1 前言

      現代化的（de）高速數控加工中心（xīn）具有主軸轉速高、運行精度高、加（jiā）工（gōng）效率高的特點。轉速（sù）和精度的提高是（shì）以高精度（dù）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（yún）等因素，不平衡的存在是必然（rán）的。由於運（yùn）轉在高速（sù）下，主軸對不平衡控製的要求比通（tōng）常轉子更加嚴格，微小的（de）不平衡（héng）都可能導致主軸回轉精度的嚴重喪失乃至軸承支承係統的失穩。隻（zhī）有將主軸殘餘不平衡量控（kòng）製在一定範圍內，才能（néng）抑製主（zhǔ）軸在高速運行過程中的失衡振動，保證零件的加工精度。

      為減小主軸（zhóu）的不（bú）平衡（héng），在設（shè）計之初應盡量避免不對稱結構，在加工裝配過程中盡量減小誤差。即（jí）便如此，主軸不平衡也不可能被完全消除，因此，主軸出廠時會進行（háng）初始動平（píng）衡以減小主軸失衡量。然而，主軸刀具微小的不對中、磨損（sǔn）或粘刀仍會破（pò）壞原（yuán）有的動平衡。另外，主軸（zhóu）刀具（jù）係統受切削力激勵、熱變形以及高速旋轉離心（xīn）力等複雜工況的幹擾，也會（huì）破壞主軸的動平衡，從而使得高速機床主軸係統的穩定性被破壞。顯然，若（ruò）每（měi）次（cì）都采用傳統離線停機動平衡的方式來（lái）消除微小失（shī）衡量（liàng），就意味著自動化環節的中斷，破壞了高效加工的原則。因此，開展高速（sù）主軸動平衡與其（qí）在線控製技術（shù）的（de）研究（jiū），能充分發揮高速主軸的效（xiào）能（néng），保障機床的長期穩定和高效運行，進而（ér）提高我國機床工業和機械製造業的整體水平。

      2 高速主軸動平衡及其（qí）在線（xiàn）控製技術現狀及分析

      2.1 不平衡識（shí）別技（jì）術

      經典（diǎn）的柔性轉子動平衡方法可大（dà）致分為兩種類型，即模態平衡法[1]和影響係數法[2]。這兩（liǎng）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的單（dān）一振型。對影響係數法（fǎ）而言，在高速下（xià）平衡時啟動次數多（duō），高階振型敏（mǐn）感性降低。因此，Parkison 等[3]提出了綜合平衡的概念，即在影響係數法的基礎上（shàng）利用模態平衡法中的振型分離的特點（diǎn）選擇平衡參數。這種方法一定程度（dù）上結合（hé）了（le）二者優點，但仍需多次試重。

      為提高平衡（héng）效率和精度，國內外學者近年來在低速動平衡（héng）和無試重動平衡等方麵展開研究。傳統平衡方法平衡柔性轉（zhuǎn）子（zǐ）時必（bì）須在高速下進行，否則隻（zhī）能進行剛（gāng）性轉子的動平衡。低速動平衡技術[4～6]正（zhèng）是在這種背景下發展起（qǐ）來（lái）的，其通（tōng）過分析轉（zhuǎn）子在臨界（jiè）轉速前後振動特性的變化規律，通過（guò）信號處理等方式在低速下獲取轉（zhuǎn）子高階振型信息，並根（gēn）據一定策略將多階振型（xíng）不平衡量予以分（fèn）解（jiě）及校正，從而（ér）達到（dào）平衡的目的。無試重平衡技術是一種“不需要對轉子（zǐ）添加試重就能得出轉子不平（píng）衡幅值與相位（wèi）”的新方法，該技術可主要（yào）分為兩大類：a. 通（tōng）過建立動力學模型，結合失衡振動數據精確反求出不平衡質量，其本質上屬於轉子不平衡參數辨識過程。這類方法在平（píng）衡（héng）效率上有較大優（yōu）勢，得（dé）到國內外研究的重點關注[7~9]；b. 建立轉子不平衡與振動信號間的映射機製（zhì），通過優化算法使仿（fǎng）真不平衡響應與測量不平衡響應間的差異達到最小值，從而得到不平衡量。這類方法不受（shòu）反（fǎn）問題病態（tài）程（chéng）度的影（yǐng）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，成為製約這種方法的“瓶頸”[10, 11]。

      總體來說，不管動平衡技術如何發展，始終要遵（zūn）循科技促進生產力（lì）這一宗旨。因此，如何提高平衡精度、效（xiào）率是所有動平（píng）衡技術的核心所在。雖然無試重平（píng）衡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出來的高平衡（héng）效率使其成為國內外研究的熱點。同樣，現有的低速平衡法雖然還遠沒有成熟，但低速（sù）平（píng）衡法可以簡化動平（píng）衡過程、提高動平衡安全性（xìng）及效率。因（yīn）此，如何在低速下更準確地平衡柔性轉（zhuǎn）子也必將（jiāng）成為高速主（zhǔ）軸動平衡技術的發展趨勢。

      2.2 在線（xiàn）自（zì）動平衡技術現狀及分析

      轉子在線自動平衡技術主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（dāng）柔性轉子工作在臨界轉速以上時，其原始不（bú）平衡（héng）與振（zhèn）動響應呈鈍角，配重塊會受離心力作用自動補償原始不平衡。該技術精度有限，在工業現場較少應用。主動平（píng）衡技術采（cǎi）取由外部輸入能量的控製（zhì）方式主動實現轉子自動平衡。通常分為兩類：一類是直接主（zhǔ）動振動控製（zhì），它直接在旋轉物體（tǐ）上施加外力抵消不平衡導致的離心力，達到抑振的目的，外部力一般通過電磁力、液（yè）體衝擊力（lì）等形式施加（jiā）。另一類（lèi）是質量重新（xīn）分布控製，它利用隨轉子共同旋（xuán）轉（zhuǎn）的平衡終端對轉子（zǐ）進（jìn）行平衡，平衡終（zhōng）端內部可以（yǐ）通過調整質量（liàng）分布改善不平衡狀態。

      國內外關於自動平衡技術方麵的研究較多，加拿大學者Van de Vergte[12]首先（xiān）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，浙江大學曾勝等[13]研製了基於電機原理（lǐ）的電磁式，其通過向定子線圈（quān）通直流電，驅動平衡盤轉動，最高運行轉速為（wéi）3 000 r/min。1999年，美國學者Dyer 等[14]研（yán）製出一種由電磁力驅動的平衡裝置，該裝（zhuāng）置中含有配重質量的動環隨轉子（zǐ）旋轉，工作時由固定在主軸法蘭位置的靜環提供電磁力驅動動環上的質量（liàng）塊旋（xuán）轉，從而改變平衡終端中的質量分布。2006 年，韓國學者Moon 等[15]基於類似（sì）的（de）原理，研製出一種（zhǒng）電磁式平衡裝置，並通（tōng）過影響係數法在轉速為14 400 r/min 時實（shí）現了主軸平衡實驗。2006 年（nián），北京化工大學高金吉等[16]研究了通過持續噴液產生可控（kòng）液體衝（chōng）擊力的平衡裝（zhuāng）置，並仿（fǎng）真驗證了（le）其可行性。2008 年，日本（běn）學者Nakamoto等[17]設計了一種新型的采用磁流體作為平衡質量的平衡裝置（見圖1），其通過改變平衡終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（jìn）行了驗證。

      2011 年，西（xī）安交通大學（xué）梅雪鬆等[18]提出一（yī）種基於壓電驅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（cí）片產生麵內駐波振動，進而驅使安裝有配重質量（liàng）塊的動環旋轉，改變主軸轉子質心，該方案具有自鎖功能，調整精度較（jiào）高，適（shì）合高速高精（jīng）度轉子平（píng）衡，其結構如圖2 所示。同年（nián），北京化工大學黃立權等[19]研究了轉子同頻振動的（de）在線（xiàn）抵消策略（luè），對轉子同頻振動及電磁力可控特性進行（háng）了分析。2012 年，西安交通大學馬石磊等[20]提出一種基（jī）於靜磁場的新型電磁動平（píng）衡裝置，並在5 000 r/min 時在滑動軸承支承主軸中得到驗證，該裝置僅需在待平衡轉子上加（jiā）工特定形狀凸（tū）台（tái），即可產生（shēng）用於抑製失衡振動的同頻電（diàn）磁力，其附加質（zhì）量較小，在高速轉子平衡方麵有一定優勢。

      從平衡原理可知，直接主（zhǔ）動振動控製方式響應迅速，便於實時控製，但其並沒有從（cóng）本質（zhì）上消除導致振動的不平衡量，而是通過施加外力強行（háng）抵消失衡離心力，當主（zhǔ）軸運（yùn）行至超高速時，離心（xīn）力急劇增大，係（xì）統往往難以產生足夠大的外力來抑製振動。此外，這種平（píng）衡控製方式需要係統始終處於（yú）使能模式，對於重型轉子而言，相（xiàng）對耗能（néng）較大。最為關鍵的是，若遭遇（yù）斷（duàn）電等意（yì）外情況，在高速旋轉的轉子將（jiāng）會瞬間喪失平（píng）衡（héng）狀態，容易發生不可預估的（de）風險。根據上述現狀分（fèn）析同樣可知，質量重新分布控製（zhì）方式相對應用較（jiào）廣，其主（zhǔ）要可分為3種類型。

      1）通過可（kě）控微型電機驅動質量塊移動的電（diàn）機驅動式。這類裝置易於實現，平衡狀態（tài）利於（yú）保持，但機械結構複雜，尺寸較大，限製了平衡轉速的（de）提高。

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

      3）通過外部填（tián）充質量材料以改變轉子質量分布的（de）外部噴液填充式。這類裝置是唯一能實現定向質量補償（cháng）的控製技（jì）術，不用向平衡終端輸送驅動控製信號，省略了配重塊路徑尋優過（guò）程（chéng），且（qiě）其結構簡單，易（yì）於輕量化。但其平（píng）衡精度受容腔形狀和液束（shù）控製精度的共同影響，需要合理設（shè）計係統參數。

      綜合來說，盡管自動平衡技術已取得了較大的進（jìn）展，並且（qiě）國外已有較為成熟的產品，但（dàn）出於商業利益的考慮，這些公司的相關技術研（yán）究資料對我國壟斷，僅（jǐn）能在相（xiàng）關網站查到產品簡要介紹。我國從20 世紀80 年（nián）代開始，對在線（xiàn）動平衡技術也進行了大量的研究，但平（píng）衡轉速基本都在5 000 r/min 以下，平衡精度也不太高，和世（shì）界上先進（jìn）水平相比仍有較大差距。目前對（duì）於在線平衡裝置主要還是（shì）依靠（kào）國外進口，並且價格十分昂貴（guì），甚至與主軸價格持平。因此，有必要研究能滿足高速高精度（dù）要求的在線自動（dòng）平衡調整（zhěng）裝（zhuāng）置，提升我（wǒ）國高速主軸在線（xiàn）動平衡水平。

      3 噴液式在線動平衡技術

      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（zhǎn）了深入（rù）研究，構（gòu）建（jiàn）了如圖3 所示的在線噴（pēn）液式動平衡係統的（de）原理圖。係統主要由平衡終端、液壓係統、測控係統等幾部分組成。平衡終端由（yóu）內圈和外圈過盈配合構成，整個（gè）結構裝配後可形成沿（yán）圓周均勻分布的4 個容腔，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（kuò）液壓泵、穩壓閥、電磁閥及噴頭等結構，主要用於產生一定壓（yā）力（lì）的液（yè）體束，便（biàn）於噴射入平衡終端徑向位（wèi）置（zhì）上（shàng）的液體槽中。測控係統中（zhōng）包括傳感器和控製（zhì）器兩（liǎng）部分。傳感器主要為振動傳感器和速度傳感器，用（yòng）於采集（jí）轉子振動（dòng）信息及（jí）轉速（sù），為控（kòng）製器提供數據支撐。控製器（qì）主要根據轉子振動（dòng）狀態的變化，判斷失衡方位，通（tōng）過閥組件控製平衡液體噴射方位（wèi）、時間。

      係統工作過程中，首先由振動傳（chuán）感器拾取由於主軸轉子的原始不平衡量導致的振（zhèn）動，並將該振動（dòng）信號經控製器（qì）計算得出相（xiàng）應的噴（pēn）液質量，再（zài）由閥組（zǔ）件控製電磁閥液體注入對應的平衡終端，平衡終端旋轉的時（shí）候，腔內液體（tǐ）會因為離心力（lì）而附著在（zài）外側腔壁上，通過這種方式來調節質量分布（bù），進（jìn）而進行動（dòng）平衡，這就是噴液式平衡係統的工作原理。

      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（sù）旋轉，能（néng）否保（bǎo）證平（píng）衡（héng）液在（zài）高（gāo）速下準確進（jìn）入平衡（héng）液容（róng）腔是整個係（xì）統成敗的關鍵。如圖4 所示，平衡終端結構由（yóu）兩部分組成，包括依靠（kào）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的平衡終端外圈。整個終端結構的內圈和外圈通過過盈配合裝配，整體通過錐（zhuī）麵配合安裝在主軸上同主軸（zhóu）一起旋轉。當4 個液體腔（qiāng）充滿（mǎn）平（píng）衡液時，整個平衡終端重量（liàng）約為350 g。相比較於工業現場常用的幾（jǐ）千克甚至（zhì）幾十（shí）千克的平衡終端而言，其在同類產品中重量優勢非常明顯，有利於該平衡終端（duān）在高速下應用。

      3.2 實驗（yàn）及分析

      為驗證噴液式（shì）自動平衡（héng）裝置在高速下的平衡（héng）效果，西安交通大學基於150SD40Q7 型的電主軸（zhóu）構建高速主軸動平衡實驗平台，圖7 為實驗現場。其中，電主（zhǔ）軸采用（yòng）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動平衡裝置終端。該主軸采用油氣潤滑方式，內部采（cǎi）用高速陶瓷球軸（zhóu）承支承，振動傳感器安裝在（zài）對應軸承位置的主軸外（wài）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。

      實驗過程中，高轉（zhuǎn）速的動平衡從低速到高（gāo）速逐步（bù）進行。由於轉速的（de）增加，在低轉（zhuǎn）速下的不平衡量振動會隨（suí）著增加，因此對於初始的不平（píng）衡量要進行校正，在16 500 r/min時進（jìn）行低速粗平衡，在20 700 r/min時進行高速（sù）精細平衡，然後將主軸升速至工作轉（zhuǎn）速運行，觀察主軸振動狀態，最後降速（sù）至停機。兩次自動平衡（héng）效果分別如圖8和（hé）圖9所示。

      從圖（tú）8 可以（yǐ）看出（chū），主軸升速至16 500 r/min 時進行第一次動平衡（héng），平衡後（hòu）振動值由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（dào）20 700 r/min 的時候，失衡振動（dòng）隨（suí）著轉速升高而增大，此時進行（háng）第二（èr）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。且隨著平衡過程的進行，主軸噪音顯著降低，基座振動下降亦非常明顯。此外，對（duì）比圖（tú）8 與圖9 可以看出，16 500 r/min 時的平衡效果比20 700 r/min 時要好，這主要是由於高轉速下，非（fēi）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（le）最終振動抑製的效果。總體而言，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（zhǔ）軸回轉精（jīng）度。

      4 結語

      盡管國內外對（duì）在線自（zì）動平衡技（jì）術進行了深入研究，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轉機械動平衡中，對用於超高速加工中心主軸（zhóu）的（de）平衡裝置（zhì）研究較少（shǎo）。顯然，待平衡（héng）轉子質量越小，對在線動平衡裝置的輕量化（huà）要（yào）求就（jiù）越高；待平（píng）衡轉（zhuǎn）子轉速越高，對在線動平衡裝置（zhì）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噴液式在線（xiàn）自動平衡裝置能在20 700 r/min 時完成自動平衡操作（zuò），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（zhǔ）軸（zhóu）的失衡振動在線抑製，提（tí）升了主（zhǔ）軸的動態性能（néng）。

      受複雜支承形（xíng）式、加工狀態、主軸轉子結構布局等諸多因素（sù）影響，動（dòng）平衡技（jì）術仍有許多值得探索的問（wèn）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（bì）須朝低附加質量、高精度、快速響（xiǎng）應以及智能化方向發（fā）展。總體而言，本文所論述的主軸自動平衡（héng）技術能有效保障機床（chuáng）主軸的平穩、精（jīng）確運行，對於提高國家裝備製造業的水平具有一定的理論意義與實（shí）用價值。