一种主动式高速主轴在线动平衡头及其控制系统

本发明涉及一种主动式高速主轴在线动平衡头及其控制系统，属于精密超精密加工及自动化领域。该在线动平衡头为纯机械式结构，其核心是左右对称的两个校正用平衡盘组件及其驱动机构，平衡头机械结构简单可靠，轴向尺寸小；该平衡头控制系统包括气动系统和电气系统两个部分，气动系统实现电—气信号转换及驱动平衡盘组件位置调节，气源取用方便，对大气无污染；电气系统实现信号采集、分析及控制信号输出的功能；本发明对于高速精密超精密加工具有重要的意义。

1.一种主动式高速主轴在线动平衡头,其特征在于：平衡头由两个平衡盘组件及相关安装部件组成，由两个平衡盘组件的固有不平衡量合成平衡头所需的校正量；平衡盘组件由平衡盘本体（3）、侧盖（4）、沉头螺钉（7）、基准螺栓（8）组成；主要安装部件包括圆螺母（2）、安装环（5）、双肩套筒（6）等；平衡盘本体（3）的特征为内外圈均是齿状结构，外齿圈内侧本体上距盘中心适当半径处加工一螺纹状不平衡孔（A1），两侧面中央部位各加工一个侧盖安装槽（A3），安装槽内加工8个螺纹孔（A2）；基准螺栓（8）通过不平衡孔（A1）与平衡盘本体（3）固定，基螺栓（8）与不平衡孔（A1）的质量差等效为平衡盘组件的固有不平衡质量；侧盖（4）的特征为带中心孔的对称盘状结构，盘上均匀加工四个安装孔（A4）；侧盖（4）通过四个沉头螺钉（7）与平衡盘本体（3）固定；安装环（5）的特征为带外伸弹性爪（A5）的对称环形结构，四个弹性爪（A5）沿环带周向均匀分布；安装环（5）内置于平衡盘本体（3）内部及两侧盖（4）之间，四个弹性爪（A5）与平衡盘本体（3）内圈齿啮合，形成棘轮棘爪机构，正常工作时，由棘轮棘爪机构带动平衡盘组件与主轴（1）同步旋转；双肩套筒（6）的特征为整体加工对称式结构；安装环（5）通过过盈配合安装于双肩套筒（6）的肩部，侧盖（4）与双肩套筒（6）的肩部之间为间隙配合；双肩套筒（6）通过过盈配合安装于主轴（1）的肩部，并由圆螺母（2）实现轴向固定；喷嘴机构由喷嘴（9）、压盖（10）、喷嘴座（11）、支架（12）、底座（13）及沉头螺钉（14）构成；喷嘴（9）为整体加工部件，外形上加工标准管接头（A6）及喷嘴卡位槽（A7），喷嘴卡位槽（A7）置于喷嘴座（11）及压盖（10）的半圆槽（A8）内，并由沉头螺钉（14）通过光孔（A10）及螺纹孔（A9）固定；喷嘴座（11）、支架（12）及底座（13）为整体加工式结构；喷嘴机构通过底座（13）安装与平衡盘组件的下方；当平衡盘组件相对于主轴（1）基准点的径向位置需要调整时，脉冲气流通过喷嘴（9）喷向平衡盘本体（3）的齿状外缘，一个脉冲气流推动平衡盘本体（3）滑过弹性爪（A5）一个内齿的角度。2.根据权利要求1所述的主动式高速主轴在线动平衡头的控制系统，其特征在于：控制系统包括气动系统和电气系统两部分；气动控制系统由喷嘴（9）、两位两通阀（B1）、三通（B2）、压力表（B3）、减压阀（B4）、气源（B5）、高压软管（L1）及接头构成；喷嘴（9）通过高压软管（L1）与两位两通阀（B1）的出气口相连，两位两通阀（B1）的进气口通过高压软管（L1）与三通（B2）的出气口相连，三通（B2）的进气口通过高压软管（L1）与减压阀（B4）的出气口相连，减压阀（B4）的进气口通过高压软管（L1）与气源（B5）相连；减压阀（B4）与压力表（B3）为整体式结构；计算机输出的脉冲控制信号经过放大后控制两位两通阀（B1）电磁控制端（CS1、CS2、CS3、CS4）电流的通断，进而控制两位两通阀（B1）输出高压脉冲气流信号；电气监控系统由电涡流传感器（C1）、光电传感器（C2）、信号采集卡（C3）、电脑（C4）、智能多路控制器（C5）及数据线（L2）构成；电涡流传感器（C1）与主轴（1）非接触，并通过数据线（L2）与信号采集卡（C3）相连；光电传感器（C2）与基准螺栓（8、15）非接触，并通过数据线（L2）与信号采集卡（C3）相连；信号采集卡（C3）通过PCI插槽与电脑（C4）相连；电脑（C4）通过RS232接口与智能多路控制器（C5）相连，智能多路控制器（C5）的四个输出口分别与四个两位两通阀（B1）的控制端相连；电涡流传感器（C1）用于测量主轴（1）不平衡振动信号，光电传感器（C2）用于测量平衡盘组件及主轴（1）基准信号；电脑（C4）对在线采集信号进行分析，实时计算满足主轴系统不平衡量最小时平衡盘组件相对主轴基准的位置；并根据位置调整要求输出多路电脉冲信号，进而控制平衡盘组件不平衡量相对于主轴基准相位的调节。