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用于汽车发动机曲轴的全自动动平衡修正系统的研究

作　者: 程涛涛
导　师: 曾胜
学　校: 浙江大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 曲轴动平衡全自动 PLC 遗传算法
分类号: U464
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 43次
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内容摘要

近年来我国汽车工业迅猛发展,每年的汽车产销量以两位数的增长率增长。到2011年,中国汽车的产销量达到了1840万台。汽车发动机是汽车的心脏,其性能的优劣决定了汽车的品质。曲轴是发动机中必不可少的高速旋转部件,由于设计、材质分布不均以及制造加工尺寸偏差等原因,曲轴的质心与旋转中心往往不一致。这样曲轴在高速运转时就会产生噪音和振动,引起发动机部件损坏,降低其使用寿命,最终影响整车的性能。因此必须对曲轴进行动平衡。另外,汽车发动机性能向高转速和高参数方向发展,也对曲轴的动平衡精度等级提出了更高的要求。目前国内传统的曲轴动平衡一般采用手工方式,这种方式无论在效率上还是在精度稳定性上,都无法满足行业要求,因而需要一种自动化水平高、加工效率高且处理精度稳定的全自动曲轴平衡修正系统,以提升产品质量、增加企业效益。国外虽然已有全自动的曲轴动平衡修正系统,但由于其高昂的价格,加上对被加工曲轴的要求较高,因此不能满足我国汽车行业中曲轴动平衡的需要。考虑上述情形,论文借鉴了国内外研究经验,以课题组在转子全自动动平衡修正方面的工作为基础,结合工程实际,研发了用于曲轴的全自动平衡修正系统并制作了实验样机。样机的运行情况表明,工作节拍及平衡精度都已达到设计要求。论文主要完成以下工作：1)对系统的整体架构进行了分析,从机械与驱动和测量与控制两方面归纳了系统必须考虑的问题；2)根据曲轴形状的特殊性,设计并完成了适合曲轴平衡测量和去重加工的机械结构。同时,对其中关键部件的刚度和强度进行了有限元分析计算；3)确定了基于PLC的控制系统,采用触摸屏作为人机界面,分析了系统需要实现的功能,划分了软件功能模块；4)编制了人机对话界面,增强了整个系统在操作上的便利性；5)对曲轴平衡修正过程中的关键技术进行了研究,其中包括自动对刀、自动定位以及一种基于遗传算法的多平面影响系数平衡方法等：6)完成了整个系统的调试和运行。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-11
第1章绪论  11-31
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 转子动平衡理论  12-17
    1.2.1 转子不平衡的表示方法和精度等级  12-14
    1.2.2 转子不平衡的分布  14-15
    1.2.3 刚性转子的两面动平衡原理  15-17
  1.3 动平衡测试机  17-23
    1.3.1 平衡测试机的分类  17-18
    1.3.2 平衡测试机及平衡技术的发展历史  18-20
    1.3.3 动平衡测试机的力学原理  20
    1.3.4 硬支承动平衡测试机的测量原理  20-22
    1.3.5 影响系数法  22-23
  1.4 曲轴的平衡  23-30
    1.4.1 曲轴的结构和平衡特点  23
    1.4.2 曲轴的平衡方法  23-27
      1.4.2.1 定点去重法  24-26
      1.4.2.2 多角度分量法  26
      1.4.2.3 其它平衡方法  26-27
    1.4.3 曲轴动平衡技术及其动平衡机的发展状况  27-30
      1.4.3.1 国外曲轴动平衡技术及其动平衡机的发展状况  27-28
      1.4.3.2 国内曲轴动平衡技术及其动平衡机的发展状况  28-30
  1.5 结束语  30-31
第2章自动平衡修正系统的整体架构  31-38
  2.1 系统的功能描述  31-32
  2.2 机械子系统  32-34
    2.2.1 平衡测试机  32-33
    2.2.2 托起装置  33
    2.2.3 转向装置  33-34
    2.2.4 钻削去重装置  34
    2.2.5 排屑装置  34
  2.3 测控子系统  34-37
    2.3.1 测控系统架构  35
    2.3.2 控制器  35
    2.3.3 振动测量传感器及模拟振动信号处理模块  35
    2.3.4 数字信号处理算法  35
    2.3.5 数学模型  35-36
    2.3.6 测控系统的顺序控制  36-37
  2.4 任务小结  37
  2.5 结语  37-38
第3章自动平衡修正系统的机械结构设计  38-49
  3.1 平衡测试机支承轴承结构  38
  3.2 平衡测试机支承结构  38-41
    3.2.1 支承形式  39
    3.2.2 板簧刚度的校核  39-41
  3.3 平衡测试机驱动装置  41-42
    3.3.1 驱动装置的原动机  41
    3.3.2 驱动装置的驱动方式  41-42
  3.4 平衡测试机托起装置  42-46
    3.4.1 托起装置的结构设计  42-43
    3.4.2 托起装置托起臂的校核  43-46
      3.4.2.1 ANSYS简介  43
      3.4.2.2 有限元模型  43-44
      3.4.2.3 强度和刚度分析  44-46
  3.5 平衡测试机转向装置  46-47
  3.6 平衡测试机钻削去重装置  47
  3.7 平衡测试机排屑装置  47-48
  3.8 结语  48-49
第4章自动平衡修正系统的测控子系统  49-61
  4.1 测控子系统的功能概述  49-50
  4.2 测控子系统的硬件  50-54
    4.2.1 主控制器  50-52
    4.2.2 伺服电机定位控制模块  52
    4.2.3 振动信号A/D转换模块  52
    4.2.4 模拟振动信号调理模块  52-54
  4.3 测控子系统的软件模块  54-59
    4.3.1 初始化模块  54-55
    4.3.2 正常加工模块  55-58
      4.3.2.1 振动量检测子模块  55-57
      4.3.2.2 钻削去重模块  57-58
    4.3.3 单步运行模块  58-59
    4.3.4 其他子模块  59
  4.4 人机对话  59-60
  4.5 结语  60-61
第5章自动平衡修正系统的关键技术研究  61-80
  5.1 影响系数标定方法  61-65
    5.1.1 影响系数法的实现过程  61-65
      5.1.1.1 两平面影响系数的标定  61-62
      5.1.1.2 多平面影响系数的标定  62-65
  5.2 不平衡量自动定位  65-66
  5.3 钻削自动对刀  66-67
  5.4 曲轴的动平衡方法和去重的研究  67-79
    5.4.1 问题的提出  67-68
    5.4.2 多平面影响系数法  68-69
    5.4.3 基于遗传算法的多平面影响系数法  69-77
      5.4.3.1 遗传算法简介  69-71
      5.4.3.2 遗传算法数学模型的建立及有关参数的选取  71-72
      5.4.3.3 遗传算法中模型参数的选取及结果分析  72-77
    5.4.4 曲轴不平衡量去重模型及去重策略  77-79
      5.4.4.1 去重模型的分析  77-78
      5.4.4.2 去重策略的选取  78-79
  5.5 结语  79-80
第6章实验验证、结论及展望  80-86
  6.1 实验样机  80-81
  6.2 实验结果  81-84
    6.2.1 信号处理  81-82
    6.2.2 影响系数的验证  82-83
    6.2.3 平衡效果  83
    6.2.4 处理时序分析  83-84
  6.3 课题结论  84
  6.4 后期展望  84-85
    6.4.1 平衡方法的进一步升级  84-85
    6.4.2 控制系统步骤的优化  85
  6.5 结束语  85-86
参考文献  86-90
附录1：电气结构安装图  90-91
附录2：攻读硕士学位期间研究成果  91

用于汽车发动机曲轴的全自动动平衡修正系统的研究

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