毕业设计（论文）-单片机在内圆磨床进给系统中的应用.doc

长春工业大学毕业设计（论文） I 摘摘 要要 本文介绍了一种内圆磨床进给系统自动化技术改造的实用方案。采用了经济 型数控的闭环位置控制系统，它具有开环的稳定性和接近闭环的伺服精度，是提 高经济型 CNC 机床加工精度的有效方法，控制系统的核心采用 8031 单片机，高精 度电感测微仪作为检测与反馈元件，以步进电机为控制对象，并克服了步进电机 丢步及滑步的缺点，实现了磨床纵向进给部件的自动控制。本系统集加工过程和 加工精度控制于一体，具有性能稳定、控制精度高、操作方便和便于维修等特点。 目前，我们对轴承加工设备，尤其是高精度、高效率、高可靠性的轴承磨床需求 量十分庞大。轴承，作为机械工业的基础件，其加工设备的重要性非常突出。它 包括了硬件及软件的设计。对目前在工业生产中他不仅能多减少加工工序还能有 效地减少加工的时间，于是能够大大的减少加工的成本，所以在大量使用的此类 设备中都具有很好的参考价值，而且磨床的研究一直是一个很重要的任务，随着 磨床的日益普遍化，越来越多的难题将面临在设计者和加工者的面前，我们必须 不断地改善加工设施赶上国际工业水平。因此，在我国研制性能稳定、测试精度 高的汽车发电机性能微机测试系统，是一件很有意义而又迫切的工作。 关关键键词词 ： 轴承内圆磨床 MSC-51 单片机 电感测微仪 步进电机 长春工业大学毕业设计（论文） II AbstractAbstract This paper introduces a kind of grinder in feeding system automation technology transformation of practical solutions. The economic numerical control, closedloop position control system, has the ring opening stability and close to the closed loop servo precision, is to improve the economical CNC machining precision of the effective methods to control the core of the system with 8031 single-chip microcomputer, This system sets processing process and the processing accuracy control in a body, has the stable performance, high control accuracy, easy operation and easy to maintenance etc. Characteristics. At present, we on the bearing processing equipment, especially high precision, high efficiency, high reliability of the bearing grinding machine is very huge demand. It includes hardware and software design. To present in the industrial production more than he can not only reduce the processing procedure can effectively reduce the processing time, so can reduce the cost of large processing, a generalized, more and more problems will face the designers and processors in front, we must continuously improving processing facilities catch up with international industrial level. K Ke ey y w wo or rd ds s : : Bearing internal grinder Single-chipset computer Inductor crometer Step motor 长春工业大学毕业设计（论文） III 目目 录录 第一章第一章 概概 述述.- - 1 1 - - 1.1 单片机在内圆磨床中的应用选题背景及其研究意义.- 1 - 1.2 内圆磨床在国内外的发展现状.- 1 - 1.3 本论文主要研究的内容.- 2 - 第二章第二章 系统方案的选择和论证系统方案的选择和论证.- - 4 4 - - 2.1 微机系统选择论证.- 4 - 2.2 MCS-51 系列单片机的功能比较.- 4 - 2.3 确定设计方案的可行性和正确性.- 5 - 第三章第三章 内圆磨床控制系统分析内圆磨床控制系统分析.- - 8 8 - - 3.1 磨削技术发展及加工工艺.- 8 - 3.1.1 磨床磨削技术发展历史 .- 8 - 3.1.2 磨床磨削工艺的关键技术 .- 10 - 3.2 轴承内圆磨床的特点和控制要求.- 13 - 3.3 步进电动机工作原理及其驱动控制方式.- 13 - 3.3.1 步进电动机的种类结构及其工作原理 .- 14 - 3.3.2 步进电动机的控制原理 .- 17 - 3.3.3 步进电机的串行和并行控制 .- 18 - 第四章第四章 硬件电路设计硬件电路设计.- - 2020 - - 4.1 电感式传感器及其硬件电路.- 20 - 4.1.1 电感式传感器定义及特点 .- 20 - 4.1.2 差动变压器式位移传感器工作原理 .- 20 - 4.1.3 正弦波振荡电路与稳幅环路 .- 22 - 4.2 单片机数据采集部分设计.- 23 - 4.2.1 芯片 AD574A 性能及引脚说明 .- 23 - 长春工业大学毕业设计（论文） III 4.2.2 芯片 AD574 的接口电路 .- 26 - 4.3 单片机 8031 的简介及 I/O 扩展.- 27 - 4.3.1 单片机 8031 引脚及功能和控制总线 .- 27 - 4.3.2 单片机 8031 输入输出接口 .- 29 - 4.3.3 本系统的拓展 I/O 接口芯片 .- 30 - 4.4 单片机 8031 外部扩展输入口及程序存储器扩展.- 32 - 4.4.1 地址锁存器 74LS373 和引脚 .- 33 - 4.4.2 芯片 74LS373 的工作原理.- 33 - 4.4.3 只读存储器 EPROM 的扩展方法 .- 35 - 4.5 步进电机及其驱动电路的设计.- 36 - 4.5.1 步进电机的技术参数 .- 36 - 4.5.2 步进电机专用控制芯片 PMM8713.- 36 - 4.6 键盘与显示接口电路的设计.- 38 - 4.6.1 键盘操作的接口和电路设计 .- 38 - 4.6.2 显示部分操作的接口和电路设计 .- 40 - 第五章第五章 系统抗干扰措施系统抗干扰措施.- - 4242 - - 5.1 外界环境的干扰危害和干扰源.- 42 - 5.2 抗干扰的硬件措施.- 43 - 5.3 抗干扰的软件措施.- 45 - 第六章第六章 软件部分设计软件部分设计.- - 4949 - - 结结 束束 语语.- - 5252 - - 参考文参考文献献.- - 5353 - - 附录附录 1 1：内圆磨床单片机控制程序清单：内圆磨床单片机控制程序清单 .- - 5454 - - 附录附录 2 2：内圆磨床系统硬件电路图：内圆磨床系统硬件电路图 .- - 5555 - - 长春工业大学毕业设计（论文） - 1 - 第一章第一章 概概 述述 1.11.1 单片机在内圆磨床单片机在内圆磨床中的应用选题背景及其研究意义中的应用选题背景及其研究意义 十八世纪 30 年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和机械等零件淬硬后的加 工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。这些磨床是在当时 现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的。它们结构简单，刚度低， 磨削时易产生振动，要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。1876 年 在巴黎博览会展出的美国布朗-夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代磨 床基本特征的机械。 磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。磨床能作高精度和表面粗 糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削。大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮 进行磨削加工，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、坐标磨床、无心磨床、平面磨 床、砂带磨床、导轨磨床、工具磨床、多用磨床、专用磨床等。 轴承内圆磨床主要是用于轴承套圈内径的磨削加工，随着汽车、宇航等工业的 发展，对轴承的质量特别是内径的精度提出了越来越高的要求。提高轴承质量的 关键是实现内圆磨床的高精度、高效率和数控化。国外已有专用的轴承磨床数控 产品，不仅功能齐全,精度和效率高,而且实现了柔性化、自适应控制。我国目前 还没有轴承内圆磨床专用的数控产品，普遍采用电感测量仪、可编程控制器(PLC)、 步进电机控制仪和步进电机驱动器 4 个分立的产品组合来实现内圆磨床的测控功 能，不仅测控精度低，成本高，而且效率低，根本无法有效解决严重影响加工效 率的快速趋进问题，满足不了实际生产的需要。而引进国外的数控系统又存在价 格昂贵，功能得不到充分利用，造成资源浪费的问题。 作为现代制造技术之一，磨床在现代制造领域中占有重要地位。1900 年前后， 人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代 长春工业大学毕业设计（论文） - 2 - 工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。自动测量装置于 1908 年开始应用到磨床上。到了 1920 年前后，无心磨床、双端面磨床、辊磨床、 导轨磨床，研磨机和超精加工机床等相继制成使用；50 年代又出现了可作镜面磨 削的高精度外圆磨床；60 年代末又出现了砂轮线速度达 6080m/s 的高速磨床和 大切深、缓进给磨削平面磨床；70 年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等 技术在磨床上得到了广泛的应用。微处理机的数字控制使磨床的磨削速度具有一 致的信号，可以按照指令信号进刀，方便快捷，从程序上就可以控制整个操作流 程，具有多功能，高性能，高速度，低功耗的优点。 数控磨床可以实现多品种的中、小批量生产自动化，可以提高生产效率，减 少成本，提高加工精度。自动测量反馈和数字显示装置的应用提高了机床自动化 程度，节省了辅助时间，减少劳动强度。磨床是金属切削行业的一个重要分支， 随着工业的发展，对机械零件的加工精度及表面粗糙度的要求日益提高，磨削加 工显得更加重要。尤其在汽车、电力、船舶、冶金、军工、航空航天等行业，数 控磨床发挥着越来越大的作用。 1.21.2 内圆磨床内圆磨床在国内外的发展现状在国内外的发展现状 目前在机床在线检测方面做的比较出色的是意大利的 MARPOSS 公司和日本东 京精密。MARPOSS 的产品包括了一系列标准装置，并且可以按照客户要求专门设 计。其中在磨床主动测量装置方面，它优化了磨削过程，在磨削过程中对工件进 行连续测量，机床进给可以根据磨削余量进行调节，而且能最大程度地降低外部 环境(温度变化、冷启动等)对加工的影响，从而进一步保证了磨削精度。一般的 磨加工，重复误差可小于 0.2 微米，尺寸分散性控制在 3 微米内；高精度磨加工， 重复误差小于 0.1 微米，尺寸分散性控制在 1 微米以内。日本的东京精密的磨加 工主动测量仪的线性范围为-200+500m，重复性为 0.8m /30 次，零位漂移 为 0.8m /24 小时，配备适当的电子测量控制仪，可以实现多通道同时并行处理， 具备连续、断续测量等功能。 目前国内从事该领域研究的厂家不多，成本较高。同时，国内的需求比较大， 国内的机床厂家，为了提高机床的加工精度，需要在机床上配备在线测量装置； 长春工业大学毕业设计（论文） - 3 - 另外在对现有普通磨床进行数控技术改造时，也需要添加在线检测系统，所以进 行磨床在线检测系统的研究与开发具有相当的必要性。 我国拥有大量的普通磨床，急需性能优良、价格低廉的数控系统与之配套， 为了满足这些要求，因此设计了以 MCS-51 系列单片机为核心，以步进电机为控制 对象，利用接触式高精度微位移测量仪器电感式测微仪作为数据采集传感器的 轴承内圆磨床磨削过程的实时控制系统。 1.31.3 本论文主要研究的内容本论文主要研究的内容 磨床是以砂轮周边或端面对工件进行磨削加工的精密机床。它不但能加工一 般金属材料，而且还能加工一般金属刀具难以加工的硬材料。利用磨削加工可以 获得较高加工精度和光洁度，而且其加工裕量较其他加工方法小得多，所以磨床 广泛地应用于零件的精加工。它也是以磨具（如砂轮、轮带、油石、研磨剂等） 作为工具进行切削加工的机床，可加工各种表面（如内圆柱面和圆锥面、平面、 螺旋面） ，还可以进行切断等。 1内圆磨床的主要特点： （1） 、机床采用可编程序控制器控制自动循环，稳定可靠，并具有故障自诊 断能力，操作方便、效率高。 （2） 、采用切入式磨削工艺，双磁极电磁无心夹具及宽支点圆弧支承，工件 定位稳定可靠，可调性好。 （3） 、机床的工作台导轨采用平-V 型贴塑导轨，吸振性好，承载能力高，摩 擦系数小。进给导轨采用双 V 型高精度滚动导轨，直镶条螺钉预紧具有摩擦阻力 小，承载能力强，运动精度高，刚性好的特点。 （4） 、机床进给采用步进电机通过谐波减速器带动滚珠丝杠螺母实现进给运 动，进给和补偿为同一运动链，结构紧凑，整体化。 （5） 、机床采用大功率电机拖动砂轮轴，砂轮线速度为 50m/s,刚性好。 （6） 、机床配用前叉式仪表双点测量，仪表架由油缸驱动，两根导向杆导向， 结构紧凑，调整方便。 （7） 、机床动作采用多个电磁阀分别控制，在手动调整工作状态时，机床各 长春工业大学毕业设计（论文） - 4 - 动作均可单动，因此机床的调整的检查排除故障相当方便。 （8） 、机床液压系统采用 CB-B40 齿轮泵，油箱与床身分离，液压电磁阀都 安装在油箱上，便于调整维修。 （9） 、机床冷却系统配有大流量高压冷却泵，冷却水量大，冷却充分。 （10） 、机床采用可卸式全封闭罩壳，装拆方便，便于维修机床。 2主要应用领域 （1） 开关量逻辑控制， （2） 单片机运动控制 （3） 闭环过程控制 （4） 数据处理 （5） 通信联网 3单片机在内圆磨床中的应用 单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理 能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、 定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换 器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系 统，在工业控制领域的广泛应用。 在内圆磨床中要实现自动化控制必须用上单片机的功能，系统在单片机设计 好的程序下安全的运行，从而提高效率，减少成本，真正实现机电一体化运作系 统。 用单片机控制磨刀电机、磨床小车电机和主轴电机的速度和位置，实现管道磨削 的自动控制，要能根据工艺要求实现对磨削厚度的设定。电机采用三相笼型异步 电动机，其中主轴电机由变频器控制正/反转和旋转速度，旋转速度从 0 到额定转 速之间可调，用电位器调节；磨刀电机只控制电机的起动和停止，只能单方向旋 转，不用调速；磨刀进给电机由变频器控制，具有快进、快退、慢进、慢退四种 速度。 长春工业大学毕业设计（论文） - 5 - 第二章第二章 系统方案的选择和论证系统方案的选择和论证 2.12.1 微机系统选择论证微机系统选择论证 单片机应用系统是一个工业测控系统，从这一观点出发，单片机应用于系统 工程应满足下列要求： （1）控制接口。这只与测控接口及测控功能电路配置和要求与测控对象密切 相关。 （2）必须适应现场环境要求。计算机系统及接口电路设计、配置必须考虑到 应用系统安放环境要求。 （3）数据的显示。采用两个四位一体的 LED 数码管，前四位显示磨刀进给 的实际行程，后四位显示当前的进刀次数和每次的实际进刀量。进刀次数和进刀 量之间采用-作为间隔符。为了减少驱动电路，采用动态扫描的方法显示。 由于 8031 的 I/O 口数量有限，所以外扩一片 8255 芯片来扩展 I/O 接口。利 用外扩的 8255 I/O 口驱动显示电路。由于在系统设计中按键比较多，因此采用行 列矩阵式键盘，这样就可以减少键盘与单片机接口时所占用的 I/O 口线的数目。 利用这种行列矩阵式需要 N 个行线和 M 个列线，即可组成 MN 个按键的键盘。 采用单片机 C51 语言,在 Keil Vision 4 软件环境下进行程序的编写和调试， 采用 Protel 软件进行磨床系统的仿真，并观察仿真结果。 长春工业大学毕业设计（论文） - 6 - 2.22.2 MCS-51MCS-51 系列单片机的功能比较系列单片机的功能比较 INTEL 公司推出的 MCS48 系列单片机，被称为第一代单片机。由于 8048 硬 件结构相对简单，寻址能力也较弱，仅适用于一些简单实时控制场合。 MCS51 系列单片机，称为第二代单片机与 8048 相比，51 系列的硬件结构和 指令系统均有很大改进，支持更大存储空间，很强的外部扩展功能，速度提高了 2-5 倍，可完成布尔运算等。目前 8051 已成为第二代工业标准单片机。 近年来，又出现了十六位单片机，即 MCS96 系列。8096，8098 是先进的十 六位“片上计算机” ，芯片内含有 12000 个发光晶体管，速度快，集成度高，适合 于 I/O 端口密集场合的复杂实时控制，但设计过程较复杂，价格较高。下面就以 上三种单片机的各部分进行比较。 （1）三种系列 CPU 比较 MCS48：8 位 CPU，累加器为算术逻辑运算中心，2 级工作寄存器，累加器 可 以寻址，定时，控制，条件分支测试逻辑，时钟速 1-11MHZ。MCS51：8 位 CPU，累加器为算术逻辑运算中心，4 级工作寄存器，B 寄存器，具有寻址 64KB 数 据存储器的位，DPTR 寄存器定时，控制逻辑，时钟速度 1-12MHZ。 MCS96：16 位 CPU 相当于一个“累加器” ，内部寄存器阵列可进位操作，硬 件实现乘除法，检测软硬件故障的定时器，定时与控制逻辑，时钟速率为 1- 12MHZ。 （2）三种系列 I/O 端口及中断比较 MCS48：2 个 8 位并行口，1 个位定时器/计数器，2 路 8 位 A/D 转换器。单 级中断，两个中断器。 MCS 51：4 个 8 位并行口，1 个全双工串行口，2 个 16 位定时器/计数器。 它是二级中断，5 个中断源。 MCS96：5 个 8 位并行口，1 个全双工串行口，2 个 16 位定时器/计数器，8 路十位 A/D 转换器。它是可编程级中断逻辑，20 个中断源。 根据上述，MCS51 系列单片机在 I/O 端口功能、种类、数量及系统扩展和 CPU 处理上都有较高的性能。MCS51 系列可行性好，易扩展，控制功能强，可谓 长春工业大学毕业设计（论文） - 7 - 是性能价格比最佳的八位单片机，特别适合我国国情。 因此，本设计采用 MCS51 系列单片机，根据设计要求，选取 MCS51 系列 的 8031 作为实际的单片机控制。 2.32.3 确定设计方案确定设计方案的可行性和正确性的可行性和正确性 根据设计的具体内容，本设计选 MCS51 系列单片机，因为 51 系列单片机有 很强的外部扩展功能，外围扩展电路和扩展方法较典型规范，用户很容易通过标 准扩展电路来构成较大规模的应用系统。 本设计采用 8031 芯片，因为 8031 芯片内无程序存储器的供应芯片，其应用 系统必须在片外扩展 EPROM。外接程序存储器的地址线 A8-A15 由 P2 口提供，A0- A7 由 P0 口通过地址锁存器提供，根据需要 EPROM 应尽量选择比较大的内存。本 设计采用 27128 芯片。如果选择的型号不能满足使用环境的要求，会造成工作不 可靠甚 至不能工作。程序存储器扩展电路芯片除必须有 EPROM 芯片外，还必须有锁存器 芯片。因为 P0 口是数据总线口，通过 P0 口扩展 I/O 口时，P0 口只能分时使用， 故输出时接口电路应有锁存器。 锁存器种类很多，但只有 74LS373 和 8282 的锁存器控制端 G 和 STB 可直接与 单片机的锁存控制信号端 ALE 相连，在 ALE 下降沿进行锁存。通过 I/O 扩展芯片 主要有 INTEL 公司的 8255，8155。由于 MCS51 单片机属于 INTEL 系列，故用 INTEL I/O 扩展芯片及接口电路最为简捷可靠。8255 在 MCS51 单片机应用系统 中广泛应用于连接外部设备。本系统采用 8255 芯片扩展。系统的方框图如图 2-1 所示 单片机控制系统步进电机及驱动器内圆磨床 电感测量系统 长春工业大学毕业设计（论文） - 8 - 图 2-1 系统方框图 又根据轴承套圈内径磨削工艺及其参数要求，综合整机控制信号以及控制系 统内部信号，判断对步进电机频率和运行步数，确定本系统采用下图的顺序对步 进电机进给顺序进行控制。 图 2-2 工步顺序控制图 0 t 粗磨信号 粗磨完 微退 光磨 精磨 精擦结束 微退 精光磨 微量进给 尺寸到 快退 长春工业大学毕业设计（论文） - 9 - 第三章第三章 内圆磨床控制系统分析内圆磨床控制系统分析 3.13.1 磨削技术发展及加工工艺磨削技术发展及加工工艺 3.1.13.1.1 磨床磨削技术发展磨床磨削技术发展历史历史 一般来讲,按砂轮线速度 Vs 的高低将磨削分为普通磨削(Vs45m/s)、高速磨 削(45Vs150m/s)、超高速磨削(Vs150m/s)。按磨削精度将磨削分为普通磨削、 精密磨削(加工精度 1m0.1m、表面粗糙度 Ra0.2m0.1m)、超精密磨削 (加工精度0.1m、表面粗糙度 Ra0.025m)。按磨削效率将磨削分为普通磨 削、高效磨削。高效磨削包括高速磨削、超高速磨削、缓进给磨削、高效深切磨 削(HEDG)、砂带磨削、快速短行程磨削、高速重负荷磨削。高速高效磨削、超高 速磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展很快,如德国的 Aachen 大学、 Bremm 大学、美国的 Connecticut 大学等，有的在实验室完成了 Vs 为 250m/s、350m/s、400m/s 的实验。据报道，德国 Aachen 大学正在进行目标为 500m/s 的磨削实验研究。在实用磨削方面,日本已有 Vs=200m/s 的磨床在工业中 应用。 长春工业大学毕业设计（论文） - 10 - 我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史，如湖南大学在 70 年代末期便 进行了 80m/s、120m/s 的磨削工艺实验；前几年，某大学也计划开展 250m/s 的磨 削研究(但至今尚未见到这方面的报道，所以说有些高速磨削技术还只是实验而已， 尚未走出实验室，技术还远没有成熟，特别是超高速磨削的研究还开展得很少。 在实际应用中，砂轮线速度 Vs 一般还是 4560m/s。 国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深 磨削的研究，以获得亚微米级的尺寸精度。微细磨料磨削，用于超精密镜面磨削 的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均直径可小至 4m。日本用激光在研磨过的人 造单晶金刚石上切出大量等高性一致的微小切刃，对硬脆材料进行精密磨削加工， 效果 很好。超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要用于磨削难加工材料，精度可达 0.025m。日本开发了电解在线修整(ELID)超精密镜面磨削技术，使得用超细微 (或超微粉)超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料的高精度、高效率的超 精密磨削。作平面研磨运动的双端面精密磨削技术，其加工精度、切除率都比研 磨高得多，且可获得很高的平面度。电泳磨削技术也是一种新的超精密及纳米磨 削技术。 随着磨削技术的发展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例。据 1997 年欧 洲机床展览会(EMO)的调查数据表明，25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的 加工技术，车削只占 23%，钻削占 22%，其它占 8%；而磨床在企业中占机床的比 例高达 42%，车床占 23%，铣床占 22%，钻床占 14%。我国从 19491998 年，开发 生产的通用磨床有 1800 多种，专用磨床有几百种，磨床的拥有量占金属切削机床 总拥有量的 13%左右。可见，磨削技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位 置。 为什么磨削技术会不断地发展？主要原因如下： (1)加工精度高 由于磨削具有其它加工方法无法比拟的特点，如砂轮上参与 切削的磨粒多，切削刃多且几何形状不同；仅在较小的局部产生加工应力；磨具 对断续切削、工件硬度的变化不很敏感；砂轮可实现在线修锐等，因而可使加工 件获得很高的加工精度。 (2)加工效率高 如缓进给深磨，一次磨削深度可达到 025mm；如将砂轮修 整成所需形状，一次便可磨出所需的工件形状。而当 Vs 进一步提高后，其加工效 长春工业大学毕业设计（论文） - 11 - 率则更高。 (3)工程材料不断发展 许多材料(如陶瓷材料、玻璃材料等)在工业中的应用 不断扩大，有些材料只能采用磨削加工，需要有新的磨削技术及磨削工艺与之相 适应。 (4)新的磨料磨具 如人造金刚石砂轮、CBN 砂轮的出现，扩大了磨削加工的 应用范围。 (5)相关技术的发展 如砂轮制造技术、控制技术、运动部件的驱动技术、支 撑技术等，促进了磨削技术及磨削装备的发展。 总之，磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要的作用。目前，磨削 技术的发展趋势是：发展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、高速高效磨削 机理并开发其新的磨削工艺技术，研制高精度、高刚性的自动化磨床。 3.1.23.1.2 磨床磨削工艺的关键技术磨床磨削工艺的关键技术 就磨削而言，特别就高速高效磨削、精密及超精密磨削而言，其涉及的内容 广泛，不仅包括磨削本身的技术，也集中了其它相关的技术。关键技术介绍如下： (1)磨削机理及磨削工艺的研究 通过对磨削机理和磨削工艺的研究，揭示各种磨削过程、磨削现象的本质， 找出其变化规律。例如，磨削力、磨削功率、磨削热及磨削温度的分布、切屑的 形成过程、磨削烧伤、磨削表面完整性等的影响因素和条件；不同工件材料(特别 是难加工材料和特殊功能材料)和磨削条件的最佳磨削参数；磨具的磨损，新型磨 具材料的磨削性能等，只有通过磨削机理和磨削工艺的研究，才能确定最佳的磨 削范围，获取最佳的磨削参数。 对普通磨削而言，在磨削机理和磨削工艺方面已开展了广泛而深入的研究。 在精密及超精密磨削、高速高效磨削的磨削机理和磨削工艺方面，针对不同的工 程材料(如陶瓷和玻璃)国内外开展了一些研究，但还很不全面，尚未形成完整的 理论体系，还需进行广泛的研究，找出其内在的规律。 (2)高速、高精度主轴单元制造技术 主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架几个部分，它影响着加工系统 长春工业大学毕业设计（论文） - 12 - 的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速高效磨削、精密超精 密磨削起着关键的作用。 提高砂轮线速度主要是提高砂轮主轴的转速，特别是在砂轮直径受到限制的 场合(如内圆磨削)。因而，适应于高精度、高速及超高速磨床的主轴单元是磨床 的关键部件。而对于高速高精度主轴单元系统，应该是刚性好，回转精度高，运 转时温 升小、稳定性好、可靠，功耗低，寿命长，同时成本也应适中。要满足这些要求， 主轴的制造及动平衡，主轴的支撑(轴承)，主轴系统的润滑和冷却，系统的刚性 等是很重要的。 国外主轴单元技术的发展很快，有些公司专门提供各种功能的主轴单元部件， 这种主轴单元部件可以方便地配置到加工中心、超高速切削机床上。近年来高速 和超高速磨床越来越多地用电主轴作为其主轴单元部件，如美国福特公司和 In- gersoll 公司推出的加工中心，其主轴单元就是用的电主轴，其功率为 65kW， 最高转速达 15000r/min，电机的响应时间很短；在 EMO97 上，电主轴是机床制造 技术中最热门的功能部件，参展商达 36 家；美国 Landis 公司的超高速曲轴、凸 轮轴磨床的砂轮主轴，也都用电主轴。 目前，国内主轴单元的速度大约在 10000r/min 以下，且其精度、刚性及稳定 性有待考验和提高，同时缺乏高速、高精度、大功率的主轴单元(电主轴)。需要 进一步研究的重点如下：1，大功率、高转速和高精度的驱动系统的研究与开发； 2，高刚性、高精度、高转速重负荷的轴承或支承件的研究与开发；3，高速、高 刚性、高精度的砂轮主轴和工件头架主轴的制造技术。 (3)精密、高速进给单元制造技术 进给单元包括伺服驱动部件，滚动单元，位置监测单元等。进给单元是使砂 轮保持正常工作的必要条件,也是评价高速、高效及超高速磨床性能的重要指标之 一。因此，要求进给单元运转灵活，分辨率高，定位精度高，没有爬行，有较大 的移动范围(既要适合空行程时的快进给，又要适应加工时的小进给或者微进给)， 既要有较大的加速度，又要有足够大的推力，刚性高，动态响应快，定位精度好。 (4)砂轮制造及其新技术 随着工程材料的发展及其应用，CBN 砂轮和人造金刚石砂轮的应用越来越广 长春工业大学毕业设计（论文） - 13 - 泛。而砂轮的许用线速度也要求较高，一般在 80m/s 以上，单层电镀 CBN 砂轮的 线速度可达 250m/s，发展超高速磨削也需要 150m/s 以上的砂轮，但国内 80120m/s 的 CBN 砂轮仍在研制之中。 此外，砂轮的设计，其截面形状的优化、粘结剂的结合强度及其适用性、砂 轮基体的材料、砂轮的制造技术(特别是对微细磨料磨具的制造技术)等都是非常 重要 的，仍需对一些关键技术进行攻关：1，砂轮基体材料及制造技术的开发、设计及 其优化；2，砂轮新型粘结剂(特别是适用于制造微细磨料磨具的粘结剂)的研究； 3，新型磨料的制备工艺，如可使磨料容易产生新的切削刃；4，新型砂轮的制造 工艺，既要使砂轮具有足够的容屑空间，也要有更好的凸出性；5，适合于超精密 磨削的超微粉砂轮的制备技术。 (5)机床支承技术及辅助单元技术 机床支承技术主要是指机床的支承构件的设计及制造技术。辅助单元技术包 括快速工件装夹技术，高效冷却润滑液过滤系统、机床安全装置、切屑处理及工 件清 洁技术、主轴及砂轮的动平衡技术等。 磨床支承构件是砂轮架、头架、尾架、工作台等部件的支撑基础件。要求它 有良好的静刚度、动刚度及热刚度。对于一些精密、超高速磨床，国内外都有采 用聚合物混凝土(人造花岗岩)来制造床身和立柱的，也有的将立柱和底座采用铸 铁整体铸造而成，还有采用钢板焊接件，并将阻尼材料填充其内腔以提高其抗震 性，这些都收到了很好的效果。 (6)砂轮在线修整技术 在磨削过程中，砂轮由于磨钝和磨损，需要进行及时修整，特别是对超细磨 料砂轮而言，更需频繁修整。普通砂轮修整比较容易；人造金刚石砂轮和 CBN 砂 轮的修整(特别是在线修整)是个难题。超硬磨料砂轮的修圆及磨料开刃是两个很 重要的问题。目前，国内一些学者正在研究激光修整砂轮和电解修整砂轮，以期 解决高效实用的修整问题。重要的关键问题有二：1，新的、高效实用的砂轮修整 技术及其装置；2，砂轮在线修整技术。 (7)磨削过程的检测控制技术 磨削过程的检测与控制，主要是通过传感器、分析及信号处理，对磨削过程 长春工业大学毕业设计（论文） - 14 - 进行实时监控，例如对砂轮的磨损及破损情况进行监测和控制，对工件的尺寸、 形状与位置精度和加工表面质量进行监控。这需要研究新的实用的传感器、检测 与监控方法。 国内也开发了一些非接触式测量传感器及磨削过程的在线监测、监控技术等， 但与国外差距很大。国内应以实用化为目标，进行相关测试技术的研究，研究精 度 高、可靠性好、实用性强的测试技术与设备。同时，加强对砂轮磨损及破损、砂 轮修整状态，工件的加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究,开展自适 应控制及智能控制的研究。 (8)磨削过程的仿真与虚拟 随着计算机技术及模拟技术的发展，利用计算机进行磨削基本参数及磨削工 艺的仿真是一个重要的研究课题。利用计算机仿真，可以模拟磨削过程，并能分 析和预测不同条件下磨削效果和磨床的性能，但仿真必须建立在有充分实验数据 的基础之上。目前能使用砂轮模型对砂轮进行仿真，能对磨屑形成过程、能量转 换、磨削力变化、磨削区温度、磨削精度和磨削表面质量进行仿真，还开发了分 析和仿真磨 削过程的软件工具。虚拟磨床是虚拟制造技术中的一个新的研究领域，可以建立 一个逼真的虚拟磨削环境。 3.23.2 轴承内圆磨床的特点和控制要求轴承内圆磨床的特点和控制要求 轴承内圆磨床多是全自动的专用机床，由于磨削加工的特殊情况，决定了它 具有如下的特点和控制要求： (1)加工过程复杂。这类机床加工一个工件，一般要经过上料、上磁、测爪收 缩、仪表引进工件、测爪张开、磨架引进、床光跳进、快进给、粗磨、修整砂轮、 精磨、头磨和补偿等一系列的工序，要求采集十几个开关量的状态，控制十多个 电磁阀，所以是一个复杂的程控过程。 (2)加工精度高。众所周知，磨床是精加工设备，特别是对轴承内径的磨削， 尺寸偏差一般要求控制在微米的量级，而磨削过程中砂轮损耗很大，目前还只能 采用对工件直接测量的方法来控制。此外，加工过程中工件尺寸受温度等诸多因 长春工业大学毕业设计（论文） - 15 - 素的影响，对尺寸的检测和控制提出了更高的要求，所以是高精度的一维数控系 统。 (3)工作条件恶劣。仅就一台轴承内圆磨床而言，就有中频砂轮电机、工件电 机、油泵电机、冷却水电机以及磁卡盘等强电设备，加上周围大设备的启停，形 成很强的电磁干扰；另外，磨削要加大量冷却液，使车间湿度很大，加之磨削过 程产生的金属粉尘，对计算机和电子线路都将造成很大的威胁，所以要求控制系 统有很 高的可靠性和可维修性。 3.33.3 步进电动机工作原理及其驱动控制方式步进电动机工作原理及其驱动控制方式 开环位置伺服系统亦叫步进式伺服系统，其驱动元件为步进电动机。功率步 进电动机盛行于 20 世纪 70 年代，且控制系统的结构最简单，控制最容易，维修 最方便，控制为全数字化，这完全符合数字化控制技术的要求。数控系统与步进 电动机的驱动控制电路结为一体。 随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，从而简化了系统结构，降低 成本，提高了系统的可靠性。而步进电动机的耗能太多，速度也不高。日前的步 进电动机在脉冲当量为时，最高移动速度仅有 2mmMin，且功率越大，移1 m 动速度越低，主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造中。 3.3.13.3.1 步进电动机的种类结构及其工作原理步进电动机的种类结构及其工作原理 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角 位移的执行器。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通 过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。步进电动机每转一周都有固定的步数， 从理论上说其步距误差不会积累。步进电动机的最大缺点在于其容易失步。特别 是在大负载和速度较高的情况下，失步更容易发生。 但是，近年来发展起来的恒流斩波驱动、PWM 驱动、微步驱动、超微步驱动 长春工业大学毕业设计（论文） - 16 - 及其它们的综合运用，使得步进电机的高频出力得到很大提高，低频振荡得到显 著改善，特别是在随着智能超微步驱动技术的发展，必将把步进电机性能提高到 一个新的水平。它将以极佳的性能价格比，获得更为广泛的应用，在许多领域将 取代直流伺服电机及其相应伺服系统。 目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动，一般采用开环的控 制结构。也有的采用步进电动机驱动的数控机床同时采用了位置检测元件，构成 了反馈补偿型的驱动控制结构。用于数控机床驱动的步进电动机主要有两类：反 应式步进电动机和混合式步进电动机，反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动 机。 图 3-1 为三相反应式步进电机的工作原理图，其定子上有六个极，每个极上 装有控制绕组，每相对的两极组成一相。转子上有四个均匀分布的齿，其上没有 绕组，当 A 相控制绕组通电时，转子在磁场力的作用下与定子齿对齐，即转子齿 1、3 和定子齿 A、A对齐，如图 3-1（a）所示。若切断 A 相，同时接通 B 相， 在磁场力作用下转子转过，转子齿 2、4 和定子齿 B、B对齐，如图 3-30 1（b）所示，转子转过一个步距角。如再使 B 相断电，同时 C 相控制绕组通电， 转子又转过 ，使转子齿 1、3 和定子齿 C、C对齐，如图 3-1（c）所示。如30 此循环往复，并按 ABCA 顺序通电，步进电机按一定方向转动。电机的转 速取决于控 制绕组接通和断开的变