按：這是筆者在汽車發動機工廠做維修工程師時的一篇文字，文中所涉及的曲軸平衡機是英國產品，文中大部分內容仍具有參考價值，發出來以饗同行。

1曲軸動平衡的基本原理解析

曲軸去重平衡機是典型的機電一體化設備，集成了機械加工、計算機數控、微電子技術、發動機工藝理論等技術于一體，是我廠比復雜的設備之一。

首先，簡要地了解動平衡理論有助于我們正確地掌握該設備。

1．1平衡理論

（1）什么是不平衡量

以一個均勻轉子為例，如圖1：

圖1：均勻轉子的幾何支撐軸線OO＇與慣性軸線和MM＇

正常情況下，其慣性主軸線應與支撐主軸線重合，如不重合，則表示該轉子不平衡。其不平衡量可用下式表示：

Ｕ＝m×r

單位：g.cm，m：不平衡質量，不平衡半徑。

真正的轉子不平衡程度不僅與不平衡質量和不平衡半徑有關，而且與轉子的總質量Ｍ有直接關系，顯然，同樣的Ｕ值，Ｍ越大，表示不平衡程度越小；Ｍ越小，則表示不平衡程度越大。由此，引入了偏心距的概念。

即，偏心距：E = mr/M=U/M

這個參數能較為準確地表示一個轉子的不平衡程度。

（２）不平衡量的常見分布形式

這里主要是指和曲軸不平衡相關的：“徑向不平衡”。其常見形式有：

１）靜不平衡

慣性軸線與幾何支撐軸線平行．如圖2：

圖2：靜不平衡示意圖

２）偶不平衡

慣性軸線與幾何支撐軸線斜交于幾何軸線的中心點。如圖3：

圖3：偶不平衡示意圖

３）準靜不平衡

慣性軸線與幾何支撐軸線斜交，但不過中心點。如圖4：

圖4：準靜不平衡示意圖

４）動不平衡

慣性軸線與幾何支撐軸線不相交，亦不平行。如圖5：

圖5：動不平衡示意圖

曲軸的不平衡即屬于這種類型，由于其不平衡量的分布特點，去重時最少要平衡兩點以上。

（3）不平衡量的工業標準

國標ISO1940規定了不平衡量的工業標準，即：

G=EW/1000

其中，E：偏心距。微米。

W：轉速。弧度/秒。

G取值一般為G0.4-G4000，曲軸在G40-G100之間。

1．2動平衡機

（1）平衡機測量的基本力學關系

如下圖，為一臺平衡機的測量系統局部結構示意圖。

圖6：一個簡單的平衡機測量裝置

圖中不平衡量m產生的離心力：

f=mrw^2

水平方向的離心力分量：

f水平= mrw^2 cosα

垂直方向的離心力分量：

f垂直=mrw^2sinα

支撐彈簧變形量：

A=f垂直/K，K為彈性系數。

水平力傳遞給傳感器，由傳感器測取并產生電壓信號，送控制系統。

(2)平衡方程

一個系統的平衡方程如下：

MX″+CX′+KX=mrw^2

其中：

M：轉子質量。

X：支撐體變形量。

m：不平衡質量。

r：不平衡半徑。

w：轉子角速度。

C：阻尼系數。主要來自風阻，摩擦阻尼。

K：支撐體彈性系數。

阻尼力很小，一般分析時可不予考慮。

（3）硬支撐平衡機的力學分析

當地基足夠穩定時，可以不考慮慣性力時KX＂，可以設計為硬支撐結構。這時，平衡方程可改寫為：

X=mrw^2/K

可見，硬支撐平衡機與床身質量無關，出廠時做一次性標定即可，無須經常標定。但對地基要求高，否則慣性力將產生影響，影響平衡精度。

機床的共振點為：

對硬支撐平衡機，工件轉速應在w0/3以內。

（4）軟支撐平衡機的力學分析

這種平衡機的彈性力相對于慣性力而言，由于支撐彈簧很軟，彈性力很小，可以忽略。平衡方程為：

MX＂=mrw^2

X＂=mrw^2/M

X＂為加速度，可使用加速度傳感器測量。

由于式中包括機床質量Ｍ，故機床需要經常標定，對地基要求不高。

這種平衡機的工件轉速一般控制在2-2.5w0之內。

（5）半硬支撐平衡機的力學分析

這種平衡機既要考慮慣性力，又要考慮彈性力。其平衡方程為：

MX＂+KX=mrw^2

這一方程的計算較為困難，從力學關系來進行分析，可以從下面公式進行不平衡量的分離。即：

圖7：不平衡量的分離

如圖，有：

U1=UL+(UL*a/b-UR*c/b)

U2=UR- (UL*a/b-UR*c/b)

顯然，當去重點事先選定后，很容易依據從支撐點測量到的不平衡量UL和UR確定應去重量U1及U2。

半硬支撐的平衡機，其工件轉速在w0附近，因而靈敏度高。它對地基的要求介于硬支撐和軟支撐之間。

(6)我廠平衡機類型及曲軸去重

美國引進的平衡機屬于軟支撐型，而新采購平衡機（日本）屬于半硬支撐型。由此，我們不難得出兩臺機床在使用和保養中應注意哪些問題的結論。

兩臺設備的曲軸去重點都是10°、130°、190°、250°四個點。

常見的曲軸驅動方式有摩擦輪驅動、皮帶輪驅動、端部驅動和虎殼驅動四種。我廠的美國平衡機為端部驅動，這種驅動方式對聯軸節要求很高，需要經常進行補償和對聯軸節做調整。

去重量點理論上越少越好，這樣可以減少工件的內應力。

2 數控部分解析

2．１硬件構成

該系統使用FANUC公司POWER MATE-MODEL D系統。硬件部分這里不做詳細介紹，細節請查閱數控部分的說明書。

2．2加工程序分析

經過比對工藝過程，對程序做了詳細解析，弄懂了CNC程序流程。詳解如下：

O0001（WORK 2.2L）；2.2L發動機曲軸加工主程序。

#100=-190；快進行程變量賦值。

#101=125.4；切削速度變量賦值。

#102=530；最大切削深度變量賦值。

M98 P1001；轉到O1001程序。

M30；程序結束。

O0002(WORK 2.5 L)；2.5L發動機機加工主程序。

#100=-190；快進行程變量賦值。

#101=-125.4；切削速度變量賦值。

#102=530；最大切削深度變量賦值。

M98 P1001；轉到O1001程序。

M30；程序結束。

O1001；加工子程序1。

G91 G30 Z0；回原點。

IF (#1032 EQ 0) GOTO 30；如果#1及#2頭應去重深度變量#1032=0，

轉到N30。

M03；主軸起動。

#110= #1032 AND 4095；取#1032的前12位送#110。

IF(#102 LT #110) GOTO 10；如果#102（最大切削深度）小于

#110（應去重深度），轉到N10。

IF(#102 GE #110) GOTO 20；如果#102（最大切削深度）大于

#110（應去重深度），轉到N20。

N10 #110= #102；把最大切削深度值賦給#110。

N20 #110=-#110；#110取反。

#110= #110/10；#110值/10。

G90 G00 Z #100；快速進給到#100（將接觸工件）位置。

M98 P1003；轉到O1003程序。

N30 M53；通知PLC加工結束。

G91 G30 Z0；返回原點。

M05；主軸停止。

N40 M99；返回主程序。

O1003；加工子程序2。

M03；主軸起動。*（沒必要）。

IF (#1014 EQ 0) GOTO 45；如果#1014=0，轉到N45。

M55；通知PLC將進行一次去重量的低八位傳送。

#121= #1032 AND 255；取應去重深度的低八位，賦給#121。

M56；通知PLC將進行一次去重量的高八位傳送。

#122= #1032 AND 255；取應去重深度的高八位，賦給#122。

M54；通知PLC數據傳送完成。

#124= #122×256；把去重量高八位后加八個零，賦給#124。

#123= #121+ #124；把去重量的全部十六位合并，賦給#123。

#123= #123/10；一次去重量#123/10。

#123=-#123；#123取反。

#125= #123+5.0；設置中速移動的終點坐標，賦給#125。

G90 G01 Z #125 F1500；中速移動到#125位置。

G90 G01 Z#123 F#101；工進（慢速）去掉全部超重量。

GOTO 55；轉到N55。

N45 G90 G00 Z#100；快速進給到將接觸工件位置。

IF (#1015 EQ 1) GOTO 50；如果#1015（接觸工件，即開門信號）

=1（為真），則轉到N50。（#1015由NC的#1頭開門標志寄存

器5006及#2號頭的開門標志寄存器5306自動賦值）。

G91 G31 Z-10.0 F#101；如尚未接觸工件，則慢速進給，試探接觸

工件位置。接觸后，跳到下一步執行。

#500= #5061 + 0.0；把開門實際位置坐標值#5061賦給#500。

#502= #100+(-10.0)；快進行程#100再向前10 mm所在點的坐標賦

給#502，作為打刀檢測點坐標。

IF (#502 LT #500) GOTO 50；如果#502小于實際開門坐標#500，

鉆頭未斷，程序轉到N50。

M50；否則為打刀，向PLC報警。

G91 G30 Z0；動力頭退回原點。

M05；主軸停。

M99；返回主程序。

N50 G90 G01 Z#500 F#101；如未打刀，則繼續進給到#500位置。

N55 #504= #110+0.0；應去重深度#110加修正值，賦給#504。

#112= #504；#504賦給#112。

#113=-99.9；設步進進給量變量#113=-99.9。這個數值不是實際

使用值，實際值要在調試中確定。

#114=0.0；設步進后退量變量#114=0。這個數值也不是實際使用

值，實際值要在調試中確定。

以上兩步是采用動力頭的進二退一法，以進行倒屑。

#115= #113+0.5；步進進給量加修正量賦給#115。

#116= #114+0.5；步進后退量加修正量賦給#116。

N60 IF(#112 GE #113) GOTO 70；如果剩余去重量大于步進進給量，

說明即將鉆到頭，轉到N70。

G91 G01 Z#113 F#101；按步進進給量工進切削。

G04 P1；停留1秒。

G91 G00 Z#114；按步進后退量快退。

G04 P1；停留1秒。

G91 G00 Z#116；再后退0.5mm，即后退到#116位置。

G04 P1；停留1秒。

#112= #112-#115；計算剩余去重量，賦#112。

GOTO 60；回到N60繼續切削。

N70 G91 G01 Z#112 F#101；切掉最后的剩余去重量。

G04 P1；停留1秒。

#510= #5021；終點坐標#5021送#510。

M57；通知PLC把#510值送數據存儲器。

N80 M99；返回主程序。

上面的所有變量均為帶符號數。坐標的變化為動力頭向前為負，后退為正。對所有比較命令的理解要考慮到這點，否則會得出錯誤的結論。

3不平衡量的測量原理

3．1傳感器原理及檢測

傳感器的結構如下：

圖8：傳感器原理示意圖

顯然，它是靠鐵心振動在線圈中產生的電壓波動來測得不平衡量的。

該傳感器正常使用時，阻抗值在3.8-6.8KW 之間，對地絕緣為10MW以上。如超出這個范圍，則可能已經損壞。

3．2平衡儀硬件結構

CAB150的硬件部分共有十一塊主要控制板卡。從后面看，1-4板為平衡機控制用，5-8板為去重機用，9-11板為主計算機。

以上十一塊板不包括電源部分。

其基本框圖如下：

圖9：CAB750控制方框圖

3．3操作與標定

平衡機的標定是必須的，一般在出廠時做第一次。

值得一提的是，本平衡機標定一次后，在相當長的一段時間內可以不做標定。這是半硬支撐平衡機的特點。

4應用對設備原理的解析指導實踐

正確理解曲軸平衡機這種特殊設備，用于指導實踐，可以明顯地使我們對設備的使用、維護和工藝方法上到一個相當的水平。

最典型的例子就是，在測量系統遇到外界擾動時，會偶發性出現去重量過大，導致鉆頭把曲軸鉆穿的情況，這樣即使對曲軸進行填焊返修，也無法修復。

我們采用了增加鉆頭滑臺位置檢測的方法，在特定位置開關被觸發后，通過CNC接口信號，控制數控程序終止鉆削，并自動退出，同時系統給出報警。

此外，對設備的保養維護、控制外界不確定擾動、周期標定等，也有明確的方向性的指導意義。

審核編輯：湯梓紅