（电气工程专业论文）砂轮在线自动平衡系统测控单元的研制.pdf

台肥工业火学硕士学位论文 第l v 煎 砂轮在线鑫动平鹜系统测控单元的研制 摘要 本课题来源予机械加工行业高速磨削设备配套攻关顼 目，为解决加工过程中磨床砂轮的平衡精度与效率问题，开 发出全自动的砂轮平衡系统，为提高工件的加工质量和加工 效率提供融有效的手段。 本文基于对砂轮动平衡原理、质量补偿单元对测控的要 求及平衡过程信号特征酶研究，根据黧悫外砂轮平衡技术发 展的趋势，提出了系统测控单元的总体设计方案，重点解决 了信号的采集与处理的精度和速度等问题。采用较新型的数 字信号处理芯片( d s p ) 鞠数字集成技术进行应用系统设计及 整机运行控制的软件设计。 实践证锈；本文提獭的设计方案兼顾了平衡过程中诸多 影响因素，完全满足砂轮在线自动平键测量精度、速度及可 靠性的要求。整机系统原理可靠，设计合理，测量精度高， 信号跟隧速度快，满足隧标机麓配套使惩，达到了预定露标。 关键字：砂轮平衡测控攀元隔波采样隔波处灌 d s p 技术 是! ! 三些盔兰堡生堂垒堕塞 墨j ! 里 d e v e l o p i n g t h em e a s u r i n gu n i to ft h ea b r a s i v ew h e e l o n l i n ea u t o m a t i cb a l a n c i n gs y s t e m a b s t r a c t t h e p r o j e c t i s o r i g i n a t e d f r o mr e l a t e di t e mo fh i g h s p e e d g r i n d i n ge q u i p m e n tf o rm a c h i n i n go p e r a t i o n 。t os o l v et h eb a i a n c e p r e c i s i o n a n d e f f i c i e n c yp r o b l e m o fa b r a s i v ew h e e li n g r i n d e r p r o c e s s i n g a na u t o m a t i ca b r a s i v ew h e e lb a l a n c e s y s t e m l s d e v e l o p e d ，w h i c hp r o v i d e sa ne f f i c i e n tw a y t oi m p r o v et h eq u a l i t y o ft h ew o r k p i e c e s a no v e r a l l s y s t e mm e a s u r i n gu n i td e s i g np t a r t i s p r o p o s e di n t h i s p a p e r o nt h eb a s i so fa b r a s i v ew h e e l d y n a m i cb a l a n c i n g p r i n c i p l e ，r e q u i r e m e n t o fq u a l i t yc o m p e n s a t i o nu n i tt om e a s u r i n g a n dt h er e s e a r c hi n f o r m a t i o no fa b r a s i v ew h e e lb a l a n c i n gt e c h n i q u e f r o mh o m ea n d a b r o a d k e yp r o b l e m s a b o u t s i g n a l c o l l e c t i o n ， s i g n a l t r e a t m e n tp r e c i s i o n & s p e e dh a v eb e e ns o l v e d ，t h e l a t e s t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) d i s c a n d d i g i t a li n t e g r a t i o n t e c h n i q u e h a v eb e e na d o p t e di n t h e s y s t e md e s i g n a n ds o f t w a r e p r o g r a m m i n g 。 i ti s p r o v e dt h r o u g hp r a c t i c et h a tt h ed e s i g np l a n i nt h i sp a p e r t a k e sv a r i o u s b a l a n c i n g f a c t o r si n t oc o n s i d e r a t i o n a n dt h e m e a s u r i n gp r e c i s i o n ，m e a s u r i n g s p e e d a n d r e l i a b i l i t y a r e o v e r e x p e c t e d ，w i t h i t sr e l i a b l e p r i n c i p l e a n dr e a s o n a b l ed e s i g n ， t h e p l a n h a s h i g hm e a s u r i n gp r e c i s i o n a n dh i g hs i g n a lf o l l o w i n g s p e e d t h ep e r f o r m a n c ei s e x c e l l e n ta n do v e r p r e d i c t e d k e y w o r d s ：a b r a s i v ew h e e l ，m e a s u r i n gu n i t ，w a v eis o l a t e d t r e a t m e n tw a v eis 0 1 a t e ds a m p l i n g ，d s p t e c h n i q u e * y 一 肥工业大学硕士学位论文 第l i i 甄 独创性声明 率人声叫所呈交的学位论文足本人竹甘师指抒下边行的i i | _ 究t 作发戢柑的研究 戒来。籍我搿知，豫了文中转嗣抽鞋括注和致谢的地方辨，论文申习；包臂其他 已 经发袭戏撰写i 蔓的研究成果t 也水包含为获犍 佥脞羔般叁堂 或其他教育帆 构的学位或证粥而使用过由勺材料。与我一司工作的同志对奉研究所做的任何贡献均 嚣程论文孛器了蛾臻熬说蟠势衰示辩慧。 攀位论文作者控名 学位论文版权使用受权书 奉学位论文作者完全了解 叠鲻工业塞璺有关保留、使用学位论文的规定， 蠢戡秣瓣菸囊瓣家有关帮门域蜣美遴交论戈瓣菱露搴 靼避纛。兔诲论文被盔瓣荨l l 俯触。本人授椒垒趟工些厶拦町“将学位论文的全部或部分内容编入柯关数槲 席通行榆蒙，町鞋采埔彩印、缩印绒扫描等复制手段谋存、汇编学位论文。 ( 供攒的学位论文在解辩居适用奉授救书) 举位论文作者签名 即奶 攘# 1 1 期：如岁年7 尼 学位论文作肯毕业后去向： t 作单位：洛刚科技股份有限公司仪器部 矮裰她驶：港戳枣润褒噬舂转鼹一号 * i i i 一 导师签名 筵字爨蠲q 牮尹月。 1 i b 衍；f 0 3 7 9 ) 4 8 8 l3 55 郏缡；4 7 0 3 9 乏乙 乌 宣堡三些型堡圭璺垡垒塞一一一一一堡l ! ! ；蔓 致谢 在本文完成之际我深深感谢我的两位导师，合肥工业大学李志远教授和 洛阳轴承研究所王希舜高级工程师( 正研级) 。 两位导师对于本文的撰写工作倾注了大量的心血，对于本文的选题、修 改乃至定稿进行了悉心的指导，提出了大量的修改意见。两位导师渊博的学 识、严谨的学风、热情坦诚的为人给我留下了终生难忘的印象。两位导师的 言传身教将成为我今后学习和工作不断进步的动力。 感谢合肥工业大学汽车学院的领导、教师对我在读期间的培养、关怀。 感谢洛阳轴承研究所各级领导和有关部门同志，为我顺利完成学业所做 的大量工作。 最后，我谨在此向曾经和将要在答辩中给予我帮助的所有老师和同事 再一次表示深深地感谢i 作者 2 0 0 3 年3 月 台肥工业大学硕士学位论文 符号清单 销l x 页 惯性力系主矢 惯性力系主矩 第j 个微小质点的质量 第j 个微小质点到z 轴的距离矢量 第j 个微小质点产生的离心惯性力 刚性回转体总质量 刚性回转体到z 轴的距离矢量 第j 个微小质点到原点0 的距离矢量 刚性回转体对x 轴的离心惯性积 刚性回转体对y 轴的离心惯性积 剩余不平衡率 平衡精度等级 称为谐波系数 信号的直流分量 轴系的旋转角速度 一次谐波的幅值 一次谐波的初相角 振动位移 振动位移的振幅 振动位移的角频率 离散样点值 | | | | ；| ；| | ； ；| o | ! | | | ! | ； | | 协 卟 吣拓_ 孝 “ 卟“ 吣“ m 轧 鹏 台肥工业大学硕士学位论文 第l 页 前言 磨削加工中由于砂轮质量不均匀、安装误差、冷却液吸附不均匀等原因使砂 轮的惯性主轴偏离回转中心，于是产生附加离心惯性力。附加离心惯性力作用于 砂轮轴使其产生振动，即所谓不平衡。这种现象导致磨削加工质量劣化，甚至造 成机床异常磨损，降低机床的使用寿命。 随着轴承加工技术的进步，人们试图消除由于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心轴上，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，则认为砂轮己达到平衡状态。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。这种方法轴承行业称之为静平衡法。 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， 关键是平衡精度比较低。 微电子技术的发展推动了砂轮平衡技术的进步，人们开发了便携式动平衡 仪。便携式动平衡仪通过对砂轮轴所产生振动的测量判定其不平衡状态，调整平 衡块的位置直至所测得的振动值在要求的范围内，则砂轮达到要求的平衡状态。 此类仪器使用灵活简便、平衡精度高，在机械加工行业得到了广泛的应用。 随蓿现代轴承制造业的发展，轴承加工装备的自动化程度越来越高，人们希 望整个加工过程完全自动进行，无须人为干预。要达到这样的目标需要一种能够 自动检测砂轮不平衡状态、自动调整平衡状态的装置，即砂轮在线自动平衡系统。 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 应用非常普遍。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。近十年来砂轮在线平衡系统的研究取得了较大的进展。美国、 意大利、德国等发达国家均推出了新一代砂轮在线平衡系统。新一代产品的特征 是：微处理器控制、自动跟踪滤波、自动检测、自动补偿并锁定。平衡精度达到 亚微米级。资料显示：最新产品除具备上述特点外，还具有系统故障自渗断、 机床振动状态谱分析、多通道测量等功能【2 】。 国内砂轮在线平衡系统的研究始于二十世纪八十年代，所形成的产品的特点 是：机械补偿、电机驱动、手动设定滤波档、人工控制平衡过程。近年来，砂轮 在线平衡技术的研究开发比较活跃，研究方向主要集中在砂轮在线自动平衡相关 技术的研究丌发。 本文基于对砂轮动平衡原理的分析、质量补偿单元对测量与控制的要求及平 衡过程信号特征的研究，捉出了系统测控单元的总体设计方案，重点解决了信号 的采集与处理的精度和速度等问题。实践证明：本文提出的设计方案兼顾了平衡 过程中诸多影响因素，较好地满足了砂轮在线自动平衡测量精度、速度及可靠性 的要求。 密嬲王韭夭学硬士学霞论变 嫠2 蔓 第1 章国内外砂轮动平衡技术发展水平 。 秽瓣动平饔技寒发麓缀嚣 砂轮黢机动平衡仪的研发早于一九六o 年代，但全自动智能化在线平衡技 术的研究开发始于二十世纪七十年代。八十年代中期一些欧美发达园家生产的 加工设备融经开始配备砂轮糕线平衡系统。这个时期的产品豹特点是：机械李 偿、毫壤豁动、搜表籀示、入王控铡平餐透露。葵平餐精度、系绞可靠整、镬 角寿命酃存在一定闯题。进入九十年代，砂轮谯线平衡技术得到7 空前的发展， 各种类型的砂轮在线平衡数鬣相继问世。从平衡头的结构形式肴，有以液体为 平衡介质的产品和以刚体为平衡介质的产品 商采用极坐标校正方式的产品， 也有采用分量校正方式的产龋。从测控系统看，采用了微处理器控制、数字显 示， 偿鞭动也采翅了萌二多灏没诗。九卡年代数产鑫兹平鬻精震、系统霹靠性、 捷瑟寿命郝较翠焱静产蕊蠢鞍丈的提高。一些产菇已经实现了全蠹动工作循环， 郎自动跟踪滤波、自动检测、自动校征并锁定，此外还增加了机脒撅动谱分析、 系统故障囱诊断、多通道测缀、联机通讯等功能。 对砂轮在线平衡技术的研究正在不断深入。除了对不平衡量跟踪补偿方式 等闯题的磷究探索外，研究王佟主要集中在逡步攥裹平衡精度、系绞可靠瞧 窝壤魇寿余等方瑟。 1 2 圉内外典型产品分析介绍 目前蕊内外砂轮在线平衡装置已有多种产晶问世。产品的平搬髓力，控制 方式，逡痰转速范邂，不乎缀霪翁羚接方式各蠢不弱。毓不平簿爨毒 绥方式上 可划分为液体补偿式和机械静偿式两种。 1 2 1 液体质量补偿式 滚体艨爨於偿式具有代表壤豹产品夺，美甏h o f f m a n 秘y d r o k o m p e n s e f 产 品f 3 j 窝荚黼b a l a d y n ec o r p o r a t i o n 产品i 4 卜嗣。 h y d r o k m o p e n s e r 产品的特点是： 控制系统采用微处理器控制，手动设定振动滤波量，半自动平衡：适用砂 轮直径3 0 0 1 0 6 8 m m ；适应砂轮转速1 0 0 0 4 0 0 0 转，分；平衡时间2 3 分钟。 台肥工业大学硕士学位论文 第3 页 平衡头采用磨床冷却液作为平衡介质。平衡头由周向均布四个蓄液室和一套连 通蓄液室的液流喷射系统构成。微处理器根据砂轮的不平衡状况控制喷入蓄液 室的液体体积以达到砂轮平衡。因蓄液室为开放结构，磨床每次停车，平衡状 态即因液体流失而破坏。此外，当蓄液室灌满后，须将蓄液室内的液体排放干 净，以便再次使用。这种装置一般比较庞大。在使用中需要定期清洗过滤器， 更换喷液阀。 b a l a d y n ec o r p o r a t i o n 产品特点： 控制系统采用微处理器控制，适用砂轮直径3 0 0 1 0 6 8 m m ；适应砂轮转 速1 0 0 0 7 0 0 0 转分；平衡时间3 0 6 0 秒，平衡精度0 2um 。平衡头采用c b r 2 f 2 ( 氟里昂) 作为平衡介质。平衡头由周向均布的四个密封蓄液室和套加热系 统构成。微处理器根据砂轮的不平衡状况控制加热器将蓄液室中的c b r 2 f 2 加 热，液态c b r 2 f 2 受热气化，通过连接相对两蓄液室的导管流向对面的蓄液室 冷凝，致使平衡头质量分布发生变化，从而达到砂轮平衡。这种装置结构复杂， 制造困难、使用维护难度较大，且不符合环保要求。 1 2 2 机械补偿式 采用刚体质量补偿原理的砂轮在线平衡系统比较多，比较有代表性的有美 国s c h m i t ti n d u s t r i e s 生产的s b sb a l a n c es y s t e m 和意大利m a r p o s s 的 m p mg te l e c t r o n i c 等。 s b sb a l a n c es y s t e m 的特点： s b sb a l a n c es y s t e m 的控制系统采用微处理器，全自动控制，数字显示， 适用砂轮直径范围1 5 0 1 2 2 0 r a m ：适应砂轮转速5 0 0 8 0 0 0 转分：平衡时间 3 0 6 0 秒，平衡精度0 1 m ；使用压电加速度传感器测量振动，传感器的灵 敏度0 0 0 1 9 。平衡头的设计应用刚体质量补偿原理。微处理器控制电机驱动平 衡块移动，以达到砂轮的动平衡状态。与液体质量补偿式产品相比其结构简单， 使用方便可靠。由于采用了新型滑环结构，其使用寿命大大提高，从而减轻了 使用维护的工作量【7 】f 1 。 二十世纪九十年代中期研制的s b 一2 5 0 0 8 】砂轮在线平衡系统已经实现了微 处理器控制、指触数字显示、全自动平衡。能够自动巡报平衡状态变化、监测 诊断系统故障，可进行机床振动谱分析，并具备远程通讯功能。s b 3 5 0 0 8 】在 原型基础上增加了多通道测量功能。测控单元各有二至四个通道供选择，用户 可根据需要用于多磨头磨床或多台磨床。各通道的振动量自动巡报在控制单元 的显示屏上，同时也由测控单元的r s 一2 3 2 接1 ：3 输出。c n c 主控单元可通过 r s 一2 3 2 接口收集机床振动历程信息及平衡过程数据。各通道的自动巡报时间 间隔可用主控制面板的按键通过r s 2 3 2 接口选调。 合j l , - t = 业大学硕士学位论文 第4 页 1 9 9 9 年该公司又推出了新一代砂轮在线自动平衡系统的测控单元 s b 4 5 0 0 1 】【2 】【1 0 】型。除具备老产品的功能外，在结构上采用内置多个驱动卡槽， 用户可根据需要配置不同的功能卡，如：单通道测卡、双通道及四通道测卡、 双路声音信号分析卡等。通过菜单选择可实现以下多种功能：1 ) 平衡选择： 设置门限电平、容限范围和临界电平。2 ) 与c n c 磨床通讯的r s 一2 3 2 接1 3l 发 置，修改波特率，显示对应通道的逻辑状态，将数据传送给主控系统，积累设 备状态变化的信息。3 ) 进行磨削过程及设备运行中的声音分析监控。4 ) 背景 振动分析。手动设置转速范围选择滤波器工作频率，测量各种工作频率下机械 振动信号状态，并将结果以图表显示。5 ) 手控平衡和自动平衡二种模式。6 ) 平衡速度选择：精细平衡、快速平衡、正常平衡。7 ) 动平衡信息：a 。选定振 动参数( 1 - tm 、m i l 、um s 、m i l s ) 的量值；b 。通道号；c 。转速；d 。图标 显示动平衡过程中振动信号的变化。8 ) 自诊断。 资料表明s b s 系列产品又有新型平衡头问世【9 】 1 1 】，如：内置式刚体质量 补偿平衡头和液体质量补偿式平衡头。内置式平衡头可安装在砂轮轴孔内，这 样既可以避免安装位置干涉又可以使校正面处于最佳位置。s b s 液体质量补偿 式平衡头适用于高转速砂轮的平衡，其最高适用转速可达3 0 0 0 0 转，分。 在世界上影响较大的还有意大利m a r p o s s 的产品【1 3 】【1 5 】。其产品的特 点是：微处理器控制，适应砂轮直径3 0 0 1 0 6 8 m m ，适用砂轮转速1 0 0 0 5 0 0 0 转，分，测量精度0 0 1um ，压电加速度传感器灵敏度0 0 0 1 9 。平衡头为刚体 质量补偿式。m a r p o s s 平衡系统的测控单元e 7 8 和e 8 2 是系列中最新产品。 其共同特点是：微处理器控制，工作参数程序化设置，确保最大工作效率。菜 单式结构功能选择：可设定振动值和闽值参数；测量单位( um 、i n c h 、m m s ) ； 工作模式( 手动、自动) ；扫频：语言( e n g l i s h 、f r e n c h 、g e r m a n ) ：通过数 字和图形进行信息显示。以标尺和数字形式给出振动量；系统的工作条件和振 动状态以一系列图形给出。数字化显示r p m 、告警、工作运行过程。 m a r p o s sb a l a n c i n gs y s t e m 的平衡头为刚体质量补偿式，分为内置式和 外置式。外置式可安装在砂轮法兰上，内置式可安装在砂轮轴孔内。平衡头的 信号传递又分为接触式、离合式和非接触式。接触式平衡头以碳刷和滑环传递 控制信号和动力，在机床工作过程中碳刷滑环直处于摩擦状态，因此零件磨 损问题比较突出；离合式平衡头采用驱动与补偿分体结构。在平衡过程中驱动 与补偿联为一体，控制信号和动力通过驱动部分传递给补偿部分。平衡过程结 束，驱动与补偿脱离以避免磨损：非接触式平衡头以压缩空气为动力驱动补偿 机构运动。 4 合肥工业大学硕士学位论文 第5 页 1 2 3 国内典型产品 国内砂轮动平衡系统具有代表性的是无锡新峰机械配件厂生产的b e x x x x 产品【18 1 ，其特点是：平衡头采用刚体质量补偿原理，平衡头的驱动控制 信号和动力通过电机的碳刷滑环传递；使用c d 一1 型磁电式速度传感器测振； 手动滤波；人工控制平衡过程；平衡精度：0 1 0 5hm ；振动量单位um 。 1 3 在线自动平衡的技术研究 近年来国内一些科研院所对砂轮在线平衡控制技术展开了研究，并在有关 学术刊物上介绍了研究成果。其中比较有特色的是上海交通大学欧海涛等人撰 写的基于9 8 单片机红外遥控通讯的智能化砂轮自动平衡系统 1 9 l 。其技术 特点是：以9 8 单片机为控制核心，采用加速度传感器感应振动信号。采用加 速步长与最优步长相结合的控制算法优化搜索过程，通过9 8 单片机双机红外 遥控通讯的方式控制砂轮不平衡量的补偿。系统的主单片机通过串行口发出控 制信号，驱动红外发光二极管，将数字信息变成串行红外脉冲信号发射出去， 送至平衡头中( 从单片机) 的串行口输入端，经解码处理还原成控制指令，给步 进电机提供控制信号，驱动补偿系统工作。在平衡头中安装了一台微型交流发 电机，输出的交流电压通过整流滤波、稳压得到稳定的电源，提供给平衡头内 的控制电路和步进电机使用。这一成果的最大贡献在于实现了控制信号的非接 触传递。这套系统比较复杂，其稳定性、可靠性及对现场工作环境的适应性有 待工程验证。 在日本的有关刊物上也刊登了介绍采用红外信号传递方式控制平衡头动作 的文章，其平衡头内驱动质量补偿的电能由蓄电池提供，蓄电池连续工作若干 小时后需要充电【2 “。 以红外信号作为平衡头驱动控制的信号传递方法构思新颖、设计巧妙技术 成熟，特别是车间环境下其抗干扰能力强，故具有较高的工程价值。 1 4 综述 综合上述分析，作为具有实用价值的工业产品，砂轮在线平衡系统的测控 单元应具有以下功能：手动、自动二种操作方式；粗、精、正常三种平衡工作 模式；便于现场操作的多参数设置和便于操作者调试的菜单结构功能选择；数 字化、图形化信息界面；与c n c 控制系统通讯及故障自诊断自保护功能。 采用刚体质量补偿原理的补偿单元具有结构简单、可靠性高的特点。其关 鱼塑王些查堂堕主兰垡丝苎蔓旦里一 键在于控制信号和动力的传递。采用集流环传递控制信号和动力磨损在所难免。 s b s 和m a r p o s s 的产品在这方面都有相应的措施使磨损大为减轻。然而最根 本的解决方案应是采用非接触传递方式。 国外的砂轮在线平衡系统多采用加速度传感器测振。加速度传感器的灵敏 度为0 0 0 1 9 。在低频端对振动位移量的分辨能力是有限的，在3 0 0 0 转，分才能 分辨出0 ，1um 的位移量，转速越低其分辨力越低。因此加速度传感器适用于 较高的工作转速。对应不同的工作转速，选用合适的传感器，对于系统感知信 号的灵敏度是十分重要的。 总体上讲，砂轮在线自动平衡系统设计的总体目标是：高精度、高效率、 高可靠性、长寿命。还应注意尽量使结构简单、使用维护方便。 6 鱼! ! 三些奎兰堡主堂丝丝苎羔l l ! ! 一 第2 章原理分析与设计 2 1 砂轮平衡的基本原理 几乎所有的回转体都存在不平衡问题。对于加工设备而言，这种现象影响轴 系的旋转精度，导致加工质量劣化，甚至会降低设备的使用寿命，在高速加工的 场合尤为严重。为了解决上述问题，通常要对回转体进行平衡。对磨床砂轮的平 衡就是一个典型范例。 磨床砂轮的平衡具有其特殊性。这是因为在磨削过程中砂轮的损耗、磨削液 的吸附、砂轮密度的不均匀、砂轮安装误差等因素致使砂轮的平衡状态始终处于 变化之中。为了获得比较高的加工精度，需要将砂轮的平衡状态控制在一个允许 的范围内。控制砂轮的平衡状态一般需要对砂轮的平衡状态进行监测，根据监测 结果对砂轮平衡状态进行适时调整，以使其符合要求的平衡状态。 2 。1 1 砂轮的平衡原理 任何回转体都可以看作是由无数微小的质点组成的。在其旋转过程中，这些 微小质点产生惯性离心力。这些离心惯性力构成了一个惯性力系。根据 图2 1旋转体平衡力系示意图 - 7 - 台肥工业大学硕士学位论文 第8 页 理论力学原理，这个惯性力系可以简化为回转体的主矢和主矩，如图2 1 所示。 该图为一任意形状的刚性回转体以等角速度u 绕固定z 轴旋转。取z 轴上任一点 作为坐标原点，记为0 。根据理论力学原理可知，刚性回转体上无数个质点产生 的离心惯性力向0 点简化的结果：得到此惯性力系的主矢r o 和主矩m o 。用矢量 表示为： r 。= = m ，2 0 = m 国2 k ( 2 1 ) = m o o2 峨= p ，乃 ( 2 2 ) ( 2 3 ) i = 国2 、厩i 乒 ( 2 4 ) 式中m r 一第i 个微小质点的质量k g ： r j 第j 个微小质点到z 轴的距离矢量m ： f r - 一第j 个微小质点产生的离心惯性力 n ； m 刚性回转体总质量k g ： r c 刚性回转体到z 轴的距离矢量m ； p r 一第j 个微小质点到原点0 的距离矢量m ： j y z 刚性回转体对x 轴的离心惯性积k 9 m 2 ； j z x - - - 刚性回转体对y 轴的离心惯性积k g m 2 ； 由上式可知，主矢r o 的大小与原点o 的位置无关，而主矩m o 的大小则与 原点o 的位罱有关。刚性回转体在旋转时，主矢和主矩的方向也随之发生变化， 对轴承产生交变动压力。所以刚性回转体平衡的充分与必要条件是其惯性力系向 任一点简化所得到的主矢和主矩都为零。式2 1 、2 2 中，由r o = o 可推出r c = 0 ， 即z 轴必须通过质心c ；式2 3 、2 - 4 中，由m o = 0 可推出j y z = o 及j z x = 0 ，即z 轴必须是刚性回转体的一条惯性主轴。要使一不平衡刚性回转体成为平衡的刚性 回转体，需要重新调整其质量分布，使其中心惯性主轴与旋转轴重合。 对于典型的砂轮轴系而言，砂轮与砂轮轴及皮带轮构成一个二支承的准刚性 回转体。符合刚体的平衡原理，可以应用刚体平衡方法对其进行平衡。高精度磨 床砂轮轴系通常具有比较高的刚度，且砂轮轴经过动平衡，因此在砂轮平衡过程 中往往忽略砂轮轴系平衡因素的影响，仅考虑砂轮自身的平衡问题。 砂轮的平衡一般采用质量补偿原理，即在砂轮校正面上安置校正质量( 平衡 块) ，调整平衡块的位置，使其旋转轴与中心惯性主轴相重合，于是砂轮达到平 衡。 台肥工业大学硕士学位论文 第9 页 2 1 2 评定方法 由式2 1 可知，刚性回转体的惯性力系的主矢r o = m 2 r c 。为了排除转速 的影响，通常将u = mr 称为不平衡量。工程中可以用u = mr 来确定校正质量和 校正半径。一般说来，回转体越大，允许的剩余不平衡量也越大。为了便于比较 两个不同质量的回转体的平衡状况，采用e = iui ，m 来描述回转体的平衡情况。 e 为剩余不平衡率，又称单位不平衡量。 国际标准化组织推荐：以质心c 点旋转时的线速度e u 为平衡精度的等级， 记为平衡精度等级g ，单位m m s 。并以g 的大小作为精度标号。精度等级之间 的公比为2 5 。共分g 4 0 0 0 、g 1 6 0 0 、g 6 3 0 、g 2 5 0 、g 1 0 0 、g 4 0 、g 1 6 、g 6 3 、 g 2 5 、g 1 、g o 4 共十一级【2 1 1 。 平衡精度等级g 与偏心距e 之f h j 的关系为： g = eu 1 0 0 0 砂轮的平衡精度较少采用上述评定方法。这是因为砂轮平衡大多是现场作业 而不是在平衡机上进行。在这种条件下，求解砂轮的剩余不平衡量是比较烦琐的。 为了适应现场作业简便、快捷的要求，在工程实际中，当讨论同一类回转体或相 近条件的回转体的精度时，多采用砂轮轴前轴承处拾取的振动位移峰值来衡量平 衡精度水平的高低。这种方法简便直观，因此应用较广。本设计采用的是后一种。 即是测出砂轮动不平衡量引起的振动位移量，单位：um 。通过振动位移量来描 述砂轮不平衡的状态，借以采取相应的措施进行平衡校正，直至使振动位移量达 到允许的范围。 2 2 整机构成和工作原理 砂轮在线自动平衡系统由机械部分和测量控制部分组成。机械部分包含了 平衡头和电磁驱动器。平衡头由齿轮、传动轴、轴承、壳体、铝盘等部件构成。 测量控制部分由测振传感器、测速传感器和测控箱组成。测控箱含前置板、数字 板、功率板、智能系统板、显示模板、供电部分。整机结构如图2 2 所示。 测振传感器拾取振动信号，测速传感器拾取主轴转速信号，测控部分完成信 号采集、分析处理、结果显示、人机对话、驱动控制等功能。整机可进行多种选 择：连线全自动平衡、单机自动平衡、手动点动平衡、菜单式辅助功能选择。连 线全自动平衡与单机自动平衡的区别在于是否受控于c n c 磨床的控制中心，其 自动平衡过程基本相同。手动点动平衡和菜单选择主要用于辅助调试和参数预 置。 - 9 一 鱼! ! 三些查兰堡主堂垡丝壅已竺! ! 一 图2 2 拯机结构 在常态下，平衡头与铝盘随着主轴同步旋转：当整机进入自动平衡状态时， 测控系统自行判断主轴同频振动信号的位移幅值是否大于预置值，当振动位移幅 值大于预置值时，启动电磁驱动器工作。电磁驱动器带动平衡头的齿轮传动系统， 重新进行质量分布。这时测振传感器感应到的是不断变化的振动信号，当检测到 被测信号达到预置值时，驱动器停止工作，平衡头的质量补偿状态被锁定，平衡 过程结束。 整机的工作流程，如图2 - 3 所示。开机后系统自检主轴同步脉冲信号是否正 常。非正常时，显示“e r r o r l ”信息。正常时系统进入一般的振动测量状态，显 示动不平衡量引起的振动位移幅值和相位及主轴转速，同时等待输入命令。连线 全自动平衡受控于测控箱开关和机床控制中心。当测量值大于预置值时，开关打 在连线档，控制中心发出允许平衡信号，整机进入全自动平衡状态，同时向主机 发出忙信号；自动平衡结束后，信号解除。菜单中的功能主要用于辅助测量、辅 助调试。其内容包括被测量的参考值、进入精细平衡与粗平衡界限值，平衡过程 的圈数、电磁驱动器的驱动电流等八种参数的预置；机床主轴同频的振动测量( 平 均值、最大值、波动值、3o ) ；查询电可擦写数据存储器的内容或预置参数的初 始化。 1 0 图2 - 3 整机运行流程图 2 3 测控单元的设计目标与工作原理 根据整机技术指标和机械部分对测控的要求，在充分调研的基础上确立了测 控单元的设计目标，该单元应具有对动态信号快速跟踪、快速反应、精确测量的 能力；自动进行p w m 驱动控制；数据显示直观、人机对话方便，抗干扰能力强、 性能稳定的特点；多参数选择便于现场调试；带有自诊断、防死循环及机床振动 状态测量；各有i oe l 和r s 2 3 2 串行1 3 与c n c 设备通讯等功能。 为了实现上述目标；本设计中采用了数字信号处理专用芯片作为测控系统的 核心，8 0 个字符的液晶模板显示信息，前置电路与数字电路高度集成化，高性能 台肥工业大学硕士学位论文 第1 2 页 专用集成模块作为功率驱动，人机对话菜单式，程序设计模块化。 测控单元的构成及工作原理如图2 - 4 所示：测控单元由智能控制、前置信号 处理、数字信号处理、功率驱动、液晶显示模板、按键组合、电源几部分组成。 智能控制是整机的核心，完成对被测信号的采集、分析处理；输入输出信息交换； 整机时序运行；p w m 脉冲对驱动单元的控制。前置信号处理主要完成将传感器 拾取的机械振动信号，根据数字信号采样定理和后序电路的匹配要求，进行信号 变换后提供给a i d 转换。数字信号处理主要包括了锁相同步电路和接i q 电路。锁 相同步电路是将砂轮轴转速信号倍频，供其他电路使用。接l z l 电路主要完成主控 芯片与外围芯片之间逻辑与时序的匹配。功率驱动是在主控信号的作用下，向电 磁驱动器提供需要的控制电流。液晶模板与按键组合构成人机对话、信息交换。 电源部分采用了测量与驱动单独供电方式。 厂_ 厂啊1 i 测振传感器h积分器 l ，一一一一l ，j 图2 - 4 测控单元工作原理框图 测振传感器拾取机械振动信号供给前置电路进行积分变换，将振动的速度量 转换成振动位移量；程控放大器在微处理器的控制下自动进行量程转换；数字跟 踪滤波器抑制其他的机械干扰；电平移动电路将双向电压信号转变为模数转换器 所需要的单电压信号；测速传感器拾取主轴的转速信号，经整形、锁相倍频作为 1 2 - 鱼! ! 三些奎堂堡主兰堡堡苎兰j 三：! _ 采样间隔控制、转速测量和数字滤波的时钟脉冲；微处理器完成对被测信号的采 样分析处理、脉冲捕捉、p w m 脉冲输出、人机对话和测量结果显示等各种控制。 2 4 目标实现的几个要点 根据砂轮在线自动平衡原理和机械平衡系统的要求，测控单元的设计应能满 足0 1um 的分辨率，6 0 0 转，分一8 0 0 0 转，分的机床主轴工作范围。测振传感器 的选用、被测信号的取样模式和微处理器的功能直接影响指标的实现。以下就有 关的几个方面展开分析。 2 。4 1 测振传痞器的选用 对于振动测量，通常采用压电式加速度传感器和磁电式速度传感器。一般 均不采用位移传感器，因为前两种均系相对测量，而后者往往是相对测量，而 这是我们不希望的。具体应尚须考虑实用的频率范围、测量精度和使用场合。 压电式加速度传感器的高频响应好；如配备合适的电荷放大器，低频段可 低至0 3 h z ：还具有体积小、重量轻、抗冲击、密封等优点。通常的压电加速 度计灵敏度为0 0 0 1 9 。压电式加速度计对于振动加速度响应灵敏度高，但对于 振动位移的响应尤其是低频信号敏感程度较差。 设有一简谐振动，其表达式： x = a s i n ( c o t ) 舳振动的位移 ，4 ：振动的振幅 。：振动的角频率 相应的速度p 和加速度口的表达式2 2 v = a c o c o s ( c o t ) 口= 一a 2 s i n ( t ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 由式( 2 7 ) 可推出加速度计对于灵敏度闽的位移量与频率的关系表达式 台船工业犬学硕士学位论文第1 4 页 a 鬲i 口，甜2i = 硝4 玎2 f 2 = o 0 0 1x9 8 1 06 4 玎3 f2 = 2 4 8 4 9 f2 ( , u r n ) ( 2 8 ) 出表达式( 2 - 8 ) 可船：当加速魔计的灵敏发阕一定对，摄动频率越低，加速 度传感器感受到的振动位移能力趟弱。 l 奠下是摄淤频率、位移蓬、鸯爨速度凝敏度溪三考关系戆诗算表： 表2 1加速度传感器振动响威计算袭 频率( h z )位移量( ur n ) 加速度量( g ) 1 0 2 40 。0 0 1 1 51 1 o 0 0 1 2 0o ，6 2 0 0 0 1 2 30 4 70 0 0 1 2 50 3 9 80 0 0 1 3 00 。2 70 + 0 0 1 3 8o 1 7 2o 0 0 1 4 00 。1 5 50 0 0 1 5 00 0 9 9o 0 0 1 表2 1 表鳃加速度传感器灵敏度成为0 0 0 1 9 时，所熊感应到的不同频零的 振动位移。由表2 1 可见，加速度传感器在5 0 h z 时才能感受到0 1um 的振动 位移垂。采用加速度传感器测量掇动位移对，蠢黠尽餐人翻感觉掇动缀大，毽仪 器反映的振值却很小，其原阑就是传感器对低频振动位移的感应能力差。根据本 课熬要求，至少簧在2 3 0 0 转，分( 3 8 h z 麓识掰0 。 鼙m 黪摄凌鬣移量，嚣实舔 上程2 3 0 0 转分时仅能分辨别o 1 7um 的振动位移量，显然不能满足使用要求。 磁亳盛速爱簧感瓣辘够在 0 h z 对戆受至l0 pm 的强动往移量【孙l 。它建莉 用导体和磁场发生相对运动时在导体两端所输出感生电动势的变化来感知振动 强弱。它怒一种机电麓量变换型传感器，不需簧供电电源，电路简单，性能稳定， 输出阻抗小，由于具有一定驹频响范围( 一般为1 0 h z 1 0 0 0 h z ) ，它适用于动态 测鬣，可赢接测量物体的速度。它所产擞的感生电动势e 与振动的速度成正比： 口一n o b o ，v 式中； 蠡扩一工终气稼磁戆斑强凄； n 0 线圈处于工作气隙磁场中的匝数 e 每匝线蕊的平均长波。 ( 2 9 ) 台肥工业大学颂士学位论文 第1 5 页 在测量电路中接入积分电路就可用来测量位移。本设计中选用了北京测振仪 器厂生产的c d 一1 型磁电感应式振动速度传感器。它是一种绝对振动传感器，主 要技术规格为【2 4 】：工作频率1 0 5 0 0 h z ，固有频率1 2 h z ；灵敏度6 0 0 m v c m s ； 最大可测加速度5 9 ；可测振幅范围0 1 1 0 0 0 um ；工作线圈内阻1 9 k q 。陔 传感器安装方便。在床身靠近砂轮的地方选定合适的位置用连接螺栓、磁座或专 用备件固定传感器均可。 2 4 2 信号的提取与处理方法 a 信号的形成 对于盘状旋转体如果其质量重心偏移它的旋转中心，当它旋转时就会产生振 动，在测量点所感受到的振动信号呈正弦规律变化。信号的变化周期与主轴同步， 信号振动位移的幅值与旋转体偏心引起的不平衡量成正比。不平衡量越大，产生 的振动位移量越大，反之越小。动平衡的目的就是用某种手段来补偿被测旋转体 原有的动不平衡量，使其引起的振动位移幅值尽可能的小，即使其尽可能接近平 衡状态。因此用主轴转速下的振动位移量来表征砂轮不平衡的状况是一种简单、 合理、可行的方法。 b 信号的前置处理 用磁电式速度型测振传感器拾取振动信号，将其积分变换成位移量。因测振 传感器拾取的信号中夹杂着其他机械干扰，需将其抑制掉，又因砂轮轴转速是变 化的，滤波器的工作频率也应随之变化， 术中较常用的是数字带通滤波器m f l 0 ， 用了低通数字滤波器m a x 2 9 1 。 c 信号的提取方式 因此采用数字跟踪滤波器。在动平衡技 但在本设计中综合考虑多方面因素，采 对于信号的采样，有两种常用方式：定点采样和定间隔采样。为了便于基波 的解算，适用于不同转速下砂轮的动平衡，本系统采用了定点采样和定间隔采样 二种方式的结合，即定点变间隔采样方式。这种方式的特点是，不论被平衡旋转 体的转速是多少，每个基波上的采样点2 “是常数，采样间隔随主轴转速而变。 根据采样定理要求：1 要能准确地恢复模拟信号，必须以大于其所包含的最高频 率的二倍的速率采样；2 被测信号要通过个截止频率为f 。的低通滤波器，滤除 高于有用信号频率：倍以上的频率成分【25 1 。测量系统中设定采样频率为样本信号 频率的1 2 8 倍，即主轴每旋转一圈取1 2 8 个样点。采用数字低通跟踪滤波器抗混 叠，其截止频率为1 2 8f o 。采样的控制来源于锁相倍频器。a i d 转换受控于二路 脉冲信号，一是基频f o 脉冲，作为每个采样波的起始点信号；二是1 2 8 f o 脉冲， 作为a d 采样的启动信号。 d 数学表达 台肥工业大学硕士学位论文 第1 6 页 在砂轮自动平衡过程中振动信号的幅值和相位在连续地发生变化，但有用信 号的频率是不变的，可以近似为周期函数。周期函数的付立叶级数的数学表达式 为( 2 1 0 ) ： 公式( 2 1 0 ) 表示由厂( ，) 代表的是复杂周期函数，由多个谐波叠加而成。表达式 又可以写为： ( f ) = 乜。2 + ( 日，c o s n c o t + b 。s i n h o o t ) n ；l 由式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 可得： a 。= ( 盯。2 + 6 。2 ) 7 2 t g 。) = 蔓 a “ ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 日，b n 称为谐波系数。各元素的物理意义是： 为信号的直流分量；0 9 。为轴系的旋转角速度；n 为最大谐波次数：”= 1 时为 与主轴同步的谐波，即一次谐波；a 。为一次谐波的幅值；妒，为一次谐波的初相 角。假定。为轴系回转中心，o 为砂轮的质量重心。当砂轮随主轴旋转一周时， 拾振传感器感受的一条具有初相角吼，幅值为a ，的正弦曲线a 。s i n ( o + 吼) ， 0 = 国。，。在参数座标系中 y = b l = a l s i n i 0 1 x = a l = a l c o s o i ( 2 1 3 ) a ，= 如卜b 1 2 辔( 妒。) ：堕 口。 ( 2 1 4 ) 当轴系转动0 角后，y = a ，s i n ( a + 吼)目= 0 9 。，。由砂轮任一时刻旋转时的 转角与振动位移建立的数学关系，对应于伺立叶级数的基波与角频率之间的关 1 6 - )01 2( )p 十h ( ns4 。 + 0 4 i 【 ) f (厂 台肥工业大学硕士学位论文 第1 7 页 系。 在砂轮自动平衡过程中，除砂轮自身的不平衡量以外还有质量补偿量的存 在，它们共同作用形成了基频振动位移信号，这个信号的幅值和相位在发生变化， 但信号的周期不变，在信号的单周期处理时可将其作为周期函数对待。 e 离散采样点的计算 若以函数y ( f ) 代表轴系旋转一周运动，则自变量的变化区f 自j o ，2 ，以三角 级数将y ( t ) 展开成付立叶级数，则付立叶级数可有下列积分表达： 铲磊1 y ( t ) d t a 。= 一1f y ( t ) c o s