自动磨床沙轮紧踪装置设计

A. 无心外圆磨床结构形式和特点

无心外圆磨床是精密机械加工中不可或缺的工具。根据砂轮架、托架在床身上的相对位置，这类磨床可以分为三种基本结构形式：砂轮架固定式、砂轮架移动式和倾斜式。下面，我们将对这三种结构形式进行详细解析。

砂轮架固定式无心外圆磨床是最常见的结构形式之一。在这种设计中，砂轮架固定在床身上，而导轮和托架之间可以进行相对调整移动。在通磨或切入磨削时，导轮、托架和工件一同进行进给和补偿运动。砂轮和导轮主轴通常采用悬伸式支承结构。这种设计结构简单，体积小巧，适用于中小型无心磨床。如M1020A、MT1040A、M1050A、M10100、MG1020、MG10100、MS10100等产品均采用此结构形式。

砂轮架移动式无心外圆磨床的托架固定在床身上，而砂轮架和导轮架相对于托架可进行调整运动。在特定情况下，此类磨床的砂轮、导轮主轴大多采用双支承结构形式。这种设计使得工件中心相对床身保持固定，便于在机床上安装各种送料装置或自动上下料机构。全自动无心磨床通常采用此类结构形式。中型无心磨床如MGT1050、M11100、M11100A、M10200、MG10200A、MZT10400、M11200等产品均属于此类结构形式。

倾斜式无心外圆磨床的砂轮、导轮中心连线与水平面倾斜α角。托架固定在床身上，砂轮、导轮主轴为双支承结构。导轮架相对于托架可进行调整运动，砂轮架进行进给补偿运动。由于机床倾斜α角后，工件对导轮表面的法向压力增加，从而增加了工件与导轮表面的摩擦力，为带动大型、重型工件的回转提供了良好的基础。MZT10400机床是此类结构形式的代表。

综上所述，无心外圆磨床的结构形式可以根据实际需求灵活选择。砂轮架固定式、砂轮架移动式和倾斜式各有特点，适用于不同规模和精度要求的工件加工。选择合适的结构形式，能够提高加工效率、保证加工精度，满足各类机械加工需求。

B. 怎样平衡砂轮

基于单片机红外遥控通信的智能化砂轮自动平衡系统

磨削作为机械加工的重要组成部分，是精密的超精密加工的重要手段。而砂轮不平衡量引起的振动对磨削过程有很大的影响，严重制约着磨削表面质量和精度的提高。传统的砂轮平衡方法是静平衡，这种脱机的平衡方法不方便，而且受平衡导轨精度、平衡芯轴圆度、摩擦力及操纵者技术水平的影响，平衡精度受到一定限制，而且要花费很多时间，尤其是对精密和超精密磨削需要分初平衡、精平衡，并经过多次拆装砂轮，平衡时间长，使用也不方便。此外，这种方法最大缺陷是未能考虑到由于砂轮本身材质分布的不均匀，在磨削过程中砂轮表面磨损以及吸附冷却液不均匀造成新的不平衡这个显著的影响。因此，在精密和超精密磨削以及磨削自动化的发展过程中，砂轮在线动平衡成为一项不可或缺的关键技术，在生产中有着重要的意义和广泛的前景。在现有的在线动平衡装置中，国外的系统平衡精度不高、结构复杂、自动控制方面还有很大差距，不能满足生产需要。

笔者研究了一种新型智能化砂轮在线自动平衡系统。该系统以98单片机为控制核心，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，由自动搜索控制算法确定不平衡量的大小，然后通过98单片机双机红外遥控通信的方式，控制跟随砂轮高速旋转的平衡头内的平衡块移动对不平衡量进行补偿。该项目研究的目的是开发一种适用的智能化砂轮在线自动平衡系统，提高平衡精度和效率，为磨削过程自动化提供一种有效的手段。

1、平衡系统原理及结构

系统首先由安装在砂轮头架上的压电式加速度传感器检测砂轮不平衡引起的振动量，压电效应产生的电荷形成微弱的电动势，再由电荷放大器将微弱的电动势转变成较强的电压信号，通过带通滤波器进行检波，分离出由砂轮不平衡量引起的振动信号，滤掉干扰信号，接着进行电压放大，使其与A/D转换器输入电压相匹配，然后进入采样保持器，通过A/D转换，将模拟量变成数字量送入98单片机控制系统。单片机控制系统可以进行数据处理，计算并显示振动幅峰值，然后可以进行在自动平衡方式下按照控制策略发出控制信号进行自动平衡，或者在手动平衡方式下通过键盘发出控制指令进行平衡。

为了完成平衡操作，需要将控制信号传至平衡头对执行步进电机进行控制，对平衡块位置进行相应的调整。对高速旋转的平衡装置，控制信号的传输是一个关键问题。目前广泛采用的是集流环方式，其主要缺点是使用过程中的无功磨损。因为砂轮的实际平衡时间很短，在不进行平衡操作时，集流环仍在磨损。为了克服这个缺点，本系统采用了红外遥控的方法。为克服红外信号发射有方向性且只能覆盖一定区域的缺点，试验将红外发射和接收管都装于主轴的轴心线上。这样可以接收到较强的信号，同时可有效地防止其他信号的干扰，提高系统的可靠性。
红外遥控传输的信号是串行方式，为了把98单片机发出的控制指令由并行变为串行方式，本系统中控制信号的传输与接收采用了98单片机之间的串行通信方式。地面控制系统中的单片机（主机）通过串行口发出控制信号，驱动红外发光二极管，将数字信息变成串行红外脉冲信号发射出去，红外检波放大器将红外信号还原为数字信号，送至平衡头中单片机（从机）的串行口输入端，经解码处理还原成控制指令，作出相应的控制。从机一方面接收和解码串行控制信号，另一方面以软件实现环形分配器的方法，给步进电机提供控制信号，驱动其正常工作。

为提供平衡头中控制系统的电源，在平衡头中安装了一台微型交流发电机，输出的交流电压通过整流、检波、稳压得到稳定的电源，与红外遥控系统一起完全避免了使用集流环带来的缺陷。

其工作过程：砂轮转动时，发电机转子线圈同轴转动，由于定子磁场固定，线圈切割磁力线产生交变电流，通过整流、滤波、稳压变成直流电源，提供给平衡头内的控制电路和步进电机使用。此时，平衡头内部的单片机系统上电复位，开始检测有无红外控制信号。当主机发出控制信号时，通过红外遥控使从机从串行口接收到控制信号，从机运行控制程序输出控制两个步进电机动作的控制信号，驱动丝杠转动使和平衡块连在一起的螺母移动，从而实现对砂轮不平衡量的自动补偿。

2、控制系统软件

2.1控制算法

要实现砂轮在线动平衡，需要自动检测、处理数据，并通过软件的控制规则自动判断平衡与否，然后发出控制信号，驱动执行机构对不平衡量进行补偿。这里的核心内容是微处理器系统作为智能单元去完成整个平衡过程控制以实现智能化。

控制模型

平衡装置的配重是两个在垂直交错的精密丝杠上移动的螺母，平衡操作通过两个步进电机带动精密丝杠转动，使两个螺母沿径向直线移动，产生的离心力合成矢量与砂轮固有不平衡量产生的离心力矢量大小相等、方向相反，从而实现砂轮平衡，

控制策略

平衡时，可以从任意初始点（x，y）出发，以x，y使不平衡振幅不断下降的方向搜索，直到振动量不再下降为止。

为了加快搜索过程，这里采用了加速步长与最优步长相结合的控制算法。平衡时，先对x或y规定沿s方向的初始试验步长h，并用来搜索跨步方向，当xi=xi-1+hs时，满足fi(xi,yi)

采用二分法进行最优步长搜索的基本思想如图4所示，是通过加速步长法得到α，b两点，目标函数的最优点必然在两点之间，将步长减半，搜索方向取反，即，βi=βi-1/2,hi=-hi-1。

分别沿x，y搜索一步，再根据出现情况步长减半，方向不变或步长减半，方向也变继续搜索，直到缩减到单位步长，振幅不再下降时，停止搜索，此时即为能够达到的平衡点。
2.2软件设计

本系统的软件采用模块化设计，由以下几个部分组成：主程序、采样模块、数据处理模块、显示模块、键输入模块、键处理子程序模块、串行发送模块以及串行接收模块等。其中键处理子程序模块是系统软件控制算法的核心部分，粗平衡过程采用加速步长法，精平衡过程采用最优步长法实现。

3、实验结果

在实验室的MC1420型高精度万能外圆磨床上对该系统进行了动平衡实验，并使用示波器和FFT分析仪对实验结果进行观察和分析。平衡后的砂轮振动量大约是平衡前的1/8，振幅显著降低，平衡效果良好。

4、结束语

笔者研制的智能化在线自动平衡系统具有以下几个特点：①采用98单片机双机红外遥控通信和利用主轴动力发电来提供平衡头内部电源的方式，完全克服了现有的动平衡头采用集流环的缺陷；②精密丝杠与单片机软件实现的步进电机的细分微步控制信号，使平衡精度大大提高；③改进的自动搜索控制算法能快速达到平衡精度要求；④系统提供全自动和半自动两种灵活的工作方式，操作非常简便。

该系统进行的实验表明：显著地降低了振动，效果良好，因此具有较为广阔的应用前景，能产生很大的经济效益。

C. 轧辊磨床的结构介绍

采用三级三角皮带传动保证了传动的平稳和精度；使用交流主轴电机驱动能使头架实现正向和反向旋转；头架的位置控制功能，可实现拨盘角度自动定位，方便轧辊的吊装，减少辅助时间。头架润滑系统选用了油脂泵，可实现自动定时给油。
尾架
尾架移动采用电动驱动方式，液压自动锁紧。尾架配备大行程(1000mm)液压套筒。 砂轮主轴前后径后轴承均采用高精度动静压轴承，主轴轴向采用高精度推力轴承。另外，在后轴承设计中增强了工作腔动静压轴承的静态压力效果，以克服较大皮带拉力对轴瓦造成的损伤。主轴动静压轴承具有回转精度高，稳定性好，动态刚性强，不易振动等特点。
磨架及其进给机构
磨架采用单层整体结构，具有很高的刚性，磨架导轨为贴塑静压导轨，磨架进给机构由带减速装置的西门子交流伺服电机和经过精确预拉伸的精密滚珠丝杆副组成，具有很高的进给精度和灵敏度。 Z轴
拖板采用V-平形形式的贴塑静压导轨，拖板进给机构由带减速装置的西门子交流伺服电机和经过精确预拉伸精密滚珠丝杆副组成，由数控系统通过交流伺服电机和圆光栅实现拖板的闭环位置控制。拖板采用滚珠丝杆传动，与国内外同类磨床所采用的传统齿轮齿条传动相比，具有机械传动链短、运动平稳、传动精度高、间隙小等优点。
伺服电机及其控制系统
磨床所有伺服电机全部采用西门子全数字化交流伺服电机，精度高可靠性高。 砂轮采用西门子1PH7型交流主轴电机驱动，内装西门子Sine/Cos1Vpp,2048 S/R光电编码器，完成砂轮速度及位置的闭环控制。砂轮可实现正向和反向旋转以及角度自动定位。另外，交流主轴电机的采用极大地方便了砂轮电机的维护。砂轮采用了高达100KW的交流主轴电机，保证了磨床具有强力磨削能力，满足用户的轧辊快速大负荷加工要求。
电气控制柜及柜内配电系统和控制元件
为保证磨床电气系统的整体可靠性，从电气控制柜箱壳到柜内的配电系统以及保护元件、开关元件、控制元件全部采用进口的国际名牌产品(西门子、威图)。 测量臂导轨采用德车STAR的进口直线导轨，传动系统由带减速装置的西门子交流伺服电机通过无键连接方式驱动经过精确预拉伸的精密滚珠丝杆，由数控系统通过交流伺服电机和直线光栅实现测量架的闭环位置控制。测量架采用直线导轨和滚珠丝杆传动，与国内外同类磨床所采和的齿轮齿条传动相比，具有运动平稳、传动精度高、灵敏性好、定位准确等优点，从而大大提高了测量系统的测量精度。
高精度数控曲线磨削装置(U轴)
本装置采用静压偏心套结构(内装主轴动静压轴承)，传动系统由带减速装置的西门子交流伺服电机通过无键连接方式驱动精密滚珠丝矸，通过直线滚动导轨副定位，使滚珠螺母上下移动进而带动高精度静压偏习套作小角度摆动，使装于静压偏心套内的砂轮主轴相对于辊面作微量无间隙切入(或退出)运动。该运动与拖板(Z轴)运动相复合，从而在轧辊表面磨削出所需曲线。特殊设计的传动结构，确保了传动系统始终处于无间隙状态，从而可以获得很高的曲线磨削精度。