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    軸承溝道磨床砂輪平衡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

    2010年06月23日 14:35點(diǎn)擊:811作者:默認(rèn)來源:>>進(jìn)入該公司展臺

    摘要:軸承溝道磨床砂輪的動平衡對保證零件加工精度至關(guān)重要,文中介紹了一種軸承溝道砂輪的自動平衡系統(tǒng),及平衡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本原理。

      機(jī)床振動對軸承溝道磨床的磨削加工精度和穩(wěn)定性有很大的影響,為了保證磨床的加工性能,廠家在出廠之前對電動機(jī)、皮帶輪以及軸系都進(jìn)行了的平衡,而磨床的振動zui主要和zui不穩(wěn)定的振源是砂輪的不平衡引起的,盡管出廠前對其進(jìn)行了平衡,但由于砂輪本身在加工過程中處在不斷變化的過程中,如加工過程中的磨損不均勻,對冷卻液的吸附不一致,修正偏差和更換新砂輪時(shí)的裝配誤差及材質(zhì)等種種因素,都會造成砂輪系統(tǒng)的質(zhì)量中心偏離其旋轉(zhuǎn)軸線從而引起磨床振動。這種振動將使零件的加工表面出現(xiàn)振紋,對加工精度影響很大。因此,如果能對磨床砂輪系統(tǒng)進(jìn)行快速的自動平衡,將能夠有效地提高軸承零件的加工精度和生產(chǎn)效率。

      一、平衡原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      1.平衡原理

      砂輪可以看成是由無數(shù)微小的質(zhì)點(diǎn)組成的。這些微小質(zhì)點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的慣性力構(gòu)成的慣性力系,可以向質(zhì)心簡化為一個合力F,它是各個微小質(zhì)點(diǎn)的離心力Fi,矢量的合成,即:

    式中 mi——第i個微小質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量,kg
    ri——第i個微小質(zhì)點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)軸線的距離矢量,m
    Fi——第i個微小質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的離心慣性力,N
    M——砂輪旋轉(zhuǎn)體的總質(zhì)量,kg
    rc——砂輪旋轉(zhuǎn)體質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸線的距離矢量,m
    ω——砂輪旋轉(zhuǎn)的角速度,rad/s

      當(dāng)砂輪旋轉(zhuǎn)的離心慣性力系是一個平衡的力系時(shí),此時(shí)砂輪的慣性中心與旋轉(zhuǎn)軸線一致,即rc =0,所以根據(jù)上式合力F為0,即不存在不平衡量,這是一種理想狀態(tài)。事實(shí)上,由于前面提及的原因,實(shí)際砂輪總是或多或少地存在著不平衡,其慣性中心都或多或少地偏離其旋轉(zhuǎn)軸線,從而使得rc不等于0。根據(jù)上式,合力F不為0,此時(shí)令U=Mrc,并將它稱作砂輪的不平衡量。用它來表征不平衡量的大小,對于砂輪自動平衡機(jī)構(gòu)多采用砂輪軸前軸承處拾取振動的位移峰值(μm)來衡量平衡精度水平的高低,自動平衡的精度一般可以達(dá)到<1μm,如果設(shè)備整體狀態(tài)良好則動平衡*精度可以達(dá)到<0.1μm。

      如圖1所示,左圖為不平衡狀態(tài),砂輪上部小黑點(diǎn)表示其存在的不平衡量,中部兩小黑點(diǎn)為兩平衡塊,校正砂輪不平衡的方法為在其相反方向加上與其對應(yīng)的校正量,也就是調(diào)整兩平衡塊的位置,使其合力能夠抵消不平衡量所引起的離心力(右圖),這樣就可以達(dá)到平衡砂輪減小振動的目的,使砂輪回到平衡狀態(tài)。

      2.平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)砂輪自動平衡機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)成如圖2所示,測振傳感器用于拾取振動信號并將振動信號傳入測控單元,光電開關(guān)用以獲取轉(zhuǎn)速信息,同時(shí)也是同步信號,它提供相位基準(zhǔn),將該信號鎖相倍頻后,控制信號的采集可實(shí)現(xiàn)整周期同步采樣,可以大幅降低信號的相位誤差。測量控制單元完成信號采集、分析處理、結(jié)果顯示、輸出控制等系統(tǒng)的主要功能,同時(shí)可以將采集的原始信號通過RS-232上傳至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

      整機(jī)在常態(tài)下,平衡頭隨著主軸同頻旋轉(zhuǎn),當(dāng)整機(jī)進(jìn)入自動平衡狀態(tài)時(shí),平衡頭根據(jù)計(jì)算得出的不平衡量的大小和方位,接收測控系統(tǒng)的指令,調(diào)整兩平衡塊的位置,使平衡塊所產(chǎn)生的平衡矢量抵消砂輪不平衡量,當(dāng)振動值小于預(yù)置值時(shí)平衡過程結(jié)束。

      二、系統(tǒng)的硬件原理

      如圖3所示,砂輪*的信號采集部分,以ADuC812為控制芯片。在數(shù)據(jù)采集方式上,為了保證較小的平衡相位誤差,采用了鎖相環(huán)技術(shù)。由CD4046構(gòu)成鎖相環(huán)電路,以實(shí)現(xiàn)信號的同步整周期采樣。由于砂輪的不平衡量所產(chǎn)生的振動信號與砂輪的旋轉(zhuǎn)速度同頻,而砂輪的轉(zhuǎn)動速度并不是恒定不變的,因此,如果采用定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)采樣,用快速傅里葉變換求頻譜,勢必會造成較大的誤差,尤其是相位誤差。而鎖相環(huán)的特點(diǎn)是可以使輸入信號與輸出信號的相位始終保持一致,而信號頻率保持一定的倍數(shù)關(guān)系,這樣,在砂輪的一端選定一個基準(zhǔn)點(diǎn),通過光電傳感器,砂輪每轉(zhuǎn)輸出一個脈沖,將此脈沖整形放大之后,進(jìn)入CD4046的信號輸入端,通過倍頻后,送至外中斷控制ADC進(jìn)行采樣,這樣就實(shí)現(xiàn)了同步的整周期采樣。將采集到的信號進(jìn)行處理后可以極大地降低相位誤差。

      壓電傳感器用于拾取振動信號,由于ADuC812自帶8路12位AD,所以壓電傳感器的輸出信號經(jīng)過電荷放大及電壓放大后,可以直接送入812的P1口。采樣所獲得的數(shù)據(jù)已經(jīng)包含了振動信號的幅值、相位及平衡轉(zhuǎn)速信息,通過解算可以得到兩平衡塊的補(bǔ)償位置。測控單元據(jù)此發(fā)出控制命令,通過接口電路并放大之后,控制兩平衡塊到達(dá)補(bǔ)償位置從而實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)償。同時(shí)也可以將數(shù)據(jù)通過RS-232串行口上傳至PC機(jī),由上位機(jī)的LabVIEW程序進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。

      三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

      1.系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)

      主要由兩個部分組成,*部分是測控單元的單片機(jī)監(jiān)控程序,它主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析處理、輸出控制、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)上傳等功能。第二部分是上位機(jī)程序,它可以將上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析,保留歷史數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對比,為進(jìn)一步提高精度提供依據(jù)。同時(shí),上位機(jī)也可以直接向下位機(jī)發(fā)送命令對平衡過程進(jìn)行控制。

      2.單片機(jī)監(jiān)控程序

      單片機(jī)監(jiān)控程序的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前,首先采集轉(zhuǎn)速信號,計(jì)算光電開關(guān)連續(xù)20點(diǎn)即砂輪旋轉(zhuǎn)20轉(zhuǎn)的間隔時(shí)間,判斷砂輪是否達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,只有在達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之后采樣才有意義。經(jīng)過整周期采樣得到的振動信號數(shù)據(jù),對該信號進(jìn)行濾波并通過一定的方法進(jìn)行分析解算即可以得到振動的波形、幅值、相位以及平衡塊校正位置等進(jìn)行平衡所必需的數(shù)據(jù),進(jìn)而發(fā)送命令,控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)砂輪的自動平衡。

      3.平衡算法

      從傳感器獲得的是不平衡量引起的激振力的振幅信號。因此,如果能夠找到振幅A與不平衡量U之間的比例關(guān)系,即影響系數(shù)α,就可以通過分析傳感器的振幅信號解算出不平衡量U的大小,再通過相位設(shè)置基準(zhǔn)的方法獲得其相位信息。振動信號幅值、相位是實(shí)現(xiàn)自動平衡的依據(jù)。

      砂輪旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以視為線性系統(tǒng),其影響系數(shù)保持不變。因此只要找到一定的方法求出影響系數(shù),就可以反過來求取不平衡量U的值,對于同類砂輪,都可以應(yīng)用此比例關(guān)系求取存在的不平衡量。

      圖5中F0為原始不平衡量U0引起的離心力,此時(shí)在砂輪上加上一個已知試重Q,在試重與原始不平衡量的共同作用下產(chǎn)生的合力為F2,根據(jù)力的合成關(guān)系可知Q單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的離心力為:F1= F2-F0。由于振幅與力的大小成正比,則A2= A2-A0,A1即是在試重單獨(dú)作用時(shí)的振幅(A0和A2可由系統(tǒng)測量得到)。求得了A1,試重Q為已知量,就可以根據(jù)下式計(jì)算影響系數(shù):

      影響系數(shù)也稱作單位試重的效果矢量,它表示的是振幅和不平衡量的一種比例關(guān)系,通過它就可以進(jìn)一步求出初始不平衡量U0:

      砂輪軸上的光電傳感器所在位置為基準(zhǔn)參考點(diǎn),實(shí)際測量時(shí)以此為基準(zhǔn),比照實(shí)測信號的相位,就可以計(jì)算出不平衡量的實(shí)際相位值。幅值、相位已知,通過計(jì)算可得平衡塊應(yīng)移動的方向,角度及兩平衡塊的角平分線的位置等,據(jù)此就可以實(shí)現(xiàn)對砂輪的不平衡校正。

      4.上位機(jī)虛擬儀器程序

      虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀暑剮皮術(shù)深層次結(jié)合而產(chǎn)生的全新概念的儀器。本鋇明試系統(tǒng)采用LabVIEW7.1進(jìn)行開發(fā),它的圖形化編程方式使上位機(jī)開勿度和效率大幅提高,它主要用來實(shí)現(xiàn)對振動信號進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理,為進(jìn)一步提高精度提供依據(jù)。

      四、試驗(yàn)及結(jié)論

      為驗(yàn)證系統(tǒng)的性能在3MZ134CNC球軸承內(nèi)圈溝道磨床上進(jìn)行了試驗(yàn)。平衡前在2860r/min轉(zhuǎn)速下實(shí)測砂輪系統(tǒng)的振動值為1.11μm,停機(jī)后調(diào)整預(yù)置值至0.51μm,在相同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行自動平衡,平衡過程結(jié)束后測得砂輪振動值減小到0.21μm,同時(shí)可以感覺到砂輪振感明顯減輕。圖6、7分別為上位機(jī)顯示的振動原始信號平衡前、后的波形,比較可以看到經(jīng)過平衡后同頻振動的幅值明顯減小。

      采用影響系數(shù)法對軸承溝道磨床進(jìn)行動平衡,經(jīng)過試重確定影響系數(shù)后,就能夠準(zhǔn)確計(jì)算出不平衡量的大小,不僅實(shí)現(xiàn)了平衡補(bǔ)償塊的快速定位,而且使自動平衡的精度也有明顯提高,大大提高了平衡效率。虛擬技術(shù)的應(yīng)用,使得上位機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)速度大大提高,而且LabVIEW是專門針對測試系統(tǒng)所開發(fā)的軟件,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)表達(dá)能力,為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的精度提供了條件,整個系統(tǒng)具有較好的發(fā)展前景。(文章來源:newmaker)

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