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电机转子动平衡半自动去重系统的研制
摘要：介绍了一种对电动工具用的小型电机转子进行动平衡的半自动去重系统。该系统由动平衡测试机、去重机床、PC机、单片机、多功能采集卡及其它电路组成。重点阐述了去重机中、硬件的设计过程。关键词：动平衡 电机转子 单片机
普通电动工具用的小型电机转子是通过在硅钢片上绕漆包线做成的，硅钢片、风叶和换向环等均通过冲压机装配而成。当电机转子高速旋转时会产生很大的振动，不令带来较大的噪声，而且会减短电动工具本身的寿命，因此必须进行动平衡校正。动平衡校正设备可分为三大类：全自动一体化动平衡校正机、半自动动平衡校正机以及手工校正机。手工校正机采用在动平衡测试机上测量其动不平衡量，然后根据测试量进行人工钻或铣削去重的动平衡方法，完成一个转子的动平衡一般常需要重复4～5次的测试和去重，生产效率低下，平衡精度也不高，且转子上的切槽较多。但由于国内劳动力相对廉价，资本投入少，目前仍被中小企业广泛采纳。国外的全自动一体化动平衡校正机虽然平衡精度、生产效率等较高，但价格高、结构复杂、对不同规格的转子适应性差，因而不大适合中小企业加工转子的规格经常变换的现状。半自动动平衡校正机与全自动一体化动平衡校正机的主要区别在于半自动动平衡校正机在装夹上需要人的干涉，在效率上不及全自动一体化动平衡校正机高，但其对转子的适应性更强、价格更便宜。在目前国内人力成本比较低的情况下，采用半自动动平衡校正机应该更加适合中小企业。本文介绍的电机转子动平衡去重机即为半自动的，具有操作方便、平衡精度高、价格适中、生产效率高的特点，具有广阔的市场前景。
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1 整体设计
转子动平衡校正一般有配重和去重两种方法。供电动工具用的电机转子一般均采用去重的方法，其转子的外形如图1所示。
本文所介绍的转子动平衡去重系统的由动平衡测试机和数控去重机二工位组成，操作工人主要负责转子的装卸以及对两机器的启停管理。动平衡测试机采用相应精度的市售商品，其输出量是转子不平衡量在设定分解面内分解后的幅值和相位的电压值，以及精度、放大倍数等信号量。控制系统采用上位机和下位机。上位机通过采集卡获取动平衡测试机上的不平衡量数据，然后生成动平衡去重策略。有一定的计算量，同时也需要良好的交互性，因此采用PC机作为上位机。下位机控制去重机的具体运行，与硬件的关系密切，故采用单片机作为下位机。上位机和下位机两者之间的通讯通过RS232通讯协议来实现。该系统的主要工作流程如下：首先用测试机测得待平衡转子的不平衡量，然后PC机通过数据采集卡采集不平衡量，按照相应的分解策略生成一个最优的去重策略，并转化成单片机可直接操作的代码，最后把这个代码通过串口传送给数控去重机的控制器，待平衡转子安装完后即可启动数控去重机进行动平衡切削。在此过程中，将另一转子放置在动平衡测试机上，开始测量等待加工。将则加工完的转子卸下后再进行测量，而刚才已测量好的转子刚安装后即可加工。正常情况下，一个操作工人可管理两台机器。
图2 系统硬件结构原理示意图
2 系统硬件电路设计
硬件设计包括去重机的设计和去重机控制器电路的设计。根据动平衡的要求，需要确定相位基准信号，这里采用一路红外线光电传感器来识别基准信号；为了精确控制切削量以及去重位置，需要定位转子的切削角度、刀具水平的移动量以及刀具切削深度的进给量，这里采用三台步进电机来分别控制机床水平平台的水平方向移动、垂直平台的垂直方向移动和水平平台上的夹具的移动（其中，转子被固定在水平平台的夹具上，刀具被固定在垂直平台上）；为了防止去重机失控，在水平平台的导轨和垂直平台的导轨上分别有两个行程开关来控制两个平台行走的水平极限位置和垂直极限位置；刀具采用圆铣刀，通过一台普通的三相异步电机经同步带来带动。控制部分采用51系列单片机作为控制核心，分别控制三台步进电机的进给量和接收红外线传感器传一煌基准信号。另外，还包括一些具有红外线传感器传来的基准信号。另外，还包括一些具有辅助功能的部分，如用于保存零点参数信息的EEPROM模块，用于通讯的RS232接口，用于调整高度对零的键盘和显示部分，用于控制夹具气阀的接口，用于控制交流电机启停的模块等。其原理结构示意图如图2所示。
3 软件设计
该系统的软机主要由上位PC机程序、下位单片机程序、上位机与下位机通讯程序三部分组成。
上位PC机程序（其流程图如图3所示）完成的功能是通过采集卡采集被加工转子的不平衡量信息，然后进行数据的合法性检查，再根据这个信息来判断这个转子的不平衡量是否在可加工的范围之内。如果该转子的不平衡量在可加工的范围之内，就根据去重策略把不平衡量进行分解，转换成下位机可以识别的代码。该程序的核心部分是去重策略的产生，下面用伪代码的形式来阐述该部分。
两个假设1，第i次采集进来的不平衡量为:幅值=unbala(i)克，相位=angle(i)度，i=1,2,3...2，每个爪极的最大去重量是有限制的，现设每个爪极允许的最大去重量为max克
算法开始：
根据采集进来的unbla(i)，预先估算该转子是否可以在本系统中实现平衡，如果不可以就报告转子无法平衡；
备份上一次去重策略结果，如果是第一次去重，就不备份去重策略；
do{
if（第一次去重）
{ if(unbala(1)<=max)
从基准位置转过angle(1)度，进行去重，去
重量为unbala（1）；
else
{ 把unbala（1）分解到相邻的三个爪极上，中间一个爪极位置为从基准位置逆时针转过angle(1)度的地址，去重量为max，与该爪极相邻的两个爪极的去重理均为:（unbala(1)-max）/2/cos（相临两爪极间夹角）；}
保存第一次去重策略结果；}
else
{ 检查angle（i）是否和保存的策略中的相位值
有重合，若有得合，存储重合的结果；
if(有重合)
{ 把相位重合处的量和新采集到的量进行向量相加，然后把这个量当成采集进来的量；}
按照第一次去重对待来生成本次去重策略；
把本次去重策略和以前存储的去重策略进行比较，查看是否有相位的重合，如果有重合，而且两者量的叠加没有超过max，或者超过了max,便可以把叠加后的量分配到相邻的爪极上，使每个爪极上的去重量小于max，就生成新的去重策略，同时刷新存储的去重策略，否则就报告转子无法平衡；
}
然后根据生成的去重策略，求出各个爪极上的去重量的质心位置x(相对于校正平面，在两个校正平面的之间为正，其余为负)，并把各个爪极上的质心位置乘以去重量进行合成，记为M，如果M在允许的偏差范围之内，就不修改去重策略，同时更新备份的去重自力策略；否则，就按照简支梁的模型（其中以两个校正面为支点）把偏离校正平面的质量分解到左右两个校正面上，然后把这两个量分别和原来的校正面上的不平衡量进行向量合成，同时把去重策略结果用备份的策略结果来替代。
}while（如果超出允许的偏差范围）；
下位机程序按模块化进行设计。模块按照其实现的功能划分（如图4所示），主要可以划分为：响应键盘输入显示模块、响应串口输入模块、控制步进电机转动模块、操作EEPROM模块、看门狗模块等。响应键盘输入模块主要接收键盘输入及显示，同时执行键盘的各个功能键的功能程序，如调零点。控制步进电机转动模块的功能是按照收到的数据来识别哪个步进电机需要转动，然后再根据收到送相应的脉冲给该步进电机。如果需要多台步进电机执行动作，可以循环执行上述过程。
图5是响应串口输入模块的流程图，采用了串口中断的方法。其流程如下：先接收帧长度（一字节），即本帧要发送的数据量，包括表示帧长度的这个字节；再接收其余的数据，同时把收到的除最后一个字节外的数据相加求和；然后把这个和数对256取余并与最后接收到的一个字节的数据进行比较，如果相同，就发送一个接收正确的代码给PC机并处理接收到的数据，否则发送一个接收错误的代码给PC机，要求重发数据清除接收到的数据。
上位机和下位机之间的通讯程序由PC机部分和单片机部分组成。PC机部分把生成的并于如何去重的代码按照规定的格式填入发送帧中，然后把帧通过串口发送给下位机，同时接收一些单片机传来的反馈信号。单片机部分主要是识别串口有否信号传来，并把接收到的帧按照约定的格式翻译成指导步进电机转动的脉冲数，以备后用；并发送加工完毕、接收正确与否等反馈信号。
其中帧的格式如下：
帧长度 特征码 有效数据 校验和第一字节是帧长度，第二字节是特征码，中间有若干个字节是有效数据，最后一个字节是校验和。其中第一字节数据的意义已经在前面提及；第二字节数据用以表示本帧的用途，如该字节为“1”表示接收零点信息，其后的有效数据就是关于零点的x,y值，该字节如果为“2”表示自动去重，其后的有效数据表示执行去重的具体代码；最后一个字节是校验和，用于校核发送方发送的数据和接收方接收的数据是否一致。
4 可靠性设计
因为对电机转子进行动平衡加工时已经处于整个转子加工的最后阶段，一旦报护废，不仅浪费材料，而且也浪费前面大量的工作，因此损失比较严重。故对系统的可靠性提出了较高的要求。考虑到工厂现场环境较恶劣，因此在硬件设计上对输入输出的数据均采用了光耦隔离，单片机系统也加设了看门狗电路；在软件上，对输入输出的数据进行多重的合法性检测，在软件的操作设计上，尽量避免误操作引起转子报废。
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