1 概述

在磨削加工過程中，砂輪的振動是產生工件已加工表面振紋、影響加工質量的重要因素。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備有效地消除，而后者則主要通過對砂輪進行平衡校正來解決。砂輪的平衡技術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，停機后人工穩(wěn)定平衡配重塊，再開車進行平衡測定。它基本代表了半自動平衡的水平。在自動平衡中，機械式增重平衡器是發(fā)展最早、應用最廣的一類。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，根據振幅大小的變化規(guī)律，通過調整配重相對位置實現砂輪動態(tài)平衡校正的方法和裝置。

　　2 平衡原理和平衡頭結構

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子。剛性轉子由于其質心與回轉中心不重合所引起的振動響應即旋轉失衡是磨床主軸振動的重要因素。若磨床主軸部件總質量為M,不平衡質量為m,等效不平衡質點與回轉中心的距離(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. 可見在一定的轉速和阻尼條件下，由于偏心所引起的主軸振幅與偏心質量的質徑積me成正比。

砂輪的偏心質量可以用給定質徑積的偏心質量來進行平衡補償。若砂輪及給定質徑積的補償偏心質量(偏重齒圈)的軸向寬度b與其直徑D之比b/D<1/5，則可以認為偏心質量和偏重齒圈的補償質量形成的慣性力構成以轉子回轉軸為匯交點的平面匯交力系，如圖2所示，其中F_m,F₁,F₂分別為砂輪偏心質量及補償質量形成的慣性力。

1. 由平面匯交力系的平衡條件可知，轉子平衡時有,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 偏心質量及補償質量慣性力系

   圖3 平衡頭結構

   圖4 砂輪和偏重齒圈的配置

   可見，用兩個給定偏心質量和偏心距的偏重齒圈來補償砂輪的不平衡質量可以通過調整其與砂輪的周向相對位置來實現，補償能力為0～2m_be_b。
2. 平衡頭結構

平衡頭的核心是兩個偏重齒圈，其結構如圖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成的。若每個鉛柱的質徑積為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徑積為。k的大小由偏心質量來確定。

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通過蝸輪蝸桿機構驅動而相對于砂輪轉向。微電機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、信號調理電路及單片微機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。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，另外該傳感器在低頻時的相頻特性近似于零。

1. 信號調理電路

信號調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。根據拾振器的輸出信號范圍，取差模增益為A_uf=100。采用通用運放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，由于機床振動頻譜較為復雜，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. 單片微機采樣與控制電路

一般而言，普通精度的磨床在砂輪未經過平衡校正的情況下，其主振幅約為5～10µm，經過平衡校正后，主軸振幅可降之為0.1µm。可見采樣電路采用8位A/D轉換器即可滿足要求，
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大測量范圍，拾振信號經兩路信號調理電路輸入到A/D轉換器，CPU根據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，電機控制信號由P1.0～P1.3輸出，經互鎖邏輯電路輸出信號A0、A1、B0、B1。輸出信號的組合與電機正反轉的對應關系如表1。
2. 人機接口電路

人機接口由顯示電機正反轉狀態(tài)的4個發(fā)光二極管、顯示當前振幅和頻率的5位7段數碼管和分別實現復位、手動、自動和顯示控制的4個控制鍵以及實現兩個電機正反轉手動控制的4個控制鍵組成。采用鍵盤顯示接口專用集成電路8279,可簡化軟件結構，提高系統(tǒng)工作可靠性，人機接口電路如圖9所示。

表1 輸出信號與電機正反轉的對應關系 A0,A1 B0,B1 電機A 電機B 01   正轉   10 反轉   01   正轉 10 反轉

圖9 人機接口電路

4 軟件結構

1. 軟件結構由鍵盤顯示管理軟件、采樣比較軟件、電機控制軟件和主程序等組成。

   5 結論

該平衡裝置在某外圓磨床上實驗結果如圖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