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電機轉子動(dòng)平衡半自動(dòng)去重系統的研制
摘要：介紹了一種對電動(dòng)工具用的小型電機轉子進(jìn)行動(dòng)平衡的半自動(dòng)去重系統。該系統由動(dòng)平衡測試機、去重機床、PC機、單片機、多功能采集卡及其它電路組成。重點(diǎn)闡述了去重機中、硬件的設計過(guò)程。普通電動(dòng)工具用的小型電機轉子是通過(guò)在硅鋼片上繞漆包線(xiàn)做成的，硅鋼片、風(fēng)葉和換向環(huán)等均通過(guò)沖壓機裝配而成。當電機轉子高速旋轉時(shí)會(huì )產(chǎn)生很大的振動(dòng)，不令帶來(lái)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)平衡校正設備可分為三大類(lèi)：全自動(dòng)一體化動(dòng)平衡校正機、半自動(dòng)動(dòng)平衡校正機以及手工校正機。手工校正機采用在動(dòng)平衡測試機上測量其動(dòng)不平衡量，然后根據測試量進(jìn)行人工鉆或銑削去重的動(dòng)平衡方法，完成一個(gè)轉子的動(dòng)平衡一般常需要重復4～5次的測試和去重，生產(chǎn)效率低下，平衡精度也不高，且轉子上的切槽較多。但由于國內勞動(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)平衡校正機雖然平衡精度、生產(chǎn)效率等較高，但價(jià)格高、結構復雜、對不同規格的轉子適應性差，因而不大適合中小企業(yè)加工轉子的規格經(jīng)常變換的現狀。半自動(dòng)動(dòng)平衡校正機與全自動(dòng)一體化動(dòng)平衡校正機的主要區別在于半自動(dòng)動(dòng)平衡校正機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)平衡校正機高，但其對轉子的適應性更強、價(jià)格更便宜。在目前國內人力成本比較低的情況下，采用半自動(dòng)動(dòng)平衡校正機應該更加適合中小企業(yè)。本文介紹的電機轉子動(dòng)平衡去重機即為半自動(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(chǎng)前景。
1 整體設計
轉子動(dòng)平衡校正一般有配重和去重兩種方法。供電動(dòng)工具用的電機轉子一般均采用去重的方法，其轉子的外形如圖1所示。
本文所介紹的轉子動(dòng)平衡去重系統的由動(dòng)平衡測試機和數控去重機二工位組成，操作工人主要負責轉子的裝卸以及對兩機器的啟停管理。動(dòng)平衡測試機采用相應精度的市售商品，其輸出量是轉子不平衡量在設定分解面內分解后的幅值和相位的電壓值，以及精度、放大倍數等信號量�？刂葡到y采用上位機和下位機。上位機通過(guò)采集卡獲取動(dòng)平衡測試機上的不平衡量數據，然后生成動(dòng)平衡去重策略。有一定的計算量，同時(shí)也需要良好的交互性，因此采用PC機作為上位機。下位機控制去重機的具體運行，與硬件的關(guān)系密切，故采用單片機作為下位機。上位機和下位機兩者之間的通訊通過(guò)RS232通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現。該系統的主要工作流程如下：首先用測試機測得待平衡轉子的不平衡量，然后PC機通過(guò)數據采集卡采集不平衡量，按照相應的分解策略生成一個(gè)最優(yōu)的去重策略，并轉化成單片機可直接操作的代碼，最后把這個(gè)代碼通過(guò)串口傳送給數控去重機的控制器，待平衡轉子安裝完后即可啟動(dòng)數控去重機進(jìn)行動(dòng)平衡切削。在此過(guò)程中，將另一轉子放置在動(dòng)平衡測試機上，開(kāi)始測量等待加工。將則加工完的轉子卸下后再進(jìn)行測量，而剛才已測量好的轉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機器。
圖2 系統硬件結構原理示意圖
2 系統硬件電路設計
硬件設計包括去重機的設計和去重機控制器電路的設計。根據動(dòng)平衡的要求，需要確定相位基準信號，這里采用一路紅外線(xiàn)光電傳感器來(lái)識別基準信號；為了精確控制切削量以及去重位置，需要定位轉子的切削角度、刀具水平的移動(dòng)量以及刀具切削深度的進(jìn)給量，這里采用三臺步進(jìn)電機來(lái)分別控制機床水平平臺的水平方向移動(dòng)、垂直平臺的垂直方向移動(dòng)和水平平臺上的夾具的移動(dòng)（其中，轉子被固定在水平平臺的夾具上，刀具被固定在垂直平臺上）；為了防止去重機失控，在水平平臺的導軌和垂直平臺的導軌上分別有兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制兩個(gè)平臺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(guò)一臺普通的三相異步電機經(jīng)同步帶來(lái)帶動(dòng)。
控制部分采用51系列單片機作為控制核心，分別控制三臺步進(jìn)電機的進(jìn)給量和接收紅外線(xiàn)傳感器傳一煌基準信號。另外，還包括一些具有紅外線(xiàn)傳感器傳來(lái)的基準信號。另外，還包括一些具有輔助功能的部分，如用于保存零點(diǎn)參數信息的EEPROM模塊，用于通訊的RS232接口，用于調整高度對零的鍵盤(pán)和顯示部分，用于控制夾具氣閥的接口，用于控制交流電機啟停的模塊等。其原理結構示意圖如圖2所示。
3 軟件設計
該系統的軟機主要由上位PC機程序、下位單片機程序、上位機與下位機通訊程序三部分組成。
上位PC機程序（其流程圖如圖3所示）完成的功能是通過(guò)采集卡采集被加工轉子的不平衡量信息，然后進(jìn)行數據的合法性檢查，再根據這個(gè)信息來(lái)判斷這個(gè)轉子的不平衡量是否在可加工的范圍之內。如果該轉子的不平衡量在可加工的范圍之內，就根據去重策略把不平衡量進(jìn)行分解，轉換成下位機可以識別的代碼。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(lái)闡述該部分。
兩個(gè)假設1，第i次采集進(jìn)來(lái)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，現設每個(gè)爪極允許的最大去重量為max克
算法開(kāi)始：
根據采集進(jìn)來(lái)的unbla(i)，預先估算該轉子是否可以在本系統中實(shí)現平衡，如果不可以就報告轉子無(wú)法平衡；
備份上一次去重策略結果，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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