DITTEL 动平衡系统在磨床中的应用
2017-3-8 来源：上汽通用五菱汽车股份有限公司 作者：潘赐钰
摘要：使用砂轮磨削是机械加工的重要组成部分，砂轮主轴的动平衡对保证磨削精度和磨削表面质量以及主轴零件的寿命至关重要，而砂轮的制作工艺及装配精度问题，存在各种各样的不平衡，导致零件表面质量产生各种问题。通过分析砂轮不平衡的不同原因及危害，重点介绍了 Dittel 内置式动平衡系统的原理、构成以及在 JUNKER 曲轴双砂轮磨床上的应用。
关键词：Dittel；不平衡；动平衡；磨床
砂轮是磨削加工的必要工具，而砂轮是由大量形状规则不均匀的颗粒粘结组成，因此制造工艺会引起砂轮转动时产生一些无法避免的偏心振动。在砂轮装配过程中的砂轮偏心、砂轮与夹具的间隙、非同心的夹紧装置、主轴的不平衡及加工中砂轮对冷却液的吸附等，会使磨削中出现更大振动。这些由砂轮制造或装配不平衡引起的振动将对高速磨削加工产生很大影响，会引起加工表面产生震纹及粗糙度不合格等质量问题，同时还会使磨床主轴轴承寿命异常，增加砂轮的修整频次及加速金刚修整轮的损耗等。
在目前的精密磨削加工过程中，为了提高效率和稳定性常常采用 CBN 砂轮，其具有寿命长、膨胀系数小、表面质量稳定及磨削转速快（>2 000 r/min）等在优点[1]。而在高速磨削中砂轮本身及主轴产生的不平衡振动会制约高精密磨削的技术发展，因此砂轮的平衡在生产中有着重要的意义和广泛的前景，如在汽车制造行业中的曲轴和凸轮轴磨削，表面粗糙度需要达到 Ra 0.6 以下，砂轮平衡精度（砂轮系统的偏心量）需要控制在 0.4 ~ 0.6 μm 以下。所以砂轮保持动态的在线动平衡是高精密磨削加工中一项不可或缺的关键技术。
目前的在线动平衡系统主要有声纳动平衡系统[2-3]及流体补偿质量自动平衡系统。Dittel 是市场上常用的动平衡控制系统，应用于各种磨床的在线平衡，对于提高机床的磨削效率及安全性具有重大意义，目前研究主要有其方法、理论，及其它方面应用的一些介绍，本文主要结合上汽通用五菱发动机工厂内使用的 JUNKER 双砂轮磨床上应用进行探讨。
1.砂轮不平衡原因及危害
砂轮不平衡产生的原因主要分为两大类：一类是砂轮自身形状或磨粒分布的不平衡；另一类是砂轮与其他部件装配不平衡。如图 1~5 所示，砂轮非圆、中心孔非球面、孔不对中心、表面平行、磨粒粘合不均匀等原因均会引起砂轮不平衡。
图 1 砂轮非圆
图 2 中心孔非球面
图3 孔不对中心
图 4 表面不平行
图5 磨粒粘合不均匀
砂轮在制造过程中可能形成形状不规则或者磨粒分布不均匀的不平衡。此外，由于砂轮是由大量规则颗粒通过特殊工艺粘合而成，故表面颗粒的脱落和不定时的砂轮修锐过程也会形成新的不平衡。砂轮不平衡会造成对磨削的影响，常常出现工件的圆度、直线度和跳动的超差。
砂轮在安装的过程中，可能会因为砂轮及夹具间存在间隙、非同心或平面夹紧装置、非同心锥体、不平衡的夹具、不平衡的主轴、不平衡的皮带轮等多种原因导致砂轮装配不平衡，如图 6 所示。
图6 装配不平衡
砂轮装配不平衡，轻则导致砂轮在运转后出现振动，磨削出来的工件表面有振纹；重则导致局部磨削量过大，造成砂轮崩角及工件断裂等砂轮表面微粒及微孔在加工过程中对切削液吸附的不均匀，进而引起砂轮的附加不平衡，这种附加的不平衡也无法用静平衡消除，但该现象却影响工件的圆度和粗糙度。
砂轮主轴的转动机构也会造成砂轮不平衡的出现，如转动机构的轴承磨损，静压油膜异常，端部砂轮固定凸缘盘生锈或附着异物等。这些微小的变化在高精密磨床中如不加以考虑和控制，最后都会反映到磨削的工件上，造成批量的不合格工件。
2.自动平衡原理
上汽通用五菱发动机工厂曲轴线使用了德国的勇克（JUNKER）磨床，采用 CBN 砂轮，且在每一侧砂轮主轴头内部都安装有迪特尔（Dittel）动平衡系统，用于在砂轮启动、磨削过程中动态的监控和调整砂轮的不平衡量，整个平衡系统机构精致小巧，集成在砂轮头架内，如图 7 为砂轮动平衡系统结构图。
图 7 砂轮动平衡系统
内置式平衡头安装在砂轮主轴头内并随主轴一起转动，平衡头是由两个分别驱动偏心配重块的小型永磁铁直流电动机组成，砂轮高速运转时，安装在砂轮基座上的振动传感器及主轴电机内的速度传感器将数据发回控制中心 M6000，通过计算后滤波处理反馈给平衡头内的伺服电机，驱动两个配重块以相同的旋转方向产生产生一个合力与砂轮本身不平衡量合力方向相反，由于平衡头与砂轮主轴同轴安装，故此合力抵消为零，从而使整个砂轮处于平衡状态，此时砂轮的振动极小；如果使两个配重块反向旋转，随着偏心质量夹角变化，当其与砂轮本身不平衡质量相等时，即完成幅值补偿。图 8 为 JUNKER 磨床平衡系统的图解。
图8 DITTEL 砂轮动平衡系统
3.机电式平衡系统结构组成
用于磨床主轴的一套完整的机电平衡系统包括以下部分：平衡模块 M6000、自动化系统或安装了Windows 操作系统的标准个人电脑和相应的硬件（图9）有：振动传感器、信号传感器、接近开关、平衡单元、内置或外置的信号接收器、连接线缆和延长线缆、DITTEL System control center 软件（图 10）等组成。
图 9 砂轮动平衡系统
图 10 DITTEL System control center
4.砂轮动平衡过程和程序控制
当平衡头与砂轮处于任一种相对的位置时，砂轮上的不平衡量将产生离心力，砂轮和平衡装置的合力就会产生震荡力，使砂轮架振动，通过安装在砂轮架上的震动传感器来测量砂轮偏心引起的振动的大小，从而计算出砂轮的不平衡量大小，对检测出的不平衡力由 M6000 数据处理单元判定是否在调整范围以内，是则执行补偿，否则报警。
相位调整过程，令偏心衬套和偏心轮产生的配重朝一个方向以相同的速度转动，直至偏心衬套和偏心轮的质心连心线相位相差 180°，此时平衡装置和砂轮不平衡产生的合力下降的变化使受迫振动朝振幅减小的方向收敛，直至 M6000 数据处理单元接收到震动传感器测量的振幅小于设定的平衡值时，结束相位的调整。
平衡装置的作用是通过调整偏心配重块以抵消砂轮不平衡离心力。在砂轮未达到平衡状态以前，程序持续运行对平衡装置进行偏量调整。具体而言就是令偏心轮与偏心配重块在相同的角速度下反向转动，以此改变两者的重心偏移，使得偏心轮配重块产生的离心力与砂轮不平衡产生的离心力相互抵消。从震动传感器监测的数据来看，有效的调整应使得读数逐渐减小，直至收敛于某个最小值，此时砂轮达到了平衡状态。
5.结束语
本文通过分析介绍砂轮的不平衡原因及危害，以及在工业应用上使用 DITTEL 平衡系统去监测及控制砂轮的平衡状态，对机床的寿命和加工件的质量有重要意义。
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