外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计本科论文(编辑修改稿)

外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计本科论文(编辑修改稿)内容摘要：

时对某些非整数的常数（如表 52中的 kgf等）取近似的有限位数，因此造成运算误差。 在 V/F转换时，存在按量化等级取整的误差。 在各种代数运算时，也存在四舍五入的误差。 这些都是数学误差。 环境误差 环境误差是指系统在工作过程中设备的误差，在本系统中主要针对传感器测头的装夹定位误差。 在测量过程中，要 确定传感器或测量装置的测头与被测工件的相对位置，称为定位。 定位一原则：对于几何量测量来说，测量定位面应当与加工工艺定位面一致。 在测量时，选择定位面违反定位统一原则，或由于定位元件的不完善，所造成的测量误差称为定位误差。 定位误差的计算，一般来说，应根据具体定位方式的几何关系，分别具体计算。 本系统采用三点定位，当定位面发生倾斜时，会有图 24的定位误差。 图 23 三点定位误差 根据对误差处理的方式不同，精密测量中的误差补偿技术可分为三种形式：即误差分离技术、误差修正技术和误差抑制技术。 误差分离技术（ Error separation Technique）是通过信息源变换或模型参数估计的方式，使有用信号分量与误差分量相分离的一种测量技术。 通过误差分离技术，可以实现下述两个目的：一是可以获取修正量；二是通过对误差分量 的排除，可直接获取被测量信号。 误差分离技术有两种类型：一种是基于信息源变换，另一种是基于模型参数估计。 误差修正技术（ Error Correction Technique）是指以某种方式获取修正量并从测量数据中消除误差分量的一种误差补偿技术。 误差修正技术有两个关键环节， 一个是修正量的获取方式、一个是修正方式。 从这两个环节考虑，这一技术可大致划分为二种类型：基于修正量预先获取的误差修正技术和基于实时测量的误差修正技术。 误差抑制技术是针对误差的作用规律，在一般测量系统中预先加入随误差源变量的变化而自动 调控输入或输出，进而使误差抵消或消除的一种测量或仪器设计方法。 误差抑制技术通常可不必测取误差值，只需在设计测量系统之前掌握误差作用规律，并依此确定自动调控方式。 依据调控方式不同，抑制模型可大致分为二种：一种是直接抑制模型，一种是负反馈抑制模型。 第三章 外圆磨床在线检测系统的硬件系统 外圆磨床在线检测系统的硬件系统主要包括（二相混合式）步进电机、 D5V传感器、欧姆龙 PLC系统、维纶通触摸屏。 我们采用 OMRON CP1HXA40DTD为控制器，同样采用欧姆龙 D5VA3B1接触式位移 传感器采集工件外径的变化。 将砂轮架用于控制纵向进给的手轮拆下，手轮轴一侧安装（二相混合式）步进电机，可以实现对外圆磨床的闭环控制。 本系统采用的是 WEINVIEW公司生产的MT506MV触摸屏同在线监测系统配合，组成良好的人机交换界面。 系统要充分满足实时性，要有稳定清晰的结果显示。 系统结构 磨削 加工在线测控系统是由测量装置、控制装置构成的一套在线数字化测量系统，并通过驱动执行机构，实现对磨床磨削加工的闭环控制。 系统使用工业触摸屏，使整个系统具有友好的人机交互环境。 系统总体结构如图 31所示。 图 31 系统总体结构 当工件被装夹在机床上后，气缸将测量装置送入测量工位，测量装置始终测 量着工件的直径，测量信号经过控制系统处理后，通过执行机构控制砂轮架的进给运动。 当工件达到所需尺寸时，发出停机信号，让执行机构动作，砂轮架退回，停止加工，气 缸带动测量装置退出测量工位，完成加工。 这种情况下，只有工件达到所需尺寸时才停止加工，砂轮磨损、砂轮架及顶针架因切削力和温度变化引起的变形等因素都不会影响加工精度。 测量信号首先通过传感器专用模拟信号调理电路， 输出 4~20mA电流，经 PLC内置 AD转换后为 0~120xx数字量，再经过变换 可得测量值。 而数据通信模块则负责将分析后的数据发送给触摸屏。 如图 32所示。 图 32 数据流程图 测量装置 测量装置采用接触式三点测量法，传感器选用接触式位移传感器 D5V 型。 测量装置简图如图 33 所示。 整个测量装置固结在机床工作台上，测量装置在水平方向上利用气缸驱动，能够精确定位。 传感器密封在金属壳内，一来可以屏蔽电磁干扰，二来可以抵御磨削液对传感器的影响，如图 3 35 所示。 测力弹簧用来保证测量头与工件可靠地接触，测量头随着测量杠杆，以片簧 为支点转动，D5V 传感器可测量出工件尺寸的变化，只要被测工件达到预定位置时，控制装置就发出相应的信号。 测量装置由气缸带动，进出测位方便，易实现机床加工自动化。 在对工件进行测量与加工之前，先要调整测头使其与主轴中心线在同一水平面，确保测量头与工件最大轴径相接触。 图 33 测量装置简化图 图 34 测量装置与气缸 图 35 测量装置工作状态 步进电机的介绍 步进电机及驱动器选型 本设计选用百格拉公司的二相混合式步进电机。 该公司将交流伺服控制原理应用到二相混合式步进电机驱动系统中，输入的 220VAC 经整流后变为 325VDC，再经脉宽调制变为三路 325V 阶梯式正弦波形电流，它们按固定时序分别流过三路绕组，其每个阶梯对应电机转动一步。 通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电机转速，而 每转输出的阶梯数确定了每步转过的角度。 二相混合式步进电机特点如下： 采用特殊的结构、优良的材质和先进的制造工艺。 采用特殊机械加工工艺，电机定转子间气隙仅为 50μ m。 电机转子定子直径比提高到 59%，大大提高了电机的工作扭矩。 磁极数多于五相步进电机，平稳性和定位精度远高于五相混合式步进电机。 采用交流伺服控制原理。 具有交流伺服电机运行特性。 几乎无共振区、无爬行、无噪音。 二相 325V（ D921 驱动器除外）高压驱动，大大提高了高速扭矩。 可按两相和五相电机的步数工作，可取代两相 和五相电机。 电机的扭矩与电机步数无关。 由于本设计中电机只需带动滚珠丝杠旋转从而带动传感器移动，而传感器的质量较小，所以所需电机的转动惯量不大。 因此，本设计中采用二相混合式步进电机。 选用 ST213H 驱动器来驱动步进电机， 由于 PLC 只有两个高速脉冲输出，且电压有限，无法直接与步进电机相连。 所以应用步进电机驱动器带动步进电机。 本设计中选用百格拉公司 ST213H 型步进驱动器。 其主要特点如下： 交流伺服工作原理，交流伺服运行特性，三相正弦电流驱动输出。 只要环境温度不超过 55℃，驱动器就可以正常工作。 电路板采取三防处理，有过热、过欠压、过流及电机相间短路保护功能。 驱动器的输入电源是 220VAC，变化范围是： 30%~+20%。 电机和驱动器间仅用 3 根线，同交流异步电机一样，减少连线出错的可能性。 几乎无共振和爬行，输出相电流可设置，带有十细分和半流功能特性，噪声几乎与交流伺服电机一样。 比同样尺寸的反应式步进电机所产生的功率大 20%左右。 电机的扭矩与它的转速有关，而与电机每转的步数无关。 电机每转步数可依用户要求分别设定为 500、 1000、 5000、 10000 步 /转。 由于驱动器采 用了正弦电流驱动，使电机的空载启动频率高达 至。 电机上下电时，输出轴位置不变，给工作带来很大方便。 控制电路 步进电机驱动器接收到控制器发出的脉冲，来控制步进电机的旋转速率与方向，实现砂轮架的进给与退出；同时，通过驱动器控制电路也实现对气缸的操作，控制测量装置进出测量工位。 接触式位移传感器 D5V的介绍 主机 MT506MV 触摸屏的介绍 普通外圆磨床在线测控系统（以下简称为系统）使用 WEINVIEW公司生产的工业触摸屏 MT506MV型 ，工作电压为直流 +24V，其通信接口及电源接线端如图 34所示。 图 38 触摸屏通信接口 对比度 指拨开关 复位按钮 与 PC连接 与 PLC（ COM1）连接 电源接线端 DC24V 从机 CP1H XA40DTD 欧姆龙 PLC 的介绍 11 处理速度：基本指令 ；特殊指令 12 I/O容量： 最多 7个扩展单元，开关量最大 320点，模拟量最大 37路 13 程序容量： 20K步 14 数据容量： 32K字 15 机型类别：本体 40点， 24点输入， 16点输出 ，继电器输出或晶体管输出可选 21 4轴脉冲输出： 100kHz2 和 30 kHz2 （ X型和 XA型），最大 1MHz（ Y型） 22 4轴高速计数：单向 100kHz或相位差 50 kHz4 （ X型和 XA型），最大 1MHz（ Y型） 23 内置模拟量： 4输入， 2输出（ XA型） 31 通信接口：最大 2个串行通信口（ RS232A或 RS422/485任选） 本体附带一个 USB编程端口 32 通信功能：上位链接、无协议通信、 NT链接（ 1： N）、串行网关功能、串行 PLC链 接功能、 ModbusRTU简易主站 41 模拟量输入手动设定 42 2位 7段码发光二极管显示故障信息 43 支持欧姆龙中型机 CJ1系列高功能模块（最大 2块） 44 支持 FB/ST编程，可以利用欧姆龙的 Smart FB库，与 CJ1/CS1系列程序统一，可以互换。 第四章 外圆磨床在线检测系统的软件设计 开发工具 普通外圆磨床在线测控系统软件设计使用 Linux开发，用 PLC编程。 在 Linux的操作平台上用软件来实现硬件 PLC 的所有功能，具有逻辑运算 、算术运算、计时、计数、数据处理、传送等功能。 为了提高系统复用性、可维护性，通过对系统的需求分析，将开发系统的设计分为两部分，即编辑子系统的设计和编译子系统的设计。 PLC 编程语言有五种，其中，梯形图语言与电气控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，是最简单、最常用的编程语言，适用于顺序逻辑控制、离散量控制、定时和技术控制等操作。 因此，本系统采用梯形图编程语言作为用户程序的开发语言。 系统架构 程序框架包括主程序、数据采集模块，数据处理模块，数据分析模块，通信模块等。 各模块以子程序形式出现，主程 序实现对系统初始化和子程序的调用，然后启动事件处理循环。 程序流程图详见图 41 所示。 测量控制 将滤波后的采样值与设定的粗磨、精磨、光磨、到尺寸值进行比较，根据数据分析结果，通过脉冲输出控制信号控制步进电机驱动器，驱动步进电机，调节砂轮架的进给量和进给速度，从而达到控制工件尺寸的目的。 本课题使用 3 个信号控制磨削过程（如图 41 所示）， P P P3 分别为粗磨切换精磨信号点、精磨切换光磨信号点和到尺寸信号点。 砂轮在开始阶段快速进入粗磨阶段，当采样值达到切换点 P1 后进入精磨，达到 P2 点后从精磨进给向无 火花磨削进给切换，最后达到设定工件尺寸信号点 P3，然后延时一段时间后，砂轮架退出工位，完成一个工件的磨削过程。 图 41 磨削加工信号切换点 在对工件进行磨削加工前，首先通过触摸屏参数设定界面对系统参数进行设定，包括工件轴径、修正系数、砂轮架进给频率 等。 输入目标工件轴径值后，系统会根据不同的直径范围调用不同的磨削余量，用来确定磨削加工的信号切换点。 修正系统为 K（传感器铁芯位移与被测工件位移的传动比，此系统中为 4），取值由测量装置杠杆确定。 由于本课题采用缓进给磨削工艺，因此砂轮架纵向进给速度范围在 5~300mm/min，由公式 f=1000v/60δ，可知砂轮架进给频率范围在100Hz~5000Hz。 一般在加工同一批次工件时，相关参数只需设置一次，不用每次磨削前重复设定和更改。 然后将一个已经磨削合格的工件装夹在磨床上，通过触摸屏手动控制界面，打开气缸将测 量装置送入测量工位，并把此时传感器所测得值 D0 设定为标准值，作为以后加工工件的参考值，完成标准值设定。 关闭气缸，测量装置退出测量工位，触摸屏切换到自动运行界面。 将作为标准值的工件换下，装夹待磨削工件，准备开始在线测控工件磨削。 图 42 为测控系统磨削加工过程的程序流程图。 图 42 磨削加工过程程序流程图 人机接口通信 MODBUS 通信协议 MODBUS 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。 通过 MODBUS 协议，控制器相互之间、控制器经由网络 (如以太网 )和其它设备之间的通信得以实现。 MODBUS 通信协议采用主从式，主机发送请求 ——从机做相应动作，主机等待状态。 主机发送完查询消息后就处于等待状态，即不断检测是否接收到。