专利名称：高速电主轴在线自动平衡实验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种动平衡实验系统，具体涉及一种高速电主轴在线自动平衡实验系 统。
背景技术：
随科学技术的飞速进步，现代机械加工不断向高速高精度方向发展，高速高精度 加工依赖于高性能的数控机床。这也就对作为机床核心部件的主轴提出了更高的要求。由 于加工误差、装配误差以及材质分布不均勻等因素的影响，机床主轴的必然存在不平衡，这 会导致机床在工作过程中发生机械振动，影响机床的工作寿命和零件的加工精度。因此，有必要通过有效的在线动平衡方法，实现对高速主轴的高精度动平衡控制， 将主轴不平衡量实时控制在合理范围之内，达到维持机床稳定运行的目的。而一套行之有 效的高速主轴在线动平衡方法，必须在实验中得到验证，方可应用于实践，这就对高速主轴 在线自动平衡实验装置的构建提出了需求。目前国内尚无满足高速、高精度要求的主轴在线自动平衡实验系统，各类动平衡 方法多在转子实验台上进行验证，这与主轴实际工况有较大差异。此外，现有的动平衡实验 系统普遍存在以下缺点(1)现有实验系统主轴转速低，不能满足高速动平衡需要；(2)现有系统常用于数控砂轮磨床主轴，由于砂轮质量较大，动平衡装置的绝对精 度偏低，无法满足高精度铣削主轴动平衡的需要；(3)目前对高速主轴进行的动平衡基本方法是在不平衡的转子上直接配重，不 仅难以精确控制配重量，而且每次需要停机进行配置，无法实现在线不平衡测量和反馈控 制；(4)现有动平衡实验系统不能剔除圆度误差、主轴速度波动等因素引入的数据采
集误差；(5)高速主轴内部的温度变化对主轴轴承-转子的动力学特性具有一定的影响， 这会导致基于动力学模型的动平衡方法的计算精度下降，而现有实验系统不能实现主轴内 部温度的实时测量；(6)系统数据采集过程复杂，数据处理过于粗糙，且不能实时处理、显示，自动化程 度不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够满足高速主轴动平衡理论及装置实验需要的高 效、高精度的高速电主轴在线自动平衡实验系统，相比传统的动平衡测试系统，能够去除主 轴速度波动干扰，剔除被测面圆度轮廓引入的误差，并考虑主轴内部的温度影响，精确地实 现主轴动不平衡量的在线监测和补偿，同时为相应的动平衡算法提供一套实验验证系统。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是包括机械部分和电气控制部分，所述的机构部分的高速电主轴通过机座安装于减震工作台上，高速电主轴上安装有温度传感装 置，高速电主轴两侧的伸出端自内向外均安装有电涡流位移传感器和在线平衡装置，高速 电主轴的两端的端部均设置有用于安装失衡模拟装置的锥形孔；所述的在线动平衡装置为喷液式在线动平衡装置，在线动平衡装置的水盘安装于 高速电主轴的伸出端并随高速电主轴旋转，水枪经水枪安装支架安装在水盘的内侧并将平 衡液体喷入水盘的腔体内，实现对高速电主轴不平衡量的校正；所述的温度传感装置包括安装在高速电主轴上的带螺纹的套管，以及封闭于该套 管内的测温元件；所述的电气控制部分包括工业控制计算机、动平衡控制器、高速同步数据采集 仪、高速同步计数卡、电荷放大器、IVpp信号调理�？�、磁栅编码器、光电传感器；所述的电涡流位移传感器与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与高 速同步数据采集仪的输入端连接；安装于在在线动平衡装置外侧的光电传感器与高速同步 数据采集仪的输入端连接；高速同步数据采集仪通过PCI总线与工业控制计算机连接；安装在高速电主轴后端轴承外侧的磁栅编码器与IVpp信号调理�？榈氖淙攵肆� 接，IVpp信号调理�？槭涑龆擞敫咚偻郊剖ㄊ淙攵肆樱咚偻郊剖ㄍü齈CI总 线与工业控制计算机连接，高速同步计数卡的输出端还与高速同步数据采集仪的控制端连 接；所述工业控制计算通过串行总线与动平衡控制输入端连接，所述动平衡控制器输 出端与在在线动平衡装置连接。本发明的减震工作台上还设置有通过合页与减震工作台相连接的防护罩；高速电主轴内部主轴转子采用两对向心角接触滚动球轴承支承，主轴电机安装于 两对轴承之间；失衡模拟装置通过锥面配合加螺纹连接的形式安装于高速电主轴端部的锥形孔 内，失衡模拟装置沿周向分布有若干螺纹孔；温度传感装置还包括与套管的螺纹相配合的螺母及垫片；水枪通过管接头与水源相连；水盘上设置有一一对应的四个容腔和四个水槽；所述容腔沿周向均勻分布，可容 纳平衡液体；所述水槽为环形槽，沿轴向分布；水槽在所对应的容腔相位上设置有进水孔； 所述水枪设置有四个喷水口，与水盘的水槽一一对应；高速电主轴内部电机线圈处放置有热电阻，轴承处放置有测温元件11，两者信号 均与微处理器�？槭淙攵肆樱媚？槭涑龆送ü凶芟哂牍ひ悼刂萍扑慊�。本发明具有以下特点(1)高速主轴在线自动平衡系统主轴转速可达50000r/min，满足高速动平衡需 要；(2)系统主轴为铣削主轴，采用喷液式自动平衡装置补偿不平衡量，该装置平衡精 度高，且运行过程中无需停机，满足模拟铣削加工过程中高精度动平衡的需要。(3)系统可以实时监测主轴内部电机、线圈、轴承等关键部位的温度，有助于提高 基于动力学模型的动平衡方法的精度。(4)系统采用内置磁栅编码器的方式，控制主轴径向跳动数据的采集时序，能有效剔除由于主轴转速波动弓I入的数据采集误差。(5)系统采用圆度误差分离技术处理采集的主轴径向跳动数据，能有效剔除主轴 表面圆度轮廓引入的误差。(6)与传统的动平衡实验系统相比，本发明有自动化程度高、可控性好、系统实验 精度高、应用范围广等特点。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。图1是本发明系统装置的结构示意图；图2是本发明温度传感装置10的封装图；图3是本发明减震工作台及防护装置结构示意图；图4是本发明失衡模拟装置9的示意图；图5是本发明的工作原理图；图6是本发明温度测点布局及监测原理图。上述图中1高速电主轴，2机座，3水盘，4管接头，5水枪，6水枪安装支架，7电涡 流传感器安装支座，8电涡流传感器，9失衡模拟装置，10温度传感器封装，11测温元件，12 带螺纹的封装套管，13垫片，14螺母，15减震工作台，16防护罩，17合叶页。
具体实施例方式参见图1-4，本发明包括机械部分和电气控制部分，所述的机械部分的高速电主轴 1通过机座2安装于减震工作台15上，高速电主轴1主轴转子采用两对向心角接触滚动球 轴承支承，高速电主轴1主轴电机安装于两对轴承之间，高速电主轴1上安装有温度传感装 置10，高速电主轴1两侧的伸出端自内向外均安装有电涡流位移传感器8和在线动平衡装 置，电涡流位移传感器8安装的相位可根据算法需要调整，高速电主轴1的两端的端部均设 置有用于安装失衡模拟装置9的锥形孔；失衡模拟装置9通过锥面配合加螺纹连接的形式 安装于高速电主轴1端部的锥形孔内，失衡模拟装置沿周向分布有若干螺纹孔，通过添加 不同大小的配重螺钉可方便的实现不平衡量的添加，模拟主轴失衡状态；所述的在线动平衡装置为喷液式在线动平衡装置，在线动平衡装置的水盘3安装 于高速电主轴1的伸出端并随高速电主轴1旋转，水枪5经水枪安装支架6安装在水盘3 的内侧通过管接头4与水源相连并将平衡液体喷入水盘的腔体内，实现对高速电主轴1不 平衡量的校正；所述的水盘3上设置有一一对应的四个容腔和四个水槽；所述容腔沿周向均勻分 布，可容纳平衡液体；所述水槽为环形槽，沿轴向分布；水槽在所对应的容腔相位上设置有 进水孔；所述水枪5设置有四个喷水口，与水盘的水槽一一对应；通过水枪5将平衡液体喷 入水盘的水槽内；主轴旋转过程中，被喷入水槽的液体在离心力的作用下通过进水孔进入 对应容腔，产生配重效果，实现对主轴不平衡量的校正；所述的温度传感装置10包括安装在高速电主轴1上的带螺纹的套管12，以及封闭 于该套管12内的测温元件11，温度传感装置10还包括与套管12的螺纹相配合的螺母14 及垫片13，该封装方式可使温度传感器方便的安装于高速电主轴轴承处；
所述的减震工作台15上还设置有通过合页17与减震工作台15相连接的防护罩 16。参见图5，本发明的电气控制部分包括工业控制计算机、动平衡控制器、高速同 步数据采集仪、高速同步计数卡、电荷放大器、IVpp信号调理�？椤⒋耪け嗦肫�、光电传感 器；所述的电涡流位移传感器8与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与 高速同步数据采集仪的输入端连接；安装于在在线动平衡装置吗？)外侧的光电传感器与 高速同步数据采集仪的输入端连接；高速同步数据采集仪通过PCI总线与工业控制计算机 连接；安装在高速电主轴1后端轴承外侧的磁栅编码器与IVpp信号调理�？榈氖淙攵� 连接，磁栅编码器安装的相位可根据算法需要调整，IVpp信号调理�？槭涑龆擞敫咚偻� 计数卡输入端连接，高速同步计数卡通过PCI总线与工业控制计算机连接，高速同步计数 卡的输出端还与高速同步数据采集仪的控制端连接；所述工业控制计算通过串行总线与动平衡控制输入端连接，所述动平衡控制器输 出端与在线动平衡装置连接。参见图6，本发明高速电主轴1内部电机线圈处放置有热电阻，轴承处放置的测温 元件11，两者信号均与微处理器�？槭淙攵肆樱媚？槭涑龆送ü凶芟哂牍ひ悼刂� 计算机连接。本发明采用三个电涡流位移传感器实现对主轴两端轴承处转子振动的采集，三个 电涡流位移传感器的数据通过圆度误差分离技术，可以剔除圆度轮廓引入的计算误差。这 里所述的电流涡位移传感器型号是米铱eddyNCDT3010，量程是0 500um，重复测量精度 0. 05um,分辨率是0. 025um,极限频率是25KHZ。所采集的振动数据通过电荷放大器调理放 大后，输出至高速同步数采仪，高速同步数采仪通过PCI总线将振动数据传输至工业控制 计算机。在高速主轴后端轴承外侧安装有磁栅编码器，编码器的型号是GEL2444，齿数是 256，模数是0. 3，内径是40mm，外径77. 4mm,最高转速70000r/min。该磁栅编码器输出零相 位信号和与编码器线数对应的圆周正弦波信号，通过IVpp信号调理�？椋也ㄐ藕抛� 化成方波信号输出到一个高速同步计数卡中。同步计数卡对圆周方波信号进行倍频或分 频，零相位信号通过同步计数卡控制倍频或分频后的圆周方波信号的输出，再触发同步数 采仪同步采集电涡流位移传感器数据。通过这种数据采集触发方式，可以有效减少主轴转 速波动弓I入的不平衡计算误差。安装于在线动平衡装置外侧的光电传感器与高速同步数采仪输入端连接，高速同 步数采仪通过PCI总线将光电传感器信号传输至工业控制计算机，通过该信号可以实现对 在线自动平衡装置的水盘的相位鉴别。主轴内部电机线圈处放置热电阻，热电阻信号通过前置调理�？樽晃缪剐� 号输入至微处理器模块；轴承处放置的单总线数字式温度传感器，温度传感器的型号是 DS18B20单线数字温度计，测量范围_55°C 士 125°C，分辨率是0. 5°C，9位数字输出，200ms 数字量转化时间，该传感器输出的数字信号通过串行总线输入至微处理器�？椋⒋砥� �？橥ü凶芟撸髦嵯低澄露刃畔⒋渲凉ひ悼刂萍扑慊�。
工业控制计算中对采集到的振动、相位、温度信息综合处理后，计算得出主轴转子 不平衡量分布，并通过串行总线将不平衡量信息传输至动平衡控制器，动平衡控制器与安 装于主轴系统转子两侧的喷液式在线动平衡装置的水枪相连，动平衡控制器将不平衡量信 息转换为平衡调整执行指令，控制水枪在设定相位喷射一定水量，实现动平衡调整。
权利要求
1.高速电主轴在线自动平衡实验系统，包括机械部分和电气控制部分，其特征在于 所述的机构部分的高速电主轴(1)通过机座(2)安装于减震工作台(15)上，高速电主轴 ⑴上安装有温度传感装置(10)，高速电主轴⑴两侧的伸出端自内向外均安装有电涡流 位移传感器(8)和在线平衡装置，高速电主轴(1)的两端的端部均设置有用于安装失衡模 拟装置(9)的锥形孔；所述的在线动平衡装置为喷液式在线动平衡装置，在线动平衡装置的水盘(3)安装于 高速电主轴(1)的伸出端并随高速电主轴(1)旋转，水枪(5)经水枪安装支架(6)安装在水 盘(3)的内侧并将平衡液体喷入水盘的腔体内，实现对高速电主轴(1)不平衡量的校正；所述的温度传感装置(10)包括安装在高速电主轴(1)上的带螺纹的套管(1 ，以及封 闭于该套管(12)内的测温元件(11)；所述的电气控制部分包括工业控制计算机、动平衡控制器、高速同步数据采集仪、高 速同步计数卡、电荷放大器、IVpp信号调理�？椤⒋耪け嗦肫�、光电传感器；所述的电涡流位移传感器(8)与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与高 速同步数据采集仪的输入端连接；安装于在在线动平衡装置外侧的光电传感器与高速同步 数据采集仪的输入端连接；高速同步数据采集仪通过PCI总线与工业控制计算机连接；安装在高速电主轴(1)后端轴承外侧的磁栅编码器与IVpp信号调理�？榈氖淙攵肆� 接，IVpp信号调理模块输出端与高速同步计数卡输入端连接，高速同步计数卡通过PCI总 线与工业控制计算机连接，高速同步计数卡的输出端还与高速同步数据采集仪的控制端连 接；所述工业控制计算通过串行总线与动平衡控制输入端连接，所述动平衡控制器输出端 与在在线动平衡装置连接。
2.根据权利要求1所述的高速电主轴在线自动平衡实验系统，其特征在于所述的减 震工作台(15)上还设置有通过合页(17)与减震工作台(15)相连接的防护罩(16)。
3.根据权利要求1所述的高速电主轴在线自动平衡实验系统，其特征在于所述的高 速电主轴(1)内部主轴转子采用两对向心角接触滚动球轴承支承，主轴电机安装于两对轴 承之间。
4.根据权利要求1所述的高速电主轴在线自动平衡实验系统，其特征在于所述的失 衡模拟装置(9)通过锥面配合加螺纹连接的形式安装于高速电主轴(1)端部的锥形孔内， 失衡模拟装置沿周向分布有若干螺纹孔。
5.根据权利要求1所述的高速电主轴在线自动平衡实验系统，其特征在于所述的温 度传感装置(10)还包括与套管(1 的螺纹相配合的螺母(14)及垫片(13)。
6.根据权利要求1所述的高速电主轴在线自动平衡实验系统，其特征在于所述的水 枪( 通过管接头(4)与水源相连。
7.根据权利要求1所述的高速电主轴在线自动平衡实验系统，其特征在于所述的水 盘C3)上设置有一一对应的四个容腔和四个水槽；所述容腔沿周向均勻分布，可容纳平衡 液体；所述水槽为环形槽，沿轴向分布；水槽在所对应的容腔相位上设置有进水孔；所述水 枪( 设置有四个喷水口，与水盘的水槽一一对应。
8.根据权利要求1所述的高速电主轴在线自动平衡实验系统，其特征在于所述的高 速电主轴(1)内部电机线圈处放置有热电阻，轴承处放置有测温元件(11)，两者信号均与微处理器模块输入端连接，该�？槭涑龆送ü凶芟哂牍ひ悼刂萍扑慊印�
全文摘要
本发明公开了一种高速主轴在线自动平衡实验系统，主轴安装在主轴定位座上，主轴内侧轴承处安装有磁栅编码器，主轴两端外侧各安装位移传感器；主轴两端安装有在线动平衡装置，在线动平衡装置中的平衡水盘安装在主轴转子上，水枪固定在实验减震平台上；主轴失衡模拟装置通过螺纹连接固定在主轴转子两侧端面上，位移传感器通过电荷放大器与高速同步数采仪连接，光电传感器与高速同步数采仪连接；磁栅编码器通过1Vpp信号调理�？橛敫咚偻郊剖�。工业控制计算通过串行总线与在线自动平衡装置控制器连接。本发明可以实现高速主轴在线自动平衡实验，具有高速、高精度、高集成度等特点。
文档编号G01M1/38GK102095555SQ20101057711
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者姜歌东, 张东升, 梅雪松, 王有新, 章云, 许睦旬, 邵明平 申请人:西安交通大学
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