（机械电子工程专业论文）单面数控高速研磨机计算机控制系统的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前国内的高速研磨机的控制方式基本上是传统慢速研磨机人工手动，对于固着磨 料高速研磨来说，虽然加工效率很高，加工时间短，但辅助时间相对较长，工人的劳动 强度相对较高。针对这种现状，需要对研磨机的控制方式进行研究改进，以提高其研磨 加工效率、可靠性及自动化程度，并减少辅助工时，减轻工人的劳动强度，满足社会发 展的需求，具有积极的实际意义。 该论文主要研发了一种新型单面数控高速研磨机的计算机控制系统。在此控制系统 中，采用模块化设计，主要包括主轴调速模块、研磨量在线检测模块、时间功能模块和 辅助功能等模块。针对单面研磨机特点，控制系统的设计是以d e l p h i 语言作为开发工 具，系统由启动窗体和主窗体及多个子窗体组成，通过窗体间互相调用实现控制系统所 设计的全部功能，如研磨加工时间的设置、研磨位移量的设置、研磨参数的设置、机床 设置等功能。利用串口通讯方式实现工控机对变频器的控制，保证了对机床主轴转速的 缓加速、缓减速的连续控制，旨在降低磨具对工件的冲击，提高工件表面的研磨质量。 具有在线检测功能，通过位移传感器及数字表等构成的闭环控制实时对研磨加工量进行 测量，实现对研磨去除量的在线检测，达到预期精度。此外，系统还实现了对机床的气 动系统及冷却系统等辅助设备的控制。 实际测试结果表明，该系统的整体状况良好，运行稳定，各部分系统工作正常，总 体上达到了设计的要求，并初步具备了产品化开发的前期条件，具有实用价值和广阔的 市场空间。该系统的研制对研磨技术的推广具有一定的促进作用。 关键词：控制系统；串口通讯：高速；单面研磨 单面数控高速研磨机计算机控制系统的研制 t h er e s e a r c ho nc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo f s i n g l e s i d eh i g h - - s p e e dn c l a p p i n gm a c h i n e a b s tr a c t a tp r e s e n tt h ec o n t r o l l i n gm e t h o do fh i 曲s p e e dl a p p i n gm a c h i n e sf o l l o w st h em a n u a l c o n t r o l l i n gm e t h o do f t r a d i t i o n a ls l o w - l a p p i n gm a c h i n e s a sf o rh i g hs p e e dl a p p i n gw i t hs o l i d a b r a s i v e ，t h o u g hp r o c e s s i n gi se f f i c i e n ta n dt h ep r o c e s s i n gt i m ei ss h o r t , t h es u p p o r t i n gt i m ei s r e l a t i v e l yl o n ga n d l a b o ri n t e n s i t yi n c r e a s e s b ef a c e dw i t ht h i ss i t u a t i o n , i ti ss i g n i f i c a n c et o i m p r o v et h ec o n t r o l l i n gm e t h o do fl a p p i n gm a c h i n e ss ot h a te f f i c i e n c y , r d i a b i l i t ya sw e l la s a u t o m a t i o na r er a i s e d b e s i d e s 。t h es u p p o r t i n gt i m ei ss h o r t e da n dl a b o ri n t e n s i t yi sl e s s e n e d s oa st om e e tt h er e q u i r e m e n to f s o c i e t y t h i sp a p e rm e a n st od e v e l o pan o wk i n do fc o m p u t e rc o n t r o l l i n gs y s t e mf o rs i n g l e s i d e l l i g h s p e e dn cl a p p i n gm a c h i n e t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mm a k e sl l s eo ft h em o d u l a t i o n d e s i g ni d e a s ，i n c l u d i n gt h em a i ns p i n d l es p e t mc o n t r o lm o d u l e , l a p p i n gv o l u m eo n - l i n e m e a s u r e m e n tm o d u l e , t i m em o d u l ea n ds u p p o r t i n gm o d u l e s i nv i e wo ft h ef e a t u r e so ft h e s y s t e m , d e l p h il a n g u a g ei st a k e na sad e v e l o p i n gt o o l ，t h u s , t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mi s d e s i g n e dw i t l li t al a p p i n gm a c h i n eo p e r a t i n gs y s t e mc o n s i s t so fas t a r tw i n d o w am a i n w i n d o wa n dm a n ys u b - w i n d o w s w i t ht h e t r a n s f e ro fv a r i o u sw i n d o w s ，w ec a nr e a l i z e f u n c t i o n ss u c ha st h es e tu po f p r o c e s s i n gt i m e ，p r o c e s s i n gd i s p l a c e m e n t , l a p p i n gp a r a m e t e r s ， m a c h i n e s e t u p ，e t e b yv i r t u eo fs e r i e sp o r t sc o m m u n i c a t i o n s ，w ec a na c h i e v ei n d u s t r i a l c o m p u t e rc o n t r o lo f t h ec o n v e r t e ri no r d e r t og u a r a n t e ec o m i n u o u sm o t i o no f s p i n d l es p e e db y s l o wa c c e l e r a t i o na n ds l o wd e c e l e r a t i o n b e c a u s eo f t h es e q u e n c eo f s p e e dc o n t r o lt h ei m p a c t b e t w e e no fw o r k p i e e ea n dl a p p i n gt o o li sr e d u c e da n dt h ew o r k p i e c es u r f a c eq u a l i t yi s i m p r o v e d t h ec o n t r o ls y s t e mp o s s e s s e so n - l i n ed e t e c t i o nf u n c t i o nw h i c hw i l li n c r e a s et h e l a p p i n gv o l u m ec o n t r o lf u n c t i o n sa n dc l o s e d l o o pc o n t r 0 1 i nt h el a p p i n gp r o c e s st h er e m o v a l o fl a p p i n gi sm o n i t o r e do n - l i n e ，t h e r e f o r e ，h i 曲q u a l i t yo ft h el a p p i n gw i l lb ea c h i e v e d i n a d d i t i o n , t h es y s t e mc a nc o n t r o lf o rc o o l i n gs y s t e ma n dp n e u m a t i cs y s t e mo ft h el a p p i n g m a c h i n ea u t o m a t i c a l l y t h r o u g hp r a c t i c a lt e s t ，i ti sp r o v e dt h a tt h ew h o l ec o n t r o l l i n gs y s t e mi si ng o o do r d e ra n d r u n ss t e a d y e v e r yp a r to ft h ec o n t r o ls y s t e mi s w o r k i n go r d e ra n dr e a c h e st h ed e s i g n r e g u i r e m e n t t h em a c h i n en o to n l ym a k e st h ef o u n d a t i o no fp r o d u c td e v e l o p m e n t b u ta l s o h a st h eu l i l i t yv a l u ea n db r o a dm a r k e t t h ed e v e l o p e do f t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mp r o m o t e st h e f b r t h e rs p r e a d i n go f l a p p i n gt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：c o n t r o ls y s t e m ；s e r i a l - p o r tc o m m u n i c a t i o n ；h i 【g hs p e e d ；s i n g l es i d el a p p i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：! 途重醚日期：逝1 垒纽 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：量丛重醚 刑英杰 导师签名： 垃年五月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着信息技术、光学技术的不断发展，精密和超精密加工技术已成为一个国家经济 发展的关键技术之一，许多国家都十分重视精密和超精密加工技术的水平和发展，其发 展水平成为代表制造业发展程度的重要标志。 研磨作为超精密加工的重要方法之一，一直受到国内外的高度重视。因此，很多人 从事着研磨加工技术的研究，其宗旨都是迸一步提高研磨加工效率、加工精度，降低加 工成本。 目前普遍采用的传统散粒磨料慢速研磨，其主要优点是加工精度高，但同时也存在 着一些缺点。磨料散置于磨盘上，磨盘转速不能太高，以避免磨料飞溅，浪费磨料，因 此加工效率低。磨料与从工件上磨下的碎屑混淆在一起，磨料不能充分发挥切削作用， 而且为提高加工效率还要经常将磨料与这些碎屑一起清洗掉，这既浪费了能源、又浪费 了磨料。磨料在磨盘上是随机分布的，其分布密度不均，造成对工件研磨切削量不均， 工件面形精度不易控制，特别是磨料与工件间的相对运动具有随机性，这也增加了工件 面形精度的不确定因素，降低了加工精度的稳定性。在研磨加工过程中，磨料相互间 既有作用力，又有相对运动，这造成了磨料之间产生相互切削作用，即磨料磨磨料，加 重了磨料和能源的浪费。在研磨过程中，大尺寸的磨料承受较大的压力，而小尺寸的磨 料所受到的压力小，甚至不受压力，这使得大颗粒磨料切削深度大，产生的划痕深，影 响工件表面质量，因此为提高工件表面质量，散粒磨料研磨对磨料的尺寸均匀性要求较 高。在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以避免冲走磨料，这使得冷却效果变差， 容易引起工件升温，造成加工精度下降。在研磨过程中，磨盘产生的磨损影响加工工件 的面形精度，这就要求经常修整磨盘，而修整磨盘要求三个磨盘相互对研，既费事麻烦， 又对工人操作技术水平要求高。为避免粗研中所用的大颗粒磨料被带到下道精研加工 中，影响精研加工质量，要求各研磨工序间要对工件进行严格清洗。工人劳动强度大， 对工人技术水平要求高。较硬的磨料容易嵌入较软的工件表面内，影响工件的使用性能。 传统的散粒磨料研磨正是因为存在着上述这些缺点，使得其应用受到了一定的限制。正 是由于上述这些缺陷，人们不断改进传统研磨技术，出现了固着磨料研磨技术。 固着磨料高速研磨是将散粒的磨料固结起来，制成专用磨具，在高速研磨机上进行 高速研磨的方法。所用的专用磨具是根据工件的要求，用不同的磨料制成丸片，再用丸 片制成不同形状的磨具，其构造如图1 1 所示。固着磨料高速研磨国外是在六十年代发 单面数控高速研磨机计算机控制系统的研制 展起来的，我国是七十年代发展起来的。固着磨料研磨较好地解决了传统的散粒磨料慢 速研磨中所存在的大部分缺欠。其最大特点是能显著提高研磨加工效率，而加工效率低 是限制传统研磨广泛应用的最大障碍，因此固着磨料高速研磨一出现就受到了人们的重 视。 但固着磨料研磨也存在着一个新问题，就是磨具在研磨中会出现磨损，这就导致了 磨具的面形精度下降，以致被加工件面形精度下降。这就要求人们要及时的经常修整磨 具。以往的散粒磨料研磨，所使用的磨盘加工性相对来说比较好。而用于固着磨料研磨 的磨具表面上固结着极耐磨的磨料。这使得磨具修整十分困难，主要是由于这个因素限 制了固着磨料研磨的广泛应用。一些科研人员探讨了磨具磨损规律，针对球面研磨，发 现了磨具理想磨损的数学表达式，也称为余弦磨耗规律，并得出根据此规律磨具磨片的 分布规则。此后，又专门研究了平面固着磨料研磨中磨具磨损，并探讨了磨具设计问题。 图1 1 固着磨料磨具示意图 f i g 1 1 t h em a p o f al a p p i n gt o o lw i t hs o l i da b r a s i v e 然而磨具磨损是与研磨加工中磨具和工件间的相对运动及运动轨迹有着十分密切 的关系。长春理工大学的李懋和老师和刘桂玲老师又分别探讨了平面研磨和球面研磨 中，磨具和工件间的相对运动。而且刘绍东老师开始从力学角度分析磨具磨损原因。这 些研究都是假定工件的转速是已知的，而且是不变的。因此，这些研究成果对浮动研磨 中，工件转速未知的情况，显得勉强，但这些研究成果都为进一步研究浮动研磨磨具磨 损规律奠定了基础。 2 一 大连理工大学硕士学位论文 进入八十年代，我国从事固着磨料研磨研究的人逐渐增多。较早的有北京理工大学 的查立豫教授，浙江大学的曹天宁教授等。他们既探讨研磨机理、研磨工艺，又探讨磨 具与工件间的相对运动。后来裴庆魁，林锦文，章黎明，王翠娣，王锴，辛企明等一批 专家学者都从事着固着磨料研磨加工技术的研究。特别是华劲松和王忠琪等人还将固着 磨料研磨技术，引入抛光领域，研究新型固着磨料抛光片，用于进行高速抛光，而且张 红霞等人还专门研究了在采用固着磨料抛光片进行抛光中，如何保证工件材料的均匀去 除问题。 不仅国内的专家学者从事固着磨料研磨这一技术的研究，而且国外也有人从事这一 技术的研究。d a v i d 等人研究了金刚石固着磨料研磨机理，固着磨料研磨加工工件已加 工表面粗糙度及破坏层等的变化规律。其研究的加工材料是玻璃，重点是探讨工件已加 工表面粗糙度和材料去除量随研磨加工时间的变化规律。他们还比较了不同冷却液的效 果，发现了表面粗糙度与破坏层深度有一恒定关系，这就使人们能根据工件表面粗糙度 值来确定下道工序的去除深度。 目前国外较重视磨料性能的改进，以及丸片制做技术的研究，探讨如何避免丸片的 脱层及裂缝，避免丸片中混入空气，提高磨料和结合剂的均匀性等。为了更好地改善固 着磨料研磨效果、提高丸片质量，日本东京大学的j u i c h ii k e n o 等人还研究了利用 电泳沉积法制造高质量、细磨粒丸片，采用他们研制的丸片加工硅片，已加工表面质量 得到了很大改善，达到8 n m ( 波峰一波谷值) 。还有人采用金刚石丸片研磨加工球面和非 球面，提高了加工效率，取得了很好的效果”1 。 为加速固着磨料高速研磨的普及应用，还应该对研磨机的操作控制进行必要的改 进，以减轻工人劳动强度，提高加工效率。数控技术无疑成为解决这一问题的比较好的 方法。数控研磨机是在工业国家得到迅速发展的机电一体化产品，适用于加工多品种小 批量零件，具有加工柔性好、加工精度高、生产效率高的特点。数控研磨机的特点及其 应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。数控研磨机的出现减轻了操作 者劳动强度、改善了劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。由于具 有上述优点，人们对数控研磨机的需求将越来越大。 1 2 单面高速研磨机简介 研磨方式有单面研磨和双面研磨两种，双面研磨能同时高效率研磨工件的平行平面 和圆柱等。但对于易碎的脆性材料平行薄片工件，目前均采用单面研磨加工”。 单面高速研磨机原理如图1 2 所示。电机通过皮带带动磨具旋转，磨具通过轴承 安装在研磨机上。压头通过压盖将工件压向磨具，其作用一是对工件施加研磨压力，二 单面数控高速研磨机计算机控制系统的研制 是限制工件的移动，只允许其绕压头中心转动。压头的移动及对工件加压是通过气缸由 气动系统控制。气缸安装在摆臂上，摆臂安装在机床的立柱上，立柱固定在机床上。 在研磨机中，磨具的高度基本是固定的。随着研磨的进行，工件在研磨过程中，厚 度逐渐减小，压头就在气缸活塞( 压头是安装在活塞杆上) 的作用下，自动向下移动，以 保持研磨压力不变，研磨继续进行。因此，压头向下的移动量就是工件厚度的减少量( 这 里忽略了磨具的磨损量，因磨具材料耐磨性极好，在研磨一个工件中所出现的磨损量非 常小) 。对于一个工件，可事先测量出其原始厚度，根据图纸又可知其研磨后所要求的 厚度，二者之差就是研磨所需的去除量。 图1 2 单面高速研磨机原理图 f i g 1 2t h ed i a g r a mo f w o r k i n gp r i n c i p l e sas i n g l es i d eh i g h - s p e e dl a p p i n gm a c h i n e 4 大连理工大学硕士学位论文 1 3 国内外数控研磨机研究现状 1 3 1 国外数控研磨机研究现状 从8 0 年代中后期开始，世界上主要发达国家对研磨机开展了一系列卓有成效的研 发工作。在数控研磨机方面相继投入了大量的人力、物力，并取得了很多有价值的研究 成果，产生了明显的社会效益和经济效益。在这方面，德、英、日、韩等国走在世界前 列。德国p e t e rw o l t e r 公司和瑞士s t a h l i 公司是世界上目前生产数控研磨机的重要厂 家“们。下面分别介绍一下国外在数控研磨机研究中的一些典型机床及研究现状。 德国p e t e rw o l t e r 公司的数控研磨机 德国p e t e rw o l t e r 公司是世界上高精密数控单、双端面精密磨削、研磨、平面珩 磨、抛光及除毛刺机制造商的带头人，其设备被广泛应用于各种金属、陶瓷、塑料及半 导体材料工件单双端面的高精密平面加工，可达到亚微米级的厚度尺寸精度、平行度、 平面度及表面光洁度，工作压力可通过数控系统的控制实现编程变化。此研磨机大大的 提高了生产效率、减少了生产工序、降低了生产成本、提高了加工质量。 图1 3 德国p e t e rw o l t e r 双面数控研磨机 f i g 1 3 g e r m a n p e t e r w o l t e r d o u b l es i d e s h i g h - s p e e d n c l a p p i n g m a c h i n e 瑞士s t a h l i 公司研制单端面磨( 研磨) 床 该机床适用于小型、中型尺寸的工件的加工，精度高、成本经济，占地面积小，有 如下特点：通过中心螺栓快速调整磨盘的平面度：最少的装料、卸料时间，友好的用户 界面；对磨盘进行冷却；最佳的平面度的磨盘；强劲的气动压力装置减少了加工时间； 研磨、抛光剂量配比系统，耗材经济；加工成本低。 单面数控高速研磨机计算机控制系统的研制 图1 4 瑞士s t a h l i 单端面磨( 研磨) 床 f i g 1 4s w i s ss t a h l is i n 酉ee n dm i l l ( l a p p i n g ) m a c h i n e 英国莱玛特的自动化研磨机 该研磨机主要应用于汽车柴油机、航空、泵业、压缩机、阀门制造业、刀具、医疗 设备制造业、密封行业、光电子行业、半导体行业等。能实现对压电晶体、半导体材料、 光学玻璃、光电子晶体、电子陶瓷、密封材料等金属或非金属单面研磨加工，能使加工 表面获得较好的平面度和表面粗糙度。 图1 5 英国莱玛特研磨机 f i g i 5b r i t i s hl a i m a t es i n g l el a p p i n gm a c h i n e 日本生产的平行平面研磨机 大连理工大学硕士学位论文 日本生产的研磨机主要有日本富士产机的平行平面研磨机、日本日清的双面研磨 机、日本日进的双面研磨机、日本4 bl a p p i n g 的双面研磨机，其中以日本富士产机生 产的平行平面研磨机最具有代表性。主要特点有：由于两面可同时研磨，比单面研磨时 效率高，当然也可单面研磨加工。其结构特点：定压研磨，上部金属片头下降，使上部 磨轮与工件接触，传送螺杆顶向上方后，即使工件支撑金属薄片头的重量。借助汽缸反 相平衡原理，金属薄片头的重量与汽缸输出力的差即为研磨压力。研磨压力自动调整装 置，采用研磨负载一定时，对反相平衡气压进行控制的装置。平面研磨运动，在使主轴 旋转用的转轮内部，有驱动凸轮用的转轮，随凸轮的旋转，滑座带动磨轮做上下往复运 动，这种往复运动与旋转运动合成为螺旋形研磨运动，这种研磨运动提高了工件的平行 度，平面度，表面粗糙度等的高精度加工性能，不同于以往的研磨机，采用新的运动结 构，是具有高精度加工性能的新一代研磨机。 可研磨非磁性体、玻璃、碳化钨、铜、铝、陶瓷等。另外，即使加工磁性体时，也 不会产生磁力。机械的刚性很大，工作台为游星运动。其操作简单，只需按动一下自动 按扭，就可完成一个周期的运行。无需工作人员看管，磨盘自动与工作台接触后开始研 磨。到达规定尺寸，自动停止研磨加工，上磨盘脱离工作台。最大研磨直径中2 5 0 哪， 最大研磨厚度l o o m m 。 图1 6 日本富士平行平面研磨机 f i g 1 6j a p a n e s ef u j i t s up a r a l l e ll a p p i n gm a c h i n e 韩国( 株式会社) n t s 单面数控研磨机 该产品是一种专为加工磁性材料、蓝宝石外延片、硅晶片、光学镜片、小型号l c o 背光发生器及其它精密半导体零部件等材料的超高精度联接和抛光而设计的。特点：双 单面数控高速研磨机计算机控制系统的研制 架式气压系统，高精度双架式气压系统配备了多种稳定压力控制系统。高精度主轴，平 稳的主轴可达到高机械强度和进行精密高精密的快速运转。多功能摆动系统，为了防 止产品的偏心公差，提高生产效率和最佳成品率。台式喷洒装置，自动喷洒通过3 5 寸 触摸屏由可编成p l c 供给系统。高精度修整研磨盘系统，易于研磨盘的平衡调节，可达 到精度l u m 。适用范围：s i l i c o n ep h o t om a s k 、硅晶片、陶瓷工件、p z t 、t r i m e 、 电子陶瓷部件、蓝宝石块、蓝宝石窗口、瓦斯表、光学部件、光学镜片、标准块、l c d 背光模、f e r r i t ec o r e 、c dm o l d 、滤光片、汽摩配件、密封件等等。 图1 7 韩国n t s 单面数控研磨机 f i g 1 7k 口c e a b f r ss i n g l es i d e n cl a m i n gl a c h i n e 1 3 2 国内单面研磨机研究现状 与国外相比，国内在数控研磨机方面的研究起步比较晚，规模较小，开展这方面研 究工作的主要是一些大学。下面分别介绍一下国内在研磨机研究中的一些典型机床及研 究现状睁“1 。 沈阳科晶设备制造有限公司自动精密研磨机 该公司生产的u n i p o l 一8 0 2 型精密研磨抛光机是专门为加工制备各种晶体、陶瓷及 金属材料而设计的新一代产品。它配备了2 0 3 毫米的研磨抛光盘和两个加工工位，可 用于研磨抛光直径4 8 0 毫米或矩形的平面。采用u n i p o l 8 0 2 型精密研磨抛光机并选择适 当的附件，可自动批量生产高质量的平面磨抛产品。无级调整摆动频率，实现平面磨抛 更加平整。主要特点：1 、超平抛光盘( 平面度为每2 5 毫米2 5 毫米小于0 0 0 2 5 毫米) 2 、超精旋转轴( 托盘端跳小于0 0 1 0 毫米) 3 、两个加工工位4 、带有数字式显示的无 级调速5 、可自动停止工作的定时器6 、可配备自动送液的滴料器或循环泵。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 8 沈阳科晶自动精密研磨机 f i g 1 8s h e n y a n gk 巧i n ga u t o m a t i cp r e c i s i o nl a p p t u gm a c h i n e 台湾正越公司新推出的研磨机 此研磨机操控采用触摸式面板，流程标准化，提供全功能操控选择，包括研磨时间 控制、设定尺寸控制两种方式。尺寸控制感测器精度达0 0 0 1 毫米。上磨盘的施加压力 有3 段式调压功能与逆压功能。研磨机可加工的材料有金属、非金属、陶瓷类、碳化钨、 蓝宝石、晶片、水晶石英、粉末冶金材料等。 图1 9 台湾正越单面研磨机 f i g 1 9t a i w a nz h e n g y u es i n g l es i d el a p p i n gm a c h i n e 单面数控高速研磨机计算机控制系统的研制 湖南宇晶机器实业有限公司单面研磨机 该设备主要用于研磨机上下研磨盘的修整及光学玻璃、机械密封件及块状材料的单 面研磨，从而使加工表面获得高的平面度要求。产品规格l 、研磨盘直径 中9 5 0 m i n x1 5 0 6 0 ；2 、修正环直径由4 0 0i n n l ；3 、修正环个数3 ；4 、研磨盘转速4 5 r p m ； 5 、修盘后的平面精度0 0 0 5 1 0 0 m ；6 、主电机功率3 k w ；7 、外形尺寸( m m ) 1 5 0 0 x1 8 0 0 1 1 0 0 ；8 、机床重量1 5 0 0 k g 。产品优点。1 、机器采用交流变频电机驱动， 软启动、软停止；2 、通过修正环的前后移动调节可以使机器获得更高的平面度要求； 3 、最大修盘直径m6 4 0 m m ；4 、可用于其它工件的单面研磨。 图1 1 0 湖南宇晶x p 9 5 0 a 单面研磨机 f i g 1 1 0 h u n a n y u j i n g s i n g l c s i d e x p 9 5 0 a l a p p i n g m a c h i n e 广州五机机床有限公司单面研磨机 该机采用可编参数调频器变速，可实现低速起动和随意变速，使加工达到最佳效果。 它采用独立的内冷却系统，不仅节省损耗，也改善了操作环境。该机的二次加压方式和 时间，控制系统可随意设定时间和压力。同时该机使用了易于监控的数显装置。它特别 适合于高品质的蓝宝石平面的精密加工，同时也广泛应用于光学晶片及其它超硬晶片的 精密加工。 一1 0 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 1 广州五机机床单面研磨机 f i g 1 - 11g u a n g z h o uw u j is i n g l es i d eu a p p i n gm a c h i n e 1 4 本文研究的目的、意义及主要研究内容 1 4 1 本文研究的目的及意义 现有的单面研磨机自动化程度不高，可靠性差，辅助工时长，不能满足社会发展的 需求。为加速固着磨料高速研磨的普及应用，就要设法减少辅助工时，提高加工效率， 降低工人的劳动强度。因此，需要改进现有机床的控制系统，提高研磨机自动化程度。 本文的研究目的是研制一种新型单面数控高速研磨机的计算机控制系统，即在普通单面 高速固着磨料研磨机的基础上，对机床进行数字化改造，制造出的单面数控高速研磨机。 单面数控高速研磨机的计算机控制系统可充分利用计算机技术的丰富资源，根据控制对 象的要求迅速、灵活地更换软硬件，并能及时吸收新技术，缩短开发周期，极大的提高 了研磨效率与加工精度。单面数控高速研磨机改变了以往延续的传统慢速研磨机的人工 手动控制方法，设备操作简单，且对操作人员技术水平要求不高，并能减少辅助工时， 大大降低操作人员的劳动强度，满足社会的需求，具有广泛的应用前景和市场空间。 1 4 2 本文的主要研究内容 本文研究的单面数控高速研磨机采用固着磨料高速研磨加工方式，并对研磨过程进 行自动控制。其特点是：运转平稳，噪声小，磨盘转动，压头通过压盖压紧工件，限制 工件的上下运动，使工件只能依靠磨盘切削力自转。研磨切削阻力小，不损伤工件，研 磨加工精度高，生产效率高；变频器配合电机拖动，实现了软启动、软停止，调速稳定， 冲击小；有在线检测功能，可以在线测量出工件的研磨加工量，并对工件厚度方向( 研 单面数控高速研磨机计算机控制系统的研制 磨加工面法线方向) 上的尺寸进行有效控制。主要用于石英晶体、硅片、玻璃、陶瓷、 阀片、钼片、p t c 、硬质合金等金属、非金属零件的研磨及抛光。 基于以上的论述及本文的研究目的，本文的研究工作主要从以下几个方面展开： ( 1 ) 控制系统的研究 利用d e l p h i 语言编写软件，设计软件的整体布局。控制系统可实时对研磨时间、 研磨加工量、偏心距、主轴转速、气动设备和冷却设备等进行控制。 ( 2 ) 主轴转速的连续控制 由于在高速研磨加工中，工件转速高，受到的研磨力较大，同时磨料是不连续的。 因此研磨时工件受到的冲击比较大，对研磨的工件表面质量会产生一定的影响。我们是 通过对主轴转速的控制来消除这一影响的。加工开始时，通过变频器控制主轴的转速按 一定的上升规律逐渐增加，同样工件的转速也将按一定的规律增加。当达到设定的加工 速度值时开始恒速旋转，加工完成后控制主轴转速按一定的规律下降直到停止。这样， 就会降低磨具对工件的冲击，从而提高工件的研磨质量“2 1 ”。对这种速度的变化的控制 是本文主要研究内容。 ( 3 ) 串口通讯的实现 本文所要研发的单面数控高速研磨机的计算机控制系统，关键部分是要实现串口通 讯。即实现工控机和变频器及数据采集设备之间的串口通讯，研磨机按工控机所给的指 令进行相关操作。 ( 4 ) 利用位移测量系统控制研磨加工量 传统的单面研磨机在研磨工件时是靠标尺来确定研磨n - r 量的，对于一些尺寸要求 较为严格的工件则很难达到所要求的精度。本文研制的单面数控高速研磨机具有在线检 测功能，研磨加工量的控制采用位移测量系统来实现在线检测，利用位移传感器和数字 采集仪器对压头的移动量进行在线监控，从而有效的保证了加工尺寸。 1 5 小结 本章简单介绍了精密和超精密加工技术在国家经济发展中的地位和作用，研磨是精 密和超精密加工的主要方法，数控高速研磨机则是实现这种技术的载体；本章还对单面 研磨机的原理和国内外数控高速研磨机的研究现状及进展进行了阐述：最后介绍了本文 的研究目的、意义和主要研究内容。 大连理工大学硕士学位论文 2 控制系统的整体概述及其软件的开发与设计 数控高速研磨机的计算机控制系统主要由工控机、d 1 0 卡、位移传感器、数字采集 仪器、控制执行机构以及相应软件组成。 2 1 控制系统工作原理概述 在控制系统中，硬件采用模块化设计，具有位移在线检测模块、主轴调速模块、时 间模块和辅助功能模块。工控机作为上位机，变频器、数字表作为下位机，通过串口通 讯实现对主轴转速、研磨时间及研磨加工量的控制；利用d 1 0 卡及一些相关元件实现对 机床气动装置和冷却装置的控制，如压头的升降、冷却泵及冷却液供给装置的控制。控 制系统工作原理如图2 1 所示。 图2 1 控制系统工作原理示意图 f i g 2 i t h ec o n t r o ls y s t e m sp r i n c i p l e so f w o r ks c h e m a t i cd r a w i n g 本系统可通过键盘或触摸屏向工控机输入控制指令，实现两种研磨控制方式的选 择。一种控制方式是按设定的研磨时间进行加工，当到研磨指定的时间时，主轴转速将 按一定规律减速直至停止，水泵停止，压头向上升起，加工完成。一种控制方式是按设 定研磨加工量进行加工，当研磨达到指定加工量时，主轴转速按一定规律减速直至停止， 水泵停止，压头向上升起，加工完成。工件由粗磨到精磨的过程中，机床主轴转速和磨 单面数控高速研磨机计算机控制系统的研制 盘压力在整个过程中为一变量。根据研磨量的大小、研磨方式以及工件的材质选取不同 的研磨参数，利用变频器和d i o 卡等仪器来调节与之相对应的主轴转速及研磨压力。 2 2 控制系统的功能及设计原则 现有的高速研磨机虽然显著的提高了研磨加工效率，降低了成本，但是自动化程度 仍不高，控制系统较复杂，可靠性差，辅助工时长，不能满足社会发展的需求。为加速 固着磨料高速研磨的普及应用，就要设法减少辅助工时，提高加工效率，降低工人的劳 动强度。因此，需要改进现有机床的控制系统，提高研磨机的自动化程度。 2 2 1 控制系统主要功能设计 自动控制系统控制对象为高速研磨机，主要控制变频器来控制主轴的转速、通过位 移传感器来实现研磨加工量的在线检测、控制继电器和电磁阀来控制压头的升降及水泵 开启与关闭、控制步进电机来控制偏心距。系统应具有以下功能： 实现对主轴转速的控制，机床启动时主轴转速按一定的加速规律上升，达到设定的 速度时主轴做匀速运动，加工完成后，主轴按一定规律减速直至停止； 实现对研磨时间的控制； 实现在线检测研磨加工量； 实现对偏心距的自动控制。 2 2 2 控制系统设计原则 建立良好的人机操作界面，配置优良的控制软件，采用图形数据显示技术，屏幕菜 单操作，同时设置独立于计算机控制系统之外的手动控制功能，确保实用性和灵活性； 在技术先进、功能齐全、性能优良、安全可靠的前提下，优化控制系统，简化电路， 优化配置，降低成本； 根据实际情况，采用整体规划，分步实施的方法； 采用高可靠性的控制设备和优质元器件；设置完善的监测报警系统，使控制系统达 到技术先进、功能齐全、性能优良、操作灵活、维修方便，使控制系统具有高的安全性 和可靠性。 2 3 控制系统软件设计 2 3 1 控制系统软件概述 在w i n d o w s 时代，编写程序可进行多种选择，其中v i s u a lc + + 具有良好的软件开发 参考信息和众多开发群体，但它的可视开发环境程序过于繁杂；v i s u a lb a s i c 虽有良 大连理工大学硕士学位论文 好的可视开发环境，但在设计实时性和运算速度要求比较高的软件时，显得难负重任。 而b o r l a n d 公司推出的d e l p h i 不仅提供了良好的可视开发环境，而且具有高效的数据 库和网络开发能力。可以说，d e l p h i 是第一个把可视化开发环境、优化的源代码编译 器、可伸缩的数据库访问引擎等主流技术无缝结合在一起的w i n d o w s 开发工具。本文控 制系统的软件设计与编写是基于d e l p h i 语言完成的“”。 2 3 1 1 d e i p h i 语言简介 d e l p h i 语言集中了第三代语言的优点，以o b j e c tp a s c a l 语言为基础，扩充了面向 对象的能力，并且完美地结合了可视化的开发手段。d e l p h i 使用了本地编译器直接生成 技术，使程序的执行性能远远高于其它语言生成的程序。它还是真正的面向对象的编程 语言，具有语言严谨、可视化的优势和强大的数据库功能的特征。d e l p h i 在编好程序后 能自动转换成e x e 文件，它运行速度快，而且编译后不需要其他的支持库就能运行。 d e l p h i 适用于应用软件、数据库系统、系统软件等类型的开发删。 d e l p h i 具有全新的可视化编程环境，为我们提供了一种方便、快捷的w i n d o w s 应用 程序开发工具。它应用了m i c r o s o f tw i n d o w s 图形用户界面的许多先进特性和设计思想， 采用了弹性可重复利用的完整的面向对象程序语言( o b j e c t o r i e n t e dl a n g u a g e ) 、当今 世界上最快的编辑器和最为领先的数据库技术。d e l p h i 推出至今，已经发展到d e l p h i 8 0 ， 它具备以下特点： ( 1 ) 面向对象的f o r m 设计器，支持可视化继承和链接，面向对象的结构化方法，采 用数据流程图、数据辞典、算法描述作为逻辑设计工具，用实体关系图e r d 作为数据模 型设计工具。具有抽象性封装性继承性传递性可扩展性可维护性可重用 性等基本特性。 ( 2 ) 支持包，可以使应用程序和元件很精巧。 ( 3 ) 虚拟数据集体系结构，允许把自定义的数据库引擎集成到可视化元件库中。 ( 4 ) 全面支持w i n 3 2 a p i ，包括c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 、a c t i v e x 控件、多 线程以及来自第三方的软件包，进一步生成h c t i v e x 控件和a c t i v e 窗体。 ( 5 ) q u i c k r e p o r t 报表工具，可以建立基于数据库的报表。 ( 6 ) 单用户的l o c a li n t e r b a s es e r v e r s ( l i b s ) ，开发者即使没有网络环境也可 以开发基于s q l 的c l i e n t s e r v e r 应用程序。 ( 7 ) 强大的数据库功能，包括数据库浏览器( d a t a b a s ee x p l o r e r ) 、数据字典、 支持o d b c ( 开放式数据库访问) 数据源、底层的b d ea p i 调用。 ( 8 ) w e b 发布功能，可以方便的在w e b 上分发h c t i v e x 控件和a c t i v e 窗体。 单面数控高速研磨机计算机控制系统的研制 2 3 1 2 软件总体设计 硬件设计的各个功能模块，构成了整个测量系统的物理基础。各功能模块需通过一 定的软件程序参与，才能完成自身功能。要使各功能模块协调配合，真正地运作起来， 还需通过软件将它们连成一个有机整体，整个系统才能完成指定的功能，实现自动化。 这里设计的软件是针对系统硬件特点编写的，本系统软件设计可分为以下几个主要功能 模块：主程序模块、机床设置模块、参数设定及存储模块、数据采集与处理模块、串行 通讯模块。 在程序的编写过程中，考虑到可移植性和以后的升级功能，以及调试的方便性，采 用模块化设计，也就是说，将程序的某一部分换掉以后，可以作为相应的测试程序使用。 2 3 2 控制系统软件的具体设计 控制系统软件将实现设计所要求的全部主要功能，由启动窗体、主窗体、机床设置 窗体、研磨时间设置窗体、研磨加工量设置窗体、研磨参数设置窗体等窗体组成。 控制系统的启动窗体设计 在系统启动时，由于要加载一定的文件，启动需要一定的时间，这时为了提醒用户 系统正在启动而没有出现故障，故在启动过程中添加了一个如图2 2 的启动窗体，在控 制系统所有文件加载完后，再释放该窗体。 图2 2 启动窗体 f i g 2 2 t h es t a r t i n gw i n d o w 1 6 一 大连理工大学硕士学位论文 控制系统主窗体的设计 考虑在进行程序设计之前，应设置一个主窗体，作为操作人员与工控机相互交流的 主要场所，这个主窗体的设计主要是从数控高