一种基于驱动电流的双轴精密离心机回转台动平衡方法技术

一种基于驱动电流的双轴精密离心机回转台动平衡方法，属于机械转子动平衡技术领域。为了解决现有的精密离心机回转台动平衡方法存在的动不平衡辨识精度较低，操作和计算过程复杂且耗时大等问题。设置双轴精密离心机主轴以小转速ω0运行，回转台以转速‑ω0运行，采集回转台驱动电流的基准数据；设置双轴精密离心机主轴以工作转速ω运行，回转台以转速‑ω运行，采集回转台驱动电流数据，提取电流的一倍频成分；设置双轴精密离心机以转速ω运行，根据所得的电流一倍频通过添加试重的方式对回转台的动不平衡量进行精确辨识并配平。此方法不依赖于任何外置的精密传感器，对回转台轴系动不平衡的辨识精度更高，简单易行、无需多次实验，从工程应用角度来说更加实用。

A Kinetic Balancing Method for Rotary Table of Two-axis Precision Centrifuge Based on Driving Current

A dynamic balancing method for rotary table of two-axis precision centrifuge based on driving current belongs to the technical field of dynamic balancing of mechanical rotors. In order to solve the problems existing in the dynamic balance method of precision centrifuge rotary table, such as low accuracy of dynamic unbalance identification, complex operation and calculation process, and time-consuming, etc. The spindle of the two-axis precision centrifuge is set to run at a small speed_0, and the rotary table is set to run at a rotating speed_0 to collect the reference data of the driving current of the rotary table; the spindle of the two-axis precision centrifuge is set to run at a working speed_, and the rotary table is set to run at a rotating speed_to collect the data of the driving current of the rotary table and extract the frequency component of the current; and the rotary table is set to run at a rotating speed_. The dynamic unbalance of the turntable is accurately identified and balanced by adding the test weight. This method does not depend on any external precise sensors, and has higher identification accuracy for the dynamic unbalance of the rotary table shafting. It is simple and easy to do without many experiments. It is more practical from the point of view of Engineering application.

【技术实现步骤摘要】
一种基于驱动电流的双轴精密离心机回转台动平衡方法
本专利技术涉及精密离心机动平衡方法，特别涉及一种基于驱动电流的双轴精密离心机回转台动平衡方法，属于大型机械转子动平衡

技术介绍
双轴精密离心机主要用于提供导航精度天地一致性试验验证的大过载环境，能够开展控制系统大过载导航精度试验、惯性系统天地一致性试验、误差模型验证及相关标定试验。在实际工作中，受限于目前的机械制造、加工、装配等工艺水平及负载自身质量分布和安装定位误差，双轴精密离心机的主轴和回转台都不可避免地存在动不平衡，是引起轴系机械振动、影响系统精度和安全运行的主要因素。对于双轴精密离心机主轴轴系的动平衡问题，可以选取不同类型的外置传感器，通过合理配置和布局，实现对物理量的测量，结合机械转子动力学和动平衡方法，实现对转子动不平衡的有效辨识。然而，对于双轴精密离心机回转台轴系的动平衡问题，却受到诸多制约：一方面，由于结构空间的限制，很难在保证支撑刚度的前提下在回转台轴系中安装精密传感器甚至探头；另一方面，即便安装了传感器并实现了对所需物理量的检测，由于主轴和回转台的连续旋转要求，传感器有效信号到采集设备之间需要经过滑环和长距离传输，使得该信号不可避免地受到系统噪声的影响，其信号质量难以保证，为转子动不平衡辨识增加了难度。文献号为CN105478245A的现有技术给出了一种基于主轴振动检测的双自由度精密离心机副轴动不平衡量辨识方法，解决了现有双自由度精密离心机副轴动不平衡量的辨识问题，为该轴系动平衡校正提供了参考和依据。然而，该文献所提方法存在以下不足：首先，需要配置精密传感器测量离心机主轴振动，从而间接辨识副轴的动不平衡，传感器的精度直接影响动不平衡辨识精度；其次，由于离心机主轴轴系刚度很大，该方法对回转轴系动不平衡的灵敏度较低，导致动不平衡辨识精度低；最后，辨识过程需要进行多次实验，操作和计算过程复杂、耗时大。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：本专利技术的目的是提供一种基于驱动电流的双轴精密离心机回转台动平衡方法，以解决现有双轴精密离心机回转台动平衡方法存在的动不平衡辨识精度较低，操作和计算过程复杂，且耗时大的问题。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于驱动电流的双轴精密离心机回转台动平衡方法，定义双轴精密离心机(双自由度臂式精密离心机)的回转台轴心O为坐标原点，与回转台轴心共处于同一水面上的主轴中心指向回转台轴心的方向为x轴正方向，回转台轴心向上的方向为z轴正方向，根据右手定则确定y轴的方向；令静不平衡质点的初始位置在x轴正半轴，当主轴以转速ω旋转时，回转台以转速-ω旋转；在只需考虑静不平衡作用的条件下(由于静不平衡量大于十倍的偶不平衡量，故偶不平衡对于回转台电机提供的转矩的影响可以忽略不计，只考虑静不平衡的影响)，当回转台绕主轴转过θ角度时，静不平衡质点相对于回转台轴心的角加速度为ω2Lsinθ/r，其中，L为主轴中心与回转台轴心之间的距离，r是静不平衡量到回转台轴心的距离，则回转台电机提供的转矩T为T＝T1+T2+mω2Lrsinθ(1)其中，m为回转台静不平衡的等效质量，T2为回转台系统的重力产生的摩擦力矩，为一个常值；T1为回转台与回转台轴承之间的正压力产生的摩擦力矩，T1＝k1FR，k1为等效摩擦系数，R为回转台轴承半径，得到回转台所受的正压力F为其中，M为回转台除去静不平衡质量的总质量，将以上各表达式带入式(1)中，并进行傅里叶级数展开，省略高阶小量，得到式(3)所示的回转台电机转矩T的表达式T＝T2+Acos(ωt+90°)(3)其中，A＝mω2Lr，根据式(3)可以看出，回转台驱动电流一倍频幅值的大小可以反映出回转台动不平衡量的大小，且动不平衡相位φu与回转台驱动电流相位φi存在如下关系，φu＝φi+90°，在对回转台配平时，需要在回转台机械角位置φi-90°处进行质量补偿；所述方法的实现过程为：步骤一、设置双轴精密离心机主轴以小转速ω0运行，回转台以转速-ω0运行，采集回转台驱动电流的基准数据(当转速较小时，回转台由于动不平衡产生的离心力可以忽略不计，但由于摩擦等不理想因素的存在，回转台驱动电流中仍有一倍频成分存在，故在进行动不平衡辨识前需辨识回转台驱动电流基准数据)，记为步骤二、设置双轴精密离心机主轴以工作转速ω运行，回转台以转速-ω运行，采集回转台驱动电流数据，提取电流的一倍频成分，记为故由动不平衡引起的电流一倍频为A1,φ1是配平前电流一倍频的幅值和相位；步骤三、设置双轴精密离心机以步骤二中的转速运行，根据所得的电流一倍频通过添加试重的方式对回转台的动不平衡量进行精确辨识并配平。进一步地，在步骤三中，通过添加试重的方式对回转台的动不平衡量进行精确辨识并配平，具体过程为：步骤三一、在回转台机械角位置φ1-90°处添加质量为λkg的试重，采集此时回转台驱动电流数据，提取其中的一倍频成分，与做差得到此时电流一倍频幅值A′1,故可知单位质量的试重在同一相位处引起回转台驱动电流一倍频幅值的变化为k＝|A1-A′1|/λ步骤三二、在回转台机械角位置φ1-90°处，添加质量为A1/kkg的试重；采集此时回转台驱动电流数据，提取其中的一倍频成分，与做差得到此时对A1和A2进行比较，若A2/A1≤20％，认为此时双轴精密离心机的动平衡达到所要求的精度，动平衡结束；否则进行步骤三三；步骤三三、在回转台机械角位置φn-90°(n＝2,3,...)处，添加质量为An/kkg的试重，采集此时回转台驱动电流数据，提取其中的一倍频成分，此时n＝n+1，与做差得到表示第n次配重前回转台驱动电流一倍频，直至当An/A1≤20％时，认为此时双轴精密离心机的动平衡达到所要求的精度，动平衡结束。进一步地，在步骤三中，通过添加试重的方式对回转台的动不平衡量进行精确辨识并配平，具体过程为：步骤三一、在回转台机械角位置φ1-90°处添加ξkg的试重，采集回转台驱动电流数据，提取其中的一倍频成分，与做差得到此时由动不平衡引起的电流一倍频的幅值Am(m＝2,3,...)，表示第m次配重前回转台驱动电流一倍频；步骤三二、对每次添加试重后回转台驱动电流一倍频的幅值Am与初始未添加任何试重时由动不平衡引起的回转台驱动电流一倍频的幅值A1进行比较，当Am/A1≤20％时，认为此时双轴精密离心机的动平衡达到所要求的精度，动平衡结束。在步骤三二中，当Am/A1≤20％不成立时，则进行步骤三三：若Am/A1＞20％，需再进行一次判断，若Am＞Am-1，认为上一次所添加的试重对动不平衡的辨识效果最好，需要减去ξkg的试重，此时双轴精密离心机的动平衡效果最好。进一步地，在步骤一中，所述小转速ω0可为小于等于6°/s。进一步地，在步骤二中，对于每次得到的回转台驱动电流信号，都需要减去回转台驱动电流的基准数据，以得到此时由回转台动不平衡引起的驱动电流的一倍频信号。进一步地，在步骤一中，对于回转台驱动电流的一倍频成分的提取，可采用FFT分析或者相关滤波法。进一步地，在步骤一中，所述动不平衡由静不平衡和偶不平衡组成，其中静不平衡可以用一个小质量块表示，偶不平衡可视为关于原点对称分布的两个质量相等的质量块。进一步地，在步骤一中，回转台所受的正压力F为回转台沿着L负方向受本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于驱动电流的双轴精密离心机回转台动平衡方法，定义双轴精密离心机的回转台轴心O为坐标原点，与回转台轴心共处于同一水面上的主轴中心指向回转台轴心的方向为x轴正方向，回转台轴心向上的方向为z轴正方向，根据右手定则确定y轴的方向；令静不平衡质点的初始位置在x轴正半轴，当主轴以转速ω旋转时，回转台以转速‑ω旋转；在只需考虑静不平衡作用的条件下，当回转台绕主轴转过θ角度时，静不平衡质点相对于回转台轴心的角加速度为ω

【技术特征摘要】
1.一种基于驱动电流的双轴精密离心机回转台动平衡方法，定义双轴精密离心机的回转台轴心O为坐标原点，与回转台轴心共处于同一水面上的主轴中心指向回转台轴心的方向为x轴正方向，回转台轴心向上的方向为z轴正方向，根据右手定则确定y轴的方向；令静不平衡质点的初始位置在x轴正半轴，当主轴以转速ω旋转时，回转台以转速-ω旋转；在只需考虑静不平衡作用的条件下，当回转台绕主轴转过θ角度时，静不平衡质点相对于回转台轴心的角加速度为ω2Lsinθ/r，其中，L为主轴中心与回转台轴心之间的距离，r是静不平衡量到回转台轴心的距离，则回转台电机提供的转矩T为T＝T1+T2+mω2Lrsinθ(1)其中，m为回转台静不平衡的等效质量，T2为回转台系统的重力产生的摩擦力矩，为一个常值；T1为回转台与回转台轴承之间的正压力产生的摩擦力矩，T1＝k1FR，k1为等效摩擦系数，R为回转台轴承半径，得到回转台所受的正压力F为其中，M为回转台除去静不平衡质量的总质量，将以上各表达式带入式(1)中，并进行傅里叶级数展开，省略高阶小量，得到式(3)所示的回转台电机转矩T的表达式T＝T2+Acos(ωt+90°)(3)其中，A＝mω2Lr，根据式(3)可以看出，回转台驱动电流一倍频幅值的大小可以反映出回转台动不平衡量的大小，且动不平衡相位φu与回转台驱动电流相位φi存在如下关系，φu＝φi+90°，在对回转台配平时，需要在回转台机械角位置φi-90°处进行质量补偿；其特征在于，所述方法的实现过程为：步骤一、设置双轴精密离心机主轴以小转速ω0运行，回转台以转速-ω0运行，采集回转台驱动电流的基准数据，记为步骤二、设置双轴精密离心机主轴以工作转速ω运行，回转台以转速-ω运行，采集回转台驱动电流数据，提取电流的一倍频成分，记为故由动不平衡引起的电流一倍频为A1,φ1是配平前电流一倍频的幅值和相位；步骤三、设置双轴精密离心机以步骤二中的转速运行，根据所得的电流一倍频通过添加试重的方式对回转台的动不平衡量进行精确辨识并配平。2.根据权利要求1所述的一种基于驱动电流的双轴精密离心机回转台动平衡方法，其特征在于，在步骤三中，通过添加试重的方式对回转台的动不平衡量进行精确辨识并配平，具体过程为：步骤三一、在回转台机械角位置φ1-90°处添加质量为λkg的试重，采集此时回转台驱动电流数据，提取其中的一倍频成分，与做差得到此时电流一倍频幅值A′1,故可知单位质量的试重在同一相位处引起回转台驱动电流一倍频幅值的变化为k＝|A1-A′1|/λ步骤三二、在回转台机械角位置φ1-90°处，添加质量为A1/kkg的试重；采集此时回转台驱动电流数据，提取其中的一倍频成分，与做差得到此时对A1和A2进行比较，若A2/A1≤20％，认为此时双轴精密...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍鑫，单丙杰，王玘玥，张媛媛，陈松林，赵辉，马杰，陈维山，姚郁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23