（机械制造及其自动化专业论文）无心磨床工件直径自动测量控制系统的开发.pdf

，一 ；，每y一一 ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i o n r e s e a r c hf o ro n l i n ea u t o m a t i c m e a s u r i n g s y s t e mo n c e n t e r l e s sg r i n d i n g b yd o n g l i n a s u p e r v i s o r ：a s s o s i a t ep r o f e s s o r l a ns u o x i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y 2 0 0 8 | 学位论文版权使用授权书 取得 写过 同工 示谢 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。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 卜 l 东北大学硕士学位论文摘要 无心磨床工件直径自动测量控制系统的开发 摘要 无心磨床的加工过程是一个随机变化的复杂过程，加工精度随加工中各参数的变化 而变化。自动测量系统就是通过直接检测工件的加工误差来跟踪加工过程中每一参数的 变化，以便实现自动进给，构成一个全闭环控制系统，达到提高加工精度的目的。为了 进一步提高工件磨削的质量，在线检测技术被用于磨床磨削系统，以构成一个闭环控制 系统。本课题以轴类零件的直径测量为例，在现有的传感器基础上，综合单片机技术和 微机完成无心磨床外径在线测量系统的研究。 自动测量系统是基于微机控制系统而建立的，应用的是自适应控制理论，测量装置 测得工件在加工过程中的误差信号，经放大和a d 转换后输入控制中心c p u ，控制中心 利用输入信息与设定模型参数相比较，预测出未来时刻的加工误差，采用p i d 控制，进 而变为输出控制信号，通过步进电机补偿进给量，消除加工误差，高加工精度。在正文 中分别从软件和硬件两个方面详细阐述。 本课题正是针对无心磨削加工中存在的实际问题，在不改变磨床内部结构的基础 上，考虑无心磨削加工的特殊情况，为了能够对加工误差进行自动检测控制，采用了一 种合适的测量方法和测量装置，通过对无心磨床的适当改造，设计开发了磨削加工的微 机测控系统，从而很好地实现了零件加工精度的微机自动检测控制。 本文对机械加工的各种测量方法进行了分析和探讨，为实现高精度、高效率、低成本等 各方面的要求，采用了光栅传感器来对加工工件进行非接触式的在线测量。本课题的主 要研究内容是利用单片机实现无心磨床上对工件进行在线测量，形成反馈，以进一步控 制被加工工件的精度，从而形成无人化、高精度、高效率生产模式。 另外，用p i d 控制磨床磨削加工可大大提高磨削精度。利用微机来改造旧机床，其 结构简单，实现容易，而且只需花费极少的费用便可使旧机床的精度大幅度地提高。这 是国内改造旧机床的有效途径之一。采用微机及其兼容机，由于其具有丰富的软硬件资 源和友好的界面接口，使得所设计的系统具有灵活性、通用性和可扩展性。本系统不仅 可用于m 1 0 5 0 a 型无心磨床。稍作改变，即可用于普通机床的微机闭环控制。 关键词：无心磨床；单片机；p i d 控制；传感器；步进电机；在线测量 。i i 1 1 鸲 1 ， j _ 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c hf o ro n l i n ea u t o m a t i cm e a s u r i n g s y s t e mo nc e n t e r l e s sg r i n d i n g a b s t r a c t t bi m p r o v et h eq u a l i t yo fm a c h i n ew o r kp i e c e s ，o n - l i n em e a s u r i n gt e c l l l l o l o g yi sa d o p t e d 0 ng r i n d i n gm a c h i n et 0f b n nac l o s e d - l o o pg r i n d i n gs y s t e m t a k i n gm eo u t s i d e d i 锄e t e r m e a s u r e m e n to ft h es p i n d l e ，m e t h o d0 fh o wt 0u s et h er a s t e rt r a n s d u c c rt or e a l i z et h e0 n i i n e m e a s u r i n gs y s t e mo nt h eg r i n d i n gi si n t r o d u c e di nt h i sa n i c l e r h i sp a p e rh a sc a r r i e d0 na n a l y s i sa n dd i s c u s s i o nt ov a r i o u sm e a s u r i n gm e t h o d s ，i no r d e r t or e a l i z er e q u i r e m e n t so fv 撕o u sf i e l d ss u c ha sh i g i lp r e c i s i o n ，l o wc o s tw i t hh i g l le f f i c i e n c y a d o p tr a s t e rt f a n s d u c e rt om e a s u r ew o r kp i e c ego n l i n e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i s a r t i c l ea r em a k i n gu s eo fs c mt or e a l i z e 彻t h ec e n t e r - l e s s g r i n d i n g m a c h i n et o m e a s u r et h ew o r k p i e c eo n l i n e ，锄d f o mac l o s e d - 1 0 0 p 伊i n d i n gs y s t e m ，i n0 r d e rt o c o n t f o l t h ep r e c i s i o no fp i e c e ，f u n h e r ，f o 姗an o b o d y h i g i lp r e c i s i o na n dh i 曲e f f i c i e n c y p r o d u c i n gm o d e ，m a i n l yi n c l u d e d ： c h o o s i n gt h em e a s u r e m e n tm e t h o da n dt r a n s d u c e lns h o u l dg u a f a n t e ef i r s t l yt h a tt h e r e i se n o u g hh i g hs t a t i cp r e c i s i o nt om e a s u r e do n l i n e t h i st e x th a sc a l l r i e do nt h em a d ead e e p 觚a l y s i sf o rt h er e a l i z eh i 曲p f e c i s i o nf a s t e rt r 锄s d u c e ro ni t sp r i n c i p l e ，粕ds t a t i cb e h a v i o rt o i t sp a r a m e t e fs t a n d a r d ，c a r r y 仰n u m e r o u sc a l i b r a t i o na n a l y s i sc h a r a c t e r i s t i co ft h et ot h e t r a n s d u c e ro ft h ee x i s t i n gg r a t i n g ，r e c e i v et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ce x i s t i n gt r a n s d u c e r d e s i g i l i n gt h em e c h a n i c a le q u i p m e n t t h ec o n t e n tm a i n l ye x p l a i n e di st h a tt h es t m c t u r a l d e s i g i l o ft h em e a s u r i n gd e v i c ef o rt h ec e n t e 卜l e s s 黟i n d i n gm a c h i n e ，a n dh a sm a d et h e s u m m a r ya b o u ti t sw h o l ef u n c t i o na n da n a l y z e dt h ec h o i c eo ft h ei m p o n a n tp a r t ；f i n a l l y t h e w o r ka b o u ts k e t c h i n gt h et h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t y sm o d e lf o rt h em e a s u r i n ge q u i p m e n ti s r e l a t e d d e s i g n i n gt h ep a no fa u t o m a t i c a l l ys o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o n t r 0 1 a c c o f d i n gt o t h e r e q u i r e m e n tf o r t h ec e n t e r - l e s sg r i n d i n gm a c h i n em e a s u r i n g o n “n e ，as c m s y s t e mi sd e s i g n e d i l i ， 丫p 东北大学硕士学位论文 a b s l r a c t w h i c hc a ng a t h e r ，d e a lw i t h ，r e v e a lt h es i g n a lo u t p u t t e df o mt h et r a n s d u c e ra n dt h es e i v i n g c i r c u i t ，f e e db a c kt ot h e 伊i n d i n gm a c h i n et or e a l i z et 0c o n t r o l t h e 铲i n d i n gm a c h i n e e r r o r so f t h ew h o l eo n - l i n em e a s u r i n gs y s t e ma r ea n a l y z e da tt h ef i n a lp a no f t h ea n i c l e t h i ss u b j e c tc a nf e a l i z et h ed e s t i n e dr e q u i r e m e n tt h r o u g l ld e b u g 百n gt h es i m u l a t i n g s o f t w a r e ，p r 0 v et h es c h e m eo ft h i sa u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e mi sf e a s i b l e i ti sn o to n l y e s t a b l i s h e st h eb a s i cf o ft h e 蓼i n d i n gm a c h i n et or e a l i z em e a s u r i n go n l i n e ，b u ta l s oo f f e ra k i n do fr o u t ea n ds c h e m et 0t h eo t h e rt r a n s f o m a t i o n so fd i f ! i e r e n tl a t h e sa tt h es a m et i m e k e yw o r d s ：c e n t e r - l e s s 鲈i n d i n g ，s c m ，o n l i n e - m e a s u r i n g ，r a s t e rt r a n s d u c e r ，p i d c o n t r o l 鹕 i v 一 审 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要ii 第1 章绪论。1 1 1 工业在线测量技术 1 1 1 工业在线测量技术的产生背景 1 1 2 工业在线测量技术的发展状态及现实意义 1 2 1 2 磨床在线测量技术4 1 2 1 磨床在线测量技术的现状及对我国制造业的影响。5 1 3 课题的主要研究内容及现实意义7 1 3 1 课题的主要研究内容 1 3 2 课题所具有的现实意义8 第2 章无心磨床在线自动测量系统的简介1 0 2 1 无心磨床的工作原理1 0 2 2 在线检测系统的一般动态特性。1 1 2 3 系统总体方案的设计1 2 2 3 1 系统原理介绍。1 2 2 3 2 直径的测量方法。l2 2 3 - 3 系统原理图设计。1 3 2 4 主要硬件介绍及选择理由1 4 2 4 1 光栅的选择1 4 2 4 2 步进电机的选型。1 6 2 4 3 单片机选择与简介1 9 2 4 4p c b 板的制作2 3 2 4 5 无心磨床在线研究的难点2 7 第3 章无心磨床在线自动测量系统机械装置部分设计。2 9 3 1 机械装置功用与结构综述2 9 3 2 气缸的选择3 0 3 3 轴承的选择及校核31 v 东北大学硕士学位论文目录 3 3 1 直线轴承的选择及校核3 1 3 3 2 深沟球轴承的选择与校核3 3 第4 章无心磨床在线检测系统的软件设计3 6 4 1 软件设计思路3 6 4 2 主程序设计3 7 4 3 中断服务子程序3 8 4 4 采样子程序3 9 4 5 数据处理子程序 4 6 增量式p i d 控制算法 4 6 1 p i d 控制算法简介4 3 4 6 2 增量式p i d 控制算法简介4 4 4 6 3 增量式p i d 控制算法内存分配4 6 4 6 4 控制算法及控制值输出子程序4 7 第5 章p d 仿真和误差分析4 9 5 1p i d 实验仿真4 9 5 1 1l a b v e i l 仿真简介4 9 5 1 2p i d 系统模型的建立4 9 5 1 3p i d 控制器的参数整定5 0 5 2 误差分析5 2 5 2 1 测量装置的误差5 2 5 2 2 随机误差5 3 5 2 3 误差补偿5 4 第6 章结论及建议。5 5 6 1 结论5 5 6 2 建议5 5 参考文献5 6 蜀【谢6 0 附录。61 数据处理子程序：6 1 p i d 控制算法子程序：6 5 v 1 1 鹕 、 膏 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 工业在线测量技术 1 1 1 工业在线测量技术的产生背景 ，- 通过监视和修正机械加工工艺，在制造的早期阶段消除质量问题，而不是生 产出废件并在检查阶段甚至在装配阶段才发现问题，这样将会使产品的废品率大 大降低，从而使你质量保证成本有了实质性下降，这被称之谓“质量杠杆”。“质 量杠杆【1 】的概念是在生产中越早修正或改进质量，则确定工艺和降低成本的效 益就越大。在生产过程的最后阶段，即当产品要发运给用户时，在这阶段确定质 量问题则费用就很大，甚至已经不能改变工艺来防止再发生问题。 从理论上讲在生产过程的初始阶段即产品技术准备阶段，这时在质量上的投 资回报和到产品发货时相比将是1 0 0 ：1 。在制造工程阶段( 即在金属加工阶段) ， 以模块测量或探测为基础的闭环过程控制上投资收益比后来在质量控制( q c ) 或 检查阶段来改进要大数十倍。如果你要等到在装配阶段再改进，则将无投资回报 可言。“质量杠杆 清楚地表明在生产过程中越早确定质量问题，则效益就越大， 成本就越低，你等的时间越长，收益就越小，成本就越大。 ， 目前对于直径的检测有在线测量和离线测量两种方式。根据实际的生产情 况，如果被测的工件不需要在工件流出线上依次一个一个检测，可以离线检测。 此机构的检测装置由输送带、机械手和测量装置组成。测量装置的输送带由电机 带动一平皮带将导板出口处的已加工件送到机械手卡抓位置，其皮带的线速度应 约高于工件磨削在导板内行走的速度。在自动生产线上或流水生产线上对工件的 有关加工尺寸及性能进行百分之百的检测，让检验合格的工件进入下一道工序， 并将检验不合格的工件从生产线上剔除通过控制组成体的精度及性能来保存证 产品质量，对此简称为“在线检测”。虽然在5 0 年代初己有这种闭坏过程控制方 法，然而仅在近年来，由于在线测量系统功能的强化、耐用和简便j 成为车间实 际的选择。 在线测量使用户能：控制加工工艺；使加工用的机床能快速回“零”；根据 零件尺寸，马上调整周期；获得实时反馈以加快故障问题的处理和工艺分析。因 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 为零件被测量，并在实时的基础上进行补偿，磨削加工的在线测量不需要统计跟 踪。机床的实际控制依赖于每个零件加工时的各种条件。 自动测量系统是基于微机控制系统而建立的，应用的是经典p i d 控制理论， 测量装置测得工件在加工过程中的误差信号，经放大和a ，d 转换后输入控制中 心c p u ，控制中心利用输入信息与设定模型参数相比较，预测出未来时刻的加 工误差，并确定控制策略，进而变为输出控制信号，补偿进给量，消除加工误差， 高加工精度。 长期以来，无心磨削加工的精度控制还停留在人工停机检测、补偿误差的方 式上，从而使加工的精度不高，尺寸分散大，其一致性难以保证，对精度要求较 高的零件，加工合格率较低。实际生产中，为了尽可能地保证加工精度，不得不 频繁地停机实施人工检测，从而大大增加了操作者的劳动强度，劳动生产率很低。 本课题正是针对无心磨削加工中存在的实际问题，在不改变磨床内部结构的基础 上，考虑无心磨削加工的特殊情况，为了能够对加工误差进行自动检测控制，采 用了一种合适的测量方法和测量装置，通过对无心磨床的适当改造，设计开发了 磨削加工的微机测控系统，从而很好地实现了零件加工精度的微机自动检测控 制。在精加工的无心磨床上增加监控装置，改变了无心磨床导轮架传动链的精度， 使无心磨床磨削精度提高到微米级。使精磨棒材直径得到准确控制，提高了精磨 产品的合格率。 另外，用p i d 控制磨床磨削加工可大大提高磨削精度。利用微机来改造旧机 床，其结构简单，实现容易，而且只需花费极少的费用便可使旧机床的精度大幅 度地提高【3 1 。这是国内改造旧机床的有效途径之一。采用微机及其兼容机，由于 其具有丰富的软硬件资源和友好的界面接口，使得所设计的系统具有灵活性、通 用性和可扩展性，特别是由于采用了高级语言和汇编语言混合编程方法大大缩 短了系统的开发周期【4 1 。本系统不仅可用于m 1 0 5 0 a 型无心磨床稍作改变，即 可用于普通机床的微机闭环控制。 1 1 2 工业在线测量技术的发展状态及现实意义 在本世纪3 0 年代，在线检测技术首先在内圆磨削加工中获得应用，当时的 测量对象是轴承套圈。二战后，特别是5 0 年代以来，随着汽车工业的发展，极 大的促进了在线检测技术的发展及应用。但因在线检测系统的工作条件往往都比 较恶劣，测量的空间受到限制，加上其他冈素的影响，所以这项技术尽管在半个 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 世纪前己经出现，但应用范围迄今仍以磨削加工为主，在其他切削加工中应用还 ：i 是有限。 目前在线检测方面做的比较出色的是意大利的m a r p o s s 公司和日本东京精 密。m a 叩o s s 公司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割2 】方面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。一般的磨削加工，重复误差可小于0 2 微米，尺寸分散性控制在3 微米以 内；高精度磨削加工，重复误差小于0 1 微米，尺寸分散性控制在1 微米以内。日 本东京精密的磨削加工主动测量仪的线性范围为2 0 0 m + 5 0 0j lm ，重复性为 0 8 肛m 次，零位漂移为o 8 m 2 4 小时，配备适当的电子测量仪控制，可以实现 多通道并行处理，具备连续、断续测量等功能【酬。 近年来，随着精密测量技术的迅速发展和机床控制系统的高精度化，在线测 量技术得到的长足的发展r7 1 。现有的在线测量技术已可进行加工状态的实时显 示，根据对加工状态的监控，可及时检测是否出现异常状况，并能够根据特定的 要求对机床进行必要的调整，从而可大幅度提高生产效率。 比较有代表意义的高精度测量装置主要包括：三坐标测量机、圆度形状测量 机、表面粗糙度测量机、各种长度及角度测量装置等设备，并且随着光机电一体 化、系统化的进展，光学测量技术有了迅速的发展，相应的测量机产品大量涌现， 测量软件的开发也日益受到重视。如撇p o s s 公司的非接触式工具测量系统 m i d al a s e r 就是利用激光测头的新型测量机，该机可在c n c 机床保持运转的情 况下，自动对所用工具进行非接触测量，并可根据测量所得数值，对工具进行自 动定位。索尼精密工程公司的非接触形状测量机y p 2 0 2 1 也是利用半导体激光高 速高精度自动聚焦传感器的形状测量机，所用刻度尺均系标准元件。传感器和载 物台均由微型计算机控制，具有优异的操作性能和数据处理功能。y k t 公司销 售的非接触三坐标测量系统z i p 2 5 0 是一种高刚性、高速、高精度的新型测量机。 该机载物台的承载重量为2 5 k g ，刻度尺的分辨率( x ，y z 轴) 均为o o 0 0 2 5 m m 。机 上配装了带数码法兰盘的c c d 摄像机和最新d s p 转换器，因此，可进行高速图 像处理测量，同时，也可与接触式测头并用进行相关测量。 随着非接触、高效率测量机的大量出现，专家们预计，2 l 世纪测量技术的发展 方向大致如下【州： ( 1 ) 测量精度由m 级向n m 级发展，进一步提高测量分辨率。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 由点测量向面测量过渡，提高整体测量精度( 即由长度的精密测量扩展 至形状的精密测量) 。 ( 3 ) 随着图像处理等新技术的应用，遥感技术在精密测量工程中将得到推 广和普及【1 0 1 。 ( 4 ) 随着标准化体制的确立和测量不确定度的数值化，将有效提高测量的 可靠性。 总之，测量技术必须实现高精度化，同时也要求实现高速化和高效率化，因 1 此，非接触测量和高效率测量也就必然成为新世纪精密测量技术的重要发展方 ； 向。综观当前精密测量技术的发展状况，有如下一些特点：普遍追求高速、高精 ” 度、系统化、网络化；为了便于在线测量，各公司正在大力开发小型化的精密测 量装置，为了增强市场竞争能力，生产厂家均在努力加强质量管理，降低生产成 本。随着全球i t 产业的蓬勃发展，精密测量领域也不断开发出适应l t 特点的测 量机产品。可以预计，面对新世纪的需求，精密测量技术将进一步集约化，产品 结构更为紧凑，操作性能进一步提高，自动化水平也必将提升到新的水平。 1 2 磨床在线测量技术 1 2 1 在线测量的产生 磨削加工是机械加工的主要方法之一，磨削加工在很多情况下是工件加工的 最终一道工序，因此磨削精度对加工工件的最终精度有直接的影响。传统的磨削 加工是由人靠经验和手工操作砂轮的进给量来进行生产的，这样生产出的产品的 一致性较差，质量不稳定，容易产生废品。而采用在线检测技术就能较好地解决 这个问题。 在线测量使用户能：控制磨削工艺；砂轮修整后，机床能快速回“零 ；根据 零件尺寸，马上调整周期；获得实时反馈以加快故障问题的处理和工艺分析【叭。 因为零件被测量，并在实时的基础上进行补偿，磨削加土的在线测量不需要 统计跟踪。机床的实际控制依赖于每个零件加工时的各种条件。 在应用中，测量头必须皮实，能承受长时间暴露在带磨料和磨屑的冷却液之 中。皮实必然要求简单。一般说，简单的测量仪器有较好的热稳定性，同时测量 仪的零件数越少就越好维修，维修也越快。 在线测量技术使加工中的测量仪器与机床、砂轮、工件组成一个闭环系统， 工件加工过程中，实时测得工件尺寸，再根据测得的实时尺寸来调整砂轮的进给 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 量，从而实现闭环控制。闭环在线测量有着很明显的优点： ( 1 ) 采用在线测量系统前，在磨床正常情况下，加工尺寸的保证主要靠工 人的技术及经验和机床的性能，工件的尺寸变化范围较大，。不稳定，容易出现不 合格品：采用在线检测系统后，通过在线检测系统控制机床加工，提高了产品精 度从而使得不合格率大大降低，有效地保证产品质量，并降低了成本。 ( 2 ) 实现了加工中的自动测量，大大减少了测量时间，同时避免了由多次 装夹所引起的误差，可使自动化程度提高，劳动生产率提高，并大大降低了操作 人员的劳动强度。 ( 3 ) 充分利用原有设备，节约了资金。 磨床在线测量技术的现状及对我国制造业的影响。传统的零件测量方法是很 费时的，常常采用离线测量，需要把被测零件从加工设备转移到测量设备( 如坐 标测量机) ，有时甚至需要几个来回，在很多情况下传统方法检测工件的费用等 于甚至超过零件的加工费用，因此机械加工质量保证的发展趋势是：通过用在线 测量全部代替离线测量和统计质量控制使质量保证更靠近加工过程，保证零件从 加工设备卸下就是合格品。 机械加工是先进制造技术的基层作业，是先进制造系统中最基木最活跃的环 节，其基本目标是在低成本、高生产率的条件下保证产品的质量，为了实现该目 标，急需研究开发的关键技术之一是机械加工在线测量技术，特别是在多品种小 批量生产条件下，研究先进的在线测量技术意义尤其重大，因为在线测量是加工 测量一体化技术的重要组成部分，是保证质量和提高生产率的重要手段。国内外 很早就己经认识到在线测量技术的重要性而进行了大量的研究，并且在生产实际 中得到了广泛的应用，但由于加工过程的特殊复杂性，现有的在线测量技术大都 测量单一的准确度指标( 目前主要是指车削过程和磨削过程中工件直径的在线测 量) ，而且测量准确度受到限制，不适用于超精密加上。在超精密加工中，机床 磨床的精度比一般测量仪器和测量机的准确度还高，如果把机床和合适的测量仪 器有机地接合起来，即可实现零件加工精度的在线测量，这样机床既可作加工用， 又可作测量用，扩大了机床的应用范围，又解决了零件的测量问题l l 。 到目前为止，对机械加工中在线测量技术研究最多的是车削过程和磨削过 程，而磨削在线测量的主要内容包括工件直径的在线测量，圆度、圆柱度以及表 面粗糙度的在线测量，近年来在平面加工中也研制了在线测量系统。 对于磨削而占，由于本身就属于精加工工艺，因此在线测量准确度是在线测 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 量技术的核心问题。而准确度则取决于测量传感器和测量机构等硬件的准确度， 如果把磨削机床本身当作坐标测量机，则测量准确度还与测量策略和数据处理策 略有关，考虑到加工过程是一个复杂的动态过程【1 2 】，影响测量准确度的因素很多， 如加工中冷切液的浇注、机床振动及加工中产生的热。因此在加工过程中直接测 量零件的加工精度困难很大，由此知道机械加工中的在线测量比坐标测量机的工 作环境恶劣得多。 要实现在线测量的高准确度，主要取决于传感器的精度及其环境适应性和抗 1 干扰能力。因此测量传感器应具备以下的特点： ( 1 ) 抗干扰能力强，具有高准确度和高分辨力。 ( 2 ) 测量速度快，成本低，勿需人工调整。 ( 3 ) 对不同的测量，转换速度快，测量范围大。 ( 4 ) 不受环境温度影响，不受工件材料和表面特性影响。 ( 5 ) 加工和测量互不干涉，并且能考虑所有误差源的影响，在测量曲面时， 该项很关键。 符合上面的所有要求很难，因此目前所用的传感器要么测量准确度不高，要 么只是在特殊加工条件下进行在线测量( 如进行干切) ，目前用于在线测量的传感 器种类主要有：机械式、光学式、超声波式、电子式和气动式，分别介绍如下： ( 1 ) 机械式，主要指摩擦轮法、卡规法和采用专门设计的测量机构等，均 属于接触测量且直接测量工件直径，多用于车削和磨削中。摩擦轮法影响测量准 确度的主要因素是工件材料、工件直径和打滑，因此准确度不高，约为1 0 m m ， 优点是数据处理简单，测量范围大；卡规法影响测量准确度的主要因素是接触点 的磨损，安装不便，需要以标准件为基准安装，测量准确度可达0 5 m m ；采用专 门设计的测量机构，其频响低，准确度低，优点是对环境条件要求不高。 ( 2 ) 光学式，主要指光规法、光扫描法、c c d 法和几何自适应控制法( g a c ) 等，均属于非接触测量，不损伤工件表现，多用于车削和磨削中直接测量工件直 径或尺寸，也可能用于铣削中在线测量零件的平面度误差，其测量准确度受到环 境条件的限制，安装调整费时。光规法最早由n o v a k 用于测量工件直径，测量 准确度为1 0 m m ；光扫描法测量准确度为亚微米，费用高，特别是测量大直径时 费用很高，并且安装困难，不可避免带有系统误差。c c d 法测量准确度与被测 尺寸有关，尺寸大准确度低，在3 0 5 0 m m 范围内测量误差是被测尺寸的o 0 5 ， 费用高；g a c 法能自动跟踪测量工件的直径，结构复杂，测量误差仅为1 3 m m ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 但其思想先进值得借鉴。 ( 3 ) 超声波式，用超声波传感器，属于非接触测量，测量误差为4 5 m m ， 由于液流能冲洗干净测量区的切削液和切屑，测量准确度几乎不受切削液的影 响，可以工作在有切削液的车削中在线直接测量工件直径，是一种很有前途的在 线测量方法，但稳定性有待提高。用三点法间接测量工件直径、圆度、圆柱度等 多项误差效果良好。 ( 4 ) 电子式，常用电容传感器和电感传感器，测量误差为亚微米数量级， 多用于在车削中间接测量工件直径、圆度、圆柱度。f a n 提出了用三个传感器 s 1 、s 2 、s 3 直接测量变径工件直径的方法，由于该方法结构体积大，再加上在测 量过程中不能保证间隙在传感器测量范围内，应用受到很大限制。 ( 5 ) 气动式，用气动传感器，属于非接触测量，由于气流能吹干净测量区 的切削液和切屑，可以在有切削液的车削中直接测量工件直径包括外径和内径， 并且测量小直径较方便，缺点是测量间隙不能超过o 0 2 5 4 m m ，否则测量准确度 受到影响。 1 3 课题的主要研究内容及现实意义 1 3 1 课题的主要研究内容 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 所代替，实时可靠的在线测量系统已经成为一个不可缺少的必要单元。因此，本 课题以开发设计一个经济实用的在线测量系统。 本课题的主要内容拟包括以下几个方面： ( 1 ) 确定设计系统的针对性目标，了解国内外磨床在线检测技术的现状， 确定本课题的研究重点； ( 2 ) 根据在线检测系统的组成和工作原理，选择合适的传感装置，调理电 路和放大器，控制系统的软硬件设计； ( 3 ) 进行软件的调试工作，根据不同模块的不同要求，分别编制程序，以 实现预定的功能。 在整个计划中比较难以解决的有以下几个方面： 一方面是传感器的选择上，需要考虑的因素即包括精度，准确性以及稳定 性几个方面，还要充分考虑经济性的因素，此外还应该包括对应用环境的适应性 等因素；还有应该考虑的是系统的动态特性问题，利用普通的传感信号调理系统 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 实现高的动态特性是一个很难克服的问题，尤其是涉及的动态校准问题以及改良 方法，需要大量的实验积累才能获得理想的效果。 1 3 1 1 测量控制系统的设计 自动补偿装置由微型处理器和步进电机等组成，光栅把测量得到的信号送入 微型处理器中，再由微型处理器发出脉冲，驱动步进电机，由步进电机控制砂轮 的进给，从而调整砂轮由于磨损而产生的误差，达到自动补偿的作用。 该测量装置安装在无心磨床磨削部分的后面。在无心磨床工作的过程中，待 加工工件首先通过砂轮磨削，被磨削过后马上工件进入测量装置，由测量装置测 出其加工后的直径，测出的直径数据，由光栅传感器将信号送入微型处理器，微 型处理器中已经设定好了加工后工件的标准尺寸，将它与测得的数据进行比较， 如果砂轮或导轮产生了磨损，则工件的直径会有微小的增大，那么测得的数据就 与己经设定的数据产生了偏差，此时由微型处理器向步进电机发出脉冲，由步进 电机驱动砂轮进给，从而弥补了由于砂轮磨损而产生的误差。 由于该装置为实时测量装置，砂轮产生很小一部分磨损时，测量装置就会测 出其数值，并马上对其进行补偿，在精度方面和自动控制补偿方面都对传统的无 心磨床产生了很大的革新。 1 3 1 2 系统机械装置模型的建立 磨床在线测量系统由传感器、单片机系统所组成。 传感器拾取被测工件直径变化的信号，用适当的调理电路转换为电压信号， 并经过放大、滤波等处理后送a d 转化成数字信号，单片机系统负责对a d 送 过来的数据进行处理，并根据设定值发出精磨、光磨、磨削结束等控制信号来控 制机床动作。 系统得控制部分利用软硬件设计主要是设计出一个以灯8 9 c 5 1 为核心的单 片机系统，用来完成采集气光栅传感器及调理电路输出的电压信号，对数据进行 处理，以及根据预设值实现和磨床的通讯等功能。 1 3 2 课题所具有的现实意义 首先本课题的立意角度面向的范围比较宽，既可以直接应用于传统普通机 床，也可以应用于数控磨削机床或者是传统机床改造的数控机床，既要求达到一 定的测量精度同时还要尽可能的节约成本。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 定的测量精度同时还要尽可能的节约成本。 其次本课题以目前已有的研究工作为基础，针对实际生产可能出现的各种需 要制定研究计划，重点突出在传感器选择、机械装置的设计和系统控制功能的设 计实现，比较侧重在对控制部分的研究，有很强的针对性和实用价值：本课题具 备很好的拓展性，这也是在课题研究中我们注意的方面，力求设计具备通用性， 稍加改进或者不需要改进就可以适用于其他机床或设备。 东北大学硕士学位论文第2 章无心磨床在线自动测量系统的简介 第2 章无心磨床在线自动测量系统的简介 2 1 无心磨床的工作原理 无心磨床外圆磨削是一种适用于大批量磨削工件外圆的一种加工方法，该磨 削易实现强力、高速和宽砂轮磨削。磨削加工过程中工件无需中心夹紧，将被加 工工件置于磨削砂轮与导轮之间，依托与托板之上，磨削砂轮与导轮高速旋转带 动工件转动，以进行磨削加工。因此对于小直径的工件也可以进行强力磨削，因 为可以把小直径工件的整体或要磨削的部分放在托板上加工，从而避免产生内应 力。这种加工方法具有高效经济的优点，也适合小批量生产。通过简单快速的调 整磨床来加工不同工件成为无心外圆磨床的一个重要特征。 无心外圆磨床的加工方式可分为通磨和切入磨。对于等直径的圆柱形工件或 磨削直径大于非磨削直径的圆柱形工件可以采用通磨方式进行加工。在通磨方式 下，工件磨削稳定可靠。由于可以在磨削时装卸工件，因此该磨削方式效率较高。 在通磨磨削区，导轮轴线与水平线有一定的角度，大约为2 0 一3 0 ，由于有了 这个倾斜的角度，导轮在旋转时产生了一个纵向送进的分力，推动工件沿托板均 匀的向前进给。同时导轮的速度和倾斜的角度也决定了工件通磨的速度和精度， 根据工件磨削的精度要求确定倾斜的角度，通常粗磨角度为2 0 一3 0 ，精磨角度为 1 0 一2 0 【1 4 1 。 对于有台阶的外圆上件，其外表面可以通过切入磨的方式进行磨削。与通磨 相比，切入磨的导轮和水平线的倾斜角度较小，通常为0 0 0 5 0 之间。设备i j 端 有一端面定位器，以确保工件定位。磨削时，工件从托板上面上料到磨削区，上 料后，砂轮向工件进给，工件在导轮和托板上开始被磨削，砂轮由两个运动，一 个是砂轮的高速转动，另一个是砂轮以切磨速度靠近工件切磨。 无心磨床外圆磨削是一种适用于大批量生产的磨削方式，其生产效率高，砂轮的 线速度可达到1 0 0 m s ；在磨削过程中，工件始终处于平衡状态下，而且不需要中 心定位夹紧，所以工件不会产生弯曲变形，有利于保证工件的直线性和加工精度。 因此，无心磨削是一种高效率，高精度的磨削方式。 在五、六十年代，我国的无心磨床大都采用手动进给。采用差动丝杠，利用 进给丝杠的不同螺距及螺母之间的不同组合获得拳 l 进给和微量进给。这种进给形 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章无心磨床在线自动测量系统的简介 式完全靠人力，不但劳动强度大，进给的准确性也不高，是磨削的精度也得不到 提高，特别在冶金行业中表现得极为明显。 在磨削过程中，随着砂轮和导轮的高速旋转，它们也不可避免的会产生磨损， 但砂轮和导轮的磨损会直接导致加工工件的尺寸产生偏差，从而需要手工进给砂 轮进行调整，也需要花费大量的辅助时间，而且保证不了精度。这就使得无心磨 床的更新调整显得更为迫切。 近些年来，无心磨床在自动化程度和精度的补偿方面得到了很大的改善。主 要表现在以下一些方面上： ( 1 ) 对砂轮和导轮的运动及对砂轮和导轮的修整采用c n c 控制技术【1 3 1 ， 使得机床操作，调试非常容易。通过加工程序设置，加工好一定数量的工件后， 可自动修整砂轮和导轮，同时自动补偿。 ( 2 ) 在大批量生产中，无心外圆磨床采用c b n 技术，经济性更好。砂轮线 速度可达1 2 0 m s ，单位时间里磨削量增多，稳定磨削过程不需尺寸修整，c b n 砂轮寿命几乎无限。 ( 3 ) 在冷却系统上，采取外界冷却水通过热交换器冷却磨削液，较低温度 的磨削液是高速磨削的重要保证，即时带走磨削区的热量，保证磨削质量。 ( 4 ) 在磨削性能上，要磨削直径在3 0 m m 左右的棒料，对于通磨方式一次 磨削余量可达0 3 m m ，切入磨方式一次磨削余量可达0 3 5 m m 。 目前，无心磨床仍向着高精度、自动化、高效率的方向发展，相信随着无心 磨削技术的逐渐完善，无心磨削将成为机械制造业中不可或缺的技术，也将在机 械加工领域中占据着越来越重要的地位。 2 2 在线检测系统的一般