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      摘要: 砂輪在線動平衡裝置是高速磨床上的重要組成部分。介紹了一種新型的氣壓液體式在線自動平衡系統(tǒng)，為該平衡系統(tǒng)提供了一種靶向控制策略。該控制策略在平衡裝置執(zhí)行操作前，已經(jīng)準(zhǔn)確定位不平衡量的大小和相位; 平衡過程中，系統(tǒng)有確定目標(biāo)的進行注氣操作，系統(tǒng)振動幅值單調(diào)下降，平衡過程無錯調(diào)現(xiàn)象。對注氣操作的控制方案進行
了定量分析，并選出了最優(yōu)方案。實驗結(jié)果表明，在多種轉(zhuǎn)速下，該類平衡裝置均可在15 s 內(nèi)有效地降低系統(tǒng)的不平衡振動，且振幅下降比例均在90%以上。
  
 
      磨削加工技術(shù)是先進制造技術(shù)中的重要領(lǐng)域。高速及超高速磨削技術(shù)能極大地提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，實現(xiàn)難加工材料和復(fù)雜型面的精加工。砂輪高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的不平衡離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。所以，在高速磨削過程中，即使極小的不平衡質(zhì)量也會產(chǎn)生非常大的不平衡離心力，造成機床振動，軸承磨損，被磨削工件產(chǎn)生表面波紋和增大表面粗糙度值，嚴重影響磨床的加工精度和使用壽命 。因此，在高速磨削的技術(shù)體系中，高速砂輪的在線自動平衡技術(shù)是必不可少的。美國、德國和日本等工業(yè)發(fā)達國家在高速磨床上均已普遍采用了自動平衡系統(tǒng)。在我國，高精度的自動平衡產(chǎn)品完全依賴國外進口，且價格昂貴，所以造成該類產(chǎn)品的使用受限，僅在高檔機床上可見。已有的自動平衡產(chǎn)品主要包括機電式 、電磁滑環(huán)式 和注液式 三種。在前兩種平衡裝置中，不可避免的要在旋轉(zhuǎn)部分引入偏心質(zhì)量塊、機械傳動鏈或其它可動部件。在較高的工作轉(zhuǎn)速下，偏心質(zhì)量塊會使支撐軸承承受極大的旋轉(zhuǎn)載荷，造成支撐軸承變形、卡滯甚至損壞; 機械傳動鏈也會受離心力干擾甚至鎖死，不能正常工作。而注液式平衡裝置因旋轉(zhuǎn)部分無可動部件，不受高速離心力的干擾，更適用于高速的場合。但注液式平衡裝置因注液這一過程，需要多個液壓部件和液體回收、過濾裝置，價格昂貴，且平衡能力隨平衡過程逐漸減小，平衡狀態(tài)不能停機保持。所以，近年來，國內(nèi)外的很多學(xué)者致力于改進該類平衡裝置，但在克服已有缺陷的同時，均會帶來新的問題: 如Kerlin 等的液氣式平衡裝置因驅(qū)動液體轉(zhuǎn)移的方式為加熱汽化，使該裝置的響應(yīng)速度慢，且制造難度大; Steere Jr． 等的氣壓液體式平衡裝置因在連通管上安裝了四個止逆閥，使該裝置不再適用于高速場合; 釋液式平衡裝置雖可以做到平衡液的可控排出，但注液、釋液兩種運行方式轉(zhuǎn)換條件的判斷困難，而且平衡頭旋轉(zhuǎn)部分具有可動部件———電磁閥; 連續(xù)注排式平衡裝置雖然具備了既能注液又能排液的功能，但無休止的注液、排液，對執(zhí)行機構(gòu)的可靠性有很高要求 。在本文中，介紹一種新型的氣壓液體式在線自動平衡系統(tǒng)［ ，該系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部分無可動部件，在整個平衡過程中，不需要外界注入或向外界排出平衡液，平衡液僅在密閉的儲液腔間進行定向轉(zhuǎn)移。為該類系統(tǒng)提供了一種靶向控制策略，并通過實驗，驗證了該類系統(tǒng)的可靠性。

       1 、工作原理與系統(tǒng)設(shè)計

      氣壓液體式自動平衡裝置的工作原理為: 在對稱分布的四個儲液室中預(yù)先充入平衡液，位置相對的兩個儲液室的液相通過連通管相連，以壓縮空氣為動力源驅(qū)動平衡液經(jīng)連通管在兩個儲液室之間作可控性流動。通過改變平衡盤內(nèi)的液體分布，達到在線平衡受控設(shè)備的目的。

      該系統(tǒng)主要包括平衡裝置、氣源系統(tǒng)和測控系統(tǒng)三部分，其工作原理圖和系統(tǒng)框圖分別如圖1 和圖2所示。

                          圖1 自動平衡系統(tǒng)工作原理圖
 

       
                                          圖2 自動平衡系統(tǒng)框圖

      平衡裝置由平衡盤和氣源分配器組成。其中，平衡盤通過接桿法蘭與電主軸轉(zhuǎn)子連接在一起，隨電主軸同步旋轉(zhuǎn)，內(nèi)含四個對稱分布的扇形儲液腔用于儲存平衡液，其儲液腔蓋板內(nèi)加工有兩條弧形的連通管路，用于作為兩對儲液腔間液體轉(zhuǎn)移時的液體流道。氣源分配器用于實現(xiàn)壓縮空氣從靜止管路到旋轉(zhuǎn)儲液腔的動靜傳遞，由定子、中間套和前后軸承組成: 定子靜止不動，內(nèi)部加工有四條軸向通道，分別連接四條進氣管路，其外徑刻有四條軸向均布的環(huán)槽，四條環(huán)槽分別與四條軸向通道相連; 中間套隨儲液腔同步旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)徑與定子外徑間有一定間隙，且加工有四個與儲液腔內(nèi)壁相通的進氣孔，分別對應(yīng)定子上的四個環(huán)槽，用于將四路氣體引入相應(yīng)儲液腔; 前后兩軸承則可以保證中間套和定子在較小間隙下長周期、穩(wěn)定地運行。

      氣源系統(tǒng)由氣源、過濾器、減壓閥和電磁閥組構(gòu)成，主要用于將常壓空氣進行加壓、過濾，并通過減壓閥調(diào)整至適當(dāng)壓力，最終經(jīng)過電磁閥組有方向的輸入執(zhí)行器。該平衡系統(tǒng)在平衡過程中所需壓縮氣量很小，驅(qū)動壓力一般低于0． 8 MPa，且在平衡過程完成后，即通過電磁閥切斷氣路，無需持續(xù)的注氣，所以利用小型的空壓機或普通的壓縮空氣鋼瓶即可滿足本系統(tǒng)對氣源的要求。

      測控系統(tǒng)由傳感器和控制器組成，傳感器又分振動傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，振動檢測可以使用加速度傳感器也可以使用位移傳感器。傳感器用于檢測軸承座或平衡盤的振動信號以及設(shè)備轉(zhuǎn)速信號; 控制器對振動信號進行采集、提取，獲得振動數(shù)據(jù)，并據(jù)此輸出控制信號，控制電磁閥組的通斷。

 
       2、 控制策略

 
　    本文采用靶向控制方法對平衡裝置進行在線控制，其特征在于: ① 在平衡裝置執(zhí)行操作前，系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)確定位不平衡量的大小和相位; ② 平衡過程中，系統(tǒng)有確定目標(biāo)的進行注氣操作; ③ 快速計算注氣時間，以使系統(tǒng)振動幅值單調(diào)下降，平衡過程無錯調(diào)現(xiàn)象。

      2． 1 基本原理

      靶向控制方法主要由5 部分組成:

     ( 1) 數(shù)采，用于接收被測設(shè)備的實時振動信號，提取其中的一倍頻分量;
     ( 2) 定位，利用一倍頻信號計算被測設(shè)備的不平衡量的大小和相位;
     ( 3) 轉(zhuǎn)換，將不平衡量轉(zhuǎn)換為平衡裝置中氣體驅(qū)動液體轉(zhuǎn)移的時間控制量;
     ( 4) 分配，根據(jù)不平衡量的大小和相位，將時間控制量分解為相應(yīng)儲液腔的控制時長;
     ( 5) 編譯，將控制時長形成相應(yīng)的控制指令輸出，驅(qū)動執(zhí)行器控制各儲液腔對應(yīng)電磁閥的開閉。

      其中，數(shù)采部分通常采用跟蹤濾波或FFT 等方法提取振動信號中的一倍頻分量; 對于不平衡量的定位，通常采用影響系數(shù)法來確定不平衡量的大小和所在相位; 在計算時間控制量的過程中，可采用比例系數(shù)法或自適應(yīng)控制算法確定注氣時間，這里簡述比例系數(shù)法的基本原理。假設(shè)通過影響系數(shù)法計算得系統(tǒng)的初始不平衡量為U → = U∠θ。由平衡能力U 和轉(zhuǎn)移質(zhì)量m 間的關(guān)系知U = km ( 1)式中，k 表示轉(zhuǎn)移單位質(zhì)量的平衡液所形成的平衡能力。因此，當(dāng)初始不平衡向量為U → 時，可認為初始不平衡質(zhì)量向量為M → ，計算公式如下:
 
    

     設(shè)在氣壓液的轉(zhuǎn)移過程中，連通管中平衡液的質(zhì)量流量為q，則當(dāng)轉(zhuǎn)移質(zhì)量為m 時，所需注氣總時間的大小為:

     氣壓液體式平衡裝置，利用壓縮空氣驅(qū)動平衡液轉(zhuǎn)移。為了使平衡裝置在相位為( β + 180°) 的相位產(chǎn)生校正質(zhì)量m，系統(tǒng)應(yīng)在β 的相位注入壓縮空氣，所以注氣相位的公式為:ψ = β + 180° － 180° = θ ( 4)注氣總時間以及注氣相位二者合成為注氣時間向量T → ，用公式表示為:

     將注氣總時間按正弦或余弦定理分解到各個儲液腔，即可得到各腔對應(yīng)電磁閥的開閉時間。在注氣時間的分解過程中，當(dāng)注氣相位處于0°、90°、180°和270°四個位置時，只需向單腔注氣; 當(dāng)注氣相位處于45°、135°、225°和315°四個位置時，需同時向兩腔注氣，且兩腔注氣時間相同。對于這兩種情況，直接執(zhí)行即可，不需要區(qū)分先后。但除這八個位置之外，其余位置均需兩個腔注氣，且注氣的時間長短不同。這時，需要根據(jù)控制效果，考慮注氣的先后順序，即優(yōu)化控制路徑。

     2． 2 控制路徑

     現(xiàn)以注氣相位在0° ～ 45°范圍內(nèi)為例，進行控制效果分析。
 
    設(shè)初始不平衡向量為M → ，將該不平衡質(zhì)量向?qū)嵼S和虛軸分解，得M →= m∠β = mcosβ + i·( msinβ) ( 6)此時，控制系統(tǒng)需要分別向A、B 兩儲液腔注氣。若兩平衡管的質(zhì)量流量相同，且均為q，則A 腔和B 腔對應(yīng)的注氣時間分別為

     在這種情況下，控制系統(tǒng)的注氣順序存在5 種方案:
 
    ( 1) 先開B 腔電磁閥，待B 腔注氣結(jié)束后，打開A 腔電磁閥，直至注氣結(jié)束。控制器輸出的控制指令包括兩部分，以時間t 為變量，剩余不平衡量可用公式表示為

    ( 2) 先開A 腔電磁閥，待A 腔注氣結(jié)束后，打開B腔電磁閥，直至注氣結(jié)束。平衡過程中，剩余不平衡量可用公式表示為

     3) 同時打開A、B 兩儲液腔電磁閥，待B 腔注氣結(jié)束后，關(guān)閉B 腔對應(yīng)電磁閥，A 腔電磁閥繼續(xù)打開，直至注氣結(jié)束。平衡過程中，剩余不平衡量可用公式表示為

     ( 4) 首先打開A 腔電磁閥，在A 腔注氣一段時間后，開啟B 腔電磁閥，最終兩電磁閥同時停止工作。平衡過程中，剩余不平衡量可用公式表示為

    ( 5) 將B 腔電磁閥的通電時間均分為j 份，在打開A 腔電磁閥注氣的過程中，B 腔電磁閥間斷性打開，最終使兩電磁閥幾乎同時停止工作。在該平衡過程中，剩余不平衡量的計算需分次2j 個區(qū)間進行分段考慮，具體可用公式表示為

     由該圖曲線知，方案( 3) 對應(yīng)的控制速度最快，控制效果最好，所以在控制程序中，以方案( 3) 作為最終的控制方案，即當(dāng)需要同時向兩個儲液腔注氣時，控制指令的編譯包括3 步: ① 同時打開兩目標(biāo)儲液腔對應(yīng)電磁閥，向儲液腔進行注氣，直至注氣時間短的儲液腔注氣結(jié)束; ② 關(guān)閉注氣時間短的儲液腔對應(yīng)的電磁閥，注氣時間長的儲液腔對應(yīng)電磁閥繼續(xù)開放，直至注氣結(jié)束; ③ 注氣結(jié)束，關(guān)閉電磁閥組。

     圖4 控制方案對比結(jié)果

 
     3 、實驗研究

    為了驗證氣壓液體式自動平衡裝置的平衡效果，在臥式磨削試驗臺上進行了相關(guān)實驗。

                           圖5 平衡系統(tǒng)實驗裝置

     3． 1 實驗裝置

     試驗臺所用電主軸為磨削專用電主軸，功率9 kW。所用模擬砂輪的規(guī)格參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)CBN 砂輪的規(guī)格參數(shù)相同，外徑250 mm，內(nèi)徑127 mm，厚20 mm。模擬砂輪由左右兩砂輪法蘭夾緊，固定在電主軸上。平衡盤和砂輪左法蘭加工成一體，位于砂輪盤的內(nèi)部，便于更好的平衡系統(tǒng)由砂輪不平衡帶來的振動。平衡盤外徑100 mm，內(nèi)含儲液腔深60 mm，所用平衡液為硅油，設(shè)計平衡能力為1 356 g． mm。在平衡盤的端部加工一凸臺，利用接近開關(guān)測量試驗臺轉(zhuǎn)速和振動相位。平衡盤的長度大于砂輪和砂輪法蘭的安裝尺寸，高出的部
分用于作為位移傳感器的測量面，因為該測量面非常接近砂輪，且隨砂輪同步旋轉(zhuǎn)，所以可以直接的反應(yīng)砂輪的實際振動。該實驗裝置如圖5 所示。

     本實驗裝置選用一臺無油空氣壓縮機作為壓縮空氣氣源。該空壓機的最高工作壓力為0． 8 MPa，氣體流量為89 L /min，并配有一容積為6 L 的儲氣罐，用于儲存壓縮空氣。在空壓機出口處加裝過濾減壓器，將壓縮空氣壓力減壓至0． 3MPa。4 臺兩位三通電磁閥構(gòu)成電磁閥組，分別對應(yīng)平衡盤內(nèi)的4 個儲液腔，由一臺減壓閥統(tǒng)一調(diào)整電磁閥組進口處的氣體壓力。該氣源系統(tǒng)如圖6 所示。

      
  
                                     圖6 氣源系統(tǒng)構(gòu)成

     位移傳感器和接近開關(guān)的電壓信號通過信號調(diào)理卡和數(shù)據(jù)采集卡，輸入工控機。在工控機中，利用Labview軟件，編制數(shù)據(jù)處理和控制程序。在該程序中，利用輸入的位移信號和轉(zhuǎn)速信號，計算被測系統(tǒng)當(dāng)前振動的一倍頻振動幅值和相位，并判斷被測系統(tǒng)的振動幅值是否超出預(yù)設(shè)值。當(dāng)判斷結(jié)果為真時，確定系統(tǒng)初始不平衡量的位置和大小，并計算各電磁閥的通電時間，輸出控制指令。控制指令通過數(shù)字I /O 卡輸出脈沖信號，進而控制各電磁閥的通電時間。當(dāng)某電磁閥通電后，該電磁閥打開，壓縮空氣通過進氣管路進入平衡裝置，對相應(yīng)儲液腔實現(xiàn)注氣操作。實驗證明每次主動平衡過程多次注氣操作的累計時間不應(yīng)大于30s，因此在平衡程序中設(shè)定30 s 為一次平衡操作的極限時間，如果30 s 內(nèi)不能將振動幅值降低至設(shè)定值以下，則停止本次平衡操作，并提示使用者，驅(qū)動壓力過低或
平衡量已超出了該裝置的平衡能力。

     3． 2 實驗效果
 

     因該實驗裝置的臨界轉(zhuǎn)速為7 000 r /min，所以本文僅在臨界轉(zhuǎn)速以下進行自動平衡實驗，所選轉(zhuǎn)速分別為3 000 r /min，5 000 r /min 和5 500 r /min，分別對應(yīng)砂輪線速度為39 m/s，62 m/s 和72 m/s，具體平衡效果如圖7 所示。在3 000 r /min 的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動幅值為6． 3 um，經(jīng)過11 s 的自動平衡后，系統(tǒng)振動幅值降低至
0． 32 um，振幅下降比例達94． 9%;在5 000 r /min 的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動幅值為8． 5 um，經(jīng)過15 s 的自動平衡后，系統(tǒng)振動幅值降低至0． 35 um( P － P) ，振幅下降比例達95． 9%;在5 500 r /min 的轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)初始振動幅值為10． 2 um，經(jīng)過15 s 的自動平衡后，系統(tǒng)振動幅值降低至0． 37 um，振幅下降比例達96． 4%。

                                   圖7 平衡效果圖

     從此實驗效果可以看出，本文所介紹的平衡裝置在3 種工況下均可在15 s 內(nèi)有效地降低系統(tǒng)振動幅值，且振幅下降比例均在90%以上，平衡性能可靠。

     4 、結(jié)論

     液體式自動平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單、旋轉(zhuǎn)部分無可動部件，比機械式平衡裝置更適于高速的場合。但已有的注液式平衡裝置由于注液這一過程，具有不可避免的一些缺陷，限制了該類產(chǎn)品的使用。本文介紹了一種新型的液體式平衡裝置，不僅擺脫了注液這一過程，且旋轉(zhuǎn)部分無需增加可動部件。為該平衡系統(tǒng)提供了一種靶向控制策略，且對不同注氣順序的平衡效果進行了定量分析，選出了最優(yōu)的控制路徑。通過實驗結(jié)果表明，該類平衡裝置可以在多個工作轉(zhuǎn)速下，快速、有效地降低系統(tǒng)的不平衡振動。