一种主动式高速主轴在线动平衡头及其控制系统

摘要

本发明涉及一种主动式高速主轴在线动平衡头及其控制系统，属于精密超精密加工及自动化领域。该在线动平衡头为纯机械式结构，其核心是左右对称的两个校正用平衡盘组件及其驱动机构，平衡头机械结构简单可靠，轴向尺寸小；该平衡头控制系统包括气动系统和电气系统两个部分，气动系统实现电—气信号转换及驱动平衡盘组件位置调节，气源取用方便，对大气无污染；电气系统实现信号采集、分析及控制信号输出的功能；本发明对于高速精密超精密加工具有重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种主动式高速主轴在线动平衡头及其控制系统，属于精密超精密加工及自动化领域。

背景技术

主轴旋转所产生的不平衡离心力与转速的平方成正比，对于高速主轴系统，即使微小的不平衡量也可能产生非常大的不平衡离心力，引起机床振动、轴承磨损等故障。因此，高速主轴系统的不平衡量严重影响着机床的加工精度和使用寿命。

主轴系统动平衡的任务就是确定高速主轴系统不平衡量的大小和方向，然后在其相反的方向某一半径处加一平衡质量，使附加不平衡量与主轴系统不平衡量的大小相等、方向相反，以减小或消除高速主轴系统的不平衡量。因此，动平衡是减少主轴系统不平衡量，促进机床向高速、高效、高精方向发展的关键性基础技术。

主轴系统动平衡技术通常分为工艺动平衡、现场动平衡、在线动平衡。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平衡的方法。在线动平衡可在主轴工作转速下自动识别不平衡量的大小和相位，并自动完成平衡工作，与传统的平衡方法相比，在线动平衡具有避免频繁开关机试重，提高平衡效率和精度，同时可根据机床加工工况等因素的改变而对不平衡量实施自动平衡的优点。因此高速主轴系统自动在线平衡越来越得到人们的关注。

本发明针对高速机床主轴结构特点，发明了一种机械结构简单，轴向尺寸较小，准确可靠，实际应用时对现有机床主轴系统改动不大的动平衡头及其控制系统，对于高速精密超精密加工具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有高速主轴在线动平衡装置结构和驱动系统复杂，轴向尺寸较大，难以在现有的机床上实现应用等缺点。提出了一种由棘轮棘爪机构带动平衡盘组件与主轴同步旋转，由高压脉冲气体力驱动平衡盘径向位置的调节，主轴系统不平衡状态可调、可控的在线动平衡头及其控制系统。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

一种主动式高速主轴在线动平衡头的机械结构包括平衡头及喷嘴机构。

平衡头由两个平衡盘组件及相关安装部件组成，由两个平衡盘组件的固有不平衡量合成平衡头所需的校正量。平衡盘组件由平衡盘本体（3）、侧盖（4）、沉头螺钉（7）、基准螺栓（8）组成。主要安装部件包括圆螺母（2）、安装环（5）、双肩套筒（6）等。平衡头在主轴（1）上的装配关系如图1和图2所示。

平衡盘本体（3）的结构如图3和图4所示，其特征为内外圈均是齿状结构，外齿圈内侧本体上距盘中心适当半径处加工一螺纹状不平衡孔（A1），两侧面中央部位各加工一个侧盖安装槽（A3），安装槽内加工8个螺纹孔（A2）。基准螺栓（8）通过不平衡孔（A1）与平衡盘本体（3）固定，基螺栓（8）与不平衡孔（A1）的质量差等效为平衡盘组件的固有不平衡质量。侧盖（4）的结构如图5和图6所示，其特征为带中心孔的对称盘状结构，盘上均匀加工四个安装孔（A4）。侧盖（4）通过四个沉头螺钉（7）与平衡盘本体（3）固定。安装环（5）的结构如图7和图8所示，其特征为带外伸弹性爪（A5）的对称环形结构，四个弹性爪（A5）沿环带周向均匀分布。安装环（5）内置于平衡盘本体（3）内部及两侧盖（4）之间，四个弹性爪（A5）与平衡盘本体（3）内圈齿啮合，形成棘轮棘爪机构，正常工作时，由棘轮棘爪机构带动平衡盘组件与主轴（1）同步旋转。双肩套筒（6）的结构如图9和图10所示，其特征为整体加工对称式结构。安装环（5）通过过盈配合安装于双肩套筒（6）的肩部，侧盖（4）与双肩套筒（6）的肩部之间为间隙配合。双肩套筒（6）通过过盈配合安装于主轴（1）的肩部，并由圆螺母（2）实现轴向固定。

喷嘴机构装配图如图11所示。喷嘴机构由喷嘴（9）、压盖（10）、喷嘴座（11）、支架（12）、底座（13）及沉头螺钉（14）构成。喷嘴（9）为整体加工部件，外形上加工标准管接头（A6）及喷嘴卡位槽（A7），喷嘴卡位槽（A7）置于喷嘴座（11）及压盖（10）的半圆槽（A8）内，并由沉头螺钉（14）通过光孔（A10）及螺纹孔（A9）固定。喷嘴座（11）、支架（12）及底座（13）为整体加工式结构。喷嘴机构通过底座（13）安装与平衡盘组件的下方。喷嘴机构及平衡盘组件的位置关系如图17所示。当平衡盘组件相对于主轴（1）基准点的径向位置需要调整时，脉冲气流通过喷嘴（9）喷向平衡盘本体（3）的齿状外缘，一个脉冲气流推动平衡盘本体（3）滑过弹性爪（A5）一个内齿的角度。

一种主动式高速主轴在线动平衡头的控制系统包括气动系统和电气系统两部分。

气动控制系统用于将计算机输出的电脉冲信号转化为高压脉冲气流信号，保证一个高压脉冲气流信号使平衡盘的位置调整一个齿的角度，系统原理如图18所示。气动控制系统由喷嘴（9）、两位两通阀（B1）、三通（B2）、压力表（B3）、减压阀（B4）、气源（B5）、高压软管（L1）及接头构成。喷嘴（9）通过高压软管（L1）与两位两通阀（B1）的出气口相连，两位两通阀（B1）的进气口通过高压软管（L1）与三通（B2）的出气口相连，三通（B2）的进气口通过高压软管（L1）与减压阀（B4）的出气口相连，减压阀（B4）的进气口通过高压软管（L1）与气源（B5）相连。减压阀（B4）与压力表（B3）为整体式结构。计算机输出的脉冲控制信号经过放大后控制两位两通阀（B1）电磁控制端（CS1、CS2、CS3、CS4）电流的通断，进而控制两位两通阀（B1）输出高压脉冲气流信号。

电气监控系统用于实现主轴振动及基准位置监测、平衡盘位置监测、不平衡振动信号分析、平衡盘调节位置计算、脉冲控制信号输出等功能，系统原理如图19所示。电气监控系统由电涡流传感器（C1）、光电传感器（C2）、信号采集卡（C3）、电脑（C4）、智能多路控制器（C5）及数据线（L2）构成。电涡流传感器（C1）与主轴（1）非接触，并通过数据线（L2）与信号采集卡（C3）相连。光电传感器（C2）与基准螺栓（8、15）非接触，并通过数据线（L2）与信号采集卡（C3）相连。信号采集卡（C3）通过PCI插槽与电脑（C4）相连。电脑（C4）通过RS232接口与智能多路控制器（C5）相连，智能多路控制器（C5）的四个输出口分别与四个两位两通阀（B1）的控制端相连。电涡流传感器（C1）用于测量主轴（1）不平衡振动信号，光电传感器（C2）用于测量平衡盘组件及主轴（1）基准信号。电脑（C4）对在线采集信号进行分析，实时计算满足主轴系统不平衡量最小时平衡盘组件相对主轴基准的位置。并根据位置调整要求输出多路电脉冲信号，进而控制平衡盘组件不平衡量相对于主轴基准相位的调节。

与现有技术相比较，本系统具有以下优点：

1、平衡头设计为主轴箱内置式，机械结构简单，可靠性较高。尤其是平衡头轴向尺寸小，应用于实际机床时对机床主轴的尺寸改动不大，为平衡头的实际应用提供方便。

2、在盘式在线动平衡头的基础上，采用由棘轮棘爪机构驱动平衡盘与主轴同步旋转，高压脉冲气流实现平衡盘径向位置调整的设计理念。气流压力及脉冲宽度可调，确保一个脉冲气流使平衡盘的位置调整一个内齿角度。工作介质为空气，取用方便，对环境无污染。

3、平衡头由平衡盘本体等部件组装而成，一个平衡头可实现主轴系统的单面动平衡，两个平衡头可实现双面动平衡。平衡头的应用灵活。

4、平衡头整体为机械结构，对主轴系统无电磁干扰。

图1 平衡头在主轴上的装配图

图2 平衡头装配局部放大图

图3 平衡盘本体主视图

图4 平衡盘本体剖视图

图5 平衡盘侧盖主视图

图6 平衡盘侧盖剖视图

图7 安装环主视图

图8 安装环剖视图

图9 双肩套筒主视图

图10 双肩套筒剖视图

图11 喷嘴机构装配图

图12 喷嘴半剖主视图

图13 喷嘴座主视图

图14 喷嘴座俯视图

图15 喷嘴压盖主视图

图16 喷嘴压盖俯视图

图17 喷嘴机构与平衡盘组件位置关系

图18 气动控制系统原理图

图19 电气监控系统图

图中：1、主轴，2、圆螺母，3、平衡盘本体，4、侧盖，5、安装环，6、双肩套筒，7、沉头螺钉，8、基准螺栓，9、喷嘴，10、压盖，11、喷嘴座，12、支架，13、底座，14、沉头螺钉，15、基准螺栓，A1、不平衡孔，A2、螺纹孔，A3、侧盖安装槽，A4、安装孔，A5、弹性爪，A6、标准管接头，A7、卡位槽，A8、半圆槽，A9、螺纹孔，A10、光孔，B1、两位两通阀，B2、三通，B3、压力表，B4、减压阀，B5、气源，C1、电涡流传感器，C2、光电传感器，C3、信号采集卡，C4、电脑，C5、智能多路控制器，L1、高压软管，L2、数据线，CS1、CS2、CS3、CS4、电磁控制端。

具体实施方式

1、平衡头结构与功能实现

一种主动式高速主轴在线动平衡头的机械结构包括平衡头及喷嘴机构。

平衡头由两个平衡盘组件及相关安装部件组成，由两个平衡盘组件的固有不平衡量合成平衡头所需的校正量。平衡盘组件由平衡盘本体（3）、侧盖（4）、沉头螺钉（7）、基准螺栓（8）组成。主要安装部件包括圆螺母（2）、安装环（5）、双肩套筒（6）等。平衡头在主轴（1）上的装配关系如图1和图2所示。

平衡盘本体（3）的结构如图3和图4所示，其特征为内外圈均是齿状结构，外齿圈内侧本体上距盘中心适当半径处加工一螺纹状不平衡孔（A1），两侧面中央部位各加工一个侧盖安装槽（A3），安装槽内加工8个螺纹孔（A2）。基准螺栓（8）通过不平衡孔（A1）与平衡盘本体（3）固定，基准螺栓（8）与不平衡孔（A1）的质量差等效为平衡盘组件的固有不平衡质量。侧盖（4）的结构如图5和图6所示，其特征为带中心孔的对称盘状结构，盘上均匀加工四个安装孔（A4）。侧盖（4）通过四个沉头螺钉（7）与平衡盘本体（3）固定。安装环（5）的结构如图7和图8所示，其特征为带外伸弹性爪（A5）的对称环形结构，四个弹性爪（A5）沿环带周向均匀分布。安装环（5）内置于平衡盘本体（3）内部及两侧盖（4）之间，四个弹性爪（A5）与平衡盘本体（3）内圈齿啮合，形成棘轮棘爪机构，正常工作时，由棘轮棘爪机构带动平衡盘组件与主轴（1）同步旋转。双肩套筒（6）的结构如图9和图10所示，其特征为整体加工对称式结构。安装环（5）通过过盈配合安装于双肩套筒（6）的肩部，侧盖（4）与双肩套筒（6）的肩部之间为间隙配合。双肩套筒（6）通过过盈配合安装于主轴（1）的肩部，并由圆螺母（2）实现轴向固定。

喷嘴机构装配图如图11所示。喷嘴机构由喷嘴（9）、压盖（10）、喷嘴座（11）、支架（12）、底座（13）及沉头螺钉（14）构成。喷嘴（9）为整体加工部件，外形上加工标准管接头（A6）及喷嘴卡位槽（A7），喷嘴卡位槽（A7）置于喷嘴座（11）及压盖（10）的半圆槽（A8）内，并由沉头螺钉（14）通过光孔（A10）及螺纹孔（A9）固定。喷嘴座（11）、支架（12）及底座（13）为整体加工式结构。喷嘴机构通过底座（13）安装与平衡盘组件的下方。喷嘴机构及平衡盘组件的位置关系如图17所示。当平衡盘组件相对于主轴（1）基准点的径向位置需要调整时，脉冲气流通过喷嘴（9）喷向平衡盘本体（3）的齿状外缘，一个脉冲气流推动平衡盘本体（3）滑过弹性爪（A5）一个内齿的角度。

2、气动系统技术方案

气动控制系统用于将计算机输出的电脉冲信号转化为高压脉冲气流信号，保证一个高压脉冲气流信号使平衡盘的位置调整一个齿的角度，系统原理如图18所示。气动控制系统由喷嘴（9）、两位两通阀（B1）、三通（B2）、压力表（B3）、减压阀（B4）、气源（B5）、高压软管（L1）及接头构成。喷嘴（9）通过高压软管（L1）与两位两通阀（B1）的出气口相连，两位两通阀（B1）的进气口通过高压软管（L1）与三通（B2）的出气口相连，三通（B2）的进气口通过高压软管（L1）与减压阀（B4）的出气口相连，减压阀（B4）的进气口通过高压软管（L1）与气源（B5）相连。减压阀（B4）与压力表（B3）为整体式结构。计算机输出的脉冲控制信号经过放大后控制两位两通阀（B1）电磁控制端（CS1、CS2、CS3、CS4）电流的通断，进而控制两位两通阀（B1）输出高压脉冲气流信号。

3、电气监控系统技术方案

电气监控系统用于实现主轴振动及基准位置监测、平衡盘位置监测、不平衡振动信号分析、平衡盘调节位置计算、脉冲控制信号输出等功能，系统原理如图19所示。电气监控系统由电涡流传感器（C1）、光电传感器（C2）、信号采集卡（C3）、电脑（C4）、智能多路控制器（C5）及数据线（L2）构成。电涡流传感器（C1）与主轴（1）非接触，并通过数据线（L2）与信号采集卡（C3）相连。光电传感器（C2）与基准螺栓（8、15）非接触，并通过数据线（L2）与信号采集卡（C3）相连。信号采集卡（C3）通过PCI插槽与电脑（C4）相连。电脑（C4）通过RS232接口与智能多路控制器（C5）相连，智能多路控制器（C5）的四个输出口分别与四个两位两通阀（B1）的控制端相连。电涡流传感器（C1）用于测量主轴（1）不平衡振动信号，光电传感器（C2）用于测量平衡盘组件及主轴（1）基准信号。电脑（C4）对在线采集信号进行分析，实时计算满足主轴系统不平衡量最小时平衡盘组件相对主轴基准的位置。并根据位置调整要求输出多路电脉冲信号，进而控制平衡盘组件不平衡量相对于主轴基准相位的调节。

以上所述为本发明的一个实例，我们还可对其机械结构进行一些变换，以应用于其他旋转设备。只要其平衡头的机械结构设计思想以及整体控制思想同本发明所叙述的一致，均应视为本发明所包括的范围。