基于单片机的机床主轴部件动平衡在线测试系统的研究.pdf

2 0 1 4年 9月 第 4 2卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS S e p ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 7 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 7 ． 0 1 5 基于单片机的机床主轴部件动平衡在线测试系统的研究 李玮华 ，栗合营 河北师范大学，河北石 家庄 0 5 0 0 2 4； 南京师范大学，江苏南京2 1 0 0 2 3 摘要依据力学平衡理论 ，分析了主轴部件动平衡测试的原理。利用霍尔传感器采集数据 ，并用互相关技术提取有用 信息，以单片机为核心构建了数据处理的硬件测试系统，并设计了测试系统的程序结构。试验结果表明该系统的测试精 度能够满足一般机械工业的使用要求，基本实现了测量 自动化和分析智能化的目的。 关键词主轴部件 ；动平衡量 ；霍尔传感器；互相关函数 ；单片机 ；在线检测 中图分类号 T H1 6 5． 4 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 7 0 5 7 4 Re s e a r c h o n Dy na mi c Ba l a nc e Onl i ne Te s t i ng S y s t e m o f Sp i n d l e As s e mb l y o f M a c hi ne To o l Ba s e d o n Si n g l e - c hi p Co mpu t e r L I W e i h u a ， L I He y i n g 1 ． H e b e i N o r m a l U n i v e r s i t y ， S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 2 4 ，C h i n a ； 2 ． N a n j i n g N o r ma l U n i v e r s i t y ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 2 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p ri n c i p l e o f d y n a mi c b a l a n c e t e s t o f s p i n d l e a s s e mb l y w a s a n a l y z e d b a s e d o n me c h a n i c a l e q u i l i b r i u m t h e o r y ．Da t a wa s a c q u i r e d by u s i ng Ho l z e r s e n s o r ，a n d us e f ul i n f o r ma t i o n wa s e x t r a c t e d b y us i ng a c r o s s c o r r e l a t i o n t ec hn i qu e ． Th e h a r d wa r e t e s t s y s t e m wa s c o n s t r u c t e d b y u s i n g t h e s i n g l e c h i p c o mp u t e r a s d a t a c o mp u t i n g p r o c e s s o r ，a n d t h e p r o g r a m s t r u c t u r e o f t h e t e s t s y s t e m w a s d e s i g n e d ．Ex p e ri me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t e s t i n g a c c u r a c y o f t h e s y s t e m c a n me e t t h e u s e o f g e n e r a l ma c h i n e ry i n d u s t ry r e q u i r e me n t s ， a n d b a s i c a l l y r e a l i z e t h e p u r p o s e o f a u t o ma t e d me a s u r e me n t a n d i n t e l l i g e n t a n a l y s i s ． Ke y wo r dsSp i n d l e a s s e mb l y；Dy n a mi c b a l a nc i n g；Ha l l s e ns o r ；Cr o s s c o rre l a t i o n f un c t i o n；Si n g l e c h i p c o mpu t e r ；On l i n e t e s t i ng 0前言 机床主轴是机床在加工过程中直接带动刀具或工 件进行切 削和表面形成运动的旋转轴。在机床工作 中 ，主轴 部件能否平稳 地运转将 直 接影 响加工 质量 、 切 削生产 率 ，以及机床 的性能和寿命 。因此在机床安 装调试和使用维修时，都需要对主轴部件进行调平衡 试验 。应 用最广的平衡方法是工艺平衡法和整机现场 动平衡法。工艺平衡法是起步最早的一种经典动平衡 方法。它是利用专用的动平衡机，对主轴零件作单体 平衡。但是 由于试验条件和主轴实际工作条件的差 异，在动平衡机上调平的主轴 ，装机后其平衡精度难 以保证，特别是动平衡机无法消除由于装配或其他随 动元件引发的系统振动。整机现场动平衡法，是将组 装 完毕的主轴部件在正常安装 与运转条件下 进行 平衡 的操作。它不 需 要 动平衡 机 ，也不 需 要再 装 配 等 工 序 ，整机在工作状态下就可获得较高的平衡 精度 。利 用整机现场动平衡法，作者研究了一种新型主轴部件 动平衡在线测试系统，该系统采用霍尔传感器为数据 采集元件，以单片机为数据运算处理器，实现对主轴 部件动不平衡的在线测试。 1 主轴部件动平衡测试理论分析 当主轴在 围绕其轴线旋转时 ，由于相对 于轴线 的 质量分布不均匀所产生的离心力导致了主轴的动不 平 衡状态 。这种不平衡状态 可 以用 不平衡力 F ， ， 和不平 衡量 来 描述 。按照 力学 定理 ，主轴 可视 为一个 由 无限多个连续的薄盘组成的冈 0 性转子，每个薄盘上的 不平衡离心力可 以由两个等效力来代替⋯。因此对 主 轴动平衡的在线测试中，采用双面平衡法来测定。由 于机床上主轴的支承系统的刚度较大，且在一般生产 条件下主轴的工作转速都低于支持系统的固有频率 ， 故将 主轴支持系统视为硬支持系统 。主轴支撑结构的 力学模型如 图 1 所示 。以主轴左右两侧的表 面为校 正 平面 ，设其上的等效不平衡量为 和 ，根据动力 学理论可知 ，不平衡量就是不平衡的质量 m和其质 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 0 1 基 金项 目河北省科学技术计划项 目 1 2 2 1 3 0 0 4 D 作者简介李玮华 1 9 5 9 一 ，女，教授 ，研究方向为机械工程 自动化控制与检测技术与应用。Ema i l t a o h u a w u 3 3 3 1 26． c o m。 5 8 机床与液压 第4 2卷 心至 主轴轴线距离 e 的乘积 ，即 Um e ，则 U m e ，U 2 m e 。而不平衡 离 心力 F 为不平 衡 量 与 主轴 角 速度 平 方 的乘 积 。即 F ， ， U t O ， 则 F u l U l ∞ ，F 帔U 2 。在不平衡力 F u l 和 ， ， 的作用下，不平衡的主轴在其旋转过程中对其支 承结构和其本身产生一个 压力 ，并导致振动 。设在主 轴两侧支承上产生的动反力为 P 、P 。依据力学平 衡 的原理 ，支承上所受 的动反力 与不平衡力及不平衡 量 的关系为 P [ 1 一 争 争 ] P e 【 手 ． 1 一 J K Il - K 1z 1 式 中，P 、P 、U ． 、U 2 为垂直 于 回转轴 线 的平面 内 的矢量 ；K 为影响系数 ，是校正平 面-j ． 上单位不平衡 量在支承 i 处所 产生 的振动 。 由式 1 可知 只要能够检测 出主轴支 承 的动 反 力和主轴的转速，即可求出不平衡量。另外，主轴支 承不平衡 的影响系数仅与 主轴支承跨 距 Z 、两端轴 颈 长度 z ， 和 f 有关 ，与主 轴本身 的质 量无关 。这一 特 性大大简化 了测量 和标定工作 ，使得对于不同机床不 同尺寸的主轴，输入不同的几何尺寸 f 、z ． 和 即可 实现有效的测量。以上的理论分析可以通过在主轴支 承处 安装适 当的传感器采集振动信号 ，并经过一定 的 测试 系统处 理来实 现。 图 1 主轴支撑结构的力学模型 2 主轴动平衡在线测试 系统的构成及信号的采集 机床主轴在线动平衡测试系统以机器本身作为测 量装置的机座，在主轴的支持处安装传感器，通过传 感器测得主轴的振 动信息 ，传感器检测 出的信号与支 承的振动力 成正比。然后通过计算机系统对数据进行 处理，以确定在主轴各平衡校正面上的不平衡量及其 方位 ，并通 过去重或加重来消除不平衡量 ，从而达到 高精度平衡 的 目的。测试 系统 的结构如 图 2所示 。在 该系统中信号的采集使用霍尔传感器。霍尔传感器的 敏感元件是霍尔元件。霍尔传感器的工作利用霍尔效 应原理 。将霍尔元件置于磁场中，当被测物理量以 某种方式改变了霍尔元件的磁感应强度时，就会导致 霍尔 电动势 随着 被测 量 的变 化而 变化 ，当磁场 消 失 时 ，霍尔 电动势变为零。霍 尔传感器灵敏度很高 ，它 可以检测到很微小的位移量。利用这一性质 ，振动信 号的采集使用霍尔线位移传感器，将由振动引起的位 移量 6 乘以支承刚度 即可得到支承动反力 P 、P 。 主轴转速信号 采用霍尔角位移传感器来测量，进 而利用公式 1 可以换算 出动不平衡量 、 ， 。 振动 传感 器 磁 铁 支 B 主轴 部件 目 放 P 1滤 波 _4 竺 转速 传感 器 信号 盘 旦 诗 童 暑 或 l 图 2 动平衡在线测试系统构成 由公式 1 可知 ，在 主轴的两个 支承处测得 的 振动信号能够反映出校正平面的不平衡量的大小和相 位差 ，但要确定 不平衡 量的具体方位 ，还需要在主轴 上设置一个基准角位移信号 。在本系统 中基准角位移 信号就是主轴的转速信号，此信号的采集使用霍尔角 位移传感器。如图2所示，将一个钢质齿形信号盘安 装在主轴头部，随主轴转动 ，传感器垂直于信号盘安 装在支架上 ，将 一块永久性磁铁 固定在床头机座与传 感器相对的位置上。当信号盘 随机床主轴旋转时 ，由 于信号盘上的轮齿和齿槽经过磁铁发出的磁感应强度 不同 ，于是霍 尔元件 的产生 的感应 电动势便会随之发 生大小变化，因此，霍尔角位移传感器输出信号为矩 形脉冲信号。主轴每转 动一周 ，对应发 出的脉冲数与 信号盘的齿数相同。若设计信号盘上具有 ／ 7, 个齿 ，则 主轴一转 ，传感 器 输 出 n个 脉 冲。若 转 动 时 间为 t 秒 ，输出脉冲总数 为 个 ，则主轴的转 速为 r ／ i d ／t O r ／ ml I 1 r a d ／ s 2 S 【 Z J t2 t n t 由于霍尔传 感器 输 出 的是 脉 冲信号 ，不需 经 过 模／ 数 A ／ D转 换 ，可 直接 进 入 计 算机 测 试 系 统 。 同时，霍尔传感器输出的电压信号稳定性好，只要存 在磁场霍尔元件就会产生相同的电压，输出信号电压 的大小与转速高低无关 。利于这一特点 ，主轴低速运 转时 ，仍 然可以获得较 高的检测准确度 。将 以上获得 的两个振动信号和一个角位移基准信号同时输送到后 续的信号调理、信号分析系统即可得出主轴两个校正 平面不平衡量的大小和方位。 3 测试 系统硬件 电路的实现与原理 鉴于上述分析 ，设计 了主轴动平衡在线测试信息 处理系统。其硬件电路结构原理如图3所示。由于该 系统的工作环境为工业生产车间，故以单片机为中心 构成小型计算机数据处理系统，主要完成对采样数据 的运算 ，查表 、显示或 打印输 出等功能 。硬件 电路主 要 由主控器 、信号采集 、信号 调理 、数字化接 口、输 第 1 7期 李玮华 等基于单片机的机床主轴部件动平衡在线测试系统的研究 5 9 出或存储等部分组成。在测试系统中，主控器采用 了 M C S 一 5 1 系列 的 8 0 3 1 C P U。根 据测试 对象 需要大 量 运算的特点，扩展 1 片2 7 6 4 E P R O M作为程序存储器 ， 2片6 2 6 4 R A M作为片外数据存储器。为把地址信息 分离保存 ，在系统中设置了一片 7 4 L S 3 7 3作为地址锁 存器。此外，在工作中系统的数据总线分时地与各个 外围芯片进行数据传送的，为此用一片 7 4 L S 1 3 8作为 地址译码器，将外围芯片与数据存储器统一编址 ，便 于 C P U对各个部件的读写操作。设置一片模数转换 器 A D C 0 8 0 9 将实时采集的振动信号的模拟电压信号 转化为数据信号。同时在电路中扩展了一片可编程并 行输入输出接 口芯片 8 2 5 5 A作为 C P U与外设数据和 交换的通道。其中A口和B口采用方式 1工作 ，A口 完成输 出功能 ，用来将 C P U运算 处理后 的不平衡量 ， 不平衡位 置等数值 显示 或打印输出。B口完成输 入功 能 ，用来接收转速测量电路输入的转速数字信息。端 口 c作控制用，依照程序发出各种控制信号。其 中， P c 和 P c 分别作为端 口A和 B的中断请求信号，通 过 中断控 制器 8 2 5 9 A 向 C P U发 中断请 求 。实现转 速 数据的实时输入和输出。在采样电路中，左右两个振 动传感器将采集到振动位移信号 ，经过运算放大器变 换为一定范 围内的电压值，传输给 A D C 0 8 0 9 ，上传 给 C P U进行运算处理。A D C 0 8 0与 8 0 3 1单片机接 口 的主要原理 电路 如 图 3所示 ，利用 8 0 3 1 提 供 的地址 锁 存允许 信 号 A L E经 二 分频 后 作 为 A D C 0 8 0 9的 时 钟 ，其地址译码引脚 A B C分别与地址锁存器 7 4 L S 3 7 3 的低 3 位 地 址线 相 连 ，以便 选 通 一个 I N T 一I N T ， 的 一 个通路。将地址译码器 7 4 L S 1 3 8输出的地址信号作 为 A D C 0 8 0 9的片选信号，与 C P U的写信号一起控制 A D C 0 8 0 9的 地 址 锁 存 A L E和 转 换 启 动 S T A R T 。在 C P U读取转换结果时，用低电平 的读信号经非 门后 产生的正脉冲作为 0 E信号 ，用以打开 A D C 0 8 0 9的三 态输出锁存器。当 A ／ D对振动信号转换结束，E O C 发 出一个脉 冲 向单 片 机 C P U提 出 中断 申请 ，C P U响 应中断请求 ，由外部中断 I N T 的中断服务程序读 A ／ D结果 ，并启动 A D C 0 8 0 9的下一个转换。 转速传感器采集到的主轴转速信号经过整形后送 到 8 2 5 5 A的端 口 B ，并 以中断 的方 式 上传 给 C P U ． 处 理。对脉冲的计数则采用片 内计数法 ，用 8 0 3 1 C P U 内部的计数器完成对脉冲的计数。经过变换的主轴转 速信号进入 8 0 3 1的T ． 计数器 ，为了避免计数器的溢 出，设置 T 。 为工作方式 1 ，其初值为0 ，T 。 每收到一 个脉 冲 ，就会产生 一个 T 的 计数 ，在 r r n 产生 的中断 完成后，T 。 的中断溢出次数就是所需记录的主轴转 速脉 冲数 ，再 由程 序 计 算 出所 测 的主 轴 转 速 ∞值 。 在硬件电路 中，利用滤波器将信号中的干扰成分滤 掉。光电隔离电路将强电和弱电部分隔开 ，以便有效 地抑制尖脉冲和各种噪声的干扰，提高通道上的信噪 比⋯。防止这些干扰随输入信号一起进入控制系统， 造成系统测试的准确性 降低。 P2 7 1 5 P 2 4 0 80 31 CPU ALE P n 口 A A 7 7 4 L 3 7 3 Ao ～7 A8 -1 2 2 764 D 7 面 ￡西 Ao 1 2 CE 6 2 6 4 2 片 D7 W E OE P3 ．6 W R P3 7 RD P1 口 P3 3I NT1 P ， i i 。彳 BC A LE START D o - 7 LK A DC0809 E EoC I N0 ⋯ I N7 ED 7 ～ o WR而西 825 5A 0 PC3 P B P A 蓓 霉 转 速 信 号 图3 主轴动平衡在线测试系统硬件电路原理图 4信号的处理与程序设计 由于本系统工作在生产现场，其他机械振动或冲 击会对测量装置产生严重干扰 。为了在噪声背景下提 取有用的信息 ，故采用互相关分析法对主轴动不平衡 信息和主轴转速信号进行处理。 4 ． 1 信 号 的处理 方 法 根据测试技术理论 ，若两个 随机变量之间具有某 种关系，按照概率统计的规律，两者之间存在着相关 关系可用相关函数来描述。即 1 r 尺 l i m ,Ik l t t r d r 3 } 』． t O 利用互 相关 函数具有 同频相关 ，不 同频不相关 的 性质可知，两个均值为零且具有相同频率 的周期信 号，其互相关函数中保留了这两个信号的频率成分、 对应的幅值及相位差的信息。同时根据线性系统的频 保特性，只有和激振频率相同的成分才可能是有激振 引起 的响应 ，其他成分均是干扰 。因此在主轴动平 衡测试中，只要将激振信号 主轴转速和所测得 的响应信号 支承振动信号进行互相关处理，就 可以得到由主轴转动而引起的支承振动响应信号的幅 值信号和振动信号和主轴转动信号之间相位差，消除 了噪声干扰的影响。对于主轴转动信号 ，可以经过整 形处理后得到幅值恒定的正弦基准信号。 公式 3 表达的相关函数是在无穷长的时间内 进行观察和计算，这在现实测量中无法实现。对于随 或 一 r6 ∞ ～ 二 6 O 机床与液压 第4 2卷 机信号，可用有限时间内样本记录所求得的互相关函 数值来作为随机信号互相关函数的估计。另外，主轴 振动和转动信号经过采样和测量电路的变换后均为离 散的数字信号。数字信号在处理中，信号时序的增减 则表示它沿时 问轴平 移 ，对 于有 限个序列 点 Ⅳ 的数 字信号，采样所得 的离散数据 、Y i 0 ，1 ，2 ， ⋯ ，N一 1 其估计值计算式为 ． Ⅳ一 l R ， r 1 ∑ i y i 0 ， l 2” ， ’ U m； m N 一1 4 这就是测试工作 中计算互 相关 函数 的有 效方法 。 利用式 4 通过 编程对 采样 数据进 行互 相关 处理 ， 可以直接获得振动信号的幅值大小及对基准信号的相 位 。 4 ． 2 测 试 系统程序 结构 测试系统 的程序采用模 块化设计 ，测试系统程序 结构框图如图4所示。包括主程序模块、数据采集子 模块 、相关分析子模 块 、参数计算子模块 、数据显示 子模块、键盘驱动模块、打印机驱动模块等程序。 主程 序模 块 键 盘 驱动 子程 序 参数计算子程序 打印输出子程序 l l 异常报警子程序 图 4 测试系统软件结 构框 图 其中，主模块的功能主要是对其他功能子模块的 管理与调用，判断参数的正确性 ，报警等任务。主模 块流程图如图5所示。在主程序工作中，首先对用户 工作区、各个功能寄存器、I ／ 0端 口和 A ／ D转换器 进行初始化 ，启动键 盘电路 ，操作者 由键盘输入有关 参数 K、z 、z ． 、f 1 、K 等 ，随后转 入 数据 采 集过 程 ， 并进行各种参数的计算与显示 ，必要时将测试结果打 印输 出。 数据采集子程序，主要包括主轴振动信号和转速 信号的数据转换、读写操作。振动信号数据采集通过 A D C 0 8 0 9器 ，因此程 序 中关键 内容是 ，A D C中有 关 寄存器的地址定义、控制字的写入 、数据的读取。转 速信号采集经过 8 2 5 5 A的 B口以中断的方式与 C P U 进行数据交流，因此程序的主要内容是 ，定时／ 计数 器的初时化、定时／ 计数器赋初值、定时／ 计数控制、 数据读取等 。 参数计算子程序，主要完成相关分析计算，提取 振动信号的幅值和相位差、计算角位移 ，计算支承 反力 P 、P 等，进而计算出动不平衡量 。 、 和 相位 ． 、 等功能。 图5主模块流程图 异常报警子程序 ，主要功能是 ，当机床 由于外界 因素突然发生异常剧烈振动和主轴转速超出其机床最 高传动转速时，主程序通过参数判断出振动参数值和 主轴转速参数值已超出预定界限值 ，即调用报警子程 序，启动报警电路 ，发出声光电报警信号，同时立即 将测试 系统的工作电源切断 ，以保护 系统不受损害 。 其他子程序可以利用现有的通用程序模块 ，在此 不在赘述 。 5结论 利用霍尔传感器检测机床振动位移和主轴转速， 通过单片机进行数据分析和处理 ，间接实现对 主轴动 平衡在线检 测 的方 法 ，通过 试验 证 明是 可行 和有 效 的，其测试精度能够满足一般机械工业的使用要求。 基本实现 了测量 自动化和分析智 能化的 目的。 参考文献 [ 1 ]机床设计手册编写组． 机床设计手册[ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 2 ]三轮修三， 下村玄． 旋转机械的平衡[ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 3 ]熊诗波， 黄长艺． 机械工程测试技术基础 [ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ]求是科技． 单片机典型模块设计实例导航[ M] ． 北京 人 民邮 电出版社 ， 2 0 0 4 ．