Устройство автоматизированной балансировки шпинделя прецизионного токарного модуля в условиях эксплуатации

УДК 621.9.06.08

К.С. Усакин, М.В. Виноградов

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ БАЛАНСИРОВКИ ШПИНДЕЛЯ ПРЕЦИЗИОННОГО ТОКАРНОГО МОДУЛЯ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Рассмотрены два способа вибродиагностики и балансировки тел роторного типа. На примере учебно-испытательного стенда показан один из вариантов практической реализации электронного устройства для автоматизации вибродиагностики и балансировки консольного шпинделя прецизионного токарного модуля.

Прецизионный модуль, автоматизированная балансировка

шпинделя.

K.S. Usakin, M.V. Vinogradov SPINDLE AUTOMATICALLY BALANCING DEVICE OF PRECISION TURNING MODULE WITHIN PRODUCTION CONDITIONS

Two popular ways of vibration and balancing of rotary bodies are studied in the paper. On the example of training-test set one of the variants of practical realization of electronic devices for automation of vibration and balancing console spindle precision turning module is shown.

Precision module, Automated balancing of a spindle.

Качество обработки поверхности детали на прецизионном токарном модуле значительно зависит от колебаний системы «шпиндель - заготовка» под воздействием сил резания. Экспериментально установлено, что спектр колебаний шпиндельного узла (ШУ) полностью переносится на деталь. Для повышения качества обработки деталей периодически необходимо производить вибродиагностику и балансировку ШУ.

В настоящее время используются два основных метода балансировки: метод пробных пусков и метод одновременного измерения амплитуды и фазы вибрации.

Метод трех пробных пусков основан на измерении амплитуд A1, A2, A3 при пусках с пробной массой, переставляемой на угол 180° (рис. 1). А1 - измеренная амплитуда виброускорений, вызванных центробежными силами инерции от неуравновешенности приведенной массы ротора Mн.

180°

III

270

Рис. 1. Схема действия неуравновешенных сил на ротор в торцевой плоскости

Для уменьшения величины А1 необходимо установить противовес. Масса его Mp и положение (угловая координата а, рис. 1) рассчитываются следующим образом.

Если разместить в плоскости балансировки на расстоянии Rg от оси вращения добавочный груз массой Md, то амплитуда виброускорений изменится и станет равной (рис. 2 а):

где А§2 - амплитуда виброускорений, вызываемая пробной массой Mp (угол 0°).

Поместив пробный груз Mp на том же расстоянии Rg в той же плоскости, но с противоположной стороны ротора, получим другую результирующую векторной суммы виброускорений (рис. 2 б):

где А§2 - амплитуда виброускорений, вызываемая пробной массой Mp (угол 180°).

Как следует из рис. 2 а, б, полученные параллелограммы амплитуд равны, как имеющие равные стороны и углы. Амплитуды А2 и А3 являются диагоналями этих параллелограммов.

А2 = А1 + Л§2,

А3 = А1 + А§3,

Рис. 2. Схема действия неуравновешенных сил на ротор в торцевой плоскости

Зная формулу связи между диагоналями и сторонами в параллелограмме, а также наложив друг на друга имеющиеся параллелограммы (рис. 2 в), получим:

Л22 + Л32 = 2 •

Л22 + Л32 = 2 • Л12 + 2 • Лg12

Лg1 = .

Л22 + Л32 - 2 • Л12

2

Для определения углового положения противовеса а используется соотношение (теорема косинусов):

Л32 = Л12 + Лg12 - 2 • Л1 • Ag1 • еоБа;

откуда

еоэа =

Л12 + Лg12 - Л32

2 • Л1 • Лg1

Одному значению косинуса соответствуют два угла +а и -а, поэтому проверка сбалансированности должна вестись при четырех углах: +а, -а, 180°+а, 180°-а.

Масса противовеса рассчитывается по формуле:

Мр =------Мё.

Лg1

В некоторых случаях возможно сразу определить полуплоскость для установки противовеса: если |соб а| < 1 и Л§2 > Л§3, то добавочный груз нужен в

четвертях II или III; а если |соб а| < 1 и Л§3 > Л§2, то добавочный груз нужен в четвертях I или IV. В остальных случаях нужны дополнительные пробные пуски для определения положения груза.

Для однозначного определения угла установки пробного груза можно использовать метод одновременного измерения амплитуд и фаз вибраций.

а

Для этого помимо вибродатчиков необходим инфракрасный отметчик оборотов. Если предположить, что скорость вращения в установившемся режиме постоянна, то по графику измерения амплитуд вибраций за период одного оборота становится возможным определить искомый угол - разделив запись амплитуды за один оборот на 360 равных отрезков и найдя максимум.

Для оценки данного метода было смоделировано поведение консольной системы на стенде. На подпружиненных стойках в подшипниках был размещён стальной цилиндр (вал), с одной стороны которого (на консоли) прикреплён механизм, позволяющий произвольно смещать центр тяжести как по углу, так и вдоль оси вращения (рис. 3). Фотография стенда показана на рис. 4.

А

£

Б- Б

Рис. 3. Конструкция механизма с произвольно изменяемым центром тяжести

На стенд можно установить один или два вибродатчика (для двух плоскостей), а также фотодатчик инфракрасного диапазона для счёта оборотов. Для передачи сигналов с датчиков в персональный компьютер через СОМ-порты разработан блок сопряжения на основе 10-разрядных АЦП ТЬС 1549 ІР. Компьютер позволяет полученные данные от АЦП накапливать и хранить для последующей математической обработки и вывода результатов в удобной для пользователя форме. Вибросигналы подаются в компьютер только по одному каналу, однако в блоке сопряжения имеется возможность учитывать взаимное влияние амплитуды вибрации одной плоскости на другую, а также менять датчики и их полярность местами.

Электронная плата блока сопряжения условно поделена на 6 функциональных блоков: блок питания, вибродатчики, избирательный усилитель, схема контроля оборотов шпинделя, два блока АЦП.

Вибродатчики подключаются по классической и наиболее распространённой для подобных систем схеме (рис. 5), позволяющей при помощи переменного резистора компенсировать взаимное влияние одной плоскости измерения вибрации на другую. Также спаренный переключатель позволяет менять датчики местами, что удобно при смене плоскости балансировки.

Фотодатчик представляет собой кронштейн с закреплёнными под углом 45° инфракрасным излучателем и фотодиодом, одновременно является и указателем текущего угла. На ротор нанесена зеркальная метка (0°) и градуировочные риски.

Рис. 4. Учебно-испытательный стенд в сборе

Рис. 5. Колодка подключения вибродатчиков

Для данной системы вибродиагностики и балансировки была написана на PowerBASIC специальная управляющая программа-драйвер. Она имеет малый размер и запускается даже с загрузочной дискеты DOS. Для работы в реальном времени достаточно компьютера с процессором Репйиш 3 и выше с двумя СОМ-портами. Если таковых нет, то возможна работа через РС1 контроллер 2хСОМ на базе чипа №1Моб 9835. Частота опросов АЦП зависит от процессора и составляет около 6 кГц на указанной выше конфигурации (максимально до 20 кГц). Специальные алгоритмы позволили программным путём реализовать фильтрацию сигналов, интегрирование в реальном времени, расчёт угла и массы требуемого противовеса. С помощью разработанного устройства возможно определять скорость вращения шпинделя (по отметчику оборотов), получать амплитуды вибраций (вибродиаграммы) для метода трёх пусков и записывать все данные в файл для последующей математической обработки [3].

Вся электронная часть для удобства пользования помещена в защитный корпус с ручками управления (питание, частота входного полосового фильтра, степень компенсации влияния второго датчика, выбор основного датчика) и надписями (рис. 6):

11 ВО

10*^13 Быйпр

9#Гц 10 17 Л \\ 0] пснпЬнпгп

0^^100 йатчикп *Н,|П|Н 2Н1|1НЫ

Рис. 6. Табличка на корпусе блока электроники

Питание

Экспериментальные запуски стенда подтвердили правильность расчётных формул (1...6): угол установки противовеса, рассчитанный по методу трёх пусков, совпал с максимумами на соответствующих графиках, полученных по методу одновременного измерения амплитуд и фаз вибраций. Для уменьшения погрешности измерений запуски производились по нескольку раз. В среднем погрешность определения угла на учебноиспытательном стенде составила ±5°, что позволяет пользоваться разработанной установкой и для определения дисбаланса шпинделя прецизионного токарного модуля в условиях производства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гель П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс / П. Гель; пер. с франц.; 2-е изд., испр. М.: ДМК, 1999. 144 с.

2. Левит М.Е. Балансировка деталей и узлов / М.Е. Левит, В.М. Рыженков. М.: Машиностроение, 1986. 260 с.

3. Усакин К. С. Решение задачи автоматизации динамической балансировки крупногабаритных роторов электродвигателей / К.С. Усакин // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2004.

4. Васильев В. С. Станки и приборы для динамической балансировки / В.С. Васильев, П.С. Кутко. М.: Машгиз, 1959. 169 с.

5. Вибрации в технике: справочник: в 6 т. Т. 6. Защита от вибраций и ударов / под ред. К.В. Фролова; 2-е изд., испр. и доп. М.: Машиностроение, 1995. 380 с.

180 с.

Усакин Кирилл Сергеевич -

аспирант кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета

Usakin Kirill Sergeyevich -

Post-graduate Student of the Department of the Department of «Automation and Management of Technological Processes» of Saratov State Technical University

«Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета

Виноградов Михаил Владимирович -

кандидат технических наук, доцент кафедры

Vinogradov Mikhail Vladimirovich -

Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department of «Automation and Management of Technological Processes» of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 10.12.09, принята к опубликованию 08.04.10