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電機轉子動平衡半自動去重系統(tǒng)的研制
摘要：介紹了一種對電動工具用的小型電機轉子進行動平衡的半自動去重系統(tǒng)。該系統(tǒng)由動平衡測試機、去重機床、PC機、單片機、多功能采集卡及其它電路組成。重點闡述了去重機中、硬件的設計過程。普通電動工具用的小型電機轉子是通過在硅鋼片上繞漆包線做成的，硅鋼片、風葉和換向環(huán)等均通過沖壓機裝配而成。當電機轉子高速旋轉時會產生很大的振動，不令帶來較大的噪聲，而且會減短電動工具本身的壽命，因此必須進行動平衡校正。動平衡校正設備可分為三大類：全自動一體化動平衡校正機、半自動動平衡校正機以及手工校正機。手工校正機采用在動平衡測試機上測量其動不平衡量，然后根據(jù)測試量進行人工鉆或銑削去重的動平衡方法，完成一個轉子的動平衡一般常需要重復4～5次的測試和去重，生產效率低下，平衡精度也不高，且轉子上的切槽較多。但由于國內勞動力相對廉價，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雖然平衡精度、生產效率等較高，但價格高、結構復雜、對不同規(guī)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(guī)格經(jīng)常變換的現(xiàn)狀。半自動動平衡校正機與全自動一體化動平衡校正機的主要區(qū)別在于半自動動平衡校正機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高，但其對轉子的適應性更強、價格更便宜。在目前國內人力成本比較低的情況下，采用半自動動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平衡去重機即為半自動的，具有操作方便、平衡精度高、價格適中、生產效率高的特點，具有廣闊的市場前景。
1 整體設計
轉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平衡去重系統(tǒng)的由動平衡測試機和數(shù)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(shù)等信號量。控制系統(tǒng)采用上位機和下位機。上位機通過采集卡獲取動平衡測試機上的不平衡量數(shù)據(jù)，然后生成動平衡去重策略。有一定的計算量，同時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RS232通訊協(xié)議來實現(xiàn)。該系統(tǒng)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機通過數(shù)據(jù)采集卡采集不平衡量，按照相應的分解策略生成一個最優(yōu)的去重策略，并轉化成單片機可直接操作的代碼，最后把這個代碼通過串口傳送給數(shù)控去重機的控制器，待平衡轉子安裝完后即可啟動數(shù)控去重機進行動平衡切削。在此過程中，將另一轉子放置在動平衡測試機上，開始測量等待加工。將則加工完的轉子卸下后再進行測量，而剛才已測量好的轉子剛安裝后即可加工。正常情況下，一個操作工人可管理兩臺機器。
圖2 系統(tǒng)硬件結構原理示意圖
2 系統(tǒng)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(jù)動平衡的要求，需要確定相位基準信號，這里采用一路紅外線光電傳感器來識別基準信號；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、刀具水平的移動量以及刀具切削深度的進給量，這里采用三臺步進電機來分別控制機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行程開關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經(jīng)同步帶來帶動。
控制部分采用51系列單片機作為控制核心，分別控制三臺步進電機的進給量和接收紅外線傳感器傳一煌基準信號。另外，還包括一些具有紅外線傳感器傳來的基準信號。另外，還包括一些具有輔助功能的部分，如用于保存零點參數(shù)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(tǒng)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）完成的功能是通過采集卡采集被加工轉子的不平衡量信息，然后進行數(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(jù)去重策略把不平衡量進行分解，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生，下面用偽代碼的形式來闡述該部分。
兩個假設1，第i次采集進來的不平衡量為: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)采集進來的unbla(i)，預先估算該轉子是否可以在本系統(tǒng)中實現(xiàn)平衡，如果不可以就報告轉子無法平衡；
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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