毕业设计（论文）-外圆磨床横向磨削进给系统的数字化改造.docx

摘要摘 要本文主要介绍了普通外圆磨床横向磨削进给系统的数字化改造。利用单片机对步进电机的控制,控制磨床横向磨削的进给,使磨床的磨削加工达到自动化控制。通过对外圆磨削加工过程的分析，从简化的单个磨粒的切削状态出发，建立了外圆横向磨削加工过程中切向磨削力、磨削力依赖于时间变化的横向磨削力的数学模型，外圆横向进给磨削过程总进给量及磨削深度的数学模型。通过改变磨削控制进给量，从而提高磨削阶段的磨削效率。介绍了可编程控制器(PLC) 改造磨床原有的接线方法，外圆横向磨削微机控制系统的工作原理、硬件和软件设计、磨削过程中磨削功率的监控系统及加工轴的工件及尺寸精度在线检测系统的设计。改造后的机床实现了机床的自动化控制和数控检测，达到磨削加工低成本、高效率的生产目的，在可靠性和维护等方面比继电器逻辑控制有很大优越性。关键词：外圆横向磨削 控制系统 数学模型 自动化控制 数控检测 II英文摘要IAbstract This article mainly introduced the plan grinding machine crosswise grinding to feed system digitized transformation. To step-by-steps the electrical machinery control using the monolithic integrated circuit，controls the grinder crosswise grinding to feed, enables the grinder the abrasive machining to achieve the automated control.Through to the cylindrical grinding processing process analysis, embarked from the simplification single abrasive cutting condition, establishes in the outer annulus crosswise abrasive machining process the tangential grinding strength, the grinding strength has relied on the time variation crosswise grinding strength mathematical model, the outer annulus plunge feed process total to feed quantity and the grinding depth mathematical model. Through change grinding control to feed quantity, thus enhances the grinding stage the grinding efficiency. Introduced the programmable controller (PLC) transformation grinder original wiring method, the outer annulus crosswise grinding microcomputer control system principle of work, the hardware and in the software design, the grinding process the grinding power supervisory system and the processing axis work piece and the size precision online examination system design. After the transformation engine bed has realized the engine bed automated control and the numerical control examination, achieved the abrasive machining low cost, the high efficiency production goal, in aspects and so on reliability and maintenance has the very big superiority compared to the relay logic control. Key word: Outer annulus crosswise grinding Control system Mathematical model Automated control Numerical control examinationVIII目录 目录目录I第1章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 课题的提出和研究的意义21.3 课题研究的主要内容2第2章 磨削过程基本参数模型的建立42.1 外圆横向进给磨削过程磨削力和磨削功率模型的建立42.1.1 引言42.1.2 外圆磨削过程磨削力及计算方法52.1.3 外圆磨削过程磨削力模型建立52.2 外圆横向进给磨削过程总进给量及磨削深度模型的建立12第3章 基本参数模型仿真173.1 磨削过程基本参数模型计算机仿真流程图183.2 磨削过程基本模型计算机仿真结果输出203.2.1 磨削深度及总进给量的计算机模拟213.2.2 磨削过程中总磨削力及磨削功率的计算机模拟22第4章 外圆横向磨削控制系统设计234.1 横向进给伺服系统设计234.1.1 步进电机的使用特性244.1.2 SH-2H090M型四相混合式步进电机驱动器284.1.3 8051单片机294.1.4 存储器ROM和RAM314.1.5 8255A可编程并行接口334.1.6 输入显示模块344.1.7 可编程序控制器PLC364.2 功率测试系统设计374.2.1 数显功率表374.2.2 数模转换器A/D0809374.3 被磨工件尺寸监测系统设计38ii第5章 外圆横向进给磨削控制系统的软件设计445.1 采样程序445.2 控制程序45第6章 结论49参考文献49致 谢51附 录52iii第1章 绪论I 第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题研究的背景随着科技的进步，人们对零件的制造精度和表面粗糙度的要求不断提高，磨削作为金属加工过程中用于终加工的精度加工方法，它的应用范围越来越广，已在高效及高精密加工领域中占有重要的一席之地。据统计，在轴承厂，磨床总台数占机床总台数的40%-60%，汽车厂达25%，一般机床厂也达15%左右。这进一步告诉人们对磨削过程和磨削机理的深入研究具有十分重要的现实意义，同时也暗示了寻求低成本，高效率和高精度磨削加工控制策略的迫切性。磨削加工是极为复杂的，磨削参数、磨削系统的机械性能、磨削力、磨削功率、磨削接触区温度、磨削热源表面最高温度、工件温度、工件表面粗糙度、工件圆度以及砂轮形貌等都随着磨削过程的进行而动态地发生变化。磨削加工的复杂性和磨削过程的不确定性决定了以往对磨削过程的研究存在以下主要问题:(1) 描述磨削过程基本数学模型的局限性过去许多反映磨削过程的基本模型都是建立在经验或实验的基础之上的，它们仅能用于一般情况所需要的对磨削结果的估算。但由于磨削过程的影响因素繁多，这些数学模型不可能将所有因素包含进去，而且人们为了简化计算，往往把非线性的问题线性化，这些都势必会影响磨削模型的精确性，也不利于对磨削结果的理解。(2) 昂贵而繁重的实验工作由于上述磨削模型是建立在经验或实验基础之上，磨削模型的局限性必然导致在某一特定磨削状态下的磨削结果往往不能再次应用于力磨削过程，致使实验工作繁重,浪费大量人力物力，也不利于对磨削过程中的各种规律的掌握。(3) 难以实现对磨削过程的控制由于描述磨削过程的各个磨削模型缺乏对时间的依赖性，它们不能反映磨削过程的变化，因而很难利用这些磨削模型来控制整个磨削过程，实现对磨削过程的完全自动化控制。(4) 磨削效率低下由于缺乏对磨削过程基本规律的理解和受到工件烧伤极限的限制，人们往往在无烧伤的情况下寻求高效的磨削加工控制策略。这必然导致传统磨削过程的磨削控制进给速度远远低于磨削允许的极限进给速度,因而磨削效率极低。1.2 课题的提出和研究的意义针对上述对磨削过程研究所存在的主要问题,为了达到磨削加工低成本、高效率及高精度的生产目的,满足更富有柔性的磨削加工生产需求，近年来人们在磨削加工自动化、各类高效磨削加工技术的开发等方面做出了空前的努力。随着计算机技术的飞速发展，计算机在磨削加工领域中的应用已越来越广泛，虚拟磨削技术和智能磨削系统等概念的出现给磨削加工领域的研究注入了新的生机。在磨削加工过程中，由于计算机的参与，一方面使过去的磨削加工中许多难以计算的问题变的简单化，描述磨削过程的数学模型完全可以是多参数、非线性的，使模型的精度可以得到很好的保证；另一方面，由于计算机仿真技术的应用，使过去只能通过实际的磨削实验才能获得的磨削结果完全可以通过计算机仿真来完成，因而可以大大减少磨削实验的次数，达到低成本、高效率和高精度磨削加工的目的。未来的磨削加工应该是在实际磨削过程没有进行之前，首先利用计算机来模拟整个磨削过程，通过计算机仿真和优化预先模拟出能够应用于实际磨削过程的最佳磨削方案和优化控制策略，实现磨削加工完全自动化的目的。本课题正是基于上述目的而提出的，重点在磨削过程建模，优化和自动控制等方面展开研究工作。1.3 课题研究的主要内容（1）外圆磨削横向进给伺服系统设计通过单片机8031控制输出脉冲信号给步进电机驱动器，由驱动器驱动步进电机，带动同步齿形带、丝杠螺母机构等组成的伺服系统来驱动砂轮架进给机构。（2）主运动电机功率检测系统设计主运动电机的单极功率信号经功率表变送输出为4-20mA的电流信号,经串接标准电阻被转换成电压信号后送给A/D卡，通过控制程序的采样子程序进行数据采集。（3）工件尺寸精度在线检测系统设计电涡流传感器的测头表面平行于工件的被磨表面，随着磨削过程的进行，二者间隙值增大，其间隙值即为磨削过程的实际总进给量。测得的电压信号经A/D卡送给控制程序的采样子程序进行数据采集。（4）外圆横向进给磨削控制系统的软件设计4 第2章 磨削过程基本参数模型的建立第2章 磨削过程基本参数模型的建立2.1 外圆横向进给磨削过程磨削力和磨削功率模型的建立 2.1.1 引言 磨削力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。研究磨削力的目的，在于搞清楚磨削过程的一些基本情况，它不仅是磨床设计的基础，也是磨削研究中的主要问题，磨削力几乎与所有的磨削有关系。 为便于分析问题，磨削力可为相互垂直的三个分力，即沿砂轮切向的切向磨削力，沿砂轮径向的法向磨削力以及沿砂轮轴向的轴向磨削力。一般磨削中，轴向力。较小，可以不计。由于砂轮磨粒具有较大的负前角，所以法向磨削力大于切向磨削力通常在153范围内(称为磨削力比)，需要指出一点的是，磨削力比不仅与砂轮的锐利程度有关，且随被磨材料的特性不同而不同。例如磨削普通钢料时，1618;磨削淬硬钢时，=1.926；磨削铸铁时。2732；磨削工程陶瓷时，3522。可见材料愈硬愈脆磨削力比愈大。此外的数值还与磨削方式等有关。 磨削力与砂轮耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等均有直接关系。实践中，由于磨削力比较容易测量与控制，因此常用磨削力来诊断磨削状态，特此作为适应控制的评定参数。 磨削力和磨削功率的计算在实际工作中是很重要的，它们不仅是机床设计和工艺改进的主要依据，而且是磨削稳定性分析及磨削烧伤的重要影响因素，因而它们也是对整个磨削过程进行优化的最重要的约束条件。本节首先要建立外圆横向进给磨削过程中的磨削力和磨削功率的数学模型 2.1.2 外圆磨削过程磨削力及计算方法 外圆磨削加工中磨削力可分解为切向磨削力、法向磨削力和轴向磨削力。法向磨削力影响磨削中工件的弹性变形、振动、磨削余量以及加工精度；切向磨削力直接影响磨削中功率的大小；对于轴向磨削力来说，虽然从一个磨粒的角度来看，这个分力很大，但由于各磨粒具有随机分布的正负倾角，而使其各分力相互抵消，因此作为总磨削分力就表现不出很大值，与前两个分力相比是很小的。这里对轴向磨削力忽略不计。目前，磨削力的计算方法主要有两类：一是根据实验整理出来的经验公式来进行磨削力的计算。用此种方法一方面须作大量的实验，工作量很大；另一方面，由于磨削加工的情况复杂，加工条件导致磨削力变化较大，这类公式的通用性受到很大的限制。二是用因次解析法和实验相结合的方法建立通用的磨削力计算公式，它能将磨削过程中的主要因素概括到模型当中去，比较全面。本论文从原始的理论出发，采用单个磨粒的磨削力与砂轮接触面总的有效磨粒数相结合的方法，同时利用前人的实验结果导出更为实用有效的依赖于时间变化的横向磨削力计算公式。 2.1.3 外圆磨削过程磨削力模型建立其具体的推导过程如下：首先，从简化的单个磨粒的切削状态着手进行讨论，假设砂轮每个磨粒的尖端前后依次排列在砂轮的同一圆周上,且磨粒形状为具有一定顶角的圆锥,其中心指向砂轮的半径方向。现仅考虑一个磨粒平均磨削深度为 的情况，参见图2.1。并且考虑和图中切削方向成角的微小面积OAB(ds)，计算作用在其上的磨削力。如图2.1所示：在切削方向的分力在垂直方向的分力圆锥的半顶角。首先设作用于垂直切削方向单位面积上的切削力为，此即单位磨削力。图 2.1作用于磨粒上的磨削力则有： （2.1.1）的分布如图2.1右下方中虚线范围所示，图中磨粒为具有一定锥角的圆锥,中心线指向砂轮的半径，且圆锥母线长度为，则接触面积 （2.1.2）将式（2.1.2）代入式（2.1.1） （2.1.3）故有如下公式： （2.1.4）故平均每个磨粒的切削分力为： （2.1.5）式中：平均每个磨粒的切向分力平均每个磨粒的法向分力即有： （2.1.6）对上式进行积分得： （2.1.7）75 图 2.2平均切削断面积与的计算又参见图2.2有： （2.1.8）式中：平均切削断面积每个磨粒的平均磨削深度每个磨粒的平均切削宽度其中： （2.1.9）式中：砂轮的磨削深度有效磨粒间隔工件圆周速度V砂轮圆周速度r工件半径R砂轮半径若设则有： （2.1.10）由图2.2可知：b=B1-(x/2X)单个磨粒的切削宽度单个磨粒的切削厚度又由于磨粒尖端E到达线上的任何位置的机率相等，所以：所以： （2.1.11）则磨粒的平均切深为： （2.1.12）将（2.1.12）代入式（2.1.7）得： （2.1.13）则磨削过程双向总磨削力为： （2.1.14）式中：j为同时磨削的磨粒数。下面求出同时磨削的磨粒数j 。首先求出外圆磨削时的接触弧长，见图2.3 。 图 2.3 接触弧长虽然在外圆磨削过程中实际接触弧长为 P B C ,但由于弧 PB 非常小,以弧长BC 代替实际接触弧长。由于 （2.1.15） （2.1.16） （2.1.17） （2.1.18） （2.1.19）代入式(2.1.15) ,得 （2.1.20）设接触弧长为,则 （2.1.21）在外圆纵向磨削过程中,设纵向进给速度为 ，工件每转纵向进给量为b。在不考虑砂轮磨损时,整个砂轮磨削深度都是由宽为b的砂轮前缘完成的。则在图2.3的接触弧PC 中的磨粒数,即同时磨削的磨粒数 将j、及式（2.1.13）代入(2.1.14)，则得总的磨削力公式为： （2.1.22）由上式可见，若要求得总磨削力及，则必须求出单位磨削力，即磨粒的受力，现仅考虑一个磨粒的切向磨削力的求法。 （2.1.23）其中与是具有不同意义的单位磨削力，是作用于磨粒上的磨削力，而则是作用与切屑上单位截面上的磨削力。则根据式（2.1.9）及（2.1.23）并将j代入式（2.1.14）得： （2.1.24） 无论是从磨粒受力的角度考虑，还是从切屑受力的角度考虑，最终总的磨削力应该是相等的。 故比较（2.1.22）及（2.1.24）得：即： （2.1.25）又根据实验得： （2.1.26）其中：k与材料有关的系数约为0.20.5将（2.1.9）代入式（2.1.26）得： （2.1.27）将上式代入式（2.1.22）则得最终总的磨削力计算公式： （2.1.28）当切向磨削力被计算出来以后，磨削功率就可以被计算和描述，其数学模型如下： （2.1.29）2.2 外圆横向进给磨削过程总进给量及磨削深度模型的建立 磨削模型的多参数和磨削过程的复杂性决定了计算机仿真技术应用于磨削过程的重要性。如果利用计算机仿真技术，在实际磨削之前利用计算机模拟并优选出最佳的磨削方案。大大降低了磨削试验的次数。传统的磨削过程由于受到磨削系统和工件烧伤极限的限制，实际的磨削控制进给速度要比磨削允许的进给速度低得多，这无疑大大降低了磨削效率。有人提出了一种磨削力控制策略来优化磨削循环，有人提出了通过设置超调量和进给系统回撒策略来加速光磨过程。但是他们所利用的磨削模型都建立在经验或试验基础之上，缺乏对时间的依赖性，不适应磨削循环的变化。 由于在外圆连续横向进给的整个磨削过程中，磨削深度随着磨削加工的进行是时刻发生变化的，这必然导致总磨削力、总磨削功率等也时刻发生变化，为了能够建立系统的、依赖于时间变化的描述磨削过程的各个数学模型，同时也为了能够对这些模型进行计算机仿真，必须要推导出依赖于时间变化的磨削深度的数学模型。因此，本节将进一步建立外圆连续横向进给磨削过程中依赖于时间变化的实际磨削深度及实际总进给量的数学模型。由公式（2.1.28）可见，当磨削过程稳定之后 基本上等于常量，故 也基本接近常量，设其为。则有： （2.2.1）又当较小时，所以有： （2.2.2）工件砂轮图 2.4外圆横向进给磨削系统参见图2.4，设磨削系统的等效刚度系数为，则有下式成立： （2.2.3）其中：机床系统刚度工件刚度砂轮与工件接触刚度图 2.5外圆横向进给磨削系统图解又根据磨削系统的动力学理论，参见图2.5，由于系统偏移和砂轮磨损而导致实际总进给量滞后于控制总进给量，所以磨削系统可表示为如下的微分方程： （2.2.4）其中： 分别为控制总进给量和控制进给速度、分别为实际总进给量和实际进给速度、弹性变形引起的偏移量和偏移率、为砂轮磨损引起的偏移量和偏移率则有： （2.2.5）其中：工件直径砂轮直径G与砂轮磨损有关的磨削比又由： （2.2.6）其中：工件转速所以： （2.2.7）将式（2.2.5）及式（2.2.7）代入到式（2.2.4）中，则得如下微分方程： （2.2.8）令： 与砂轮磨损有关的系数 系统时间常数则有： （2.2.9）其中：为砂轮架横向进给时的控制进给速度，当处于粗磨阶段时，通常为一常量，当处于光磨阶段时，。对于粗磨阶段，解微分方程（2.2.9）则得t时刻总的实际进给量r(t)为： （2.2.10）又由实际磨削深度为，故有对应于t时刻的砂轮实际磨削深度为：为： （2.2.11）当经过时间进入光磨阶段以后，即时，砂轮架的控制进给速度，此时式（2.2.9）即为： （2.2.12）解此微分方程并代入粗磨结束时的边界条件：则得光磨阶段t时刻总的横向进给量及磨削深度为： （2.2.13） （2.2.14）由此可见，根据公式（2.2.11）及（2.2.14）可求出磨削整个过程中任意时刻t所对应的磨削深度，将磨削深度代入公式（2.1.20），即可求出外圆横向连续进给磨削过程中时刻t所对应的瞬时磨削力及，从而磨削功率也可以被计算。此外，在计算磨削加工过程中的磨削总进给量、磨削深度、磨削力、磨削功率等的数学模型时都涉及到系统时间常数。它直接反映了磨削系统的磨削抗力和弹性变形性能，而且它还是描述磨削系统时间滞后的主要因素。由系统时间常数的定义可以看出，它不仅与机床系统有关，而且与砂轮和工件组成的磨削系统自身有直接的关系，所以对于不同的磨削过程它的值是不同的。如果用前面所述的方法来计算系统时间常数是很烦琐的，因而在此通过试验的方法给出系统时间常数。具体的试验和推导过程如下：参见式（2.2.10），对于粗磨阶段为恒进给的外圆磨削过程来说，当忽略砂轮磨损时，粗磨阶段在时间t时刻的实际总进给量可表示为： （2.2.15）而控制总进给量可表示为： （2.2.16）因此在t时刻工件的偏移量可表示为： （2.2.17）从该式可以看出，当磨削时间足够的情况下，式中的后一项足够小，可以被忽略。因此式（2.2.17）即变为： （2.2.18）由于磨削过程没有进入光磨阶段，因此在粗磨阶段工件的尺寸误差主要源于磨削系统偏移量。所以在试验中，粗磨阶段进行一定时间t后，测量出工件的径向去除量即可得出工件的偏移量为： （2.2.19）所以系统时间常数为： （2.2.20） 第3章 基本参数模型仿真 第3章 基本参数模型仿真在第二章中，已经建立了外圆横向进给磨削过程依赖于时间变化的磨削总进给量、磨削深度、总的双向磨削力、磨削功率的数学模型。显然，磨削模型的正确性及其精度必然会对磨削过程的优化产生极为重要的影响。因此，本论文首先通过计算机仿真来检验所建磨削模型的正确与否，并通过计算机模拟来研究磨削加工的基本规律。由第二章可知，所有这些磨削模型都是依赖于时间连续变化的，这正是能将所有模型集成在一起进行计算机仿真的前提条件。此外，在磨削过程当中，磨削深度是影响磨削力、磨削功率的重要因素。因此，首先将磨削深度模型通过计算机模拟，计算出依赖于时间变化的磨削深度值，输入到其他磨削模型中，即可对整个磨削过程进行全面的、系统的计算机仿真。3.1 磨削过程基本参数模型计算机仿真流程图 对磨削过程进行计算机仿真，首先应对仿真的综合轮廓有一个具体的系统的设计，整个仿真流程图主要包括以下几个部分：（1）磨削过程仿真参数的采集及输入（2）磨削过程数学模型的建立及仿真程序的编制（3）磨削过程仿真结果的输出磨削过程基本模型的计算机仿真流程图参见图 3.1。其中：总的磨削时间、分别为粗磨时间和光磨时间设定的磨削过程计算机仿真总的采样点数粗磨阶段的采样点数光磨阶段的采样点数采样计数器第个采样点所对应的磨削时间下一步与预想是否吻合？输入修整参数、NNNNYYYY考虑砂轮磨损?考虑砂轮修整?考虑磨削振动?考虑工件形貌?系统刚度等切削液参数、组织特性型号尺寸参数材料硬度工件磨削参数、采集并输入仿真参数输入磨削比输入振动参数机床砂轮输入形状参数磨削进给模型、磨削深度模型光磨阶段粗磨阶段、磨削过程仿真数学模型NY输出仿真曲线图 3.1 磨削过程基本模型仿真流程图、分别为时刻所对应的磨削总进给量、磨削深度、切向磨削力、法向磨削力、磨削功率的数学模型。3.2 磨削过程基本模型计算机仿真结果输出根据磨削过程基本模型的计算机仿真流程图，首先采集并输入仿真过程中的主要参数，一些常用参数见表 3.1 。表 3.1 仿真参数切削力常数k=165kg/mm砂轮与工件接触刚度Ka=500kg/mm砂轮修整深度ad=0.015mm工件直径dw=59mm工件长度59mm机床系统刚度Km=1000kg/mm粗磨时间10s砂轮修整导程sd=0.08mm总采样点数N=200工件系统刚度Kw=300kg/mm光磨时间10s砂轮直径ds=200mm磨削比G=18.1磨粒间隔w=18.1常数因子=0.5采样点数N1=100采样点数N2=100磨削宽度磨粒半顶件角比例系数=0.8散热系数工件密度工件比热经验常数经验常数系统时间常数与砂轮磨损有关的系数磨粒直径热功当量通过编制计算机仿真程序，可以得出外圆横向进给磨削过程中基本模型的计算机仿真输出结果如下： 3.2.1 磨削深度及总进给量的计算机模拟根据式(2.2.10)、(2.2.11)、(2.2.13)及(2.2.14)，通过编制计算机仿真程序可得出磨削深度及总进给量的计算机仿真曲线（如图 3.2及图3.3）。其中，需要输入的磨削参数见表3.1及表3.2。表 3.2 砂轮参数砂轮速度工件速度粗磨控制进给速度光磨控制进给速度V=33m/sv=0.25m/s=0.015mm/s=mm/s从图3.2可知，在控制进给速度一定的情况下磨削深度并不是一个常量。在粗磨阶段，磨削深度是逐渐增加并趋于稳定值，这主要是由于机床系统、砂轮及工件系统的弹性变形造成的相对让刀而引起的。进入光磨阶段之后，虽然控制进给速度为零，但由于工艺系统的弹性恢复，磨削深度是逐渐减小并趋近于零。图 3.2磨削深度与时间仿真曲线 图 3.3磨削总进给量与时间曲线观察图3.3可知，由于磨削工艺系统的弹性变形和砂轮的磨损，磨削过程的实际总进给量（图中曲线2、3）总是滞后于控制总进给量的。当忽略砂轮磨损时，磨削实际的总进给量（图中曲线2）随着光磨时间的延长可以无限地接近并最终到达控制总进给量。但实际上，由于砂轮的磨损，无论光磨时间多么长，实际的总进给量（图中曲线3）都不会等于控制总进给量。 3.2.2 磨削过程中总磨削力及磨削功率的计算机模拟将磨削深度的数据值输入到双向磨削力及总磨削功率的数学模型(2.1.28)、(2.1.29)的计算机仿真子程序当中，通过计算机模拟，即可得出总的双向磨削力的计算机仿真曲线（如图3.4）及磨削功率的计算机仿真曲线（如图3.5）所示。仿真程序当中所用的磨削参数同上。磨削功率（W）总磨削力（N）1法向磨削力2切向磨削力时间（S）图 3.4总磨削力与时间关系仿真曲线 图 3.5磨削功率与时间关系的仿真曲线由图可见，对于只含有粗磨过程和光磨过程的整个磨削过程可分为三个主要阶段：初磨阶段、稳定磨削阶段和光磨阶段。在初磨阶段，总磨削力和磨削功率都迅速增加，这主要是由于磨削深度逐渐增加的缘故。进入稳定磨削阶段，由于磨削深度变化较小，故总磨削力和磨削功率都基本上接近于常数。而进入光磨阶段之后，由于磨削深度逐渐趋近于零，所以总磨削力和磨削功率亦逐渐趋于零。第4章 外圆横向磨削控制系统设计第4章 外圆横向磨削控制系统设计要实现砂轮架快进、粗磨、精磨 光磨、复位自动化，必须将手动进给改为自动进给伺服驱动。因此将原传动装置的手动轮改用步进电机驱动，完成工作进给，在线实时测量选用差动电感位移传感器，系统中设计了一个性能稳定的信号转换放大电路。将01mm位移量转换成05 V直流电压信号。控制中心选用高性能8051单片机，并配有数码管显示，非编码功能键共24个，实现人机对话功能，电路接线图采用PLC接线控制。工作原理是：由CPU 给出砂轮架进给信号，通过IO 接口，功放驱动步进电机，实现砂轮架前进、后退及微量进给。磨削加工余量尺寸由传感器测出经信号转换、放大后输入8位AD0809转换器。数据经CPU 处理，转化成可执行脉冲输出到IO 接口，实现反馈闭环控制。4.1 横向进给伺服系统设计如图4.1为外圆横向进给磨削过程伺服系统的接线原理图。单片机设定的控制程序输出脉冲信号给步进电机驱动器。由步进电机驱动器驱动步进电机，电机带动同步齿型带，通过机床内部的丝杠、螺母等机构组成的伺服系统来驱动砂轮架进给机构。 图 4.1横向进给系统 第4章 外圆横向磨削控制系统设计4.1.1 步进电机的使用特性 1.主要性能指标 (1)步距角及步距精度 步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一能为一。一般情况下，步距角越小，加工精度越高。步距精度是指理论的步距角和实际的步距角之差，以分表示。步距精度主要由步进电机齿距制造误差、定子和转子间气隙不均匀、各相电磁转矩不均匀等因素造成。步距精度直接影响工件的加工精度以及步进电机的动态特性。 （2）启动频率(突跳频率)与启动惯领特性 空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不失步的正常运行所允许的最高启动频率，称之为启动频率或突跳频率，用表示。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。与负载惯量有关，一般说来随着负裁惯量的增长而下降。启动惯频特性即指负载转矩定时，启动频率随负载惯量变化的特性。启动惯频特性示于图4.2中，它反映了电机跟踪的快速性。 图4.2 (3)连续运行频率 步进电机连续运行时，如输入脉冲频率逐渐升高仍能保证不丢步运行的极限频串，称为连续运行频串。有时称为最高连续频率或最高工作频率记作。连续运行频率远大于启动频率，这是由于启动时有较大的惯性扭矩并需要一定加速时间缘故。目前值的世界水平己达7000rmin。在最高工作频率或大于突跳频率的情况下，要使电机停止，脉冲速度必须逐步下降。同样当要求电机的工作领车大于突跳频率时，脉冲速度必须逐步上升。这种加速和减速时间不能过小，否则会山现失步或超步。这项指标反映了步进电机的最高运行速度。 2. 静态特性 所谓静态是指步进电机通的直流电流为常数且转子不动时的定位状态。静态特性主要是静态矩角特性，最大静态力矩，还有启动力矩。 空载时，若步进电机某相通以直流电流，则该相对应的定、转子的齿槽对齐。这时转子上没有力矩输出。如果在电机轴上加一逆时针方向的负载力矩M，则步进电机转子就要逆时针方向转过一个角度才能重新稳定下来。这时转子上受到的电磁力矩和负载力矩M相等。称为静态力矩，角称为失调角。的曲线称为力矩失调角特性曲线，又称矩角特性，如图43所示。若步进电机各相矩角特性差异过大，会引起精度下降和低频振荡，这种现象可以用改变某相电流大小的方法使电机各相矩角持性大致相同。曲线的峰值叫做最大静态力矩并用表示。愈大，自锁力矩愈大，静态误差愈小。静态力矩和控制电流平方成正比。但当电流上升到磁路饱和时，曲线上升平缓。一般说明书上的最大静态力矩是指在额定电流和规定通电方式下的。由图4.3还可以看出，曲线A和B的交点所对应的力矩是电机运行状态的最大启动力矩。随着电机相数的增加也增加。当外加负载超过时电机就不能启动。 这项指标反映了步进电机的负载能力和工作的快速性。值愈大，电机带负载愈强，快速性愈好。 图4.3矩角特性3 动态特性 步进电机的动态特性对快速动作及工作可靠性影响很大，与其本身的待性、负载特性、驱动方式等有关。 当控制脉冲的转换时间大于电机的过渡过程时，电机呈步进运动状态，即断续运行状态。 当控制脉冲的频率和步进电机的固有频率相同时，步进电机则合发生共振现象，破坏电机正常运行。因此除改变电机结构外，在应用时应根据加工条件选择适当相数的电机，合理的运行方式，并在步进电机铀上增加足够的阻尼，如加消振器以减轻振动，消除失步。 当控制脉冲的转换时间小于电机的过渡过程时，步进电机呈连续运行状态。一般电机都以连续运行状态工作。在运行状态下的转矩即为动态转矩。 动态转矩是指在电机转子运行的过渡过程尚未达到稳定值时电机产生的力矩，也即某一频率下最大负载转矩。由于控制绕组电磁常数的存在，绕组电流的增长可近似认为是时间的指数函致，所以步进电机的动态力矩随脉冲时间的不同，也就是随控制脉冲频率的不同而改变。脉冲频率增加，动态力矩变小。动态转矩与脉冲频率的关系称为矩频特性，如图4.4所示。步进电机的动态转矩即电磁力矩随频率升高而急剧下降。 图4.4矩频特性步进电机在选用时，根据原有的电机功率和使用特性及其负载情况，选用的是90BYG413型永磁感应子式步进电动机。其功率范围为0-6000w ,电流范围0-5A ,电压范围90-450V, 变送输出DC(4-20mA), 供电电压AC(110-220V)。具体规格参见表 4.1。表 4.1 步进电机规格项目相数步距角额定电压最大静力矩空载启动频率空载运行频率数据0.90/1.8080V6.5N.m1500Hz7000Hz因为步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或是直线位移的机电执行元件。每当输入一个电脉冲时,它便转过一个固定的角度，这个角度称步距角,简称步距。脉冲一个接一个地输入，电机就一步一步转动。步进电机的位移量与输入脉冲数严格成比例，这就不会引起误差的积累，其转速与脉冲频率和步距角有关。控制输入脉冲数量，频率及电动机各相绕组的接通次序，可以得到各种需要的运行特性。尤其是当与其他数字系统配套时，它将体现出更大的优越性，因而，它被广泛地用于数字控制系统中。由于它的这些特点近年来应用十分广泛，它可以用做驱动电机，但大部分情况下是作为伺服电机用的。同时，步进电机除了将电脉冲信号变换成相应的机械位移，符合数字控制系统要求的特点外，它还具有以下优点： （1）步距值不受各种干扰因素的影响如电压大小，温度变化等。转子的速度主要取决于脉冲信号的频率。 （2）误差不长时间积累步进电机虽然每走一步所转的角度与理论步距值有一定误差,但每转一圈的累积误差为零。 （3）控制性能好它的启动、停车、反转等运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步。 4.1.2 SH-2H090M型四相混合式步进电机驱动器SH系列步进电机是美国SHAPHON公司与北京斯达特公司98年初联合推出的最新产品，内部采用了美国最新推出的全功能步进电机专用控制芯片。它不同于目前广泛采用的单片机控制，而是由超大规模的硬件集成,具有高度的抗干扰性及快速的响应性，不会象单片机控制那样容易产生死机及丢步现象。细分数为2,5,10,20,40,最大电流开关设定5.0A，插拔式接线端子使用方便。SH-2H090M型驱动器用于驱动二相或四相混合式步进电机。驱动器的输入信号共有三路，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE。（1）步进脉冲信号CP 步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说：驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角(细分时为一个细分步距角)，CP脉冲的频率改变则同时使步进电机的转速改变，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。（2）方向电平信号DIR 方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机为一个转向；此端为低电平时，电机为另一个转向。 （3）脱机电平信号FREE当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态（未施加CP脉冲时）或运行状态（施加CP脉冲时），但用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，可用到此信号。当此信号起作用时（低电平有效），电机处于自由无力矩状态；当此信号为高电平或悬空不接时，取消脱机状态。 4.1.3 8051单片机 MCS51系列单片机是80年代推出的8位单片微型计算机，共有P0P3四个这样的并行口，可提供32根I/O线，每根线都是双向的，其余用于芯片控制的寄存器中。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0P3，它们实际上是4个八位锁存器（每个I/O口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。 8051是MCS-51的典型产品，它的内部结构图如下所示 图4.5 内部结构图从图中我们可以看到，51单片机包含以下9个部分：1.中央处理单元CPU（8位）2.只读存储器ROM（4KB或8KB）3.随机存取存取器RAM（256B）4.并行输入/输出口I/O,P0P4（32线）5.一个串行输入/输出口UART（二线）6.两个定时/计数器T（16位增量可编程）7.时钟电路8.中断系统9.可以寻址64KB的程序存储器和的64KB的外部数据存储器51系列单片机的引脚图 图 4.6 MCS-51引脚图 40个引脚按功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。单片机工作离不开软件,即存储在存储器中的已设计好的程序。所有带单片机的电子设备，它的工作原理当然与具体设备有关。但它的最基本的原理是一样的，即：1)从输入接口接收来自外界的信息存入存储器。 这些信息主要包括2部分： 来自诸如温度、压力等传感器的信息； 来自人工干预的一些手动信息,如开关按钮等操作。2)单片机中的CPU根椐程序对输入的数椐进行高速运算处理。 3)将运算处理的结果通过输出接口送去控制执行机构,如继电器、电机、等输出设备。当前这个过程不断重复着，即系统中的微电脑不断监