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摘要
磨床砂轮的不平衡量是影响磨削精度的主要因素之一，随着对磨床磨削精度的要求越来越高，解决砂轮的不平衡问题也日显迫切。
在广泛了解、借鉴国内外先进技术的基础上，本文介绍了一种新型砂轮动平衡自动控制系统的硬件、软件设计，该系统以8031单片机为核心，通过检测砂轮旋转时不平衡量引起的振动信号并进行数据处理，以确定不平衡量的大小，然后控制跟随砂轮高速旋转的平衡头内的双永磁直流电机以对不平衡量进行补偿。
砂轮不平衡产生的振动信号是与砂轮转速同频的周期信号，精确获取与转速同频信号的值是对砂轮进行动平衡的前提。本文采用算术平均值法实现砂轮振动信号倍频采样。实验表明，本方法可从复杂噪声中在线提取砂轮不平衡信号。
在控制方面，本文提出了一种改善直流电动机速度控制的动态新方法，该方法以变结构控制理论为基础，使调节时间被大大减少，而又不增加系统的最大超调，由于滑模变结构的自身特点，本系统对参数变化及外部扰动具有不敏感性。
本方法具有硬件电路简单，倍频采样精度高，跟踪速度快的优点，显著降低了砂轮不平衡引起的振动，取得了良好的效果。
关键词：不平衡量 信号处理 滑模变结构控制
Title The emerg wheel moving-equlibrium measures apparatus of arithmetic investigation and realization
Abstract
Unbalanced amount of an emerg wheel is one of main causes that affect grinding accuracy of a grinding machine . The grinding accuracy is being required to be higher and higher .The problem about the unbalanced amount of an emerg wheel is being paid more and more attention .
Having widly invested and adopted the advanced technologies of home and abroad ,This paper introduce a new type of system about dynamic balance of on-line emery cutter .with the core of one-chip 8031 computer ,this system first detects the unbalanced quantity by controlling the counter-balance .The experiments imply that this system can slow down the vibration prominently ,which can also get quit good a balanced affection.
A Arithmetic value average method is introduced , and an application of this method in dynamic balancing of Grinding wheel is also Presented. Results show that the method can gain the unbalance value from mixed noise .
In control respect , a new approach for improving the dynamic response of the D.C motor speed with separate excitation is presented .Based on VSC theory ,the dynamic response of liner switching function is much faster by introducing the nonlinear switching function is much faster by introducing the nonlinear switching function .Simulation result showed that the dynamic response is greatly improved by using sliding mode VSC controller ,and error in the steady state is zero .
The circuit is compact and has high precision and following speed by this method .The design and make of this system is an available exploration in the dynamic equilibrium research field .
Keywords: Unbalance value, Signal processing，Variable structure sliding mode control
目录
第一章 绪论. 1
1.1论文选题的来源及意义. 1
1.1.1传统静平衡存在的问题. 1
1.1.2本系统在线平衡的特点. 1
1.2.论文选题在该领域国内外研究现状. 2
1.2.1自动平衡的应用现状. 2
1.2.2自动平衡的研究思路. 3
1.2.2.1带自由移动补偿质量的被动式自动平衡装置. 3
1.2.2.2强迫移动、合成和去掉补偿质量的主动式自动平衡装置. 4
1.2.2.3小结. 6
1.3. 论文选题的研究内容、实施方案和拟解决的关键性问题. 7
第二章 方案论证. 8
2.1砂轮平衡技术的选择. 8
2.2.信号的采样与分析. 8
2.3.算法的研究. 8
2.4.芯片的选择. 9
第三章 砂轮不平衡量的信号提取. 10
3.1.概述. 10
3.2. 信号的干扰渠道、分类及后果. 10
3.2.1 信号的干扰渠道. 10
3.2.2 干扰的分类. 11
3.2.3 干扰的后果. 11
3.3.振动信号的软件处理和不平衡量的计算. 12
第四章 变结构控制算法. 17
4.1.变结构的定义. 17
4.2.结构控制系统的一般设计方法. 19
4.2.1切换函数的设计. 19
4.2.2控制器的设计. 20
4.2.3滑动模态的鲁棒性. 21
4.2.4抖动问题. 22
4.3. 用非线性切换函数改善电动机速控制的动态性能. 22
4.3.1 直流电机模型. 22
4.3.2离散系统中的滑态存在的充要条件. 25
4.3.3系统数字仿真. 25
4.3.4 系统实验及结果分析. 27
4.4. 本章小结. 27
第五章 现场不平衡量测试与控制的实现. 28
5.1. 概述. 28
5.2. 传感器单元. 28
5.3. 信号调节电路. 29
5.4.系统硬件设计. 30
5.4.1 8031芯片的介绍. 30
5.4.2 8031 单片机应用系统程序存储器扩展. 33
5.4.3 8031单片机应用系统的外部数据存储器扩展. 34
5.4.4 单片机应用系统中的I/O口的扩展. 35
5.4.4.1 8255可编程并行I/O芯片的结构组成. 35
5.4.4.2 8031 与8255的接口电路. 39
5.5.控制电路设计原理. 42
5.5.1伺服电动机的选型. 43
5.5.2平衡头的主要参数. 43
5.5.3脉宽调速原理及驱动电路. 43
5.6.结论. 44
第六章 测控软件的编制. 45
6.1. 概述. 45
6.2. 源程序的设计步骤. 45
6.3. 砂轮动平衡测控系统的软件实现. 45
结束语. 46
参考文献. 47
附录1 49
附录2 50
第一章 绪论
1.1论文选题的来源及意义
任何转子在围绕其轴线旋转时，都可能由于转子质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动，这种振动会产生噪声和加速轴承磨损，从而影响工件的磨削质量和严重影响磨床的使用寿命。本论文的主要目标是对转子的不平衡量进行校正，改善转子相对于轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减小到允许的范围之内。转子的平衡包括不平衡量的测量和校正。
砂轮的平衡对高精度磨床的磨削有重要的意义。砂轮仅由人工进行安装前的传统静平衡试验，其初始平衡精度就比较差；再加上磨削过程中砂轮表面微孔对冷却液的吸附，以及砂轮磨损和休整所增添的附加不平衡，所以影响磨削质量。特别是因砂轮不平衡造成的径向跳动在磨削零件的表面会留下较大的振痕。近年来，我国多家磨床制造厂相继配备美国SBS系统于国产高档磨床产品上。1995年夏天在FARREL磨床维修中配用了从美国许密特（Schmitt）工业公司进口的SBS动平衡装置。
1.1.1传统静平衡存在的问题
(1)砂轮的残余静不平衡
人工做静平衡时，由于磨床砂轮直径较大、自重较大，导致静惯性较大，所以当静平衡做到一定程度就无法继续下去，此时砂轮仍然保留一定的残余静不平衡，结果造成静平衡精度较差。
(2)砂轮的偶不平衡
砂轮制造中除了静不平衡外，还存在着偶不平衡。偶不平衡虽然不太大，但对于高精度加工的磨床来讲，也是不可忽略的。而且这种偶不平衡不可能用静平衡的方法消除。
(3)砂轮表面微孔对冷却液吸附的不平衡
在磨削过程中，由于砂轮表面微粒及微孔对冷却液吸附的不均匀性就会造成砂轮的附加不平衡。这种附加的不平衡也不能用静平衡方法消除。
(4)砂轮磨损和修正中的附加不平衡
由于砂轮是非均匀的颗粒粘合体，其表层微粒的磨损以及不定时的表面修正都会造成砂轮新的不平衡，这些附加不平衡也不可能用静平衡法消除。
总之，想要让砂轮磨削出准确的尺寸和光洁的表面，必须防止磨削过程中的振动。但引起振动的主要原因又恰恰是砂轮本身。先天的不平衡无法避免，再加上后天的不平衡，使磨床砂轮的旋转始终处于不平衡的状态之中。
1.1.2本系统在线平衡的特点
(1)本系统的组成
本系统由振动传感器、控制微机和平衡头组成。
振动传感器测得信号输入控制微机后，微机发出信号从而控制平衡头达到在线平衡的设定目标。
(2)本系统的拾振原理
振动传感器把收集到的磨床的各种振动信号输入微机，由微机内的窄波滤波器按主轴转速滤波，分辨出由砂轮不平衡引起的即刻振动值（径向振动位移值）。为了使振动传感器监测到直接影响磨削质量的砂轮的径向振动。带磁性的传感器的圆柱面最好垂直于砂轮与工件的接触面。
(3)本系统的平衡原理
平衡头装在磨床的主轴端部，它随主轴转动，平衡头内有2个质量补偿重块，分别由2个永磁直流电机通过蜗轮蜗杆及精密齿轮系驱动。其平衡程序由微机按拾振信号驱动2个永磁直流电机同时正转或反转，使2个平衡块的角平分线与不平衡质量的半径成 ，满足2个补偿平衡块夹角的方向与砂轮的不平衡质量处于相反方向；第二步2个永磁直流电机一个正转另一个反转或一个反转另一个正转，来调整2个平衡块与砂轮中心点连线的夹角大小，满足补偿平衡块的质量与砂轮不平衡质量相等。2个永磁直流电机的各自旋转方向及其角度可由微机按拾振信号控制，也可由人工手动控制，直至达到设定的振动目标值之内为止。
一般工厂为了消除频繁出现的磨削振痕，操作工人采取变换砂轮转速及减小磨削进给等办法做多次往复磨削，这样不但费时，而且效果也不太理想。
(4)避免外界振动
本系统的设计旨在纠正砂轮的动态不平衡，提高加工件的表面磨削质量和磨削精度，故只按磨床主轴转速频率范围来过
滤磨床的振动信号，对此频率以外的附加振动都忽略不计，如当临近机械以相同的频率工作或产生相近频率范围的附加振动信号。因此如有外界振动存在，磨床应装有避振器或隔离措施。才能确保本系统的正常工作。
(5)正确安放传感器
振动传感器的安放位置与方向十分重要，初装时可以用其磁性底座，等找到较合适的方位后也可作永久固定方式。基本原则是传感器的接触平面要平行于砂轮与工件的接触切面，这样才能最直接检测到影响磨削的振动。
1.2.论文选题在该领域国内外研究现状
1.2.1自动平衡的应用现状
目前来说，自动平衡技术在磨床砂轮轴上应用已经比较成熟。由于砂轮可以简化为一种单盘转子，因而只需要一个控制平面就可以了，而且砂轮上有足够的空间以及其他的辅助设备，自动平衡装置安装比较方便。2001年4月，在第七界中国机床展览会上，一些国际知名的都展出了自己最新产品，如德国Schaudt 公司的PF51型数控端面外圆磨床，西班牙公司的外圆磨床等等，这些磨床都装配了各自的砂轮自动平衡装置，使磨床达到了很高的精度。另外，schmitt公司的砂轮产品由计算机控制器、传感器、平衡头三部分组成，由微处理机控制的全自动在线动平衡装置，见图1.1。图1.2所示。平衡精度达到0.1um，并具备数控、自动、手动多项运动功能，目前该产品已经走入了市场销售。
