基于 PLC 的磨床砂輪動平衡系統研究
2020-4-5 來源：浙江大學 化工機械研究所 作者：張志新，萬可達，付豫龍
摘要: 針對目前磨床砂輪動平衡方式難以同時滿足易操作、高精度及低成本的要求，提出了一種以 PLC 為主機，單片機為從機的新型磨床砂輪動平衡系統。討論了砂輪動平衡系統的整體結構、基于互相關分析的砂輪不平衡量提取、基于3 平衡塊的不平衡校正方法，以及基于 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臺，驗證了動平衡儀的可靠性，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制成的原型固結磨具，是磨具中使用量最大、使用面最廣的一種。由于長時間的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，降低磨床的使用壽命，因此需要對砂輪進行動平衡。砂輪動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平衡。人工平衡受平衡架導軌水平精度、滾動摩擦和裝配誤差的影響，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，開發出一種新型的低成本砂輪現場動平衡測試系統具有重要意義課題組研制出一種以 PLC 為主機，單片機為從機的磨床砂輪動平衡系統。該系統采用主從結構，主機利用 PLC 和觸摸屏，主要實現人機交互與動平衡過程監控，從機由單片機完成數據采集與不平衡量識別。通過基于 ＲS-485 標準的數據通信協議實現單片機與PLC 之間的通信，可解決上述 3 類動平衡方法的缺點，具有成本低，人機交互性好，通信可靠的優點。
1 、砂輪動平衡系統的整體結構
基于 PLC 的砂輪動平衡系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制模塊 4 部分組成。振動傳感器負責測量砂輪的振動數據，轉速傳感器負責獲取動平衡所需的基準信號; 信號處理模塊的功能包括信號采集和信號預處理; 單片機 STC12C5410AD 則主要負責數據采集、分析計算［3］; 主機控制模塊包括 PLC 和觸摸屏，主要負責人機交互和顯示。PLC 和單片機采用 ＲS-485接口，采用無協議通信。
圖 1 砂輪動平衡系統整體結構框圖
整個動平衡系統的工作原理如下: 通過觸摸屏控制 PLC 傳送相應命令給單片機，單片機根據接收的命令執行相應的動作，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于拾取平衡所需的振動信號，光電式轉速傳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。振動信號與基準信號經過測量放大、低通濾波、量程切換和直流偏置等預處理后進行 A/D 轉換，單片機對經過預處理后的數字信號進行互相關運算、平衡解算，并將計算結果傳送給PLC，再通過觸摸屏顯示。
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，除了不平衡質量引起的工頻分量，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。其中，由不平衡量引起的工頻分量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］:
由于計算不平衡量的大小與相位需要從振動信號中提取工頻分量，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: 以基準信號的任意一個上升沿為起點，從 N 個采樣值中選取 k 個完整周期振動信號，將基準信號的上升沿作為零相位。以轉子的工作頻率 f 為頻率，構造工頻函數:
式中: T 為整周期采樣時間; τ 為基準信號與振動信號的時差。
根據正弦函數系的正交性，振動信號中的異頻分量與 y( t) ，z( t) 進行互相關運算后，幅值為 0，而噪音分量 n( t) 與 y( t) ，z( t) 進行互相關運算后，幅值也趨于 0。取延時 τ = 0，互相關函數可以近似表示為:
對于實際測試過程，通常是轉換成離散數字信號進行處理，只能通過 N 個采樣值來計算互相關函數的值，得到
按照式( 10) 來分別計算 k 個周期的幅值和相位，取其平均值作為工頻分量的幅值和初相位。
2． 2 砂輪不平衡量校正方法
根據計算結果所指示的位置［6］，在砂輪法蘭盤環形槽內相對應位置上安裝 2 ～ 3 塊平衡塊( 配質量塊) ，每塊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，通常在法蘭盤圓周上刻上角度值，如圖 2 所示。圖中光標位置為平衡塊的角度基準，據此進行平衡塊的調整以達到平衡。由于 2 個平衡塊的平衡裝置的精度和效率低下，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質量為23 g。
圖 2 3 個平衡塊的砂輪法蘭盤
采用影響系數法計算出砂輪原始不平衡量的大小和角度后，首先讓一塊平衡塊移動到加質量角度 φ處，然后調整剩余 2 個平衡塊使其偏重質量等于加重質量( 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 、通信協議
主機 PLC 和單片機( 從機) 之間采用無協議通信方式與 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，分別與單片機的 ＲXD( 輸入端) 和 TXD( 輸出端) 相連即可; MAX485 芯片為半雙工模式，因此只需要將單片機 的一個引腳P3． 3與MAX485的接收使能端和輸出使能端連接來控制 MAX485 的接收和發送。PLC 的通信擴展口 FX3G-485BD 的 SDA 端子和 ＲDA 端子短接后與 MAX485 芯片的 A 端 子 相連接，SDB 端 子 和ＲDB 端子短接后與 485 芯片的 B 端子相連接。電路連接如圖 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、傳輸速率及起始/停止碼等進行簡單設定，PLC 與外部設備之間進行直接數據發送與接收的通信方式，并非通信雙方不要協議。在使用無協議通信時，首先要用到一個 16 位的特殊數據寄存器 D8120 來設置通信格式。D8120 的設置方法如表 1 所示。本文選取的通信格式如下: 數據長度為 8 位，無奇偶校驗，1 個停止位，傳輸速率為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 的二進制值為 0000 1100 0111 0001，對應的十六進制數為 0C71。
通過觸摸屏觸發 PLC 發送命令碼，單片機接收到命令后進行數據的采集和保存，然后通過互相關運算進行不平衡振動識別，進而通過頻譜分析判斷為動平衡問題之后，利用影響系數法計算出不平衡量的大小和相位，將其分解為 3 個給定質量的平衡塊，最后向PLC 返回計算結果并顯示在觸摸屏上。命令碼設置如表 2 所示，單片機根據接收到的命令碼進行判斷執行相應的程序和算法。
表 1 無協議串行通信格式
表 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若干個字符作為一個信息幀。PLC 發送的幀格式只包含命令碼; 當命令為振動測試時，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
當命令為不平衡量計算時，PLC 的接收幀由 10 個字符組成，如表 4 所示。
表 4 不平衡量計算時 PLC 的接收幀
本文采用 CＲC 校驗方式，PLC 對從單片機傳送回來的數據進行 CＲC 校驗，若校驗成功，則將接收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，則繼續發送數據。
4 、系統軟件設計
本系統采用主從機( Master-Slave) 結構，主機以FX3GA-40MＲ 為核心，通過觸摸屏來觸發 PLC，發送指令給 單 片 機 并 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，完成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，磁電式速度傳感器來測量振動信號，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，并將計算結果傳輸給PLC。系統的軟件功能如圖 5 所示。該系統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、人機交互模塊和顯示模塊組成。通信模塊保證上、下位機數據的正常通信，不平衡計算模塊負責從采集到的信號中識別出不平衡量與相位，數據存儲模塊負責保存數據，人機交互控制模塊負責相關參數的輸入以及測試系統的開啟與關閉，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 系統軟件功能圖
4． 1 PLC 軟件設計
PLC 在整個系統中主要進行主動控制，通過 ＲS指令完成無協議通信。ＲS 串行通信指令是用來發送和接收串行數據的指令。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 用來指定接收數據的地址和字節數。基本格式如圖 6 所示。
圖 6 無協議通信基本格式
4． 2 觸摸屏軟件設計
課題組采用 EasyBuild8000 軟件對 TK6070iP 觸摸屏進行編寫設計，該軟件是集編寫、調試與仿真于一體的 WEINVIEW 觸摸屏編程軟件，帶有各種功能元件，能夠對 PLC 的寄存器進行實時的控制和顯示，操作簡便直觀。觸摸屏主要完成的任務有以下幾點:
1) 觸發原始振動按鈕，得到砂輪的原始振動數據，并跳轉到波形顯示子界面，對轉速波形和振動波形進行監測;
2) 在砂輪轉子上加試質量塊，同時在觸摸屏上輸入試質量塊質量和相位，然后觸發試質量振動來獲取試加質量后的振動;
3) 觸發平衡計算按鈕，計算出不平衡量的大小和相位，并跳轉到平衡塊指示界面，以圖形的方式直觀地顯示在觸摸屏的界面上;
4) 最后根據第 3 步的顯示結果，在砂輪的對應位置配置平衡塊，然后觸發平衡振動測試平衡后振動，并顯示動平衡效果與振動下降率。根據上述任務，設計完成整個動平衡過程的人機交互主界面，如圖 7 所示。
圖 7 動平衡測試系統主界面
4． 3 單片機軟件設計
單片機初始化之后被置于接收等待狀態，一旦接收到 PLC 的數據后就關閉串口中斷，根據接收到的SBUF 中的命令碼執行相應的功能，完成后返回數據給 PLC，重新打開串口中斷，等待下次接收數據。在通信程序中，MAX485 芯片是半雙工工作模式，發送和接收不能同時進行，所以必須用單片機 P3． 3 引腳控制 MAX485 芯片的收發。在初始化時將 P3． 3置低，MAX485 芯片處于接收狀態，在收到數據之后關閉串口中斷，同時將 P3． 3 置高，經過后續的運算之后發送數據，然后再將 P3． 3 置低，如此再進行下一次的數據傳輸。
5 、實驗
將砂輪動平衡測控系統應用于實驗室的模擬砂輪試驗臺，如圖 8 所示。
1—電機; 2—變頻器; 3—光電傳感器; 4—從機電路板; 5—觸摸
屏; 6—PLC; 7—法蘭盤; 8—振動傳感器。
圖 8 砂輪動平衡系統測試
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: 經過平衡計算得到的不平衡量的大小和相位基本保持一致; 砂輪磨床動平衡系統平衡精度高，平衡效果好，可以滿足實際生產需求。
表 5 動平衡實驗數據
6 、結語
課題組提出了一種基于 PLC 的磨床砂輪動平衡機系統，并通過模擬砂輪試驗臺，證明了該方案是可行的。相比之下，現有的磨床砂輪半自動化平衡通常需要利用一臺動平衡儀來巡檢，效率和實時性較低，而自動在線動平衡系統價格高昂，中小型磨床廠難以承受。文中所設計的砂輪動平衡機系統具有人機交互性好、結構簡單、通信可靠和價格低廉的優點，因此，該系統在磨床砂輪動平衡中有很好的應用前景。
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