刀具机上自动平衡系统

  随着高速切削加工的不断普及，刀具的平衡越来越成为一个关键的问题，它关系到加工的效率、运行的安全性和机床主轴的寿命。

现在常用的刀具平衡方法有：从结构设计上避免不平衡；用钻(铣)的方法在刀柄上去重；附加一个配重；设置径向可调的平衡螺钉；还有通过转动一对可调的平衡环来平衡刀具。所有这些方法都存在一个共同的问题，即必须与平衡仪配套使用，这就增加了购置设备的费用，需要相当长的平衡时间；而且平衡的对象只局限于刀具和刀柄的组件，没有考虑机床主轴存在的不平衡以及刀具装入机床主轴时由于安装的不同心引起的不平衡。

为了克服上述平衡方法存在的问题，必须提出新的平衡概念并开发新的平衡方法。为此，Kennametal Hertel公司推出了一种整体自动平衡系统，即用电磁技术把切削刀具与机床主轴作为整体进行自动平衡(称为整体自动平衡系统 TABS-Total Automatic Balancing System。它能实现刀具在装入机床主轴后，与主轴一起在机床上自动进行平衡。平衡时刀具与主轴一起以工作的转速旋转，整个平衡过程不超过2秒。这种机上平衡方法实现了包括由刀具、刀柄和机床主轴组成的整个旋转系统的平衡。

图1 整体自动平衡系统 TABS

这种平衡方法只要在现有的机床上配置kennametal/Baadyne电磁平衡系统，并采用Kennametal Hertel公司的电磁平衡刀柄就可实现整个旋转系统的平衡。

系统的原理和构成

工作时，两个测量振动的传感器安装在机床主轴的外壳上，测量机床主轴在两个平面上的振动。控制器处理来自主轴外壳上振动传感器和来自刀柄上平衡环位置的信号，借助这三个信号，控制器能测出主轴的转速，相位角和平衡环的位置，并将它们的值显示出来。

图2 平衡系统原理

为了减少振动，控制器首先执行一个自动平衡程序：用一个允许的额定值去比较从机床主轴上测得的振动值，然后，控制器发出传输能量的脉冲信号，帮助调平衡的转子(平衡环)转动到经控制器计算后的位置；最后通过反复的测量、比较与调整，逐渐逼近并最终达到允许的额定值。

刀柄上可转动的平衡环是两个配重的转子，改变两者的相对位置可使整个不平衡得到校正。通常状态下这两个转子由永久磁铁保持在某一位置上，既使非常大的转速变化或剧烈振动也不能改变它们的位置，只有在相应的程序指令下才改变其位置。

在这个系统里还有一个调节架，内部装有与刀柄平衡环位置相对应的线圈环，相当于定子。使用时，它被装在机床工作台上，处于机床主轴行程可达到的范围内，但又不妨碍加工过程和换刀。

平衡过程

为了达到平衡，装有平衡环的刀柄(具)进入调节架里，控制器进行主轴的转速、相位角、平衡环初始位置的非接触式测量。然后，控制器执行一个自动平衡程序，计算刀柄上平衡环的位置。接着控制器发出传输能量的脉冲，从固定的调节架线圈上无接触地把能量传到配重的平衡环上，利用所产生的磁力改变两平衡环的相对位置，达到平衡的效果。

平衡调整可在2秒内完成，而主轴仍以工作速度旋转着。控制器重复执行测量和调整循环，直至达到所要控制的平衡值。

图3 平衡过程图

控制器通过标准的切削参数输出/入口或RS232串行口与机床数控系统进行通讯，借助在线识别和自适应控制参数，能使机床主轴—刀具很快达到一个合理的平衡质量。控制器能通过改变参数精确地设置系统的工作方式、门槛值和用户的允许值。

控制器可以与控制加工的软件同时应用，实时显示有关的数据和图形，如主轴的转速、振动的大小、配重的角位置、平衡修正向量、振动报警和故障信号。此外，该系统还具有用鼠标控制平衡系统以及用手调节平衡重量的位置的功能。

实际效果

采用电磁方法平衡刀具和主轴实现了在机床上按转速大小和主轴——刀具的重量，以0.4～1的级差进行等级为G的平衡调节。这个平衡方法由于减少了高速下刀具的不平衡量，从而提高了加工的精度及表面质量，延长了刀具寿命和保持了机床主轴的精度，它与现有的平衡方法相比是一个创新。