动平衡机系统误差分析及标定方法研究

    1　前言

    动平衡是旋转类产品生产、制造过程中必须解决的一个基本的共性问题,其优劣程度直接决定产品的工作性能、使用寿命,对产品的质量产生巨大的影响。特别是目 前设备向高速化、高效化和高精化方向发展,动平衡问题已日益突出,在一些领域已成为制约整个行业产品质量提升的关键因素。如在汽车和电动工具等行业,其电 机向高速化和轻量化的发展,对此类产品的振动、噪声等性能要求也越来越高,相应的电机转子对动平衡技术也提出了更苛刻的要求。因此,对于全自动动平衡自动 线的重要部分动平衡测量单元(以下称动平衡机)的研究有着重要的现实意义。

    动平衡机是根据测量转子在旋转状态下不平衡离心力引起平衡机支承的振动量(位移、速度、加速度或振动力)来确定转子不平衡量和相位的,转子不平衡量及相位 和支承振动量及相位测量值的关系通过平面解算———标定来确定,并通过标定来实现动平衡机系统误差的补偿。动平衡机测试精度和一次不平衡减少率不仅和平衡 机机械支承系统、驱动系统以及测量系统的设计有关系,和它的标定方法也密切相关。

   目前动平衡机系统误差理论的研究较少,多限于机械系统或测量系统的元器件误差分析[1,2]。通常将系统误差看作黑箱,对误差性质、分布考虑较少,一般通 过标定的方法来消除系统误差。由于机械系统和测量系统之间存在着一定的耦合,所以仅仅基于部件的单方面的研究,对提高精度是有限的,达不到好的效果。另一 方面系统的频响特性对标定有很大影响,应根据系统频响特性的不同以及顾客对平衡机的要求而采用不同的标定方法,否则会导致平衡机的精度降低甚至测量的失 败。本文试图从标定方法入手,研究、分析动平衡机的系统误差及补偿。

    动平衡通常的标定方法为永久标定法和影响系数法[1,3],文献[4,5]提出了复(矢量)影响系数法,将系统阻尼引起的相移线性化考虑加以补偿。文献[6]采用多元线性回归的标定方法应用于曲轴动平衡机上获得了很好的效果,各标定方法的理论基础及分析如下。

    2　动平衡机振动系统的动力学建模

    图1为动平衡机刚性转子动力学模型(忽略阻尼),取转子质心O为坐标原点,转子的旋转轴线为Z轴,图面上与Z轴垂直的轴为X轴,转子以角速度ω绕Z轴旋 转。设转子的质量为M,绕Y轴的转动惯量为J,左、右两支承的刚度分别为k1、k2,在校正面上不平衡量为Ui(i=1,2),其初始相位角为 θi(i=1,2),其他参数见图1。