电机转子动平衡半自动去重系统的研制

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摘要：介绍了一种对电动工具用的小型电机转子进行动平衡的半自动去重系统。该系统由动平衡测试机、去重机床、PC机、单片机、多功能采集卡及其它电路组成。重点阐述了去重机中、硬件的设计过程。

    关键词：动平衡 电机转子 单片机

普通电动工具用的小型电机转子是通过在硅钢片上绕漆包线做成的，硅钢片、风叶和换向环等均通过冲压机装配而成。当电机转子高速旋转时会产生很大的振动，不令带来较大的噪声，而且会减短电动工具本身的寿命，因此必须进行动平衡校正。动平衡校正设备可分为三大类：全自动一体化动平衡校正机、半自动动平衡校正机以及手工校正机。手工校正机采用在动平衡测试机上测量其动不平衡量，然后根据测试量进行人工钻或铣削去重的动平衡方法，完成一个转子的动平衡一般常需要重复4～5次的测试和去重，生产效率低下，平衡精度也不高，且转子上的切槽较多。但由于国内劳动力相对廉价，资本投入少，目前仍被中小企业广泛采纳。国外的全自动一体化动平衡校正机虽然平衡精度、生产效率等较高，但价格高、结构复杂、对不同规格的转子适应性差，因而不大适合中小企业加工转子的规格经常变换的现状。半自动动平衡校正机与全自动一体化动平衡校正机的主要区别在于半自动动平衡校正机在装夹上需要人的干涉，在效率上不及全自动一体化动平衡校正机高，但其对转子的适应性更强、价格更便宜。在目前国内人力成本比较低的情况下，采用半自动动平衡校正机应该更加适合中小企业。本文介绍的电机转子动平衡去重机即为半自动的，具有操作方便、平衡精度高、价格适中、生产效率高的特点，具有广阔的市场前景。
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1 整体设计

转子动平衡校正一般有配重和去重两种方法。供电动工具用的电机转子一般均采用去重的方法，其转子的外形如图1所示。

本文所介绍的转子动平衡去重系统的由动平衡测试机和数控去重机二工位组成，操作工人主要负责转子的装卸以及对两机器的启停管理。动平衡测试机采用相应精度的市售商品，其输出量是转子不平衡量在设定分解面内分解后的幅值和相位的电压值，以及精度、放大倍数等信号量。控制系统采用上位机和下位机。上位机通过采集卡获取动平衡测试机上的不平衡量数据，然后生成动平衡去重策略。有一定的计算量，同时也需要良好的交互性，因此采用PC机作为上位机。下位机控制去重机的具体运行，与硬件的关系密切，故采用单片机作为下位机。上位机和下位机两者之间的通讯通过RS232通讯协议来实现。该系统的主要工作流程如下：首先用测试机测得待平衡转子的不平衡量，然后PC机通过数据采集卡采集不平衡量，按照相应的分解策略生成一个最优的去重策略，并转化成单片机可直接操作的代码，最后把这个代码通过串口传送给数控去重机的控制器，待平衡转子安装完后即可启动数控去重机进行动平衡切削。在此过程中，将另一转子放置在动平衡测试机上，开始测量等待加工。将则加工完的转子卸下后再进行测量，而刚才已测量好的转子刚安装后即可加工。正常情况下，一个操作工人可管理两台机器。

图2 系统硬件结构原理示意图

2 系统硬件电路设计

硬件设计包括去重机的设计和去重机控制器电路的设计。根据动平衡的要求，需要确定相位基准信号，这里采用一路红外线光电传感器来识别基准信号；为了精确控制切削量以及去重位置，需要定位转子的切削角度、刀具水平的移动量以及刀具切削深度的进给量，这里采用三台步进电机来分别控制机床水平平台的水平方向移动、垂直平台的垂直方向移动和水平平台上的夹具的移动（其中，转子被固定在水平平台的夹具上，刀具被固定在垂直平台上）；为了防止去重机失控，在水平平台的导轨和垂直平台的导轨上分别有两个行程开关来控制两个平台行走的水平极限位置和垂直极限位置；刀具采用圆铣刀，通过一台普通的三相异步电机经同步带来带动。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>控制部分采用51系列单片机作为控制核心，分别控制三台步进电机的进给量和接收红外线传感器传一煌基准信号。另外，还包括一些具有红外线传感器传来的基准信号。另外，还包括一些具有辅助功能的部分，如用于保存零点参数信息的EEPROM模块，用于通讯的RS232接口，用于调整高度对零的键盘和显示部分，用于控制夹具气阀的接口，用于控制交流电机启停的模块等。其原理结构示意图如图2所示。

3 软件设计

该系统的软机主要由上位PC机程序、下位单片机程序、上位机与下位机通讯程序三部分组成。

上位PC机程序（其流程图如图3所示）完成的功能是通过采集卡采集被加工转子的不平衡量信息，然后进行数据的合法性检查，再根据这个信息来判断这个转子的不平衡量是否在可加工的范围之内。如果该转子的不平衡量在可加工的范围之内，就根据去重策略把不平衡量进行分解，转换成下位机可以识别的代码。该程序的核心部分是去重策略的产生，下面用伪代码的形式来阐述该部分。

两个假设1，第i次采集进来的不平衡量为:幅值=unbala(i)克，相位=angle(i)度，i=1,2,3...2，每个爪极的最大去重量是有限制的，现设每个爪极允许的最大去重量为max克

算法开始：

根据采

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