（机械设计及理论专业论文）无心磨床在线自动测量系统的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 无心磨床在线自动测量系统的研究 摘要 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。 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鼍， 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，主要包括： ( 1 ) 测量方法和传感器的选取。要实现高精度在线检测，首先要保证有足够高 的静态精度。本文对现有光栅传感器从原理上作了深入的分析，对其参数进行了 静态标定，对现有光栅传感器进行多次动态校准分析，得到现有传感器的动态特 性。 ( 2 ) 机械部分的设计。主要阐述了无心磨床尺寸测量装置的结构设计，对其整 体的功能作了概述，并对重要零件的选择进行了分析；最后对测量装置的三维实 体造型工作进行了简述。 ( 3 ) 控制部分软硬件的设计。根据磨床在线测量的要求，设计了一“个以单片机 为核心的电路来对传感器及其调理电路的输出信号进行采集、处理、显示，并反 馈给磨床，实现对磨床磨削加工的闭环控制。文章最后对整个磨床在线检测系统 进行了简单的误差分析。 本课题通过本测量系统的软件模拟调试，能实现所预期的要求，验证了本自 动测量系统方案的可行性和正确性，对生产上实际中实现无心磨床的在线自动测 量奠定了基础，同时也对其它各种机床的改造提供了种途径和方案。 关键词：无心磨床；光栅传感器；在线测量；单片机 - 东北大学硕士学位论文 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 m o nc e n t e r - l e s sg r i n d i n gm a c h i n e a b s t r a c t t oi 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 h n o l o g yi s a d o p t e do ng r i n d i n gm a c h i n et of o r mac 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 gt h e o u t s i d e - d i a m e t e rm e a s u r e m e n to ft h es p i n d l e ，m e t h o do fh o wt ou s et h er a s t e r t r a n s d u c e rt or e a l i z et h eo n l 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 gm a c h i n ei s j n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e t h i sp a p e rh a sc a r r i e do n a 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 g m e t h o d s ，i no r d e rt or e a l i z er e q u i r e m e n t so fv a r i o u sf i e l d ss u c ha sh i g hp r e c i s i o n 。 l o wc o s tw i t hh i g he f f i c i e n c y ，a d o p tr a s t e rt r 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 sa r t i c l ea r em a k i n gu s eo fs c mt or e a l i z eo nt h e c e n t e r - l e s s g r i n d i n g m a c h i n et om e a s u r et h ew o r k p i e c eo n l i n e ，a n d f o r ma c l o s e d l o o pg r i n d i n gs y s t e m ，i no r d e rt oc o n t r o lt h ep r e c i s i o no fp i e c e ，f u r t h e r ，f o r ma n o b o d y 、h i g hp r e c i s i o na n dh i g he f f i c i e n c yp r o d u c i n gm o d e ，m a i n l yi n c l u d e d ： ( 1 ) 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 r i ts h o u l dg u a r a n t e ef i r s t l y t h a tt h e r ei se n o u g hh i g hs t a t i cp r e c i s i o nt or e a l i z eh i g hp r e c i s i o nm e a s u r e do n l i n e h i st e x th a sm a d ead e e pa n a l y s i sf o rt h er a s t e rt r a n s d u c e ro ni t sp r i n c i p l e ，a n d c a r r i e do nt h es t a t i cb e h a v i o rt oi t sp a r a m e t e rs t a n d a r d ，c a r r yo nn u m e r o u sd y n a m i c c a l i b r a t i o na n a l y s i st ot h et 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 c c h a r a c t e r i s t i co ft h ee x i s t i n gt r a n s d u c e r ( 2 ) d e s i g n i n gt h em e c h a n i c a le q u i p m e n t s t r u c t u r a ld e s i g no ft h em e a s u r i n gd e v i c e 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 e f o rt h ec e n t e r l e s sg r i n d i n gm a c h i n e ，a n d h a sm a d et h es 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 e o ft h e i m p o r t a n tp a r t ；f i n a l l y ，t h ew 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 l f o rt h em e a s u r i n ge q u i p m e n ti sr e l a t e d ( 3 ) d e s i g n i n gt h ep a r to 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 r d i n g 东北走学硕士学位论文 a b s t r a c t 一_ _ - _ _ _ _ - _ _ h _ _ _ _ _ _ _ h 一 t ot h er e q u i r e m e n tf o rt h ec e n t e r l e s s g r i n d i n gm a c h i n em e a s u r i n go n l i n e ，as c m s y s t e mi sd e s i g n e dw 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 r o mt h e t r a n s d u c e ra n dt h es e r v i n gc i r c u i t ，f e e db a c kt ot h eg r i n d i n gm a c h i n et or e a l i z et o c o n t r o lt h eg r i n d i n gm a c h i n e e r r o r so ft 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 e a n a l y z e da tt h ef i n a lp a r to ft h ea r t i c l e t h i s s u b j e c t c a nr e a l i z et h ed e s t i n e d r e q u i r e m e n tt h r o u g hd e b u g g i n gt h e s i m u l a t i n gs o f t w a r e ，p r o 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 t o n l ye s t a b l i s h e st h eb a s i cf o rt h eg r 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 g o n l i n e ，b u ta l s oo f f e rak i n do fr o u t ea n ds c h e m et ot h eo t h e rt r a n s f o r m a t i o n so f d i f f e r e n tl a t h e sa tt h es a m et i m e k e y w o r d s ：c e n t e r - l e s sg r i n d i n gm a c h i n e ；r a s t e rt r a n s d u c e r ；o n l i n em e a s u r i n g s c m ，l v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：函鼢 日期：锄 、) 玛 学位论文版权使用授权书 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： 签字目期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 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， 二 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”的概念是在生产中越早修_ i f 或改进质量，则确定工艺和降低成本的效益就 越大【l l 。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( 即在余属加工阶段) 以模块测量或探测为基础的闭环过程控制h 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，则将无投资吲 撤可言。“质量杠杆”清楚地表明在生产过程中越早确定质量问题，则效益就越犬， 成本就越低，你等的时间越长，收益就越小，成本就越大。 为了提高成品率，避免“质量杠杆”的负面影响情况，越来越多的制造厂转向 在机械加工过程中进行测量，这一测量战略被称为“在线测量”，因为它是在零件 被加j l j 时监控零件的尺寸。虽然在5 0 年代初已有这种闭环过程控制方法，然而仅 在近年来，由于在线测量系统功能的强化、耐用和简便才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【2 j 。 目前，在线测量已经越来越多的应用在各行业的生产过程中，而且人们越来 越清楚的认识到，要尽可能的在生产过程的上游中使用在线测量，而不要在f 后 面采用，再后面采用以提高质量不但很花钱，而且要修正缺陷，甚至已是无能为 】1 ， 1 东北天学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 工业在线测量技术的发展现状及现实意义 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，加上其他因素的影响，所以这项技术尽管在半个世纪 前已经出现，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 r p o s s 公司的产品包括了一系列标准装最，并且可以按照客户要求专门设 计。其中在磨床主动测量装置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，从而进步保证，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l 微米以内。 f 1 本东京精密的磨削加工主动测量仪的线性范围为2 0 0 9 m + 5 0 0 9 m ，重复性为 0 8 p _ m 3 0 次，零位漂移为o 8 1 x 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。【4 】 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。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：三坐标测量视、圆度形状测镬： 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。妇m a r p o s s 公司的非接触式二 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j # 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 l 也是利用半导体激光商速 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0 0 0 0 2 5 m m 。机卜 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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： ( 1 ) 测量精度由g m 级向n m 级发展，进一步提高测量分辨率； ( 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； ( 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 忖- 。 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 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腱方向。 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钡4 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i 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，2 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 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f 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。在线测量技术使加工中的测量仪器与机床、砂轮、工件组成个闭环 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柬调整砂轮 的进给量，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 ：| 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 3 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 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。 1 2 1 磨床在线测量技术的现状及发展趋势 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f 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： 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本最活跃的环 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 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。国内外很早就已 经认识到在线测量技术的重要性丽进行了大量的研究，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，现宙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) ，而且测精 准确度受到限制，不适用于超精密加工。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。 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 癸! | 量，圆度、圆柱度以及表耐飙槠 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。 对于磨削而言，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 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， 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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，影响钡 j 量准确度的因索很多，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。1 7 j 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 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 ) n 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。 要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赢，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丰 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 l 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o 5 l 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赢径或尺 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 i 。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，并且安装网 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0 0 5 ，费用商；g a c 法能自动跟踪测 量工件的直径，结构复杂，测量误差仅为士1 3 l m 。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 一v 5 l m ，由1 液流 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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。用三点法问接测量工件直径、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 l 、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，并睦测量小 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 2 2 磨床在线测量对我国制造业的影响 磨削加工是目前我国精密加工技术的重要手段之一，是先进制造系统中的摹 本环节，其基本目标是在低成本、高生产率的条件下保证产品的加：e 精度和表面质 量。为了实现该目标，磨削加工在线测量技术是重要的保障手段，特别是在多品种 小批量生产条件下，先进的在线测量技术意义尤其重大。 国内外对在线测量技术进行了大量的研究，并且在生产实际中得到了广泛的 应用，但由于磨削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，不适用于超精密加工。 目前我国大多数机械加工企业仍然采用的是传统的零件测量方法，不光费时， 而且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，将对提高真个机械加工行业的加 工效率和产品质量起到不可估量的作用。 当然在线检测的效率和准确度必须得到保证。这样综合决策和必要的补偿就 能在最小的时间延迟内得以实现。因此，磨削加： 中的在线测量技术的发鼹对推动 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 整个机械行业的进步和发展有着重要的现实意义。 1 3 本课题主要研究内容及现实意义 1 3 1 课题研究的主要内容 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，奉 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； f 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 1 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 系统机械装置模型的建立 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，被磨削过后马巴工件进入测量装置，由测量装嚣测 沌其加工后的直径，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， 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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 与已经设定的数据产生了偏差，此喇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 扫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，劳马上对其进行补偿，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 31 2 测量系统控制系统的设计 磨床在线测量系统由传感器、调理电路、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 i d 送过 来的数据进行处理，显示，并根据设定值发出精磨、光磨、摩削结束等控制信号 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汁出一个以s s t 8 9 c 5 4 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、显示，以及根据预设值实现和磨床的通讯等功能。 1 3 。2 本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。 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。 8 东北大学硕士学位论文 第二章无磨床在线自动测量系统的简介 第二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及发展趋势 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：l 一方法，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 ：i i 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 负， 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。在通麽方式 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。 在通磨摩削区，导轮轴线与水平线有一定的角度，大约为2 0 3 。，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： 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 。3 。，精磨角度为 1o 2 0 。 对于有台阶的外圆工件，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o 。o 5 0 之f h j 。设备前端 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， 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f ，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：r ：件的直线性和加：i 精度。因此，无心磨削是一种高效率，高精度的磨方式。 9 东北大学硕士学位论文 第二章无m 磨床在线自动测量系统的简介 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闻的不同组合获得粗进给和微量进给。这种进给形 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【1 2 】。 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，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： 件后，【q + 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 ) 在磨削性能一e ，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o 3 m m ，切入磨方式一次磨削余量可迭o 3 5 m m 。 目前，无心磨床仍向着高精度、自动化、商效率的方向发展，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 现有在线测量系统的一般动态特性 磨床在线检测系统要实现加工与测量的同步，这就要求它能准确、迅速的反 映被测参量的变化。目前磨床工件的最高转速达到3 0 0 转，分1 0 0 0 转分，希壤在 工件转一“周的过程中，对工件测量多个点，所以整个测试系统的动态响要求比较 高。因此需要对传感器进行动态校准，根据动态校准的实验数据来建立动态响应 模型；从而提高了测试系统的动态性能。 动态校准原理是先假设测试系统的幅频特性如图2 1 所示，当被测信号的频 1 0 东北大学硕士学位论文第二章无。磨床在线自动测量系统的简介 率w w l 时，输入和输出在幅频上是线性关系，测试系统可以准确的反映工件 尺寸的变化；当w l w w 2 时，输出信号接近零，传感器无法反映被测1 ：件尺寸的 变化。 一肿) o 图2 1 传感器的幅频一股特性曲线图 f i g 2 1t h ec h a r a c t e r i s t i ca m p l i t u d ef r e q u e n c yc u r v e s a b o u tat r a n s d u c e r 所以要保证测试系统动态测量结果的失真小于允许值，必须注意测试系统的 动态性能指标。动态性能指标的获得可以通过理论分析或者是动态校准的方法来 获得。理论分析一般都很复杂，所以采用比较多的是动态校准的方法。它是由实 验结果建立数学模型，再由数学模型获得其测试系统的动态性能指标，进而可以 研究改进动态特性的方法【”l 。 动态性能指标有两类：一类是时间域指标，另一类是频率域指标。 2 2 1 时间域动态性能指标 锋：= 蛸备 酗 蕃 戢 、o r a l ”i 暑皇 * ，= = - 忑 矽 - - - i - t - - 一一i i 斑 一坳 il i 1 汀 ，t _ 置嚣 群 i 1 l l l i 图2 2 一阶系统阶跃过渡过程曲线 f i g 2 2t h es t e pl e a pp r o c e s sc u r v eo ft h ef i r s ts t e ps y s t e m 时间域动态性能指标一般都是用阶跃过渡过程曲线上的特性参数柬表示，并 - l l 东北大学硕士学位论文 第二章无心磨床在线自动测量系统的简介 采用标准的初始条件，即传感器最初处于静态状态，此时输入量和输出量对时间 的各阶导数都等于零。 ( 1 ) 一阶系统 一阶系统最常用的指标是时一问常数t ( 输出上升到稳态值的6 3 所需的时 间) 、响应时间z l ( 输出达到稳态值的9 5 所需的时间) 或t 2 ( 输出达到稳态值的9 8 所需的时间) 和上升时间t 。( 从稳态值的5 达到稳态值的9 0 所需的时间1 ，见图 2 2 。， ( 2 ) 二阶系统 拳 d 0 1 苗o 。 0 图2 3 二阶过阻尼系统阶跃过渡过程曲线 f i g 2 3s t e pl e a pp r o c e s sc h i v eo ft h es e c o n d s t e pd a m p i n gs y s t e m 图2 3 是典型的二阶系统过阻尼系统的单位阶跃过程过渡曲线。常用的动态 性能指标有： j ：二升时间t 对过阻尼系统，通常采用稳态值的1 0 上升到稳态值的9 0 所需 时间( 对欠阻尼系统，通常采用0 上升到1 0 0 所需时间) 。 峰值时间t o 为到达超调量的第个峰值所需的时间。 响应时间t s 或t z 和前面一阶系统的定义相同。 最大超调量d 在传感器响应过程中，输出量的最大值。 2 2 2 频率域动态性能指标 频率域的动态性能指标中最常见的是通频带h 或在对数幅频特性曲线j 二衰 减3 d b 对应的频率) 。对于仪表或传感器与测试系统较实用的是：】：作频带。 | | 隔 值误差为5 或1 0 ( 对于要求较高的为l 或2 ) 的两种工作频带( o 。】或 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章无心磨床在线自动测量系统的简介 q 2 。也可以根据需要对相频提出要求，如在工作频带内相角应小于5 度。 2 2 3 时间域与频率域两种动态性能指标的关系 时间域和频率域两种动态性能指标存在着定性的关系，粗略的说，频带宽几 倍，响应时间( 过渡时间) 就快几倍。对于一阶、二阶两种指标间还存在着定量关 系，可以互相转化。高阶系统时间域与频率域的动态性能指标的关系要比一、二二 阶系统复杂，都应该从相应的动态数学模型中计算出来。 2 3 光栅传感器的特点 到目前为止，在测量行业中应用较为广泛的位移测量元件有光栅、感应同步 器、磁栅、容栅、球栅和激光等。但是由于光栅传感器的栅距( 信号周期) 的比其 它几种( 激光除外) 都小，因此，光栅测量系统的精度最高。如表2 1 所示。 由表2 1 的内容可以看出来，光栅测量系统的性能稳定、可靠性好、精度高、 使用方便和价格适中，和其它测量系统( 如感应同步器、磁栅和激光) 相比有着明 表2 1 常用检测系统精度 t a b l e 2 1c o m m o nu s ea c c u r a c yo fe x a m i n a t i o ns y s t e m 曼的优势，在9 0 年代国际市场上数控和测量机上所采用的测量系统8 0 以上都 是用光栅。高精度光栅测量系统的分辨率可达到纳米级，即o 0 0 5 9 m ，精度可达 0 21 a m 。 光栅位移传感器一般由标尺光栅、指示光栅、光电元件和传感元件组成。蹲 一般可分为开式光栅位移传感器和闭式光栅位移传感器。 开式光栅传感器的标尺光栅裸露在外面，微型光源和硅光电池都装在传燎头 。1 3 东北大学硕士学位论文第二章 无m 磨床在线自动浸l i 量系统的简介 里。它的精度较高，要求工作的环境也较高；闭式传感器的特点是发光器件、光 电转换器件和光栅尺封装在紧固的铝合金型材里。发光器件采用发光二级管，光 电转换器件采用光电三级管，这样的密封结构可以防止铁屑、切削和冷却液等污 染物对光栅尺造成损坏和腐蚀。目前，应用较广泛的是闭式光栅位移传感器。 2 3 1 光栅工作原理 光栅就是在一块条形的光学玻璃上，均匀的刻上许多条纹，如图2 4 所示， 较长的长条形光栅称为标尺光栅，较短的光栅称为指示光栅，指示光栅上的刻线 密度和标尺光栅是一样的。 标尺光栅指示光栅 图2 4 光栅尺 f i g 2 4t h er a s t e rr u l e r 当标尺光栅沿着与线纹相垂直的方向移动时，光源通过标尺光栅和指示光栅 在由反光镜聚焦射到光电元件上，当指示光栅的线纹与标尺光栅的透明间隔完全 重合时，光电元件接受到的光最少，在理论上等于零；当指示光栅的线纹部分与 标尺光栅的线纹部分完全重合时，光电元件受到的光最多。当标尺光栅沿指示光 栅连续移动时，光电元件所感应出来的光点压变化也是连续的，近似予正弦波， 如图2 5 所示。 光电元件输出光电压的变化周期与栅距成比例，当指示光栅只