梅春雷，劉武發(fā)，劉 超

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

砂輪的平衡對(duì)于保證加工工件的表面質(zhì)量意義重大，只有砂輪主軸系統(tǒng)平衡的情況下，砂輪的振動(dòng)強(qiáng)度才能降到最小，加工工件的表面質(zhì)量才能得到保證[1]。而砂輪在制造完成時(shí)本身就有很明顯的不均勻現(xiàn)象，考慮到砂輪內(nèi)的氣孔、空氣的濕度以及加工磨損，砂輪的不平衡只會(huì)加強(qiáng)。同時(shí)，砂輪在安裝后，其與法蘭盤之間的接觸間隙，也會(huì)導(dǎo)致砂輪在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生徑向振動(dòng)和軸向的擺動(dòng)。除此之外，其它靠近磨床的震源等也會(huì)對(duì)砂輪的平衡產(chǎn)生影響。

砂輪的不平衡導(dǎo)致的振動(dòng)會(huì)對(duì)磨削加工產(chǎn)生不利的影響。直接的影響是被加工工件的表面粗糙度增大，導(dǎo)致工件不符合技術(shù)要求，產(chǎn)生次品或者造成工件報(bào)廢。間接的影響是，砂輪振動(dòng)引起磨床振動(dòng)，加速磨床主軸和軸承之間的磨損，減少主軸和軸承的使用壽命。因此，砂輪在安裝前和使用過程中，必須進(jìn)行平衡。

傳統(tǒng)的砂輪平衡主要是安裝前的靜平衡，依據(jù)剛性轉(zhuǎn)子靜平衡的原理，通過去除相應(yīng)方位的質(zhì)量，使砂輪達(dá)到平衡。這種平衡方法，操作繁瑣，效率低，主要靠工人的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，并且速度緩慢，維持平衡的時(shí)間也短。因此，設(shè)計(jì)一種砂輪動(dòng)平衡控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)砂輪的自動(dòng)平衡，不僅能夠減少人工操作的參與度，而且也能加快平衡進(jìn)程[2]。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

砂輪動(dòng)平衡控制系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1 砂輪動(dòng)平衡控制系統(tǒng)功能框圖

動(dòng)平衡控制器是主要的功能部件，完成數(shù)據(jù)的處理和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出；振動(dòng)傳感器把砂輪振動(dòng)的加速度轉(zhuǎn)化為與之成比例的電壓信號(hào)；霍爾傳感器用來測(cè)量砂輪轉(zhuǎn)速。振動(dòng)和轉(zhuǎn)速這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過處理，輸入到控制器，控制器則根據(jù)平衡程序的處理流程，不斷地調(diào)整動(dòng)平衡頭內(nèi)部?jī)蓚€(gè)偏心齒圈的位置，使砂輪的振動(dòng)幅值大小減小到設(shè)定的幅值以下。

砂輪動(dòng)平衡控制器主要包括以下部分：STM32F417IGT微控制器、振動(dòng)傳感器信號(hào)處理電路、動(dòng)平衡頭驅(qū)動(dòng)控制電路、LCD顯示接口以及串口通信電路等。不同的部分承擔(dān)不同的任務(wù)，共同作用，構(gòu)成砂輪動(dòng)平衡控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)核心STM32F417IGT

本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ARM Cortex-M4系列的STM32F417IGT微控制器，其主頻為168MHz，處理性能可達(dá)到210 MIPS；內(nèi)部集成1M的Flash存儲(chǔ)空間，足夠運(yùn)行大多數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；192+4Kb的RAM空間；3個(gè)ADC單元；15個(gè)可用于通信的接口；USB以及FSMC（靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)控制器）等。另外，STM32F417IGT有176管腳，其中有140個(gè)通用IO端口，給設(shè)計(jì)帶來極大的便利和可擴(kuò)展性。

以STM32F417IGT為核心，將控制系統(tǒng)所需要用到的與外設(shè)單元有關(guān)的IO端口引出，就能設(shè)計(jì)出STM32F417IGT核心板。本設(shè)計(jì)主要用到STM32F417IGT的ADC1，USART1，F(xiàn)SMC，TIM2等外設(shè)單元。

2.2 振動(dòng)信號(hào)調(diào)理處理電路

振動(dòng)傳感器把測(cè)到的砂輪振動(dòng)的加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，但是還不能直接輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理。由于傳感器輸出的原始信號(hào)很微弱并且含有噪聲信號(hào)，需要經(jīng)過調(diào)理電路處理后才能得到干凈的振動(dòng)幅值信號(hào)。原始信號(hào)要經(jīng)過放大、積分、濾波等環(huán)節(jié)，將所需要用到的振動(dòng)信號(hào)提取出來。振動(dòng)傳感器采用加速度傳感器，因此要把加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為砂輪的振動(dòng)幅值信號(hào)，需要經(jīng)過兩次積分運(yùn)算。振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

2.3 測(cè)量砂輪轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)

利用霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的原理很簡(jiǎn)單，只需要在砂輪的主軸上安裝一個(gè)非金屬圓形薄片，將磁鋼嵌在圓片圓周上，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器發(fā)出一次監(jiān)測(cè)信號(hào)。當(dāng)磁鋼與霍爾傳感器重合時(shí)，霍爾傳感器輸出低電平；當(dāng)磁鋼離開霍爾元件時(shí)，則輸出高電平[3]。因此，只需利用STM32F417的定時(shí)器5的輸入捕捉功能，響應(yīng)霍爾傳感器輸出的下降沿，就能通過定時(shí)器計(jì)時(shí)的方式算出砂輪的轉(zhuǎn)速。

2.4 動(dòng)平衡頭的結(jié)構(gòu)和供電

動(dòng)平衡頭的結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和偏心齒圈組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采用兩個(gè)直流永磁電機(jī)，控制簡(jiǎn)單，調(diào)速性能好，控制施加給直流電機(jī)的電壓的極性，就能控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。傳動(dòng)系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿和精密齒輪系，實(shí)現(xiàn)減速功能，最終驅(qū)動(dòng)偏心齒圈。這樣的設(shè)計(jì)不僅能提高轉(zhuǎn)矩，細(xì)化步進(jìn)角大小，還能實(shí)現(xiàn)在平衡后鎖定偏心齒圈。

砂輪動(dòng)平衡頭的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 砂輪動(dòng)平衡頭結(jié)構(gòu)

動(dòng)平衡頭安裝在法蘭盤上，隨著砂輪主軸一起高速轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電纜與直流永磁電機(jī)的連接是通過滑環(huán)來實(shí)現(xiàn)的，一般驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)最少需要三根線，兩根電源線和一個(gè)公共地線。同時(shí)，在動(dòng)平衡過程中，為了減少滑環(huán)的磨損，設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)機(jī)構(gòu)，使得在動(dòng)平衡過程中滑環(huán)是接觸的，平衡結(jié)束后滑環(huán)斷開接觸。

2.5 顯示器接口設(shè)計(jì)

圖4 振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用SSD1298作為顯示芯片，在實(shí)際應(yīng)用上能夠滿足設(shè)計(jì)要求。SSD1298與MCU連接模式有四種，通常采用8080模式的連接方式，這樣就可以將STM32F417的FSMC可以直接與SSD1298相連接。STM32F417直接把顯示芯片作為它的一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備，通過設(shè)置讀寫時(shí)序，就能控制顯示器的顯示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件主要包括STM32F417芯片的初始化、平衡策略以及顯示程序。

芯片的初始化主要是指單片機(jī)時(shí)鐘的配置、中斷向量位置的選擇、外設(shè)端口的配置以及中斷的配置等，主要為系統(tǒng)運(yùn)行做好硬件上的準(zhǔn)備。

平衡策略是砂輪動(dòng)平衡的關(guān)鍵。硬件初始化后，控制器通過振動(dòng)傳感器不斷監(jiān)測(cè)砂輪的狀態(tài)，平衡程序啟動(dòng)后，就開始不斷地通過調(diào)整動(dòng)平衡頭內(nèi)部偏心齒圈的位置，使砂輪的振動(dòng)逐漸減小，直到平衡為止。

平衡策略采用坐標(biāo)輪換法，通過驅(qū)動(dòng)偏心齒圈，改變其位置，使振動(dòng)向著減小的方向發(fā)展[4]。平衡過程可以分為兩步，先調(diào)節(jié)相位再調(diào)節(jié)大小，最終結(jié)果砂輪的不平衡量和偏心齒圈的不平衡量相互抵消。

第一步，調(diào)節(jié)相位。開始時(shí)，偏心齒圈在蝸輪蝸桿的自鎖作用下，相對(duì)位置保持不變，其夾角為一個(gè)定值φ，調(diào)節(jié)相位就是讓兩個(gè)偏心齒圈A、B的夾角保持為φ不變，調(diào)節(jié)A、B同向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到砂輪振動(dòng)減小到最小為止。具體操作：A、B同時(shí)正轉(zhuǎn)，監(jiān)測(cè)砂輪的振動(dòng)狀態(tài)，如果振動(dòng)減小，那么就繼續(xù)正轉(zhuǎn)，直到再次振動(dòng)增大為止；反之，如果一開始正轉(zhuǎn)，砂輪振動(dòng)是增大的，那么就調(diào)節(jié)A、B同時(shí)反轉(zhuǎn)，如果振動(dòng)減小，就繼續(xù)反轉(zhuǎn)，直到振動(dòng)再次增大為止。此時(shí)，原來砂輪的不平衡量與偏心齒圈的不平衡量大致在一條直線上。

圖5 平衡流程圖

第二步，調(diào)節(jié)幅值。為讓不平衡量達(dá)到最小，還要調(diào)節(jié)偏心齒圈的不平衡量的幅值。同相位調(diào)節(jié)的道理相同，只是幅值調(diào)節(jié)要求A、B的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，這樣才能達(dá)到調(diào)節(jié)幅值的目的。具體操作：A正轉(zhuǎn)、B反轉(zhuǎn)，如果砂輪的振動(dòng)減小，A、B保持原來的轉(zhuǎn)向，直到振動(dòng)再次增大為止；如果一開始砂輪的振動(dòng)增大，那么A反轉(zhuǎn)、B正轉(zhuǎn)，如果砂輪振動(dòng)減小則繼續(xù)A反轉(zhuǎn)、B正轉(zhuǎn)，直到振動(dòng)再次增大為止。此時(shí)，平衡過程結(jié)束。砂輪動(dòng)平衡過程的流程圖如圖5所示。

平衡開始需要有一個(gè)設(shè)定值，或者對(duì)動(dòng)平衡頭的平衡能力指標(biāo)有明確的說明，如果設(shè)定的值超過了動(dòng)平衡頭的平衡范圍，那么無論怎么調(diào)節(jié)都不可能達(dá)到要求?？梢圆恢付ㄕ駝?dòng)大小的設(shè)定值，但一定得在平衡頭的平衡范圍之內(nèi)。

顯示程序主要作用是顯示砂輪的狀態(tài)、平衡過程以及便于用戶操作，使用戶清晰地知道控制器系統(tǒng)以及砂輪的運(yùn)行狀態(tài)，并能夠控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

4 結(jié)論

砂輪動(dòng)平衡控制系統(tǒng)以STM32F417為核心，集成了振動(dòng)信號(hào)處理、轉(zhuǎn)速信號(hào)處理、動(dòng)平衡頭驅(qū)動(dòng)控制以及顯示等電路，在相應(yīng)的軟件程序控制下，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)砂輪的振動(dòng)狀態(tài)以及砂輪轉(zhuǎn)速，在砂輪出現(xiàn)較大不平衡量時(shí)，能及時(shí)報(bào)警提醒。在啟動(dòng)平衡程序后，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)平衡程序不斷調(diào)節(jié)偏心齒圈的位置，直至砂輪平衡。因此，在磨床的磨削加工中，應(yīng)用該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)砂輪的自動(dòng)平衡，具有很大實(shí)際意義。

[1]張曉東,李濟(jì)順.磨床砂輪的自動(dòng)平衡方法及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].設(shè)備管理與維修,2006,03：30-32.

[2]張霞,余先濤,杜慶磊.砂輪自動(dòng)平衡控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程技術(shù),2008,04：32-34,109.

[3]張琳娜,劉武發(fā).傳感檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[M].中國(guó)計(jì)量出版社,1999.

[4]王璞.磨床砂輪動(dòng)平衡在線調(diào)整裝置的研制[D].沈陽理工大學(xué),2008.