自動磨床沙輪緊蹤裝置設計

A. 無心外圓磨床結構形式和特點

無心外圓磨床是精密機械加工中不可或缺的工具。根據砂輪架、托架在床身上的相對位置，這類磨床可以分為三種基本結構形式：砂輪架固定式、砂輪架移動式和傾斜式。下面，我們將對這三種結構形式進行詳細解析。

砂輪架固定式無心外圓磨床是最常見的結構形式之一。在這種設計中，砂輪架固定在床身上，而導輪和托架之間可以進行相對調整移動。在通磨或切入磨削時，導輪、托架和工件一同進行進給和補償運動。砂輪和導輪主軸通常採用懸伸式支承結構。這種設計結構簡單，體積小巧，適用於中小型無心磨床。如M1020A、MT1040A、M1050A、M10100、MG1020、MG10100、MS10100等產品均採用此結構形式。

砂輪架移動式無心外圓磨床的托架固定在床身上，而砂輪架和導輪架相對於托架可進行調整運動。在特定情況下，此類磨床的砂輪、導輪主軸大多採用雙支承結構形式。這種設計使得工件中心相對床身保持固定，便於在機床上安裝各種送料裝置或自動上下料機構。全自動無心磨床通常採用此類結構形式。中型無心磨床如MGT1050、M11100、M11100A、M10200、MG10200A、MZT10400、M11200等產品均屬於此類結構形式。

傾斜式無心外圓磨床的砂輪、導輪中心連線與水平面傾斜α角。托架固定在床身上，砂輪、導輪主軸為雙支承結構。導輪架相對於托架可進行調整運動，砂輪架進行進給補償運動。由於機床傾斜α角後，工件對導輪表面的法向壓力增加，從而增加了工件與導輪表面的摩擦力，為帶動大型、重型工件的回轉提供了良好的基礎。MZT10400機床是此類結構形式的代表。

綜上所述，無心外圓磨床的結構形式可以根據實際需求靈活選擇。砂輪架固定式、砂輪架移動式和傾斜式各有特點，適用於不同規模和精度要求的工件加工。選擇合適的結構形式，能夠提高加工效率、保證加工精度，滿足各類機械加工需求。

B. 怎樣平衡砂輪

基於單片機紅外遙控通信的智能化砂輪自動平衡系統

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，嚴重製約著磨削表面質量和精度的提高。傳統的砂輪平衡方法是靜平衡，這種離線的平衡方法不方便，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，並經過多次拆裝砂輪，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於砂輪本身材質分布的不均勻，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展過程中，砂輪在線動平衡成為一項不可或缺的關鍵技術，在生產中有著重要的意義和廣泛的前景。在現有的在線動平衡裝置中，國外的系統平衡精度不高、結構復雜、自動控制方面還有很大差距，不能滿足生產需要。

筆者研究了一種新型智能化砂輪在線自動平衡系統。該系統以98單片機為控制核心，通過檢測砂輪旋轉時不平衡量引起的振動信號並進行數據處理，由自動搜索控制演算法確定不平衡量的大小，然後通過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的平衡頭內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一種適用的智能化砂輪在線自動平衡系統，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、平衡系統原理及結構

系統首先由安裝在砂輪頭架上的壓電式加速度感測器檢測砂輪不平衡引起的振動量，壓電效應產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轉換器輸入電壓相匹配，然後進入采樣保持器，通過A/D轉換，將模擬量變成數字量送入98單片機控制系統。單片機控制系統可以進行數據處理，計算並顯示振動幅峰值，然後可以進行在自動平衡方式下按照控制策略發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行步進電機進行控制，對平衡塊位置進行相應的調整。對高速旋轉的平衡裝置，控制信號的傳輸是一個關鍵問題。目前廣泛採用的是集流環方式，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，集流環仍在磨損。為了克服這個缺點，本系統採用了紅外遙控的方法。為克服紅外信號發射有方向性且只能覆蓋一定區域的缺點，試驗將紅外發射和接收管都裝於主軸的軸心線上。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，提高系統的可靠性。
紅外遙控傳輸的信號是串列方式，為了把98單片機發出的控制指令由並行變為串列方式，本系統中控制信號的傳輸與接收採用了98單片機之間的串列通信方式。地面控制系統中的單片機（主機）通過串列口發出控制信號，驅動紅外發光二極體，將數字信息變成串列紅外脈沖信號發射出去，紅外檢波放大器將紅外信號還原為數字信號，送至平衡頭中單片機（從機）的串列口輸入端，經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列控制信號，另一方面以軟體實現環形分配器的方法，給步進電機提供控制信號，驅動其正常工作。

為提供平衡頭中控制系統的電源，在平衡頭中安裝了一台微型交流發電機，輸出的交流電壓通過整流、檢波、穩壓得到穩定的電源，與紅外遙控系統一起完全避免了使用集流環帶來的缺陷。

其工作過程：砂輪轉動時，發電機轉子線圈同軸轉動，由於定子磁場固定，線圈切割磁力線產生交變電流，通過整流、濾波、穩壓變成直流電源，提供給平衡頭內的控制電路和步進電機使用。此時，平衡頭內部的單片機系統上電復位，開始檢測有無紅外控制信號。當主機發出控制信號時，通過紅外遙控使從機從串列口接收到控制信號，從機運行控製程序輸出控制兩個步進電機動作的控制信號，驅動絲杠轉動使和平衡塊連在一起的螺母移動，從而實現對砂輪不平衡量的自動補償。

2、控制系統軟體

2.1控制演算法

要實現砂輪在線動平衡，需要自動檢測、處理數據，並通過軟體的控制規則自動判斷平衡與否，然後發出控制信號，驅動執行機構對不平衡量進行補償。這里的核心內容是微處理器系統作為智能單元去完成整個平衡過程式控制制以實現智能化。

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動，使兩個螺母沿徑向直線移動，產生的離心力合成矢量與砂輪固有不平衡量產生的離心力矢量大小相等、方向相反，從而實現砂輪平衡，

控制策略

平衡時，可以從任意初始點（x，y）出發，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，這里採用了加速步長與最優步長相結合的控制演算法。平衡時，先對x或y規定沿s方向的初始試驗步長h，並用來搜索跨步方向，當xi=xi-1+hs時，滿足fi(xi,yi)

採用二分法進行最優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，目標函數的最優點必然在兩點之間，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，再根據出現情況步長減半，方向不變或步長減半，方向也變繼續搜索，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軟體設計

本系統的軟體採用模塊化設計，由以下幾個部分組成：主程序、采樣模塊、數據處理模塊、顯示模塊、鍵輸入模塊、鍵處理子程序模塊、串列發送模塊以及串列接收模塊等。其中鍵處理子程序模塊是系統軟體控制演算法的核心部分，粗平衡過程採用加速步長法，精平衡過程採用最優步長法實現。

3、實驗結果

在實驗室的MC1420型高精度萬能外圓磨床上對該系統進行了動平衡實驗，並使用示波器和FFT分析儀對實驗結果進行觀察和分析。平衡後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、結束語

筆者研製的智能化在線自動平衡系統具有以下幾個特點：①採用98單片機雙機紅外遙控通信和利用主軸動力發電來提供平衡頭內部電源的方式，完全克服了現有的動平衡頭採用集流環的缺陷；②精密絲杠與單片機軟體實現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演算法能快速達到平衡精度要求；④系統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，能產生很大的經濟效益。

C. 軋輥磨床的結構介紹

採用三級三角皮帶傳動保證了傳動的平穩和精度；使用交流主軸電機驅動能使頭架實現正向和反向旋轉；頭架的位置控制功能，可實現撥盤角度自動定位，方便軋輥的吊裝，減少輔助時間。頭架潤滑系統選用了油脂泵，可實現自動定時給油。
尾架
尾架移動採用電動驅動方式，液壓自動鎖緊。尾架配備大行程(1000mm)液壓套筒。 砂輪主軸前後徑後軸承均採用高精度動靜壓軸承，主軸軸向採用高精度推力軸承。另外，在後軸承設計中增強了工作腔動靜壓軸承的靜態壓力效果，以克服較大皮帶拉力對軸瓦造成的損傷。主軸動靜壓軸承具有回轉精度高，穩定性好，動態剛性強，不易振動等特點。
磨架及其進給機構
磨架採用單層整體結構，具有很高的剛性，磨架導軌為貼塑靜壓導軌，磨架進給機構由帶減速裝置的西門子交流伺服電機和經過精確預拉伸的精密滾珠絲桿副組成，具有很高的進給精度和靈敏度。 Z軸
拖板採用V-平形形式的貼塑靜壓導軌，拖板進給機構由帶減速裝置的西門子交流伺服電機和經過精確預拉伸精密滾珠絲桿副組成，由數控系統通過交流伺服電機和圓光柵實現拖板的閉環位置控制。拖板採用滾珠絲桿傳動，與國內外同類磨床所採用的傳統齒輪齒條傳動相比，具有機械傳動鏈短、運動平穩、傳動精度高、間隙小等優點。
伺服電機及其控制系統
磨床所有伺服電機全部採用西門子全數字化交流伺服電機，精度高可靠性高。 砂輪採用西門子1PH7型交流主軸電機驅動，內裝西門子Sine/Cos1Vpp,2048 S/R光電編碼器，完成砂輪速度及位置的閉環控制。砂輪可實現正向和反向旋轉以及角度自動定位。另外，交流主軸電機的採用極大地方便了砂輪電機的維護。砂輪採用了高達100KW的交流主軸電機，保證了磨床具有強力磨削能力，滿足用戶的軋輥快速大負荷加工要求。
電氣控制櫃及櫃內配電系統和控制元件
為保證磨床電氣系統的整體可靠性，從電氣控制櫃箱殼到櫃內的配電系統以及保護元件、開關元件、控制元件全部採用進口的國際名牌產品(西門子、威圖)。 測量臂導軌採用德車STAR的進口直線導軌，傳動系統由帶減速裝置的西門子交流伺服電機通過無鍵連接方式驅動經過精確預拉伸的精密滾珠絲桿，由數控系統通過交流伺服電機和直線光柵實現測量架的閉環位置控制。測量架採用直線導軌和滾珠絲桿傳動，與國內外同類磨床所采和的齒輪齒條傳動相比，具有運動平穩、傳動精度高、靈敏性好、定位準確等優點，從而大大提高了測量系統的測量精度。
高精度數控曲線磨削裝置(U軸)
本裝置採用靜壓偏心套結構(內裝主軸動靜壓軸承)，傳動系統由帶減速裝置的西門子交流伺服電機通過無鍵連接方式驅動精密滾珠絲矸，通過直線滾動導軌副定位，使滾珠螺母上下移動進而帶動高精度靜壓偏習套作小角度擺動，使裝於靜壓偏心套內的砂輪主軸相對於輥面作微量無間隙切入(或退出)運動。該運動與拖板(Z軸)運動相復合，從而在軋輥表面磨削出所需曲線。特殊設計的傳動結構，確保了傳動系統始終處於無間隙狀態，從而可以獲得很高的曲線磨削精度。