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電機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡半自動去重系統(tǒng)的研制論文
摘要：介紹了一種對電動工具用的小型電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡的半自動去重系統(tǒng)。該系統(tǒng)由動平衡測試機(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。
關(guān)鍵詞：動平衡 電機(jī)轉(zhuǎn)子 單片機(jī)
普通電動工具用的小型電機(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)會產(chǎn)生很大的振動，不令帶來較大的噪聲，而且會減短電動工具本身的壽命，因此必須進(jìn)行動平衡校正。動平衡校正設(shè)備可分為三大類：全自動一體化動平衡校正機(jī)、半自動動平衡校正機(jī)以及手工校正機(jī)。手工校正機(jī)采用在動平衡測試機(jī)上測量其動不平衡量，然后根據(jù)測試量進(jìn)行人工鉆或銑削去重的動平衡方法，完成一個轉(zhuǎn)子的動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。國外的全自動一體化動平衡校正機(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。半自動動平衡校正機(jī)與全自動一體化動平衡校正機(jī)的主要區(qū)別在于半自動動平衡校正機(jī)在裝夾上需要人的干涉，在效率上不及全自動一體化動平衡校正機(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，采用半自動動平衡校正機(jī)應(yīng)該更加適合中小企業(yè)。本文介紹的電機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡去重機(jī)即為半自動的，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)子動平衡校正一般有配重和去重兩種方法。供電動工具用的電機(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)子動平衡去重系統(tǒng)的由動平衡測試機(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)通過采集卡獲取動平衡測試機(jī)上的不平衡量數(shù)據(jù)，然后生成動平衡去重策略。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數(shù)控去重機(jī)進(jìn)行動平衡切削。在此過程中，將另一轉(zhuǎn)子放置在動平衡測試機(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，一個操作工人可管理兩臺機(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)動平衡的要求，需要確定相位基準(zhǔn)信號，這里采用一路紅外線光電傳感器來識別基準(zhǔn)信號；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(jī)來分別控制機(jī)床水平平臺的水平方向移動、垂直平臺的垂直方向移動和水平平臺上的夾具的移動（其中，轉(zhuǎn)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(jī)失控，在水平平臺的導(dǎo)軌和垂直平臺的導(dǎo)軌上分別有兩個行程開關(guān)來控制兩個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，通過一臺普通的三相異步電機(jī)經(jīng)同步帶來帶動�？刂撇糠植捎�51系列單片機(jī)作為控制核心，分別控制三臺步進(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。另外，還包括一些具有紅外線傳感器傳來的基準(zhǔn)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(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)這個信息來判斷這個轉(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，每個爪極的最大去重量是有限制的，現(xiàn)設(shè)每個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)<=max)
從基準(zhǔn)位置轉(zhuǎn)過angle(1)度，進(jìn)行去重，去
重量為unbala（1）；
else
{ 把unbala（1）分解到相鄰的三個爪極上，中間一個爪極位置為從基準(zhǔn)位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)過angle(1)度的地址，去重量為max，與該爪極相鄰的兩個爪極的去重理均為:（unbala(1)-max）/2/cos（相臨兩爪極間夾角）；}
保存第一次去重策略結(jié)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(jié)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，然后把這個量當(dāng)成采集進(jìn)來的量；}
按照第一次去重對待來生成本次去重策略；
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有超過max，或者超過了max,便可以把疊加后的量分配到相鄰的爪極上，使每個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(bào)告轉(zhuǎn)子無法平衡；
}
然后根據(jù)生成的去重策略，求出各個爪極上的去重量的質(zhì)心位置x(相對于校正平面，在兩個校正平面的之間為正，其余為負(fù))，并把各個爪極上的質(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(nèi)，就不修改去重策略，同時(shí)更新備份的去重自力策略；否則，就按照簡支梁的模型（其中以兩個校正面為支點(diǎn)）把偏離校正平面的質(zhì)量分解到左右兩個校正面上，然后把這兩個量分別和原來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(jié)果用備份的策略結(jié)果來替代。
}while（如果超出允許的偏差范圍）；
下位機(jī)程序按模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)。模塊按照其實(shí)現(xiàn)的功能劃分（如圖4所示），主要可以劃分為：響應(yīng)鍵盤輸入顯示模塊、響應(yīng)串口輸入模塊、控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動模塊、操作EEPROM模塊、看門狗模塊等。響應(yīng)鍵盤輸入模塊主要接收鍵盤輸入及顯示，同時(shí)執(zhí)行鍵盤的各個功能鍵的功能程序，如調(diào)零點(diǎn)�？刂撇竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動模塊的功能是按照收到的數(shù)據(jù)來識別哪個步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動，然后再根據(jù)收到送相應(yīng)的脈沖給該步進(jìn)電機(jī)。如果需要多臺步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行動作，可以循環(huán)執(zhí)行上述過程。
圖5是響應(yīng)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：先接收幀長度（一字節(jié)），即本幀要發(fā)送的數(shù)據(jù)量，包括表示幀長度的這個字節(jié)；再接收其余的數(shù)據(jù)，同時(shí)把收到的除最后一個字節(jié)外的數(shù)據(jù)相加求和；然后把這個和數(shù)對256取余并與最后接收到的一個字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果相同，就發(fā)送一個接收正確的代碼給PC機(jī)并處理接收到的數(shù)據(jù)，否則發(fā)送一個接收錯誤的代碼給PC機(jī)，要求重發(fā)數(shù)據(jù)清除接收到的數(shù)據(jù)。
上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊程序由PC機(jī)部分和單片機(jī)部分組成。PC機(jī)部分把生成的并于如何去重的代碼按照規(guī)定的格式填入發(fā)送幀中，然后把幀通過串口發(fā)送給下位機(jī)，同時(shí)接收一些單片機(jī)傳來的反饋信號。單片機(jī)部分主要是識別串口有否信號傳來，并把接收到的幀按照約定的格式翻譯成指導(dǎo)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)，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：
幀長度特征碼有效數(shù)據(jù)校驗(yàn)和
第一字節(jié)是幀長度，第二字節(jié)是特征碼，中間有若干個字節(jié)是有效數(shù)據(jù)，最后一個字節(jié)是校驗(yàn)和。其中第一字節(jié)數(shù)據(jù)的意義已經(jīng)在前面提及；第二字節(jié)數(shù)據(jù)用以表示本幀的用途，如該字節(jié)為“1”表示接收零點(diǎn)信息，其后的有效數(shù)據(jù)就是關(guān)于零點(diǎn)的x,y值，該字節(jié)如果為“2”表示自動去重，其后的有效數(shù)據(jù)表示執(zhí)行去重的具體代碼；最后一個字節(jié)是校驗(yàn)和，用于校核發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收方接收的數(shù)據(jù)是否一致。
4 可靠性設(shè)計(jì)
因?yàn)閷﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡加工時(shí)已經(jīng)處于整個轉(zhuǎn)子加工的最后階段，一旦報(bào)護(hù)廢，不僅浪費(fèi)材料，而且也浪費(fèi)前面大量的工作，因此損失比較嚴(yán)重。故對系統(tǒng)的可靠性提出了較高的要求�？紤]到工廠現(xiàn)場環(huán)境較惡劣，因此在硬件設(shè)計(jì)上對輸入輸出的數(shù)據(jù)均采用了光耦隔離，單片機(jī)系統(tǒng)也加設(shè)了看門狗電路；在軟件上，對輸入輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行多重的合法性檢測，在軟件的操作設(shè)計(jì)上，盡量避免誤操作引起轉(zhuǎn)子報(bào)廢。
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