（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp的高速主轴动平衡控制系统研究.pdf

摘要 在高速，商精度加工巾，高速数控机床已经得到了夫规模的应阁，同时对于 如何提高高速旋转设备的加工和运行精度的研究也日盏得到重视。太中型旋转机 械的加工和运行精度主要受高速主轴系统的不平衡振动影响，主轴系统的不平衡 振动可能受多方面因素作用，例如安装，椎4 逢工艺和环境因素，运行过程中的蘑 损和负载冲击等等。所以，高速系统的平衡理论和方i 去的研究对于提高旋转机械 的加工和运行质量具有非常好的实际意义。 本文通过对高速主辘系统进行建模，研究了高速主轴系统的动力学模型，进 一步建立了适用于高速主轴系统的主轴系统不平衡量一振动量模型。通过研究 主轴系统的动平衡理论，对基于影响系数法的在线动平衡方法进行了研究，并在 影响系数法的基础上，研究了基予影响系数法的矢量平衡法在线动平衡坂理，可 以在不停机的隋况下完成动平衡过程。并且设计_ 基于d s p 芯片i m s 3 2 0 心8 1 2 芯片的动平衡控制器，充分i 用d s p 芯片上集成的工_ 胜 制模块控制电磁平衡 器旋转，并利用芯片上的离速高麟度模数转换单元，采集主轴上的振动信号， 转速信号等，完成程序自动运算，并且设计了配套的外部隔离，采样和驱幼电 路。本文对予高速主辜由不平衡振动和在线动平衡投术的实用控制系统韵研究，为 提高高速数控加工中心的加工质量奠定了试验鄹理论基础。 关键词：t 述主轴；动平衡：0 s p ；控制系统 独创性声明 本人声明肼皇交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工、 k 大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被甭阅和借阅：学校可以公布论文的全部或啬f j 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名 导师签名： 龇u 期 第1 章绪论 1 1 课题背景及实际意义 在现代工业中，对高速、高精度的旋转机械设备需求日益增加，同时对于如 何提高高速旋转设备的加工和运行精度的研究也日赫得到重视。大中型旋转机械 的加工和运行精度主要受转子系统的不平衡振动影响。据资料统计，旋转机械由 于振动原因导致设各失效的大约为6 0 7 0 ，其中由于转子小平衡失效的比例 为3 0 左右【1 i 。转子系统的不平衡振动可能受多方面因素作用，例如安装，制造 工艺和环境因素，运行过程中的磨损和负载冲击等等。所以，对于转子系统的平 衡理论的研究，对于提高旋转机械的加工和运行质量，具有非常好的实际意义。 转子系统理论上来讲应该是相对转子轴线对称的，但是由于上文所述的诸多 因素影响，在实际运行中，达不到完全对称，存在一定的不平衡量，为了抵消转 子不平衡量的影响，就璺对转子进行平衡。 经典的转子平衡方法分为静平衡和动平衡两种。通常，静平橱用于运行速度 不大，对精度要求不高的转子。动平衡则应用于高速和高精度的转子系统中。早 期的转子动平衡理论也称为经典平衡方法口i ，一般对转了做试加重然后反复开机 调整，直到满意为止。经典平衡方法要经过多次开、关机刘试加重，步骤繁琐， 对于大型的旋转机械系统，由于频繁开关机检测试重，会影响正常的加丁流程， 造成一定的经济损失。后来，人们经过对不停机条件下随时对系统进行动态平衡 原理和方法的研究，发展了不停机平衡的方法，称为在线动半衡方法。 高速旋转机械i 动平衡方法作为转子系统振动控制的一4 个方向，同传统的经 典平衡方法相比，避免了频繁开关机试蘑，能够极大减少平衡时间和周期，提高 工作效率和精度，可实现旋转机械工作过程中的自动平衡。从动平衡方法提出至 今，国内外研究人员在此领域进行了大量的研究，近年来，受到电子技术和控制 理论的带动，动平衡的方法和控制也进入了一个新的阶段。 12 国内外研究现状及进展 在2 0 世纪初，大部分转子系统工作转速在阶转速以n 转子系统属于刚性 系统，对于月j 性转子系统的动平衡研究f 2 0 纪3 0 年代已经基本成熟 3 】。但足， 刚性转子的旋转速度超过阶转速以后，刚性转子系统又重新回归的不甲衡状 态，刚性转子的动平衡方法则失去作用。 kf e d e m 于1 9 5 6 年提出转子系统刚柔性判断力结1 ，指出，高于某一转速的 kf e d e m 十1 9 5 6 年提出转子系统刚柔性判断力法i ，指山，高于某一转近的 北京工业大学硼 一学位论文 转子系统必颁考虑挠度对动平衡的影响转了属于柔性转子。随着高速旋转机械 越来越多的投入使用，研究人员提出了各种柔性转了系统的动平衡理论和方法， 归纳起来，可以分为两类：振形平衡法和影响系数法 ”。 振形平衡法又称模态平衡沾，该方法是按照旋转轴的振动原理把一定转速f 的转子振彤分解成为各阶主振形，列这些主振形加以平衡，从而达到撼个转子系 统平铂豹墨的。影嫡系数法是刚性转子的蕊甲丽向量法在黍性转子系统中的推 广。这两种平衡方法都试图降低转子系统的挠曲和振动，分别宵不同的目标函数， 振彤平衡法联豹是清除蓠研舟不平簿莹，箍州羚以后的商阶不平衡量因为院较小， 对转予系统工作影响不显著，所以可以基本忽略。影响系数法是在备自选定的平 衡转速f ，使转子系统中测点的振动为零，很是不能保证所有转速时转子系统中 的每个点振动敲小。 摄形平衡法和影响系数法这两种方法都不能完全消除转子系统的振动，在这 两种方法提出以后，以这两种方法为基础，相继出理了备种修正方法。k e n n e d 、t b ，s h o p 和白术万博等人采用影响系数法与振搿平衡注相结合的种技术，即“振 形圆平鹈法”m ”，可以判龋主要夺乎衡量的分布情况，大丈减少开关机次数，提 高了效率和平衡精度。国内台肥工业大学的刘正士在1 9 9 4 年提 了转予动平衡的 相对系数法1 5 】，在影响系数法的基础上通过动态信号分析仪直接堋量相对系数， 提高了动平衡的效率。g o o d m a n 于1 9 6 4 年提出了对影响系数法修正后的最小二乘 法和加扳最夺二乘法鞴。这种方法通过寻找一维校正质量，使各个测点在各种转 速下的振动残余值平方和最小。随着动平衡研究的不断深入，动平衡的理论研究 也不断深入发展。 目前，影响系数法在现场动平衡中获得了更加广泛的应用，当前囤内外广泛 使用的高速转子系统自动动平衡系统中，都采用了影响系数法【9 】。 通常，评价一种动平衡方法的优劣，通常存以下几种判断准攒拶。 ( 1 ) 平衡精度高。即平衡后转子残余振动不平衡量小，在工作转速下转子挠 曲和内应力小，轴承振幅及动反力小，启动时转予容易递过临界转速。 ( 2 ) 易于控制，测试仪器简单。 ( 3 ) 如果采用应力加重法，g 口应使校正度量，数量少，重量轻。 ( 4 ) 平衡机构体积小，便于在空间有限的设备上安装。 自从1 9 8 7 罐第一台自动平衡器在美国问世阿班来，自动平衡装置日盏得判广 泛推广和应用，归纳起柬，可以分为三类，如图1 1 所示。 图1 一l 柔性转子在线幼平衡数置分类图 f i 目脚l 1 t h e d i v i d o n o f o n - “m d y m m j c b m a l l c i l l g 掣s l c m s 第一类是从质量方面出发，通过调整质量的方法将平衡盘的几何中心转移刊 旋转中心，称之为赢接在线动平衡装置，包括喷涂法涂液法和激光去重法等。 第二娄是聚用力的方法，给不平衡转予系统长期提供一个和不平衡力大小相 等，方向相反的力，当转了系统旋转时，重心被拽回旋转中心，称之为间接在线 动平衡装置， 第三类是通过某种方式改变平衡机构的山部质晕分布，使其几何中心和转子 旋转中心重台。质量的重新分毒可以通过撬槭或者电磁髓冉法米实现。这类装置 称之为混台试在线动平衡装置。 121 质爨调整式在线动平衡装置 质餐。调整式存线动平橱装置又称为直接在线动平衡装置。在实际应用中， 包括了喷滁型在线动平衡装置，喷液型桎线动乎衡装置和激光去重型在线动乎锤 装胃。 ( 1 ) 瞳涂型在线动平衡装置喷涂型在线动4 糍装置是通过喷射枪将高粘度物 质喷射到转了七，改变转子重心位置。1 9 7 4 年l s a r o v 提出了此方法 1 ( 1 j 。1 9 8 7 年 s m a l l c y 等采粥 算机控制的方法，增强了该方法的实用性l 。但是，当驭这种 办法高速将商粘度物质喷附在转子l 时，会在短酬问内产生较大的冲赢，产生新 的不甲衡量，同蹦，喷射物赝会影响转子襄萄的质量分布，并且这种动平衡方法 4 i 适用于高速转予的动i f 衡。 北京t 业丈学硕扛学位论文 ( 2 ) 睛液型在线动平衡装爱唼液型在线动平衡装置也是一种质量调整型在线 动平衡装置。喷液型在线动平衡装甓在转子端部装有喷渡平衡头，根据传感嚣检 测到的转了振动信号，由电子设缶控制喷枪，将液体喷射到转子端部平衡头p 的 肄器h 从而改变甲挺头的质量分布郭重心位置，实现在线动平衡。目前在国内 浙江大学材料与化学工程学院等相关研究单位已经在这方面取得实质性的进展 和突破j 。但是由于窑腔体积有限，甲衡能力收到陛制，而且由于液体具有挥发 性，平衡精度不能得到完全保证。 f 3 ，激光去重型在线础平衡装置激光玉重型在线动平簿装置通过控制融冲激 光束的发利时阅、脉冲宽度和能量犬小，使转子材料在微秒量级的时问内气化， 改变转子的几掰中心，胍两对转子系统避行动平衡。2 0 世纪8 0 年代出现了这种平 衡装置，这种方法易于控制，1 f 衡精度高，但是由于激光束会使转子上的金属气 化，会对转子系统造成损伤，酶低转予的疲劳极限，减少了旋转机械的使用寿命， 另外，在半衡过程中，会产生毛边，毛刺和氧化物，影响主轴的表面质孱，金属 气化产生的金璃微粒会污染环境，危害人类健康等。使激光去重型在线动平衡装 置j i 能非常妊的应用到工业实际中基，一般来说，这种动平衡方法卸装嚣只适剧 于小型机构的平衡。 1 22 间接在线动平衡装置 间接型在线动平衡装置一般道过在主轴端部的平衡头上加e 一个与不平衡 力大小相等，方向相反的平衡作州力，来抵消不平衡量达到平衡的目的。间接 型在线动平衡装鼍一般来说包括电磁轴承型在线动平衡姨置和电磁圃盘型在线 动平餐装置f 1 2 ”】，如蜀l - 2 所示。这类装置的平衡原理基本是通过变频器在主轴 系统的电磁轴承处或者平衡圜盘处，长期施加个和主轴旋转速度相同的平衡电 磁力。实现转子系统的在线动平衡。 a ) 端面视图 a ) e df a c ev 1 e w b ) 截面视图 b ，c 加鹤s 瞄娃0 n e w 图l 一2 电磁式在线动平衡装置示意圈【1 3 】 f i g i 】睇i 2 稚b s b 蝻0 f 日扰如h 日g 黼6 c d y n a n c e a 衄i n g s y 啦m 但是，这种间接型在线幼平衡装置存在个严重不足，就是在高速主轴运行 的过程中，主轴端部的平衡头一壹收到电磁力的作用，对于欧期运行的机械来讲， l i 必要的能耗太大。另外，避类平衡装置机构太复杂，几个尺寸比较大，造成加 王成本太高，所以通常也用于小型机械设备中。 1 2 3 混合型在线动平微装置 混合型在线动平衡装置的基本原理是通过柠测系统检测转子系统豹旋转信 号，通过控制系统，改变装在主轴端部和主轴同速旋转的平衡头内部的质量分布， 产生同不甲衡力大小相等，方向相反静乎攥力，从而达到平衡主轱系统酌不平衡 力的目的。半衡头内部的质量分布一般由一个或者两个平衡质跫块来调节，根据 平衡质量块在平衡头j 二移动的轨迹，调罄的方式可以分为三种：直角坐标式，极 坐标式和混台坐标式”￥，如潮1 3 所示。 $ 画画 图1 3 甲衡赝量块运动轨迹图 f g u 挖l 一3 1 扯t 鞘黜o f m o v l n g b 出a 帖l n g b l o c k 具体来根据驱动方式的不同，混合型在线动平衡装置分为电动机型，遥控錾! 北京工业犬学硕士学位硷文 和电磁型。 f l 、电动机型在线动平衡装置电动机型在线动平衡装置是指平衡质最块由电 动机驱动，而电动机是通过电刷和控制系统相连接的。当主轴系统产牛不平衡振 动时，电动机带动平衡质量块运动刮一定位置，对主轴系统进行动平衡。主轴系 统平衡完成以后，不再对平衡头输入能带，即可切断屯动机r b 源或者描销拖动平 衡质量块移动的电磁力，克服r 间接型平衡装置需要小间断电源的缺点，节省了 能源。这种方法最早由jv a nd ev e m e 存1 9 6 4 年提出，他提出可蚍运用相对主 轴旋转的质量块来对主轴进行平衡，1 9 7 8 年他有对这种方法进行了改进”“，平衡 质量块做圆周运动，如图l 一3 所示。但是这种平衡装置驱动头非常复杂，需要特 种电机控制。 ( 2 ) 遥控式往线动平衡装置仵2 0 1 h = 纪8 0 年代以后，自人埘jv a nd ev e 毋e 的动 平衡装置和平衡头进行了改进，将其演变成遥控型。1 9 8 7 年c - w l e e 提出了无线 遥控式平衡头技术【“】，并目在3 0 0 0 r m i n 的转速上对挠性转子系统实现动! f 衡。 但是出于j v a n d ev e 昏e 提出得这种平衡头足相对于主轴运动，同时主轴系统冉 在高速旋转，所以结构非常复杂，这种平衡头及后续的改良研究并不适_ l i j 于高速 旋转的大型主轴系统。 ( 3 ) 加重式动平衡装置加重式动平衡方法相对于式重式动平衡装置，是通过 给主轴系统配平一个平衡不平衡量的质量，来达到平衡主轴系统的目的。通常较 简单的方法有三点配平法m 】，在转子系统的三个等分点上加试重，并测试其振动 值，根据三点平衡方法计算出不平衡量的大小和位置。装置如图1 4 所示。 b 向 、 卜 f l b i m 旷1 f d 4 图1 4 加重式动平衡装置示意图m f i g l l 陀1 - 4 t h e s k e f c h o f a d d b k k d y n a 士l l i c b a l a 衅i n gs y 虬c m 控制器的发展随着控制理论的发展和电子技术。计算机技术的发展，从动平 衡技术出现至今也经历了巨大的发展。f j _ i 于主轴系统的动平衡需要高速精确 的控制器，目前，采用的控制器策略主要有，p c 控制，甲片机 牵制器和嵌入式 控制器三种。 第l 草绪盹 p c 控制器的原理是莱用p c 帆作为主控制器，通过数据采集卡采集传感器得 到的信号井进行处理，通过计算反馈得到转动的位置后，在通过总线扳卡输出信 号，在p c 机外部进行放大后，驱动或控制平衡执行机构动作，完成动平衡。 单片机和嵌入式控制器的原理比较类似，都是将单h 机或嵌入式芯片作为独 立的控制器，完成从状态监测，信号采集，信号处理，动平衡算法实现，到驱动 执季亍枫构动作晦全过程。 单片机和嵌入式芯片的区别主要是在性能上，总的来说，嵌入式芯片叫以实 现多线程，复杂功艇和进程的控制，并其有 单片机芯片更强的计算齄力和工业 控制结构，是目前控制器芯片的主潮流之一。 2 0 静纪8 眸代班来各个发达国家相继投入大量人力，财力，研究开发提高 高速旋转机械的加工精度和质量的技术。这对高速加工技术的发展和实用化起到 了直接的推动作用。高速加工机械的出现引发了机械制造业的革命性变化，其优 越性在于： ( 1 ) 可以夫i 幅度提高加工效率。 ( 2 ) 可以明显降低刀具受力。 ( 3 ) 可以提高零件的加工精度。 ( 4 ) 刀具的磨损盟最降低有利于夫规摸自动化加工实现。 改革开放以后，由于国家对机械制造业的大力扶持，我国高速高精度加工的 科技攻关耜产她化，行盐的产品结构，产品水平有了报大的改善翔提高。为了满 足高速加工提出的更高的要求，与高速加工配套的功能部件的快速发展，尤其是 高速加工与主轴系统的研究已经成为衡量高速加j 二水平的震要标志。 近年来对予高速旋转机械及其主轴系统动平衡技术的研究，尤其是对土轴系 统动态特性的研究及快速现场动平衡技术的研究已经越来越受到人们的重视。已 经成为发展高速精密加工的瓶颈m j 。 由于主辅系统的材料不均匀，机械加工误差以及装配误差等原因，使得通过 旋转机械重心的主惯性轴与旋转中心不重台。因积当主轴高速运转时将产生不平 衡离心力，离心力大小同主轴系统的转速的平凡成正比。在高速主轴系统的高速 运转时，速度一般可班选到5 0 0 0 l 0 0 r 血n ，有时甚至达到6 0 0 0 0 l 0 0 m ，瑚i n 。 网此即使主轴系统有很小的不平衡量，也会产生非常大的不平衡离心力造成加 ：机械的刷烈振动，影响加工精度和表面礁量，甚垒造成主辘系统的失散。因藏 必须对主轴系统进行动平衡。 如t 所述，传统的主轴平衡方法在动平衡机上进行。这种停机平衡的方法不 方便，面目受平蜒导轨精度、平衡心轴圆艘、摩擦力、空间限制到操作者技术水 平的影响，平衡精度受到定限制，而且还要花赞很多时问，尤其时对于精鬻和 北京= 业大学硕士学位浩文 超精密主辘需要分翩1 衡，精半衡，并且经过多次拆装，乎衡时间长，锼雨j ：七 便。另外，脱机平衡方法的最大缺陷是未能考虑到由于高速加工过程中由于换刀 而造成的新的不半衡这一常见因素的影响。l 划此，在高速j 日工的发展过程中，主 轴系统的快速现场动乎衡，成为一琐不可或缺的关键技术，在生产中有着重要的 意义和广泛的成斤j 前景。对动平衡方法机嚣控制器技术，也具有非常莺舞的应用 价值。 1 3 研究的意义 丰轴系统的在线幼平衡技术对于高速精密加丁的重要性可从如f 方面体现 出来： ( 1 ) 可将振动控制在允许的较低水平，可以明盟地提高工件的加精度，憝 。氏表面粗糙度。 ( 2 ) 进行高速加工时经常需要换刀谣整，调整后进行快速在线动平衡刚使商 选土轴系统在数分钟内革新达到良好的平衡状态，显著提高生产效率，提高加工 质量。 f 3 ) 可以最大限度的发挥高速旋转加工机械的加工潜力，避免实际生产加r ： 中由于甭平衡 发的掇动使机床无法在最高转速下正常工作的现象发生。 ( 4 1 高速主轴系统是关键的精密部件，在线动平衡技术可以避免由于过大的 不平衡振动 | 起的主轴系统的损坏，降低轴承的磨损和主轴系统的使用寿命，保 证机床的安全运行。 由此可见，高速主轴的在线动平衡技术的理论与应用研究是我国发展高速高精 密加工技术的十分重要和追切的任务，对于在线动平衡技术的理论和应用硬究对 于我国的机械制造行业具有显而易见的实际意义。 1 4 课越来源及主要研究内容 本课题来源子中国国家自然科学基金f n a h o n a l t i l r 甜s c i 蹦c o f o u n d 撕0 o f c 址n a ) 资助研究项目“高速精密数控机床主轴系统在线动平衡技术的研究”( 编 号：5 0 3 7 5 0 0 2 ) 。作为一项应用基础研究，本课题从在线平衡的力学原理，高速 主雅的力学模型，黍性转子系统的动森特性。控制嚣的原理和控制方法，提高加 工的速度，效率和质量，以及延长主轴系统的寿命祷角度入手，研究在线动平衡 的蔗理，控翩方法与关键技术。作为具体方法，采罔d s p 控皋l 器控制电磁式动平 衡执行器，采用电涡流传感器和加速艘传感器检测主辅系统的旋转和动平衡机构 的运行情况，d s p 控制器计算出不平衡量的大小和执彳亍机构的运行位置后，控制 动平衡执行器运行到位，锁紧后完成一次在线动平衡。同时保持监测状态，监测 第l 章绪论 主轴系统的不平衡并准备完成新的一次在线动平衡。 主要研究包捅： ( 1 谤门：转子系统动态特性的研究和功平衡理论的研究一般来讲，高遮旋转 机槭的转了系统应当作为柔性转予加以处理，通过研究柔性转子系统的动态特 性，县体掌握转子系统的平衡要点和特性，通过对于矢量在线动平衡的方法的研 究，掌握电磁式动平衡机构的控传l 要点和方法。 ( 2 ) 对于幼平衡控制器的选择和开发选择合适的动平衡控制器芯片，需要满 足在线监铡，计算和控制执行器的能力，为了满足这些要求，并满是后续开发和 改进的要求，选择簸容性和性能都优秀的控制器芯片，( t e x i l l s 恤l i n e n t ) 公 司的n 侣3 2 0 c 2 0 系列工业控制芯片n t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，并在此芯片的基础主进 一步开发控制程序和外扩功能。 ( 3 ) 基于d s p 芯片的动平衡控制程序的开发和调试完成了动平衡理论研究和 掌握以后，设计完成动平衡算法和控伟4 算法，并将此算法用c 语言和c + + 语言 写成在d s p 芯片上可斟运行的程序，完成虚拟环境下的编译调试强后，在开发板 上完成进一步髀试验和调试，完棼工炸。 ( 4 ) 外围电路的设计和改善d s p 开发板只是控制器疑核心的部件，控制器要 控制动平衡执行机构正确运幸丁= ，需要设计外围电路，外阑电路包括铸感器豹信号 的调理，滤波，整形电路，p w m 信号的方法和电磁执行机构的驱动电路，反馈 电路及其他附属功熊电路。 ( 5 ) 动平衡效果的评估和对比试验通过试验和仿真训算，可以初步的完成动 平衡算法和控制器运行效果的评估丁作。通连进一多的将d s p 控制器和动乎衡执 行帆构连接在起运行，可以综台评估动平衡控制器的精度，时间和效率，通过 将不霹的动平衡机构和控制算法连接在起运行，对于各种方案的优劣，便于选 择出最住膏案。 ( 6 ) 动平衡算法的进一步改进和程序开发为了最大限度韵提高转予系统的加 工效率和加工赝晕，延长高速转予系统的寿命郡刀具寿南，确岿要对动平簿算法 做进一步的改进，存进一步研究转子系统动态特性的基础上，进一步修正了程序， 提高了程序在d s p 芯片上的撬圣亍效率，莽为麒后的后续扩展提供了基础。 15 本文的结构安摊 本文兆分为六个部分：由绪论、柔性转予动态特性 动平衡理论的研究，控 制器的选择和研究，d s p 平台的算法设计和程序编制，控制器电路的设计和外倒 电路的设计，对比实验验证和结豪语组成。下焉逐介绍： 第二章柔件转子系统动态特性与动平衡理论研究本串生要论述r 高琏旋 北京工业大学碾士学位论文 转机械中的黍性转予系统的运行动态特性，包括力学模耀，模态分析方法，不平 衡振动产生的原理，动平衡消除不平衡的主要原理和方法等。 第二三章控制器主芯片嗣选型及平台简介本章主要介绍r 如何选择控制器 的主芯片和d s p 平台，介绍了1 ) s p 平台的功能，编程方法和功熊实现。 第朝章控制器的算法设计和程序编制本章通过研究动平衡的方法，设计了 基于d s p 平台的主控制算法。笋根据此算法，设计编制了基于d s p 平台的程序鞠 程序流稷图， 第五章控制器电路设计本章介绍了基予d s p 芯片的控制器毫黯设诗，包括 控制器外扩醴计，主功能实现电路，外周信号采样、滤波电路，执彳j = 机构驱动电 路设计等。 结束语归纳全文，总结了全文和动j i 衡控制系统的特点以及成果，分析丁 仍然需要进一步研究的问题，并对在线动平衡技术做了展望，提出了们然值得继 续努力的方向。 1 0 ， ，一董! ：耋，丝垂型塑鍪璧鐾墼耋i 墼丝，。，。一， 第2 章。转子系统动态特陛及动平衡方法研究 近年来，特别是；i ! f 近3 5 年，对于旋转机械中主轴系统异常振动的按捌已经成 为机械制造行q k 迫切需要解决的问题之+ ，主轴系统作为高速机械加工设备的核 心精密郝件，对于主轴系统动态特性的研究，是一个非常重要的研究方彝。对于 主轴系统的研究，主要集中在： f 1 ) 避一步研究单盘和双箍转子轴承系统嚣线性动力学行为，为研究大型 旋转机械的非线性动力学问题提供理论基础。 ( 2 ) 研究旋转机械转子轴承系统的油膜非线性特性及其稳定性问题。 ( 3 ) 旋转机械多自由度非线性动力学理论及非线性动力学数值分析方法的研 究。 ( 4 ) 研究旋转机械的非线性参数识别，建摸和莲构。 ( 5 ) 研究高维非线性动力系统的降维方法。 ( 6 ) 旋转机械的非线性动力响应及耦舍问题。 ( 7 ) 研究转子一轴承一基础系统的费县定动力学稳定性的灵敏度分析、非线 性稳定性裕度及判捉，非线性稳定性准则。 ( 8 ) 研究大型旋转机械的非线性动力学优化设计问题。 f 9 1 研究大型旋转机械汽轮发电机组巾低频振动分曩的枧理。 21 转子的不平衡 杰挑械加工巾由于材料密度分布不均匀，加工毛坯扮缺略，加工误差，装 酣误差或者设计原凼，都会使工件质量分布不均匀而形成一定的偏心，在旋转时 因为受惯性作用必然产生一个离心力，这个离心力予转动枕体的质量、距转孑 鞫心的距离蛆及转运的平反成正比。离心力的计算公式为： 芦= m ；冉m 可嚣 2 协，) 式中离心力( ) ； ， 转子的不平衡质量( g ) ； ，一一转动半径( 珊坍) ： o 转子角进度( ，捌s ) ； n 一一转速( ，m l n ) 北京工业大学硕上学位硷文 可知，当角速度。定时，离心力的大小和方向取决于质径积m r 的大小和 方向，将其称之为不平衡量，川u 表吓，即： ，= 卅r ( 2 2 ) 由此可知，不甲衡量足个矢量，它与小、p 衡质量| 【| c j 矢量方向始终相同，式( 2 1 1 町以表示为： = 孑“2 = 孑 等) ( 2 _ 3 ) 由此可知，不平衡力的大小随着转速的增r 岛而增加，尽管一个很小的不平衡 量，在高转速条件下电会产生巨大的不平衡力，对旋转机械的正常运行造成非 常大的影响。而现代旋转机械许多都处于高速运转状态，如发电机、汽轮机、离 心机、电机转了、汽车转了和机床的高速主轴等2 ”。所姒，解决转子系统旋转 小半衡问题具有非常重要的埘实意义。 例如，个旋转半径为o3 m 的转予，其旋转表面存在1 0 0 9 的不平衡量，南式 ( 2 - 3 ) 可以推算出其不平衡力和转速的天系为： f ：o0 3 f 翌1 国2 - 1 转子系统速度不平衡力曲线 f i g u f e2 一l1 1 七s p e e d - u e i b a l a n c e df 0 l e0 l r v eo fr 0 1 0 rs y s t e m 由图2 一i 可知，虽然在低速情况下，转子系统的不平衡力较小，但是在高速 时不甲衡力很大，甚至大高1 0 4 n 以上，由r 不平衡力的存在，会导致旋转机械的 转子，轴承和安装基础产生很大的振动2 ”。这种有害振动可能造成： 1 2 第2 章转予系统动态特性及动平衡方法研究 ( 1 ) 使机器支撑受到动载赫的作用，影响支撑的讵常工作。 ( 2 ) 动、静部分麟损，基础松裂，或使机器油管开裂，自动调节器失效，导 致机器需要经常修理或者过早损坏。 f 3 ) 扰动机器蒯围的机械设备和仪表，使调节装置和保护系统有可能发生误 动作而使设备和仪袭无法正常工作， f 4 ) 产生过大噪音，影响工作王i l i = 境和操作员健康。 据相关统计，由于转予质量分布不均匀而导致的机器振动及其他故障占所有 振动和数障豹7 0 8 0 ，所以，不平衢转子系统的藉平衡和棱撞问题的研究， 是现代工业发展史中一个非常究出的问题。 一般来讲，当转子系绕的中心惯性轴线( 惯性主轴) 与转轴轴线不重奢时， 我们就判断转子系统处于不平衡状态。 转子的不平衡状态共有四种：静不平衡，力偶z i 平衡，动不平衡和准静不平 衡【2 ”“。 对于转予系统来说，要县体对转子系统建立力学模型进行进一步分析。通常 来说，转子系统大致分为两大类：刚性转予系统和柔性转子系统。目4 性转予系统 在旋转过程中不发生挠性变形，当转子系统转速与临界转速之比” 小于o4 时， 遵常可以按照目性转予系统的方法来分析；当转子速度与临界转速之琵h ，m 大于 0 4 小于o7 时，可以作为准刚性转予系统对待；当转子速度与j 临界转速之比n 托大 于0 7 时，作为柔性转了_ 系统对待。 2 1 。2 刚性转子的动平衡原理 在动平缴过程中，可以将别性转予中由重力和质量l i 平衡导致的不平衡力引 起的转轴变形忽略，而且根据刚性转于的特性，煎力或省囚质量不平衡产生的小 平衡离心力举能改变转子的平衡状态，或者旯能稍微改变，可以忽珞不计。满足 这样条件的转子可以认为是月0 性转子。般来l 阱，判断刚性转子的条件是转f 转 速薄 临界转速之比，小于o4 通常可班按照刚性转子对待。 刚性转子的动平衡原理比较简单，通常对于刚性转子找平衡的方法是：在币 平衡转子上加试重，使试重产生的离心力和转子系统原自的不平衡量所产生的离 心力相互抵消；或者找出不平衡量的太小和方位，然后在对应的方位港除小、f 鹰 量，使初始不平衡量产生的影响降低到最小程度。利用e 述方法都能使不平衡刚 性转子系统重新选到平衡状态，从而消除由于不平衡力引起的振动。 刚性转子的动平衡遵循f 而两个条件： ( 1 不考虑转了初始不平衡的轴向分布，可以直接在预选的校正两上避钉平 衡校讦。 北京工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 刚性转子系统的平衡与转子转速无关，在某转速下平衡完成的刚性转 了的残余小平衡分母，在其他转速下，也不会幂著超过允许最大不平衡量。 21 3 柔性转子的动平衡原理 对于丁作转速接近或者高于转子系统的第一临界转速的转子系统，应当按照 柔性转子来对待，目前大多数的高速转子系统，都日j 以归为此类。例如，汽轮机 转子，发电机转子，高速机床的主轴系统等。随着近现代机械加工工q k 的迅速发 展，在实际应用中使用了一些长径比很大的转子，如汽轮机转子等，这些转子系 统的临界转速很低，但工作转速相对较高，因此都在箢一临界转速以et _ 作。转 子已经出现明显挠曲，如果逊是简单按照刚性转子的分析方法来处理，则甲衡后 的情况会严重偏离预期效果，甚至还可能出现越平衡转子系统运行状态越差的情 况。 匕z 匕 期。 。上j x ? n 厶 急! 一 ! 二 。f 如。 、 _ 贰 一 1 1 7 + m n 一 一q i 胁。z 叫叫叫山灿一 “ 、 蟑r ”一黼 j西 m n u 噜 俯殉2 5 l - 对称转子质量分布；2 一双面平衡时力分布； 3 - 平衡后转子上的转矩 4 转子挠曲时的挠度；5 附加的离心力和产生的反作用力 l _ m 踮s d m s l o n o n r 0 t 0 啦- f 0 r c e s d | v b i o n o f t w o 啊蛐b 山n d n g ：3 - t o l q u e 仰r o t o 【 4 - f l c x i b 丑时o n r o l 0 5 一c e m 皿孵a l a l l dc 0 仰l c 眦d g f 0 础s 图2 _ 2 转子的受力和挠i i 【_ f 埘 f l 剐托2 2t 1 1 cf o r c e sa n dd 叩c c 吐o mo f r d 巧 1 4 第2 章转子系缆动态特性及动平衡方法研究 如图2 2 所示的转子为对称的转子，墓质量为m ，重心在。点，在转子上有一 不平衡量m ，大小为m ，位最在重心。附近半径r ，处，如图2 2 中1 所示。 当转子在第一临界转速下运行时，进行平衡，口j 以采用双面平衡的办法， 在两边分别加上平锻校正质量m 1 和m 2 ，如图2 2 中2 所示，按照刚性转予的平衡方 法平衡。经过平衡后，转子基本达到平衡。m 1 ，m 2 ，和m 作用在转予上的转矩 如显2 - 2 中3 所示，位转子系统没有发生挠托变形。 但是随着转速的提高，转子的转速接近或者达到第一临界转速，转子发生挠 益，质心。向外移动。个挠渡y 。，如图2 - 2 中4 所示由于y 。的存在，转子上将产 生一个新的附加离心力，大小为： e = 州磊。2( 2 4 ) 式中m 转子质量( 耳) ； 转予转速( m d ，0 1 由式( 2 - 4 ) 町知，塌的大小随着转速的提高迅速提赢，由于新的附加离心力e 存在，将在两侧轴承处产生反作用力 和，如图2 2 中5 所示。 这时，在第一临界转速下平衡好的转子系统，虽然满足刚性转子平衡的所有 条件，在第一临界转速下的转子可斟完成平衡，在高速远行时由于挠曲产生了 藕的附加离心力只，破坏了骧有平衡状杰，出现了新的不平衡。 在发生挠曲以后，若是还按照刚性转子的平衡方法进行再次平衡，转子重新 达到平衡状态。但是若转速改变，转子的平捷状态又要改变，因此，不能简单的 按照刚性转子的平衡方法平衡柔性转子系统。我们认识到，刚性转子和渠性转了 系统平衡的主要区别在于，应该消除由于高速旋转引起的动挠曲引起的不平衡分 量的影响，并且必须在工作转速f 平衡。 柔性转子系统的动平衡方法为： ( 1 ) 在第临界转速以上，不平衡柔性转子系统的动挠曲随着转速的变化藤 变化。圜此，桨性转予的平衡z i 仪应满足工作转速的平衡，还要在整个转速范嘲 内满足平衡条件。 ( 2 ) 在接近临界转速时粱性转予轴线上符点同时出现最大挠曲时所形成的 弹性变形魏线可班近似认为时转子蒙统在这一牦赛转述时的振型。柔毪转子的甲 衡也可以按照振型逐阶进行，理论上叫以平衡尽司能多阶的振型，但是实际中， 般只平衡前3 阶的箍型，这时可班认为柔性转子系统在整个工作转速内处于平 衡状态。这绅方法也成为模态平衡法。 f 3 ) 在对棠性转子系统避行配重平衡时，要注意，4 ；仅要使轴承支撑处的动 反力最小，还应满足转子挠曲最小的条件，从由由于受挠曲影响而产生的附j u 不 平衡离心力也最小。 地京工业太学硕士学位论文 ( 4 ) 在实际测量时，可咀通过测量轴承支撑处的振动来推测转子上的不平衡 状态。 2 2 动平衡方法简述 通过半个多世纪的发展和研究研究人员和工程师们发展了多种不同有效的 动平衡原理和方洼动平衡的分类8 “，在实际能工业生产中不断黯到发艟帮改 进，高遗旋转机械加工质量的提高起到，积极的作用。 厂_ 一蒲龋平衡 蒋 子l 平 j j 赣i j 喑i l 一建缝军错 r 冁域平衡法幡擐的蒜螭兼l l 强 | 上槲衡港_ ：篡甘 国2 _ 3 转予平衡方法分类 f i 目u 2 - 3 n m d i v i s i o n o f r o t o r b 础喊m e 吐刚s 如图2 0 所示，扶平衡豹方法上来说，转子的平衡分为离线平衡和在线平衡 两大类。在离线平衡中，又根据转子系统实际运转情况的不同，分为刚性转子和 柔牲转予平衡两太类，在刚性转子中，又有单面平衡包括的矢量相位法和四次开 机法和双面平衡包括的矢量法和静态耦合法。在在线平衡中，包括r 被动平衡方 法和主动平衡方法，其中，主动平衡方法包括了适用于变速旋转平衡中的影响系 数法，时变观察法和最小矩阵估；l + 三种方法，其中，影响系数法和修正后豹影响 系数法只需要一次开机就可以完成平衡过程，速度快，模型准确。方法可靠性高， 应用方位广，是爨前动平筏方法中比较前进的方法之一。 23 影晌系数法简介 影响系数法的原理【2 “是通过现场颂平德2 j | ! | 得影响系数k 和口，在通过现场在 1 6 第2 帝转子系统动态特性及动平衡方法研究 线动平衡传感器测得的振动幅壤和相位，计算得到q i 衡量钓_ 人小和方向，从而 进一步完成对不平撕量的平德，减小主轴系统的振动，提高加工质量。 2 3 1 主轴系统快速觋场动平衡原理 对于一个高速主轴系统，其中的离心力f 为： ，= m ，印2 ( 2 - 5 ) 式中m 主轴系统覆量( 异) ； ，偏心距( m 1 ； 主轴旋转角速度( m d ，s ) 用u = m 来表示不平衡量的大小，其中u 为质径积，单位为g m m ，将u 看作 主辅系统的输入，将振动响应y 看作主轴系统的输出，则可以得到主轴系统的输 入输出模型可以用线性微分方程表示为： a 。竽学一州竽怕学= 警 弘a ， 两边进彳= i = 傅立叶变化后，可以简化为： d 。( 国) ”+ a “( j ) 扣十- + 嘎( ) + n n ( 2 一 进步简化得到： 1 矸细) = 毫p ”( 2 8 ) 口= 一一 f 一9 ) 式中b 一一相位角1 j 频率成线性关系 由此可知，齐菜转速时，不平衡量i ，的幅值与振动量y 豹幅值比例为k ， 振动_ 齄的相位滞后与不平衡量的相位角度a 。 由北可知，在知道高速主轴系统的影响系数k 和班l 丛后，只需通过传感裂 测得振动量的大小和方向，即可得到才；平衡量的幅值和方向，并进一步完成平衡， 减小主轴振动。 2 3 2 影晌系数的现场预平衡测定方法 预平撬的蘸理如图2 4 所币。其中，u = 掰，为砸始不平衡量，u = 掰一为试 加重的不平衡量，= 卅。吒为合成不平衡量，r 为初始不平衡引起的振动幅 值和相位，y 2 z 晚合成不平衡 f 越的振动幅值和相位。 堡e l j ：i l u 一u u 3 c ：j l 。u ：j 书卜一乱，1 。j “赢 峋 坳 习 ， 协 仁 抽 ( 2 h 习 阳翟锄 与 勰 畔皤等鬻如鼍警 勰 第2 章转子系统动番特性及功平街方法研究 24 本章小结 本章遂适介绍转子系统的动态特性，通过对不露转速下转子系统动态特性的 研究，着重研究柔性转子系统不平衡情况下的动力学特性，并通过对动平衡理论 的研究的理解，着熏通过对基于影响系数法的动平衡方法的碟究，得到了适用于 高速主轴系统的基于影响系数法的动平衡方法通过现场预平衡，测出影响系数， 在在线平衡时可以自动完成动平衡。 - 1 9 一 第3 肇嵌入式徽处理器和d s p 技术 随着电子技术的迅速笈展，特荆是随着大规模集成电路技术的发展而产生 的微型计算机，给人们的生活带来了根本性的改变。如果说微型机的出现使现代 科学研究得到了质的飞跃，那么，可强毫不夸张的说，嵌入式鞭处理器控制器技 术的出现则是给现代工业控制领域带来丁次新；l 勺技术革龠。由嵌入式微处理器 ( e m e d d e dm i c m e o n t f o j l e 玲组戒的系统，昂明显的优势，就是可班潜入到任侮徽 型或者小型一起和设冬中”1 。嵌入式系统( e m b e d d e d s v s t e i n ) 被定义为：“以应用 为中心，以计算概技术为基础，软件硬件可毅剪裁，适应应角系统，对功能、可 靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”。嵌入式系统将先进的计 算机技术，半导体技术，电予技术和各个行业的具体应用鲭合i 9 一起。在实际应 用中，嵌入式瑷备的应用远远超过了各种通用计算机，广泛应用在8 4 造工业，过 程拄制，通讯，仪器仪表，汽车，船舶，航空航天，军事装备和消费类产品等各 个领域。 另外，嵌入式技术作为目前硬件技术的主流发展方向，具有实时性好，运算 功能强大，使用灵活方便，外扩功能完善，特b 日适台于拉蔚工业控制，电子通讯， 图像处理等众多领域。而d s p 芯片在快速运算，数字信号处理，控制和工业总 线通信等方面也肖其他芯片不可比拟的优势。奉文将d s p 芯片h 弧惦3 2 0 f 2 8 1 2 芯片应用到在线动平衡控$ 螺缝中，使得不平衡转子系统的快速在线动睾衡可班 迅速，准确的完成。本章对嵌入式技术和d s p 技术的虚用阻及d s p 芯片在率系 统中的主簧应用做以阐述。 3 1 嵌入式技术及舞发 嵌入式技术，主要是指以嵌入式芯片为主要控制和操纵芯片的开发和研究技 术。嵌入式技术的发展到居前为止已经有了程长的历史。英国电机工穗师协会对 嵌入式系统的定义为：“嵌入式系统为控制，监视或者辅助设备，机器基至工厂 操作的装置。”，般来讲，。个完整的嵌入箴系统其有阻下四个特征： f 1 1 用于执行特定功能。 ( 2 1 以微处理器及其外围设备为核心。 ( 3 ) 具有严格的时序承高稳定性。 f 4 1 可以自动完成循环操作。 一皇塞鋈垄垡塑型塑鎏坠一 3 11 典型嵌入式系统豹组成 袋入式系统是一个集戒，软停和硬件于一体，可睛独立完成工作，满足特定 应用的固件峭m i w u e ) 。 31 1 1 硬件系统嵌入式系统的硬件乎台其有多样性，有些小的系统仅有l k 的 数据空间，1 6 k 的程序空间。而一些高性能的系统，例如工作频率达到l 岱i z 的 6 4 位系统，f l a s h m e m o r y 町以达到3 2 m 甚至更多，s r a m 也可以达到1 2 8 m ， 具体由其特定应用目标决定。典型的嵌入式系统硬件部分包括徽处理器，存储器 和外部设备器件以及i ，o 端口，图彤控制器等，如图3 一l 所示。 露3 1 嵌a 式系统硬件示意豳 f j 目l 璋3 1t t l es k e t c ho r e m b c d d c ds y s 【c mi h 州w a 此 由图3 。1 可知，如果从体系的角度来定义嵌入式系统，一般部是由以下几个模块 绸成的。 ( 1 ) 中央处理嚣( c h d ，字长可斟从4 位，8 位到i 6 位，3 2 位甚至6 4 位。 ( 2 ) 可以擦除重复读写的f 1 a s h 存储器。 o 卜一个用于保存嗣件的r o m 存储器。 f 4 1 _ 一个用于保存程序和数据的r a m 存储器。 r 5 、用于连接嵌入式处理器和开关，按钮，传感器，模数转换器，控制器， 妊示设备，打印设备的l ，o 端u 和驱动。 ( 6 ) 用于网络通信和传输数据的网络接口。 f 7 ) 瑁丁给嵌入式设备提供时钟信号的片舟时钟和电源管理器。 ( 8 ) 用于保护硬件和程序正常运行的看门狗模块和重置器。 专门豹毕片擞控制器是大多数嵌入式设备的核心。通过把多个关键的系统或 程序集成到单个芯片上系统设计者就可以得到小而便宜，口j 以操作外围电子没 备的计算机或控制嚣。 311 2 软件系统嵌入式软件系统主要由嵌入式操作系统( e m b e d d c do p e r a t m g s y s t e m ) 和嵌入式应用程序( e m b e d d e d a pp j i c 曲帆p r o g r a m ) 组成。嵌入式操作系 统的作用是补平硬件的诧异，为各个程序提供统一的系统接口，完成内存管理、 任务调度的控制。由于嵌入式硬件系统r o m 的容量确限， 般嵌入式操作系统 的容量电比较