基于磁流变效应的机床主轴在线动平衡技术研究

The project will focus on research of the relation between surface distribution appearance, mass distribution and equivalent eccentric mass of magnetorheological fluid (MRF) due to magnetorheological effect under the combined action of magnetic force, centrifugal force and gravity by the method of theory investigation, simulation and experiment. On the basis of above research, the problem of magnetorheological effect based on-line balancing for machine tool spindle will be studied. Main research content contains : (1) Research on the spatial distribution regularities of magnetic field of MRF in balancing device and the distribution regularities of parameter of MRF after magnetorheological deformation under the external magnetic field; (2) Research on the relation between the surface distribution appearance, mass distribution and equivalent eccentric mass of MRF in balancing device due to magnetorheological effect under the combined action of magnetic force, centrifugal force and gravity; (3) The balancing method study, balancing system design and experiment of magnetorheological online balancing system for machine tool spindle. The aim of the project is to expound the formation mechanism of mass eccentricity of MRF under the magnetic forces, centrifugal force and gravity; and also to reveal the relation between the external magnetic field intensity, rotation speed and equivalent eccentric mass of MRF. In the mean time, the research of the project will provide the basic reference for magnetorheological effect based spindle online balancing techniques，the prototype for structure design and balancing control system of balancing device, and a new approach of online rotor balancing of other industry.

采用理论分析、仿真及实验方法，进行磁流变液在磁场、离心力及重力共同作用下产生流变后引起的表面分布形状、质量分布以及由此产生的等效偏心质量之间的规律研究，在此基础上研究基于以上磁流变效应的机床主轴在线动平衡问题。主要内容如下：(1)磁场作用下平衡腔体中磁流变液内部磁场的分布规律以及流变后参数分布规律研究；(2)磁场力、离心力、重力共同作用下，腔体中磁流变液的分布表面形状、质量分布以及由此产生的等效偏心质量变化规律研究；(3) 基于流变效应的主轴在线平衡系统的平衡方法研究、平衡系统结构设计以及实验验证。项目研究将阐明外加磁场、离心力及重力使旋转腔体中磁流变液产生偏心质量的机制，揭示磁场强度、旋转速度与流变效应产生的等效偏心质量之间的关系，为基于磁流变液流变效应的机床主轴在线动平衡奠定基础，为在线平衡装置的结构设计、平衡控制系统设计提供原型，同时也为其它行业的转子在线动平衡提供新的思路和途径。

磁流变液在磁场作用下会发生质量分布的变化。本项目旨在通过将磁流变效应应用于机床主轴的在线动平衡技术研究。通过实验测定不同磁流变液的性能参数并分析研究，选择合适的类型进行实验。对磁流变液进行有限元仿真，分析不同磁场作用下的磁流变液内部磁感应强度分布。设计测量实验平衡头装置，研究测量方法以及图像处理方法，对不同外加磁场强度和转速下的磁流变液表面分布形貌进行测量并分析不同条件下产生的质量分布、不平衡量分布规律。采用动平衡机进行实验并设计测量装置得到实际的等效偏心质量来验证测量方法的准确性。实验获得了电磁铁线圈电流和失衡质量关系的函数关系，并根据三点平衡原理，完成了失衡校正质量的矢量分解。设计了磁极与腔体一体化的在线动平衡装置、基于LabVIEW平台的振动测量及平衡校正量计算模块和电磁场控制系统，并对振动检测、调速驱动、平衡装置、电磁控制以及失衡量计算软件系统等进行组合，构建了整体在线平衡实验平台。基于构建好的在线平衡实验台开展在线动平衡实验，实验结果表明动平衡后的振动平均降低了75%，从而验证了项目研究的方法和装置在线平衡效果。