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電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡半自動(dòng)去重系統(tǒng)的研制
摘要：介紹了一種對電動(dòng)工具用的小型電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡的半自動(dòng)去重系統(tǒng)。該系統(tǒng)由動(dòng)平衡測試機(jī)、去重機(jī)床、PC機(jī)、單片機(jī)、多功能采集卡及其它電路組成。重點(diǎn)闡述了去重機(jī)中、硬件的設(shè)計(jì)過程。普通電動(dòng)工具用的小型電機(jī)轉(zhuǎn)子是通過在硅鋼片上繞漆包線做成的，硅鋼片、風(fēng)葉和換向環(huán)等均通過沖壓機(jī)裝配而成。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)，不令帶來較大的噪聲，而且會(huì)減短電動(dòng)工具本身的壽命，因此必須進(jìn)行動(dòng)平衡校正。動(dòng)平衡校正設(shè)備可分為三大類：全自動(dòng)一體化動(dòng)平衡校正機(jī)、半自動(dòng)動(dòng)平衡校正機(jī)以及手工校正機(jī)。手工校正機(jī)采用在動(dòng)平衡測試機(jī)上測量其動(dòng)不平衡量，然后根據(jù)測試量進(jìn)行人工鉆或銑削去重的動(dòng)平衡方法，完成一個(gè)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡一般常需要重復(fù)4～5次的測試和去重，生產(chǎn)效率低下，平衡精度也不高，且轉(zhuǎn)子上的切槽較多。但由于國內(nèi)勞動(dòng)力相對廉價(jià)，資本投入少，目前仍被中小企業(yè)廣泛采納。國外的全自動(dòng)一體化動(dòng)平衡校正機(jī)雖然平衡精度、生產(chǎn)效率等較高，但價(jià)格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對不同規(guī)格的轉(zhuǎn)子適應(yīng)性差，因而不大適合中小企業(yè)加工轉(zhuǎn)子的規(guī)格經(jīng)常變換的現(xiàn)狀。半自動(dòng)動(dòng)平衡校正機(jī)與全自動(dòng)一體化動(dòng)平衡校正機(jī)的主要區(qū)別在于半自動(dòng)動(dòng)平衡校正機(jī)在裝夾上需要人的干涉，在效率上不及全自動(dòng)一體化動(dòng)平衡校正機(jī)高，但其對轉(zhuǎn)子的適應(yīng)性更強(qiáng)、價(jià)格更便宜。在目前國內(nèi)人力成本比較低的情況下，采用半自動(dòng)動(dòng)平衡校正機(jī)應(yīng)該更加適合中小企業(yè)。本文介紹的電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡去重機(jī)即為半自動(dòng)的，具有操作方便、平衡精度高、價(jià)格適中、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，具有廣闊的市場前景。
1 整體設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡校正一般有配重和去重兩種方法。供電動(dòng)工具用的電機(jī)轉(zhuǎn)子一般均采用去重的方法，其轉(zhuǎn)子的外形如圖1所示。
本文所介紹的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡去重系統(tǒng)的由動(dòng)平衡測試機(jī)和數(shù)控去重機(jī)二工位組成，操作工人主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子的裝卸以及對兩機(jī)器的啟停管理。動(dòng)平衡測試機(jī)采用相應(yīng)精度的市售商品，其輸出量是轉(zhuǎn)子不平衡量在設(shè)定分解面內(nèi)分解后的幅值和相位的電壓值，以及精度、放大倍數(shù)等信號(hào)量�？刂葡到y(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)通過采集卡獲取動(dòng)平衡測試機(jī)上的不平衡量數(shù)據(jù)，然后生成動(dòng)平衡去重策略。有一定的計(jì)算量，同時(shí)也需要良好的交互性，因此采用PC機(jī)作為上位機(jī)。下位機(jī)控制去重機(jī)的具體運(yùn)行，與硬件的關(guān)系密切，故采用單片機(jī)作為下位機(jī)。上位機(jī)和下位機(jī)兩者之間的通訊通過RS232通訊協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的主要工作流程如下：首先用測試機(jī)測得待平衡轉(zhuǎn)子的不平衡量，然后PC機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡采集不平衡量，按照相應(yīng)的分解策略生成一個(gè)最優(yōu)的去重策略，并轉(zhuǎn)化成單片機(jī)可直接操作的代碼，最后把這個(gè)代碼通過串口傳送給數(shù)控去重機(jī)的控制器，待平衡轉(zhuǎn)子安裝完后即可啟動(dòng)數(shù)控去重機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡切削。在此過程中，將另一轉(zhuǎn)子放置在動(dòng)平衡測試機(jī)上，開始測量等待加工。將則加工完的轉(zhuǎn)子卸下后再進(jìn)行測量，而剛才已測量好的轉(zhuǎn)子剛安裝后即可加工。正常情況下，一個(gè)操作工人可管理兩臺(tái)機(jī)器。
圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理示意圖
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)包括去重機(jī)的設(shè)計(jì)和去重機(jī)控制器電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)動(dòng)平衡的要求，需要確定相位基準(zhǔn)信號(hào)，這里采用一路紅外線光電傳感器來識(shí)別基準(zhǔn)信號(hào)；為了精確控制切削量以及去重位置，需要定位轉(zhuǎn)子的切削角度、刀具水平的移動(dòng)量以及刀具切削深度的進(jìn)給量，這里采用三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)來分別控制機(jī)床水平平臺(tái)的水平方向移動(dòng)、垂直平臺(tái)的垂直方向移動(dòng)和水平平臺(tái)上的夾具的移動(dòng)（其中，轉(zhuǎn)子被固定在水平平臺(tái)的夾具上，刀具被固定在垂直平臺(tái)上）；為了防止去重機(jī)失控，在水平平臺(tái)的導(dǎo)軌和垂直平臺(tái)的導(dǎo)軌上分別有兩個(gè)行程開關(guān)來控制兩個(gè)平臺(tái)行走的水平極限位置和垂直極限位置；刀具采用圓銑刀，通過一臺(tái)普通的三相異步電機(jī)經(jīng)同步帶來帶動(dòng)。
控制部分采用51系列單片機(jī)作為控制核心，分別控制三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給量和接收紅外線傳感器傳一煌基準(zhǔn)信號(hào)。另外，還包括一些具有紅外線傳感器傳來的基準(zhǔn)信號(hào)。另外，還包括一些具有輔助功能的部分，如用于保存零點(diǎn)參數(shù)信息的EEPROM模塊，用于通訊的RS232接口，用于調(diào)整高度對零的鍵盤和顯示部分，用于控制夾具氣閥的接口，用于控制交流電機(jī)啟停的模塊等。其原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的軟機(jī)主要由上位PC機(jī)程序、下位單片機(jī)程序、上位機(jī)與下位機(jī)通訊程序三部分組成。
上位PC機(jī)程序（其流程圖如圖3所示）完成的功能是通過采集卡采集被加工轉(zhuǎn)子的不平衡量信息，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的合法性檢查，再根據(jù)這個(gè)信息來判斷這個(gè)轉(zhuǎn)子的不平衡量是否在可加工的范圍之內(nèi)。如果該轉(zhuǎn)子的不平衡量在可加工的范圍之內(nèi)，就根據(jù)去重策略把不平衡量進(jìn)行分解，轉(zhuǎn)換成下位機(jī)可以識(shí)別的代碼。該程序的核心部分是去重策略的產(chǎn)生，下面用偽代碼的形式來闡述該部分。
兩個(gè)假設(shè)1，第i次采集進(jìn)來的不平衡量為:幅值=unbala(i)克，相位=angle(i)度，i=1,2,3...2，每個(gè)爪極的最大去重量是有限制的，現(xiàn)設(shè)每個(gè)爪極允許的最大去重量為max克
算法開始：
根據(jù)采集進(jìn)來的unbla(i)，預(yù)先估算該轉(zhuǎn)子是否可以在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)平衡，如果不可以就報(bào)告轉(zhuǎn)子無法平衡；
備份上一次去重策略結(jié)果，如果是第一次去重，就不備份去重策略；
do{
if（第一次去重）
{ if(unbala(1)
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