（机械制造及其自动化专业论文）珩磨气动测量中的数据采集与处理系统研究.pdf

硕j 二学位论文 摘要 本文研究了珩磨气动测量中的数据采集与处理问题，通过分析珩磨气动测量 的条件和工况，对测量数据采集点的设置和数据计算处理问题进行了研究，提出 了新的数据采集和计算方法，并在原来的研究基础上对数据处理问题进行了系统 化的研究，提高了气动测量的性能。 通过分析珩磨气动测量系统，在三截面研究的基础上，针对深孔加工的测量 问题，提出了五截面测量模型，运用矩阵算法简化了孔型判断过程，提高了内孔 形状判定准度和速度。详细阐述了五截面测量模型的原理和方法，设计了判断模 块程序进行试验。实验结果表明此测量方法是有效的。 针对加工换向点经验公式精确性的问题，采用简化方法用斜率计算，在三截 面孔型判断的基础上，对加工换向点问题进行了详细的论述和研究，推导了各种 孔型情况下的换向点计算公式，使加工换向点位置在理论上精确化，解决了经验 公式精确性的问题。 根据三截面、五截面、斜率测量法的原理和特点，设计了主程序和子程序流 程图，并根据流程图设计和编写了数据处理软件，对数据进行相应功能的处理和 模拟，实验证明该软件是可行的。 关键词：珩磨：气动测量；三截面测量；五截面测量；简化斜率测量 珩磨气动测毋中的数据采集与处理系统研究 vi 詈皇昌暑暑= 置| 鲁詈詈詈暑詈置鼍昌昌詈詈詈暑詈詈詈詈詈昌詈= 暑詈暑暑詈篁暑詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈= 詈詈詈詈皇詈詈詈詈詈詈! = 詈詈詈曼詈詈暑詈詈暑= 暑皇皇詈皇詈詈詈詈詈暑詈墨皇昌暑鼍量暑詈詈詈量詈鲁皇昌墨暑墨 a b s t r a c t i t i sr e s e a r c ho nr e s e a r c ho nd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gi np n e u m a t i c m e a s u r e m e n ts y s t e mf o rh o l eh o n i n g b a s e do na n a l y s i so ft h er e q u i r e m e n ta n d w o r k i n gc o n d i t i o n si np n e u m a t i cm e a s u r e m e n ti nh o n i n g ，i ti s s t u d i e da b o u tc o l l e c t d a t as e ta n dt h eq u e s t i o no fd a t aa n dp r o c e s s i n g t h en e wm e t h o d sa r ep r e s e n t e da b o u t d a t ar e q u i r e m e n ta n dm e t h o do fc a l c u l a t i o n t h eq u e s t i o no fd a t ap r o c e s s i n gi s s t u d i e db ys y s t e m a t i z e dw a yb a s e do nt h es t u d yo ft h eo r i g i n a l t h ef u n c t i o ni s i m p r o v e di np n e u m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e m an o v e lc o n c e p tt oe s t i m a t et h es h a p eo fi n n e rh o l ei nc o u r s eo fh o n i n gi s p r e s e n t e di n t h i s p a p e r b a s e do na n a l y s i so fm a c h i n i n gc o n d i t i o n ，f i v es e c t i o n s m e a s u r i n gm o d e li se s t a b l i s h e di np r o c e s sp n e u m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mf o ri n n e r h o l eh o n i n g i tu s e dm a t r i xa l g o r i t h m st os i m p l i f yj u d g i n gp r o c e s sa b o u ti n n e rh o l e s h a p e a n di ti m p r o v e st h ea c c u r a c yo fm a c h i n i n ga r e ai ni n n e rh o l e t h em e t h o da n d p r i n c i p l ea r ee l a b o r a t e di nt h i sa r t i c l e p r o g r a mm o d u l ew a sd e s i g n e da n dw r i t t e nf o r e x p e r i m e n t a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h a tt h em e a s u r i n gm o d e li sf e a s i b l e i tu s es i m p l i f i e ds l o p et op r o c e s s i n gd a t ab ys o m ee x p e r i e n c ef o r m u l ao f a c c u r a c yi nc o u r s eo fm a c h i n i n ga tt h er e v e r s a lp o i n t b a s e do nt h r e es e c t i o n ss h a p e ju d g e d ，t h em a c h i n i n ga tt h er e v e r s a lp o i n ti sd e t a i l e dd i s c u s s i o na n dr e s e a r c h t h e r e v e r s i n gp o i n tc a l c u l a t i o n f o r m u l ai s p r e s e n t e di ne v e r yh o l ep a t t e r n a n d t h e r e v e r s i n gp o i n ti sa c c u r a t ei nt h i st h e o r y f l o wc h a r t sw e r ed e s i g n e df o rm a i np r o g r a ma n ds u b r o u t i n eb a s e do nt h e p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c st h ew a yo ft h r e es e c t i o n ，f i v e s e c t i o n sa n ds i m p l i f i e d s l o p e p r o g r a mm o d u l ew a sd e s i g n e da n dw r i t t e nf o rp n e u m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e m a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h a tt h em e a s u r i n gm o d e li sf e a s i b l e k e yw o r d s ：h o n i n g ； s e c t i o n sm e a s u r e m e n t ； p n e u m a t i cm e a s u r e m e n t ；t h r e es e c t i o n sm e a s u r e m e n t ；f i v e s i m p l i f i e ds l o p em e a s u r e m e n t 儿 硕士学何论文 插图索引 图2 1 背压式气动量仪气路原理图8 图2 2 背压式气动变换环节9 图2 3 背压一间隙曲线( 特性曲线) 1 0 图2 4 差压式气动测量原理图1 1 图2 5 差压一间隙特征曲线1 l 图2 6 机床坐标系1 3 图3 1 标准环与工件内孔简图1 5 图3 2 三截面判断内孔形状示意图1 5 图3 3 内孔取五截面示意图17 图3 4 矩阵的秩等于5 时孔型示意图1 9 图3 5 矩阵的秩等于4 时孔型示意图1 9 图3 6 矩阵的秩等于3 时孔型示意图2 0 图3 7 矩阵的秩等于2 时孔型示意图2 0 图3 8 矩阵的秩等于l 时孔型示意图2 0 图3 9 三截面孔型简化图2 2 图3 10 换向点判断原理图2 3 图3 1l 腰型换向点判断原理图2 4 图3 1 2 鼓型换向点判断原理图2 4 图3 1 3 上大换向点判断原理图2 5 图3 1 4 上大换向点判断原理图2 5 图4 1 量仪示意图2 7 图4 2 测量主程序流程图3 0 图4 3 三截面测量程序流程图3 l 图4 4 五截面测量程序流程图3 2 图4 5 斜率测量程序流程图3 3 图4 6 主程序界面图3 4 图5 1 实验程序编写窗口示意图3 6 图5 2 实验平台界面图3 6 图5 3 自动测量界面图3 7 图5 4 三截面测量界面图3 8 图5 5 修珩结束显示图3 9 图5 6 五截面测量界面图3 9 n i 珩磨气动测罱中的数据采集与处理系统研究 图5 7 斜率测量界面图4 0 i v 硕士学位论文 附表索引 表3 1 工件内表面形状判定表1 6 表3 2 截面尺寸编号表1 8 表3 3 五截面孔型判断代码表2 l 表5 1 自动测量实验数据处理表3 7 表5 2 三截面测量实验数据处理表3 8 表5 3 五截面测量实验数据处理表4 0 表5 4 三截面测量实验数据处理表一4 l v 硕士学何论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于“高档数控机床与基础制造装备 科技重大专项。主要研究内 孔珩磨气动测量中的数据采集与处理问题，设置合理的数据采集点并处理数据， 针对珩磨气动测量的特点，建立了缸孔形状判定的数学模型，并设计软件进行了 验证，可应用于高档数控珩磨机气动测量的研究。 1 1 2 课题的研究意义 珩磨是对工件表面进行光整和精整的磨削加工方法，被广泛应用于加工汽缸 套、油缸、阀体孔、轴瓦等零部件，高精度的珩磨更具有安全、经济、可靠、耐 用、高效等优点；随着工程技术领域的不断发展，对珩磨加工的汽缸套、油缸等 零部件也提出了越来越高的要求。 珩磨机测量系统对加工精度影响很大，因此合理的测量方法非常重要，珩磨 加工中广泛的采用了非接触式的气动测量。气动测量具有良好的柔性、无损性、 稳定性、高灵敏度、抗干扰能力强、易实现复合参数测量和独特的自洁功能等， 这满足了珩磨的高形位精度和自动化等要求。但是，针对气动测量中的数据采集 和处理，目前国内缺乏相关的理论和研究结论，没有针对于气动测量中数据采集 和处理的系统研究。 因此，本课题研究气动测量中的数据采集、调理和数据处理系统问题，旨在 研究解决：准确的将采集并处理后的数据输送给主控制系统，满足测量系统的精 度和速度要求。研究建立珩磨气动测量工况下的数据采集模型，设计适用于珩磨 气动测量单片机系统，选择合理的微处理器和接口模板，并编制相应的软件程序 进行验证。课题研究涉及的过程是气动测量精度的保证，具有实际的研究价值和 意义。 1 2 珩磨气动测量的国内外研究现状 珩磨加工起源于二十世纪的初期( 德国人称珩磨加工于1 9 1 0 1 9 1 2 年起源于 德同，美同人称珩磨加工于1 9 19 年由美国人hu t t o 发明，日木人则称其起源于 1 9 0 6 年) ，其加工的优越性最早是在发动机行业中为人们所认识，1 9 2 4 年，开始 发展油石液压扩张机构，切除大余量，自动测量也开始出现，珩磨机床开始向自 珩磨气动测量中的数据采集与处理系统研究 动机床发展。1 9 5 2 年开始出现完全补偿的电子油石扩张机构，机电一体化的珩磨 机床出现。半个世纪以来，珩磨技术的发展更加迅速，珩磨理论的研究亦越加深 入，珩磨机床更向专门化发展，珩磨工艺应用也越加广泛i lj 。 高精度的气动测量理论和技术，目前也得到了广泛的探讨和研究。在1 9 1 4 年，世界上出现了用喷嘴挡板反映空气压力变化的测量装置。1 9 2 6 年法国的s o l e x 量仪公司首先研制成功第一台气动量仪，从平面度和喷口面积的测量发展到长度 尺寸的测量，其适用范围不断扩大。1 9 3 2 年，有人在气动测量系统中采用了差动 气路，致使气动测量的精度和仪器的性能有了较大的突破。第二次世界大战大大 促进了气动量仪的发展，气动测量系统能适用于炮孔、雷管和弹壳的检测，因此 在工业中获得了广泛的应用。与此同时，改善气动量仪性能的研究工作也在欧美 各国开展起来，许多成果在一些国家形成专利【2 lt 3 】。 针对气动测量中的结构优化和参数优化也得到了广泛的研究。 1 2 1 国内研究现状 ( 1 ) 东风汽车有限公司工艺研究所的刘旭葵，高凯等人研究了发动机缸孔气动 在线测量系统技术，提出了气动测量芯轴和差压式回路组成气动测量系统，应用 于发动机缸体自动生产线，可在线测量缸孔孔径1 4 j 。 ( 2 ) 沈阳建筑大学的王军，孙军提出了智能气动测量系统，阐述了实现高精度 智能化气动测量系统的原理及主要设计方法。给出了数据采集系统的结构电路简 图及整体软件流程图，介绍了用于提高系统精度的各种抗干扰措施1 5 j 。 ( 3 ) 合肥工业大学和安徽省长江计量所的王风伟，张辉等人提出一种微纳米级 差压式气针传感器。提出基于差压式气路的微纳米级分辨力气针传感器的设计和 工作原理，并对其静态特性进行了理论分析和实验研究。分析出不同输入压力、 不同主喷嘴和测量喷嘴孔径对传感器灵敏度和线性范围的影响大小，从而可获得 高灵敏度和大线性范围气针传感器的各参数值。为高精度气动传感器的设计提供 了理论和实验依据1 6 。 ( 4 ) 安徽理工大学的杨洪涛等人研究了实现高精度、宽测量范围的智能化气动 测量系统，用于提高测量精度、扩展测量范围和实现智能测量，其建立在软硬件 基础上的自校准三次测量法、增益可编程控制测量放大器和非线性修正技术的工 作原理具有参考价值，给出了软件流程，并对误差修正前后的测量系统的精度进 行了分析【7 1 。 ( 5 ) 上海大众汽车有限公司的朱正德研究了自动测量技术在珩磨中的应用，阐 述了珩磨丰动测最系统的基本组成和工作原理，对现代自动测帚技术在珩磨加工 中的实际应用做了详细分析，提出了一些有价值的技术指标捧j 。 ( 6 ) 上海交通大学的张守愚等人通过对高精度表面轮廓传感器调理电路的研 2 硕上学何论文 究，总结出降低传感器调理电路噪声的分析方法和具体措施。选用同步积分器代 替r c 有源带通滤器，并配以同步解调器构成窄频带测量系统，有效地抑制了电路 的噪声和干扰。提出电路参数选取原则和前置放大器设计的一般方法。在传感器 与放大器之间采用输入变压器作为阻抗匹配，获得前置放大器的最佳源电阻，实 现电路的最佳噪声匹配，所研究的调理电路与自制表面轮廓传感器配合，成功地 检测出l n m 的微小位移，对其它测量系统有借鉴意义【9 1 。 目前国内气动测量及其设计参数优化的研究主要集中在哈尔滨工业大学与合 肥工业大学。合肥工业大学仪器仪表学院在长期的教学和科研中，对气动测量系 统进行了广泛深入的研究。自1 9 9 6 年以来，研究大、中、小量程气动传感器，并 已进行了静态特性研究和参数优化。小量程气动传感器的示值范围达1 0um ，分 辨率达0 0 11 tm ，中量程气动传感器的示值范围达2 0 0l zm ，分辨率达0 5l zm ，大 量程气动传感器的示值范围达5 m m ，分辨率为0 1 m m m 】。而目前的研究正走向更 高的精度。 1 2 2 国外研究现状 ， 国外很多学者对气动测量系统进行了研究，并且很好的应用于机械制造业方 面。 从国外所发表的专利来看，在7 0 年代由于电动量仪的出现而使气动量仪的发 展受到影响，几乎处于停滞状态。各种气动量仪在结构上都有所改进，但在性能 上却没有什么新的突破。直至1 9 7 8 年，美国b e n d i x 公司对背压式气动量仪作了 改进，并同时向五个国家申请了专利【1 i 】【12 1 。 日本对气动量仪的研制工作开始于5 0 年代中期，主要是从美国引进专利和仿 造外国产品。6 0 年代初期开始大量用于机械制造、汽车制造和电子工业中。到了 6 0 年代中期发展迅速，已向国外开始出售气动量仪专利了【i 引。实例如：美国的 d e c h a p em i c h e l 就于2 0 0 9 年4 月公开了气动测量的电信号处理方面的一个专利， 专门针对性的研究了气动测量的电信号处理问题l l 4 。 目前国外气动量仪的生产厂家主要有美国d e a r b o r n ( 迪尔邦) 、s h e lf i e l d ( 西 菲尔德) 、a i r g a g e ( 空气量规) 、瑞士h a n s s ig g 等公司【”】。理论方面也有广泛 的研究，美国的b r i a nj h o g a n 在m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g 上提出了一种针 对不同工况下的传感器测量应用模型，可用于测量多种物理量，且具有很高的精 度【16 1 。 新式的气动量仪大多采用数字化，国外如美国爱德蒙得( e d m o n d ) 公司的精 密气动晨仪，同本t o s o k 公司的气动精密测帚仪等，同内如思科博专、l 匕生产的数 字式气动量仪，其数显分辨率为o 1um 。目前还出现智能化数字式气动量仪，它 可以根据不同需要，对各种尺寸的内外直径、槽的宽度以及工件的长度进行精密 珩磨气动测量中的数据采集与处理系统研究 测量。另外，该仪器能够预先设定被测件的公差范围，在测量时，如果超差，则 仪器不但显示被测件的尺寸，而且具有声光报警的功能。数字式气动量仪的优点 在于可实现绝对值的显示，测量结果可直接打印或输入计算机评定储存，可编程， 易于实现自动化等i i 。 通过以上对国内外研究现状的分析，综合现有的珩磨气动测量研究资料可以 看出，针对课题展开研究，需要建立数据采集与处理数学模型，有效地借鉴已有 的成果设计数据处理系统，结合珩磨气动测量的特点，设计相应的软件流程和程 序，有效判定内孔珩磨的缸孔形状，完善截面测量理论。 1 3 课题研究目标及主要内容 1 3 1 课题的研究目标 本课题研究目标是通过研究珩磨气动测量的数据采集与处理系统，建立数据 采集和处理的数学模型，设计数据处理硬件系统和软件流程，完成软件程序的编 制及验证，研究和完善截面测量理论，在三截面基础上研究多截面测量的条件和 意义，最终通过软件对数据处理的结果得以验证。 1 3 2 课题研究的主要内容 针对珩磨气动测量系统存在的不足，结合现有的资料，主要做了以下几方面 的研究： ( 1 ) 测量方案的研究与实现 针对珩磨在线气动测量系统，制定总体的测量流程，编制总体测量流程软件 程序，对三截面和多截面测量进行系统研究。目前的气动截面测量主要以三截面 测量为主，但当工件缸孔的长度较大时，三截面测量便失去了意义，不能及时发 现不合尺寸的加工截面，若能及时增加测量的截面数量，并建立相应的数学模型， 就可解决此问题。 ( 2 ) 三截面测量的实现和在修珩加工中的应用研究 通过研究研究三截面测量法的原理，用软件实现三截面测量，研究将三截面 法应用到修珩测量中。 ( 3 ) 五截面测量法的研究与实现 通过对比研究多截面测量的特点，在珩磨在线气动测量中使用五个截面测量， 论证五截面测量法的合理性与可行性，并用软件实现五截面测量。通过实验证明 五截面测量法的性能。 ( 4 ) 斜率测量( 允差) 法的研究与实现 分析珩磨加工的特点，提出斜率测量法，证明其可行性。论证使用斜率测量 法可以提高换向点的精确性。通过减少程序计算量，论证斜率测量法是一种较为 4 硕士学何论文 快捷的测量方法。 5 珩磨气动测最中的数据采集与处理系统研究 第2 章珩磨气动测量的数据采集与处理基础 2 1 珩磨加工的原理和特点 珩磨加工的定义：通常采用磨粒粘结在一起的磨具与工件表面面接触，进行 相对的旋转、往复运动或其它自由度运动，籍两者相互修正作用，以提高工件尺 寸精度、几何形状精度和表面质量的磨削方法。 我国对各类加工及金属切削机床术语的规定工作，于八十年代初开始，于八 十年代末下达标准，制定分类为： r ( 砂轮) 磨削厂研磨 磨削jl珩磨 【非砂轮磨削j超精加工 i抛光 l砂带磨削 珩磨加工有以下主要特点： ( 1 ) 珩磨可以获得较高的表面质量 在珩削中，通过改变油石的粒度及切削压力的大小，可以极方便的获得需要 的表面粗糙度，一般粗糙度可达到r a0 4 0 0 1 2 ，r z 值可以达到0 1 9 m 以上。 珩磨加工时，油石与工件的接触面积大，切削温度低，切削压力为一般磨削的 1 2 ，因而被加工工件的热变形小，变质层薄。同时在去除余量的过程中，因为 珩磨主要是固定磨粒的油石切削作用，不象研磨加工的表面容易存在嵌砂现象， 也不象挤压加工依靠把前道工序的刀痕压倒，塑性变形而产生极厚的硬化应变层。 因而珩磨比一般磨削、研磨、挤压加工的表面质量好，适用于精密偶件的配合面 的加工，使配偶件在相互运动时噪音小，摩擦系数小，精度稳定，使用寿命高。 特别是珩削中，通过改变旋转及往复运动的比值，可以在被加工表面获得不同交 叉角的网纹，有利于润滑油膜的形成，在高温、高速的运动副摩擦面上，珩削的 这一特点是其它加工方法不能比拟的。 ( 2 ) 珩磨可以获得高形状精度 过去一些专家认为珩削难以提高形状精度，也有的提出只能提高圆度而不能 提高柱度、直线度等形状精度。但是，事实说明珩削不仅可以获得高的形状精度， 而且可以在短时间内经济的达到这一目的。一般孔的珩磨加工，圆度可以达到 0 0 0 5 m m 0 0 0 l m m ，甚至0 0 0 0 2 m m ，柱度可达0 0 1 m m 0 0 0 1 m m 。合理的设计磨 具，珩削也可以提高零件内孔的直线度精度。 珩削一般不能提高位置精度，但在一些特定的条件下也有例外，如：刚性连 6 硕上学位论文 接的珩磨头在加工短孔时，可以提高孔对端面的垂直度。用双连珩磨头可以提高 二连孔的同轴度等。但一般情况下，尽可能不采用珩磨来提高位置精度，因为在 提高位置精度的过程中，容易破坏几何形状精度，加工时间长，不经济。 ( 3 ) 珩磨可以获得较高切削效率 珩磨是大面积接触的多刃切削，因而具有较高的金属去除率，可以用来去除 较大的余量，这是研磨加工不能相比的。在内孔加工时，由于珩磨刀具只承受扭 矩而不受弯矩，因而特别适合于加工长径比大的内孔或小孔，有的油缸类加工， 直接用冷拔钢管珩削而成，提高工效，降低成本，这是内圆磨床难以做到的。由 用途及加工孔径的不同，内孔珩削量可以达到0 0 5 5 m m 。珩磨加工在一般的情况 下，可以达到每秒钟去除金属几百立方毫米。对中等直径缸套( 巾l o o x 3 0 0 m m ) 去 除切削层厚度：铸件0 2 5 0 4 m m m i n ，钢件0 1 5 0 2 m m m i n ，淬火钢、氮化钢 0 0 7 0 1 m m m i n 。日本资料报道西德珩磨机7 6 年已达到金属去除率5 0 k g h ，相 当于上述尺寸工件每分钟去除2 2 4 m m 。 ( 4 ) 珩磨加工具有较大的适用范围 珩削的被加工工件材料，可以是有色金属、铸铁、钢材，也可以是玻璃、陶 瓷等硬脆非金属材料。 珩削几乎可以加工一切几何形状的表面，最常见的是一般内孔，此外还有外 圆、盲孔、椭圆孔、间断孔、锥孔、花键孔、平面、齿表面、球面、内外滚道面、 w a n k e l 发动机曲线表面等等。 珩磨加工的尺寸范围也很大，如目前已经达到的内孔加工，孔径从 巾l 呻2 0 0 0 m m ，孔长从1 - 2 4 0 0 0 m m ，长径比为1 4 6 3 0 7 ，这是一般其它加工方法难 以达到的。 ( 5 ) 珩磨加工成本低廉 由珩削的成型原理所确定，珩磨加工的精度主要是由油石和工件互研达到的， 并不完全依靠于机床的运动精度，一般在工件的夹具或珩磨头连接部分采用浮动 环节，因而机床的精度要求较低。 2 2 气动测量的基本原理 2 2 1 气动测量的分类 按工作原理的不同，可以将气动测量分为四类： ( 1 ) 流量式气动测量 ( 2 ) 压力式气动测最： 背压式气动测量 差压式气动测量 7 珩磨气动测黾中的数据采集与处理系统研究 ( 3 ) 流速式气动测量 ( 4 ) 真空式气动测量 按工作压力的大小，也可分为以下四类： ( 1 ) 低压式气动量仪 工作压力p c - 0 0 1 m p a ( p c - 0 1 k g f c m 2 ) 。 ( 2 ) 中压式气动量仪 工作压力的范围为o 0 1 m p a p c o 0 5 m p a ( o 1 k g f c m 2 p c 0 5 k g f c m 2 ) 。 ( 3 ) 高压式气动量仪 工作压力的范围为0 0 5 m p a 1 5 k g f c m 2 ) 。 2 2 2 背压式气动测量基本原理 利用空气压力作为气动量仪的输出参数，可以很方便地实现测量信号的转换、 传输、采样，在生产实践中得到了广泛的应用。常用单气路背压式气动测量系统， 其原理图如下图2 1 所示： 图2 i 背压式气动量仪气路原理图 l - 气源2 过滤器3 进气阀4 减压器5 节流孔6 压力指示7 一测头 压缩空气从气源1 经过滤器2 滤清后由进气阀3 进入稳压器4 ，减压器后续 气路的压力稳定在p c 。压力为p c 的压缩空气经过节流孔5 流向测头( 通常为喷 嘴挡板机构，挡板一般即被测工件表面) ，并由测头流入大气。节流孔5 与气动测 头之间管段中气流的压力p x 被称为背压。当测头为喷嘴挡板时，背压p x 与喷嘴 挡板的间隙s 呈一一对应的函数关系。只要从压力指示部分6 读出背压p x 值就可 以获得被测参数s 的大小。 背压p x 可以通过传感器转换成电压或电流表示，应用电子技术和计算机技术 的最新成果，就可以设计出集自动采集、自动误差补偿、计算机显示、打印结果 8 硕l 学位论文 的智能化气动量仪。 背压p x 的指示有各种方式，其功能均是将背压的变化量a p x 转换成指示原件 ( 如指针、浮标、液柱等) 的移动量l 。 背压式气动量仪至少由两个转换环节( 或称放大环节) 构成，即 s 一p x 一l 其中，a s 是测量间隙的变化量，a s - - * a p x 称为气动变换环节，a p x - - * a l 称为 放大指示环节。背压式气动量仪的倍率也由这两个环节的传递函数所决定，即 k ：丝：丝盟 a s 瓴a s ( 2 1 ) 印l生 式中，a s 称为气动系统的变换倍率，蚬称为指示变换倍率。某些背压式 气动量仪，其放大指示环节还由若干个环节组成，但是所有背压式气动量仪，其 气动变换环节的工作原理都是相同的。 背压式气动变换环节如图2 2 所示。稳压后压力为p c 的压缩空气进入稳压气 室l ，经孔径为d 1 的主喷嘴2 进入背压气室3 后，由测量喷嘴4 和挡板( 被测工 件表面) 之间的间隙( 表示为s ) 流入大气。背压气室中的压力p x 与测量喷嘴挡 板之间的间隙s 的函数关系为：n = f ( s ) 。 气动变换环节的特性见图2 3 ，无论是低压、中高压或超高压工作压力，背 压气路的背压一间隙曲线( 特性曲线) ，一般均由粘性部、直线部、过度部和水平 部四段组成。 2 34 图2 2 背压式气动变换环节 1 稳压气室2 1 了流孔3 背压气室4 测量唢嘴 ( 1 ) 粘性部 当测量间隙很小时，由于空气粘性的影响，p x s 曲线呈明显的上凸形非线性 9 珩磨气动测最中的数据采集与处理系统研究 段，如图中o s 0 段。这一部分一般是不用的。 ( 2 ) 直线部 p x - s 曲线的中间部分( s o s 1 段) ，基本呈直线，表示背压p x 随测量间隙s 线性变化。s 0 - s i 段长度称为线性区范围，直线斜率为气动量仪的灵敏度。这一 段是气动量仪中可供使用的部分。 ( 3 ) 过度段 在直线部之后有一下凹形非线性段( s i - $ 2 ) ，这一段曲线上各点的斜率比直 线部的斜率小，而且是个变数，一般情况下不用。如果需要测量比较大的间隙时， 也可以使用，但需要修正，以保证测量的准确。 ( 4 ) 水平段 s 2 以后的部分，已经超出了测头的灵敏范围，p x 表示的是气室中的剩余压力， 它是与测量间隙无关的常数，因此不能使用。 o s 。s l s l s 图2 3 背压一间隙曲线( 特性曲线) o s o ：粘性部；s 0 s 1 ：直线部：s 卜s 2 ：过渡部；s 2 以后：水平部 2 2 3 差压式气动测量基本原理 差压式气动测量气路原理如图2 4 所示。由气源l 来的压缩空气经过滤器2 、进 气阀3 和减压阀4 后，具有恒定的压力p c ，分成两路流动。一路经主喷嘴5 和测量喷 嘴6 流入大气，另一路直接连入差压式传感器的高端气压输入端。显然气路是输入 的恒定压力p c 与测量腔压力p x 的差值： 印2 成一见 ( 2 2 ) 式中p c 一输入端的恒定压力： p x 一测量腔压力； 一般测量前调好减压阀4 后，p c 是常数，而测量腔压力p x 与s 呈一一对应的函 数关系，因此压力差apq s 也有一一对应的函数关系。当测头同定不动时，ap 的 变化就反映了间隙s 的变化，亦即反映了工件尺寸的变化。其函数关系式： 1 0 硕上学位论文 p 差= 见一f ( s ) ( 2 3 ) 图2 4 差压式气动测量原理图 1 气源2 过滤器3 进气阀4 减压阀5 主喷嘴6 喷嘴挡板机构7 差压式压力传感器 其中f ( s ) 为相同主喷嘴和测量喷嘴下的背压式气路p x 和s 函数：见2 ( 鼬，p c 为输入端恒定压力。所以差压一间隙特征曲线如图2 5 。 p 图2 5 差压一间隙特征曲线 l - 粘性部2 直线部3 - 过渡部4 - 水平部 与背压式气路相比，差压式气路的优点是可以减少由于减压阀输出压力p c 的 变动而引起的测量误差，另外，差压式气路可以实现差动测量。 2 3 气动测量系统机床坐标系的建立 对珩磨工件内表面进行形状判定，就要对工件内表面进行测量。我们非接触 式气动测量技引入到珩磨加工，把测量数据被珩磨系统所采集，前提要建立机床 坐标系。建立坐标系以然后合理布置测量点，经非接触式气动测量系统测量，便 于后续处理。我们建立坐标系有两种方法：以工件为基准坐标系、以机床为基准 珩磨气动测最中的数据采集与处理系统研究 建立坐标系。 2 3 1 建立工件测量坐标系 工件坐标系是在被测工件上建立的坐标系，是为了修正被测工件摆放位置误 差而建立起来的坐标系。它的作用等效于使用传统测量仪器在测量之前所做的精 确找正。所以一般要在测量前建立工件坐标系。对于珩磨工件而言就是在建立缸 体上建立坐标系。建立工件坐标系分为三步：零件的找正、旋转到轴线、设置原 点。常用的工件坐标系建立方法主要有三二一法、一面两直线法、三平面法、多 点拟合法、迭代法、最小二乘法等1 5 0 l 。我们就三二一法工件坐标系进行探讨。三 二一法建立坐标系的过程： ( 1 ) 在零件基准面上采三个以上的点确定基准平面的法向，将其作为待建工件 坐标系的第一轴方向： ( 2 ) 在零件基准线上测量两个以上的点，将拟合成的直线方向或直线在基准平 面上的投影方向( 当拟合直线不在基准平面上时) 作为待建工件坐标系第二轴的方 向，基准线一般为零件的孔或轴的轴线： ( 3 ) 在零件上采样一个基准点。当测量元素为点时，求点在2 所测轴线在基准 平面上的投影线上的投影点，将其作为待建坐标系原点，当测量元素为圆或者球 时，将圆心或球心误差分析及减小方法设置为待建坐标系原点； ( 4 ) 将第一轴的方向矢量和第二轴的方向矢量叉乘得到第三轴的方向矢量。至 此，工件坐标系的全部信息便完全确定。 此种方法与零件装夹定位的六点限制自由度法相一致，是一种应用广泛、操 作方便的工件坐标系建立方法。主要应用于零件坐标系位于工件本身，并在机器 的行程范围内能找坐标原点的比较规则的工件。但由于零件加工误差的存在，点 的选择好坏直接影响了坐标系的建立精度。此外，当三坐标测量机没有c a d 图 形显示与操作功能时，用此种方法建立测量坐标系，坐标原点的位置不容易控制， 还需要进行后续的调整与再定位工作。 2 3 2 建立机床测量坐标系 数控机床自身坐标系。如果没有任何传感器被校准并没有产生零件基准，那 么当前的坐标系是相对于机器坐标系的。它以珩磨头的回零点作为坐标原点。 本文所提到的机床坐标系，可以理解为基准坐标系。基准坐标系又称绝对坐 标系，它是以珩磨机上某一固定不变的点为基准建立的一个参考基准。在变换了 测头，甚至在关机后重新启动的情况下，仍能根据它重新恢复各元素之间的位置 关系。 在测量对于珩磨工件的加工，例如：以立式半自动m b 4 2 2 0lo ，珩孔直径 5 0 2 0 0 m m ，珩孔长度1 0 0 0 m m ，机床行程长度1 1 5 0 m m ，机床工作台为移动式。 1 2 硕士学何论文 我们建立机床坐标系：以珩磨头在上止点时，中心位置o 点为坐标原点。如图2 6 为结构示意图。 2 4 本章小结 密嘉头 标准环 工件 ll k z 门酬 乡 i ， 图2 6 机床坐标系 光榜尺 本章主要介绍了珩磨加工的特点和原理，从加工特点的角度说明了珩磨的特 性，介绍了气动测量按压力分为背压和差压两种，并分别介绍了两种的方式的优 缺点，由于差压式较背压式有更好的抗干扰性和测量稳定性，因此选择差压式测 量，基于以前坐标系研究的基础，建立了珩磨工况下的机床坐标系。 珩磨气动测最中的数据采集与处理系统研究 第3 章气动测量系统中的孔型判定理论 3 1 珩磨加工过程的划分 根据珩磨加工的特点，内孔珩磨加工过程都大致相同，常见主要分为预珩、 粗珩、精珩等，可将加工过程分为以下三个阶段，气动测量系统所起的作用为： ( 1 ) 预珩 预珩阶段气动测量的主要任务为进行多截面测量，测量内容是对标准环进行 标定，确定工件的原始宏观现状，确定是否修珩和修珩时的修珩策略。 ( 2 ) 粗珩 粗珩时气动测量系统进行动态测量，主要动态检测工件的尺寸，直到珩磨工 件达到设计尺寸精度要求，并判定圆度圆柱度。 ( 3 ) 精珩 精珩阶段主要是在缸孔内壁栏网纹，珩磨头不再进行切削加工，气动测量系 统不测量。 随着机床加工业的发展，缸孔加工中使用的铰刀、镗削等工艺获得了很大的 发展，使得在珩磨加工前大大提高了缸孔内壁工艺质量，缸孔内壁已较少出现如 彩虹型，s 型这类特殊的形状。根据申报书和项目参数要求，将珩磨加工划分为 以下四个阶段，气动测量所起的作用为： ( 1 ) 一级粗珩，去量 此级珩磨过程中，采用模拟量测量，只要量仪测得“量规值一0 o l o ”，停止此 级珩磨。“量规值 由量规确定。 ( 2 ) 二级粗珩，拉网纹 此级珩磨使用量仪控制，只要量仪测得“量规值- 0 0 0 5 ，停止此级珩磨。 ( 3 ) 一级精珩，平项珩 使用时间控制，3 5 s 完成，气动系统不测量。 ( 4 ) 二级精珩，光缸 使用时间控制，5 z o s 完成，气动系统不测量。 由珩磨加工阶段的划分可以看出，气动测量系统只在一级粗珩和二级粗珩时 工作，进入到栏网纹和光缸阶段，气动测量系统停止工作。( 1 ) ( 2 ) 步骤中的数 据是机床使用中的取值，在单独研究气动测量系统特性时，不使用这些数值，这 样可以在气动测节系统中提出更高的要求，加丁过程的划分依旧作为本文研究的 参考。 1 4 硕上学何论文 3 2 内孔形状的判定方法研究基础 珩磨气动测量系统对内孔直径的测量，是通过先与机床标准环进行比较，获 得测量的标定标准值，再与内孔中测得的值比较，获得间隙值和直径值，假定测 量取三个截面值如图3 1 所示： 标准环 d a b c 图3 i 标准环与工件内孔简图 测量过程中，气动系统先对d 截面气压进行标定，作为一个基准测量值，再 测量a 、b 、c 等截面的间隙或直径值，再通过数据处理系统获得缸孔形状和公差 数值。 3 3 三截面判定方法 所谓三截面测量方法，我们定义为：在珩磨气动测量系统中，加工测量时一 次行程中取内孔三个截面的数值，用于判断内孔形状和特点的测量方法。 对三个截面值排序，可以得出可能出现的缸孔形状为如图3 2 所示，可出现 平整腰型鼓型上大下大 ) 2 3 l a2 a3 平整 上大 下小 1 a2腰形 三截面测量的优点在于测量判断过程简单，速度快，可用于在线气动测量系 统在实际中得到了广泛应用。以德国格林公司的圆柱形状自动修正装置的数控珩 磨机为例：它就是在珩磨加工中不断测量工件a 、b 、c 三点，并自动统计比较 a b ，b c ，a c 的数值，当零件尺寸或锥度误差超出系统控制范围时，能发出讯 号反馈控制进给量及行程位置，同时采用基准环( 标准环) d 补偿温度变化的影 响。自动控制系统还可以将最终检验结果自动打印，自动统计，零件分类。并能 通知下一序机床控制其生产配偶件的尺寸。 3 4 五截面判定方法研究 3 4 1 截面选择论证 珩磨加工中，工件的测量数据由气动测量系统获得。测量头在工件内孔中选 择合适的测量点采集数据，不同位置的采集点就构成了截面测量。目前常见的是 三截面测量就是因测量数据主要来自上、中、下三个采集点，三截面测量的优点 是简单、速度快、准确。三个截面以上的测量我们都称为多截面测量，命名以截 面数量来取定。当加工的深孔零件时，三截面测量数值就显得过少，故考虑使用 更多的截面测量，即多截面测量，那么选几个截面较为合理呢? 下面依次说明： ( 1 ) 选取四个截面 选择四个截面测量时发现，处理数据在判断内孔形状时由于几何中间截面没 有数据，加大了形状判断的难度，对内孔加工控制系统的意义不大，固不选择四 截面。 ( 2 ) 选取五个截面 选取五个截面测量，保持了三截面的优点，也可使加工换向点的准确性大大 1 6 硕上学何论文 提高。按照三截面的孔型判定方法，每个截面可出现5 种位置情况，总共可出现 上百种种孔型，若用程序实现速度慢切效率低下，所以若选五截面测量则须将截 面情况简化，此部分在下一小节将重点说明。 ( 3 ) 选取六个截面及以上 选择六个截面的情况与四截面相似，中间位置没有截面取测量数据，不便孔 型的判断和公差数值的修正，此外，六截面及更多截面出现的内孔形状过多，不 利于加工中控制系统的及时控制，不选择使用。 由以上三点可以看出，深孔加工时截面的选择不能过少，也不能过多。截面 过少无