摘要：軸承溝道磨床砂輪的動平衡對保證零件加工精度至關(guān)重要，文中介紹了一種軸承溝道砂輪的自動平衡系統(tǒng)，及平衡系統(tǒng)實現(xiàn)的基本原理。

　　機床振動對軸承溝道磨床的磨削加工精度和穩(wěn)定性有很大的影響，為了保證磨床的加工性能，廠家在出廠之前對電動機、皮帶輪以及軸系都進行了的平衡，而磨床的振動zui主要和zui不穩(wěn)定的振源是砂輪的不平衡引起的，盡管出廠前對其進行了平衡，但由于砂輪本身在加工過程中處在不斷變化的過程中，如加工過程中的磨損不均勻，對冷卻液的吸附不一致，修正偏差和更換新砂輪時的裝配誤差及材質(zhì)等種種因素，都會造成砂輪系統(tǒng)的質(zhì)量中心偏離其旋轉(zhuǎn)軸線從而引起磨床振動。這種振動將使零件的加工表面出現(xiàn)振紋，對加工精度影響很大。因此，如果能對磨床砂輪系統(tǒng)進行快速的自動平衡，將能夠有效地提高軸承零件的加工精度和生產(chǎn)效率。

　　一、平衡原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1．平衡原理

　　砂輪可以看成是由無數(shù)微小的質(zhì)點組成的。這些微小質(zhì)點在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的慣性力構(gòu)成的慣性力系，可以向質(zhì)心簡化為一個合力F，它是各個微小質(zhì)點的離心力Fi，矢量的合成，即：

式中 mi——第i個微小質(zhì)點的質(zhì)量，kg
ri——第i個微小質(zhì)點到旋轉(zhuǎn)軸線的距離矢量，m
Fi——第i個微小質(zhì)點產(chǎn)生的離心慣性力，N
M——砂輪旋轉(zhuǎn)體的總質(zhì)量，kg
rc——砂輪旋轉(zhuǎn)體質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸線的距離矢量，m
ω——砂輪旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s

　　當(dāng)砂輪旋轉(zhuǎn)的離心慣性力系是一個平衡的力系時，此時砂輪的慣性中心與旋轉(zhuǎn)軸線一致，即rc =0，所以根據(jù)上式合力F為0，即不存在不平衡量，這是一種理想狀態(tài)。事實上，由于前面提及的原因，實際砂輪總是或多或少地存在著不平衡，其慣性中心都或多或少地偏離其旋轉(zhuǎn)軸線，從而使得rc不等于0。根據(jù)上式，合力F不為0，此時令U=Mrc，并將它稱作砂輪的不平衡量。用它來表征不平衡量的大小，對于砂輪自動平衡機構(gòu)多采用砂輪軸前軸承處拾取振動的位移峰值（μm）來衡量平衡精度水平的高低，自動平衡的精度一般可以達到＜1μm，如果設(shè)備整體狀態(tài)良好則動平衡*精度可以達到＜0.1μm。

　　如圖1所示，左圖為不平衡狀態(tài)，砂輪上部小黑點表示其存在的不平衡量，中部兩小黑點為兩平衡塊，校正砂輪不平衡的方法為在其相反方向加上與其對應(yīng)的校正量，也就是調(diào)整兩平衡塊的位置，使其合力能夠抵消不平衡量所引起的離心力（右圖），這樣就可以達到平衡砂輪減小振動的目的，使砂輪回到平衡狀態(tài)。

　　2．平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)砂輪自動平衡機構(gòu)的基本構(gòu)成如圖2所示，測振傳感器用于拾取振動信號并將振動信號傳入測控單元，光電開關(guān)用以獲取轉(zhuǎn)速信息，同時也是同步信號，它提供相位基準(zhǔn)，將該信號鎖相倍頻后，控制信號的采集可實現(xiàn)整周期同步采樣，可以大幅降低信號的相位誤差。測量控制單元完成信號采集、分析處理、結(jié)果顯示、輸出控制等系統(tǒng)的主要功能，同時可以將采集的原始信號通過RS-232上傳至上位機進行進一步的處理。

　　整機在常態(tài)下，平衡頭隨著主軸同頻旋轉(zhuǎn)，當(dāng)整機進入自動平衡狀態(tài)時，平衡頭根據(jù)計算得出的不平衡量的大小和方位，接收測控系統(tǒng)的指令，調(diào)整兩平衡塊的位置，使平衡塊所產(chǎn)生的平衡矢量抵消砂輪不平衡量，當(dāng)振動值小于預(yù)置值時平衡過程結(jié)束。

　　二、系統(tǒng)的硬件原理

　　如圖3所示，砂輪*的信號采集部分，以ADuC812為控制芯片。在數(shù)據(jù)采集方式上，為了保證較小的平衡相位誤差，采用了鎖相環(huán)技術(shù)。由CD4046構(gòu)成鎖相環(huán)電路，以實現(xiàn)信號的同步整周期采樣。由于砂輪的不平衡量所產(chǎn)生的振動信號與砂輪的旋轉(zhuǎn)速度同頻，而砂輪的轉(zhuǎn)動速度并不是恒定不變的，因此，如果采用定時器進行定時采樣，用快速傅里葉變換求頻譜，勢必會造成較大的誤差，尤其是相位誤差。而鎖相環(huán)的特點是可以使輸入信號與輸出信號的相位始終保持一致，而信號頻率保持一定的倍數(shù)關(guān)系，這樣，在砂輪的一端選定一個基準(zhǔn)點，通過光電傳感器，砂輪每轉(zhuǎn)輸出一個脈沖，將此脈沖整形放大之后，進入CD4046的信號輸入端，通過倍頻后，送至外中斷控制ADC進行采樣，這樣就實現(xiàn)了同步的整周期采樣。將采集到的信號進行處理后可以極大地降低相位誤差。

　　壓電傳感器用于拾取振動信號，由于ADuC812自帶8路12位AD，所以壓電傳感器的輸出信號經(jīng)過電荷放大及電壓放大后，可以直接送入812的P1口。采樣所獲得的數(shù)據(jù)已經(jīng)包含了振動信號的幅值、相位及平衡轉(zhuǎn)速信息，通過解算可以得到兩平衡塊的補償位置。測控單元據(jù)此發(fā)出控制命令，通過接口電路并放大之后，控制兩平衡塊到達補償位置從而實現(xiàn)快速補償。同時也可以將數(shù)據(jù)通過RS-232串行口上傳至PC機，由上位機的LabVIEW程序進行進一步的處理和分析。

　　三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　1.系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)

　　主要由兩個部分組成，*部分是測控單元的單片機監(jiān)控程序，它主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析處理、輸出控制、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)上傳等功能。第二部分是上位機程序，它可以將上傳的數(shù)據(jù)進行進一步的分析，保留歷史數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析和對比，為進一步提高精度提供依據(jù)。同時，上位機也可以直接向下位機發(fā)送命令對平衡過程進行控制。

　　2.單片機監(jiān)控程序

　　單片機監(jiān)控程序的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。進行數(shù)據(jù)采集前，首先采集轉(zhuǎn)速信號，計算光電開關(guān)連續(xù)20點即砂輪旋轉(zhuǎn)20轉(zhuǎn)的間隔時間，判斷砂輪是否達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，只有在達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之后采樣才有意義。經(jīng)過整周期采樣得到的振動信號數(shù)據(jù)，對該信號進行濾波并通過一定的方法進行分析解算即可以得到振動的波形、幅值、相位以及平衡塊校正位置等進行平衡所必需的數(shù)據(jù)，進而發(fā)送命令，控制機構(gòu)實現(xiàn)砂輪的自動平衡。

　　3.平衡算法

　　從傳感器獲得的是不平衡量引起的激振力的振幅信號。因此，如果能夠找到振幅A與不平衡量U之間的比例關(guān)系，即影響系數(shù)α，就可以通過分析傳感器的振幅信號解算出不平衡量U的大小，再通過相位設(shè)置基準(zhǔn)的方法獲得其相位信息。振動信號幅值、相位是實現(xiàn)自動平衡的依據(jù)。

　　砂輪旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以視為線性系統(tǒng)，其影響系數(shù)保持不變。因此只要找到一定的方法求出影響系數(shù)，就可以反過來求取不平衡量U的值，對于同類砂輪，都可以應(yīng)用此比例關(guān)系求取存在的不平衡量。

　　圖5中F0為原始不平衡量U0引起的離心力，此時在砂輪上加上一個已知試重Q，在試重與原始不平衡量的共同作用下產(chǎn)生的合力為F2，根據(jù)力的合成關(guān)系可知Q單獨作用時產(chǎn)生的離心力為：F1= F2－F0。由于振幅與力的大小成正比，則A2= A2－A0，A1即是在試重單獨作用時的振幅（A0和A2可由系統(tǒng)測量得到）。求得了A1，試重Q為已知量，就可以根據(jù)下式計算影響系數(shù)：

　　影響系數(shù)也稱作單位試重的效果矢量，它表示的是振幅和不平衡量的一種比例關(guān)系，通過它就可以進一步求出初始不平衡量U0：

　　砂輪軸上的光電傳感器所在位置為基準(zhǔn)參考點，實際測量時以此為基準(zhǔn)，比照實測信號的相位，就可以計算出不平衡量的實際相位值。幅值、相位已知，通過計算可得平衡塊應(yīng)移動的方向，角度及兩平衡塊的角平分線的位置等，據(jù)此就可以實現(xiàn)對砂輪的不平衡校正。

　　4.上位機虛擬儀器程序

　　虛擬儀器是計算機技術(shù)與儀暑剮皮術(shù)深層次結(jié)合而產(chǎn)生的全新概念的儀器。本鋇明試系統(tǒng)采用LabVIEW7.1進行開發(fā)，它的圖形化編程方式使上位機開勿度和效率大幅提高，它主要用來實現(xiàn)對振動信號進行進一步的分析處理，為進一步提高精度提供依據(jù)。

　　四、試驗及結(jié)論

　　為驗證系統(tǒng)的性能在3MZ134CNC球軸承內(nèi)圈溝道磨床上進行了試驗。平衡前在2860r/min轉(zhuǎn)速下實測砂輪系統(tǒng)的振動值為1.11μm，停機后調(diào)整預(yù)置值至0.51μm，在相同轉(zhuǎn)速下進行自動平衡，平衡過程結(jié)束后測得砂輪振動值減小到0.21μm，同時可以感覺到砂輪振感明顯減輕。圖6、7分別為上位機顯示的振動原始信號平衡前、后的波形，比較可以看到經(jīng)過平衡后同頻振動的幅值明顯減小。

　　采用影響系數(shù)法對軸承溝道磨床進行動平衡，經(jīng)過試重確定影響系數(shù)后，就能夠準(zhǔn)確計算出不平衡量的大小，不僅實現(xiàn)了平衡補償塊的快速定位，而且使自動平衡的精度也有明顯提高，大大提高了平衡效率。虛擬技術(shù)的應(yīng)用，使得上位機系統(tǒng)的開發(fā)速度大大提高，而且LabVIEW是專門針對測試系統(tǒng)所開發(fā)的軟件，具有強大的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)表達能力，為進一步提高系統(tǒng)的精度提供了條件，整個系統(tǒng)具有較好的發(fā)展前景。（文章來源：newmaker）