基于單片機紅外遙控通信的智能化砂輪自動平衡系統(tǒng)

磨削作為機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對磨削過程有很大的影響，嚴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，這種脫機的平衡方法不方便，而且受平衡導軌精度、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，而且要花費很多時間，尤其是對精密和超精密磨削需要分初平衡、精平衡，并經(jīng)過多次拆裝砂輪，平衡時間長，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顯著的影響。

　　因此，在精密和超精密磨削以及磨削自動化的發(fā)展過程中，砂輪在線動平衡成為一項不可或缺的關(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)有的在線動平衡裝置中，國外的系統(tǒng)平衡精度不高、結(jié)構(gòu)復雜、自動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平衡系統(tǒng)。該系統(tǒng)以98單片機為控制核心，通過檢測砂輪旋轉(zhuǎn)時不平衡量引起的振動信號并進行數(shù)據(jù)處理，由自動搜索控制算法確定不平衡量的大小，然后通過98單片機雙機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)的平衡塊移動對不平衡量進行補償。該項目研究的目的是開發(fā)一種適用的智能化砂輪在線自動平衡系統(tǒng)，提高平衡精度和效率，為磨削過程自動化提供一種有效的手段。

　　1、平衡系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)試驗研制的智能化在線自動平衡系統(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砂輪不平衡引起的振動量，壓電效應產(chǎn)生的電荷形成微弱的電動勢，再由電荷放大器將微弱的電動勢轉(zhuǎn)變成較強的電壓信號，通過帶通濾波器進行檢波，分離出由砂輪不平衡量引起的振動信號，濾掉干擾信號，接著進行電壓放大，使其與A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓相匹配，然后進入采樣保持器，通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量變成數(shù)字量送入98單片機控制系統(tǒng)。單片機控制系統(tǒng)可以進行數(shù)據(jù)處理，計算并顯示振動幅峰值，然后可以進行在自動平衡方式下按照控制策略發(fā)出控制信號進行自動平衡，或者在手動平衡方式下通過鍵盤發(fā)出控制指令進行平衡。為了完成平衡操作，需要將控制信號傳至平衡頭對執(zhí)行步進電機進行控制，對平衡塊位置進行相應的調(diào)整。對高速旋轉(zhuǎn)的平衡裝置，控制信號的傳輸是一個關(guān)鍵問題。目前廣泛采用的是集流環(huán)方式，其主要缺點是使用過程中的無功磨損。

　　因為砂輪的實際平衡時間很短，在不進行平衡操作時，集流環(huán)仍在磨損。為了克服這個缺點，本系統(tǒng)采用了紅外遙控的方法。為克服紅外信號發(fā)射有方向性且只能覆蓋一定區(qū)域的缺點，試驗將紅外發(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的信號，同時可有效地防止其他信號的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。紅外遙控傳輸?shù)男盘柺谴蟹绞剑瑸榱税?8單片機發(fā)出的控制指令由并行變?yōu)榇蟹绞剑鞠到y(tǒng)中控制信號的傳輸與接收采用了98單片機之間的串行通信方式。地面控制系統(tǒng)中的單片機（主機）通過串行口發(fā)出控制信號，驅(qū)動紅外發(fā)光二極管，將數(shù)字信息變成串行紅外脈沖信號發(fā)射出去，紅外檢波放大器將紅外信號還原為數(shù)字信號，送至平衡頭中單片機（從機）的串行口輸入端，經(jīng)解碼處理還原成控制指令，作出相應的控制。從機一方面接收和解碼串行控制信號，另一方面以軟件實現(xiàn)環(huán)形分配器的方法，給步進電機提供控制信號，驅(qū)動其正常工作。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微型交流發(fā)電機，輸出的交流電壓通過整流、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)帶來的缺陷。

　　1-外殼；2-鎖緊螺母，用來固定砂輪；3-連接法蘭盤；4-底座，用螺釘固定在連接法蘭盤上，步進電機和精密絲杠也裝在底座上；5-發(fā)電機的永磁定子，位置固定不動；6-紅外接收管，裝在軸線處接收紅外信號，并提供給接收機以控制步進電機的動作；7-接收器電路板；8-發(fā)電機的轉(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。其工作過程：砂輪轉(zhuǎn)動時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈同軸轉(zhuǎn)動，由于定子磁場固定，線圈切割磁力線產(chǎn)生交變電流，通過整流、濾波、穩(wěn)壓變成直流電源，提供給平衡頭內(nèi)的控制電路和步進電機使用。此時，平衡頭內(nèi)部的單片機系統(tǒng)上電復位，開始檢測有無紅外控制信號。當主機發(fā)出控制信號時，通過紅外遙控使從機從串行口接收到控制信號，從機運行控制程序輸出控制兩個步進電機動作的控制信號，驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動使和平衡塊連在一起的螺母移動，從而實現(xiàn)對砂輪不平衡量的自動補償。

　　2、控制系統(tǒng)軟件2.1控制算法要實現(xiàn)砂輪在線動平衡，需要自動檢測、處理數(shù)據(jù)，并通過軟件的控制規(guī)則自動判斷平衡與否，然后發(fā)出控制信號，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)對不平衡量進行補償。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平衡過程控制以實現(xiàn)智能化。控制模型平衡裝置的配重是兩個在垂直交錯的精密絲杠上移動的螺母，平衡操作通過兩個步進電機帶動精密絲杠轉(zhuǎn)動，使兩個螺母沿徑向直線移動，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，從而實現(xiàn)砂輪平衡。圖中，F(xiàn)xy是兩個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)因此控制問題歸結(jié)為其中，d為沿坐標軸正向的最大移動距離；這是一個以平衡塊在垂直軸上移動位移x，y為變量，不平衡振幅為目標函數(shù)的最優(yōu)控制問題。控制策略平衡時，可以從任意初始點（x，y）出發(fā)，以x，y使不平衡振幅不斷下降的方向搜索，直到振動量不再下降為止。

　　為了加快搜索過程，這里采用了加速步長與最優(yōu)步長相結(jié)合的控制算法。平衡時，先對x或y規(guī)定沿s方向的初始試驗步長h，并用來搜索跨步方向，當xi=xi-1+hs時，滿足fi(xi,yi)采用二分法進行最優(yōu)步長搜索的基本思想如圖4所示，是通過加速步長法得到α，b兩點，目標函數(shù)的最優(yōu)點必然在兩點之間，將步長減半，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)情況步長減半，方向不變或步長減半，方向也變繼續(xù)搜索，直到縮減到單位步長，振幅不再下降時，停止搜索，此時即為能夠達到的平衡點。

　　2.2軟件設計本系統(tǒng)的軟件采用模塊化設計，由以下幾個部分組成：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，粗平衡過程采用加速步長法，精平衡過程采用最優(yōu)步長法實現(xiàn)。

　　3、實驗結(jié)果在實驗室的MC1420型高精度萬能外圓磨床上對該系統(tǒng)進行了動平衡實驗，并使用示波器和FFT分析儀對實驗結(jié)果進行觀察和分析。圖5所示是平衡前的砂輪振動。平衡后的砂輪振動量大約是平衡前的1/8，振幅顯著降低，平衡效果良好。

　　4、結(jié)束語筆者研制的智能化在線自動平衡系統(tǒng)具有以下幾個特點：①采用98單片機雙機紅外遙控通信和利用主軸動力發(fā)電來提供平衡頭內(nèi)部電源的方式，完全克服了現(xiàn)有的動平衡頭采用集流環(huán)的缺陷；②精密絲杠與單片機軟件實現(xiàn)的步進電機的細分微步控制信號，使平衡精度大大提高；③改進的自動搜索控制算法能快速達到平衡精度要求；④系統(tǒng)提供全自動和半自動兩種靈活的工作方式，操作非常簡便。該系統(tǒng)進行的實驗表明：顯著地降低了振動，效果良好，因此具有較為廣闊的應用前景，能產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益。