基于全相位快速傅里叶变换的主轴不平衡特征提取及实验

主轴作为数控机床的核心部件,因其质量不平衡而产生的振动严重影响机床的加工精度。对主轴不平衡振动进行有效抑制的前提是需要准确提取振动信号特征。为了准确提取主轴系统的不平衡振动特征,获取振动幅值和相位,提出基于全相位快速傅里叶变换的主轴不平衡振动特征提取方法,全相位快速傅里叶变换利用自身的频谱分析功能实现对信号相位和振幅的准确提取。分别通过仿真与实验的方式将该方法与其他3种方法进行振动特征提取对比,全相位傅里叶变换提取振动幅值和相位准确度和稳定性更好,提取后的振动相位准确性可达97%,而提取后进行动平衡振动抑制实验,振动量下降65.21%,进一步验证了该方法的有效性。     

集成GA-PSO方法的转子系统多点不平衡量识别

针对传统转子动平衡方法需多次启车确定平衡配重、平衡效率低、平衡成本高的问题,提出了集成遗传算法(genetic algorithm,简称GA)及粒子群算法(particle swarm optimization,简称PSO)的转子多点不平衡量在线识别方法。该方法的核心是将转子不平衡量分解为数目、位置、质量和相位信息,分别获取转子系统理论不平衡响应与实际振动特征,正反问题角度相结合实现转子多点不平衡量的准确识别。首先,采用集成化的GA-PSO优化算法进行不平衡量识别;其次,通过引入正则化思想构造新的目标函数,利用遗传算法获取不平衡数目的稀疏表示,实现不平衡量数目识别;最后,采用粒子群算法进行不平衡量位置、质量和相位识别,通过缩小粒子群算法初值范围,提高不平衡位置、质量和相位识别精度。仿真和转子实验台实验数据的识别结果表明,该方法可以有效对转子不平衡量进行在线预估,并可有效指导现场无试重动平衡,从而降低后续转子系统现场动平衡的成本,提高其平衡效率。     

非轴对称复杂曲面回转件虚拟动平衡设计方法及试验

针对非轴对称复杂曲面回转件的几何结构所引起的动不平衡问题，提出了一种虚拟动平衡设计方法，将整个系统简化为单个刚体旋转模型，根据平行轴定理推导出质径积的表达式，并针对相位滞后问题提出了采用正反转求相位补偿量的方法。建立了虚拟动平衡仿真平台，以环面蜗杆这类复杂曲面回转件为例进行仿真分析，获取待测点在稳定周期内沿X轴方向的振动幅值，结果表明：选取的两个平衡平面上均存在大小不等的不平衡质量，分别为11.8g和14.7 g，通过相位补偿得到两个不平衡质量所对应的准确相位角分别为133.2°和93.6°，平衡后的振动幅值分别下降了97.5%和93%，平衡效果明显。最后，进行了实际的动平衡实验，测定得到初始的不平衡质量分别为13.66 g和15.21 g，相位角分别为131°和95°，和理论计算值相比，不平衡质量的最大误差为1.86 g，相位角的最大误差为2.2°；实际的平衡结果显示，左右两侧的剩余不平衡质量分别为1.33 g和0.18 g，不平衡量分别下降了90.3%和98.8%，进一步验证了理论模型及虚拟动平衡方法的正确性。     

基于电磁自愈力的转子快速自动平衡实验

提出了一种快速相位搜索算法,利用电磁装置在特定的平面上产生幅值和相位可控的旋转矢量力来补偿转子的不平衡旋转矢量力,实现在线快速抑制单平面转子系统工频振动故障.对转子同频振动及电磁力可控特性进行了分析,建立了以转子振动响应为指标、磁极线圈电流的幅值和相位为寻优参数的控制模型,提出相位整周搜寻自动平衡算法及快速相位搜索自动平衡算法,并搭建实验台对两种算法进行对比实验研究.结果表明,当转子工作在2 100 r/min时采用整周相位搜索算法,振动下降90％需要20 s,而采用相位快速搜索算法在4s左右即可达到同样的降振效果,提高了转子振动故障自愈调控的效率.     

基于遗传算法的动平衡最小二乘影响系数法的优化

基于对转子动平衡最小二乘影响系数法的研究,针对平衡过程中出现个别残余振动值偏大以及平衡效果不够理想等问题,将遗传算法引入到转子动平衡最小二乘影响系数法中。利用遗传算法的全局优化搜索特性对其进行优化改进及实现。实验结果表明,基于遗传算法的最小二乘影响系数法能达到更好的平衡效果。     

电磁滑环式在线动平衡系统特性分析与实验

为了测试一种电磁滑环式在线动平衡装置的平衡特性,搭建了实验平台,采用影响系数法进行在线动平衡实验研究。主要从实验平台本身的振动特性、主轴转速对平衡效果的影响以及试加配重的角度对平衡效果的影响3个方面进行了分析研究,得到了实验平台和主轴转速对在线动平衡系统的影响,以及试加配重位置的选择方式,为高速主轴双面动平衡和模态分析的研究打下基础。     

基于STM32的车轮动平衡检测系统

阐述了车轮动平衡检测的基本原理和方法,基于ARM Cortex-M3内核的嵌入式微控制器STM32F103设计测控系统,采用DFT算法,获取不平衡量振动的幅值和相位,计算得到校正面上校正质量和相位,给出一种平衡机参数校准的方法。实验结果表明:该系统的平衡精度、稳定性和重复性等各项指标均能满足车轮动平衡机的技术要求。     

提高刚性转子现场一次动平衡精度研究

针对现场动平衡系统一次平衡精度问题,给出极大振动计算模型及实验验证;改进平衡效率计算公式,提出初相点影响系数法并与水平振动、垂直振动、极大振动三种振动测量项的影响系数法进行实验比较;开发相应的转子现场动平衡软件模块,集成到“PMS2000设备预知维修与故障诊断系统”。实验结果表明,该极大振动计算模型可用于表征不平衡转子的振动水平;初相点影响系数法对试重角度不敏感,其一次平衡精度较理想。     

基于全相位FFT不平衡分析的转子现场动平衡

为了对地面转子试验器进行动平衡,降低其振动量值,掌握转子系统现场动平衡技术,基于全相位快速傅里叶变换(fast Fourier transform,简称FFT)建立了转子不平衡量的计算模型,并在地面转子试验器上搭建了不平衡测试系统.试验表明,当转速高于1 kr/min后,计算模型可准确地分析出转子不平衡响应.对转子试验...     

柔性转子无试重模态动平衡测试系统

针对传统柔性转子动平衡方法需要多次添加试重、多次启动而导致平衡效率低、安全性无法保证的问题,提出了一种高速柔性转子无试重模态动平衡方法。该方法借助有限元软件计算得到转子的模态特征,结合测量得到的振动信息,计算出平衡配重的大小和相位。为了将此方法应用于工程实际,研制了一套柔性转子无试重模态动平衡软、硬件测试系统。将该系统与国外同类先进测试设备SIRIUS对比,两者之间的相位测量误差为2.376°。转速计量表明,该测试系统的转速测量范围为0～60kr/min,最大测量误差为10%。应用该系统对跨二阶双盘柔性转子实施了无试重动平衡试验,平衡后一阶振幅下降60.6%,二阶振幅下降74%。试验结果表明,所研制的无试重模态动平衡系统可有效应用于高速柔性转子的动平衡,提高平衡效率和安全性。     

高速电主轴系统的在线动平衡及其仿真研究

动平衡技术是高速电主轴的关键技术之一.在这项研究中,基于电动机工作原理的电磁式间接在线动平衡头和基于影响系数法动平衡控制的电磁式混合在线动平衡头都是简单可靠并适用于高速电主轴系统的结构.结合二者优点进行优化设计,实现对HCl20cg-22000/6电主轴的"实时节能"的在线动平衡补偿.通过Pro/E建模和Adams仿真分析,结果证明此设计方案能够使平衡后主轴达到高速电主轴平衡品质标准.     

转子在线动平衡嵌入式控制系统开发与验证

为了快速、有效抑制由于质量不平衡引起的转子振动并在线监测转子的实时平衡状态,基于模块化设计思想设计了一种针对电磁式主动平衡装置的嵌入式在线自动平衡控制系统。使用数字信号处理器(digital signal processor,简称DSP)和现场可编程门阵列(field programmable gate array,简称FPGA)构建了一种快速平衡控制器,基于影响系数法建立了自适应平衡控制模型,采用C和C#语言分别开发了多线程的平衡控制软件和人机交互界面,针对某国产电主轴完成了整个系统功能的试验验证。结果表明:当主轴在3kr/min平稳运行时,通过该自平衡系统可将其振动大约降低43%。     

力自由不平衡控制下的高速磁悬浮飞轮系统在线动平衡

针对高速磁悬浮飞轮转子的不平衡问题,提出了一种在力自由不平衡控制下的在线动平衡方法,用空气环境下低转速的在线动平衡替代真空环境下的高转速在线动平衡,以实现兼顾高效率和高精度的在线动平衡。通过分析磁悬浮转子系统的不平衡模型和比较各不平衡控制模式下校正质量的求解方法,得出在力自由控制模式下,磁轴承的同频控制电流为零,电磁力在线性化范围内仅是转子位移的线性函数。因此根据转子的同频位移响应可解算动平衡校正质量。通过所设计的磁轴承力自由不平衡控制器使转子绕其惯性主轴旋转,获得了转子同频位移响应。由于系统参数的理论值与实际值存在一定误差,通过一次试重对转换系数矩阵进行了校正。实验结果表明,通过一次试重校正转换系数矩阵,再经过两次试转后即可实现高精度动平衡。另外,转子轴心轨迹显著减小、转子两端同频位移响应分别下降了77.29%和94.14%;在真空环境下,试验转子升速至500Hz时,转子的运行状况与低速状态一致,进一步验证了本文提出方法的有效性。     

数控机床位置不相关热误差在线补偿方法

针对数控机床位置不相关热误差,提出一种基于平移偏置法的在线补偿方法。采用贝叶斯网络建立机床多温度输入的热误差模型,根据机床综合误差模型,采用平移偏置法计算运动轴补偿值。基于数控机床PLC-CNC通讯功能将误差补偿值输入数控系统进行在线补偿。补偿系统结构采用离线误差建模与在线误差补偿的方式,将离线模型计算的误差补偿值通过PLC输入到机床寄存器中进行在线补偿。对某机床厂研发的滚动导轨精密曲面成形数控磨床进行双主轴热变形补偿,结果表明平均补偿效率超过70%,补偿效率最高达到95.5%,验证了基于平移偏置法的位置不相关热误差补偿方法的有效性。     

滚刀主轴振动位移与加速度响应模型研究与验证

滚齿机振动难以避免,研究滚刀主轴的振动特性可为滚齿加工工艺参数优化和滚齿加工振动自补偿研究提供理论基础。为实现滚齿机振动控制、提高滚齿加工质量,基于欧拉梁理论建立滚刀主轴振动平衡方程,推导滚刀主轴各阶固有频率和各阶主振型计算公式。由模态分析法推导滚刀主轴坐标系下滚刀主轴沿任意方向的振动位移计算公式,并基于坐标变换原理建立工件坐标系X方向和Z方向的振动位移和加速度响应函数模型。针对横向不受力和加工两种振动状态开展测试实验,并对比加工状态下振动位移和加速度的仿真值与测试值,相对误差均小于5%,验证滚刀主轴固有频率和振动响应函数模型的正确性。综合分析振动测试数据与振动响应函数模型仿真数据,得出滚刀主轴振动量与振动方向、振动阶次的变化关系。最终基于振动响应函数模型提出了一种加工工艺参数优化的思路。     

卧式加工中心动平衡试验研究

由主轴不平衡引起周期性波动的简谐力学模型分析得知,主轴不平衡引起的振动属于受迫振动,振动最大幅值与主轴转速有关。试验研究发现,不平衡主轴转动时会激发机床固有频率引起共振。加工表面振纹频率与工件的结构固有频率相符,切削时主轴的旋转不平衡会激发工件固有频率,引起颤振。动平衡可明显改善主轴系统的运行性能,平衡后的主轴可用转速得到大幅度的提高。最后,依据ISO等标准将机床主轴分为2个组别4个等级,为该型卧式加工中心的动平衡建立测试规范。     

以DSP为核心的高速主轴在线动平衡控制器的设计

高速主轴电磁式在线动平衡机构采用步进电动机的工作原理设计而成,并结合振动平衡原理及其平衡的精度和速度要求,选用TI公司的高性能数字信号处理器(DSP)TMS320F2812作为核心处理器来设计动平衡控制器.试验证明该控制器能满足在线动平衡工作的实时性要求,且平衡速度快、精度高,能显著降低高速主轴的振动强度,确保了加工过程中的零件加工质量.     

基于最小二乘法的转子不平衡振动信号的提取

不平衡振动是旋转机械失效的重要原因,实现精确平衡必须从强噪声中提取出与主轴转速同频的不平衡量振动信号,因此,不平衡振动信号的准确提取是进行转子动平衡的前提。基于最小二乘法的原理,通过建立提取转子振动不平衡信号的数学模型,提出了一种准确提取转子不平衡振动信号的方法。基于该方法,并通过Matlab仿真分析,有效提取了转子振动不平衡信号。研究表明,基于最小二乘法的转子振动不平衡信号提取方法能够准确提取转子不平衡振动的幅值和相位信息,该方法可用于转子不平衡振动监测及动平衡等方面。     

HS-RNN在机械主轴振动预报方法中的研究

机械主轴在高速运行过程中由于转子质量分布不均,造成主轴振动,从而影响其加工精度,因此常常采用动平衡方法来降低此类原因造成的振动。由于机械主轴长时间工作在变化频繁的工况条件下,难以在较短的时间内对主轴振动值进行准确调节,因此机械主轴振动预报模型对动平衡调节有着重要意义。机械主轴振动预报模型机理复杂,振动幅值具有随转速变化而非线性变化的特性,难以建立精确的机械主轴振动预报模型。且内置平衡块位置的选择忽略了变化工况对位置更新参数的影响,导致机械主轴振动预报模型精度较低。采用RNN(Recurrent Neural Network)递归神经网络建立机械主轴振动预报模型,对内置平衡块不同位置和主轴转速下的振动幅值预报,并引入HS(Harmony Search)和声搜索算法对平衡块位置参数通过自学习更新,从而提高机械主轴振动预报模型的精度。实验结果表明,提出的基于HSRNN的机械主轴振动预报方法能够自动确定网络结构,并对机械主轴的振动幅值进行准确预报。     

基于自适应陷波与重复控制的主动磁悬浮轴承系统谐波振动抑制

由转子质量不平衡和传感器跳动引起的谐波振动是磁悬浮转子系统中的主要扰动。为了抑制这些干扰,提出了一种基于重复控制和可变相位自适应陷波反馈的谐波振动抑制的复合控制方法。首先通过建立磁悬浮转子系统模型,分析了不同干扰振动力的产生机理。然后,设计了插入式重复控制器,抑制传感器跳动引起的谐波振动,利用自适应陷波滤波器在线提取同频信号自适应补偿不平衡,通过改变不同频率下的相位角来保持系统的稳定性,并对同频位移刚度进行补偿,使系统在较宽的速度范围内自抑制谐波振动。最后,通过仿真和实验对提出的控制方法进行了验证。实验结果表明,一次、三次和五次谐波振动分别减少94.4%,90.4%和85.9%,采用所提出的复合控制方法可以有效抑制谐波振动。验证了所提控制方法的有效性。