磨削作為機(jī)械加工的重要組成部分，是精密的超精密加工的重要手段。而砂輪不平衡量引起的振動(dòng)對(duì)磨削過(guò)程有很大的影響，嚴(yán)重制約著磨削表面質(zhì)量和精度的提高。傳統(tǒng)的砂輪平衡方法是靜平衡，這種脫機(jī)的平衡方法不方便，而且受平衡導(dǎo)軌精度、平衡芯軸圓度、摩擦力及操縱者技術(shù)水平的影響，平衡精度受到一定限制，而且要花費(fèi)很多時(shí)間，尤其是對(duì)精密和超精密磨削需要分初平衡、精平衡，并經(jīng)過(guò)多次拆裝砂輪，平衡時(shí)間長(zhǎng)，使用也不方便。此外，這種方法最大缺陷是未能考慮到由于砂輪本身材質(zhì)分布的不均勻，在磨削過(guò)程中砂輪表面磨損以及吸附冷卻液不均勻造成新的不平衡這個(gè)顯著的影響。

　　因此，在精密和超精密磨削以及磨削自動(dòng)化的發(fā)展過(guò)程中，砂輪在線動(dòng)平衡成為一項(xiàng)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，在生產(chǎn)中有著重要的意義和廣泛的前景。在現(xiàn)有的在線動(dòng)平衡裝置中，國(guó)外的系統(tǒng)平衡精度不高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自動(dòng)控制方面還有很大差距，不能滿足生產(chǎn)需要。筆者研究了一種新型智能化砂輪在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)。該系統(tǒng)以98單片機(jī)為控制核心，通過(guò)檢測(cè)砂輪旋轉(zhuǎn)時(shí)不平衡量引起的振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由自動(dòng)搜索控制算法確定不平衡量的大小，然后通過(guò)98單片機(jī)雙機(jī)紅外遙控通信的方式，控制跟隨砂輪高速旋轉(zhuǎn)的平衡頭內(nèi)的平衡塊移動(dòng)對(duì)不平衡量進(jìn)行補(bǔ)償。該項(xiàng)目研究的目的是開(kāi)發(fā)一種適用的智能化砂輪在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)，提高平衡精度和效率，為磨削過(guò)程自動(dòng)化提供一種有效的手段。

　　1、平衡系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研制的智能化在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)的原理如圖1所示。系統(tǒng)首先由安裝在砂輪頭架上的壓電式加速度傳感器檢測(cè)砂輪不平衡引起的振動(dòng)量，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷形成微弱的電動(dòng)勢(shì)，再由電荷放大器將微弱的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)變成較強(qiáng)的電壓信號(hào)，通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行檢波，分離出由砂輪不平衡量引起的振動(dòng)信號(hào)，濾掉干擾信號(hào)，接著進(jìn)行電壓放大，使其與A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓相匹配，然后進(jìn)入采樣保持器，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量變成數(shù)字量送入98單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)控制系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算并顯示振動(dòng)幅峰值，然后可以進(jìn)行在自動(dòng)平衡方式下按照控制策略發(fā)出控制信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)平衡，或者在手動(dòng)平衡方式下通過(guò)鍵盤發(fā)出控制指令進(jìn)行平衡。為了完成平衡操作，需要將控制信號(hào)傳至平衡頭對(duì)執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，對(duì)平衡塊位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的平衡裝置，控制信號(hào)的傳輸是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前廣泛采用的是集流環(huán)方式，其主要缺點(diǎn)是使用過(guò)程中的無(wú)功磨損。

　　因?yàn)樯拜喌膶?shí)際平衡時(shí)間很短，在不進(jìn)行平衡操作時(shí)，集流環(huán)仍在磨損。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了紅外遙控的方法。為克服紅外信號(hào)發(fā)射有方向性且只能覆蓋一定區(qū)域的缺點(diǎn)，試驗(yàn)將紅外發(fā)射和接收管都裝于主軸的軸心線上。這樣可以接收到較強(qiáng)的信號(hào)，同時(shí)可有效地防止其他信號(hào)的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。紅外遙控傳輸?shù)男盘?hào)是串行方式，為了把98單片機(jī)發(fā)出的控制指令由并行變?yōu)榇蟹绞剑鞠到y(tǒng)中控制信號(hào)的傳輸與接收采用了98單片機(jī)之間的串行通信方式。地面控制系統(tǒng)中的單片機(jī)（主機(jī)）通過(guò)串行口發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管，將數(shù)字信息變成串行紅外脈沖信號(hào)發(fā)射出去，紅外檢波放大器將紅外信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)，送至平衡頭中單片機(jī)（從機(jī)）的串行口輸入端，經(jīng)解碼處理還原成控制指令，作出相應(yīng)的控制。從機(jī)一方面接收和解碼串行控制信號(hào)，另一方面以軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器的方法，給步進(jìn)電機(jī)提供控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)其正常工作。為提供平衡頭中控制系統(tǒng)的電源，在平衡頭中安裝了一臺(tái)微型交流發(fā)電機(jī)，輸出的交流電壓通過(guò)整流、檢波、穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的電源，與紅外遙控系統(tǒng)一起完全避免了使用集流環(huán)帶來(lái)的缺陷。

　　1-外殼；2-鎖緊螺母，用來(lái)固定砂輪；3-連接法蘭盤；4-底座，用螺釘固定在連接法蘭盤上，步進(jìn)電機(jī)和精密絲杠也裝在底座上；5-發(fā)電機(jī)的永磁定子，位置固定不動(dòng)；6-紅外接收管，裝在軸線處接收紅外信號(hào)，并提供給接收機(jī)以控制步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作；7-接收器電路板；8-發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈圖2平衡頭結(jié)構(gòu)平衡頭結(jié)構(gòu)采用的是十字滑塊式，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。其工作過(guò)程：砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于定子磁場(chǎng)固定，線圈切割磁力線產(chǎn)生交變電流，通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓變成直流電源，提供給平衡頭內(nèi)的控制電路和步進(jìn)電機(jī)使用。此時(shí)，平衡頭內(nèi)部的單片機(jī)系統(tǒng)上電復(fù)位，開(kāi)始檢測(cè)有無(wú)紅外控制信號(hào)。當(dāng)主機(jī)發(fā)出控制信號(hào)時(shí)，通過(guò)紅外遙控使從機(jī)從串行口接收到控制信號(hào)，從機(jī)運(yùn)行控制程序輸出控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使和平衡塊連在一起的螺母移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪不平衡量的自動(dòng)補(bǔ)償。

　　2、控制系統(tǒng)軟件2.1控制算法要實(shí)現(xiàn)砂輪在線動(dòng)平衡，需要自動(dòng)檢測(cè)、處理數(shù)據(jù)，并通過(guò)軟件的控制規(guī)則自動(dòng)判斷平衡與否，然后發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)不平衡量進(jìn)行補(bǔ)償。這里的核心內(nèi)容是微處理器系統(tǒng)作為智能單元去完成整個(gè)平衡過(guò)程控制以實(shí)現(xiàn)智能化?？刂颇Ｐ推胶庋b置的配重是兩個(gè)在垂直交錯(cuò)的精密絲杠上移動(dòng)的螺母，平衡操作通過(guò)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)精密絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩個(gè)螺母沿徑向直線移動(dòng)，產(chǎn)生的離心力合成矢量與砂輪固有不平衡量產(chǎn)生的離心力矢量大小相等、方向相反，從而實(shí)現(xiàn)砂輪平衡。圖中，F(xiàn)xy是兩個(gè)配重螺母形成的離心力Fx和Fy的合成矢量，F(xiàn)0是不平衡量形成的離心力矢量，F(xiàn)是Fxy和F0形成的合成矢量。根據(jù)上式的右端，只有x、y是變化的，其他參數(shù)均固定不變，因此不平衡離心力F只是x和y的函數(shù)；而砂輪架振幅A與不平衡離心力F成比例，所以得到A=f(x,y)因此控制問(wèn)題歸結(jié)為其中，d為沿坐標(biāo)軸正向的最大移動(dòng)距離；這是一個(gè)以平衡塊在垂直軸上移動(dòng)位移x，y為變量，不平衡振幅為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)控制問(wèn)題。控制策略平衡時(shí)，可以從任意初始點(diǎn)（x，y）出發(fā)，以x，y使不平衡振幅不斷下降的方向搜索，直到振動(dòng)量不再下降為止。

　　為了加快搜索過(guò)程，這里采用了加速步長(zhǎng)與最優(yōu)步長(zhǎng)相結(jié)合的控制算法。平衡時(shí)，先對(duì)x或y規(guī)定沿s方向的初始試驗(yàn)步長(zhǎng)h，并用來(lái)搜索跨步方向，當(dāng)xi=xi-1+hs時(shí)，滿足fi(xi,yi)采用二分法進(jìn)行最優(yōu)步長(zhǎng)搜索的基本思想如圖4所示，是通過(guò)加速步長(zhǎng)法得到α，b兩點(diǎn)，目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)點(diǎn)必然在兩點(diǎn)之間，將步長(zhǎng)減半，搜索方向取反，即，βi=βi-1/2,hi=-hi-1。分別沿x，y搜索一步，再根據(jù)出現(xiàn)情況步長(zhǎng)減半，方向不變或步長(zhǎng)減半，方向也變繼續(xù)搜索，直到縮減到單位步長(zhǎng)，振幅不再下降時(shí)，停止搜索，此時(shí)即為能夠達(dá)到的平衡點(diǎn)。

　　2.2軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由以下幾個(gè)部分組成：主程序、采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、鍵輸入模塊、鍵處理子程序模塊、串行發(fā)送模塊以及串行接收模塊等。其中鍵處理子程序模塊是系統(tǒng)軟件控制算法的核心部分，粗平衡過(guò)程采用加速步長(zhǎng)法，精平衡過(guò)程采用最優(yōu)步長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)。

　　3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室的MC1420型高精度萬(wàn)能外圓磨床上對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)，并使用示波器和FFT分析儀對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察和分析。圖5所示是平衡前的砂輪振動(dòng)。平衡后的砂輪振動(dòng)量大約是平衡前的1/8，振幅顯著降低，平衡效果良好。

　　4、結(jié)束語(yǔ)筆者研制的智能化在線自動(dòng)平衡系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①采用98單片機(jī)雙機(jī)紅外遙控通信和利用主軸動(dòng)力發(fā)電來(lái)提供平衡頭內(nèi)部電源的方式，完全克服了現(xiàn)有的動(dòng)平衡頭采用集流環(huán)的缺陷；②精密絲杠與單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分微步控制信號(hào)，使平衡精度大大提高；③改進(jìn)的自動(dòng)搜索控制算法能快速達(dá)到平衡精度要求；④系統(tǒng)提供全自動(dòng)和半自動(dòng)兩種靈活的工作方式，操作非常簡(jiǎn)便。該系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明：顯著地降低了振動(dòng)，效果良好，因此具有較為廣闊的應(yīng)用前景，能產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。