1 前（qián）言

      現代化的高速數控加工中心具有（yǒu）主軸轉速高、運行精度高、加工效率（lǜ）高的特點。轉速和精度的提高是以高精度動平衡為（wéi）前提（tí）的，但對於主軸（zhóu）而言，由於製造、安裝（zhuāng）誤差以及材料的不均勻等因素，不平衡的存在是必然的。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加嚴格，微小（xiǎo）的不平衡都可（kě）能導致主（zhǔ）軸回轉精度的嚴重喪（sàng）失乃至（zhì）軸承支承係統的失穩。隻有（yǒu）將主軸殘（cán）餘不平衡量控製（zhì）在一定範圍（wéi）內，才能抑製主軸在高速（sù）運（yùn）行過程中的失衡振動，保證零件的加工精度。

      為減小主軸的不平衡，在設計之初應盡量避免不對稱結構，在加工裝（zhuāng）配（pèi）過程中（zhōng）盡量減（jiǎn）小誤差。即便如此（cǐ），主軸不平（píng）衡也不可能被完全消除，因此，主軸出（chū）廠時會進行初始動平衡以減小主軸失（shī）衡量。然而，主軸刀具微小的不對中、磨損（sǔn）或粘刀仍會破壞原有（yǒu）的動平衡。另（lìng）外，主軸刀具係統受切削力激勵、熱（rè）變形以及高速旋轉離心力等（děng）複雜工況的幹擾，也會破壞主軸的動平衡（héng），從（cóng）而使得高速（sù）機床主軸係統（tǒng）的穩（wěn）定性（xìng）被破壞。顯然，若每次都采（cǎi）用傳統離線停機動平衡的方式來消除微小失衡量，就（jiù）意味著自動化環（huán）節的中斷，破壞了（le）高（gāo）效加工的原則。因此，開展高速主軸動平衡與其在線（xiàn）控製技（jì）術的研究，能充分發揮高速主軸的效（xiào）能，保障機床的長期穩定和高效運行，進而提高我國（guó）機（jī）床工業和機械製（zhì）造業（yè）的整（zhěng）體水平。

      2 高速主軸動平衡及其在線控製（zhì）技術現狀（zhuàng）及分析

      2.1 不平衡識別技術

      經典（diǎn）的柔性轉子（zǐ）動平衡（héng）方法可大致（zhì）分為（wéi）兩種類型（xíng），即模態平衡法[1]和影響係數法[2]。這兩種方法各有其局限性。對模態平衡法而言，其不平衡識別受支承特性的影響較大，用於軸係平衡時臨界轉速附近不易獲得（dé）的單一（yī）振型。對影響係（xì）數法而言，在高（gāo）速（sù）下平衡時（shí）啟動次數多，高階振型敏感性降低。因此，Parkison 等（děng）[3]提（tí）出了綜合平衡的概念，即在影響係數法的基礎上利（lì）用模態平衡法中的振型分離的特點選擇平（píng）衡參數。這種方法一定程度上結（jié）合了二者優點，但仍需多次試重。

      為提高平衡效率和精度（dù），國內外學者近年來在低速動平衡和（hé）無試重動（dòng）平衡等方麵（miàn）展開（kāi）研究。傳（chuán）統平衡方法平衡柔性轉子時（shí）必須在高速下進（jìn）行，否則隻能進行剛性轉子的動（dòng）平衡（héng）。低速動平衡技術[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動特性的變化規律，通過信號處理等方式在（zài）低速下（xià）獲取轉子高階振型信息（xī），並根據一定策略將多階振型不平衡量予以分解及校正，從（cóng）而達到（dào）平衡的目的。無試重平衡技術是一（yī）種“不需要對轉子添加試重就（jiù）能得出轉子不平衡幅值與相位”的新方法，該技術可主要分為兩大類：a. 通過建立動力學（xué）模型，結合失衡振動（dòng）數（shù）據精（jīng）確反求出不平衡質量（liàng），其本質上屬於（yú）轉子不平衡參數辨（biàn）識過程（chéng）。這類方法在平衡效率（lǜ）上有較大優勢，得到國內外研究（jiū）的重點關（guān）注（zhù）[7~9]；b. 建立轉子不平衡（héng）與振動信號間的映射（shè）機製，通過優化算法使仿（fǎng）真不平衡響應與測（cè）量不平衡響（xiǎng）應間的差異達到（dào）最小值，從（cóng）而得到不平衡量。這類方法不受反問題（tí）病（bìng）態程度的影響，但是（shì）由於（yú）大型轉子不平衡未知數多以及相關平麵的存在，成為製約這種方法（fǎ）的（de）“瓶（píng）頸”[10, 11]。

      總體來說，不管動（dòng）平衡技術如何發展，始終要遵循科技促進生產力（lì）這一宗（zōng）旨。因此，如何提高平衡精度、效（xiào）率是所有動平衡技術的核心所在。雖然無試重平衡（héng）方法還遠未形成係統化的平衡理論，但無試重平衡技術所體現（xiàn）出來的高平（píng）衡效率使其成為國內（nèi）外研究的熱點。同樣，現有的低速平衡法雖然還遠沒有成熟，但低速平衡法可以簡化動平衡過程、提高動平衡安（ān）全（quán）性及（jí）效率。因（yīn）此，如何在低速下更準確地平衡柔性轉子也必將成為高速（sù）主軸（zhóu）動平衡技術的發展趨勢。

      2.2 在線自動平衡技術現狀及（jí）分析

      轉（zhuǎn）子在線自動平（píng）衡技術主要包括被動平衡技術（shù）和主（zhǔ）動平衡技術。被動（dòng）平衡技術的原理在於：當柔性轉子工（gōng）作（zuò）在臨界轉速以上時，其原始不平衡與振動（dòng）響應呈鈍角，配重（chóng）塊會受離心力作用自動補償原（yuán）始不（bú）平衡。該技術精度有限，在工業現場較少應用。主動平衡（héng）技術采取（qǔ）由外部輸入（rù）能量（liàng）的控製方式（shì）主動實現轉子自（zì）動平衡。通（tōng）常分為兩類：一類是直接主動振動控製，它直接在旋轉物體上施加外力抵消不（bú）平衡導致的離心力，達到抑振（zhèn）的目的，外（wài）部力一般通過電（diàn）磁力、液體衝擊力（lì）等形式施加。另（lìng）一類是質量重新分布控製，它利用隨轉子共同旋轉的平（píng）衡終（zhōng）端對轉子進行平衡，平衡終端內部（bù）可以通過調整質量分布改善不平衡狀態。

      國內外關於（yú）自動平（píng）衡技術方麵的（de）研究較（jiào）多（duō），加拿大（dà）學者Van de Vergte[12]首先研究（jiū）出一種通過位置可控的配重質量實現平衡調整的主動動平衡裝置，質（zhì）量塊由電機驅動，可沿固定於平衡終端的運動路徑移動。1998 年，浙江大學曾（céng）勝等[13]研製了基於電機（jī）原理的電磁式，其通過向定子（zǐ）線圈通直流電，驅動平（píng）衡盤轉動，最高運行轉速為3 000 r/min。1999年，美國學者Dyer 等[14]研（yán）製出一種由（yóu）電磁力驅動的平衡裝置，該裝置中含有配重質量的動（dòng）環隨轉（zhuǎn）子旋轉，工作時（shí）由固定在主軸法蘭位置的靜（jìng）環提供電磁力驅動（dòng）動環上的質量塊旋轉，從而改變（biàn）平衡終端中的質量分布。2006 年，韓國學者Moon 等[15]基於類似的（de）原理，研製出一種電磁式（shì）平衡裝置，並通過影（yǐng）響係數法在轉速為14 400 r/min 時實現了主軸平衡實驗。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（yàn）證了（le）其可行性（xìng）。2008 年，日本學者（zhě）Nakamoto等[17]設計（jì）了（le）一種新型的采用磁（cí）流體作為平衡質量的平衡（héng）裝置（見圖1），其通過改變平衡終（zhōng）端（duān）外圍磁場的分布達到改變終端內磁流體分布的目的，該裝（zhuāng）置在6 000 r/min 時進（jìn）行了驗證。

      2011 年，西安（ān）交通大學梅雪鬆等（děng）[18]提出（chū）一種（zhǒng）基於壓電驅動原（yuán）理的平衡執行裝（zhuāng）置原理，通過無線感應變壓器驅動壓電陶瓷片產生麵內駐波（bō）振動，進而驅（qū）使安裝有配重質量塊的（de）動環旋轉，改變主軸（zhóu）轉子（zǐ）質心，該方案（àn）具有自鎖功能，調整（zhěng）精度較（jiào）高，適合（hé）高速高精度轉子平衡，其結構如圖2 所示。同年，北京化工大學黃立權（quán）等（děng）[19]研究了轉子同頻振動的在線（xiàn）抵消策略，對轉子同頻振動及電磁力可控特性進行了分析（xī）。2012 年，西安交通大學馬石（shí）磊（lěi）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 時在滑動軸承支承（chéng）主軸（zhóu）中得到驗證，該（gāi）裝置僅需在待平衡轉子上加工特（tè）定形狀凸台（tái），即可產生用於抑製失衡振動的同頻電（diàn）磁力，其附加（jiā）質量較小，在高速轉子平衡方麵有（yǒu）一定優勢。

      從平衡原理可知，直接主動振動（dòng）控製方式響應迅速，便於實時控製，但其並（bìng）沒有從本質上（shàng）消除導致振動的不平（píng）衡量，而是通過施加外力強行抵消失衡離心（xīn）力，當主軸運行至超高速時，離心力（lì）急劇增大，係統往往難以（yǐ）產生（shēng）足夠（gòu）大的外力來抑製（zhì）振動。此外，這種平衡控製方式需要係統始（shǐ）終處於使能模（mó）式，對於重型轉子而言，相對耗能（néng）較大。最（zuì）為（wéi）關（guān）鍵的是（shì），若（ruò）遭遇斷（duàn）電等意外情況，在高速旋轉的轉子將會瞬間喪失平衡狀態（tài），容易發生不可預估的風險。根據上（shàng）述現狀分析（xī）同樣可知，質量重新（xīn）分布控製方式（shì）相對應用較廣（guǎng），其主要可分為3種類型。

      1）通過（guò）可控微型電機（jī）驅動質（zhì）量塊移動的電（diàn）機驅動式（shì）。這類裝（zhuāng）置易於實現，平衡狀態（tài）利（lì）於保持，但（dàn）機械結構複雜，尺（chǐ）寸較大，限製了平衡轉速的提高。

      2）通過電磁力改變平（píng）衡質量塊（kuài）分布的電磁（cí）力驅動式。這類裝置機械結構及控製係（xì）統（tǒng）都（dōu）比較複雜，且溫度過高時，永磁鐵容易退磁，同時會受強磁場幹擾。

      3）通過（guò）外部填充質量（liàng）材料（liào）以改變轉子質量分布（bù）的外部噴液填充式。這類裝置是唯一能實現定向質量補償的控製技術（shù），不用向（xiàng）平衡終端輸送驅動控製信號，省略了配（pèi）重塊路徑尋優過程（chéng），且其結構簡單，易於（yú）輕量化。但（dàn）其平衡（héng）精度（dù）受容腔形（xíng）狀和液束控製精度的共同影響，需要合理設計（jì）係統參數。

      綜合來說，盡管（guǎn）自動平衡技術已取得了較大的進展，並且國外已有較為成熟的產品，但出於商業利益的考（kǎo）慮，這些公司的相關技術研究資料（liào）對我國壟斷，僅能在相關網站（zhàn）查到產品簡要（yào）介紹。我國從20 世紀80 年代開（kāi）始，對在線動（dòng）平衡技術也進行了大量的研究，但平衡轉速（sù）基（jī）本都在5 000 r/min 以下，平衡精度也（yě）不太高（gāo），和世界上先進水平相比仍有較大（dà）差距。目前（qián）對於在線平衡裝置主要還是依靠國（guó）外進口，並且價格十分昂貴，甚至與主軸價（jià）格（gé）持平。因此，有必要研（yán）究能滿足高速高精度要求的在（zài）線自動平衡調整裝置，提升我國高速主軸在線動（dòng）平衡水平。

      3 噴液（yè）式在線動平衡技術

      3.1 工作原理

      西安交通大學在噴液式在線動平衡技術方麵開展了深入研究，構（gòu）建了如圖3 所示（shì）的在（zài）線噴液式動平衡（héng）係統的原理圖。係統主要由平衡終端、液壓係統、測控係統（tǒng）等（děng）幾部分組成。平衡終端由內圈和外（wài）圈過（guò）盈（yíng）配合構成，整個結構裝配後可形成沿圓（yuán）周均勻分布的4 個容（róng）腔，可用於存放平衡液體，改變旋轉部（bù）件的質量分布。液壓係統包括液壓泵、穩壓閥、電磁閥及（jí）噴頭等結構，主要用於產生一定壓力的液（yè）體束（shù），便於噴射入平衡終端徑向（xiàng）位置上的液體槽中。測控係統中包括傳感器和控製器兩部分。傳（chuán）感（gǎn）器主（zhǔ）要為振動傳感器和速度傳感器，用於采集轉子振動信息及轉速，為控製器提供數據支撐。控製器主要根據轉子振動狀態的變化，判斷失衡方位，通過閥組件控製平衡液體噴射（shè）方位、時間。

      係統工作過程中，首先由振動傳感器（qì）拾取由於主軸轉（zhuǎn）子（zǐ）的原始不平衡量導致的振動，並將該振動信號經控製器計算（suàn）得出相應的噴液質量，再由閥組件控製電磁閥液體注入對應的（de）平衡終端，平衡終端旋轉（zhuǎn）的時候，腔內液體（tǐ）會因為離心力而附著在外側（cè）腔壁上，通過這種方式來調節（jiē）質量分布，進而進行動平衡，這就是噴液式平衡係統的工作原理。

      平衡終端（duān）是噴液（yè）式（shì）動平衡係統中的核心部件，其（qí）隨轉子高速旋轉，能否保（bǎo）證平衡液在高速下準確進入平衡液容腔是整個係統成敗的關鍵。如圖4 所（suǒ）示，平衡終端結構由兩部分組（zǔ）成，包括依靠套筒實現軸向定位的平衡終端內圈，以（yǐ）及通過過盈配合固定在內圈外壁上的平衡終（zhōng）端外圈。整個終端結構的內（nèi）圈和（hé）外圈（quān）通過過盈配合裝配，整體通過錐麵（miàn）配合安裝在主軸上同主軸一起旋轉。當4 個液體腔（qiāng）充滿平衡液時，整（zhěng）個平衡終端重（chóng）量約為350 g。相比較於工業現場常用的幾千克甚至幾（jǐ）十千克的平衡終端而言，其在（zài）同類產品中重量優勢非常明顯（xiǎn），有利於該平衡終端在高速下應用（yòng）。

      3.2 實驗（yàn）及分析

      為驗證噴液式自動平衡裝置在高速下的平衡（héng）效（xiào）果，西安交通（tōng）大（dà）學（xué）基於150SD40Q7 型的電主軸構建高速（sù）主軸動平衡實驗平（píng）台（tái），圖7 為實驗現場。其中，電主軸采用兩端伸出設計，電機位於主軸（zhóu）中央，兩側分（fèn）布支承軸承（chéng），主軸兩端（duān）伸出可用於安裝噴液式（shì）自動平衡裝置終（zhōng）端。該主軸采用油氣潤滑方式，內部采用（yòng）高速陶瓷球（qiú）軸承支承，振動傳感器安裝（zhuāng）在對應軸承（chéng）位置（zhì）的（de）主軸外殼頂端。考慮到高速實（shí）驗的危險性，主軸外圍安裝了防護罩。

      實驗過（guò）程中，高轉速的動平衡（héng）從低（dī）速到高速（sù）逐（zhú）步（bù）進行。由於轉速的增加，在低轉速下的不平衡量振動會隨著（zhe）增加，因此對於初（chū）始的不平衡量（liàng）要（yào）進行校正，在16 500 r/min時進行低速粗平衡，在20 700 r/min時進行高速精細平衡，然（rán）後將主軸（zhóu）升速至工作轉（zhuǎn）速運（yùn）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 可以看出，主軸升速至16 500 r/min 時進行第一次（cì）動平衡，平衡後振動值（zhí）由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（héng）振動隨（suí）著轉速升高而增大，此時進行第二次動平衡。從（cóng）圖9可以看出，二次自動平衡（héng）後，不平衡（héng）量振動值由1.60 mm/s 降至0.34 mm/s。且隨（suí）著平衡過程的進行，主軸噪音顯著降低，基座振動下降亦非常明（míng）顯。此外，對比（bǐ）圖8 與圖9 可以看出（chū），16 500 r/min 時的平衡效果（guǒ）比20 700 r/min 時（shí）要好，這主（zhǔ）要是由於高轉速下，非失衡故障導致的轉頻振動也會有（yǒu）一定量的增加，這影響了最終振動抑製的效果。總體而言，噴液式自動平衡裝置對於機床主軸平衡（héng）效果明顯，有助於提高主軸運行穩定性，保（bǎo）證（zhèng）主軸回轉精度。

      4 結語

      盡管國內外對在線自（zì）動平衡技術進行了深（shēn）入研究，但現有的在線動平衡裝置多數應用在磨床砂輪主軸、風機、航空發動機等大型集中量式旋（xuán）轉機械動平衡（héng）中，對用於超高速加工中心主軸的平衡裝置研究較少。顯然，待平衡轉子質量越（yuè）小，對在線動平衡裝置的輕量化要求就越高；待平衡轉子轉速越高，對在線動平衡裝置的平衡精度就越高。實驗結果表明，西安交通大學研製的高速主軸（zhóu）噴液（yè）式在線自動平衡裝置能在20 700 r/min 時完成自動平衡操（cāo）作，並將不平衡量振動值由1.60 mm/s 降至0.34 mm/s，有（yǒu）效完成了高速主軸的失衡振（zhèn）動在線抑製，提升了主軸的（de）動態性能。

      受（shòu）複雜支承形式、加工狀態、主（zhǔ）軸轉子結構布局等（děng）諸多（duō）因素影響，動平衡（héng）技術仍有許多值得探索的問題，隨（suí）著現代（dài）加工技術標準的不斷提高，在（zài）線自動動平衡技術也必須朝（cháo）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，本文所論述的主軸自動（dòng）平衡技術能有效保障機床主（zhǔ）軸（zhóu）的平穩、精確運行，對於提高國家裝備製造業的水平（píng）具有一定的理論意義與（yǔ）實用價值。