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基於 PLC 的磨床砂輪動平衡係統研究

2020-4-5 來源：浙江大學化工機械研究所作（zuò）者：張誌新，萬可達，付豫龍（lóng）

摘要: 針對目（mù）前磨床砂輪動平衡方式難以同時滿足易操作、高精度及（jí）低成本（běn）的（de）要求（qiú），提出了一（yī）種（zhǒng）以 PLC 為主機，單片機為從機的新型磨床（chuáng）砂輪動平衡係統。討論了砂輪動平衡（héng）係統的整（zhěng）體結構、基於互（hù）相關分析的砂輪不平衡量提取、基於3 平衡塊的不平衡校正方法，以及基於ＲS-485 標準數據通信的主從機數據通信。通過搭建模擬砂輪試驗台，驗證了動平（píng）衡儀（yí）的可靠性，取得了良好的平衡效果。

關鍵詞（cí）: 磨（mó）床; 動平衡; 互相關分析; 不平衡校正方法; 單片機; PLC; 觸摸屏

砂輪是用磨料和結合劑樹脂等製（zhì）成的原型固（gù）結磨具，是磨具中（zhōng）使用量最大、使用麵最廣的一種。由於長時間的磨削工作導致質量（liàng）分布不均勻而產生不平衡（héng）離心力，引起軸承的振動，影響工件（jiàn）的磨削質量，降低磨床（chuáng）的使用壽命，因此（cǐ）需要對砂輪進行動平衡（héng）。砂（shā）輪動（dòng）平衡技術按自動化程度分成 3 大類［1］: 人工平衡，半自動平衡和自動在線（xiàn）平衡。人工平衡受平衡架導軌水平精度（dù）、滾動（dòng）摩擦和裝配誤（wù）差（chà）的影響，砂輪平衡精度低，花費時間長。半自動平衡需要通用的現場動（dòng）平衡儀作為測試工具，成本高、實時性低以及現場應用不便［2］。

目前自動在線平衡技術成本昂貴，因此，開發出一種新（xīn）型的低成本砂（shā）輪現場動平衡測試係統具有重要意義課題（tí）組研（yán）製出一種以（yǐ） PLC 為主（zhǔ）機，單（dān）片機為從機的磨床砂輪動平衡係統。該（gāi）係統采用主（zhǔ）從結構，主機利用 PLC 和觸摸屏，主要實現（xiàn）人機交互與動平衡過（guò）程監控，從機由單片機完成數（shù）據采集與不平衡量（liàng）識（shí）別（bié）。通過基於ＲS-485 標準的數（shù）據通（tōng）信協議（yì）實現單片機（jī）與PLC 之間的通信，可解決上述 3 類動平衡（héng）方法的缺點，具有成本低，人機交互性好，通信可靠的優（yōu）點。

1 、砂輪動平衡係統的整體結構

基於 PLC 的砂輪動平衡係統的整體結構框圖如圖 1 所示，主要由傳（chuán）感（gǎn）器（qì）模塊（kuài）、信號處理模塊、單（dān）片機模塊和主機控製模塊 4 部分組成。振動傳感器負責測量砂輪的振動數據，轉速（sù）傳感器（qì）負責獲取動平衡所需的（de）基（jī）準信號; 信號（hào）處理模塊的（de）功（gōng）能包括信（xìn）號采集和信號預處理; 單片（piàn）機 STC12C5410AD 則主要負責數據采集、分析計算［3］; 主機控製模（mó）塊包括 PLC 和觸摸屏，主要（yào）負責（zé）人機交互和顯示。PLC 和單片（piàn）機采用ＲS-485接口，采用無協議通信。

圖 1 砂輪動平衡係統整體結（jié）構框圖

整個動平衡係統的工作原理（lǐ）如下: 通過觸（chù）摸屏控製 PLC 傳送相應命令給單片機，單片機（jī）根據接（jiē）收的命令執行相應的動作（zuò），主要有平衡測試及平衡計算。磁電式速（sù）度傳感器（qì）吸附在砂輪附近用於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（xū）的基準（zhǔn）信號。振動信號與基準信號經過測量（liàng）放大、低通濾波、量程切換和直流偏置等預處（chù）理後進行 A/D 轉換，單片機對經（jīng）過預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（sòng）給PLC，再通過觸摸屏顯示。

2、不平衡（héng）量提取和校正（zhèng）方法

2． 1 砂輪不平衡量提取

引起振動的原因有很多，除（chú）了不平衡質量引起的工（gōng）頻分量（liàng），還有轉子不對中引起的二倍頻分量、軸承引起的高頻分量及隨機噪聲信號（hào）。其中（zhōng），由不平衡量引起的工（gōng）頻分（fèn）量（liàng）是砂輪振動的主要來源。振動傳感器拾取的振動信號，可表示為［5］:

由於計算不平衡（héng）量的（de）大小與相位需要從（cóng）振動信號中（zhōng）提取工頻分量，課題組采用整周期互相關方法來處理振動信號。該（gāi）方法可以消除振動信號中除工頻分量外的絕大部分異頻分量，且運算量較小，具體過程如下: 以基準信號的（de）任意一個上升（shēng）沿為起點，從 N 個采樣值中選取 k 個完整周期（qī）振動（dòng）信號，將基準信號的上升沿作為零相（xiàng）位。以轉子的工作（zuò）頻率 f 為頻率，構造工頻函（hán）數:

式中: T 為（wéi）整周期采樣時間（jiān）; τ 為基準信號與振動信號的時差。

根據正弦函數係（xì）的正交性，振動信號中的異頻（pín）分量與 y( t) ，z( t) 進行互相（xiàng）關運算後，幅值為 0，而噪音分量 n( t) 與 y( t) ，z( t) 進行互相關運算後，幅值也趨於 0。取延時 τ = 0，互相關函數可以近似（sì）表（biǎo）示為:

對（duì）於實際（jì）測試過（guò）程，通常是轉換成離散數字信號進行處理，隻能通過 N 個采樣值來計算（suàn）互相關函數的值，得到

按照式( 10) 來分別計算 k 個周期的（de）幅值和相位，取其平均值作為（wéi）工頻分量的幅值和初相位。

2． 2 砂輪不平衡量校正方法

根據（jù）計（jì）算結（jié）果所指示的位置［6］，在（zài）砂輪法蘭盤環形槽內相對應位置上安裝 2 ～ 3 塊（kuài）平衡塊( 配質量（liàng）塊) ，每塊（kuài）平衡塊的質量與形狀相同。在砂輪動平衡過程中，為使配質量位置準確，通常在法蘭盤圓（yuán）周（zhōu）上刻上角度值，如圖 2 所示。圖中光標位置為平衡塊的（de）角度（dù）基準，據此進行平（píng）衡（héng）塊（kuài）的調整以達到平衡。由於 2 個平衡塊的平衡裝置的精度和效率低下，一般工程上（shàng）法（fǎ）蘭盤采用3 個平衡塊的裝置。本（běn）實驗中每個平衡塊質量為23 g。

圖 2 3 個平衡塊的砂輪法蘭盤

采用影（yǐng）響係（xì）數法（fǎ）計算出砂輪原始不平衡量的大小（xiǎo）和角度後，首先讓一塊平衡塊移動到（dào）加質量角度 φ處，然後調整剩餘 2 個平衡（héng）塊（kuài）使其偏重（chóng）質量等於加重質量( W) 和單個平衡塊質量( M) 之差，具體操作見圖 3。

圖 3 平衡塊分布圖

3 、通信（xìn）協議

主機 PLC 和單片機( 從機) 之間采用無協議通信方（fāng）式與（yǔ）ＲS-485 接口進行通信［7-8］。MAX485 芯片ＲO和 DI 端（duān）分別（bié）為接收器的輸出和驅動器的輸入（rù）端，分別與單片機的ＲXD( 輸入端（duān）) 和 TXD( 輸出端) 相連即可; MAX485 芯片為半雙工模式，因此隻需要將單片機的一（yī）個（gè）引腳P3． 3與MAX485的接收使能（néng）端和輸出使能端連（lián）接來控製 MAX485 的接收和發送。PLC 的（de）通信擴展（zhǎn）口 FX3G-485BD 的 SDA 端子和ＲDA 端（duān）子短接後與 MAX485 芯（xīn）片的 A 端子相連接，SDB 端子和ＲDB 端子短接後與 485 芯（xīn）片的 B 端子相連接。電路連接如圖 4 所（suǒ）示。

圖 4 通信連（lián）接示意圖

無協議通信［9］是（shì）僅需要對數據格式、傳輸速率及起始/停止碼等進行簡單設定，PLC 與外（wài）部設備之間進行直接數據發送與接收的通信方式，並非通信雙方不要協議。在使用無協議（yì）通信時，首先要用到（dào）一個 16 位的特殊數（shù）據寄存器（qì） D8120 來設置通信格式。D8120 的（de）設置（zhì）方法如表 1 所示。本文選取的通信格式如下: 數據長（zhǎng）度為 8 位，無奇偶校（xiào）驗，1 個停止位，傳輸速率為4 800 bit / s，無起始位和（hé）結束位，無校驗和，無協議通信ＲS-485 接口。對照表 1，可（kě）以確定 D8120 的二進製值為 0000 1100 0111 0001，對應的十六進製數為 0C71。

通過觸摸屏（píng）觸發 PLC 發送命令碼，單片機接（jiē）收到命令後進行數據的采集和（hé）保存，然後通過互相關運算進行不平衡振動識別，進而通過頻（pín）譜分析（xī）判斷為（wéi）動平衡問題之後，利用影響（xiǎng）係數（shù）法計算出不平衡量的大小和相位，將其分解為 3 個給定質量的（de）平衡塊，最後向PLC 返回計算結果並顯示在觸摸屏上。命令碼設置（zhì）如表 2 所示，單片機根（gēn）據接收到的命（mìng）令碼進行（háng）判斷執行相（xiàng）應的程序和算法（fǎ）。

表 1 無協（xié）議串行通信格式（shì）

表 2 單（dān）片機功能碼設置

在 PLC 與單片機進行（háng）數據通信時，采用命（mìng）令/響應模式，一次通信收發的一組若幹個字符作為一個（gè）信息幀。PLC 發送的幀格式隻包（bāo）含命令碼; 當（dāng）命令為振動測試（shì）時，PLC 的接收幀由 608 個字符組成，如表 3所示。

表 3 振動測試時 PLC 的接收幀

當命令（lìng）為不平衡量計算時，PLC 的（de）接收幀由 10 個字符組成，如表 4 所（suǒ）示。

表 4 不（bú）平衡（héng）量計算時（shí） PLC 的接收幀

本文采用 CＲC 校驗（yàn）方式，PLC 對從單（dān）片機傳送回（huí）來的數據（jù）進行（háng） CＲC 校驗，若校驗成功，則將接收（shōu）到的數據轉移到其他寄存器地址顯示到觸摸屏上; 若不成功，則（zé）繼續發送數據。

4 、係統（tǒng）軟件設計（jì）

本係統采用主從機( Master-Slave) 結構，主（zhǔ）機（jī）以FX3GA-40MＲ為核心，通過觸摸屏來觸發（fā） PLC，發送指令給單片機並接收返回數據進行顯示。從機以STC12C5410AD 單片機［10］為核心，接收主機的指令（lìng），完成振動與轉速信號的數據采集（jí），由光電傳感器來測量提供轉（zhuǎn）速和基（jī）準信號，磁電式速度傳感器來測量振動信號（hào），測得的信號經過預處理傳入 STC12C5410AD單片機，單片機對信（xìn）號進行（háng）運算，並將計算結果傳輸（shū）給PLC。係統的軟件功能如圖 5 所（suǒ）示。該（gāi）係統的軟（ruǎn）件模塊主（zhǔ）要由主從機通信模塊、不（bú）平衡計（jì）算模塊（kuài）、數（shù）據存儲模（mó）塊（kuài）、人（rén）機交（jiāo）互模塊和顯示模塊組成。通信（xìn）模（mó）塊保證上、下位機數據的正常通信，不平衡計算（suàn）模塊負責從采集（jí）到的信號中識別（bié）出不（bú）平衡量與相位，數據存（cún）儲模塊負責保存數據，人機（jī）交（jiāo）互控製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（dé）到的數據和振動波形顯示到觸摸屏上。PLC、單片機和（hé）觸摸屏分別負責不同的模塊。

圖 5 係統（tǒng）軟件功能圖

4． 1 PLC 軟件設計

PLC 在整個（gè）係統中（zhōng）主要進行主動控製，通過ＲS指令完成（chéng）無協議通信。ＲS 串行通信指令是用來發送和接收串行數（shù）據的指令。指令中的［S］和 m 用來指定發送數據的地址和字節數; ［D］和 n 用來指（zhǐ）定接收（shōu）數據的地址和字節數。基本格式如圖 6 所示。

圖 6 無協議通信（xìn）基本格式

4． 2 觸（chù）摸屏軟件設計

課題組采用 EasyBuild8000 軟件對 TK6070iP 觸摸屏進行編寫設計，該軟件是集（jí）編寫、調試與（yǔ）仿真於一體的 WEINVIEW 觸摸屏編程軟件，帶有各種功能元件，能夠對 PLC 的寄存（cún）器進行實時的控製和顯示，操作簡便直觀。觸摸屏主要完成的任務有以下（xià）幾點:

1) 觸發原始振動按鈕，得到砂輪的原始振（zhèn）動數據，並（bìng）跳轉到（dào）波形顯示子界麵，對轉速波形和振動波形進（jìn）行監測;

2) 在砂輪轉子上加試質量塊（kuài），同時在觸摸屏上輸入試質量塊質量和（hé）相位，然後觸（chù）發試質量（liàng）振動來獲取試加質量後的振動;

3) 觸發平衡計算按鈕，計算出不平衡量的大小和相位，並跳轉到平衡塊指示（shì）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 3 步的顯示結果，在砂輪的對應位（wèi）置配置平衡塊，然（rán）後觸發平衡振動測試平衡後振動，並顯（xiǎn）示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）程的人機交互主界麵（miàn），如圖 7 所示。

圖（tú） 7 動平衡測試係（xì）統主界麵

4． 3 單片機軟件設計（jì）

單片機初始化之後被置於接收等待狀態，一旦接（jiē）收到 PLC 的數據後就關（guān）閉串口中斷（duàn），根據接收到的SBUF 中的（de）命令碼執行相應的功能（néng），完成後返回數據給 PLC，重新打（dǎ）開串口中斷，等待下次接收數據。在通（tōng）信程序中，MAX485 芯（xīn）片是半（bàn）雙工工作模式（shì），發送和接收不（bú）能同時（shí）進行，所以必須（xū）用單片機 P3． 3 引腳（jiǎo）控製 MAX485 芯片的收發。在初始化（huà）時將 P3． 3置低，MAX485 芯片處於接收狀態，在收（shōu）到數據之後關閉串口中斷，同時將 P3． 3 置高，經過後續的運算之後發（fā）送數據，然後再將 P3． 3 置低，如此再（zài）進行下一次（cì）的數（shù）據傳輸。

5 、實驗

將砂輪動（dòng）平衡測控係（xì）統應用於實驗室的（de）模（mó）擬砂輪試驗台，如圖 8 所示。

1—電機; 2—變頻器（qì）; 3—光電傳感器; 4—從機電路（lù）板; 5—觸摸

屏; 6—PLC; 7—法蘭盤（pán）; 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 的質量塊作試加質量，進行 3次動平衡實驗，實驗數據如表 5 所示。由實驗數據可知: 經過平衡計算（suàn）得到的不平衡量的大小和相（xiàng）位基本保持一致; 砂輪（lún）磨床動平衡（héng）係統平衡精度高（gāo），平衡效果好，可（kě）以滿足實（shí）際生產需（xū）求。

表（biǎo） 5 動平衡實驗數據（jù）

6 、結語

課題組提出了一種基於 PLC 的磨床（chuáng）砂輪動平衡機係統，並通過模擬砂輪試驗台，證明了該方（fāng）案是可行的（de）。相比之下，現有的磨（mó）床砂輪半自動化平衡通常需要利用一台動平衡儀來巡檢，效率和實時性較低，而自動在線動平衡係統價格高（gāo）昂，中小型磨床廠難以承受。文中所設計的（de）砂輪動平衡機係統具有人（rén）機交（jiāo）互性好、結構（gòu）簡單、通信可靠和價格低廉的優點（diǎn），因此，該係統在磨床砂輪動平衡中有很好的應用前景。

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