针对高转速、大尺寸数控转台不平衡信号的提取与实现

李文庆 刘俊武 郝天阳 汤洪涛

（科德数控股份有限公司，辽宁 大连116600）

数控转台是机床的重要部件，其性能对机床的性能和寿命影响很大。当旋转物体质量不对称、加工制造过程中有误差、整体装配或安装不精确、使用过程中产生形变等，回转部件对支撑轴承的压力随转子转动而发生变化，此时即产生了不平衡量[1]，从而造成机床噪声与振动，影响机床的加工质量与效率。尤其是对于立式车铣复合加工中心来说，由于需要进行高速的车削做业，对转台的最小不平衡量有较高要求；对于大尺寸的数控加工中心，由于转台的直径大，转速增加后转台的线速度非常大，这对现场操作工人都有一定危险性。与此同时，只有当旋转机械部分处于最理想的平衡状态时才可能使工件的加工质量保持一致并且达到较高的标准。而在线动平衡装置可以使不平衡引起的机床振动控制在要求的精度范围内，对提高机床的整体性能、延长使用寿命等具有重要意义。但是对于目前的高档数控机床行业来说，可以方便集成的动平衡检测产品少之又少，大部分都依赖进口，价格昂贵。对于动平衡检测领域，大多数产品主要集中于磨床的砂轮动平衡检测，机械转子的动平衡检测，在转速、工作频率、剩余不平衡量等关键指标上并不适用于数控转台。总的来说，目前国内开发的现场动平衡检测系统主要面向特定企业，针对特定类型的产品，功能单一；一次平衡实验精度不高，一般要进行多次平衡才能达到高精度。因此对于立式车铣复合加工中心来说，亟需一种高精度、多功能且对原有结构影响小、冲击小，成本低，易于集成的动平衡在线检测系统。

1 动平衡分析方法——影响系数法

数控转台动平衡的目的是经过一系列测试，确定不平衡量的大小和方向，然后通过改变转台四周质量块的分布来将不平衡量抵消或者减小。对于该类的测试来说，转子——支撑系统可以认为是一个单入单出的线性系统[2]，不平衡量和振动响应成线性关系。利用这一特性，可以先求出单位不平衡量的输出，求出影响系数，然后求出被测对象不平衡量的大小和位置，此类方法即称为影响系数法。

图1 转台输入/输出系统框图

振动响应Y(t)是不平衡量U(t)的振动响应，则U(t)和Y(t)的关系：

对上式进行傅里叶变换，得到系统的频率响应：

因此，输入不平衡量的大小与系统响应的大小之比为一常数k；由不平衡量引起的基频振动相位与不平衡量相位的滞后角α 不变。

测量流程：

（1）采集转台转速信号和转台振动信号。

（2）获取原始振动信号的大小和相位。

（3）加试重块，提取振动信号的大小和相位。

（4）计算转台不平衡量的大小和相位。

动平衡测量系统框图如图2。

2 软件控制流程（图3）

首先，如果试初次测量，则要先用影响系数法求出系统的影响系数。其次，计算系统初始不平衡量，得到初始不平衡量的大小和相位。最后，调整转台质量块，质量块的移动方式有直角坐标式、极坐标式、混合坐标移动方式等几种[3,4]，重新测量系统不平衡量，直到达到要求标准为止。

图2 动平衡测试系统硬件组成

图3 动平衡检测软件流程图

3 振动信号提取

不平衡量信号及其特征参数的提取是在线动平衡测试系统的核心问题，特征信号的提取精度将直接影响测量精度和平衡精度[5]。由于DFT 等分析方法都要求对信号进行整周期的提取，传统方法是先根据转速计算出转台的周期，然后作为采样间隔，触发AD 转换。该种方式由于并不同步的原因，导致误差较大。本文采用将转速信号直接倍频，触发采样的方式提高的AD转换精度，同时满足整周期采样的要求[6]。综上，对于转速信号，主要是对接近开关的信号进行处理，包括整形、变压、锁相、倍频。速度传感器采用接近开关。对于振动信号，也即加速度信号的提取，由于电荷类型加速度传感器输出信号较弱，故需要电荷转电压电路，实际中也可以选择内部集成放大电路的电压型输出的加速度传感器。对于初始的电压信号，需要放大和限幅电路。对于滤波器的选择，可以选择二阶低通滤波器、级联积分器、精密全部整流电路的组合，已经满足工作转速内的振动信号的处理；当然，也可以考虑实现更为方便的，中心带通滤波器或者跟踪滤波器等集成滤波器方案。

转速信号作为AD 采样以及诸多软件处理流程的触发源，同时还用做相位标准信号，输入至ADC 和微处理器，完成最后的采样处理环节。

4 结论

目前立式车铣复合加工中心必须配备动平衡检测装置，以保证在高速车削状态下旋转机械部分处于理想状态。目前应用瓶颈在于国内没有可以较好的集成到数控系统内的动平衡检测装置，仅能依靠国外个别厂家，并且价格昂贵；同时对于大半径转台，动平衡转速范围过高，转台线速度过大，不方便现场工程应用操作。针对该问题，构建了以ARM 为核心的不平衡信号检测系统，采用加速度传感器测量振动信号，接近开关测量数控转台的转速信号。分析了对于刚性转子单面影响系数法的测量原理和测量实现，并针对转速信号、加速度信号给出了处理方案和硬件实现。结合实际应用给出了测量结果，实际实验应用表明，该方法能够准确测量不平衡量的大小和相位，该测量方法和以该方法为基础的在线动平衡检测模块，已经广泛应用在立式车铣复合加工中心类高档机床上，它的特点是成本低、可集成、精度高，转速可以在较大范围满足动平衡检测的需要。