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。關(guān)鍵詞：動(dòng)平衡 電機轉子 單片機 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)<=max) 從基準位置轉過(guò)angle(1)度，進(jìn)行去重，去 重量為unbala（1）； else { 把unbala（1）分解到相鄰的三個(gè)爪極上，中間一個(gè)爪極位置為從基準位置逆時(shí)針轉過(guò)angle(1)度的地址，去重量為max，與該爪極相鄰的兩個(gè)爪極的去重理均為:（unbala(1)-max）/2/cos（相臨兩爪極間夾角）；}保存第一次去重策略結果；} else { 檢查angle（i）是否和保存的策略中的相位值 有重合，若有得合，存儲重合的結果； if(有重合) { 把相位重合處的量和新采集到的量進(jìn)行向量相加，然后把這個(gè)量當成采集進(jìn)來(lái)的量；} 按照第一次去重對待來(lái)生成本次去重策略； 把本次去重策略和以前存儲的去重策略進(jìn)行比較，查看是否有相位的重合，如果有重合，而且兩者量的疊加沒(méi)有超過(guò)max，或者超過(guò)了max,便可以把疊加后的量分配到相鄰的爪極上，使每個(gè)爪極上的去重量小于max，就生成新的去重策略，同時(shí)刷新存儲的去重策略，否則就報告轉子無(wú)法平衡； }然后根據生成的去重策略，求出各個(gè)爪極上的去重量的質(zhì)心位置x(相對于校正平面，在兩個(gè)校正平面的之間為正，其余為負)，并把各個(gè)爪極上的質(zhì)心位置乘以去重量進(jìn)行合成，記為M，如果M在允許的偏差范圍之內，就不修改去重策略，同時(shí)更新備份的去重自力策略；否則，就按照簡(jiǎn)支梁的模型（其中以?xún)蓚€(gè)校正面為支點(diǎn)）把偏離校正平面的質(zhì)量分解到左右兩個(gè)校正面上，然后把這兩個(gè)量分別和原來(lái)的校正面上的不平衡量進(jìn)行向量合成，同時(shí)把去重策略結果用備份的策略結果來(lái)替代。 }while（如果超出允許的偏差范圍）； 下位機程序按模塊化進(jìn)行設計。模塊按照其實(shí)現的功能劃分（如圖4所示），主要可以劃分為：響應鍵盤(pán)輸入顯示模塊、響應串口輸入模塊、控制步進(jìn)電機轉動(dòng)模塊、操作EEPROM模塊、看門(mén)狗模塊等。響應鍵盤(pán)輸入模塊主要接收鍵盤(pán)輸入及顯示，同時(shí)執行鍵盤(pán)的各個(gè)功能鍵的功能程序，如調零點(diǎn)?？刂撇竭M(jìn)電機轉動(dòng)模塊的功能是按照收到的數據來(lái)識別哪個(gè)步進(jìn)電機需要轉動(dòng)，然后再根據收到送相應的脈沖給該步進(jìn)電機。如果需要多臺步進(jìn)電機執行動(dòng)作，可以循環(huán)執行上述過(guò)程。 圖5是響應串口輸入模塊的流程圖，采用了串口中斷的方法。其流程如下：先接收幀長(cháng)度（一字節），即本幀要發(fā)送的數據量，包括表示幀長(cháng)度的這個(gè)字節；再接收其余的數據，同時(shí)把收到的除最后一個(gè)字節外的數據相加求和；然后把這個(gè)和數對256取余并與最后接收到的一個(gè)字節的數據進(jìn)行比較，如果相同，就發(fā)送一個(gè)接收正確的代碼給PC機并處理接收到的數據，否則發(fā)送一個(gè)接收錯誤的代碼給PC機，要求重發(fā)數據清除接收到的數據。 上位機和下位機之間的通訊程序由PC機部分和單片機部分組成。PC機部分把生成的并于如何去重的代碼按照規定的格式填入發(fā)送幀中，然后把幀通過(guò)串口發(fā)送給下位機，同時(shí)接收一些單片機傳來(lái)的反饋信號。單片機部分主要是識別串口有否信號傳來(lái)，并把接收到的幀按照約定的格式翻譯成指導步進(jìn)電機轉動(dòng)的脈沖數，以備后用；并發(fā)送加工完畢、接收正確與否等反饋信號。 其中幀的格式如下： 幀長(cháng)度特征碼有效數據校驗和第一字節是幀長(cháng)度，第二字節是特征碼，中間有若干個(gè)字節是有效數據，最后一個(gè)字節是校驗和。其中第一字節數據的意義已經(jīng)在前面提及；第二字節數據用以表示本幀的用途，如該字節為“1”表示接收零點(diǎn)信息，其后的有效數據就是關(guān)于零點(diǎn)的x,y值，該字節如果為“2”表示自動(dòng)去重，其后的有效數據表示執行去重的具體代碼；最后一個(gè)字節是校驗和，用于校核發(fā)送方發(fā)送的數據和接收方接收的數據是否一致。 4 可靠性設計 因為對電機轉子進(jìn)行動(dòng)平衡加工時(shí)已經(jīng)處于整個(gè)轉子加工的最后階段，一旦報護廢，不僅浪費材料，而且也浪費前面大量的工作，因此損失比較嚴重。故對系統的可靠性提出了較高的要求?？紤]到工廠(chǎng)現場(chǎng)環(huán)境較惡劣，因此在硬件設計上對輸入輸出的數據均采用了光耦隔離，單片機系統也加設了看門(mén)狗電路；在軟件上，對輸入輸出的數據進(jìn)行多重的合法性檢測，在軟件的操作設計上，盡量避免誤操作引起轉子報廢。