（机械设计及理论专业论文）精密直线导轨校直过程控制系统研究.pdf

摘要 精密直线导轨是机械制造行业常用的机械零件，其直线度直接关系到产品 的质量，因此，研制出精密导轨校直机对相关产业的发展有着重要的意义。本 文重点进行校直控制系统的设计与开发，具体开展校直过程的逻辑设计、校直 模型设计和各类电机驱动的设计。 校直控制系统所涉及的主要关键技术为：校直动作逻辑设计、导轨直线度 测量技术、校直工艺理论模型设计以及数据采集和电机驱动技术。根据校直动 作逻辑，在l a b v i e w 的基础上设计软件总体框架；结合校直理论设计校直行程 计算模块；根据校直涉及的各种电机的主要功能，设计不同的驱动方法。文章 根据控制系统软件开发流程从以下方面对开发过程进行了阐述： 首先对校直控制系统总体功能进行设计和分析，阐述了校直控制系统所必 须具有的功能模块，提出了校直机所需的软硬件。同时对软件的开发框架进行 了分析，提出了软件开发的方法和步骤，设计出校直动作逻辑。 其次文章根据软件的总体设计，详细设计了软件的总体框架和各个子流程 框架。在框架设计的基础上，着重介绍了子流程开发所注意的事项。通过对各 个子流程的开发和对子流程的逻辑叙述，完成校直控制系统的框架和逻辑的开 发，为具体功能的实现打下基础。 最后根据校直系统的要求，着重介绍具体功能模块的实现。文章主要介绍 了校直电机脉冲计算模块、校直压头结构模块、校直下压量计算模块、校直电 机驱动模块；同时开发出基于外部数据的校直下压量计算模块，为软件的扩展 留下了外部接口。文章最后对校直控制系统的操作进行了简单的介绍，为操作 者提供了参考依据。 关键词：校直，控制系统，直线导轨，l a b v i e w ，校直模型 a b s t r a c t p r e c i s i o nl i n e rg u i d er a i li su s e dc o m m o n l yi nt h em e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g f i e l d ，w h o s eb e n d i n gc a n tb ea v o i d e d t h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c ti sd i r e c t l yr e l a t e dt o t h ep r e c i s i o no fs t r a i g h t n e s s ，s ot h es t u d yo nap r e c i s i o ng u i d es t r e n g t h e n i n gm a c h i n e i sn e c e s s a r yt ot h er e l a t i o n a li n d u s t r y t h em a i nk e yt e c h n o l o g i e sa b o u tt h i ss t r a i g h t e n i n gc o n t r o l - s y s t e ma r e ：t h e d e s i g n so ft h el o g i c a lm o t i o ni ns t r a i g h t e n i n g ；t h em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya b o u t t h e s t r a i g h t n e s so fg u i d er a i l ；t h ed e s i g no ft h em o d e lo fs t r a i g h t e n i n gp r o c e s s ；d a t a a c q u i s i t i o na n dt h et e c h n o l o g ya b o u t m o t o r sd r i v i n g t h ep a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g n so ft h es t r a i g h t e n i n gc o n t r o l - s y s t e m ，m a i n l y i n c l u d i n gt h ed e s i g n so f t h el o g i c a lm o t i o ni ns t r a i g h t e n i n g 、t h ed e s i g no f t h em o d e l o fs t r a i g h t e r f i n ga n dt h ed e s i g n so ft h em o t o r s d r i v i n g a c c o r d i n gt h el o g i c a lm o t i o ni ns t r a i g h t e n i n g ，t h ep a p e rd e s i g n st h em a i nf la m eo f t h es o f t w a r eo nt h eb a s i so fl a bv i e w i td e s i g n st h ec a l c u l a t i o nm o d e lc o n s i d e r e do f t h ec a l c u l a t i o no fs t r a i g h t e n i n gt h e o r y ；a n dd e s i g nk i n d so fd i f f e r e n td r i v i n gm e t h o d s a c c o r d i n gt ot h ek e yf u n c t i o nr e l a t e dt ot h es t r a i g h t e n i n gp r o c e s so fc o r r e s p o n d i n g m o t o r s a c c o r d i n gt h ed e s i g np r o c e s s ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h es t r a i g h t e n i n g c o n t r o l s y s t e ma sf o l l o w ： f i r s to fa l l ，i ta n a l y z e sa n dd e s i g n st h ew h o l ef u n c t i o n so ft h es t r a i g h t e n i n g c o n t r o l - s y s t e m ，i n t r o d u c e st h en e c e s s a r yf u n c t i o nm o d u l e so fi t ，a n dp o i n to u tt h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h es t r e n g t h e n i n gm a c h i n e a tt h es a m et i m e ，i ta n a l y z e st h e d e s i g nf r a m eo ft h es o f t w a r e ，b r i n g so u tt h em e t h o da n ds t e p so ft h es o f t w a r ea n d c a t a l o g u e st h el o g i c a lm o t i o n si ns t r a i g h t e n i n g s e c o n d ，i na c c o r d a n c ew i t ht h ew h o l ed e s i g no ft h es o f b , v a r e ，t h ep a p e rd e s i g n s t h ew h o l ef l a m eo ft h es o f t w a r ea n dt h ef r a m eo ft h es u b - p r o c e s s o nt h eb a s i so ft h e d e s i g no ff r a m e s ，i tm a i n l yi n t r o d u c e d t h en o t i c e sd u r i n gt h ed e s i g no ft h e s u b - p r o c e s s t h r o u g h t h ed e s i g n so ft h es u b - p r o c e s s e sa n di t sl o g i c a ld e s c r i p t i o n s ，t h e p a p e rh a sa c h i e v e dt h ed e s i g no ft h el o g i cc o n t r o la n dt h ef r a m eo ft h es t r a i g h t e n i n g c o n t r o l - s y s t e m ，w h i c hi st h er e a d yf o rt h es p e c i f i cf u n c t i o n s f i n a l l y , i na c c o r d a n c ew i t l lt h er e q u i r e m e n t so ft h es t r a i g h t e n i n gc o n t r o l - s y s t e m t h ep a p e rm a i n l yi n t r o d u c e sh o wt oa c h i e v et h es p e c i f i cf u n c t i o nm o d u l e s ，w h i c h i n c l u d i n gt h ep u l s ec a l c u l a t i o nm o d u l eo fs t r a i g h t e n i n gm o t o r s ，t h es t r u c t u r em o d u l e o ft h es t r a i g h t e n i n gc h u c k ，t h er e d u c t i o nc a l c u l a t i o nm o d u l eo fs t r a i g h t e n i n g , a n dt h e d r i v i n gm o d u l eo ft h es t r a i g h t e n i n gm o t o r s ，a sw e l l 硒t h ed e s i g no ft h er e d u c t i o n c a l c u l a t i o nm o d u l eo fs t r a i g h t e n i n go nt h eb a s i so ft h ee x t e r n a ld a t a , w h i c hi sr e a d y f o rt h ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r ea sa ne x t e r n a li n t e r f a c e a tl a s t ，t h ep a p e rg i v e as i m p l ei n t r o d u c ea b o u tt h e s t r a i g h t e n i n gc o n t r o l - s y s t e m so p e r a t i o n , w h i c hi s o f f e r e dt ot h eo p e r a t o r s k e yw o r d s ：s t r a i g h t e n i n g ，c o n t r o ls y s t e m ，l i n e rg u i d er a i l ，l a b v i c w ， s t r a i g h t e n i n gm o d e l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授 权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息服务。 研究生( 签名) ：导师( 签名日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的和意义 轴类零件在加工、锻造、热处理以及运输过程中容易产生弯曲变形。对于 精密导轨而言，细微的弯曲往往会对后续的制造带来较大的负面影响。为了减 少后续加工的负面影响，必须对精密导轨进行校直。精密导轨在高精密机床制 造业、汽车制造业以及众多行业内应用广泛。我国在装备制造业上一直受制于 国外发达国家，其中原因之一就是装备制造业中的核心零部件制造精度达不到 设计要求。故设计出具有我国自主知识产权的校直机有重要意义。 目前学者提出的校直方法有多点压弯较直和三点压弯校直，其校直原理基 于弹塑性变形的理论。三点压弯校直理论就是：在导轨弯曲的反方向对导轨施 加压力，使之沿着反方向产生弹塑性弯曲，由于弹性变形可恢复而塑性弯曲不 可恢复，假设弹塑性弯曲中的塑性弯曲变形量和初始挠度相同，那么撤消校直 力后导轨就会被校直。在该理论下设计直线导轨校直机，校直方法如下：首先 将导轨两端固定、测量出中点的初始挠度、建立力学模型计算出理论校直下压 量、根据理论校直下压量驱动校直电机进行压力校直。校直的过程需要反复检 验以确认是否合格，对于初始挠度较大的导轨而言，一次不能完全校直，需要 多次进行校直。在这种情况下，需要对导轨进行多次的在线测量、建模计算、 校直、再检测直到合格。 在校直过程中，为达到较好的校直效果对导轨不是分段校直，而是采取步 进式校直。即每次校直的一部分包含上次已经校直的一半，每次校直的另一半 是下一次校直的前面一半。这样就保证了校直的连续性，同时保证校直的精度。 在实际校直过程中，根据材料及弯曲情况采取不同的步进式校直。系统默认为 步进二分之一模式校直，实际校直过程为获取更加精确的校直直线度，可采取 步迸三分之一或者四分之一模式进行校直。 武汉理j j 人学硕士学位论文 脚1 1 精密直线导轨实物圈 校直控制系统采用l a b v i e w 软件来开发，l a b v i e w 是美国n i 公司的测量 及控制软件，它可以直接针对硬件编程1 2 1 ，免除了复杂的驱动开发。本课题的目 的是开发f j 具有自越妇说产权的校直控制系统，为后续研究提供参考。 随着我国经济的持续高速发展，越来越多的企业开始提高自己的产品质量 和生产效率。企业开始抛弃一些生产效率落后的手工校直的方法，开始寻求生 产效率高，智能化程度高的自动校直机。在这种情况下，研制自动校直机有着 实际的意义。目前我国三点自动校直机研究还处于初始阶段其控制系统还处 于单片机时代，随着科技的进步其控制性能难以满足外部设备的发展。本文在 理论基础上，采取l a b v i e w 来编写控制系统，大大提高了控制系统的兼容性和 可扩展性为校直机拄制系统的外发提出新的设计模式。 1 2 国内外研究现状 在我国，校直机领域一直处于原始的低水平阶段，大多数企业校直轴杆类 零部件时，普遍采用简易型的压力机，由人工测量、校直、再由检查人员检验。 工序复杂、劳动强度犬、生产效率和控制精度低下，操作者的技术熟练程度对 生产效率和质量的稳定性都有很大的影响。在y _ 4 k 发达国家壁，由于劳动力成 本高，校直工序普遍采用自动化程度很高的校直设备。它不仅提高了生产效率 和质量控制精度，而且也直接避免了人的因素对产品质量的影响。因此，在工 业发达国家都有一些专门的校直机制造公司和研究机构，知名度较高的有德国 m a e 公司、意大利g a l d a b i n i 公司、美国的t a a t r a n d i n g 公司、日本的 武汉理工大学硕士学位论文 东和精机株式会社和国际计测器株式会社等【1 】。他们生产的校直机都已经有了较 高的技术水平，集中表现在自动化、智能化、测量精度高、生产节拍快等方面。 日本东和精机株式会社生产的a s p 系列智能型校直机能自动检测工件在三维方 向上的挠度，以计算结果为基础，选出校直点，控制滑块行程值及校正挠度值。 检测装置包括：计算机控制的轴直线度检测系统，以千分表指示修正点的顺序 号和挠度值，以数字开关输入最小校正值，通过弯曲形式的识别，计算并选择 出滑块的加压点。该机还带有自动上下料装置。德国的m a e 公司发展了a d s 2 5 r h 型2 5 k n 和a d s f 6 3 r h 型6 3 0 k n 闭式全自动校直机，该系统带有与材料性 能有关的自动优化工艺软件，并以可编程的微处理器控制校直和测量顺序。其 功能有：最多可选配8 个通道位置的测量、修正和存储系统：数字键盘的屏幕 显示终端并有人机对话系统；以直观的文字和图形信息和完善的工作程序，能 精确控制工件校直位置顺序和最终校直结果；有存储大量修正结果的统计数据 功能，并提供外设的标准数据连接的接口【1 1 。适用于校直中、大批量生产的具有 规则形状的对称件。 在国内，长春试验机研究所的液压式自动轴类校直机产品虽占领了一部分 市场，但在诸多方面与国外产品还存在一定的差距。上世纪9 0 年代，长春试验机 研究所与日本国际计测器株式会社合作生产了a s c 系列c 型自动校直机。此后 长春试验机研究生自主开发了a s c i i 型轴类校直机，具有更为精确的校直理论 和人性化的控制方法。 在校直机控制系统开发上，国内相关研究单位采取的编程软件有v i s u a l c + + 、v i s u a lb a s i c 以及c + + b u i l d e r 等。软件和外界通讯普遍采取的方法为基于 串口通讯或单片机控制。采取以上软件开发的控制系统在多线程以及中断处理 上难以实现，本控制系统采取l a b v i e w 编写，可以轻松实现多线程编程。本软 件的开发为校直控制系统的开发与实现提供了有益的尝试，为后续研究提供了 必要的参考。 1 3 课题来源 湖北省自然科学基金：集多挠度在线检测与回弹预测的多点多步校直方法研 究n o 2 0 0 8 c d b 2 9 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本课题拟采取的研究方法和内容 本课题的研究是在三点压弯理论基础上，设计出具有自身特色的矩形截面 导轨校直控制系统。 结合研究方法和校直理论，校直控制系统主要的研究内容包括： ( 1 ) 校直逻辑设计，控制系统总体设计： ( 2 ) 传感器信号获取与处理，其中包括：光幕类0 1 信号的获取与处理， 光栅类t t l 信号的获取与处理； ( 3 ) 力学模型的建立与数据的处理，要求输入( 或者选择) 材料属性之后， 根据初始挠度在力学模型下计算出理论的下压量； ( 4 ) 运动控制卡的驱动以及电机的驱动，设计出一系列可以智能化驱动电 机运转的指令，软件可以根据外部采集的信号，自动匹配驱动指令，从而达到 自动校直的目的； ( 5 ) 校直机结构设计，需要根据三点压弯理论进行总体结构设计，根据导 轨截面特点对校直压头进行设计。结合校直压头特点，推导出校直下压量和伺 服电机脉冲之间的关系。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章校直控制系统总体方案设计 2 1 控制系统总体功能设计 2 1 1 精密导轨校直机校直原理介绍 对于直线导轨校直方法而言，有多点压弯校直和三点压弯校直等多种校直方 法。本控制系统采取三点压弯校直法，充分利用三点压弯的可控性和简便性对 直线导轨进行校直。三点压弯理论为：在弯曲的导轨中点施加反向校直力，使 之在初始挠度的反方向产生弹塑性变形。撤销校直力后，其弹性变形部分全部 回复，而塑性变形部分则予以保留。假设初始挠度和最终的塑性变形量相同， 则撤销校直力后弯曲的导轨刚好被校直。对于完整的导轨而言，需要分多段进 行校直，为保证校直的精度，需采取重复压弯校直的方法。具体原理为：每次 校直的一半为前一次校直的一半，每次校直完成后控制电机将本次校直的导轨 向后移动一半，使得下一次校直和本次校直具有一定的重复度。根据该校直理 论，需设计具有三点压弯功能的校直夹头和校直压头。 根据三点压弯校直理论，首先需将导轨两端固定，在导轨中点处根据计算的 校直下压量对导轨进行校直。结构图如下所示。 调整电机3 图2 1 校直结构示意图 图中夹紧电机a 、b 将导轨两端夹紧，中间的校直电机根据理论计算的校直 武汉理工大学硕士学位论文 下压量对导轨进行校直。跨距调整电机3 可根据用户设置的校直跨距进行调整。 根据校直原理，该机械结构另外的功能是夹持导轨步进，使之对下一段导轨进 行校直；为获取精确校直精度，加持导轨步进需考虑每次校直的重复度。加持 步进步骤为：夹紧电机a 、b 交替夹紧导轨，跨距调整电机根据控制系统的逻辑 判断进行正反转，使得夹头实现开合运动，从而实现导轨的加持步进。例如夹 持电机a 夹紧导轨，电机b 松开，跨距调整电机使得两夹头合拢，达到指定位 置后电机b 夹紧导轨而点击a 松开导轨，跨距调整电机反转使得两夹头分开。 此时完成一次加持步进，跨距调整电机根据校直跨距设置以及校直重复度合理 调整夹头的运行位置。在实际校直过程中，不同材质不同截面的导轨所需要的 校直跨距不同，根据导轨所需精度每次校直其重复度不同。 本控制系统根据上述的校直原理，对校直机进行控制。在实际控制过程中 主要需控制以下部分：电机的运动逻辑，导轨位置检测，电机运行状况监测以 及限位开关信号的控制等。 2 1 2 校直控制系统总体逻辑设计 直线导轨校直机控制系统主要涉及的技术有三类：导轨在线挠度测量技术 ( 涉及各类信号的采集) ；校直逻辑控制技术( 涉及各类电机的驱动及程序跳 转) ；校直下压量计算技术。此三类技术包含了校直机控制系统设计的主要理论 基础。根据上面章节校直原理的介绍，本校直控制系统需根据实际校直逻辑完 成导轨校直的自动化过程控制。根据校直原理，校直过程主要由以下步骤组成： 加持导轨步进、导轨直线度( 挠度) 在线检测、校直下压量建模计算、导轨压 力校直、导轨校直结果判断和导轨校直是否完成判断。为保证加持步进的顺利 进行，需要采用光幕传感器检测导轨的位置；为保证跨距调整的精确性需采用 光栅传感器提供反馈位置数据：为保证校直过程的顺利完成，需通过多个极限 开关来保护电机的运行。 根据上述介绍，校直过程逻辑总流程图如下图2 2 所示。打开校直机后，进 入自动送料步骤，在送料过程中需涉及到光幕信号和光栅传感器信号。光幕信 号检测导轨是否到达夹头可加持范围，光栅传感器信号反馈跨距调整过程中的 夹头位置。送料完成后固定导轨进行挠度检测，检测后的数据传输到工控机内 部进行处理，完成数学建模计算出理论校直下压量。控制系统根据计算结果对 6 武汉理工大学硕士学位论文 导轨进行反弯校直。若建模结果显示导轨合格则控制系统直接加持导轨前进， 对下一段进行检测校直。总体校直逻辑如下图所示。 图2 2 校直逻辑动作流程图 本控制系统采用美国国家仪器公司的l a b v i e w 软件编写，该软件以g 代码 的形式创建应用程序。软件以图形化语言实现，程序中顺序或分支控制采取框 架式代码实现。软件采取顺序结构控制和跳转设置相结合来实现，按照图2 2 的 流程逻辑图，程序按照逻辑顺序执行。在执行每一步过程中根据该步骤执行结 果对下一步进行选择设置，程序根据该设置跳转到指定的框架程序内，从而实 现上述流程图内的各个分支判断。 2 1 3 校直控制系统功能介绍 如图2 3 所示为校直控制系统运行界面。图中模拟夹头以及其他电机运行情 况，为用户了解校直过程提供可视化窗口。根据通用软件的开发可知，本控制 系统需具有参数设置、手动控制电机运行、自动校直控制、软件数据的显示以 7 武汉理j = 人学硕士学位论文 及被控对象的参数显示等功能。根据设计要求以及功能要求，软件运行界面初 步设计为图2 - 3 所示。图中包含自动校直过程信息面板，手动控制界面，参数设 置界面数据处理及显示界面等。 图2 - 3 校直控制系统软件逗行界面 根据设计要求，控制系统需完成校直过程的控制，为实现对外部硬件的控 制，需采集外部检测到的信号。主要需采集的信号有：光幕p n p 信号光栅兀l 信号，光电限位开关模拟信号，挠度检测的位置信号等。根据信号分类，本控 制系统应具有上述各类信号采集模块，同时具有数据分析和处理模块。数据处 理模块主要将上述信号进行数模转换以及逻辑组合，通过数据处理结果进行电 机的驱动，通过逻辑判断组合实现程序的跳转。根据g 语言特点，程序采取框 架式结构，每个程序框内实现不同的功能，程序框之问的转换通过逻辑判断结 果进行跳转。具体功能模块及详细g 语言代码放置在程序框架内，合理的跳转 是保证校直控制系统按照逻辑执行的关键。程序框架跳转根据校直动作逻辑设 计，其主校直逻辑如图2 - 2 所示。图中为校直动作流程图央持送料、挠度测量、 武汉理工大学硕士学位论文 下压行程计算、压力校直等是程序框架中的具体功能模块。图2 2 所示为校直主 逻辑，在主逻辑的基础上详细设计具体的子逻辑。子逻辑包含：送料夹持动作 逻辑，跨距调整逻辑，挠度测量逻辑，光幕判断逻辑等。在主框架下，各个子 流程按照顺序执行。 子流程间的跳转根据外部信号的逻辑判断来实现。每个子流程实现的功能 不同，如“夹持步进 子逻辑中包含三个电机的控制，即左右夹持电机和跨距 调整电机的控制。通过控制三个电机运转来实现导轨的夹持步进。跨距调整子 流程主要控制跨距调整电机，同时结合夹持步进子流程实现跨距的调整和导轨 的送料。电机的运转受光幕传感器信号和光栅传感器信号控制，光幕传感器和 光栅传感器子流程是“夹持步进一和“跨距调整 子流程实现的基础。挠度检 测子流程和校直子流程相互配合，挠度检测后进行校直下压量计算，根据计算 结果软件驱动校直压力电机对导轨进行校直。在该模块的执行中，涉及校直控 制系统的计算部分为校直脉冲和校直下压量计算。通过欲设定的校直计算模块 和脉冲计算模块，实现导轨的校直。 结合上述介绍，控制系统应具有控制、设置和信息显示三大功能，控制的 实现需多个子流程共同完成；而保证控制系统的顺利实现需采集多种外部信号。 每类信号的采集和处理都对应着软件的功能模块。下面具体设计软件所涉及的 硬件以及硬件连线等。 2 2 校直控制系统外部硬件方案设计 2 2 1 控制系统硬件需求分析 校直控制系统由软件和硬件组成，其中软件的开发基于l a b v i e w ，其具体 功能模块及其子系统如上节所介绍。校直机的硬件除机械结构部分外，主要涉 及的有电机及伺服器、挠度测量装置、光栅传感器、光幕传感器、运动控制卡 等。每类硬件对应于不同的子系统，硬件对应关系如下所示。根据校直关键技 术和控制技术，涉及的硬件主要有挠度检测装置，动力电机装置，光幕光栅等 反馈检测装置，电机控制卡及伺服器等装置。硬件对应关系如下所示，其数量 以及控制关系如图中所表明。 9 武汉理工大学硕士学位论文 零部件检测及校直控制系统 缘在线测量系统il 校直硬件装置li工业控制器及电控系统 z 置传感器部件1 i ( 或者光学测量及j i i j 组件2 套) 量系统的装夹台架 光栅传感器2 套 光栅采集卡l 套 光幕传感器2 个 动力变形系统l 套工件 紧装置2 个 工件步进及跨距调整装 l 套 直线导轨4 副 控制系统硬件| i 控制系统软件 图2 - 4 校直控制系统软、硬件示意图 如图2 4 所示，导轨校直控制系统硬件由导轨挠度测量装置、校直硬件装置 以及工业控制器和电控系统等组成。其中控制系统软件部分包括硬件控制系统和 软件数据处理系统。校直硬件装置包括光栅传感器，光栅采集卡，光幕传感器以 及四个伺服电机；挠度测量系统硬件包括：位置传感器和测量系统装夹台架；控 制系统硬件包括工业控制器、总线控制器以及限位开关等。控制软件部分的实现 功能为数据处理算法、反馈信号的数据处理等，硬件控制部分主要为电机的驱动 和控制。控制系统通过读取外部设施数据，计算出理论校直下压量从而驱动校直 电机对导轨进行校直，通过对数据的处理，信号的采集及处理实现校直过程的控 制。 2 2 2 校直控制系统硬件电气连线设计 图2 5 所示为工控机与所有外部设备电气连接示意图。图示中左上角的三个 “位置传感器 为挠度检测传感器。通过三个位置传感器确定其初始挠度。初 始挠度传递给工控机后软件对信号进行处理，再转化为校直电机的运动脉冲。 在此过程的步骤为：采集挠度信号，数模转化，力学建模计算理论校直下压量， l o 武汉理工大学硕士学位论文 通过下压量和校直脉冲模块计算出所需的校直脉冲，再采取位置驱动模式对校 直压力电机进行驱动，从而实现导轨的反弯校直。校直逻辑以及校直步骤在前 面章节已经叙述了，对应的硬件功能和相互关系前面章节已经做了简单的介绍。 图中对应的电气连线图标示着各个硬件的连线关系，为我们对控制系统的调试 和连线提供了依据。控制系统所涉及的硬件其检测信号都通过采集卡传输到 p c l i o 数据通道上，实现多种数据的传送和接收。 图2 5 校直控制系统电气安装示意图 工控机通过p c l i o 板控制主伺服电机( 即校直压力电机) 、跨距调整电机 和两个加紧电机。对不同电机采取的驱动模式不同，其中主伺服电机采取恒扭 矩模式驱动，通过减速器带动校直压头运动，实现导轨的校直。主伺服电机驱 动脉冲数和校直下压量之间的函数对应关系参照第四章。跨距调整电机采取位 置模式驱动，通过丝杆实现校直跨距的调整，在跨距调整丝杆的极限位置安装 限位开关，以限制跨距调整范围，同时提供中断保护。夹头安装在跨距调整丝 杆上，随着丝杆的调整做开合运动，从而实现导轨的夹持步进和校直跨距的调 整。夹持电机的加紧与松开根据光幕传感器信号来运动，当检测到有导轨在夹 武汉理工大学硕士学位论文 持范围之内时，夹持电机进行加紧动作。加紧电机通过减速器对导轨进行加紧， 当两端固定时，校直电机对导轨进行校直。 图2 5 同时表明了控制硬件以及执行设备的安装连线方法，校直控制系统 最终执行机构为四个伺服电机。伺服电机与行星减速器连接以获得较高的扭矩 和较低的转速，减速器末端连接丝杆，输出最终特定形式的运动。其中夹紧电 机终端连接具有自锁功能的丝杆，校直电机终端连接曲柄滑块校直压头，跨距 调整电机终端连接普通滚珠丝杆。 2 2 3 控制系统软硬件开发方法 校直控制系统在动力上采取四个伺服电机，通过电机的运动完成导轨从送 料到校直的全部动作。采用多线程设计模式，每个线程负责各自的任务：信号 采集，信号处理，电机控制等各个线程单独执行。工控机结合各种信号之间的 逻辑关系，产生相应指令来控制对应的伺服电机从而完成导轨的校直。如图2 7 所示，软件通过线程对外部信号进行扫描、获取、处理。然后控制系统对运动 控制卡发送运动脉冲，驱动相应的伺服电机按照预定的逻辑动作进行工作。 p 图2 - 6 校直机控制系统外设示意图 图2 - 6 中限位开关，过载保护器以及急停保护器都可随时对软件进行中断， 使正在运转的电机停止下来。软件在执行过程中随时检测保护装置产生的信号， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 结合具体情况对电机进行有效控制。各类传感器及其输出输入信号见表2 1 和 2 2 具体信号类型及其功能参考表格内的描述，传感器所安装的位置如图2 2 所示，在图2 2 内标示了各类传感器安装的所在位置及其信号类型、功能特点等。 校直逻辑流程详见下一章节的介绍，主要步骤为：夹头夹持导轨前进到指 定位置，固定导轨测量其挠度，对直线导轨进行力学建模，计算出所需的校直 下压量，最后驱动校直电机对导轨进行校直。校直后再次检测其校直效果，若 需继续校直则重新建立力学模型进行校直，否则夹持步进，进入下一阶段的校 直。各类传感器和行程开关是校直按照逻辑顺利进行的保证。光幕开关确保导 轨达到指定的位置，从而驱动夹持电机进行动作；光栅传感器测量并反馈跨距， 保证导轨夹持后的校直跨距；校直过行程保护、跨距过行程保护以及校直过载 保护等装置确保校直的顺利进行。 表2 - 1 传感器信号及其功能分类 信号名称来源采集目的类型处理方法数量 工件有无探测信号光幕传感器工件夹持开关信号 2 检测信号位计算校直 工件挠度模拟信号a d 转换 3 置传感器的行程 计算校直 跨距检测信号光栅传感器模拟信号a d 转换 1 的行程 校直行程检测信号光栅传感器反馈模拟信号a i d 转换 1 跨距过行程保护限位开关预防报警开关信号 2 校直过行程保护限位开关预防报警开关信号 2 过载电机保护器预防报警开关信号 1 急停保护信号预防报警开关信号 1 各个传感器的具体功能如上所述，光幕传感器安装在工件进入夹头的起始 处。其目的为检测导轨是否进入夹持区，为夹持电机动作提供动作逻辑依据， 其信号为开关量。导轨挠度检测传感器输入模拟量，经过a i d 转换后计算机可 识别。跨距检测信号由光栅传感器发送，为模拟信号，需要进行a i d 转换。报 武汉理工大学硕士学位论文 警限位开关信号由各类限位开关组成：过行程保护限位开关、校直过行程以及 过载等保护开关。 表2 - 2 传感器信号类型分类 信号名称来源输入输出 p c l 8 1 8 信号 工件有无探测 d c l 2 2 4 v 1 0 0 m a 光幕传感器 检测信号d c 5 v 并行 工件直线度 a c 2 2 0 v5 0 h z 是 位置传感器b c d 码 跨距检测信号光栅传感器d c 5 v 5 d c 5 v t i t 方波是 检测信号 校直行程 d c 5 v 5 d c 5 v t r l 方波是 光栅传感器 过行程保护 跨距机械接触 d c 4 - 2 0 m a 限位开关 行程保护 校直过机械接触 d c 4 - 2 0 m a 限位开关 过载电机保护器 l a a c 急停保护 在软件开发过程中，通过分析上述信号分类以及信号处理方法，搭建软件平 台设计控制系统。信号输入以及信号输出如图2 6 所示，在实际开发过程中采取 图中所示结构方法实现校直控制。 2 2 4 校直工作台硬件布置设计 校直主流程图为图2 - 2 所示，当光幕检测到有导轨时，校直夹头( 左边) 夹 紧导轨，跨距调整电机运转，使夹头夹持着导轨向右移动，左右校直夹头处于 对称位置。达到指定位置后，左边夹头松开，右边夹头夹紧，两夹头再分开。 达到指定位置完成一次送料。送料完成后挠度检测开始，检测的信号经过处理 后校直电机开设动作，对导轨进行校直。为顺利完成上述校直过程，在校直工 作台上安装若干检测传感器，有光幕传感器，光栅传感器，位置光电传感器。 其安装位置如图2 - 7 所示。 1 4 武汉理l ：人学硕十学位论文 口 图2 7 导轨校直示意图 说明：上面图片文字分别为：夹紧压头、限位传感器、压力行稗限位开关，被校直的 材料、辊道送料、光栅传感器( 跨距) 、光栅传感器( 校直行程) 、位置传感器。 上面章节中介绍了每个传感器的作用及所在流程框架内的位置，根据校直逻 辑以及控制方法，按照的传感器在对应的工作位置。图中光幕传感器( 安装在 夹紧央头下面，没有标示出来) 检测导轨是否处于可加持范围内，产生的信号 处理后作为程序跳转判断条件；限位传感器保证夹头合拢的极限位置，从而保 证跨距调整电机的安全；光栅传感器提供位置反馈信号，为跨距调整电机的运 行和校直压力电机的运行提供反馈数据，提供闭环控制的数据。各类传感器的 合理安装是校直工作台高效正确执行的基础。 2 3 控制系统软件总体方案设计 2 3 1 控制系统需求分析 根据校直机所设计的硬件以及功能要求，本校直控制系统要求具有以下要 求： 具有良好的人机交互界面可以从软件界面获取校直过程的相关信息； 具有材料选择，校直参数设置等参数设冠功能，以实现多种导轨的校直； 可实现导轨校直的全自动控制，同时可进行自动和手动的切换，以满足 特定情况f 的手动调整； 采用多线程编程技术，以满足信号的实时反馈，获取，软件的中断等； 具有外部数据接口，可兼容外部校直下压量算法，实现建模的多样性； 武汉理工大学硕士学位论文 总结软件需求，主要设计任务分为界面设计，逻辑功能设计，信号获取及处 理和电机控制等几大功能要求。根据该需求，下面详细分析及设计软件的框架 和具体功能。 2 3 2 控制系统软件模块设计 本控制系统采用美国国家仪器公司的测控软件l a b v i e w 来开发。软件中每 个线程实现不同的功能，其变量的数值可以在线程之间进行传递，同时多线程 的软件格式可实现急停中断等功能。在校直控制系统中，为保证校直过程的安 全顺利进行，需根据实际情况对工作中的校直机进行中断。l a b v i e w 所具有的 多线程处理能力，是实现中断处理强有力的保证。 根据软件功能需求以及编写技术要求，软件主要模块设置如图2 8 所示： 图2 8 控制系统模块设置 图2 - 8 列举了控制系统所需要的主要模块，软件以框架式结构嵌套具体执行 功能的模式来实现系统的控制。在主框架模式下，根据校直逻辑完成校直过程 的控制，设置相关模块以及线程模块为软件的执行提供中断保护。电机控制模 块、光幕传感器子模块、下压量计算模块以及挠度检测子模块嵌套在主控制框 架内，为控制系统具体执行模块以及程序跳转判断。光栅传感器子系统和限位 开关子系统以单独线程模式存在，时刻读取外部信号，为具体功能模块的执行 提供数据反馈和中断保护。其中光栅传感器子系统反馈位置信号，实现电机闭 环控制，限位开关子系统随时获取开关信号，对正在执行的电机起到保护作用。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 控制系统信号分类及功能介绍 如表2 - 3 所罗列的信号分类。表2 3 和表2 1 、2 - 2 中的信号来源相互对应。 控制系统通过g a l i l 运动控制卡向伺服器发送脉冲信号，通过运动控制卡实现 电机的控制。控制系统通过光栅传感器反馈的编码信号获得电机运转过程中的 位置信息，通过该信号可实现电机的闭环控制。校直行程保护信号、电机回零 信号、校直过行程保护信号等都是外部检测反馈信号，对校直机的控制起到急 停保护作用。控制信号按照类型主要分为输出和输入两类，电机控制信号为输 出信号，电机运行反馈信号以及极限保护开关信号为输入信号。按照信号种类 可分为脉冲信号、数字信号、模拟信号以及编码信号。根据不同类型的信号软 件进行不同的处理方式，根据实际需要将信号进行对应处理。其中挠度检测信 号需计算处理为数字量，根据电机的脉冲等分数转化为电机的驱动脉冲数量。 过载保护、极限位置等信号将转化为逻辑控制信号，在软件内部对电机运转进 行控制或停止。 表2 - 3 信号详细分类表 信号作用信号类型输入输出类型信号a d 种类 校直伺服电机位置控制( 脉冲)输出信号控制信号脉冲 校直伺服电机运转方向控制输出信号控制信号 d 校直行程保护a 输入信号 检测反馈信号d 校直行程保护b输入信号检测反馈信号 d x 行程回零信号输入信号检测反馈信号 d y 行程回零信号输入信号检测反馈信号 d 横向伺服电机位置控制( 脉冲)输出信号控制信号脉冲 横向跨距调整电机运转方向控制输出信号控制信号 d 跨距过行程保护a输入信号检测反馈信号 d 跨距过行程保护b输入信号检测反馈信号 d 夹紧电机a 速度控制输出信号控制信号a 夹紧电机a 力矩控制输出信号控制信号 a 夹紧电机a 运转模式切换输出信号控制信号 d 夹紧电机b 速度控制输出信号控制信号 a 夹紧电机b 力矩控制输出信号控制信号 a 夹紧电机a 运转模式切换输出信号控制信号d 夹紧行程保护a 1输入信号检测反馈信号 d 夹紧行程保护a 2输入信号检测反馈信号 d 夹紧行程保护b 1输入信号检测反馈信号 d 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 夹紧行程保护b 2输入信号检测反馈信号 d 校直伺服电机编码器反馈信号输入信号检测反馈信号编码信号 跨距调整电机编码器反馈信号输入信号检测反馈信号编码信号 夹紧电机a 编码器反馈信号输入信号检测反馈信号编码信号 夹紧电机b 编码器反馈信号输入信号检测反馈信号编码信号 软件通过各类采集卡实现上述信号的采集和发送，对于电机而言为保证按照 预定设置运转，需通过单独的线程对限位开关过载保护等信号进行检测，从而 为电机运转提供保护。 2 4 校直逻辑动作设计 2 4 1 校直夹持逻辑设计 “夹持步进 主要功能是把被校直的直线导轨以步进的形式夹持前进。夹持 电机有两个，采取滚珠丝杠传递动力。如图2 2 所示，夹紧伺服电机a 、b 以及 跨距调整电机3 这三个伺服电机共同完成夹持动作。具体逻辑如下： 当光幕传感器检测到夹头中间有导轨时，电机a 夹紧导轨，电机b 处于松 开状态；电机3 带动滚珠丝杠旋转，假设为正转，由于左右夹头所在的滑块旋 转方向相反，故运动方向相反。电机a 夹紧导轨向左运动，达到指定位置后， 电机b 松开。电机3 反转，两滑块相互远离运动。达到指定位置后，电机a 再 次夹紧导轨，电机3 正转。电机3 正转带动滚珠丝杠正转，电机a 夹持着导轨 前进。依次进行，直到电机b 的传感器获得导轨达到电机b 可夹持的位置。当 导轨达到电机b 可夹持的位置时，电机b 夹紧，电机a 松开。电机3 反转，将 两个滑块送到指定位置，此时电机a 和电机b 同时夹紧导轨。开始在线测量导 轨的挠度，将测量的结果传给工控机，处理后工控机将会驱动校直电机对导轨 进行校直。 在夹持前进过程中需要实时检测跨距，跨距可以在启动校直前用户通过软