的不平衡矢量；

补偿结果验证步骤：微控制器61实时检测转子1的振动信号，确认转子1 的振动强度是否回到标准范围内，如果回到标准范围内，则返回所述信号处理 步骤，否则，返回所述信号处理步骤。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明 的保护范围之内。