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" title="動(dòng)平衡">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)軟、硬件的設(shè)計(jì)過程。
關(guān)鍵詞: 動(dòng)平衡?? 電機(jī)轉(zhuǎn)子? 單片機(jī)
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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),不僅帶來較大的噪聲,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。
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本文所介紹的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡去重系統(tǒng)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)" title="上位機(jī)">上位機(jī)和下位機(jī)" title="下位機(jī)">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" title="串口">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。將剛加工完的轉(zhuǎn)子卸下后再進(jìn)行測量,而剛才已測量好的轉(zhuǎn)子則安裝后即可加工。正常情況下,一個(gè)操作工人可管理兩臺(tái)機(jī)器。
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)" title="步進(jìn)電機(jī)">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)上的夾具的轉(zhuǎn)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)?？刂撇糠植捎?1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)等參數(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。
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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。
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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unbala(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(gè)爪極上,中間
?????????? ??? 一個(gè)爪極位置為從基準(zhǔn)位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)過angle(1)
????????????? 度的地方,去重量為max，與該爪極相鄰的兩個(gè)
????????????? 爪極的去重量均為:(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,若有重合,存儲(chǔ)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(gè)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(chǔ)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,但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(chǔ)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(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(fù)),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(nèi),就不修改去重策略,同時(shí)更新備份的去
????重策略;否則,就按照簡支梁的模型(其中以兩個(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。
?。齱hile(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(dòng)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(gè)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(dòng)模塊的功能是按照收到的數(shù)據(jù)來識(shí)別哪個(gè)步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng),然后再根據(jù)收到的數(shù)據(jù)發(fā)送相應(yīng)的脈沖給該步進(jìn)電機(jī)。如果需要多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作,可以循環(huán)執(zhí)行上述過程。
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????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(gè)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(gè)字節(jié)外的數(shù)據(jù)相加求和;然后把這個(gè)和數(shù)對256取余并與最后接收到的一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)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(jī)并處理接收到的數(shù)據(jù),否則發(fā)送一個(gè)接收錯(cuò)誤的代碼給PC機(jī),要求重發(fā)數(shù)據(jù)并清除接收到的數(shù)據(jù)。
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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)部分把生成的關(guān)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(hào)。單片機(jī)部分主要是識(shí)別串口有否信號(hào)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(dòng)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(hào)。其中幀的格式如下:
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????第一字節(jié)是幀長度,第二字節(jié)是特征碼,中間有若干個(gè)字節(jié)是有效數(shù)據(jù),最后一個(gè)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(dòng)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(gè)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(dòng)平衡加工時(shí)已經(jīng)處于整個(gè)轉(zhuǎn)子加工的最后階段,一旦報(bào)廢,不僅浪費(fèi)材料,而且也浪費(fèi)前面大量的工時(shí),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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參考文獻(xiàn)
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