基於 PLC 的磨床砂輪動平衡係（xì）統研（yán）究
2020-4-5 來源：浙江大學 化工機械研究所 作者：張誌新，萬可（kě）達，付（fù）豫龍
摘（zhāi）要: 針對目前磨床砂輪動平（píng）衡方式難以（yǐ）同時（shí）滿足易操作（zuò）、高精（jīng）度及低成本的要（yào）求，提出了一種以 PLC 為主機，單片機為從機的（de）新型磨床（chuáng）砂輪（lún）動平衡係統。討論（lùn）了砂輪動平衡係統的整體結構、基於互相關分析的砂輪不平衡量提取、基（jī）於3 平衡塊的不平衡校正方法，以及基於 ＲS-485 標準數據通信的（de）主從機數據通信。通過搭建模擬（nǐ）砂輪試驗台，驗證了動（dòng）平衡儀的可靠性，取得了良好的平衡效果。
關鍵詞: 磨床; 動平衡; 互相關（guān）分析（xī）; 不平衡校正方法; 單片機; PLC; 觸摸屏
砂輪是用磨（mó）料和結合劑樹脂等製成的（de）原型固結磨具，是（shì）磨具（jù）中使用量最大（dà）、使用麵最廣的一種。由（yóu）於長時間的（de）磨削工作導致質量分布不均勻而產生不平衡離心力，引起軸承的振動，影響工件的磨削質量，降低（dī）磨床的（de）使用壽命，因此（cǐ）需要對砂輪進行動平衡。砂輪動平衡（héng）技術按（àn）自動化程度分成 3 大類［1］: 人工平衡，半自動平衡和自動在線平衡。人工平衡受（shòu）平衡架導軌水平（píng）精度、滾動摩擦和裝配誤差的影響，砂輪平衡精度低，花（huā）費時間長。半（bàn）自動平衡需（xū）要通（tōng）用的現（xiàn）場動（dòng）平衡儀作為測試工具（jù），成本高（gāo）、實時性低以及（jí）現場應用不便［2］。
目前自動在線平衡技術成本昂貴，因此，開發出一種新型（xíng）的低成本砂輪現場（chǎng）動平衡測試係統具（jù）有重要（yào）意義課題組研製出一種以 PLC 為主機，單片機為從機的磨床砂輪動（dòng）平衡係統。該係統采用主從（cóng）結構，主機利用 PLC 和觸摸屏（píng），主要實現人機交互與動平衡（héng）過程監控，從機由單片（piàn）機完成數據采（cǎi）集與不平衡量識（shí）別。通過基於 ＲS-485 標準的數據通信協議實現單片機與PLC 之間的通信，可解決（jué）上述 3 類動平衡方法的缺點（diǎn），具有成（chéng）本低，人機交互性好，通信可靠的優點。
1 、砂輪動平衡係統的整體結構
基於 PLC 的砂輪動平衡（héng）係統的整體結構框圖如圖 1 所示，主要由傳感器模塊、信號處理模塊、單片機模塊和主機控製模塊 4 部分組成。振動傳感（gǎn）器負責（zé）測量砂輪的（de）振動數據，轉速傳感器負責（zé）獲取動平（píng）衡所需的基準信號; 信號處理模塊的功（gōng）能包括信號采（cǎi）集和信號預處理; 單片機 STC12C5410AD 則主要負責數據采集、分析計算［3］; 主機控製模塊包括 PLC 和觸（chù）摸屏，主要負責人機交互和顯（xiǎn）示。PLC 和單片機采用 ＲS-485接口，采用無協（xié）議通信。
圖 1 砂輪動平衡係統（tǒng）整體結構框圖
整個（gè）動平衡（héng）係統的工作原理（lǐ）如下: 通過觸摸屏控製 PLC 傳送相應（yīng）命令（lìng）給單片機，單（dān）片機根據（jù）接收的命令執行相應（yīng）的動（dòng）作，主要有平衡測試及平衡計算。磁電式速度傳感器吸附在砂輪附近用於（yú）拾取平衡所需的振動信號，光電式轉速傳（chuán）感器對準粘貼有反光標簽的砂輪來拾取平衡所需的基準信號（hào）。振動信號與基準信號經過測量放大、低通濾波（bō）、量程切換和直流偏置等預處理後（hòu）進行 A/D 轉換，單片機（jī）對經過預（yù）處理後的數字信號進行互相關運算、平衡解算，並將計算結果傳送給PLC，再通過觸摸（mō）屏顯示。
2、 不平衡量提取和校正方法
2． 1 砂輪不平衡量提取
引起振動的原因有很多（duō），除了不平衡質量引起（qǐ）的工頻分（fèn）量，還有轉子不（bú）對中引起的（de）二倍（bèi）頻分量、軸承引起的高頻（pín）分量及（jí）隨機噪聲信號。其中，由不平衡量引起的工頻分量是砂輪振動（dòng）的主要來源。振動傳感（gǎn）器拾取的振動信號，可表示（shì）為［5］:
由於計算不平衡量的大小與相位需（xū）要從振動信號中提取工頻分量，課（kè）題（tí）組采用整周期互相關方（fāng）法來處理（lǐ）振動信號。該方法可以消（xiāo）除振動信號中除工頻分量外的絕大部分（fèn）異頻分量，且運算量（liàng）較小，具體過程如下: 以基準信號的任意一個上升沿為起（qǐ）點，從 N 個采樣值中選取 k 個完整周期振動（dòng）信號，將基（jī）準信號的上升沿作為（wéi）零相位。以轉子的工作頻（pín）率 f 為頻率，構造工頻函數:
式中: T 為整周期采樣時間; τ 為基（jī）準信號與振動信號的時差。
根據正弦函數係的正交性，振動信號中的異頻分量與 y( t) ，z( t) 進行互（hù）相關（guān）運算後，幅（fú）值為 0，而噪音分量 n( t) 與 y( t) ，z( t) 進行互相關運算後，幅值也（yě）趨於 0。取延時 τ = 0，互相關函數可以近（jìn）似表示（shì）為:
對於實（shí）際測試過程，通常是轉換成離散數字信號進行處（chù）理，隻能通過 N 個采樣值來（lái）計算互相關函數的（de）值，得到（dào）
按照式( 10) 來（lái）分別計算 k 個周期的幅值和相位，取（qǔ）其（qí）平均值（zhí）作為工頻（pín）分量的幅值和初（chū）相位。
2． 2 砂輪（lún）不平衡量校正方法
根據計算結果所指示（shì）的位置［6］，在砂輪法蘭盤（pán）環形槽內相（xiàng）對應位置上安裝 2 ～ 3 塊平衡塊( 配質（zhì）量塊) ，每（měi）塊平衡塊（kuài）的質量與形狀（zhuàng）相同。在砂輪動平衡（héng）過程中，為使配質（zhì）量位置準（zhǔn）確，通常在法蘭盤圓（yuán）周上刻上角度值，如圖 2 所示。圖中光（guāng）標位置為平衡塊的角度基準，據此進行平衡塊的（de）調整以達到平衡。由於 2 個平衡塊的平衡裝置的精度和效率低（dī）下，一般工程上法蘭盤采用3 個平衡塊的裝置。本實驗中每個平衡塊（kuài）質量（liàng）為23 g。
圖 2 3 個平（píng）衡塊的砂輪法蘭盤
采用影響係數法計算出（chū）砂輪原始不平衡量的（de）大小和角度後，首先讓一塊平衡塊（kuài）移動到加（jiā）質量角（jiǎo）度 φ處，然後調整剩餘（yú） 2 個平衡塊使其偏重質量等於加重質量( W) 和單（dān）個平衡塊質量( M) 之差，具體操作見圖（tú） 3。
圖 3 平衡塊分布圖（tú）
3 、通信協議
主機 PLC 和單（dān）片機( 從機) 之間（jiān）采用無協議通信方式（shì）與 ＲS-485 接口進行通信［7-8］。MAX485 芯片 ＲO和 DI 端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，分（fèn）別與單（dān）片機的 ＲXD( 輸入（rù）端) 和 TXD( 輸出（chū）端) 相連即可; MAX485 芯片為半雙工模式，因此隻需要將單片機 的（de）一個引腳（jiǎo）P3． 3與MAX485的接收使能端和輸出（chū）使能端連接來控製 MAX485 的接收（shōu）和發送。PLC 的通信擴展口 FX3G-485BD 的（de） SDA 端子和 ＲDA 端子短接後與（yǔ） MAX485 芯片的 A 端 子（zǐ） 相連接，SDB 端 子 和ＲDB 端子短接後與 485 芯片的 B 端子相連接。電（diàn）路連接如圖 4 所示。
圖 4 通信連接示意圖
無協議通信［9］是僅需要對數據格式（shì）、傳輸速率及起始/停止碼等進行簡單設定（dìng），PLC 與（yǔ）外部設備之間進行直接數據發送（sòng）與接收的通（tōng）信方式，並非通（tōng）信雙方不要協（xié）議。在使用無協議通信時，首先要用到一個 16 位（wèi）的特殊（shū）數據寄存器 D8120 來設置通信格式。D8120 的（de）設置方法如表（biǎo） 1 所示（shì）。本文選取的通信格式如下: 數（shù）據長度為 8 位，無奇偶（ǒu）校驗，1 個停止位（wèi），傳輸速（sù）率為4 800 bit / s，無起始位和結束位，無校驗和，無協議通信 ＲS-485 接口。對照表 1，可以確定 D8120 的二進製（zhì）值為 0000 1100 0111 0001，對應的十（shí）六（liù）進製數為 0C71。
通過觸摸屏觸發 PLC 發送命令碼（mǎ），單片機接收到命（mìng）令（lìng）後進行數據的采（cǎi）集和保存，然後通過互相關運算進行不平（píng）衡振（zhèn）動識別，進而通過頻譜分析判斷為動平衡（héng）問題（tí）之後，利用（yòng）影響（xiǎng）係數法（fǎ）計算出不平衡量的大小和相位，將其分解（jiě）為 3 個給定質量的平衡塊，最後向PLC 返回計算結果並顯示（shì）在（zài）觸摸屏上（shàng）。命令碼設（shè）置（zhì）如表 2 所示，單片機根據接收到的命令碼進行判（pàn）斷執（zhí）行相應的程序和算法。
表（biǎo） 1 無協議串行通信格（gé）式（shì）
表（biǎo） 2 單片機功能碼設置
在 PLC 與單片機進行數據通信時，采用命令/響應模式，一次通信收發的一組（zǔ）若幹個字符作為一個信息幀。PLC 發送的（de）幀格式（shì）隻包含命令碼; 當命令為振動測試時，PLC 的接（jiē）收幀由（yóu） 608 個字符組成，如表 3所示。
表（biǎo） 3 振動測（cè）試時 PLC 的接收幀
當命令為不平衡量（liàng）計算時，PLC 的接（jiē）收幀由 10 個（gè）字符組成，如（rú）表 4 所示。
表 4 不平衡（héng）量計算時 PLC 的（de）接收幀
本文采用 CＲC 校驗方式，PLC 對從單片機傳送回來的數據（jù）進行 CＲC 校驗，若校驗成功，則將接收到的（de）數據轉移到其他（tā）寄存器地（dì）址（zhǐ）顯示到觸摸屏（píng）上; 若不成功（gōng），則繼續發送數據（jù）。
4 、係統軟件設計
本係統采（cǎi）用主從機( Master-Slave) 結構（gòu），主機以FX3GA-40MＲ 為核心（xīn），通過觸摸屏來觸發 PLC，發送（sòng）指（zhǐ）令給 單 片 機 並 接 收 返 回 數 據 進 行（háng） 顯 示（shì）。從 機（jī） 以STC12C5410AD 單（dān）片機［10］為核心，接收（shōu）主機的指令（lìng），完成（chéng）振動與轉速信號的數據采集，由光電傳感器來測量提供轉速和基準信號，磁電式速度傳感（gǎn）器來（lái）測量振動（dòng）信號，測得的信號經過預處理傳入 STC12C5410AD單片機，單片機對信號進行運算，並將計算結果傳輸給PLC。係統的（de）軟（ruǎn）件功能如圖 5 所示。該係統（tǒng）的軟件模塊主要由主從機通信模塊、不平衡計算模塊、數據存儲模塊、人（rén）機交互模塊和（hé）顯（xiǎn）示（shì）模塊組成。通信模塊保證上（shàng）、下位機數據的正（zhèng）常通信，不（bú）平衡計算（suàn）模（mó）塊負責（zé）從采集到的信號中識別出不平衡量（liàng）與相位，數據存（cún）儲模塊負責（zé）保存數據，人機交互控製（zhì）模塊負責相關參數的輸入以及測試係統的開啟與關閉，顯示模塊將計算得到的數據和振動波形顯示到觸摸屏上。PLC、單片機和觸摸屏分別負責不同的模塊。
圖 5 係統（tǒng）軟件功能（néng）圖
4． 1 PLC 軟件設計（jì）
PLC 在整個係統中主要進行主動控製，通過 ＲS指令完成無協議通信。ＲS 串行通信指（zhǐ）令是用來發送和接（jiē）收串行數據（jù）的指令。指令中的［S］和 m 用來指定發送數據的（de）地址和字節數; ［D］和 n 用來指定接收數據的地址和（hé）字節數。基本格式如圖 6 所示。
圖 6 無協議通信基本格（gé）式（shì）
4． 2 觸摸屏軟件（jiàn）設計（jì）
課題組采用 EasyBuild8000 軟件對 TK6070iP 觸摸屏進（jìn）行編寫（xiě）設計，該軟件是集編寫、調試與仿（fǎng）真於一體的 WEINVIEW 觸摸屏編程軟件，帶有各種功能元件（jiàn），能夠對 PLC 的寄存器進行實時的控製和顯（xiǎn）示，操（cāo）作簡便（biàn）直觀。觸摸屏主要完成的任務有以（yǐ）下幾點:
1) 觸發原始振動按鈕，得到砂輪的原始振動數據，並跳轉到波形顯示（shì）子界（jiè）麵，對轉速波形和振（zhèn）動波形進（jìn）行監測;
2) 在（zài）砂輪轉（zhuǎn）子上（shàng）加試質量塊（kuài），同時在觸摸屏上輸入試質量塊質量和相位，然後觸發試質（zhì）量振動來獲（huò）取試加質量（liàng）後的振動;
3) 觸發平（píng）衡計算按鈕，計算出不平衡量的大小和相位，並跳轉到平衡塊指示界麵，以圖形的方式直觀地顯示在觸摸屏的界麵上;
4) 最後根據第（dì） 3 步的顯示結果，在砂（shā）輪的對應位置配置平衡塊，然（rán）後觸發平衡振動測試平衡後振動（dòng），並顯示（shì）動平衡效果與振動下降率。根據上（shàng）述任務，設計完成整個動平衡過（guò）程的人（rén）機交（jiāo）互主界麵，如圖（tú） 7 所示。
圖 7 動（dòng）平（píng）衡測試係（xì）統（tǒng）主界麵（miàn）
4． 3 單片機（jī）軟件（jiàn）設計
單片機初始（shǐ）化之後被置於接收（shōu）等待狀態（tài），一旦接收到 PLC 的數據後就關閉串口中斷，根據接收到的SBUF 中的命令（lìng）碼執行相應的功能（néng），完成後返回數據給 PLC，重新打開串口中斷，等待下次接（jiē）收數據。在通信程序中，MAX485 芯片是半雙工工作模（mó）式，發送和（hé）接收不能同時進行，所以必須用單片機 P3． 3 引腳控製 MAX485 芯片的收發。在初始化時將 P3． 3置低，MAX485 芯片（piàn）處於接收狀態，在（zài）收到數據之後關閉串口中斷，同時將 P3． 3 置高，經過後（hòu）續的（de）運算之後發送數據，然後再將 P3． 3 置低，如（rú）此再進行下（xià）一次的數據傳輸。
5 、實驗
將砂（shā）輪動平衡測控係統應用於實驗室的模擬砂輪試驗台，如圖 8 所示（shì）。
1—電機; 2—變頻器; 3—光電傳感器; 4—從機電路板（bǎn）; 5—觸摸
屏; 6—PLC; 7—法蘭盤; 8—振動傳感器。
圖 8 砂輪動平衡係統測試
使用質量為 5． 2 g 的質量塊作試（shì）加（jiā）質（zhì）量，進行（háng） 3次動平衡實驗，實驗數據如表 5 所示（shì）。由實驗數據可知（zhī）: 經過平（píng）衡計算得到的不平衡（héng）量的大小和相位（wèi）基本保持一致; 砂輪磨床動（dòng）平衡係統平衡精度高，平衡效果好，可以滿足（zú）實際生產需求。
表 5 動平衡實驗數據
6 、結語
課題組提出了一種（zhǒng）基（jī）於 PLC 的磨床砂（shā）輪動平衡機係統，並通過模擬砂輪試驗台，證明了該（gāi）方案是（shì）可（kě）行的。相比之下，現有的磨床砂輪半自動化平（píng）衡通常需（xū）要利用一台動（dòng）平衡儀來巡檢，效率和實時性較低，而自動在線動平衡係統價格高昂，中小型磨床廠（chǎng）難以承受。文中所設（shè）計的砂輪（lún）動平衡機（jī）係統具有人機交互性好、結構簡單、通信可靠和價格低廉（lián）的優點，因此，該係統在磨床砂（shā）輪動（dòng）平衡中有很好的應用前景。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞（wén）稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網（wǎng）編（biān）輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞（wén）稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網（wǎng）編（biān）輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更（gèng）多相關信息
業界視點
| 更（gèng）多
行業數據
| 更多
- 2024年11月 金屬切削機床產量數據
- 2024年（nián）11月 分地（dì）區金屬切（qiē）削（xuē）機床產（chǎn）量數（shù）據
- 2024年11月 軸承出口情（qíng）況
- 2024年11月（yuè） 基本型乘（chéng）用車（轎（jiào）車）產量數據
- 2024年11月 新能源汽車產量數據
- 2024年11月（yuè） 新能（néng）源汽車銷（xiāo）量情況
- 2024年10月 新能源汽車產（chǎn）量數據
- 2024年10月 軸（zhóu）承出口情況
- 2024年10月 分地區金屬（shǔ）切削機床產量數據
- 2024年10月（yuè） 金屬切削機（jī）床產量數據
- 2024年9月 新能源汽車銷量情（qíng）況（kuàng）
- 2024年8月 新能源（yuán）汽車產（chǎn）量數據
- 2028年8月（yuè） 基本型乘用車（轎車）產量數據