CN1188682C - 磨床砂轮动态平衡测控系统 - Google Patents
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Abstract
一种磨床砂轮动态平衡测控系统，其采用数字信号专用处理芯片，对磨床砂轮自动平衡过程中的振动信号进行隔波采样及隔波处理，通过离散付立叶变换计算来提取基波分量，得到精确的基波信号的幅值和相位，抑制其它噪声的干扰，经过对被测信号的分析处理，判断是否将PWM信号提供给双桥马达专用集成控制器，来驱动砂轮平衡头传动机构，以实现砂轮的动态平衡。其可快速跟踪，快速反应，抑制干扰能力强。
Description
技术领域：
本发明涉及机械加工技术领域及信号控制技术领域，特别是一种磨床砂轮动态平衡测控系统。
背景技术：
2000年7月，由徐从裕著，在国内科技上发表的<现场平衡检测仪的研制及应用>，其技术特点为：采用在一个信号波中采样若干个点，再进行数字分析处理的方法，但由于采用的是普通的单片机，其指令功能和运算速度有限，信号处理时间长，这种方式适合于平稳振动信号的测量。而不适用于非平稳振动信号如砂轮自动平衡的控制；2000年19卷第3期，由欧海涛在测控技术杂志上发表<基于98单片机红外遥控通信的智能化砂轮自动平衡系统>，其为传统的砂轮自动平衡系统测控信号的提取方法，它们往往是将测振传感器拾取的振动信号进行变换、数字跟踪带通滤波、放大、A/D转换、接口匹配后供A/D转换。微处理器依据A/D转换数据直接判断处理。这是一种依赖于模拟电路来提取基波分量的方法。电路的性能直接影响着整机的测量精度。其中带通滤波器的影响更大些。测量电路欲提取的信号是频率为f0的基频信号；如果原始信号中含有与基频信号频率f0相近的成分，经滤波器输出后，无用信号的幅值仍大于基波分量，那么有用信号就会被其它信号所淹没，这时基波信号的幅值和相位测量均受影响。再则测量信号是经过平均处理的，这种方式对于测量呈周期变化的一般振动信号比较适用，但对快速变化的振动信号会带来一定的测量误差。
发明内容：
为克服如上所述存在的缺陷，本发明的目的是提供一种磨床砂轮动态平衡测控系统的技术方案，使其具有对被测信号快速跟踪，快速反应，且抑制能力强，达到精确测量的目的，通过测量和控制来实现磨床砂轮的动态平衡。
本发明的目的是以如下技术方案来实现的：
所述的磨床砂轮动态平衡测控系统，是基于这样一种设计思想，在砂轮自动平衡过程中，因砂轮本身不平衡量与砂轮平衡头质量补偿系统的共同作用，振动位移的幅值和相位在快速地发生变化，它的变化规律与平衡头的工作原理有关。平衡过程需要实时跟踪信号，并根据被测信号的幅值立即做出分析、判断和处理，直至捕捉到的振动值达到预置值为止；
其采用数字信号处理器，对磨床砂轮动态的测振传感器信号和测速传感器信号进行隔波采样及隔波处理，通过离散付立叶变换并做出分析处理变换计算来提取基波分量，得到精确的基波信号的幅值和相位，抑制其它噪声的干扰，将信号提供给双桥马达集成控制器经功率放大驱动砂轮平衡头传动机构，实现砂轮的动态平衡。
所述的磨床砂轮动态平衡测控系统的测振传感器(1)拾取机械振动信号供给前置电路积分器(2)进行积分变换，将振动的速度量转换成振动位移量；集成程控放大器(3)在数字信号处理器(9)的控制下自动进行量程转换；集成数字低通跟踪滤波器(4)起抗混淆作用，滤去高于有用信号2倍的频率成分；电平移动电路(5)将双向电压信号转变为模数转换器所需要的单电压信号；数字信号处理器(9)内含十位A/D转换器；霍尔测速传感器(6)拾取主轴的转速信号f0，经整形、锁相倍频产生128f0和稳定的f0二路信号，作为采样间隔控制、转速测量和数字滤波的时钟脉冲；数字信号处理器TMS320F240产生脉宽调制信号，经缓冲隔离(12)，提供给双桥马达集成控制器(13)，经其功率放大后，控制砂轮平衡头(17)在电磁驱动器(16)控制下，对砂轮(18)进行质量补偿，实现砂轮的动态平衡。
所述磨床砂轮动态平衡测控系统隔波采样及隔波处理程序设计为：当测量系统进入砂轮自动平衡状态时，数字信号处理器向双桥马达集成控制器提供脉宽调制信号，砂轮质量补偿系统开始工作。基频振动位移的幅值和相位在发生快速变化。测量单元跟踪信号捕捉最佳点。在砂轮转动的上一圈采样128点，在下一圈内完成对128样点的离散付立叶变换计算，提取基波的分量，并将其与预置值比较，同时将计算结果提供给液晶显示器显示，便于观察测量状态。当测值大于预置值时，继续下一个轮回，当测值小于等于预置值时，立即停止脉宽调制信号输出，自动平衡过程结束，砂轮质量补偿系统锁定状态。
由于采用了如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
本发明通过计算方法提取基波分量，大大提高了砂轮自动平衡测控系统测量精度，采样点数影响着离散付立叶变换计算精度，单波中采样点数越多，计算精度越高，当样点数为128时，计算误差为0.2E-3；本发明对被测信号能快速跟踪、快速反应、抑制干扰能力强；通过计算方法提取基波分量，大大提高了砂轮自动平衡测控系统测量精度。
本发明对被测信号快速跟踪、快速反应、抑制干扰能力强，在砂轮自动平衡系统中得到成功的运用。
图面说明：
图1是磨床砂轮动态平衡测控系统电路方框图。
图2是磨床砂轮动态平衡测控系统电路结构原理图。
图3是磨床砂轮动态平衡测控系统隔波采样及隔波处理程序设计图。
如图1中所示，图中1-测振传感器；2-积分器；3-集成程控放大器；4-集成数字低通跟踪滤波器；5-电平移动；6-霍尔测速传感器；7-整形电路；8-锁相环；9-数字信号处理器；10-RS-232和I/O输出；11-CNC设备；12-缓冲、隔离；13-双桥马达集成控制器；14-液晶显示模板；15-键输入；16-电磁驱动器；17-平衡头；18-砂轮。
具体实施例：
本发明采用数字信号处理器，在砂轮自动平衡过程中对信号进行隔波采样及隔波处理，通过离散付立叶变换计算来提取基波分量，得到精确的基波信号的幅值和相位，抑制其它噪声的干扰，测控单元的测量精度取决于数字信号处理。需对信号做放大和抗混淆处理；隔波采样及隔波处理，其采样正弦波是在砂轮不平衡量作用下产生的与砂轮轴同频信号。在前一个波进行离散采样，采样点数取决于A/D转换采样间隔的控制；采样控制周期由锁相倍频电路提供。锁相电路将砂轮轴转速信号f0倍频而获得128f0，此信号作为A/D转换的采样间隔控制。采样结束后，在下一个波的周期内由数据处理器对采样数据进行计算分析处理，当测量计算结果达到预置值时，测量过程结束，否则进行下一个轮回；如果砂轮轴最高工作速率为8000转/分，即可在7.5mSm内完成离散付立叶变换并做出分析判断处理。
如图2中所示：磨床砂轮动态平衡测控系统的测控电路的组成及工作原理：测振传感器(1)拾取的振动信号供给集成运放IC1构成的积分器，R1和C1为积分电阻电容。IC1信号输出端6接程控放大器PGA103信号输入端VIN。PGA103的A0和A1是信号增益控制端，控制信号来自数字信号处理器TMS320F240多功能端IOPA0和IOPA1。PGA103信号输出端Vo接数字低通跟踪滤波器MAX291的IN端，MAX291的OP IN和OP OUT为器件内部放大器的输入和输出端，MAX291的CLK为时钟频率输入端，本电路中需要的时钟频率为砂轮轴转动频率f0的128倍，由锁相环提供。MAX291的输出端OUT信号经隔直电容C2供IC2构成的电平移动电路，IC2-6信号输出供数字信号处理器TMS320F240内的A/D转换器输入端ADCIN3。IC2-3端接参考电压Vt。
测速传感器6拾取的砂轮轴转动频率信号f0供双单稳电路CD4528-B端，CD4528-Q端与CD4046-AIN端连接。CD4046和CD4040构成锁相环。CD4046-VCOUT端与CD4040-CLK端连接，CD4040-Q7端与CD4046-BIN端连接产生128f0时钟信号和稳定的f0信号。脉冲信号128f0分别供MAX291-CLK、TMS320F240-CAP4和TMS320F240-CAP1；脉冲信号f0供TMS320F240-CAP3。
数字信号处理器TMS320F240数据总线D0～D15的低八位接液晶显示器MDLS204612的数据总线DB0～DB7，TMS320F240的地址线A1和A2接MDLS204612的使能信号端和寄存器、数据操作选择端E和RS，TMS320F240的外部器件写允许端/WE经反相器74LS04接MDLS204612的读、写操作选择端R/W。
Claims (5)
1、一种磨床砂轮动态平衡测控系统，其特征在于：所述测控系统具有安装在磨床床身上靠近砂轮处的测振传感器(1)，其拾取由于砂轮的不平衡引起的振动信号，经积分器(2)、集成程控放大器(3)、集成数字低通跟踪滤波器(4)、电平移动(5)后，提供给数字信号处理器(9)中的A/D转换器；还具有安装在磨床砂轮轴某一处用于跟踪砂轮轴转速的测速传感器(6)，将测得的转速信号经整形电路(7)、锁相环电路(8)产生倍频信号提供给数字信号处理器(9)和集成数字低通跟踪滤波器(4)；数字信号处理器产生脉宽调制信号经缓冲隔离电路(12)提供给双桥马达集成控制器(13)，控制电磁驱动器(16)带动平衡头(17)进行砂轮(18)质量补偿；数字信号处理器控制液晶显示模板(14)显示测量结果和接收键输入(15)的指令，对振动信号进行隔波采样及隔波处理，通过离散付立叶变换计算来提取基波分量，得到精确的基波信号的幅值和相位，抑制其它噪声的干扰，经过对被测信号的分析处理，判断是否要将脉宽调制信号提供给双桥马达集成控制器(13)，来驱动砂轮平衡头传动机构，以实现砂轮的动态平衡。
2、如权利要求1所述的磨床砂轮动态平衡测控系统，其特征在于：所述的测控系统中的数字信号处理器(9)，采用了TMS320F240芯片，该芯片将测振传感器经积分器(2)、集成程控放大器(3)、集成数字低通跟踪滤波器(4)、电平移动(5)后的模拟信号转换为数字信号，并进行处理。
3、如权利要求2所述的磨床砂轮动态平衡测控系统，其特征在于：所述的测控系统中的数字信号处理器(9)还控制集成程控放大器(3)，液晶显示模板(14)，接收键输入(15)的指令，处理器通过RS-232和I/O输出口(10)控制CNC设备(11)。
4、如权利要求2所述的磨床砂轮动态平衡测控系统，其特征在于：所述的测控系统中的数字信号处理器(9)根据来自锁相环(8)的脉冲信号在上一个基波周期内对含有基波成分的电平移动输出进行128点采样，在下一个基波周期内完成计算、分析、判断和处理，一旦捕捉到平衡头(17)质量补偿的最佳点时，立即控制电磁驱动器(16)起停工作。
5、如权利要求1所述的磨床砂轮动态平衡测控系统，其特征在于：所述的测控系统中的低通跟踪滤波器(4)，其采用的是集成数字低通跟踪滤波器MAX291，砂轮轴转速信号f0经整形电路(7)供锁相环(8)128倍频后作为MAX291的时钟脉冲，MAX291的截止频率为1.28f0，MAX291的模拟信号输出经电平移动(5)供数字信号处理器模数转换，由数字信号处理器的计算提取基波分量。
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