基于STM32F417的砂輪動平衡控制系統設計

梅春雷，劉武發，劉 超

（鄭州大學 機械工程學院，鄭州 450001）

0 引言

砂輪的平衡對于保證加工工件的表面質量意義重大，只有砂輪主軸系統平衡的情況下，砂輪的振動強度才能降到最小，加工工件的表面質量才能得到保證[1]。而砂輪在制造完成時本身就有很明顯的不均勻現象，考慮到砂輪內的氣孔、空氣的濕度以及加工磨損，砂輪的不平衡只會加強。同時，砂輪在安裝后，其與法蘭盤之間的接觸間隙，也會導致砂輪在高速轉動時產生徑向振動和軸向的擺動。除此之外，其它靠近磨床的震源等也會對砂輪的平衡產生影響。

砂輪的不平衡導致的振動會對磨削加工產生不利的影響。直接的影響是被加工工件的表面粗糙度增大，導致工件不符合技術要求，產生次品或者造成工件報廢。間接的影響是，砂輪振動引起磨床振動，加速磨床主軸和軸承之間的磨損，減少主軸和軸承的使用壽命。因此，砂輪在安裝前和使用過程中，必須進行平衡。

傳統的砂輪平衡主要是安裝前的靜平衡，依據剛性轉子靜平衡的原理，通過去除相應方位的質量，使砂輪達到平衡。這種平衡方法，操作繁瑣，效率低，主要靠工人的技術經驗，并且速度緩慢，維持平衡的時間也短。因此，設計一種砂輪動平衡控制系統，實現砂輪的自動平衡，不僅能夠減少人工操作的參與度，而且也能加快平衡進程[2]。

1 控制系統總體設計

砂輪動平衡控制系統的功能框圖如圖1所示。

圖1 砂輪動平衡控制系統功能框圖

動平衡控制器是主要的功能部件，完成數據的處理和驅動信號的輸出；振動傳感器把砂輪振動的加速度轉化為與之成比例的電壓信號；霍爾傳感器用來測量砂輪轉速。振動和轉速這兩個信號經過處理，輸入到控制器，控制器則根據平衡程序的處理流程，不斷地調整動平衡頭內部兩個偏心齒圈的位置，使砂輪的振動幅值大小減小到設定的幅值以下。

砂輪動平衡控制器主要包括以下部分：STM32F417IGT微控制器、振動傳感器信號處理電路、動平衡頭驅動控制電路、LCD顯示接口以及串口通信電路等。不同的部分承擔不同的任務，共同作用，構成砂輪動平衡控制系統。控制系統總體結構如圖2所示。

圖2 控制系統總體結構

2 控制系統硬件結構設計

2.1 系統核心STM32F417IGT

本系統采用意法半導體公司生產的ARM Cortex-M4系列的STM32F417IGT微控制器，其主頻為168MHz，處理性能可達到210 MIPS；內部集成1M的Flash存儲空間，足夠運行大多數實時操作系統；192+4Kb的RAM空間；3個ADC單元；15個可用于通信的接口；USB以及FSMC（靈活的靜態存儲控制器）等。另外，STM32F417IGT有176管腳，其中有140個通用IO端口，給設計帶來極大的便利和可擴展性。

以STM32F417IGT為核心，將控制系統所需要用到的與外設單元有關的IO端口引出，就能設計出STM32F417IGT核心板。本設計主要用到STM32F417IGT的ADC1，USART1，FSMC，TIM2等外設單元。

2.2 振動信號調理處理電路

振動傳感器把測到的砂輪振動的加速度轉換為電信號輸出，但是還不能直接輸入到單片機進行處理。由于傳感器輸出的原始信號很微弱并且含有噪聲信號，需要經過調理電路處理后才能得到干凈的振動幅值信號。原始信號要經過放大、積分、濾波等環節，將所需要用到的振動信號提取出來。振動傳感器采用加速度傳感器，因此要把加速度信號轉化為砂輪的振動幅值信號，需要經過兩次積分運算。振動信號調理電路如圖4所示。

2.3 測量砂輪轉速的設計

利用霍爾傳感器測量轉速的原理很簡單，只需要在砂輪的主軸上安裝一個非金屬圓形薄片，將磁鋼嵌在圓片圓周上，主軸轉動一圈，霍爾傳感器發出一次監測信號。當磁鋼與霍爾傳感器重合時，霍爾傳感器輸出低電平；當磁鋼離開霍爾元件時，則輸出高電平[3]。因此，只需利用STM32F417的定時器5的輸入捕捉功能，響應霍爾傳感器輸出的下降沿，就能通過定時器計時的方式算出砂輪的轉速。

2.4 動平衡頭的結構和供電

動平衡頭的結構主要由驅動系統、傳動系統和偏心齒圈組成。驅動系統主要采用兩個直流永磁電機，控制簡單，調速性能好，控制施加給直流電機的電壓的極性，就能控制電機的正反轉。傳動系統采用蝸輪蝸桿和精密齒輪系，實現減速功能，最終驅動偏心齒圈。這樣的設計不僅能提高轉矩，細化步進角大小，還能實現在平衡后鎖定偏心齒圈。

砂輪動平衡頭的結構如圖3所示。

圖3 砂輪動平衡頭結構

動平衡頭安裝在法蘭盤上，隨著砂輪主軸一起高速轉動，驅動電纜與直流永磁電機的連接是通過滑環來實現的，一般驅動兩個直流電機最少需要三根線，兩根電源線和一個公共地線。同時，在動平衡過程中，為了減少滑環的磨損，設計一個開關機構，使得在動平衡過程中滑環是接觸的，平衡結束后滑環斷開接觸。

2.5 顯示器接口設計

圖4 振動信號調理電路設計

本設計采用SSD1298作為顯示芯片，在實際應用上能夠滿足設計要求。SSD1298與MCU連接模式有四種，通常采用8080模式的連接方式，這樣就可以將STM32F417的FSMC可以直接與SSD1298相連接。STM32F417直接把顯示芯片作為它的一個存儲設備，通過設置讀寫時序，就能控制顯示器的顯示。

3 控制系統軟件設計

控制系統的軟件主要包括STM32F417芯片的初始化、平衡策略以及顯示程序。

芯片的初始化主要是指單片機時鐘的配置、中斷向量位置的選擇、外設端口的配置以及中斷的配置等，主要為系統運行做好硬件上的準備。

平衡策略是砂輪動平衡的關鍵。硬件初始化后，控制器通過振動傳感器不斷監測砂輪的狀態，平衡程序啟動后，就開始不斷地通過調整動平衡頭內部偏心齒圈的位置，使砂輪的振動逐漸減小，直到平衡為止。

平衡策略采用坐標輪換法，通過驅動偏心齒圈，改變其位置，使振動向著減小的方向發展[4]。平衡過程可以分為兩步，先調節相位再調節大小，最終結果砂輪的不平衡量和偏心齒圈的不平衡量相互抵消。

第一步，調節相位。開始時，偏心齒圈在蝸輪蝸桿的自鎖作用下，相對位置保持不變，其夾角為一個定值φ，調節相位就是讓兩個偏心齒圈A、B的夾角保持為φ不變，調節A、B同向轉動，直到砂輪振動減小到最小為止。具體操作：A、B同時正轉，監測砂輪的振動狀態，如果振動減小，那么就繼續正轉，直到再次振動增大為止；反之，如果一開始正轉，砂輪振動是增大的，那么就調節A、B同時反轉，如果振動減小，就繼續反轉，直到振動再次增大為止。此時，原來砂輪的不平衡量與偏心齒圈的不平衡量大致在一條直線上。

圖5 平衡流程圖

第二步，調節幅值。為讓不平衡量達到最小，還要調節偏心齒圈的不平衡量的幅值。同相位調節的道理相同，只是幅值調節要求A、B的轉動方向不同，這樣才能達到調節幅值的目的。具體操作：A正轉、B反轉，如果砂輪的振動減小，A、B保持原來的轉向，直到振動再次增大為止；如果一開始砂輪的振動增大，那么A反轉、B正轉，如果砂輪振動減小則繼續A反轉、B正轉，直到振動再次增大為止。此時，平衡過程結束。砂輪動平衡過程的流程圖如圖5所示。

平衡開始需要有一個設定值，或者對動平衡頭的平衡能力指標有明確的說明，如果設定的值超過了動平衡頭的平衡范圍，那么無論怎么調節都不可能達到要求。可以不指定振動大小的設定值，但一定得在平衡頭的平衡范圍之內。

顯示程序主要作用是顯示砂輪的狀態、平衡過程以及便于用戶操作，使用戶清晰地知道控制器系統以及砂輪的運行狀態，并能夠控制系統的運行。

4 結論

砂輪動平衡控制系統以STM32F417為核心，集成了振動信號處理、轉速信號處理、動平衡頭驅動控制以及顯示等電路，在相應的軟件程序控制下，能夠實時監測砂輪的振動狀態以及砂輪轉速，在砂輪出現較大不平衡量時，能及時報警提醒。在啟動平衡程序后，控制系統能夠根據平衡程序不斷調節偏心齒圈的位置，直至砂輪平衡。因此，在磨床的磨削加工中，應用該系統能實現砂輪的自動平衡，具有很大實際意義。

[1]張曉東,李濟順.磨床砂輪的自動平衡方法及系統的實現[J].設備管理與維修,2006,03：30-32.

[2]張霞,余先濤,杜慶磊.砂輪自動平衡控制系統的實現[J].機電工程技術,2008,04：32-34,109.

[3]張琳娜,劉武發.傳感檢測技術及應用[M].中國計量出版社,1999.

[4]王璞.磨床砂輪動平衡在線調整裝置的研制[D].沈陽理工大學,2008.