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东北大学硕士学位论文 摘要 基于加速度传感器的磨削接触检测技术的研究 摘要 在自动化磨削加工过程中，能够及时准确地识别出砂轮与工件的接近、接触状态 信息显得尤为重要，它不仅避免了加工过程中事故的发生，也是提高生产效率的有力 保障。特别是在精密磨削和自动化磨削加工中更为重要。为了实现自动磨削加工，适 应自动化生产的需要，本文通过磨削接触检测技术的研究，综合了单片机控制技术及 半导体传感技术，初步开发了基于加速度传感器的磨削接触在线检测系统。 本文对目前砂轮接触在线检测的各种方法进行了分析与探讨。通过分析磨削机 理、机床的振动特性，并以此为理论依据，提出了利用振动信号对砂轮接触状态进行 在线检测的方法并以采用信号的均方根值作为检测的特征参量。 本文在理论研究的基础上，进行了磨削接触检测装置的开发。检测系统采用压电 式加速度传感器检测振动信号，设计了以c y g n a l 的c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机为核心的检测 系统硬件及其各种接口电路。 根据检测各种功能要求，确定了系统任务和功能模块，采用先进的软件设计思想， 对各功能模块进行了软件开发。包括接近、接触的状态识别、磨削过程控制信号输出、 人机交互功能的实现、故障诊断和报警等。 本文为验证检测方案的可行性，在针尖磨床上，采用加速度传感器，利用h p 3 5 6 6 a 信号测试分析仪进行了磨削接触检测实验。实验表明了采用加速度传感器检测振动信 号，可以识别砂轮与工件间接近和接触的状态。 通过对全套磨削接触检测系统的软件模拟调试为以后开发可实际应用于生产现 场的砂轮接触在线检测系统奠定了坚实的基础。本文也为磨削接触在线检测提供了又 一糟途径。 关键词：磨削接触检测；振动；自动磨削；单片机 一一 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo fg r i n d i n gw h e e lc o n t a c t d e t e c t i o no na c c e l e r a t i o ns e n s o r a b s t r a c t i na u t o m a t e dg r i n d i n gp r o c e s s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oi d e n t i f yt h ea p p r o a c h i n go r c o n t a c to ft h ew h e e la n dt h ew o r k p i e c er a p i d l ya n da c c u r a t e l y ，n o to n l ya v o i da c c i d e n t b u ta l s oi n c r e a s et h ep r o d u c t i v i t yo fg r i n d i n g ，e s p e c i a l l y ，i na c c u r a t eg r i n d i n ga n d a u t o m a t e dg r i n d i n g t or e a l i z ea m o m a t e dg r i n d i n gp r o c e s sa n ds a t i s f yd e m a n do f a u t o m a t e dp r o d u c i n g ，t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e sg r i n d i n gc o n t a c td e t e c t i n g t e c h n o l o g y ，w h i c hi s t h ec o m b i n a t i o no fs e m i c o n d u c t o rs e n s et e c h n o l o g ya n d s i n g l e c h i pc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y ，a n dd e v e l o p sg r i n d i n gc o n t a c td e t e c t i o ns y s t e mo n a c c e l e r a t i o ns e n s o r t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e sa n dd i s c u s s e sag r e a tm a n yc u r r e n tm e t h o d so fg r i n d i n g c o n t a c td e t e c t i n g v i aa n a l y z i n gg r i n d i n gm e c h a n i s m ，g r i n d i n gm a c h i n ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，a c c o r d i n gt ot h e s et h e o r y ，b r i n gf o r w a r dm a k i n gu s eo fv i b r a t i o n s i g n a lt o d e t e c tg r i n d i n gc o n t a c ts t a t ea n da d o p t sr m so fs i g n a la sc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，g r i n d i n gc o n t a c td e t e c t i n ge q u i p m e n ti s d e v e l o p e d d e t e c t i o ns y s t e m a d o p t sp i e z o e l e c t r i c a la c c e l e r a t i o n s e n s o rd e t e c t i n g v i b r a t i o ns i g n a l ，w h o s eh a r d w a r ei sb a s e do nt h ec y g n a lc 8 0 51f 0 6 0s i n g l e c h i p ，a n d s e v e r a li n t e r f e r e sa r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n td e t e c t i n gf u n c t i o n ，s y s t e mt a s ka n df u n c t i o nm o d u l ea r e d e c i d e d ，a d v a n c e ds o f t w a r ed e s i g ni d e ai sa d o p t e da n dd e v e l o p sf u n c t i o nm o d u l e p r o g r a m ，i n c l u d i n ga p p r o a c h i n g ，c o n t a c t s t a t e i d e n t i f y i n g ，g r i n d i n gp r o c e s s c o n t r o l l i n gs i g n a lo u t p u t ，m a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o n ，e r r o rd i a g n o s i n ga n da l a r ma n d s oo n t ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fd e t e c t i o ns c h e m e ，o nn e e d l eg r i n d i n gm a c h i n e ， g r i n d i n g c o n t a c t d e t e c t i n ge x p e r i m e n t i sd o n ew h i c hu t i l i z e sh p 35 6 6 as i g n a l a n a l y z i n ge q u i p m e n tw i t ha c c e l e r a t i o ns e n s o r e x p e r i m e n tt e s t i f i e sa p p r o a c h i n go r c o n t a c ts t a t e sc a nb ei d e n t i f i e db e t w e e ng r i n d i n gw h e e la n dw o r k p i e c ew i t h a c c e l e r a t i o ns e n s o rd e t e c t i n gv i b r a t i o ns i g n a l t h r o u g hs o f t w a r es i m u l a t i n gd e b u g g i n go fw h o l eg r i n d i n gc o n t a c td e t e c t i n g s y s t e m ，s t e a d yb a s i ci s e s t a b l i s h e dt ou n b o r np r a c t i c a l g r i n d i n g w h e e lc o n t a c t 一i 东北大学硕士学位论文 d e t e c t i n gs y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h ed i s s e r t a t i o na l s os u p p l i e sa n o t h e rm e t h o d k e y w o r d s ：g r i n d i n gc o n t a c td e t e c t i n g ；v i b r a t i o n ；a u t o m a t e dg r i n d i n g ；s i n g l e c h i p 一一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期：7 一z 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 伊秒7 东北大学硕士学位论文 第一章综述 第一章综述 1 1 砂轮磨削接触检测研究的目的和意义 磨削是一种比较流行的获得高尺寸、形状，表面精度的一种加工方式，这种 加工的特点就是低进给率和较长的非磨削时间【l9 1 。外部的影响因素包括砂轮平衡 和修整操作等。另一方面，内部的因素有空程磨削时间和无火花磨削时间。由于 非磨削时间直接影响到生产率，所以有必要采取一些监控手段来减少低效率因素。 本文就是基于检测手段来进行研究的，希望在工件进给过程中，识别出砂轮 与工件的接近、接触状态来控制磨削加工过程的自动化。从8 0 年代以来，砂轮的 过程监视与控制技术和装置的研究与开发受到各国的重视。 1 2 砂轮磨削接触检测方法综述 在磨削加工系统中，及时雨准确地自动检测砂轮与工件的接触位置是必不可 少的。为了进一步适应自动化加工的要求，需要研制磨削接触检测精度高的新型 实时检测系统。在磨削过程中由于砂轮和工件的相对运动和接触加工，必然产生 声、光、热、力、振动等各种物理现象，这些物理现象都在一定程度上包含有磨 削状态的信息。传统的砂轮与工件接触监视与控制是由操作者根据实时获取的视 觉、听觉或手感觉信息，手动完成砂轮横向快迸给到工作进给( 简称工进) 的转 换，或由横向进给装鬣、开环控制系统实现这一转换。前者主要依赖于操作者的 经验和技艺，后者靠预置提前量，即在砂轮与工件真实接触前留出一段工进的空 程。实践证明，减少或消除这一空程可以提高磨削生产率l o 一3 0 。同时，若 能实时检出砂轮一工件的接触信息，还可以降低加工成本，保障机床设备、工件和 操作者的安全，实现磨削循环自动控制和走刀次数的自动分配。 通过搜集国内外在砂轮与工件接触检测方面的资料，主要分为以下几种检测 方法： ( 1 ) 火花法【5 】：当砂轮和工件刚一接触时，就开始出现火花，在光信号的作 用下，光电传感器的内阻急剧地减小，此时通过变速指令，使工件从快速趋近转 变为工作进给速度。但是这种装置的工作可靠性并不高，这与切削区内存在冷却 液、砂泥等因素有关。为了防止光电切入装置失效时发生事故，必须在磨床的控 制电路中再配置一种备用切入装置，这样一来使整套系统较为罗嗦，并且精度很 低。 ( 2 ) 力力矩、电机电流功率法：通过检测磨削加工时产生的力力矩、电机 】 东北大学硕士学位论文 第一章综述 电流功率的等信号作为判别砂轮与工件接触的依据。这些方法在一定的条件下可 应用实际，但在精密磨削场合下往往不能胜任。电机电流功率检测法和力力矩 检测法的主要问题是灵敏度低、反应滞后，不精确。首先精密磨削时力矩小，在 对刀时，微量接触力矩甚至可以小到电机空载力矩的o 0 1 以下，相比之下由于 电网电压变化和冷却液的使用引起的误信号却要大的多，因此这种低劣信噪比决 定了该方案不可能具备高的灵敏度和准确度。再者由于电机转枢，砂轮和皮带轮 的转动惯量将引起信号有较大的滞后，从过程上讲，微量磨削力矩必须首先克服 转动惯量引起的角加速度后，才能使电流发生变化，由于惯量大，力矩小，因此 角加速度较小，滞后时间就不容易忽视。因此在精密磨削加工的场合很少采用这 种方法。 ( 3 ) 利用a e 传感器检测工件砂轮接触信息，进行无工进空程磨削。砂轮 接触在线直接检测的方法目前最流行应用最多的是a e 声发射法，声发射是固体 材料由结构变化引起应变能的快速释放而产生弹性波的一种物理现象。金属材料 的声发射是一种瞬态高频弹性应力波( 1 0 0 k h z 1 m h z ) 。近1 0 余年的研究和应用 实践证明，声发射( a e 法能较好地满足砂轮工件接触的检钡j 要求) a e 法的特点 是对砂轮与工件接触瞬间的响应快、灵敏、使用简便。实验表明，力法检测的力 信号比a e 法检测的a e 信号响应时间滞后数十毫秒，且a e 信号比力信号敏感。 电流功率法比a e 法的信号响应时间滞后o 8 s ，且灵敏度更低( 目前的技术水平 是，当接触引起的功率信号变化小于1 的砂轮回转总功率时，无法感知) 。8 0 年代中后期以来，各国开展a e 接触监视法和装置的研究与开发，如中国的m j 型声发射接触赣控仪、m t 8 0 0 0 声发射刀具综合监测仪、意大利m a r p o s s 的e 2 0 n ( 砂轮的间隙、修整和位置控制功能模块) 砂轮接触检测仪，德国d i e t t e l 公司的 a e 4 0 0 0 ，美国许密特公司的s b s a e m s 声纳信号监测系统等。在利用a e 传感器 检测接触状态主要采用如下几种方法： ( a ) 功率谱方法1 1 5 1 ：利用声发射信号对砂轮与工件不同接触状态进行了表 征，并对砂轮与工件接触过程中的a e 信号功率谱进行了分析。 ( b ) 声发射信号幅值法 1 8 1 ：磨削加工中，当砂轮与工件接触或砂轮与工件 之间有很小间隙时，由于两者之间摩擦，在工件及砂轮上会产生1 5 0 k h z 3 0 0 k h z 的信号。检测这一信号的幅值并进行信号的功率谱分析，可以准确地确定砂轮与 工件的接触状态。 ( c ) a e 多信号特征提取单元法【l6 】：选用声发射信号的能量变化率、有效值 和振铃计数信号作为磨削接触检测a e 特征参数，包括有效值计算、微分值计算 和加权振铃计数等电路。 ( d ) 双传感器配合使用减少空程法【19 】：这种方法主要思想是找出工件表面 2 东北大学硕士学位论文 第一章综述 和砂轮位置问的最近距离( n a p ) ，当用超声波传感器检测出最近距离时，数控系 统立刻调整进给速度，此时再在a e 传感器的帮助下给出接触点的信息。这两个 传感器都是采用信号均方根值作为评估手段的。下面重点介绍一下本方法。 间 图l _ 1 外圆磨削中进给量与循环时间的关系“ f i g1 1r e l a t i o nb e t w e e ni n - f e e da n dc y c l et i m ei nc y l i n d r i c a lp l u n g eg r i n d i n g 在磨削加工过程中，进给过程可被分为五个阶段，快进、空程磨削、粗磨和 精磨、光磨、快速返回。快进、快退和空程磨削占总加工时间的1 5 ，粗磨占5 0 ， 精磨占3 0 光磨占5 ，具体时间比例关系如图1 1 【1 9 】所示，仪器安装如图i 2 【1 9 】 所示，因此若想提高效率，能够及时准确地检测出磨削加工状态是必不可少的。 图1 1 所示为双传感器接触检测整体框图，超声波和a e 信号同时接收，在检 测到接触点( c p ) 之前a e 信号的值并不发生变化，但是a e 信号值在c p 之后显著 增加，而超声波信号在c p 之前就已经变化，而且保持同样的值。这些特点对于双 传感器配合使用已经足够有利了，也就是说，超声波传感器检测n a p 十分可行， a e 传感器检测c p 完全可行。 东北大学硕士学位论文 第一章综送 砂轮集 砂轮r 雾 li 麦克风 if 硝 l 掣 l ；a u 到 q - 3 蔻声波- j b 伟感器 h 【口 甜 口 ， 1r 放大嚣 l 放大器放大器 、 1 i s 侠特锌 。 肼s 徒特计 r i 嗽特计 d 转换 、 专- ：一 p c 图1 2 双传感器接触检测整体框图”“ f i g1 2c h 2 t z to fd u a l $ e n $ o t sc o n t a c td e t e c t i o ne x p e r i m e n t 如图1 3 1 1 9 所示( a ) ，在传统的进给系统中，砂轮快速进给到一定距离，在 达到这点只后，砂轮进给速率与磨削状态进给速率完全一样，这样便大大降低了 加工效率。但是如图1 3 ( b ) 所示，双传感器系统则不然，到达只点之前它与传 统方法一样，之后，砂轮进给速率减少到磨削进给速率的7 5 倍。当检测出n a p 时即图巩点，进给速率立即呈线性向c p 点即只减小，当地信号被检测出来时， 进给速率立即减小到磨削速率状态。 综上所述众多砂轮接触在线检测方法中，目前只有a e 声发射技术发展的比 较成熟，应用得成功，但由于a e 声发射检测设备价格昂贵，这就影响了其推广， 一般的中小企业很难承受。因此研究者们有必要探索新的经济型的方法来进行砂 轮接触在线检测。 本文通过对以上检测方法的了解和分析，将对新的砂轮接触在线检测方法进 行初步探索并尝试设计一套砂轮接触在线检测系统来实现自动磨削加工。 东北大学硕士学位论文 第一章综述 最近接近点与接触点f 司距 ( d i s - 珂 p 凹) 图1 3 外圆磨削加工过程模型1 f i g1 3m o d e l i n go ft h ec y l i n d r i c a lp l u n g e - g r i n d i n gp r o c e s s 1 3 本论文采用的检测方法 传统的砂轮与工件接触监视与控制是由操作者根据实时获取的视觉、听觉或 手感觉信息，手动完成砂轮横向快进给到工作进给( 简称工进) 的转换，主要依 赖于操作者的经验和技艺。可见，磨削加工过程中产生的物理信号都在一定程度 上反映了磨削加工过程的状态。机器在运行中，各动载荷和外力都将激励机器产 生振动和声，因此振动和声都是反映机器运行状态的物理量。磨削接触过程中也 会产生振动和声。激励源的信息是通过三种主要途径传递，即振动，空气中的辐 射声，构件中的固体声。即使目前使用最流行的声发射法也是利用砂轮与工件接 触时的由结构变化引起应变能的快速释放而产生的弹性波的一种物理现象，这种 波再被高精度a e 传感器检测获取接触数据信号，在规定的特征频段上采取有效 的抗干扰措旌对信号进行识别的。 通过上节的分析发现采用常规的办法很难达到加工的精度及可靠性较差。而 采用目前流行的声发射法又由于其价格比较昂贵而不能被大众所接受。因此探索 新的方法在当前显得较为迫切，这也是本文的重点所在。双传感器配合使用思想 5 东北大学硕士学位论文 第一章练述 十分科学。本人通过查阅大量故障诊断方面的参考文献发现，机床的故障诊断检 测方法与接触检测方法从理论上p 分相似，在故障诊断中较常使用的是振动传感 器，故而可以考虑采用振动方法进行检测。 在磨削接触过程中由于加工过程的不同，必然引起机床传动链某一部件振动 幅度的变化。通常状态下，机床的各部件在加工过程中会呈现不同程度的振动。 因此本文综合考虑价格、可行性、加工精度拟提出采用振动信号作为检测手段。 目前由于在传感器领域已有了b 速的发展，高糟、尖电子元器件的出现为本方法 的提出奠定了基础。由于通常情况下机床在未加工工件时各部件振动频率比较低， 在加工过程中砂轮与工件接触时振动频率变化显著，因此本文采取压电式振动传 感器作为信号检测元件，通过采集的信号提取信号的均方根值作为判断依据，并 且通过软件、硬件的开发设计了相应的磨削接触检测装置。 1 4 课题来源及本文的主要工作 随着机械自动化程度的不断提高，传统的机械制造系统逐渐被柔性制造系统 所取代，实时可靠的在线检测系统将成为一个必不可少的核心要素。目前的检测 系统以声发射信号检测为主，由于价格因素较难占领市场，因此木课题试图开发 一种经济型的磨削接触检测装置。 本文工作主要分为以下几方面： ( 1 ) 通过国内外磨削接触检测方法原理、磨床加工过程中振动特性、磨削加 t 过程工艺特性的分析以及故障诊断的原理特性分析，确定本文采用的检测手段 的依据。 ( 2 ) 依据检测功能的需求以及现有检测元器件的性能指标，确定了本检测系 统的构成和元件，包括传感器的选取、调理电路的确定、控制芯片的选择、液晶 显示屏的选型等。 ( 3 ) 进行软件的调试工作，合理分配系统资源，按照用途划分不同的功能模 块并分别进行程序编制。 ( 4 ) 通过利用惠曹的h p 3 5 6 6 a 仪器在针尖磨床上的接触检测实验及数据分 析，为本装置的开发奠定了实验基础。 析，为本装置的开发奠定了实验基础。 6 东北大学硕士学位论文 第二章磨削接触检测理论基础及总体方案确定 第二章磨削接触检测理论及方案确定 2 1 振动检测方法的理论依据 2 1 1 磨削过程分析 ( 1 ) 磨粒的磨削过程 如图2 1 所示是磨粒磨削过程示意图。系统刚度，所表示的简单弹簧缓冲 系统代表磨削过程中各物体的弹性变形。定位于系统一端的磨粒绕着系统另一端 的固定中心旋转。根据上述模型可看到磨削过程存在三个阶段，即滑擦阶段、耕 犁阶段和切屑形成阶段“3 。 图2 1 磨削过程示意图 f i g2 1c h a r to fg r i n d i n gp r o c e s s ( 2 ) 外圆切入磨削过程 如图2 2 所示为外圆切入磨削过程的理想模型。在径向进给方向上，磨削时 砂轮架系统的刚度以刚性为s ，的弹簧表示，磨削时工件支架系统的刚度以刚性为 s 。的弹簧表示，而砂轮和工件的刚度则以墨表示。砂轮架以机床径向进给速度v ， 趋紧工件。这时，砂轮半径以一2 的速率减小，工件半径以d ，2 的速率或v ，减 小。在稳定状态下，砂轮和工件接触区所形成的磨削分力是主切削力p 和切削推 力f 。 由图可以看出，在稳定状态下，由给定的机床径向进给速度v ，所引起的进给 7 东北走学硕士学位论文 第二章磨削接触检测理论基础及总体方案确定 速度v ，决定于机床、工件和砂轮的刚度以及砂轮的磨损率d ，2 。因此 ”，= v ，一4 2 ( 2 1 ) 底壁 图2 2 外圆切入磨削过程的理想模型 f i g2 2t h ei d e a lm o d e lo fc y l i n d r i c a lp l u n g e g r i n d i n gp r o c e s s 由于砂轮磨损速度和工件直径减小速度相比十分微小，所以当砂轮架弹性位 移达到稳定状态之后，v 基本上与砂轮架径向进给速度v ，相等。因此从宏观上来 看整个系统当砂轮架弹性位移达到稳定状态就稳定了。由于砂轮是由许多被称为 砂粒的磨料用结合剂作介质粘结而成。砂粒切削刃的形状不规则及杂乱无序的分 布在砂轮工作表面上。每个磨粒类似于一把铣刀，由于磨粒密度的不均及各磨粒 切削状态个体差异，必然引起磨削过程中振动的产生。砂轮与工件从接近到接触 过程中磨粒与工件的接触程度的变化急剧，因此理论上是可以区分出砂轮与工件 的接触状态的。 2 1 2 机床振动特性分析 机床是一个由许多零、部件组成的结构件。零、部件的质量和刚度都具有分 布性质。因此，从理论上说都是无限多自由度系统，即弹性体。若对机床结构都 按无限多自由度处理，在数学上的计算工作量十分大，且可能存在目前无法解决 的问题。因此将系统结构用离散的结构来简化，就把弹性体的振动看作为一个有 限多自由度系统的振动。 所谓自由度的数目是指一个振动系统，在振动过程中任何瞬时都能完全确定 系统在空间的几何位置所需的独立坐标的数目。n 自由度系统有n 个主振型，因 此系统的自由振动应是n 个主振型的组合。固有频率阶次高的主振型，振动的振 幅就小。通常情况下，多自由度系统在初始干扰下作自由振动，总是低阶占优势。 对于机床振动，通常分析到三阶主振型就可以了，而其中第一阶主振型是主要的。 当然如果需要还可以再增加分析阶次，但最多不超过十阶。从实际结构的分析计 8 东北大学硕士学位论文 第二章磨削接触检测理论基础及总体方案确定 算也表明，对于一个1 0 0 0 自由度的多自由度系统，计算其响应时，舍去其高阶主 振型，只取前三阶，其精度就可以达到9 0 ，若取前十阶，其精度更高，可以达 到9 9 。从分析频率来看，通常也只取低于频率5 0 0 h z 进行分析。对于一个复杂 的机床结构，在一定条件下可以简化为单自由度系统。此外，如实际系统的各个 振型的固有频率相差较大，可以分别对各阶振型单独分析，即使是对于那些各阶 振型的固有频率相差不大的系统，也可以把它们分解成单自由度来分析。因此， 掌握单自由度系统振动的分析，了解其振动规律是极为重要的。 圈2 3 所示为砂轮架系统及其简化的两自由度无阻尼系统的动力学模型。磨 床砂轮架系统是典型的具有同方向振动的两自由度系统。砂轮主轴安装在砂轮架 的轴承上，可简化成支承在砂轮架内的一个弹簧一质量系统。砂轮架安装在砂轮 进刀滑鞍上，把进刀滑鞍看作是静止不动的，砂轮架与进刀滑鞍的结合面也可近 似作 ( a ) p ( ) t ( b ) 图2 3 砂轮架系统简化模型及动力学模型 f i g2 3s i m p l em o d e lo fw h e e lc o v e rs y s t e ma n dd y n a m i c sm o d e l - 9 - 东北大学硕士学位论文 第二章磨削接触检测理论基础及总体方案确定 为支承在进刀滑鞍的另一个弹簧一质量系统。m 是砂轮架的质量，k 是砂轮架支 承在进刀滑鞍上的静刚度。n ：是砂轮及其主轴的质量，k ：是砂轮主轴支承在砂轮 架轴承上的静刚度。取静平衡位置为坐标原点。若简谐激振力p ( ，) 作用在 主系统州。一k ，上( 图2 3 b ) ，_ 及x 2 是用于确定砂轮架系统运动位置的两个独立 坐标。根据牛顿定律，两自由度系统在简诣力作用下的受迫振动微分方程为 l 蚂薯+ ( 岛= 屯) 五一如屯= 异s i n c o t( 2 2 ) 【艺一如玉+ 也t = 0 令口：生生6 ：蔓。：量 ：墨 l l | 1r 飞n | 2m 、 则式( 2 2 ) 可改写成 r f 葺+ a x a 一= f o s i n c o t ( 2 3 ) 1 l 蔓一q + = 0 这是二阶常系数非齐次微分方程组，设其解为 _ = x 、，l s i n a g t ( 2 4 ) 【x 2 = 五s i n a g t “ 式中振幅x 。，j ：为待定系数，将式( 2 4 ) 及其二阶导数代入式( 2 3 ) 得 ( a - c 0 2 ) 五一6 2 = 一c x i + ( f - - 0 3 2 ) 。y 2 = 0 解此联立方程组得 式中( c o2 ) = ( 。，2 一z ) ( 。：2 一国：) ，( d n l , 。：分别为系统第一阶、第二阶固 有频率a 将式( 2 5 ) 带入( 2 4 ) ，系统在激振力作用下的响应为 1 0 爹 蜀 以 东北大学硕士学位论文第二章磨州接触检测理论基础及总体方案确定 墨 一已 l x li ， | l ， 蜀 7 o r 卜 厂。 岛 。l?。i。?、。jj ?i 图2 4 两自由度无阻尼系统的幅频特性曲线 f i g2 4t r a i tc u r v eo ft w of r e ed e g r e e ss y s t e mw i t h o u td a m p i n g 以。，x 2 为纵坐标，根据式( 2 5 ) 作成的曲线( 图2 4 ) 称为两自由度无阻 尼系统的幅频特性曲线。图中实线是主系统( 码一k ，) 的幅频特性曲线，虚线是副 系统( m 2 - k ：) 的幅频特性曲线。 当珊= 或= t o n ：时，系统出现共振，振幅x l ，x ：急剧增加，并趋于无穷大。 对应于功。：的共振时，振幅比届屈分别为 属2 百x 2 1 。i c - 屈2 薏2 寺 当= 0 时，z 。= x ：= ，表示激振力的作用和静力的作用相当，此时弹簧 艽l 不产生变形，质量晰；与m ：之阆的距离保持不变，所以当激振力变化缓慢时，动力 影响不大，受迫振动的振幅和静变形无大的区别。 一 n 当珊= 如时，五= 0 、x 2 = 一- 1 - 0 ，所以得 茔 r，【 东北大学硕士学位论文 第二章磨剃接触检测理论基础及总体方案确定 x 2 = x 2s i n c o t = 一l ，_ l s i nc o t 或i 2 x 2 = 一p 0s i n c o t 斥2 就是说，副系统( m ：一k ：) 通过弹簧k ：传给主系统( m 。一k x ) 的力，正好与主系统 上的激振力相平衡，这样，主系统的受迫振动就被副系统吸收掉。 当印斗0 0 时，j ，l 一0 。即激振力的频率很高时，两个质量m ，、m ，都几乎 不动，这时受迫振动现象进入了惯性区。 由于系统被当成无阻尼的情况，关于相位的变化只需要观察振幅的正负变化 就可以了。 当0 s 缈o ) n 1 时，j l ，盖2 均为正值，故质量m l 、m 2 的位移与激振力是同相的， 而两个质量的位移也是同相。 当= 。时，运动的相位对于激振力要出现相位突跳的反相。因为只要稍 大于国则置，置同时由正变负，即两质量的位移相对激振力的相位突然相反。 但此时两个质量之间仍保持同相。 当= c 时，五= 0 ，此后置又重新成为正值，但x ，却仍保持负值。这就是 说，在c 4 0 ，0 0 0h z 温度响应见温度曲线 极性( 加速度方向从底部到传感器) 正向 绝缘电阻 1 0 9q 电容3 0 0p f ( 2 ) 环境参数 工作温度范围一4 0 + 1 5 0 冲击极限- 2 0 ，0 0 0 9 瞬态温度1 0m g 磁灵敏度一1g t 基座应变2 r a g u ( 3 ) 物理参数 重量，2 5 9 1 7 图3 2 典型温度曲线 i 2 d i s d f j g3 2c u r v e 。f 咖e t e m p e r a t u r e 壳体材料。不锈钢 安装m 5 压电材料。p z t 结构设计环剪 输出方式l 5 r jf - 纠 挪m o o 鳆s i r , 二： a d 鬻? 麓絮麓竺黧j 鬻鬻蒜蒜。 ”=：批鞭=”。：_：；珀qf；蕊删嘣精蛰日”叶f上曲嚣f 嚣 额 吼蝴呐 3 阳 图甜 垤 东北大学硕士学位论文 第三章磨削接触检测系统硬件设计 的一个完整的数据采集系统。这种设计方法使用的器件较多，系统复杂，成本高， 系统开发时间比较长。而采用集成了a i d 转换、定时计数器等电路的数据采集芯 片的系统设计能大大降低系统开发时间和成本、缩小设备体积、提高系统的可靠 性和电气性能指标。因此，具有高速、高性能、高集成度并与8 0 5 1 完全兼容的单 片机就显得非常重要。美国c y g n a t 公司新近推出的c 8 0 5 1 f 0 6 0 正好满足这些要 求。综合考虑决定选用c 8 0 5 1 f 0 6 0 作为本系统的硬件核心芯片。下面是本数据采 集系统选用c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机的原因。 ( 1 ) c p u 内核采用流水线结构，速度可达2 5 m i p s ( 2 5 m h z 晶振) ，比普通的5 1 单片机 快1 0 倍；其指令与标准系列5 1 单片机兼容，因而掌握开发过程非常容易；该芯 片的j t a g 调试方式支持在系统、全速、非插入调试和编程，且不占用片内资源。 f 2 ) 存储器及a d c 、d a c 片上集成有6 4 k bf l a s h 、4 3