气悬浮立式动平衡机中精密压力控制

　　不平衡的存在将使支撑及整个机器承受附加的动载荷,不平衡轻则造成机械的振动、噪声、影响其寿命、工作性能及操作环境,造成结构共振、引发失稳等,重则造成整机破坏,导致生产事故。

　　双面立式动平衡测量与校正是某产品装配的重要一环,通常采用摆架硬支承测力式结构,虽然可以达到很高精度,但要进一步提高精度,将面临以下问题:滚动球轴承的制造装配误差及磨损会影响精度、摆架刚度限制了力传感器的信号幅值、摆架结构使测量存在盲区、皮带张力和电机转速的波动构成同频或近频干扰等。因此,为了满足特定要求,笔者所在的研究小组开发了一种气悬浮立式动平衡测量系统。由于系统中的供气压力波动与悬浮转子的稳定性密切相关,为保证恒定的气体静压球面轴承供气压力,本文采用PID作为控制器实现气体压力的精密控制,它能够感知环境条件的变化,并自动校正控制动作,使系统达到最优的控制效果。

　　1　结构及原理

　　气悬浮立式动平衡测量系统的测量原理如图1所示。气体静压球面轴承使工件平稳悬浮,由于空气的黏滞系数极低,工件的倾覆力矩也极小,因此工件质心、球面轴承球心和地心成一条线。过球面轴承球心和地心的直线视为理想轴线。如果工件存在静不平衡或偶不平衡,则工装主轴将偏离该条理想轴线。已知工件质量、球面轴承球心与工件质心、位移传感器的距离,通过测量工装回转轴的偏移和角度即可得到工件质心的偏移大小和方位,进而计算出动不平衡量。

　　应用气体静压球面支承技术,具有摩擦力低、无污染、噪声低、工作稳定、非接触、结构简单等特点,避免摆架硬支承测力式结构面临的问题。用软件进行动平衡分离解算,一方面减少干扰进入的环节,另一方面增加数据处理的灵活性,易于维护和调整。

　　2　精密气压控制系统

　　2·1　气压系统

　　研制气悬浮动平衡测量装置时,供气压力的波动与悬浮转子的稳定性密切相关。根据悬浮转子稳定性的研究结果和试验分析可知,调压阀输出压力波动应低于供气压力的1%,即波动幅度不能超出1 kPa。而气源与其他设备共用,压力波动不可避免。因此要保证恒定的气体静压球面轴承供气压力,必须对气压进行精密控制。

　　本系统要求的气压控制精度高,因此采用商用高压氮气作为系统的气源结合比例减压阀来实现气压的精密控制。精密气压控制系统的原理如图2所示。灌装在氮气瓶中的高压氮气(140 kg左右)经过气压控制器及气动三组件(分水过滤、减压、油雾分离)处理后,输入储气罐1中,储气罐1中的气体分成两路,一路经过三位四通换向阀分别给制动缸和喷嘴供压力气体,一路经由比例减压阀、计算机、压力传感器、A/D、D/A等组成的计算机控制系统进行控制调节后供给储气罐2,储气罐2中的压力气体作为精密气源通过二位二通阀供给静压轴承。为了减少静压轴承处的压力波动,在比例减压阀的前后都安装有储气罐,增大气容。