1 前言

      現（xiàn）代化的高速數控加工中心具有主軸轉速高、運行精度（dù）高、加工效率高的特點。轉速和精度（dù）的提高是以高精度動平衡為前提的，但對於主軸而言，由於製造、安裝誤差以及材料的不均勻等因素，不平衡的存在是（shì）必然的。由於運轉在高速下，主軸對不平衡控製的要求比通常轉子更（gèng）加嚴格，微小的不平衡都可能導致主軸回轉精度的嚴重喪失乃至軸承（chéng）支承係統的失穩（wěn）。隻有（yǒu）將主軸殘餘不平（píng）衡量控製在一定範圍內，才能抑製主軸在高速運行過程中的失衡振動（dòng），保證零件（jiàn）的加工精度。

      為（wéi）減小主軸的（de）不平衡，在設（shè）計之初應盡量避（bì）免不對稱結構，在加工裝配過程中盡量減小誤差。即便如此，主軸不平衡也不可能被完全消（xiāo）除，因此，主軸出廠時會進行初始動平衡以減小主軸失衡（héng）量。然而，主軸刀具微小的不對中、磨損或粘刀仍會破壞原（yuán）有（yǒu）的動平衡。另（lìng）外（wài），主軸刀具係統受切削力激勵、熱變形以及高（gāo）速旋（xuán）轉離心力等複雜工況的幹擾，也會破壞主軸的動平衡，從而使得高速機床主軸係統（tǒng）的（de）穩定性被破壞。顯然，若（ruò）每次都采用傳統離線停機動平衡的方（fāng）式來消除微小失衡量，就意（yì）味著自動（dòng）化環節的中斷，破（pò）壞了高（gāo）效加工的原則。因此，開展高速主軸動平衡與其在線控製技術的研究，能充分發揮高速主軸的效能，保障機床（chuáng）的長期穩定和（hé）高效運行，進而提高我國機床工業和機械製造業（yè）的整體水平。

      2 高速主軸動平衡及（jí）其在線控（kòng）製技術現狀及分析

      2.1 不平衡識別（bié）技（jì）術

      經典的柔性轉子動平衡方法可大致分為兩種類型，即模態平衡法[1]和影響（xiǎng）係數法[2]。這兩種（zhǒng）方法各有其局限性。對模態平衡（héng）法而（ér）言，其不平衡識別受支（zhī）承（chéng）特性的影響較大，用於軸係平衡時臨界轉速附近不易（yì）獲得的（de）單一振型。對影響係數法而言，在（zài）高速下平（píng）衡時啟動次數多，高階（jiē）振型敏感性（xìng）降低。因此，Parkison 等[3]提出（chū）了（le）綜合平衡的概念，即（jí）在影（yǐng）響係數法的基（jī）礎上利用模態平衡法中的振型（xíng）分離的特點選擇平衡（héng）參數。這種方法一（yī）定（dìng）程度上結合了二者優點，但仍需多次試重。

      為提高平衡效率和精度，國內外學者近年來在低速動平衡和無（wú）試重動平衡等方麵展開研究。傳統平衡方法平衡（héng）柔性轉子時必須在高速下進（jìn）行，否則隻能進行剛性轉子的動平衡。低速動（dòng）平衡技術[4～6]正是在這種背景下發展起來的，其通過分析轉子在臨界轉速前後振（zhèn）動（dòng）特性的變化規律，通過信號處理等方式在低速下獲（huò）取轉子高階振型信息，並（bìng）根據一定策（cè）略將多（duō）階振型不平衡量予以分解及（jí）校正，從而達到平衡的目的（de）。無試重平衡技術是一（yī）種“不需要對轉子（zǐ）添加試重就能得出（chū）轉子不（bú）平衡（héng）幅值與相（xiàng）位”的新（xīn）方法，該技術可主（zhǔ）要（yào）分為兩大類（lèi）：a. 通過（guò）建立動力學模型，結合失衡振動數（shù）據精確反求出不（bú）平（píng）衡質量，其本質上屬於轉子不平衡參數辨識（shí）過程。這類方法在平衡效率上有較大優勢（shì），得到國內（nèi）外研究的重點關注[7~9]；b. 建立轉子不平衡與振動信號間的映射機（jī）製，通過優化算法使仿真不（bú）平衡響應與測量不平衡響應間的差異達到最小值，從而得（dé）到不平衡量。這類（lèi）方法不受反問題病態程（chéng）度的影響，但是由於大型轉子不平衡未知數多以及相關平麵的存在，成為製約（yuē）這種（zhǒng）方法（fǎ）的“瓶頸”[10, 11]。

      總體（tǐ）來說，不管動平衡技術如何發展，始終要遵循科技促進生產（chǎn）力這一宗旨。因此，如何提（tí）高平（píng）衡精度、效率是所（suǒ）有動平衡技術的核心所（suǒ）在。雖然無（wú）試重平衡方法還遠未形成係統化（huà）的平衡理論，但無試（shì）重平（píng）衡技術所體（tǐ）現（xiàn）出來的高平衡效率使其成為國內（nèi）外（wài）研究（jiū）的熱點。同樣，現（xiàn）有的低速平衡法雖然還遠沒有成熟，但低速平衡法可以（yǐ）簡化動平衡過程、提高動平衡安全性及效率。因此，如何在低速下更準確地平衡柔性轉子也必將成為高速主軸動平衡技術的發展趨勢。

      2.2 在線自動平衡技術現狀（zhuàng）及分析（xī）

      轉子在線自動平衡技術主（zhǔ）要包括被動平衡技術和主動平衡技術。被動平衡技術的原理在於：當柔性（xìng）轉子（zǐ）工作在臨界轉速以上時，其原始不平衡與振動響應呈鈍角，配重塊會受離心力作用自動補償原（yuán）始不平衡。該（gāi）技術精（jīng）度有限，在工業（yè）現場較少應用。主動平衡技術采取由外部輸（shū）入能量的控製（zhì）方式主動實（shí）現轉子自動平（píng）衡。通常分為兩類（lèi）：一類是直接主動振動控製，它直（zhí）接在旋轉物（wù）體（tǐ）上施加外力抵消不平衡導致的離心力，達到抑振的目的，外部力（lì）一般通過電（diàn）磁力、液體衝擊力等形式施加。另一（yī）類是質量重新分布控製，它利用隨轉子共同旋轉的平衡終端對轉子進行平衡，平衡終端內部可以通過調整質量分布改善不平衡狀態。

      國內外關於自（zì）動平衡技術方麵的研究較多，加（jiā）拿大學者Van de Vergte[12]首先（xiān）研究出一種通（tōng）過位置可控的配重質量實現平衡調（diào）整的主動動平衡裝置，質量塊由電機（jī）驅動，可（kě）沿固定於平衡終端的運動路徑移動。1998 年，浙江大學（xué）曾勝等（děng）[13]研製了基於電機原理的電磁式，其通過向定（dìng）子線圈通直流電，驅動平衡盤（pán）轉（zhuǎn）動，最高運行轉速（sù）為3 000 r/min。1999年，美國學者Dyer 等[14]研製出一種由電磁力（lì）驅動的（de）平衡裝置，該裝置中含有配重質量的動環隨轉子旋轉，工作時由固定在主軸法蘭（lán）位置的靜環提供電磁力驅動動環上的質量塊旋轉，從而改變平衡終端中的質量（liàng）分布。2006 年，韓國學者Moon 等[15]基（jī）於類（lèi）似的原理，研製出一種電（diàn）磁式平衡裝置，並通過影響係數法在轉速為14 400 r/min 時實現了主（zhǔ）軸平衡實驗。2006 年，北京化工大學高金吉等[16]研究了通過持續噴液產生可控液體衝擊力的平衡裝置，並仿真驗證了其可行性。2008 年，日本學者Nakamoto等[17]設計了一（yī）種新型的采用磁流體作為平衡質量的平衡裝置（見圖1），其通過改變（biàn）平衡終（zhōng）端外圍磁場的分布達到改變終端內磁流體分布的目的，該裝置在6 000 r/min 時進行了驗證。

      2011 年（nián），西安交通大學梅（méi）雪鬆等[18]提出一種（zhǒng）基於壓電驅（qū）動原理的平衡執行裝置原理，通過無線感應變壓器驅動壓電陶瓷片產（chǎn）生麵內駐波振動，進而驅使安裝有配重質量塊的動環旋轉，改變主軸轉子質心，該方案具有自鎖功（gōng）能，調整精度較高，適合（hé）高速高精度轉子（zǐ）平衡，其結構如圖2 所示。同（tóng）年（nián），北京化工大學（xué）黃立權等[19]研究了轉子同頻（pín）振動的在線抵消策略，對轉子同（tóng）頻振動及電磁力可控特性進行了（le）分析。2012 年，西（xī）安交通（tōng）大學（xué）馬（mǎ）石（shí）磊等[20]提出一種基於靜磁場的新型電磁動平衡裝置，並在5 000 r/min 時在滑動（dòng）軸承支承主軸中得到驗證，該裝置（zhì）僅（jǐn）需在待平衡轉（zhuǎn）子上加工特（tè）定（dìng）形狀凸台（tái），即可產生用（yòng）於抑製失衡振動的同（tóng）頻電磁力，其（qí）附加質量較小（xiǎo），在高（gāo）速轉子平（píng）衡方麵有一定優勢。

      從平衡原理可知（zhī），直接主動振（zhèn）動控製方式響應迅（xùn）速，便於實時控製，但其並（bìng）沒有從本質上消除導致振動的（de）不平衡（héng）量，而是通過施加外力強行抵消失衡離心力，當主軸運（yùn）行至（zhì）超（chāo）高速時，離心力急劇增（zēng）大（dà），係統往往（wǎng）難（nán）以（yǐ）產生足夠大的外力來抑製振動（dòng）。此外，這種平（píng）衡控製方式需要係統始終處於使能模式，對於重型轉子而言，相對耗能較大。最為關鍵的是，若遭遇斷電等意外情況，在高速旋轉的轉子將會瞬間喪失平衡狀態，容易發生不可預估的（de）風（fēng）險。根（gēn）據上述現狀分析同（tóng）樣可知，質量（liàng）重新分布控製方（fāng）式相對應用較廣，其（qí）主要可分為3種（zhǒng）類型。

      1）通過可控微型電機驅動（dòng）質（zhì）量塊移動的電機驅動式。這（zhè）類（lèi）裝（zhuāng）置易於實現，平衡狀態利於（yú）保持，但機械結構複雜，尺寸較大，限製了平衡轉速的提高。

      2）通過電磁力改變平衡質量塊分布（bù）的電磁力驅動式。這類裝置機械結構及控製係統都比較複（fù）雜，且溫度過高時，永（yǒng）磁鐵容易退磁（cí），同時會（huì）受強磁場幹擾。

      3）通過外部填充（chōng）質量材料以改（gǎi）變（biàn）轉子質量分布的（de）外部噴（pēn）液填充式（shì）。這類裝置是唯一能實現定向質量補償（cháng）的控製技術，不用向平（píng）衡終端輸送驅（qū）動控製信（xìn）號，省略了（le）配重塊路徑尋優過程，且其結（jié）構簡單，易於輕量化。但（dàn）其平衡精度受容腔形狀和液束控製精度的共同影響，需要合理（lǐ）設（shè）計係統參數。

      綜合來說，盡管自動平衡技術已取（qǔ）得了較大的（de）進展，並（bìng）且國外已有較為成熟的（de）產品，但出於（yú）商業利益的考慮，這些公司的相關技（jì）術研究（jiū）資料對我國壟斷，僅能在相關網站查到產（chǎn）品簡要介紹。我國從（cóng）20 世紀80 年代開（kāi）始，對（duì）在線動平衡技術也進行了大量的研（yán）究，但（dàn）平衡轉（zhuǎn）速基本都在5 000 r/min 以下，平衡（héng）精度也不太高，和世界上先（xiān）進水平相比仍（réng）有較大差距（jù）。目前對於在線平衡裝置主要還是依靠國外進口，並且價格十分昂貴（guì），甚至與主軸價格持平。因此（cǐ），有必要研究能滿足高速高精度要求的在線自動平衡調整裝置，提（tí）升我國高速主軸（zhóu）在（zài）線動平衡水平。

      3 噴液式在（zài）線動平衡技術（shù）

      3.1 工作（zuò）原理（lǐ）

      西安交通大學在噴液式在線動平衡技（jì）術方麵開展了深入研究，構建了如圖3 所示的在線噴液式（shì）動平衡係（xì）統的原理圖。係統主要由平衡終（zhōng）端、液壓係（xì）統、測控係統等幾（jǐ）部分組成。平衡終端由內圈和外圈過盈配合構（gòu）成，整個（gè）結構裝配（pèi）後可形成沿圓（yuán）周均勻分（fèn）布的4 個容腔（qiāng），可（kě）用於存放平衡液（yè）體，改變旋轉部件的質（zhì）量分布。液壓係統包括液壓泵、穩壓閥（fá）、電磁閥及噴頭等結構，主要用於產生一定（dìng）壓力的液體束，便於噴（pēn）射入平衡終端徑向位置上（shàng）的液體槽中。測控係統中包括（kuò）傳感器和控製器兩（liǎng）部分。傳感器主要（yào）為振動（dòng）傳感（gǎn）器和速度傳感器，用於采集（jí）轉子振動信息及轉速，為控製器提供（gòng）數據支撐。控製器主要根據轉子振動狀態的變化（huà），判斷失衡方位，通過閥組件控製（zhì）平衡液體噴射方位、時間。

      係統（tǒng）工作過程中，首先由振動傳感器拾取由（yóu）於主軸轉子的原始不平（píng）衡量導致的振動，並（bìng）將該振動信號經控製器計算得出相應的噴（pēn）液質量，再由閥組件控製電磁閥液體注入對（duì）應的平衡終端，平衡終端旋轉的（de）時候，腔內液體會因為（wéi）離心力而附著（zhe）在外側腔壁上，通過這種方式（shì）來（lái）調節（jiē）質量分布，進而進行動平衡，這就（jiù）是（shì）噴（pēn）液式平衡係（xì）統的工作原（yuán）理。

      平衡終端是噴液式動平衡係統中的核心部件，其隨轉子高速旋轉，能（néng）否保證平衡液在（zài）高速下準（zhǔn）確進（jìn）入平衡液容（róng）腔是整個係統成敗的關（guān）鍵。如圖4 所示，平衡（héng）終端結構由兩部分組成（chéng），包括（kuò）依靠套筒實現軸向定位的平衡終端（duān）內圈，以及通過過盈配合固定在內圈外壁上（shàng）的平衡終端外圈。整個終端結構的內（nèi）圈和外圈通過過盈配合裝配，整體通過（guò）錐麵配合安裝（zhuāng）在（zài）主軸上同主（zhǔ）軸一起旋轉。當4 個液體腔充滿平衡液時，整（zhěng）個平衡終端重量約為350 g。相比較於（yú）工業現場常用的幾千克甚至幾十（shí）千克的平衡終端而言，其在同類產品中重量優勢非（fēi）常明顯（xiǎn），有利（lì）於該平衡終端在高速（sù）下（xià）應用。

      3.2 實驗（yàn）及分析

      為驗證噴（pēn）液式自動平衡裝置在高速下的平衡效果，西安交（jiāo）通大學基（jī）於（yú）150SD40Q7 型的電主軸構建高速主軸動平衡實驗（yàn）平台，圖（tú）7 為實驗現場。其中，電主軸采用兩端伸出設計，電機位於（yú）主軸中央，兩側分布支承軸承，主軸兩端伸出可用於安裝噴液式自（zì）動平衡裝置終端。該（gāi）主（zhǔ）軸采用油氣潤滑（huá）方式，內部采用高速陶瓷球軸承支（zhī）承（chéng），振動傳（chuán）感器安裝在對應軸承位置的主軸外殼頂端。考慮到高速實驗的危險性，主軸外圍安裝了防護罩。

      實驗過程（chéng）中，高轉速的動平衡（héng）從（cóng）低速到高速逐步（bù）進行。由於轉速的增加，在（zài）低轉速下的不平衡量（liàng）振動會隨（suí）著增加，因此（cǐ）對於初（chū）始的不（bú）平衡量要進行校正，在16 500 r/min時進行低（dī）速粗平衡，在20 700 r/min時（shí）進行高速精細平衡，然後將主軸升（shēng）速至工作轉（zhuǎn）速運行，觀察主軸振動狀態，最後降速至停機。兩次自動平衡效果分別如圖8和圖9所示。

      從圖8 可以看（kàn）出（chū），主（zhǔ）軸（zhóu）升速（sù）至16 500 r/min 時（shí）進行第一次動平衡，平衡後振動值（zhí）由（yóu）2.41 mm/s 降至0.05 mm/s，之後繼續增速，同時檢測不平衡量振動值，當轉速達到20 700 r/min 的時候，失衡振動隨（suí）著（zhe）轉速（sù）升高而增大，此時進行第二次動平衡。從圖9可以看出，二次自動平衡後，不平衡量振動值由1.60 mm/s 降至0.34 mm/s。且隨著平衡過程的（de）進行，主軸噪音顯著降低，基座振（zhèn）動下（xià）降亦（yì）非常明顯。此外，對比圖8 與圖9 可以看（kàn）出，16 500 r/min 時的平衡效果比20 700 r/min 時要好（hǎo），這主要是由於高轉速下，非失衡故障導致的轉頻振動也會有一定量的增加（jiā），這影響了最終振動抑（yì）製（zhì）的效果。總體（tǐ）而言，噴液式自動平衡裝置對於（yú）機床主軸平衡效果明顯，有助於提高主軸運行穩定性，保證主軸回轉精度。

      4 結語

      盡管國內外對在線自動平衡技術（shù）進行了（le）深入研究，但現有的（de）在線動平衡裝置多（duō）數應用在磨床砂輪主軸（zhóu）、風機、航（háng）空發動機等大型集中量式旋轉機械（xiè）動平衡（héng）中，對用（yòng）於超高速加工中心主軸的平衡裝置研究較少（shǎo）。顯然，待平衡轉子質量越小，對在線動平衡裝置的輕量化要求（qiú）就越高；待平衡轉子轉速越高，對在線動平衡裝置（zhì）的平（píng）衡精度就越高。實驗結（jié）果（guǒ）表明，西安交通大學（xué）研製的高速主（zhǔ）軸噴液式在線自動平衡裝置能在20 700 r/min 時完成自動平衡操作，並將不平衡量振動值由1.60 mm/s 降至0.34 mm/s，有效完成了高速主軸的失（shī）衡（héng）振動在線抑製，提（tí）升了主軸的動態性能。

      受複雜支承（chéng）形式、加工狀（zhuàng）態、主軸（zhóu）轉子（zǐ）結構布局等（děng）諸多因素影響，動平衡技術仍有（yǒu）許多值得探索的問題，隨著現代加工技術標準的（de）不斷提高，在線自動動平衡技術也必須（xū）朝低附加質量、高精度、快速響應以及智能化方向發展。總體而言，本（běn）文（wén）所論述（shù）的主軸自（zì）動平衡技術能有效保障機床主軸的平穩、精確運行，對於提高國家裝備製造業的水平（píng）具有一定的（de）理論意義與實用價值。