[发明专利]一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置及其控制系统

权利要求书

1.一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置，包括有两个平衡头，平衡头采用对称式结构设计，每个平衡头包括两个平衡盘合成所需调节的不平衡量；其特征在于：

所述的平衡头包括两个平衡盘(1)、啮合齿座(2)、复位簧片(3)、油囊(4)，油囊架(12)；啮合齿座(2)两侧对称分布着平衡盘(1)，啮合齿座(2)和平衡盘(1)之间通过啮合齿来啮合，两个平衡盘(1)内侧对称布置有三个油囊支架(12)，油囊支架(12)上的通孔连接有油囊(4)，油囊(4)与平衡盘(1)之间装一承摩簧片(5)上，平衡盘(1)上有构成不平衡量的缺口，平衡盘(1)的外侧布置且沿主轴周向均匀分布的三个复位簧片(3)，一侧的复位簧片(3)由簧片连接环(10)相连并与主轴固定；

平衡盘(1)具有构成不平衡量的缺口及单向啮合齿(6)，单向啮合齿(6)沿平衡盘齿(1)圈周向均匀分布，啮合齿座(2)具有双向啮合齿(7)，与平衡盘(1)的啮合齿相配合，其通过圆柱销(15)与主轴(8)固定；平衡盘(1)与啮合齿座(2)通过复位簧片(3)及油囊(4)-承摩簧片(5)机构实现啮合或分离；

三个复位簧片(3)通过连接螺钉(9)与簧片连接环(10)固定连接，构成复位簧片组；平衡盘(1)、复位簧片组与主轴连接；四个平衡盘(1)对应四组复位簧片组，分为内外各两组，内复位簧片组(Z1)用于两内侧平衡盘的复位、压紧，空套于主轴上，由轴肩定位；外复位簧片组(Z2)用于两外侧平衡盘的复位、压紧，并空套于主轴上，由两锁紧螺母(16)进行定位及调节预紧力；

油管接头(11)与油囊架(12)连接，通过油囊架(12)内部油路对油囊供油，油囊(4)、承摩簧片(5)均与油囊架(12)固定连接；油囊架(12)与主轴箱体(14)通过连接螺栓(13)连接；承摩簧片(5)位于油囊(4)与平衡盘(1)之间，且油囊(4)内低油压时，承摩簧片(5)与平衡盘(1)不接触，平衡盘(1)与啮合齿座(2)啮合；油囊(4)内高油压时，油囊(4)的膨胀力通过承摩簧片(5)作用于平衡盘，推动平衡盘(1)与啮合齿座(2) 分离；

2.根据权利要求1所述的一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置，其特征在于：所述的平衡盘(1)、啮合齿座(2)为整体加工式结构；所述复位簧片(3)构成的复位簧片组为整体可拆装式结构；所述的油囊(4)-承摩簧片(5)为整体可拆装式结构；

3.根据权利要求1所述的一种内置式高速主轴双面在线动平衡装置的控制系统，包括液压控制系统、不平衡振动监测与控制系统两部分，其特征在于：

液压控制系统：包括油箱(LPS1)、油泵(LPS2)、两位四通阀(LPS3)、缓冲油腔(LPS4)、溢流阀(LPS5)、电机(LPS6)、滤器(LPS7)、油管(L1、L2、L3)、油管接头；油箱(LPS1)出油口(p10)经滤器(LPS7)、油管与油泵(LPS2)进油相接，油泵(LPS2)出油口经进油管(L1)与两位四通阀(LPS3)的p1相连，p2口经进油管(L1)与缓冲油腔(LPS4)进油口(p5)相连；缓冲油腔(LPS4)回油口(p6)经回油管(L2)与两位四通阀(LPS3)的p3相连，p4口经回油管(L2)与油箱(LPS 1)回油口(p8)相连；缓冲油腔(LPS4)溢油口(p7)经溢流阀(LPS5)及溢油管(L3)与油箱(LPS1)溢流回油口(p9)相连；缓冲油腔(LPS4)出油(p11、p12、p13)分别通过油管与各自所控油囊(4)连接；两位四通阀(LPS3)电磁铁接控制信号，控制两位四通阀(LPS3)的工作位置；

不平衡振动监测与控制系统：包括两个电涡流传感器(v1、v2)，四个光电传感器(s1、s2、s3、s4)，一个光电传感器(st1)，BNC2110屏蔽式接线盒，NIPCI-6221动态信号采集卡，计算机，电脑RS232串口控制的智能多路控制器，两位四通阀控制端电磁铁；主轴前轴承座的振动监测传感器(v1)，主轴后轴承座的振动监测传感器(v2)，四个平衡盘位置监测传感器(s1、s2、s3、s4)，以及基准信号传感器(st1)分别通过信号电缆与BNC2110屏蔽式接线盒连接，测量信号经信号采集卡与计算机信号相连，；计算机通过RS232串口与智能多路控制器相连，智能多路控制器的输出接两位四通阀(LPS4) 的控制端电磁铁；

4.根据权利要求3所述的一种内置式主轴双面在线动平衡装置的控制方法，其特征在于：该方法包括：系统使用前准备工作、振动信号分析与控制两个方面：

1系统使用前准备工作包括：

1)依据系统结构设计及平衡精度等级要求输入系统基本参数；包括：四个平衡盘固有不平衡量、平衡精度等级、平衡盘啮合齿的齿距、各传感器参数；并将这些参数作为基本控制参数存入系统，用于后续计算与控制；

2)通过两次试重，分别计算两校正平面对两监测点的影响系数，并存储于系统，为动平衡过程中的相关计算所用；具体操作为：

传感器(v1)测量监测点pt1的振动信号，传感器(v2)测量监测点pt2的振动信号；

i)调节平衡头I、II的合成不平衡量均为零，此时在平衡转速上测量前轴承测点pt1的原始不平衡振动 表示为 同时测量后轴承测点pt2的原始不平衡振动 表示为 

ii)试重一，调整平衡头II的合成不平衡量为0，平衡头I的合成不平衡量为 此时在平衡转速上测量测点pt1不平衡振动为 表示为 测量测点pt2不平衡振动为 表示为 由式 计算校正平面A对测点pt1的影响系数 由式 计算校正平面A对测点pt2的影响系数 并将 和 存储于系统；

iii)试重二，调整平衡头I的合成不平衡量为0，平衡头II的合成不平衡量为 此时在平衡转速上测量测点pt1不平衡振动为 表示为 测量测点pt2不平衡振动为 表示为 由式 计算校正平面B对测点pt1的影响系数 由式 计算校正平面B对测点pt2的影响系数 并将 和 存储于系统；

3)泄油提前角的测算，为消除液压油泄放所引起的控制误差，系统使用前通过实验测定泄油所需时间t，并存储于系统；由式γ＝Δω×t可计算出泄油提前角γ，其中Δω为调整过程中平衡盘与主轴之间的速度差；系统发出泄油信号的位置角由式δ＝χ-γ得出，其中δ为泄油位置角，χ为平衡盘的目标调整角；

2振动信号分析与控制按以下步骤实施：

步骤1：信号采集模块将测点pt1、pt2的振动信号，四个平衡盘的位置信号，基准信号采集到控制系统；系统首先根据平衡精度等级的要求判断测点pt1、pt2的振动是否超越精度要求，如果振动量在精度允许范围内，则继续监测；

步骤2：如果测点振动量超过精度允许范围，则判断系统是否已连续进行了3次动平衡操作，如果已经连续进行了3次动平衡操作，系统振动量仍不能达到精度允许范围内，说明测点pt1、pt2的振动不一定是由系统不平衡所引起，或动平衡系统故障，此时需要停机，查找振动或故障原因；

步骤3：如果系统本次动平衡次数在3次范围之内，系统分离出测点pt1、pt2振动的基频分量，如果基频分量在平衡精度等级要求范围内，说明测点振动主要不是因不平衡所引起，方法失效，需要停机，分析振动产生原因；

步骤4：如果基频分量超过平衡精度等级要求，则由式 及 计算平面A所需施加的不平衡量 及平面B所需施加的不平衡量 

平衡盘(1)的目标调整角由公式 及 得出；上式中，当θ₂-θ₁＜180°时等式右边取正，当θ₂-θ₁＞180°时取负；式中p为平衡盘与主轴同步旋转所产生的不平衡量大小，θ₁、θ₂分别为同一平衡头中两平衡盘相对主轴基准的目标调整角，Q₁为不平衡量 的幅值，φ₁为不平衡量 的相位；

将四个平衡盘(1)的目标调整角分别减去泄油提前角，得到四个平衡盘的泄油位置角，并计算机控制系统输出控制信号对平衡盘位置进行调节；

步骤5：平衡盘位置调整后，重新转入主轴振动监测状态，并判断测点振动是否符合精度要求；若符合精度要求则继续监测，若不符合精度要求则重新执行步骤2～4。