通用汽油发动机曲轴动平衡测试与自动去重系统

0 引言 为满足通用汽油发动机曲轴组件动平衡测试需要，已有企业研制了专用动平衡机。但这种动平衡机无法适应生产线上快速检测去重作业的需要。故研制通用汽油发动机曲轴动平衡检测与自动去重系统，降低测度成本，提高测试精度和测试效率，实现全自动去重，使曲轴的不平衡量降低到允许的范围。 1 系统机械结构设计 1.1 测试部分机械结构设计 测试部分机械结构组成如图1。为满足去重切削精密分度和钻孔时必须夹持牢固等要求，采用圈带式传动。通常圈带式动平衡机的皮带跨在2个平衡架之间，由于曲轴在两平衡架间没有安装皮带的位置，因此本方案利用曲轴零件一端1∶5锥度的连接轴，先装上经仔细平衡的从动齿形带轮，从而通过交流伺服电机轴上的主动齿形带轮和齿形皮带传动曲轴零件。测试动平衡时，交流伺服电机通过齿形皮带传动使曲轴高速旋转。去重时，通过交流伺服控制器使伺服电机低速精确旋转。该传动方式，既可实现用于动平衡测量的高转速，又可实现钻孔去重时对曲轴的精确分度和将曲轴零件牢固地夹持住，使钻孔工作得以正常进行。动平衡测试时，曲轴高速转动产生的不平衡离心力对平衡架的激励，使平衡架发生振动，通过装在1、2平衡架中的压电传感器，分别将2面不平衡振动的信息转换成电信号，输入计算机进行处理。 在曲轴曲拐上安装当量环（配重）的方式（拧紧和放松数个螺丝）太花时间，本系统研制了只用1个螺丝就能使用的当量环新结构。平衡前，首先将当量环装在曲轴工件的曲拐上，然后在曲轴锥柄处装上经良好平衡的齿形带轮，并用螺母旋紧；再将曲轴装在动平衡机的平衡架1、2上，曲轴轴颈分别放在平衡架1的支撑滚轮副1和平衡架2的辅助滚轮上。接着将齿形带套在齿形带轮2上（齿形带的另一头事先已套在齿形带轮1上）。故只需按下自动测试按钮，气缸将推动滑板沿垂直导轨向下移动，滑板上的支撑滚轮副向下压住曲轴轴颈使之与辅助滚轮贴紧，同时齿形带也被绷紧，交流伺服电机在交流伺服控制器驱动下迅速达到预定转速，当转速稳定后即可进行数据采样。为提高测试效率，齿形带轮2和当量环准备相同的2套，在工件进行平衡测试的过程中，可将第2个齿形带轮2和当量环装在下一个待测的工件，以节省时间。 1.2 自动钻削去重装置机械结构设计 该装置是动平衡机的附加部分，固定在动平衡机机座上，如图1中b图。由钻削主轴箱、钻削垂直进给驱动箱、立柱、纵向拖板、横向拖板等组成。钻削垂直进给驱动箱中由步进电机通过蜗杆蜗轮齿轮齿条驱动钻削主轴箱中的钻轴作垂直方向的钻孔进给运动，以保证钻头在曲轴预定位置上钻出预定深度的孔来；纵向拖板由纵向汽缸驱动，保证钻头对准曲轴曲拐两边预定的轴向位置；当零件品种变化时，通过调整螺旋死挡铁的位置来改变；横向拖板由横向汽缸驱动，当装卸零件时，使钻轴箱退出，以利于工人操作。钻削的动力由异步电机提供。 2 系统硬件电路设计 本系统的拾振器采用压电陶瓷振动传感器，其输出是微弱信号，将混入干扰噪声，因此从传感器控制系统基本配置如图2。输出信号必须经滤波放大预处理，信号调理电路原理如图3。 （1）电荷放大器的设计 本调理电路的输入级采用1个高输入阻抗的运算放大器组成电荷放大器，反馈电容C_f取1000μF，隔直耦合电容C_g取1μF，电容取值较小，是为降低电容器的漏电流，提高系统的稳定性。此外压电陶瓷振动传感器产生的电荷会随环境变化产生低频率波动，因此本电荷放大器的输出级加入1阶RC高通滤波电路，其截止频率取1Hz，对0.9Hz以下的低频噪声有较大衰减。CH取100μF，RH取100kΩ。 （2）四阶巴特沃兹低通滤波器的设计 对压电陶瓷传感器的输出信号，除要抑制低频电平波动噪声外，应有性能良好的低通滤波器，以阻断各种高频噪声。故调理电路在电荷放大后加了由2个二阶低通滤波器串联而成的四阶巴特沃兹低通滤波器。根据曲轴动平衡测试设定范围（即基波的最高频率），本滤波器的截止频率取f^c=13Hz。 滤波器的参数包括截止频率f^c、阻尼比ζ和增益Av。这三者的关系由归一化的巴特沃兹多项式Bn（s）给出，其中n为阶数： 再根据同相放大器的增量Av=1+Rf/Ri和f^c=1/（2πRC）即可解得第1级和第2级的R、C、Rf₁、Ri₁、Rf₂、Ri₂等电路参数。 四阶低通滤波器对通带内的高频噪声有很高的衰减速率，10倍频程达-80dB，保证信号的真实性和稳定性。 3 系统软件设计 3.1 软件采用的方法与原理 系统采用影响系数法处理动平衡测试的数据，提高测试效率并消除系统因素的影响。应用拟合插值等方法，实现各信号周期和采样点的严格同步，各周期对应点求平均，取得数据样本，以滤除非周期信号，确保动平衡相位测试的精度。用谐波分析方法，滤除基波以外的各次谐波，确保动平衡原始数据的准确性，提高动平衡幅值测试精度，如图4。 动平衡测试得到不平衡量，须经校正操作加以消除。可采用加减部分质量实现，即增重和去重。基于通用汽油发动机曲轴的特殊情况，本系统采用去重法，即在曲轴的2个扇形面上钻孔来实现。 3.2 自动去重算法设计 该算法决定动平衡校正效果，直接影响去重的效率和精度。由于曲轴零件的特殊性，只能在其特定位置进行去重。本系统采用在扇形面固定角度上钻多个孔，通过矢量合成的方法到达平衡校正的目标。每个孔的钻孔深度算法如下： 设第i个校正面的不平衡量：U0i（单位g.mm）90i（单位^。），最大钻孔深度h0（单位mm），被测工件材料密度ρ单位g/cm_{3）和校正面半径R0（单位mm），钻孔直径d0（单位mm），钻尖顶角1α（单位^。），n为最终钻孔数，如图5。前端锥孔体积为： 将不平衡量等效为去掉的重量： 由上式可得： 其中：R为孔的几何中心到工件几何中心的距离，R=R0-（h/2）；h为实际的钻孔深度，h≤h0。 当h＞h0时，表明钻1个孔不能完全去除不平衡量，应在不平衡量的相位θ0i上对称钻2个孔，使（h/2）≤h0。若（h/2）＞h0，则钻3个孔，由此类推，直到剩余最大不平衡量在允许的范围之内。 4 结语 该系统能对通用汽油发动机的曲轴进行双面动平衡测试，并能实时给出不平衡量的大小和不平衡相位，对照产品所允许的最大不平衡量作出判断。同时可对测试的不合格产品进行自动去重处理，使不平衡量降低到允许的范围之内。该系统运行可靠、稳定，动平衡测试结果的重复性好。}