图1 平衡装置简图

1 概述

在磨削加工过程中，砂轮的振动是产生工件已加工表面振纹、影响加工质量的重要因素。引起这种振动的原因有工件和刀具传动系统的扰动以及砂轮不平衡引起的主轴振动两个方面。前者一般可以通过磨床的减振设备有效地消除，而后者则主要通过对砂轮进行平衡校正来解决。砂轮的平衡技术按自动化程度可分为人工平衡、半自动平衡和自动平衡3类。目前人们在研究半自动平衡的同时正致力于自动平衡的研究。日本开发的一种Balanceeye/norilake半自动平衡装置，通过振动测试分析，指出平衡块的安放位置，停机后人工稳定平衡配重块，再开车进行平衡测定。它基本代表了半自动平衡的水平。在自动平衡中，机械式增重平衡器是发展最早、应用最广的一类。自动平衡目前在国外已发展为液体平衡(日本)和利用氟里昂作为平衡介质的液汽平衡(美国)。本文研究的是一种利用增重平衡原理，根据振幅大小的变化规律，通过调整配重相对位置实现砂轮动态平衡校正的方法和装置。

2 平衡原理和平衡头结构

平衡原理
平衡装置简图如图1所示，磨床砂轮属于刚性转子。刚性转子由于其质心与回转中心不重合所引起的振动响应即旋转失衡是磨床主轴振动的重要因素。若磨床主轴部件总质量为M,不平衡质量为m,等效不平衡质点与回转中心的距离(偏心距)为e,则由此引起的稳态受迫振动的振幅为 (1)
可见在一定的转速和阻尼条件下，由于偏心所引起的主轴振幅与偏心质量的质径积me成正比。
砂轮的偏心质量可以用给定质径积的偏心质量来进行平衡补偿。若砂轮及给定质径积的补偿偏心质量(偏重齿圈)的轴向宽度b与其直径D之比b/D<1/5，则可以认为偏心质量和偏重齿圈的补偿质量形成的惯性力构成以转子回转轴为汇交点的平面汇交力系，如图2所示，其中F_m,F₁,F₂分别为砂轮偏心质量及补偿质量形成的惯性力。
由平面汇交力系的平衡条件可知，转子平衡时有,即 (2)
若e₁=e₂=e_b，m₁=m₂=m_b则F₁=F₂=F_ba₁=a₂=a且 F_m=2F_bcosa
由F=mw²e 可得 me=2m_be_bcosa (3)

图2 偏心质量及补偿质量惯性力系
图3 平衡头结构
图4 砂轮和偏重齿圈的配置
可见，用两个给定偏心质量和偏心距的偏重齿圈来补偿砂轮的不平衡质量可以通过调整其与砂轮的周向相对位置来实现，补偿能力为0～2m_be_b。
平衡头结构
平衡头的核心是两个偏重齿圈，其结构如图3所示。它是用塑料圆盘沿周向均匀开若干个大小相同的孔，而在某些相邻的孔中嵌入铅柱构成的。若每个铅柱的质径积为m₁e₁,相邻两个铅柱的向径夹角为a₁,则k个相邻铅柱的等效质径积为。k的大小由偏心质量来确定。
砂轮和偏重齿圈的配置如图4所示，两个偏重齿圈分别由两台微电机通过蜗轮蜗杆机构驱动而相对于砂轮转向。微电机的动作信号来源于控制系统的控制电路。

3 控制系统

控制系统由拾振器、信号调理电路及单片微机采样与控制电路组成。

拾振器
拾振器为一压电式加速度传感器，它具有灵敏度较高，频率范围较宽，体积较小，重量较轻等特点。其灵敏度为30～80mV/g,频率范围为4～8000Hz,重量为22g,固有频率在10kHz以上，而磨床不平衡振动为30Hz左右。所以使用该传感器时其灵敏度可视为一常数，另外该传感器在低频时的相频特性近似于零。
信号调理电路
信号调理电路由信号放大和半波整流电路组成。信号放大电路采用差动输入电路，以提高其输入电阻和共模抑制比，其电路形式如图5所示。根据拾振器的输出信号范围，取差模增益为A_uf=100。采用通用运放LM324,电路的共模抑制比CMRB>120DB,其输入电阻R_I>100Mw，输出电阻R₀<<1w。

图5 信号调理电路
图6 半波整流电路
半波整流电路如图6所示，由于机床振动频谱较为复杂，为简化频谱分析，将拾振信号半波整流后，取其半波信号的积分值来表征振动幅值。
单片微机采样与控制电路
一般而言，普通精度的磨床在砂轮未经过平衡校正的情况下，其主振幅约为5～10µm，经过平衡校正后，主轴振幅可降之为0.1µm。可见采样电路采用8位A/D转换器即可满足要求，因此采用常用的ADC0809,采样电路原理图如图7所示。为提高测量精度并扩大测量范围，拾振信号经两路信号调理电路输入到A/D转换器，CPU根据信号大小切换采样端。

图7 采样电路原理图
图8 控制电路
控制电路如图8所示，电机控制信号由P1.0～P1.3输出，经互锁逻辑电路输出信号A0、A1、B0、B1。输出信号的组合与电机正反转的对应关系如下表。
人机接口电路
人机接口由显示电机正反转状态的4个发光二极管、显示当前振幅和频率的5位7段数码管和分别实现复位、手动、自动和显示控制的4个控制键以及实现两个电机正反转手动控制的4个控制键组成。采用键盘显示接口专用集成电路8279,可简化软件结构，提高系统工作可靠性，人机接口电路如图9所示。