（机械电子工程专业论文）智能砂轮半自动平衡装置软硬件开发.pdf

摘要 摘要 在磨削加工中，砂轮不平衡量引起的振动对磨削过程有很大的影响，严重制 约了磨削表面质量和精度的提高。因此，在磨削加工中，保持砂轮平衡是提高和 保证磨削质量的重要举措 本课题来源于山东省基金资助项目，为解决磨削加工过程中磨床砂轮的平衡 精度问题，开发出一套基于单片机技术的成本低廉、操作简单的智能半自动砂轮 平衡装置。 本文主要就砂轮平衡技术及其不平衡量识别理论和智能砂轮平衡系统的软 硬件设计方面展开了系统研究。 首先对砂轮不平衡量引起的振动进行了理论分析，建立了砂轮不平衡量与前 支撑振动量之间的关系的数学模型。 建立基于最小二乘技术的不平衡量识另q 模型，并且导出了典型识别公式，平 衡试验表明，最小二乘方法能有效地抑制测量误差的影响，大大提高了识别与平 衡精度。 开发研制不平衡量现场识别测试及控制系统，该系统以单片机为核心，通过 检测砂轮旋转时的不平衡量引起的振动信号，并按照设定算法对其进行数据处 理，得出砂轮不平衡量的振动幅值和相位，然后停机人工拨动砂轮自身携带平衡 块进行平衡校正，系统操作简单方便并且价格低廉。试验验证，此系统可以显著 降低由砂轮不平衡引起的振动，效果良好 关键字：砂轮动平衡滤波控制系统 l i j 东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h e 黟蛐p r o c e s s ，t h ev i b r a t i o nc a u s e db yt h eu n b a l a n c eo ft h eg r i n d i n g w h e e l , w h i c hh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c e ，s e r i o u s l yr e s t r i c t st h eb - u l 点a c eq u a l i t ym a d t h e p r e c i s i o n se n h a 丑c e m e n t t h e r e f o r e , m a i n t a n i n gt h eg r i n d i n gw h e a lb a l a n c ei s 越 i m p o r t a n tm e a s r r ei ng u a r a n t e e i n ga n de n h a n c i n gt h eg r i n d i n gq u a l i t y t h ep r o j e c ti so r i g i n a t e df r o mt h es h a n d o n gp r o v i n c ef u n d si t e m t os o l v et h e b a l a n c ep r e c i s i o no ft h eg r i n dw h e a li nt h eg r i n d i n gp c 髑s ，8c h e a pa n ds i m p l e i n t e i l i g e n t i z e d 蚓m i - a u t o m a t i ea b r a s i v ew h e e lb a l a n c es y s t e mi sd e v e l o p e d , w h i c hi s b a s e do nt h es i n g l e - c h i pt e e l m o l o g y s y s t e m a t i cs m d i e sa l - oc a r r i e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h eb a l a n c et e c h n o l o g y o f g r i n d i n gw h e e l s , t h eu n b a l a n c ev a l u ei d e n t i f i c a t i o nt h e o r ya n dt h eb a l a n c es y s t e m d e s i g n i n gi n c l u d i n gt h es o f t w a r ea n d t h eh a r d w a r ed e s i g n i n g ： t h et h e o r e t i ca n a l y s i si sm a d e t h ev i b r a t i o nc a u s e db yt h eu n b a l a n c eo ft h e g r i n d i n gw h e e lm a t h e m a t i cm o d e li 8e s t a b l i s h e dw h i c hr e l a t e st h ef i r s t 舭r p p o l t sa n d t h eu n b a l a n c ev a l u eo f t h eg r i n d i n gw h e e l al e a s ts q u a r em o d e lt oi d e n t i f i c a t i o nu n b a l a n c ev a l u eo f8 f i n d i n gw h e e l si s e s t a b l i s h e d t y p i c a lf o r m u l a sa l f oi n d u c e df o rc a l c u l a t i n gu n b a l a n c ev a l u ea n dp h a s e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h en 鲥m e t h o di ”o p o s e dc a ne f f e c t i v e l yr e s t r a i n t h ee f f e c to f m e a s 砸e m e n te r r o ra n dg r e a t l yi n c r e a s et h ep r e c i s i o n am e a s m e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e df o ri d e n t i f i c a t i o na n db a l a n c e c a l c u l a t i o n t h es y s t e mi sb a s e do nt h es i n g l e h i pt e c h n o l o g y f i r s t , i tt e s t st h e 、，i b m f i e ns i s a ld u r i n gt h er o t a t i o no f t h eg r i n d i n gw h e e l s e c o n d , t h ec p u p r o c e s s e s t h es i g n a ld a t aa c c o r d i n gt ot h es c h e d u l e da r i t h m e t i ca n dc a l c u l a t e st h er e s u l t s l a s t , s t o pt h eg r i n d e ra n dc a r r yt h eb a l a n c eb l o c kw i t h i nt h eg r i n d e rt h r o u g ht h em a n - p o w e r t ot h eb a l a n c er e v i s i o n p o i n t t h i ss y s t e m i s s i m p l ea n di n e x p e n s i v e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t b - mc o u l dr e d u c et h ev i b r a t i o nc a u s e db yt h e u n b a l a n c eo f t h eg r i n d i n gw h e e le f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：g r i n d i n g w h e e l d y n a m i c a le q u i h b r i u m f i l t e rc o n t r o ls y s t e m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名：羔盔盎 e 1 期：论文作者签名：垂z ：苗期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 蝴：曼盔盔名：啦日期：碑韭i 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 在机械制造中，精密磨削加工往往是零件加工的最终工序，磨削过程决定了 零件的最终形状和尺寸精度，并直接影响零件的使用性能，研究表明，在磨削过 程中，使零件表面产生波纹、圆度误差等的最主要因素是砂轮与工件之间的相对 径向跳动。引起这种跳动的原因有工件刀具传动系统的扰动以及砂轮不平衡引起 的主轴振动两个方面【2 】【阍。最主要也是最不稳定的振源就是砂轮轴系的不平衡振 动。一方面砂轮由分布不均的大量颗粒组成，材质的不均致使先天的不平衡无法 避免；另一方面，当砂轮装到磨床上后，砂轮安装的偏心度以及砂轮厚度的不匀， 必将恶化砂轮的不平衡。既便一旦仔细地调到平衡，也很难保持美国m a i p o s s 公司进行的研究表明，即使质量最好的砂轮安装在磨床上后也不会完全平衡【1 4 】 由于上述因素，整个砂轮系统的质心偏离主轴中心，砂轮轴系运转时将引起磨床 振动，因此磨削加工时将会在工件表面留下振纹，造成加工误差，严重制约着磨 削表面质量精度的提高。再加上砂轮的磨损和经常修整外沿，可以说，磨床砂轮 的旋转动能特征始终处于变化之中因此，调整砂轮平衡历来是磨削加工过程中 的一个重要步骤，在进行磨削加工前必须对砂轮进行平衡。 另一方面，随着磨削过程自动化的发展，数控磨床、磨削加工中心等也在迅 速发展，在这些磨削设备中，为实现加工过程自动化，除了对磨削过程进行自动 控制外，还必须自动完成磨削精度的自动测量、砂轮自动休整及自动平衡等辅助 生产过程。因此，砂轮自动平衡技术是磨削过程自动化不可缺少的重要环节。 消除砂轮不平衡对加工质量的影响，早期的方法是将砂轮安装于特制芯轴 上，再将其放在水平放置的平行导轨上，若砂轮在任何位置均能静止，则认为砂 轮已经达到平衡状态。否则调整砂轮法兰上的平衡块的位置，直至砂轮达到平衡 为止，这种方法称为静平衡法。显然这种方法需要特制的心轴、专用的平衡架、 还要在机外进行平衡，耗时费力，而且平衡精度不高。 电子技术的发展推动了砂轮平衡技术的发展。人们利用现代电子技术和控制 理论开发研制了便携式砂轮平衡系统，这种系统主要是通过对砂轮轴所产生的振 山东大学硕士学位论文 动信号进行测量以判定其不平衡状态，通过传感器测量信号，然后经过放大滤波， a d 转换，最后通过微处理器对采集的信号进行处理，分析得出振动信号特征， 调整平衡块的位置直到所测得振动量在要求的范围内，则砂轮即达到了要求的平 衡状态。这种仪器可以在线进行操作，使用灵活方便，平衡精度较高，在机械加 工行业得到了广泛的应用。 随着对加工自动化程度要求的提高，人们希望整个加工过程完全自动进行， 无须人为干预。要达到这样的标准需要一种能够自动检测砂轮不平衡状态、自动 调整平衡状态的装置，即砂轮自动在线平衡系统。 欧美发达国家动平衡技术开发比较早，产品比较成熟。砂轮在线平衡系统的 应用比较普遍。比较典型的是采用机械补偿，手动滤波，人工控制平衡过程的砂 轮在线平衡系统。国内砂轮平衡系统的研究始于二十世纪八十年代，所形成产品 的特点是：机械补偿，电机驱动，手动设定滤波挡，人工控制平衡过程。 本文基于对砂轮动平衡原理的分析，尝试应用最小二乘技术对砂轮不平衡量 进行识别，开发研制一种低成本、易操作、使用方便灵活的砂轮平衡系统。 1 2 砂轮动平衡技术分类 砂轮动平衡技术按其自动化程度可分为3 大类：即人工平衡，半自动平衡 和自动在线平衡【埘 1 2 1 人工平衡 人工平衡是将砂轮从磨床上卸下，支撑在平衡架上，通过调整砂轮法兰盘上 的平衡块，使砂轮在平衡架上的任何位置都能停转为止。这种脱机的平衡方法很 不方便，而且受平衡导轨精度、平衡芯轴圆度、摩擦力及操作者技术水平的影响， 平衡精度受到一定限制，而且要花费很多时间，尤其是对精密和超精密磨削需要 分初平衡，精平衡，并经过多次拆装砂轮，平衡时间长，使用也不方便，此外， 这种方法最大的缺陷是未能考虑到由于砂轮本身材质分布的不均匀，在磨削过程 中砂轮表面磨损以及吸附冷却液不均匀造成的新的不平衡这个更显著的影响【3 】 人工平衡的平衡精度低，平衡时间长( 5 - 2 0 r a i n ) ，常用作砂轮的静平衡及精 细平衡的预平衡。 2 第一章绪论 1 2 2 半自动平衡 半自动平衡是利用传感器在磨床工作转速下，用一套测量装置，通过一定的 算法，检测出不平衡量的大小和相位，然后停机拨动法兰盘上的平衡块来减少不 平衡量，反复多次操作，使平衡精度不断提高。这种平衡装置结构简单，操作方 便，不需要装拆砂轮即可实现，而且对操作者的技术水平没有特别的要求且成本 较低。 1 2 。3 自动在线平衡 自动在线平衡是在砂轮工作转速下自动识别不平衡量的大小和相位，并自动 完成平衡工作。与传统的平衡方法相比，具有平衡效率高，平衡精度高，操作简 便，不依赖于操作者技能等特点；又由于其对砂轮状况进行实时在线监测，能够 将砂轮的平衡状况始终控制在高速磨削加工过程中所要求的精度范围内 因此，在精密和超精密磨削以及磨削自动化的发展过程中，砂轮半自动平衡 及砂轮自动在线平衡技术成为一项不可缺少的关键技术，在生产中有着重要的意 义和广泛的应用前景。 1 3 砂轮自动在线平衡技术简单介绍 对自动在线平衡系统，从采用的结构形式上主要分为液体式，气体式和机械 式【1 1 。 1 3 1 液体式平衡系统 液体式平衡系统的平衡头一般是由4 个圆环形空腔组成，如图1 1 所示；其平 衡原理是通过空腔内容纳的液体来补偿砂轮的不平衡，每个储液腔有一个半径各 不相同的进水槽，而每一个进水槽与一个由电磁阀控制的喷水嘴相对应，因此通 过不同的喷水嘴就可向不同的储液腔注入一定量的液体，实现砂轮的平衡；整套 系统结构较复杂，必须每周清洗滤液器，喷流液也需及时更换。液体式平衡系统 一般平衡精度以振动位移量计为0 1 - , 4 ) 3 u m ，平衡时间一般为2 3 m i n 山东大学硕士学位论文 1 3 2 气体式平衡系统 4 图1 - 1 液体式平衡系统 阴 气体式平衡系统平衡头由4 个扇形密封腔体组成，如图l - 2 所示。其平 衡原理是两两相通的腔体中灌有液态气体，且在每个腔体中装有加热棒，通 过振动传感器拾取振动信号和相位，控制器发出信号使偏重腔加热棒通电， 气体由液态变为气态，经管道进入相对腔，使气体在相对腔遇冷还原为液态， 补偿不平衡量，使砂轮获得平衡。这种平衡装置平衡精度以振动位移量计为 o 2 o 3 u m ，平衡时间为2 2 0 r a i n 。气体式平衡装置的特点是结构简单，没有 开口，喷嘴，阀门，平衡滑块等运动零件，因此性能可靠，不需维修，使用 方便气体冷却还原为液态，保留在原来密封的腔体内，即使砂轮停转，仍 能保持平衡状态。由于这类平衡系统是利用密封的气腔来维持压力，因此一 般比液体式和机械式平衡系统复杂和昂贵 图1 - 2 气体式平衡系统 第一章绪论 1 3 3 机械式平衡系统 高速和超高速磨床上常用的机械式平衡系统的平衡头是通过电机径向移动 金属配重块m l 和m 2 来补偿砂轮的平衡，如图l - 3 所示。用来控制平衡头内电 机启动，停止和转动方向的控制信号传输，常用红外遥控方式和光电控制式。如 图l - 4 所示为光控砂轮平衡装置原理图，电动机的驱动动作通过平衡头内的受光 元件接收砂轮罩上的发光元件所发出的信号控制，即在完全不接触的状态下，由 静止的一侧( 砂轮罩) 将信号传至回转的一侧( 平衡头) ，使驱动电动机驱动丝 杠螺母移动，从而实现砂轮不平衡量的补偿。整个光电控制系统包括光检测电路 和控制电路两部分，前者由发射二极管、光敏三极管及其相关电路组成；后者由 信号保持电路、电动机正反转驱动电路等部分组成。装在砂轮罩壳上的4 个发光 二极管分别控制2 个电动机的启动、停止和转动方向。机械式平衡装置的平衡精 度以振动位移量计为0 3 , - 0 5 u m ，平衡时间3 l o m i n 图1 3 机械式平衡系统 图1 - 4 光控砂轮平衡装置原理图 综上所述，自动在线平衡装置都需要另加一套平衡装置及相应的平衡介质， 操作方便，但同时结构复杂，成本较高。 5 山东大学硕士学位论文 i i 4 国内外砂轮平衡技术发展现状及典型产品分析 2 0 世纪8 0 年代以来各工业发达国家相继投入大量人力、财力，研究开发高速 切削及相关技术。美国、日本和德国等工业发达国家在超高速磨床上均采用了自 动平衡系统。 1 4 1 美国s b s 磨床在线砂轮平衡系统 8 0 年代末，美国生产出了一种被誉为：“世界上最先进的磨床在线砂轮平衡 系统一s b s 电脑化磨床砂轮平衡系统”。该装置直接装于砂轮主轴端部，在砂轮全 速转动并加冷却液的条件下，由微机确保高精度的砂轮平衡，效率比静平衡法快 1 0 0 倍，振动量降低一个数量级，对磨削精度的提高起到立竿见影的作用，对消 除磨削振纹效果极佳。因此得到了广泛的推广应用。 该装置( 图1 5 ) 由平衡头、传感器和微机装置构成，不平衡量由传感器检测， 检测到的信号被送入控制器，控制器通过r p m 滤出不平衡量所产生的信号，控制 器根据这些信号通过电机、精密齿轮系驱动两个平衡块朝着振动减小的方向移 动，当平衡块移动到振动最小位置时，平衡结束。这种装置的平衡头能够很方便 地安装在机床主轴上，简单准确。 图1 - 5 1 4 2 德国h o f m a n n 公司生产的砂轮液体式自动平衡装置 德国h o f m a n n 公司生产的一种砂轮液体式自动平衡装置，已在高速和超高磨 床上得到了广泛应用，其主要技术指标为：采用p i d 微处理系统实现闭环控制； 测量的砂轮最高转速：6 0 0 0 0r m i n ：测量的振动位移量：0 0 1 9 9 9m ；平衡 时间( m i n - m a x ) ：1 0 3 0 0s ，重新平衡大约需5s ；平衡精度以振动位移量计为： 第一章绪论 0 0 5 1 0m 平衡系统框图如图1 6 所示： 图l 6 在线动平衡系统控制框图 砂轮不平衡量u 是通过冷却液补偿的，见图1 - 7 ，冷却液被喷射到环状储液腔 中，平衡量k 可分解为v 1 和v 2 ，压电振动传感器被固定在主轴承上以检测不平衡 量的大小，而不平衡量的位置是通过相位发生器检测的，通过检测和控制单元所 检测的不平衡量通过控制v l 和v 2 的相应补偿量达到平衡，即通过控制单元控制 电磁阀，将经过过滤的冷却液喷射到对应的环形腔内，实现系统的平衡。 图l _ 7 不平衡质量与补偿质量矢量图 1 4 3 国内砂轮平衡技术现状 近年来，由于国家对机床工具行业的大力扶持，我国在高速高精度磨削的科技 攻关和产业化，行业的产品结构、产品水平方面有了很大的改善和提高。尤其近 年来各种新兴硬脆材料( 如陶瓷、光学玻璃、光学晶体、单晶硅等) 的广泛应用更 推动了高速磨削技术的迅猛发展。进而国内对砂轮自动平衡系统的研究也做了许 多研究和开发研制工作，并处于逐步完善之中。 由浙江汽车齿轮厂研制的z p d - - 1 8 砂轮全自动动平衡仪由平衡头、振动传感 器、电脑控制箱三部分组成。 7 山东大学硕士学位论文 1 平衡头：最大平衡能力为l s o o g - c m ，最高工作转速为3 0 0 0 r r a i n ，重量为2 5 k g 2 振动传感器：灵敏度为6 0 嘶v s ，l 。频率范围为l o 5 0 i i z ，外形尺寸为 0 3 0 m m x 7 5 m m 3 电脑控制箱振动频率测量范围为5 1 5 0 也( 3 0 0 9 0 0 倒越n ) ，振幅测量范围 为0 3 9 9 1 u n ，自由平衡状态下的振动位移 1 的整数) 等分，无论 其初相位为何值，其n 个函数值之和等于零。 性质2 ：一个正弦( 或余弦) 函数，在2 石的k ( k 为整数) 倍周期上取值时，无 论初相位如何，只要等分点数n k ，则n 个函数之和为零。 根据以上性质对式( 2 1 3 ) 进行化简得： | 】b 4 1 3 + h a l 一4 ，4 2 - e 4 2 c o s ( 只一力= o 柚 “ ( 砒) ( 2 - 1 4 ) l4 2s i n ( 岛- e ) = o 这就是最小二乘法识别不平衡量的基本方程。实际应用时可根据n 的具体取 值作进一步简化。 2 4 2 典型识别公式 上一节所得基本方程( 2 1 4 ) 适用于n 2 的任何配重点数，但n 过大时，现 场使用不便，软件设计成本增高，因此，常用两点法( n - - 2 ) ，三点法( n - 3 ) 及 四点法( n - - - - - 4 ) 进行砂轮平衡。下面给出这些典型方法的最小二乘识别公式。 ( 1 ) 两点识别公式 当n - - - 2 时，由式( 2 1 3 ) 直接进行简化。由性质1 可得式2 - 1 3 第一方程的 第二项及第二方程的第一项为零，又因为 纠= 警扯 二曷 所以 酬蚋= 吉曷酬蚋= 曷 代入式( 2 - 1 3 ) 化简得： j 船降协 【c o s 口= 击( 4 2 一钔 这就是两点法识别公式。 ( 2 ) 三点识别公式 当n - - 3 时，有： 即翻= 溉 l：一蝴 j s i n ( 2 ，r 3 一回= ( 写s 0 + s i n e ) 2 【s i n ( - 筝一回= ( _ 石c o s 占+ 如刃2 r i c o s ( 胡) = c o s j c o s ( 2 万3 一d ；c - c o s 口+ 石如刀，2 【c o s 寺一刃和o s 压咖卵 将上述公式代八( 2 - 1 4 ) 整理j 得o k 辫 泣 【彳r + 硝，+ g = o 其中； j纠一蛰 协仂 【g = 丢( - 2 4 2 + 4 2 + ) c o s 口+ 譬( - 鬈+ a 2 ) s i n 占 ( 3 ) 四点法识别公式 当n - - 4 时有： 2 0 第二章原理分析与系统设计 f 蝴一d = 血= 一咖口 。麓三 及 s 妈一回= c o s ( 棚= c o s e m s ( e , 一回= c o s ( 2 一d = s i n o c o s ( o , 一刃= s 防一刃= 一c o s o c o s 一刃= c 0 8 ( _ 3 7 r 一回= 一s i n 口 秽= 再2 - - 4 f 2 4 r + 卫4 ，+ g = o 其中： fp 小 喜砰 k 丢( 叫2 + 髯) c o s 一丢2 + 钔咖护 同样可以导出n 为其它值时的识别方程。 2 5 识别算法设计 2 5 1 相位角的确定 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 由2 4 2 所述，采用最小二乘多点法时，其相位均为一形式为辔口= 三的简单 ) ， 算式，因此，容易求得相位大小，只是在2 ，r 范围内口有双值，可根据分母y 的 符号判定。若娜劂口：t g 1 三；反之，若则，则：9 = t g 一1 三+ ，r ， ， 2 5 2 幅值计算 幅值计算实质是对一个实系数三次方程爿r + p a f + g - - 0 的求解并且总有 p o ，则表明试验配重过小，应加大配重) ，因此，至少存在一个正实根 对于求解方程，可以采用直接法或迭代法，由于迭代法比较方便，这里我们 采用迭代法 2 1 山东大学硕士学位论文 设厂( a o = a 1 3 + 州l + q 则：f ( a 0 = 3 a 1 2 + p 迭代方程为： 迭代判据为： ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) e 1 0 。，即可满足精度要求。 其算法流程图在第四章的软件设计部分介绍。 2 5 3 迭代初值 利用牛顿迭代法求解高次方程的幅值解时，为使求得的幅值为真实值，提供一 个在真实值附近的初始值是必要的，为此，将式( 2 - 1 1 ) 舍去误差项岛，代入式 ( 2 1 4 ) 第一个方程得； n d l 3 + 以，+ 彳匹群+ 似，2 c o s 一回一2 彳，c o s 2 一劝= o 简化可得： a 1 2 一三宝4 2 ：0 ni i 可得出： 忙辱 ( 2 - 2 3 ) 此式即为未考虑误差影响时的不平衡量大小的基本计算公式。最小二乘的最 优解一定在彳，轫附近，这样即保证了解的正确性，又保证了迭代收敛性。 第二章原理分析与系统设计 2 6 不平衡量的校正 根据上述求出的不平衡量的大小和相位，将砂轮上的平衡块移到适当的位 置，即可实现砂轮平衡。 砂轮上有两个平衡块时，其平衡位置应对称分布于原始不平衡量磊的垂直 平分线上，两个平衡块所产生的离心力应与原始不平衡量届的大小相等方向相 反。 由于试验配重均采用砂轮上的原有平衡块，质量为m ，移动半径为r ，所以 平衡能力为e = m 由式( 2 - 4 ) 得砂轮的不平衡量为： = 鲁互2 署 若采用两个平衡块进行平衡，平衡方程为： 届= 署= 撕叫 则校正位置角为： ，：c o s - i l ( 2 - 2 4 ) ，2 删1 面 i 图2 - 7 两平衡块平衡位置示意图 若采用三个平衡块，则平衡方程为： 山东大学硕士学位论文 磊= 署= 2 r , ” c o s 力+ 聊 校正位置角为： = c o 一岛一争 图2 - 8 三平衡块平衡位置示意图 ( 2 - 2 5 ) 在实际平衡操作时，首先由秒决定磊的方位，再根据上述校正角公式求出 ，角，将平衡块布置在届的负向垂直平分线上，e p - j 实现砂轮平衡。 2 ，7 刻度盘设计 为了使平衡块在砂轮上定位准确，我们设计出一刻度盘，如图2 - 9 所示，该 刻度盘最小刻度为1 0 ，由此造成的误差为： 可以满足精度要求 等悟2 1 s 螂。) 净3 畅 0 第二章原理分析与系统设计 9 0 2 7 0 图2 - 9 刻度盘 2 8 智能砂轮平衡仪控制系统总体设计 平衡仪控制系统整体框架如图2 1 0 ，该测量系统由压电式加速度计拾取振动 信号，经过放大滤波等数字调理电路，进入a d 转换，送入单片机进行数据处 理，按照算法要求，计算出振动信号幅值和相位，后经显示模块显示。 显示模块为1 2 位显示，分别用于显示原始不平衡幅值，校正角，原始不平 衡相位。按键功能控制0 度、1 2 0 度2 4 0 度位置处不平衡量的测量及显示 根据显示初始不平衡相位值和校正相位角来调整平衡块进行砂轮平衡。 山东大学硕士学位论文 2 9 本章小结 图2 1 0 测量系统框图 本章节主要进行了砂轮振动信号频谱分析，进而分析影响砂轮振动的主要 因素；建立了砂轮振动模型，得到砂轮架的振幅与不平衡振幅成正比的结论；研 究传统不平衡量识别方法，提出基于最小二乘技术的不平衡量的现场识别新技 术，建立了基于最小二乘技术的识别模型，得出最小二乘三点识别法的典型公式， 作为系统设计的理论依据。介绍了识别算法及校正方法，最后提出了系统总体设 计的框架。 第三章硬件系统设计 第三章硬件系统设计 本章节主要介绍智能砂轮平衡系统的硬件设计，主要包括信号调理模块，滤 波模块，主系统扩展模块，数据采集模块及键盘和显示模块。信号调理模块主要 完成由传感器出来的高输入阻抗微弱电荷信号转换成可直接测量的电压信号；滤 波模块过滤掉振动信号外的噪声信号；数据采集模块实现对振动信号的采集；键 盘模块控制采集过程和显示输出；显示模块主要用来显示原始不平衡量大小，初 始相位角，校正角及校正后不平衡振幅值 3 1 信号调理电路设计 我们采用压电式加速度计完成振动信号的采集，由于传感器的输出电信号是 很微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出信号能量甚微，不可直接测 量，因此，通常把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换 以后，进行测量、放大及处理这里我们基于前置放大器原理设计一阻抗变换器。 3 1 1 前置放大器的作用及原理嘲埘 前置放大器的作用有两点：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出； 其次是放大传感器输出的微弱电信号。其形式有两种：其一是用电阻反馈的电压 放大器，其输出电压与输入电压成正比；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其 输出电压与输入电荷城正比。 一般来说，电压放大器结构简单，可靠性强，但电压前置放大器所配接的压 电传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容、传感器自身电容两变化；传感器绝缘 电阻的下降又势必恶化测量系统的低频特性。而电荷放大器有消除由于电缆长度 变化和低频响应等原因引起的测量误差的特征。鉴于电压放大器的电压灵敏度随 引线电容改变丽给测量带来不便，六十年代后基本由电荷放大器所代替。 电荷放大器实质上是一个输出电压量和输入电荷量成正比的前置放大器，它 由带电容负反馈的高输入阻抗、高增益的集成运放组成，它的作用是将压电传感 器输出的高阻抗电荷信号转换为低阻抗的电压信号，其等效电路图如图3 - 1 所示。 其中压电传感器等效为带电荷的电容器e ，其泄漏电阻为k ，e 是传感器电缆 山东大学硕士学位论文 电容，马和g 是运算放大器的输入电阻和输入电容，a 为运算放大器开环增益。 由于放大器是电容反馈，对于直流工作点相当于开环，因此零漂很大。为了工作 稳定，减小零漂，在反馈电容c ，两端并联一个反馈电阻吩，形成直流负反馈， 以稳定放大器的直流工作点。 r f q 图3 - 1 电荷放大器等效电路图 把q 、母等效到运算放大器的输入端时，等效电阻r = 巧( 1 + a ) ，等 效电容c = c ，( 1 + a ) ，如果忽略放大器输入电阻局和反馈电容并联的漏电阻碍， 此时放大器的输入阻抗等于运算放大器本身的输入电阻c 和折算到放大器输入 端的电容c 并联的等效阻抗，由于q 、c - 与传感器的内部电容乞和电缆电容e 并联，因此，压电传感器产生的电荷不仅对反馈电容充电，同时也对其它所有电 容充电。此时放大器的输出电压为： = 虿舌利坼 d 所以放大器的输入电压为： q 5 酉百雨- q 而砑5 雨看 2 ) 由于a 1 ，因此，式中：( 1 + c ， c l + e + q ，此时，传感器自身电容乞、 电缆电容c c 和放大器输入电容g 均可忽略不计，放大器输入电压可表示为： 第三章硬件系统设计 一号 。 式中负号表示放大器的输入信号和输出信号反相。可见，电荷变换级的输出 电压仅与传感器产生的电荷量及电荷放大器的反馈电容有关，电缆电容等其它因 素的影响可以忽略不计，式3 - 3 表示，理想情况下，电荷放大器的输出电压玩正 比于传感器的输出螨q ，其比例系数为专 由于输出灵敏度可取决于负反馈电容c ，所以电荷放大器的灵敏度的调节 都是采取切换运算放大器负反馈电容c ，的办法般g 越小，电荷放大器的灵 敏度越高。e 值过大会引起灵敏度下降，一般取g i o c , 在实际线路中的运 算放大器开环增益为1 0 4 1 0 6 数量级，反馈电容c ，一般大于l o o p f 。 当压电传感器与电荷放大器联用，并且压电传感器的自身绝缘漏电阻足够高 时，系统的低频下限主要由电荷放大器的反馈电容与反馈电阻决定，即： 五2 面1 虿 3 _ 4 ) 式中：五为系统的低频下限( - 3 d b 点) ； r ，为电荷放大器的反馈电阻，一般可取1 0 1 0 q 以上； c ，为电荷放大器的反馈电容； 3 1 2 阻抗匹配器及放大电路设计 这里我们利用上述原理设计一个结构简单，成本低廉的阻抗匹配装置来实现 高输入阻抗不易测量的电荷信号到低输出阻抗方便测量的电压信号的转换。 此电路实现两个功能：( 1 ) 实现阻抗变换，把传感器的高输出阻抗变换为低 阻抗输出。( 2 ) 实现信号放大。 由于压电式传感器的晶体阻抗很高( 1 0 1 0 q ) ，阻抗变换装置的输入阻抗必 须与之相匹配。美国a d 公司生产的精密低功耗单片运算放大器输入阻抗达到1 0 ” q 左右，可以与压电晶体的阻抗相匹配。所以在本阻抗变换装置中，我们采用a d 山东大学硕士学位论文 公司的a d 5 4 9 进行设计，其输入阻抗差模为i x l 0 ”以上，共模为0 8x1 0 “以上 输入偏流最大为1 0 p a ，是理想的高性能放大器。它的共模抑制比大于7 6 d b ，输入 噪声小于4 i i v p - p ，超低失调温漂小于2 p v ，失调电压小于2 5 0 l l v 。由于其输 入阻抗高，耗电小，所以很适合作为微弱信号前置放大器等要求精度高的场合。 电路原理图如图3 2 所示 图3 也阻抗匹配及放大电路原理囹 此阻抗变换器的频率响应由反馈电阻r 1 和反馈电容c 1 确定，其低频截止 频率为： 曷= l 2 缸r lc i = 1 6 i - i z 针对实验磨床m g l 4 3 2 a 的角速度1 6 7 0 转分来说，其不平衡量所引起的振 动信号应该为频率为2 7 8 1 - 1 z 左右的信号，此截止频率足够实现对此信号的测量。 其中r 2 为运算放大器a d 5 4 9 l 的过载保护电阻，避免a d s 4 9 l 的输入过高而 破坏。 两级放大电路，可通过调节可变电阻r 4 调整放大增益，满足信号要求。 3 2 带通滤波电路设计 在工作条件一定的情况下，根据式2 - 4 ：届= ( 4 4 ) 互，只要求出振幅比 厶，4 ，就可求取砂轮不平衡量的大小。这样通过测量磨床砂轮架振动的幅售 可以来确定砂轮不平衡量的大小。 但是在实际测量过程中，由于各种振源和随机干扰信号，使测量得到的信号 是含有多种频率成分的混频信号，如果用此信号表示砂轮不平衡量的大小，必然 第三章硬件系统设计 会造成很大的误差。因此，为了获得与砂轮同频的信号，必须去除干扰信号，这 样滤波是必不可少的工作 本文采用带通滤波方式，带通滤波器的中心频率与砂轮的旋转频率相同，通 过滤波提取出与砂轮旋转频率相同的振动信号，使输入的混频信号经此带通滤波 器后输出单频信号，也就是砂轮不平衡量所