史必佳，景敏卿，樊紅衛(wèi)，王 錦，劉 恒

（西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安710049）

0 引言

工件表面的粗糙度、波紋度等很大程度上受到砂輪軸徑向振動的影響［1－2］。因此，如何有效抑制砂輪軸的徑向振動成為精密加工必須考慮的實際問題。通過對旋轉(zhuǎn)機械振源的大量分析可知，質(zhì)量不平衡是大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機械最常見的振源之一［3］，對旋轉(zhuǎn)機械進行現(xiàn)場振源分析時經(jīng)常需要率先確認(rèn)是否為轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動。常規(guī)轉(zhuǎn)子平衡是專門校正質(zhì)量不平衡的一項實用技術(shù)，已經(jīng)在砂輪軸振動抑制中得到廣泛應(yīng)用［4－5］。近些年，隨著在線主動平衡技術(shù)的出現(xiàn)，砂輪軸在線主動平衡裝置及控制器研究逐漸成為新的熱點。其中，機械式［6］、噴液式［7］和電磁式［8］在線主動平衡裝置已經(jīng)在電主軸上初步應(yīng)用，并和機上動平衡、現(xiàn)場動平衡共同組成了機床電主軸全生命周期動平衡工藝體系。在3種動平衡工藝共存的現(xiàn)狀下，現(xiàn)場動平衡經(jīng)常作為在線動平衡的預(yù)平衡使用。以自主開發(fā)的帶有電磁式主動平衡器的磨削電主軸為對象，基于虛擬儀器思想開發(fā)了具有實用性的便攜式砂輪軸單平面現(xiàn)場動平衡系統(tǒng)，并在“電主軸－平衡器”集成單元上進行了平衡試驗。

1 砂輪軸單平面平衡的影響系數(shù)法

在旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子現(xiàn)場平衡技術(shù)中，影響系數(shù)法是一種常用方法，它不要求掌握轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的精確振動特性和初始不平衡分布。影響系數(shù)是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)平衡平面上的試加質(zhì)量與其引起的轉(zhuǎn)子振動變化量之間的函數(shù)關(guān)系。研究的砂輪軸主要不平衡源在砂輪位置，因此視為盤類轉(zhuǎn)子，平衡時只需一個平衡平面，平衡平面上的影響系數(shù)為［5］：

a為影響系數(shù)；A1為平衡面上加試重后的振動；A0為平衡面上的初始振動；P為試加重。

根據(jù)式（1）可知，在平衡面上應(yīng)加平衡重量為：

Q為平衡面上應(yīng)加的平衡重量。

為了獲得較準(zhǔn)確的平衡重量，首先應(yīng)得到較準(zhǔn)確的影響系數(shù)。不少實驗表明，若試重不好，則影響系數(shù)會偏離準(zhǔn)確值較遠，使求得的平衡重量不準(zhǔn)，平衡效果差。因此，加試重在平衡操作過程中至關(guān)重要?；谟绊懴禂?shù)法平衡的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 基于影響系數(shù)法的轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)流程

2 現(xiàn)場平衡中信號處理方法

轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動檢測是現(xiàn)場平衡操作過程中的重要組成部分。在機器實際運行中，采集到的信號往往夾雜著各種噪聲，影響真實信號的獲取，這就需要通過必要的信號處理來準(zhǔn)確提取出有用信號。在平衡實施過程中，需要結(jié)合轉(zhuǎn)速信號（基準(zhǔn)信號）和振動信號來提取基頻振動的幅值與相位。

2.1 轉(zhuǎn)速信號測量

轉(zhuǎn)速信號是通過在砂輪軸上貼黑色反光標(biāo)記、利用光纖傳感器獲取的。當(dāng)傳感器探頭對準(zhǔn)標(biāo)記時輸出高電平；探頭對準(zhǔn)轉(zhuǎn)軸時輸出低電平。高、低電平的變換頻率即轉(zhuǎn)頻，通過軟件編程計算出轉(zhuǎn)頻。

2.2 振動信號測量

現(xiàn)場平衡的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲取振動信號的幅值與相位。關(guān)于傳感器選取，考慮到非接觸、精度高特點，選取渦流傳感器?，F(xiàn)場環(huán)境下，檢測到的振動信號不僅有不平衡引起的基頻振動，還存在半頻、倍頻振動及干擾等，可通過FFT將基頻與其他頻率成分和干擾信號分離，從而獲得有用的振動幅值。由于信號經(jīng)計算機處理，不可避免地被截斷，使得信號必然存在著泄漏問題，影響幅值計算。因此，對采集到的信號先施加漢寧窗，再進行FFT。這里，漢寧窗旁瓣小，可減少頻譜泄露。

現(xiàn)場平衡中振動相位是指振動信號相對于基準(zhǔn)信號（轉(zhuǎn)速信號）的相位。已有文獻將轉(zhuǎn)速信號的脈沖與振動信號的基頻分量的正峰值之間的時間差定義為轉(zhuǎn)子振動相位，且基準(zhǔn)信號和振動信號可以有不同的參考點設(shè)置方式。對于基準(zhǔn)信號，采用上升沿觸發(fā)；對于振動信號，采用正斜率過零點的設(shè)置方式。考慮到光纖傳感器和渦流傳感器安裝相位差θ，將振動相位按圖2所示處理（圖2僅是轉(zhuǎn)向為逆時針的情況）。

圖2 現(xiàn)場平衡中振動相位處理

當(dāng)轉(zhuǎn)子以圖2所示逆時針轉(zhuǎn)動時，振動相位為：

反之，若轉(zhuǎn)子按相反方向（順時針）轉(zhuǎn)動時，振動相位為：

θ′同式（3）一樣，是零相位參考點沿轉(zhuǎn)速方向振動測點的夾角，顯然，因為轉(zhuǎn)速方向不同，θ′與θ為互周角。

3 現(xiàn)場單平面平衡虛擬儀器開發(fā)

虛擬儀器具有擴展性強、開發(fā)時間短等特點，在測試工程中應(yīng)用廣泛。由于LabVIEW具有圖形化的語言編程環(huán)境、人機交互界面友好、強大的外部接口能力等特點，采用LabVIEW作為現(xiàn)場單平面平衡虛擬儀器開發(fā)工具。所開發(fā)的平衡虛擬儀器主要包括以下幾個模塊，初始不平衡測試模塊、試重計算及加試重模塊、加試重后的不平衡測試模塊、實際配重結(jié)果、質(zhì)量分割和殘余不平衡測試模塊。其中，不平衡測試界面是核心界面如圖3所示，給出了初始不平衡和殘余不平衡測試的實際界面。

圖3 現(xiàn)場單平面平衡中不平衡測試的主要界面

圖3 a所示為初始不平衡測試界面，分為6個功能區(qū)，操作流程菜單欄、參數(shù)配置區(qū)、不平衡振動顯示、波形顯示區(qū)、提示幫助區(qū)和操作命令控件區(qū)。其中參數(shù)配置區(qū)中包含采集卡、采樣頻率和采樣長度的采集參數(shù)設(shè)置以及傳感器的靈敏度和測點的測試參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向的設(shè)置。由于平衡技術(shù)對測點位置的敏感度不同，需要根據(jù)需要改變測點位置，因此此參數(shù)的配置尤為重要。圖3b所示為殘余不平衡測試界面，包括操作流程菜單欄、不平衡振動顯示、波形顯示區(qū)和操作命令控件區(qū)，完成殘余振動的顯示和平衡技術(shù)中的數(shù)據(jù)保存兩大功能。其中數(shù)據(jù)保存功能由圖3b中的保存按鈕完成，可將動平衡過程中用到的參數(shù)以及采集到的轉(zhuǎn)速、振動波形保存在當(dāng)前目錄下的記事本中。

4 砂輪軸現(xiàn)場平衡試驗

4.1 試驗方案

圖4a所示為自主開發(fā)的帶有電磁平衡器的集成電主軸單元［9］，為了開展在線主動平衡試驗研究需要對此臺電主軸進行現(xiàn)場預(yù)平衡，試驗中測點的布置如圖4b所示。其中光纖傳感器采用的是美國邦納的PBT26U；電渦流傳感器是廣州精信的JX20，其靈敏度為4V／mm，負電壓輸出。

圖4 試驗臺及測點布置

為了采集轉(zhuǎn)速和振動信號，并考慮與虛擬儀器的配套使用，選用NI公司的USB-9215A采集卡，其有4個信號輸入通道、最高采樣頻率為100kHz，滿足試驗需求。試驗流程如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場平衡試驗流程

4.2 平衡程序驗證

為了驗證所開發(fā)的平衡系統(tǒng)的有效性，開展了平衡測試。設(shè)平衡轉(zhuǎn)速為2 100r／min，初始不平衡為“電主軸－平衡器組合轉(zhuǎn)子”的出廠殘余不平衡，多次測試后確定圖4b中1＃渦流傳感器為平衡敏感測點。基于此，開展了砂輪軸的現(xiàn)場平衡，平衡數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2 100 r／min且無外加不平衡時的平衡數(shù)據(jù)

根據(jù)表1，不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場平衡能將基頻振動幅值從初始的20.57μm 降至5.06μm，降幅達到90.0%，表明平衡程序正確、平衡效果明顯。

5 結(jié)束語

將現(xiàn)場平衡用于砂輪軸在線平衡的預(yù)平衡，能夠有效抑制砂輪軸的殘余不平衡，進而達到減振目的?；贚abVIEW所開發(fā)的專門用于砂輪等盤類轉(zhuǎn)子現(xiàn)場單面平衡的虛擬儀器系統(tǒng)功能齊全、方便用戶使用。

［1］ 母德強，冀清發(fā).砂輪不平衡量對磨削表面波紋度影響的研究［J］.吉林工學(xué)院學(xué)報，1994，15（4）：1-4.

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［3］ 張弛.旋轉(zhuǎn)機械典型故障特征提取方法研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2010.

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［5］ 安勝利，楊黎明.轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［6］ 張加慶.純機械式在線動平衡系統(tǒng)的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

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［8］ 樊紅衛(wèi)，景敏卿，王仁超，等.磁力配重型在線自動平衡頭的作動原理研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2013，47（2）：97-102.

［9］ 樊紅衛(wèi)，景敏卿，吳騰慶，等.自動平衡頭對電主軸動態(tài)特性影響的試驗研究［J］.測試技術(shù)學(xué)報，2013，27（5）：369-376.