基于平衡盘的机床主轴双面在线动平衡效果分析.pdf

l 5 2 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 7期 2 0 1 0年 7月 文章编号 l O O l 一 3 9 9 7 2 O l O 0 7 一 o 1 5 2 0 2 基于平衡盘的机床主轴双面在线动平衡效果分析 张仕海 1 , 2 伍良生 周大帅 李 俊 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院， 北京 1 0 0 0 2 2 天津海运职业技术学院， 天津 3 0 0 4 5 7 An a l y s i s o f d ou b l e - f a c e o n l i n e d y n a mi c b a l a n c e o f ma c h i n e t o o l s p i n d l e wi t h b al a n c e d i s k s Z HANG S h i h a i 1 ,2 WU L i a n g s h e n g I , Z HOU D a s h u a i ． L I J u n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A p p l i e d E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 2 ， C h i n a T i a n j i n Ma r i t i me V o c a t i o n a l I n s t i t u t e ， T i a n j i n 3 0 0 4 5 7 ， C h i n a 【 摘要】 基于双平面影响系 数法的原理， 对采用平衡盘的机床主轴双面在线动平衡系统进行设计。 并从理论上对双平面的平衡效果进行分析， 提 出了一种针对机床主轴的双面平衡、 单点优化的方法。 分析 表明， 该方法．- j - 高机床主轴关键部位的平衡效果， 具有一定的现实意义。 关键词 机床 ； 主轴； 平衡盘 ； 在线动平衡 ； 影响系数 【 Ab s t r a c t 】 B a s e o n d o u b l e - f a c e u e n c e c o e f fi c i e n t t h e o r y ， t h e c o n t r o l s y s t e m o fd o u b l e - f a c e o n l i n e d y n a mi c b a l a n c e f o r mach i n e t o o l i s d e s i g n e d ． T h e b ala n c i n g e f f e c t i s ana l y z e d a b s t r act l y ． a n d t h e 口 u 6 一 f a c e b al a n c e a n d s i n g l e p o i n t o p t i mi z a t i o n m e t h o d i s p r o p o s e d f o r mach i n e t o o l s p i n d l e d y n am i c b a l a n c e ． T h e anal y t i c r e s u l t a p p r o v e d t h i s m e t h o d c a n i m p r o v e b a l a n c i n g e f fic i e n c y f o r t h e k e y p o s i t i o n of m a c h i n e t o o l s p i n d l e ， t h e a p p l y i n g s i gnifi c ati o n i s r e ali s t i c ． Ke y wo r d s M a c hi ne t o o l ； S pi n dl e； Ba l a nc e di s k； Onl i n e d yn a m i c b a l an c e ； I n flu e nc e c oe ffi c i e n t 中图分类号 T H1 6 ， T K 7 3 0 ． 3 2 J 文献标识码 A 1 引言 机床主轴在线动平衡技术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的改变等因素的影响， 对不平衡量实施自动平衡的优点。 因此在线动平衡具有其它平衡 方法不可替代的优势| l1 。 随着国际机床行业向高速、 高精度、 高效等方向的发展。 在线 动平衡技术越来越成为制约我国机床在转速、 精度等方面性能提 高的关键基础性技术之一目 。 近年来， 随着国家对先进制造技术的 重视， ‘ 国内众多机构针对在线动平衡系统投入了大量了研究， 并 取得了一些重要的成果 。笔者在总结前人研究 的基础上得出 有 关动平衡的理论相对成熟； 在线动平衡测试和控制技术不断提高 和完善， 并可以到达较高的准确性和稳定性； 动平衡装置具有多 样性，在各具特色的同时也具有各自的缺点和实用的局限性， 就 混合式在线动平衡装置而言， 多具有结构和驱动机构复杂， 尤其 是轴向尺寸较大， 难以在现有的机床上实现 J { J 。 因此， 如何设计 对现有机床主轴系统改动不大， 较容易实现的动平衡装置是 目前 在线动平衡系统的研究重点之一。 盘式动平衡头因具有结构相对 简单， 轴向尺寸较小， 易于驱动等优点， 而成为国内外在线动平衡 装置研究的主要思路之一。 对盘式平衡头用于机床主轴双面在线 动平衡的平衡效果进行分析， 并提出优化方法。 2基于双平面影 响系数法的在线动平 衡理论 设机床主轴的两支承面分别为A、 B面， 两组平衡盘 这里以 盘式动平衡头为例 中心所在平面分别为 I 面和Ⅱ面。当平衡盘 分别与主轴脱离时，在平衡转速上测得A、 四面初始不平衡振动 分别为 o A 0 ／O t o 和 B 0 ／ I 面平衡盘在某确定位置与主轴啮合 施加不平衡量为 ， Ⅱ面平衡盘分离， 在平衡转速上测得A、 B面不平衡振动分别为 l Al Z _ o t l 和B l B 1 ／_ ／ 3 I 则校正面 I 在 A、 B面的影响系数分别为 。 ， 和 。 B L - B o ， P l | p I Ⅱ面平衡盘在某确定位置与主轴啮合 施加不平衡量为P 2 ， I 面平衡盘分离， 在平衡转速上测得A、 B面不平衡振动分别为 4 2 2 2 和B 2 B2 2 则校正面Ⅱ在A、 B面的影响系数分别为 ． { 0 和 也一 B 2 - B 0 一 ， P 2 设欲将原始小平衡量引起 A、 B面的振动平衡掉， 需在 I、 Ⅱ 面需施加的校正量分别为 和 。则 。 和 满足方程 K I J Q 】 K z l Q 2 o 0 K 2 Q 如 Q 2 0 解方程组得 Q 。 Q 根据 和 。 的计算结果， 可以对两组平衡盘位置进行调整， 实现双面动平衡。 ★来稿日 期 2 0 0 9 0 9 2 2 ★ 基金项目 “ 高档数控机床与基础制造装备” 科技重大专项资助 2 0 0 9 Z X 0 4 0 1 4 0 3 6 第 7期 张仕海等 基 于平衡盘的机床主轴双 面在线动平衡效果分析 1 5 3 3 基于平衡盘 的机床主轴双面动平衡 设计 盘式平衡头的工作原理相对简单， 平衡盘本身带有大小不能 调整的不平衡质量， 平衡盘可沿主轴径向作 3 6 0 。 旋转。ll E 常运转 时， 平衡盘通过啮合齿与啮合齿座 与主轴固定， 如图 1中图 a 啮合， 以防止平衡盘, H x J - 主轴的径向滑移。 同时， 通过弹簧片的压 力防止平衡盘轴向滑移。当平衡盘位置需要调整时 ， 由驱动机构 克服弹簧弹力使平衡盘与主轴脱离， 通过驱动机构或平衡盘与主 轴之间的差速运动实现平衡盘相位的调整。位置调整后 ， 撤销驱 动力， 平衡盘在弹簧片弹力作用下重新 与主轴啮合， 同步运转。 通 过平衡盘不平衡质量与主轴同步旋转的离心力矢量的调整 ， 可以 近似实现一个平 面内不平衡量大小和相位的调整 如 图 I 中图 b 。进而通过该附加不平衡量对机床主轴不平衡状态实现调整。 合成不平衡量 啮 ／ ＼ 2 等 r， 平衡 确 不 I f a 图 1 平 基于盘式平 所示。 根据双平面影响系数法的基本原理， 可采用四个平衡盘， 两 两组合， 配以相应的检测 、 控制、 执行系统等， 可以实现机床主轴 的双平面在线动平衡 。其系统构成 ， 如图 2所示。 平 面 B 平 面 A 图 2基于盘 平衡头的双平而在线动平衡系统构成 正常情况下， 两平衡盘均 主轴啮合， 同步运转。平衡盘 1 、 2 的合成向量等效为平面A上的调整量。平衡盘 3 、 4的合成向量 等效为平面曰上的调整量。电涡流传感器 分别测取前后轴 承的振动位移信号。光电传感器 ． 、 s 、 s 用于监测四个平衡盘 位置信号。 光电传感器S t ， 作为基准信号。 各传感器测量信号经信 号采集仪进行初步处理 A ／ D转换 ， 电荷放大 ， 低通滤波等 送入 计算机在线动平衡测量、 分析与控制系统软件。计算机对实时监 测信号进行分析。 当 检测的不平衡振动量超过允许范围时， 计算机控制系统计算并输出各平衡盘位置调整信号， 经驱动系统 对各不平衡盘位置进行调整。当s 、 S 监测的位置信号达到 调整位置时， 平衡盘重新与主轴啮合， 系统进入监测与控制状态。 4系统结构问题与解决 基于以上理论 可知 ， 根据实际监测的不平衡振动量 的大小和 相位，利用双平面影响系数法可以计算出在 』4、 曰平面上需要施 加的不平衡量大小和相位。只要平衡盘所带的不平衡量大小适 当， 通过四个平衡盘相位的调整， 即可实现 、 占平面上需要施加 的不平衡量大小和相位要求。 然而， 在对平衡盘位置进行调整时， 由于受齿距的限制， 平衡盘位置只能调整到某些确定的位置。 如， 当啮合齿圆有 7 2个齿时 ， 平衡盘可达到 0 。 ， 5 。 ， 1 0 ⋯一 3 5 5 。 共 7 2 个位置 。 产生平衡盘理论计算位置和实 际可达到位置的差距。因 此 ， 在选择平衡盘位置的控制角度时， 方便的做法是将理论计算 值与平衡盘可实现的位置就近靠拢。这里借用文献口 中的初始振动 及试重数据进行实例分析。 试重方案为日 校正平面A 3 ．6 5 g L3 1 5 。 ， 为校正平面 B 3 ． 6 5 g L4 5 。 。 根据试重结果设计四个平衡盘不平衡 质量设计均为 5 g ， 平衡盘啮合齿数为 7 2 。 分析结果 ， 如表 1 所示 。 表 1平衡盘可实现位置计算与平衡效果 初始振动及待平衡量 校正量{ 测点 1 测点 2 盘 l 3 3 ．8 9 8 。 4 O ． 9 4 L3 0 0 ． 7 7 。 平 面 A 8 ．4 0 1 3 L一 6 6 ． 7 4 3 4 。 1 7 ． 1 7 L6 0 ． 1 0 。 平 面 B 2 ．4 5 5 一 6 6 ． 7 4 3 4 。 平衡盘理论位置 盘 2 盘 3 9 9 ． 5 8 9 。 ～ 1 3 ．9 3 l 。 平衡盘实际位置 盘 1 盘 2 -3 5 。 一1 0 0。 盘 1 、 2合成不平衡量 8 ．43 3 9 一 6 7 ． 5 。 振动残余 测点 l 3 ．9 4 一 1 7 4 ．4 0 测点 2 2 ．5 4 一 7 1 ．4 2 0 盘 4 1 6 5 ．5 0 7 。 盘 3 盘 4 一l 5 。 一1 6 5 。 盘 3 、 4合成不平衡量 2 ． 5 8 8 2／ _ 一 9 O 。 平衡效率 9 0 ． 3 6 8 ％ 8 5 ． 2 2 4 ％ 由表 1 可以看出， 平衡盘实际角度与理论计算角度之差在以 内2 ．5 。 ， 其合成不平衡量与理论计算不平衡量的相位和角度误差 不大 ， 理论上 叮以实现较好的平衡效果。 5关键部位的单点优化分析 对机床主轴来说 ， 主轴前端夹装刀具， 主轴前端的振动直接 影响工件的加工精度和表面质量， 是实际应用中需要重点控制的 部位。 因此 ， 可 以考虑在测点 2的振动不超过某一极限的情况下 ， 使测点 1 的不平衡振动尽可能的小， 即机床主轴的双面平衡、 单点 优化法。 一种的优化方法是针埘四个平衡盘位置的不同组合分别进 行计算， 查找符合要求的最佳位置。如果每个平衡盘有 7 2 个位置， 四个平衡盘的不同组合达 2 6 0 0多万种，查找和计算的时问较长， 不适宜 决速平衡的要求 。笔者将多篇文献中的相关数据 ， 分别采用 以 l 方法套找计算， 实践表明， 单点优化后， 平衡盘的最佳位置均处 于理论计算值 5 0 。 的范围内。以此为依据， 可使查找的范围大大降 低， 实现决速平衡。对测点 1 、 2 分别优化的结果， 如表2 、 表 3 所示。 表 2测点 1 优化后平衡效果 盘 1 盘 2 4 0 。 一 9 5 。 盘 1 、 2 合成不平衡量 8 ． 8 7 01 L - 6 7 ．5 。 振动残余 测点 1 O ．0 6 8 一 1 6 5 ． 2 2 。 测点 2 1 ．4 4 8 L4 7 ．6 7 o 盘 3 盘 4 2 0。 一1 6 5 。 盘 3 、 4 合成不平衡量 3 ． 0 0 71／ _ - 9 2 ． 5 。 平衡效率 9 9 ． 8 3 4 ％ 9 1 ．5 6 4 ％ 表 2 、 表 3的理论计算表明， 采用单点优化的平衡法。 可以将 机床主轴某些关键部位的不平衡振动幅度尽可能地降低 ， 同时保 证在其它测点上具有较好的平衡效果。 进而提高机床的工作性能 1 5 4 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 7 期 2 0 1 0年 7月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 7 0 1 5 4 0 3 薄壁 结构件铣削加工动态特性研究 武 凯 何 宁 南京理工大学， 南京 2 1 0 0 9 4 南京航空航天大学， 南京 2 1 0 0 1 6 St u d y o n t h e mi l l i n g d y n a mi c s o f t h i n wa l l e d s t r u c t u r e c o mp o n e n t s W U Ka i ， HE Ni n g N a n j i n g U n i v e r s i t y o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 ， C h i n a N a n j i n g U n i v e r s i t y o f a e r o n a u t i c s a n d a s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a 【 摘要】 分析了国内 外有关薄壁件铣削加工力学模型、 动态特性及加工变形的研究现状； 在已有文 献基础上建立了侧壁铣削加工动力学分析有限元模型， 并通过试验对模型进行了验证； 以建立的模型为 基础， 进行了大量有限元模拟分析， 并对结果进行了 讨论。结果表明， 在一定范围内 提高转速有利于减小 薄壁件加工变形， 提高加工精度。 关键词 薄壁 ； 铣削； 动态； 有限元 ； 模型 【 Ab s t r a c t 】T h e e x i s t e n t s t u d i e s o n t h e c u t t i n g f o r c e m o d e l ， d y n a m i c s p r o p e r t i e s a n d m a c h i n i n g 一 ． c r a fts o f t h e t h i n w all e d s t r u c t u r e c o m p o n e n t s a r e r e v i e w e d ． T h e n t h e dyn a m i c s a n a l y s i s m o d e l i s p r e s e n t e d a n d v e r ifie d e x p e r i m e n t a l l y ． B a s e d O n t h e m o d e l ， mu c h F E M a n al y s i s b e e n c a r r i e d o u t ． A t l a s t ， t h e a n a l y s i s r e s u l t s w e r e c o n c l u d e d ． h i s s h o w n t h a t i n c r e asi n g t h e r o t ati o n s p e e d of t h e c u t t e r i n c e r t a i n r a n g e i s h e l p f u l t o d e c r e a s e t h e m a c h i n i n g e r r o r s a n d e n s u r e t h e m a c h i n i n g p r e c i s i o n ． Ke y wo r ds Th i n- wa l l e d； M i l l i n g； Dy n ami c s ； FEM ； M o de l 中图分类号 T H1 6 。 T G 5 4 文献标识码 A 铣削加工过程中， 薄壁件在切 削力的作用下极易发生加工变 形与切削颤振， 加工精度与表面质量很难保证 针对该问题， 国内 外学者在铣削加工力学模型 、 加工过程静态 、 动态特性分析 、 加 工变形控制工艺方法等领域进行了广泛研究。其『 } l『 ， 研究薄壁件 切削加工动态特性对抑制颤振、 优化工艺参数、 进而提高工件的 加工质量与加工效率具有重要的意义。 本文存参考前人研究成果 的基础上对薄壁侧壁加工动态特性进行了分析 ， 为切削参数的优 选提供了指导。 1 铣削加工过程动态特性分析模型 应用 J e rs h y o n g T s a i 与 C h u n g L i L i a o建立的动态有限元分 -k来稿 日期 2 0 0 9 0 9 1 8 和加工精度。 表 3测点 2优化后平衡效果 析模型 进行薄壁什加工过程动态特『生 分析， 并采用了K l i n e m 的平 均切削力模型进行动态铣削力的预测。 1 ． 1 动态特性分析有 限元模型 在J e r - s h y o n g T s a i 建立的动态有限元模型中， 立铣刀用预扭 T i mo s h e n k o b e a m单元建模， 轴承用集中弹簧与阻尼器代替， 工件 划分为三维等参数单元。刀具和工件运动的有限元方程通过N e m a r k 积分方法求解。主轴、 轴承和刀具系统运动的有限元方程为 [ ] { 厶 f ] { f I l K] { A ￡ } _ { E t } 1 工件运动的有限元方程为 [ M ] ￡ { [ c ] { ￡ { [ K ] { A ￡ } ． { ￡ } 2 对测点 2 优化后平衡盘实际位置 盘 l 盘 2 5 。 一l 3 O 。 盘 1 、 2合成不平衡量 4 ． 6 1 7 5 一 6 7 ．5 。 振动残余 测点 l 1 1 ． 0 1 8 一 5 6 ． 8 2 。 测点 2 0 ．0 6 6 7 1 ． 5 3 。 盘 3 盘 4 3 O 。 一 2l 0。 盘 3 、 4合成不半衡量 1 ．3 xl 0 4 5 。 平衡效率 7 3 ． 0 8 7 ％ 9 9 ． 6l 2 ％ 6 结论 1 采用盘式平衡头的动平衡系统具有系统结构简单， 轴向尺 寸小， 在机床上容易实现等 。 平衡盘上啮合齿的齿距越小， 平衡 盘的实际位置与理沦计算位置的误差越小， 平衡精度越高。齿距越 小， 加工越困难， 同时容易产生齿断裂等故障。需综合考虑设计。 2 受齿距影响， 平衡盘位置存在调整误差， 难以保证各测点 的平衡效果同时达到最佳。 采用单点优化平衡的方法可以使机床 主轴加工端的不平衡振动降低到理想的范围内， 提高机床加工精 度和工件表面质晕 ． 时也可使机床尾端的振动幅度有所降低， 提高机床整体工作性能。 参考文献 1 伍良牛， 贺汀波， 张云禧 ， 李智慧． 高 动器设计． 北 京工业大学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 3 t 2 1 2 3 3 ～ 1 2 3 8 2欧阳红兵 ，曾胜 ，汪希萱． 转子系统在线动平衡综述及展望． 机械强度 ， 1 9 9 7 ， 1 9 4 2 O 一 2 4 3 孙延添． 刚性转子现场动平衡理论分析及实验研究 [ 硕士学位论文] ． 北 京 清华大学， 2 0 0 5 6 4 6 ．．- 5 0 4叶能安， 余汝生． 动平衡原理与动平衡机． 武汉 华中工学院出版社 ， 1 9 8 5 5 周保堂， 贺世正， 王字， 高昱． 在线 自动平衡的平衡头研究． 石油化工设备技 术 ． 1 9 9 4 ． 1 5 3 4 2 4 5