1 概述

在磨削加工過程中，砂輪的振動是產(chǎn)生工件已加工表面振紋、影響加工質(zhì)量的重要因素。引起這種振動的原因有工件和刀具傳動系統(tǒng)的擾動以及砂輪不平衡引起的主軸振動兩個方面。前者一般可以通過磨床的減振設(shè)備有效地消除，而后者則主要通過對砂輪進(jìn)行平衡校正來解決。砂輪的平衡技術(shù)按自動化程度可分為人工平衡、半自動平衡和自動平衡3類。目前人們在研究半自動平衡的同時正致力于自動平衡的研究。日本開發(fā)的一種Balanceeye/norilake半自動平衡裝置，通過振動測試分析，指出平衡塊的安放位置，停機(jī)后人工穩(wěn)定平衡配重塊，再開車進(jìn)行平衡測定。它基本代表了半自動平衡的水平。在自動平衡中，機(jī)械式增重平衡器是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的一類。自動平衡目前在國外已發(fā)展為液體平衡(日本)和利用氟里昂作為平衡介質(zhì)的液汽平衡(美國)。本文研究的是一種利用增重平衡原理，根據(jù)振幅大小的變化規(guī)律，通過調(diào)整配重相對位置實(shí)現(xiàn)砂輪動態(tài)平衡校正的方法和裝置。

　　2 平衡原理和平衡頭結(jié)構(gòu)

1. 平衡原理

平衡裝置簡圖如圖1所示，磨床砂輪屬于剛性轉(zhuǎn)子。剛性轉(zhuǎn)子由于其質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心不重合所引起的振動響應(yīng)即旋轉(zhuǎn)失衡是磨床主軸振動的重要因素。若磨床主軸部件總質(zhì)量為M,不平衡質(zhì)量為m,等效不平衡質(zhì)點(diǎn)與回轉(zhuǎn)中心的距離(偏心距)為e,則由此引起的穩(wěn)態(tài)受迫振動的振幅為

(1)

1. 可見在一定的轉(zhuǎn)速和阻尼條件下，由于偏心所引起的主軸振幅與偏心質(zhì)量的質(zhì)徑積me成正比。

砂輪的偏心質(zhì)量可以用給定質(zhì)徑積的偏心質(zhì)量來進(jìn)行平衡補(bǔ)償。若砂輪及給定質(zhì)徑積的補(bǔ)償偏心質(zhì)量(偏重齒圈)的軸向?qū)挾萣與其直徑D之比b/D<1/5，則可以認(rèn)為偏心質(zhì)量和偏重齒圈的補(bǔ)償質(zhì)量形成的慣性力構(gòu)成以轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)軸為匯交點(diǎn)的平面匯交力系，如圖2所示，其中F_m,F₁,F₂分別為砂輪偏心質(zhì)量及補(bǔ)償質(zhì)量形成的慣性力。

1. 由平面匯交力系的平衡條件可知，轉(zhuǎn)子平衡時有,即

   (2)

   若e₁=e₂=e_b，m₁=m₂=m_b則F₁=F₂=F_ba₁=a₂=a且 F_m=2F_bcosa
   由F=mw²e 可得

   me=2mbebcosa

   (3)

   
   

   圖2 偏心質(zhì)量及補(bǔ)償質(zhì)量慣性力系

   圖3 平衡頭結(jié)構(gòu)

   圖4 砂輪和偏重齒圈的配置

   可見，用兩個給定偏心質(zhì)量和偏心距的偏重齒圈來補(bǔ)償砂輪的不平衡質(zhì)量可以通過調(diào)整其與砂輪的周向相對位置來實(shí)現(xiàn)，補(bǔ)償能力為0～2m_be_b。
2. 平衡頭結(jié)構(gòu)

平衡頭的核心是兩個偏重齒圈，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。它是用塑料圓盤沿周向均勻開若干個大小相同的孔，而在某些相鄰的孔中嵌入鉛柱構(gòu)成的。若每個鉛柱的質(zhì)徑積為m₁e₁,相鄰兩個鉛柱的向徑夾角為a₁,則k個相鄰鉛柱的等效質(zhì)徑積為。k的大小由偏心質(zhì)量來確定。

1. 砂輪和偏重齒圈的配置如圖4所示，兩個偏重齒圈分別由兩臺微電機(jī)通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動而相對于砂輪轉(zhuǎn)向。微電機(jī)的動作信號來源于控制系統(tǒng)的控制電路。 3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由拾振器、信號調(diào)理電路及單片微機(jī)采樣與控制電路組成。

1. 拾振器

拾振器為一壓電式加速度傳感器，它具有靈敏度較高，頻率范圍較寬，體積較小，重量較輕等特點(diǎn)。其靈敏度為30～80mV/g,頻率范圍為4～8000Hz,重量為22g,固有頻率在10kHz以上，而磨床不平衡振動為30Hz左右。所以使用該傳感器時其靈敏度可視為一常數(shù)，另外該傳感器在低頻時的相頻特性近似于零。

1. 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路由信號放大和半波整流電路組成。信號放大電路采用差動輸入電路，以提高其輸入電阻和共模抑制比，其電路形式如圖5所示。根據(jù)拾振器的輸出信號范圍，取差模增益為A_uf=100。采用通用運(yùn)放LM324,電路的共模抑制比CMRB>120DB,其輸入電阻R_I>100Mw，輸出電阻R₀<<1w。

圖5 信號調(diào)理電路

圖6 半波整流電路

1. 半波整流電路如圖6所示，由于機(jī)床振動頻譜較為復(fù)雜，為簡化頻譜分析，將拾振信號半波整流后，取其半波信號的積分值來表征振動幅值。
2. 單片微機(jī)采樣與控制電路

一般而言，普通精度的磨床在砂輪未經(jīng)過平衡校正的情況下，其主振幅約為5～10µm，經(jīng)過平衡校正后，主軸振幅可降之為0.1µm�？梢姴蓸与娐凡捎�8位A/D轉(zhuǎn)換器即可滿足要求，
因此采用常用的ADC0809,采樣電路原理圖如圖7所示。為提高測量精度并擴(kuò)大測量范圍，拾振信號經(jīng)兩路信號調(diào)理電路輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，CPU根據(jù)信號大小切換采樣端。

圖7 采樣電路原理圖

圖8 控制電路

1. 控制電路如圖8所示，電機(jī)控制信號由P1.0～P1.3輸出，經(jīng)互鎖邏輯電路輸出信號A0、A1、B0、B1。輸出信號的組合與電機(jī)正反轉(zhuǎn)的對應(yīng)關(guān)系如表1。
2. 人機(jī)接口電路

人機(jī)接口由顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)的4個發(fā)光二極管、顯示當(dāng)前振幅和頻率的5位7段數(shù)碼管和分別實(shí)現(xiàn)復(fù)位、手動、自動和顯示控制的4個控制鍵以及實(shí)現(xiàn)兩個電機(jī)正反轉(zhuǎn)手動控制的4個控制鍵組成。采用鍵盤顯示接口專用集成電路8279,可簡化軟件結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)工作可靠性，人機(jī)接口電路如圖9所示。

表1 輸出信號與電機(jī)正反轉(zhuǎn)的對應(yīng)關(guān)系 A0,A1 B0,B1 電機(jī)A 電機(jī)B 01   正轉(zhuǎn)   10 反轉(zhuǎn)   01   正轉(zhuǎn) 10 反轉(zhuǎn)

圖9 人機(jī)接口電路

4 軟件結(jié)構(gòu)

1. 軟件結(jié)構(gòu)由鍵盤顯示管理軟件、采樣比較軟件、電機(jī)控制軟件和主程序等組成。

   5 結(jié)論

該平衡裝置在某外圓磨床上實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖可見平衡后的振動大約是平衡前的1/8左右，振動顯著降低，平衡效果良好。

圖10 平衡前后振動比較