一种新型半自动砂轮平衡装置
<P><STRONG>1 引言</STRONG></P><P> 作为精密机械加工的磨床，决定了产品加工的精度。对磨削精度有重要影响的主要是磨床振动，在磨床振动中，最为重要的振动源是主轴上砂轮的振动，而砂轮偏心是引起砂轮振动的主要振源。砂轮不平衡振动是影响工件精度的主要原因，尤其是对工件波度影响。另外砂轮振动又会降低主轴精度和磨床寿命，随着高科技发展，高速磨削越为重要。砂轮不平衡振动问题也日趋突出。传统的静平衡方法已无法控制各种动态因素引起的砂轮不平衡振动。国内外不断推出各种砂轮动平衡新产品来满足生产要求。例如美国SBS全自动平衡装置，价格为8000美元，意大利marposs公司机械式监测及补偿系统，价格在8000-10000美元，相当于我国的一台中型磨床的价格，难以在我国占领市场。目前在我国实际生产中，普遍采用的是手工静平衡法。先在砂轮架上完成一次平衡后，再安装到磨床上用砂轮刀修正，然后拆卸下来，放到平衡架上再作一次精平衡，方能使用。对高精密机床有时要反复平衡三次，砂轮修正量大，时间长而且平衡精度低。特别是大型磨床砂轮装卸平衡更为复杂，工人劳动强度大，生产效率低。国产自动平衡头虽然价格便宜，但体积大，并且质量不稳定，故障率较高，未形成比较成熟的产品，所以至今普遍采用手动静平衡，基于以上原因我们开发出一种新型半自动平衡装置。</P><P><STRONG>2 平衡装置特点</STRONG></P><P> 不平衡量的大小及相位由仪器直接给出。磨床不需作改动。平衡配重利用原有砂轮法兰盘内配重块，不再附加其它任何结构，可以很方便地在磨床上完成平衡，不需砂轮反复装卸，控制部分采用单片机系统，可以降低成本，提高装置可靠性。平衡块放置由手动完成。另外装置配有少量按钮和显示器，可将不平衡量的大小和相位直接显示出来，对于操作者技术和经验要求不高，同时又能克服其它半自动平衡装置固有的缺点，取代我国目前普遍使用的比较落后的手动静平衡，减轻工人的劳动强度，提高平衡效率和平衡精度。</P><P><STRONG>3 平衡装置的基本构成及工作原理</STRONG></P><P> 半自动平衡装置如图1所示，由传感器、滤波器、放大器、A/D转换器、8301单片机及LED显示器等部分组成。</P><P align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_59lowo200845103133.gif"></P><P align=center><STRONG>图1 仪器构成</STRONG><BR>1.砂轮架 2.拾振器 3.放大器 4.滤波器 5.A/D转换<BR>6.8031单片机 7.LED显示器 8.平衡块 9.刻度环 10.砂轮</P><P> 砂轮偏心引起振动通过安装在磨头架上方的传感器来测量。安装位置靠近磨床主轴承前支承上方，也就是通过测量磨床主轴前支承的振动来求解不平衡量的大小。根据线性系统的特性，得：</P><P align=left>P<SUB>0</SUB>=αA<SUB>0</SUB> (1)</P><P>式中：A<SUB>0</SUB>-砂轮不平衡振幅，P<SUB>0</SUB>-砂轮不平衡量，α-影响系数</P><P> 在砂轮上放置一个已知大小的平衡块P<SUB>1</SUB>,由其产生砂轮架振幅A<SUB>1</SUB>,由砂轮自身不平衡量P<SUB>0</SUB>引起砂轮架振幅为A<SUB>0</SUB>,则：</P><P><IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_tswruk20084510328.gif"> (2)</P><P> 再在P<SUB>1</SUB>的180<FONT face=宋体>°</FONT>对称位置上放置大小相等的平衡块，引起振幅A<SUB>2</SUB>，这样可得图2所示几何关系：则得:</P><P align=left>A<SUB>01</SUB><SUP>2</SUP>=A<SUB>0</SUB><SUP>2</SUP>+A<SUB>1</SUB><SUP>2</SUP>+2A<SUB>0</SUB>A<SUB>1</SUB>cosθ (3)</P><P align=left>A<SUB>02</SUB><SUP>2</SUP>=A<SUB>0</SUB><SUP>2</SUP>+A<SUB>2</SUB><SUP>2</SUP>+2A<SUB>0</SUB>A<SUB>2</SUB>cosθ (4)</P><P align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_71drt7200845103244.gif"></P><P align=center><STRONG>图2</STRONG></P><P>式中：A<SUB>0</SUB>,A<SUB>01</SUB>,A<SUB>02</SUB>为可测振幅，且A<SUB>1</SUB>=A<SUB>2</SUB>,故可求出A<SUB>1</SUB>及不平衡相位θ,再由式（2）可求出不平衡量大小P<SUB>0</SUB>。<BR> 以上是不平衡量的两点识别法，精度不高。为此我们又提出了最小二乘法，在砂轮上取等分4点。在θ<SUB>1</SUB>=0<SUP>0</SUP>、θ<SUB>2</SUB>=90<SUP>0</SUP>、θ<SUB>3</SUB>=180<SUP>0</SUP>、θ<SUB>4</SUB>=270<FONT face=宋体>°</FONT>上分别加配重测量振幅，用最小二乘法识别砂轮不平衡大小与相位，识别理论与方法请参阅文献。<BR> 系统的运行过程如下：<BR> 传感器提取砂轮振动信号，经滤波放大后，送A/D转换器，将模拟信号转换成数字信号，再由单片机8031计算处理后，在LED显示器显示砂轮不平衡信号的相位及最终用平衡块进行补偿时的摆放角度。<BR> 程序设计框图如图3所示。</P><P align=center><STRONG><IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_6y6zrv20084510335.gif"></STRONG></P><P align=center><STRONG>图3</STRONG></P><P><STRONG>4 实验</STRONG></P><P> 实验在MG1432A磨床上进行。<BR> 新购置砂轮，由经验丰富的师傅手动平衡，整个过程用去约45分钟。然后用本装置重新进行平衡：<BR> 实验数据见下表。</P><P align=center><STRONG>平衡试验结果表</STRONG></P><CENTER><TABLE width="90%" border=1><TBODY><TR><TD align=middle width="69%" colSpan=3><FONT size=2>人工平衡后平衡块的位置</FONT></TD><TD align=middle width="31%" colSpan=2><FONT size=2>180<FONT face=宋体>°</FONT>,260<FONT face=宋体>°</FONT></FONT></TD></TR><TR><TD align=middle width="69%" colSpan=3><FONT size=2>人工平衡后砂轮的残余振幅</FONT></TD><TD align=middle width="31%" colSpan=2><FONT size=2>0.429</FONT></TD></TR><TR><TD align=middle width="100%" colSpan=5><FONT size=2>试验配重在不同位置下的测量振幅</FONT></TD></TR><TR><TD align=middle width="20%"><FONT size=2>配重位置</FONT></TD><TD align=middle width="20%"><FONT size=2>0<FONT face=宋体>°</FONT></FONT></TD><TD align=middle width="29%"><FONT size=2>90<FONT face=宋体>°</FONT></FONT></TD><TD align=middle width="11%"><FONT size=2>180<FONT face=宋体>°</FONT></FONT></TD><TD align=middle width="20%"><FONT size=2>270<FONT face=宋体>°</FONT></FONT></TD></TR><TR><TD align=middle width="20%"><FONT size=2>振幅值</FONT></TD><TD align=middle width="20%"><FONT size=2>3.674</FONT></TD><TD align=middle width="29%"><FONT size=2>3.371</FONT></TD><TD align=middle width="11%"><FONT size=2>1.114</FONT></TD><TD align=middle width="20%"><FONT size=2>1.922</FONT></TD></TR><TR><TD align=middle width="40%" colSpan=2><FONT size=2>识别方法</FONT></TD><TD align=middle width="29%"><FONT size=2>传统四点法</FONT></TD><TD align=middle width="31%" colSpan=2><FONT size=2>最小二乘四点法</FONT></TD></TR><TR><TD align=middle width="40%" colSpan=2><FONT size=2>识别不平衡相位</FONT></TD><TD align=middle width="29%"><FONT size=2>32.03</FONT></TD><TD align=middle width="31%" colSpan=2><FONT size=2>32.03</FONT></TD></TR><TR><TD align=middle width="40%" colSpan=2><FONT size=2>校正平衡块位置</FONT></TD><TD align=middle width="29%"><FONT size=2>177.3,246.8</FONT></TD><TD align=middle width="31%" colSpan=2><FONT size=2>173.4</FONT></TD></TR><TR><TD align=middle width="40%" colSpan=2><FONT size=2>平衡后残余振幅</FONT></TD><TD align=middle width="29%"><FONT size=2>0.347</FONT></TD><TD align=middle width="31%" colSpan=2><FONT size=2>0.228</FONT></TD></TR></TBODY></TABLE></CENTER><P> 表明：用新型半自动平衡仪调整后的砂轮残余振幅要比手动平衡后砂轮振幅降低近50%,整个操作过程5分钟。砂轮用过一段时间磨损后可直接利用该装置再平衡，效果很好。</P>
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