（电机与电器专业论文）专用精密测量与修磨装备控制系统研究.pdf

专用精密修磨装备控制系统芙键技术研究 s t u d y o nc o n t r o ls y s t e mi ns p e c i a lp r e c i s i o n m e a s u r e m e n ta n dg r i n d i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h i nw a l lr e v o l v i n gb o d ym a d eb yf r a g i l em a t e r i a li sak i n do f b a r o q u ew o r k p i e c ew h i c h i s u s e di ns o m ed o m a i ns u c ha sa v i m i o n ，s p a c e f l i g h ta n dr a d a rc o m m u n i c a t i o n ，i t sp r e c i s i o n i n f l u e n c e st h ee q u i p m e n t s p e r f o r m a n c ei nt h e s ef i e l d s 。b e c a u s eo fi t ss p e c i a lm a t e r i a l sa n d h i g hg r i n d i n gp r e c i s i o n ，i ti sah a r do b j e c tt om a c h i n et h e s ew o r k p i e c ea th o m ea n da b r o a d t h e r a d o m eo f h i g hs p e e da i r c r a f ti sag o o de x a m p l eo f t h i sk i n do f w o r k p i e c e ，a n dw i l lb et r e a t e da s a s a m p l ei nt h i sa r t i c l e t h i sk i n do fw o r k p i e c er e q u e s t sh i g h l e v e le l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fi t ss i d e w a l l ，a n di th a s d i f f e r e n tm a c h i n ew a yf r o mg e n e r a lm a c h i n et o o l s f i r s t l y ，t h em a c h i n i n gd a t u ms u r f a c ei s a c t u a li n n e rs u r f a c eo ft h es e m i f i n i s h e dr a d o m e ，w h i c hi sat h r e e - d i m e n s i o n a lc o m p l i c a t e d s u r f a c e s e c o n d l y ，t h eg r i n d i n gr e m o v a l sa td i f f e r e n tp o i n t so nt h er a d o m ev a r yf r o me a c ho t h e r h a sb e e ni nt h i sf i e l do fr e s e a r c hf o rm a n yy e a r s ，r a d o m ei n n e rs u r f a c ep r e c i s i o ng r i n d i n g m a c h i n et o o lw a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yb yd a l i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y b u tp r e v i o u s m a c h i n et o o l s m a c h i n i n gp r e c i s i o na n dl e v e lo fa u t o m a t i o na r en o th i g he n o u g hf o rn e w d e m a n d s ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pan e wp r e c i s i o na n dg r i n d i n gm a c h i n eb a s e do nt h e t e c h n o l o g ya v a i l a b l e a c c o r d i n gt o t h em a c h i n i n ga c c u r a c y ( 5 岬) a n ds p e e do ft h en e w p r e c i s i o ng r i n d i n g m a c h i n ei nt h eg r o u n do ft h em a c h i n et o o lb a s e do n d o u b l es t a t i o ni no n eb o d y s t r u c t u r e ，w e d e v e l o pak i n do fo p e nc n cs y s t e mb a s e do ni p c + g a l i ls t r u c t u r e ，a n a l y z et h em e t h o do f d a t ap r o c e s s i n gb r i e f l y ，a n a l y z ea n dd e s i g nt h ep a r to fm e a s u r e ，g r i n d i n ga n dt o o lp r e s e t t i n g d e t a i l e d l y a i m i n ga tt h eh i g hp r e c i s i o np r o c e s sd e m a n d s ，w ed e v e l o pah i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o l s t r a t e g yw h i c hc o m b i n et h r e e l o o pf e e d b a c kp i dc o n t r o la n df o r w a r df e e d b a c kc o m p e n s a t i o n ， w h e r eb e s i d e sc u r r e n t ，s p e e da n dp o s i t i o nl o o pw i t hp i df e e d b a c kc o n t r o l l e r ，a p p e n ds p e e d f o r w a r df e e d b a c k ，a c c e l e r a t i o nf o r w a r df e e d b a c ka n dn o t c hf i l t e r t h ec o n t r o lp r e c i s i o ni s i m p r o v e dd r a m a t i c a l l y t os e t t l ew i t ht h ee r r o r so ft h em a c h i n es t r u c t u r ea n dm e a s u r i n ge q u i p m e n t s ，w ea n a l y z e a n dd e s i g nt h ec o m p e n s a t i o nm e t h o db a s e do n “e r r o rt a b l e ”，t h ep r e c i s i o no ft h es e r v o a x i si s i m p r o v e dr e m a r k a b l y a i m i n ga tt h ee r r o r so fd a t ap r o c e s s i n g ，c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o na n d s e v e r a lt i m e sb a c kt oz e r o ，w es t u d yt h ee r r o ra n dd e s i g nt h ec o m p e n s a t i o nm e t h o d s ，f o r e x a m p l er a d i u sc o m p e n s a t i o nm e t h o da n dt o o lp r e s e t t i n gc o m p e n s a t i o nm e t h o d ，a n dg e ta s a t i s f a c t o r yr e s u l tf o ri m p r o v i n gt h ep r e c i s i o no f t h ew h o l es y s t e m i no r d e rt oi m p r o v et h em a c h i n i n gq u a l i t y ，w ed e s i g nt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mt oa c h i e v e a na c c u r a t el e v e lo fs p e e db a s e do ns p i n d l em o t o r t h r o u g ht h i ss y s t e m ，w ec a nk e e pt h ev m u e o fv 州s a f t e rd e s i g n i n gt h ep r o g r a mi ni p c ，w ec o m p l e t et h ed e b u ge x p e r i m e n t a tl a s t ，w ec o m p l e t et h ej o i n e dd e b u ga n ds y n t h e s i se x p e r i m e n t ，d e t e c ta n da n a l y z es p e c i a l e x a c tg r i n d i n ge q u i p m e n t ss e r v oa x i s o r i e n t a t i o np r e c i s i o na n dr e p e t i t i v eo r i e n t a t i o np r e c i s i o n ， a c h i e v et h et o o lp r e s e t t i n ga n dg r i n d i n gp r o c e s se x p e r i m e n t a t i o n ，a l s oc h e c ku pt h ep r o c e s s p r e c i s i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sv a l i d a t e ss p e c i a le x a c tg r i n d i n gm a c h i n e t o o lr u ns t a b l y ，h a s f a s tr e s p o n s ea n ds a t i s f a c t o r yc o n t r o lp r e c i s i o n ，c a n 酣n dt h er i g i d 缸a 西l em a t e r i a li nh i g h p r e c i s i o n k e yw o r d s ：t h i nw a l lr e v o l v i n gb o d y ；c n cs y s t e m ；g a l i lm o t i o nc o n t r o lc a r d ；e r r o r c o m p e n s a t i o n ；r e a l t i m ec o n t r o lo fm o t o rs p e e d 、 - i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：童题猛蜜测量皇堡座装叠控剑丕统盈窒 作者签名： 盘金涿日期：二竺乳年厶月上堑日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：童周猛蜜堡廑装釜整剑丕统羞筵垫苤盈究 作者签名： 茎兰缦 日期：! z年j 7 _ 月l 日 导师签名：釜! 安丕日期：皇! ! 王年l 月j 生日 大连理工大学硬士学位敝 1 绪论 1 1 论文的选题背景及来源 1 11 硬臆材料薄壁回转体工件概述 硬脆材料薄壁回转体工件主要应用在航空、航天和雷达通讯等领域，其制造精度直 接影响到该领域某些设备的性能。因材料特殊、加工精度要求高，其加工一直是国内外 的难题l l i 高速飞行器头罩是该类工件的典型代表，本文将以高速飞行器头覃为例介绍 硬脆材料薄壁回转体工件的性能要求和加工要求，并在专用精密测量与修磨装备的设计 工作和调试实验中以其为加工样件。图l l ( 8 ) 为硬脆材料薄壁回转体工件。 高述e 行 | ； 头罩 ( a ) 硬脆材料薄壁同转体工件( b ) 高述飞行器头罩 图1 1 硬脆材料薄壁回转体工件 f i 引it h i n w a l l r e v o l v i n g b o d y 如图1 1 ( b ) 所示为高速飞行器头罩。飞行器头罩位于飞行嚣头部，一方面能承受 藏速飞行过程中与空气摩擦产生的高温高热，对电子通信设备起到隔热保护作用；另一 方面由于它位于电子通信设备外围，对电磁波发射和接收应尽可能的“透明”，保证通 讯电磁波被接收装置接收的信息不失真，以使飞行器头罩对飞行器的飞行影响最小1 ”。 也就是说飞行器头罩必须满足飞行器的气动外形要求、飞行器飞行时所承受的机械负荷 及恶劣环境的要求的同时，还要满足电性能要求。因此对飞行器头罩的研究是- - n 集飞 行器空气动力学、空气热力学、机械机构、电磁场理论、天线技术、制导与控制技术、 新材料及其工艺技术、专门的检测设备等复杂技术于一体的边缘学科。 在高速飞行器头罩的研制中，所涉及的各门学科都需要独特的专门技术，而着眼点 之间又是彼此联系和矛盾的。例如，在高速飞行过程中，速度越高则空气压缩越强烈， | 验 专用精密修磨装备控制系统关键技术研究 一方面产生极大的气动阻力，另一方面也使飞行器表面温升加快。为了减小飞行时的空 气阻力，飞行器头罩应该设计成高度的流线型；但是从电气性能上考虑的话，其最佳外 形又应是钝头半球形；飞行过程中气动加热和加载要求高速飞行器头罩材料具有优良的 耐热性和机械强度，但是此时材料在电性能方面却不是最佳的；在结构设计上，电气性 能优良的方案往往结构复杂、工艺要求高；在结构参数的选择上，电磁波大入射角与小 入射角下的性能、垂直极化与平行极化下的性能之间都是相互矛盾的【1 1 。要获得一个各 方面性能都很理想的飞行器头罩是一件非常困难和复杂的问题，因此在制造飞行器头罩 时，除了对材料的透波性能、耐热性能、机械强度要求较高外，对材质介电常数的一致 性和壁厚误差要求也极为严格。研究表明，材质介电常数的不一致性和壁厚误差均会引 起高速飞行器头罩的电性能下降，降低天线系统性能。 1 1 2 国内外研究现状 二十世纪四十年代，由于军事对抗的需要，国外对高速飞行器头罩的研究非常重视， 投入了大量的人力、物力和财力，进行了较为系统的研究，迅速产生、形成了一个完整 的研究、生产、检测、质量控制的高速飞行器头罩研制生产庞大体系【2 1 。 美国在高速飞行器头罩技术研究方面开展得比较早。早在二次世界大战中，美国就 研发出了供b 一1 8 a 轰炸机瞄准雷达用的高速飞行器头罩，这种飞机高速飞行器头罩采用 有机玻璃材料，外形为半球形。此后，各种介质材料及不同外形结构的高速飞行器头罩 相继应用于飞机上。5 0 年代初，波音公司研制了波马克高速飞行器头罩，高速飞行器头 罩呈卵形，采用玻璃纤维缠绕成形；6 0 年代，乔治亚州理工学院在美国海军的资助下， 研制新的热防护系统材料，取得了泥浆浇铸熔融石英( s l i p c a s tf u s e ds i l i c a ，简称石英 陶瓷) 材料的新成果。这种材料介电损耗低，具有低的热膨胀系数和高的抗热冲击性能， 较适合于高速飞行的飞行器；7 0 年代，研制成功石英陶瓷高速飞行器头罩；8 0 年代以 来，美国通过对陶瓷材料的补强和增韧研究改善了陶瓷材料的脆性，从而发展了氮化物 陶瓷及以纤维增强的复合陶瓷材料高速飞行器头罩【5 】。1 9 9 7 年，美国陆军部资助研制出 以无压烧结s i o n 纳米复合材料陶瓷高速飞行器头罩，应用于超音速飞行器。另外，美 国对于磷酸盐基复合材料也进行了较为深入的研究。最近，美国又开发了无机硅聚合物 ( d i 1 0 0 树脂和d i 2 0 0 树脂) 基体透波复合材料，与有机硅树脂相比，具有使用温度 高、无需高温除碳、复合材料强度高等特点。d i 树脂在6 5 0 c 保温3 0 小时质量损失仅 为4 左右，d i 1 0 0 树脂在1 6 0 0 的质量保留率高达7 8 t 3 , 4 1 。 俄罗斯在高速飞行器头罩领域的研究开展得也较早，已有几十年的历史，形成了成 熟的工艺技术及材料体系。目前，从事高速飞行器头罩相关技术研发与生产的主要有莫 大连理工大学硕士学位论文 斯科玛瑙科研所、俄罗斯国家科学中心下属的科学生产联合公司、洛莫公司( 列宁格勒 光学机械公司) 、亚速光学机械厂和自动化与液压装置中央科研所等。在高速飞行器头 罩技术的研究方面俄罗斯有其独到之处，无论在基础理论研究方面，还是在制造工艺及 测试和试验等方面均取得很大进展。经过长期研究，俄罗斯研制出了高硅氧纤维织物增 强无机盐( 磷酸铝、磷酸铬和磷酸铬铝等) 复合材料高速飞行器头罩。目前，这类材料 己在各类飞行器上获得了应用【3 1 。 此外，法国、德国、英国、意大利、以色列等国家在高速飞行器头罩研制中也各有 特色，都分别研制了不同材料，不同型号的高性能高速飞行器头罩。 在国内，从上世纪5 0 年代后期开始研制高速飞行器头罩，经过几代人的学习、攻 关、探索，我国研究人员在高速飞行器头罩领域取得了可喜的成绩。目前，已能独立自 主地设计和制造半波长壁、a 夹层型、c 夹层型、陶瓷型机头鼻锥等高速飞行器头罩， 已经有高速飞行器头罩的专业生产工厂和研究所，并具备了一定的高速飞行器头罩设计 水平、实践经验和生产能力【6 7 1 。尽管如此，与国外先进的制造水平相比，我国目前在高 速飞行器头罩研制方面还存在一定的差距。开展高性能的高速飞行器头罩研究，研究高 质量高速飞行器头罩所必须的加工技术和装备，是我国国防建设、航天技术发展和现代 化建设必不可少的工作。 1 1 3 硬脆材料薄壁回转体工件7 i 口- t - 要求 高速飞行器头罩一般由硬度高的脆性材料( 如石英陶瓷) 制造，系典型的硬脆材料 薄壁回转体工件，不但对外廓曲面形状和机械强度要求高f 8 】，而且还对罩壁的电性能有 苛刻的要求。实验证明，当硬脆材料薄壁回转体工件中某些区域或某点的电性能误差不 满足要求时，可根据工件的几何厚度与电性能的耦合关系，通过对工件进行局部几何厚 度修磨调整，从而弥补或抵消由于材料成分不均及壁厚误差引入的电性能误差，最终将 电性能误差缩小在允许范围内，提高飞行器的整体性能。 高速飞行器头罩的制造过程中，一般先对工件毛坯进行半精加工，即加工调整工件 机械强度和外廓曲面气动性能参数符合要求，然后对内廓曲面进行逐点可控的精密磨 削，调整工件的电性能符合要求。 因工件材料特殊、内廓曲面复杂、侧壁较薄且加工要求特殊，致使对高速飞行器的 加工较为困难。在高速飞行器头罩半精加工的基础上，进行调整工件电性能的加工就更 为困难，普通的装备和控制系统很难完成对该类工件的；b 日- r 。 面向工件电性能的加工有着特殊的要求，即根据工件经过半精加工后存在的电性能 偏差，对工件内廓曲面进行保持原形的不同区域进行不同磨削量的加工【引。综合以上提 专用精密修磨装备控制系统关键技术研究 到硬脆材料薄壁回转体工件的特点和要求，进行面向电性能调整的精密j j n - r 的难点及要 求如下： 1 ) 工件内表面为高次曲线回转体曲面，加工需要保持原有曲面特性，因此加工难 度较大。 2 ) 由硬度高、脆性大的材料制造，装夹及加工过程中易碎。 3 ) 工件为薄壁工件，在加工过程中，装夹容易变形，如重复装夹容易带来额外误 差。 4 ) 为调整工件的电性能，需要装备有逐点可控的磨削功能，即对工件上不同磨削 点( 或区域) 进行不同磨削量的加工。 5 ) 加工精度要求5 1 t m 。 1 2 专用修磨装备控制系统关键技术及要求 在理想的情况下，高速飞行器头罩的内廓面是外廓面的等距面，二者都是旋转对称 的高阶函数曲面，由于半精加工公差的存在，实际内廓面是自由曲面【1 1 。 对高速飞行器头罩进行面向电性能一致性的精密修磨加工与传统的磨削相比，有显 著的不同，普通的数控磨床、加工中心等设备无法获取工件的加工基面而不能满足面向 性能的逐点可控的修磨加工。因此，需要研制集精密测量( 以获取加工基准面型值点) 、 数据处理和精密磨削等功能于一体的专用精密修磨加工装备，而构建高性能的开放式数 字化控制系统是保证该装备研制成功的关键技术之一。 开放式数控系统系统具有如下特征：容许符合系统规范的设备运行在多个销售商的 不同平台上，可与其他的系统应用互操作，并具有一致性的用户交互风格；具有互换性、 可伸缩性、可移植性、互操作性以及可扩展性五个方面的系统特征。目前开放式数控系 统主要有三种结构形式：专用c n c + p c 型、运动控制器+ p c 型、全软件型( 纯p c 型) 。 其中，运动控制器+ p c 形式( 又称n c 嵌入p c 或p c 内嵌n c ) 结构的开放式数控系 统以p c 机为平台，以标准插件形式的开放式运动控制器为控制核心【1 0 - 1 2 ，可以充分利 用p c 机的软硬件资源，具有实时性好、编程灵活、性能可靠等优点，因此成为当前数 控技术发展的一个重要方向。本文即采用g a l i l 运动控制器与通用工业控制计算机 ( i p c ) 相结合的主从式双c p u 结构开放式数控系统，g a l i l 运动控制器处理所有“现 场”实时控制任务，包括多轴插补、控制算法、行程控制、误差补偿等；i p c 则专注于 人机界面、数据处理、实时监控和发送指令等系统管理工作。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 1 特殊功能化控制系统 构建集精密测量和精密修磨于一体的精密加工装备，需要一个集精密测量、数据处 理、精密修磨、运动控制等功能于一身的数控系统。虽然通用的c n c 设备技术己经较为 成熟，但并不能符合实现多功能性的要求。因此必须设计一套专用的数控系统，完成对 高速飞行器头罩这种特殊工件的测量和磨削工作。 1 2 2 高稳定性、高精度的控制策略 为保障装备的加工精度，要求控制系统启动性强、快速跟踪性好、定位精度高、过 冲抑制性强。选择设计一个实用的、高性能的控制策略完成对各个伺服轴的运动控制， 是对控制系统研究的关键内容0 3 1 。 1 2 3 优化误差补偿技术 误差补偿是人为地制造一个与原误差大小相等、方向相反的误差补偿值来修正原有 误差，在不改变装备结构和制造精度基础上，通过对装备加工过程的误差源分析、建模， 实时地计算出工件加工点的空间位置误差，将该误差量反馈到装备控制系统中进行误 差修正，从而提高系统的控制精度。当前，误差补偿技术倍受重视，被认为是提高装备 加工精度的必由之路。 1 2 4 内廓面测量技术 对高速飞行器头罩内廓型面测量，目的在于对工件表面离散点测量来获取内廓面的 原始形状信息，进而反求出其内廓型面几何模型，作为修磨加工的基准【1 4 】。虽然进行精 密测量不是最终目的，但却是最终加工能否实现的主要因素和前提条件。 1 2 5 复杂的数据处理 由内廓曲面的型值点数据求得工件内廓曲面几何模型的过程属于反求工程。在本系 统中，数据处理除了包括反求内廓曲面，还包括加工要求规划、双工位间的坐标变换、 砂轮磨损补偿、生成数控加工代码等任务。 1 2 6 自动对刀系统 以数据处理后生成加工代码对工件进行修磨加工，其基准面是精密测量后并经过坐 标变换的曲面模型，从工程上讲，很难和工件实际内廓型面严格的吻合，其误差主要来 自在数据处理中用到的双工位z 向中心距、x 向中心距和垂直方向中心距偏差，以及砂 轮磨损造成的误差。要进行修磨加工就要将两个概念的型面进行吻合，途径就是对刀。 专用精密修磨装备控制系统关键技术研究 1 2 7 主轴调速自动控制 在加工过程中，为保证工件加工表面质量的一致，必须使工件进给速度叱与砂轮旋 转线速度v 。的比值保持恒定。因此在本控制系统中需具备主轴在线调速功能，使主轴电 机转速自动跟踪工件的进给速度。 1 3 本文的主要工作 课题组在高速飞行器头罩电性能补偿领域已进行了多年研究，提出了以调整几何厚 度来补偿材质介电性能偏差的方法，并在此基础上先后研制开发了两代内廓面精密修磨 装备，取得了很多创新性成果。经实际使用证明，研制开发的装备能较好的满足工件内 廓面实际加工要求，但其加工精度、加工效率及自动化水平仍有进一步提升的空间。为 满足日益提高的加工要求，本文针对第三代专用测量与磨削装备的控制系统展开研究。 主要工作包括： 1 ) 基于“一体式双工位 体系的加工平台，设计i p c + g a l i l 结构开放式数控系统。 2 ) 根据系统要求，设计并构建控制系统硬件部分。 3 ) 根据系统设计指标要求，研究高性能的控制策略，并完成相关参数整定。 4 ) 基于测量与加工规划和要求，对下位机功能软件部分g a l i l 运动控制卡功 能程序进行设计( 软件功能实现) 。 5 ) 为保障磨削质量一致性，设计主轴调速自动控制系统，使主轴电机转速自动跟 踪工件的进给速度，保持加工过程中v “。恒定。 6 ) 进行系统精度检验和修磨实验检验控制系统的控制精度。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 一体式双工位体系结构装备平台研究 因硬脆材料薄壁回转体工件侧壁较薄，装夹容易变形，为避免二次装夹引入的误差。 本文采用“一体式双工位 测量与加工方案。本章将介绍装备的工作流程、双工位测 量与加工方案，阐述内廓面的测量方法。 2 1专用精密修磨装备功能设计 装备的加工面是经过半精加工后的高速飞行器内廓面，属于自由曲面，并且要求罩 壁上不同区域或点的去除量不同。这样进行修磨加工之前必须建立磨削的基准面，即通 过精密的测量获得工件内廓面型值点数据，然后经数据处理得到内廓面几何模型，再以 内廓面模型为基准面进行精密修磨加工。因此，以硬脆材料复杂型面回转体工件为加工 对象的专用加工装备，必须具备内廓面精密测量、数据处理和修磨加工三大功能【1 5 ，1 6 】。 整个测量与修磨的过程可简单概括为： 1 ) 利用测量元件对工件内廓面进行测量，获得内廓面形状信息型值点数据； 2 ) 根据测量数据反求出工件内廓面，建立修磨加工的基准； 3 ) 在内廓面加工基准上进行面向磨削的数据处理根据修磨区域、去除量、砂 轮半径等数据，确定磨削加工后内廓面的几何模型； 4 ) 根据加工后内廓面的几何模型并结合工件加工轨迹规划要求，得到磨削工位运 动轨迹密集点坐标数据。 5 ) 将磨削工位运动轨迹密集点坐标数据按运动控制卡格式要求进行处理后，下达 到运动控制卡； 6 ) 运行程序，完成修磨加工。 专用精密测量与修磨装备工作流程如图2 1 所示。 图2 1 修磨装备工作流程图 f i g 2 1 t h ef l o w c h a r to fg r i n d i n ge q u i p m e n t 专用精密惨磨装备控制系统关键拄术研究 2 2 一体式双工位体系结构装备的测量与修磨方案 现有的通用测量设备和内圆磨削装备不能同时满足精密测量和精密磨削两项任务， 如果使用不同设备分别完成测量和磨削任务，不但要开发测量和磨削专用设备，而且在 此过程中对工件的重复装夹又不可避免地引入二次装夹误差再加上测量误差和磨削误 差等因素的影响，很难满足5 岬的加工精度要求l l 。 如采用测量、磨削一体式方案，即对工件只进行一次装央，测量过程和磨削过程在 同一个坐标系下完成则可有效避免二次装夹误差。为此，研究开发了集自由曲面测量、 数据处理、加工功能于一体的专用设备，对工件的精密测量、数据处理和精密修磨在同 一台设备上完成【| 7 ，憎】。 如图2 2 所示，专用精密测量与修磨装备是由两个直线轴( x 、z ) 和一个旋转轴( c ) 组成的三轴联动系统。针对典型t 件孔深、径小的特点，测量工位和磨削工位呈平行布 置，均安装在双工位滑台上。双工位滑台在x 方向运动，与装夹有工件的工作滑台的z 方向运动相配合，可实现x o z 平而1 ：磨头、测头与工件的相对运动，同时旋转轴c 配合 旋转运动，从而可实现工件内廓面上任意点的测量和磨削。 图2 2 装备结构示意图 f i g 2 2 s t r u c t u c eo t 哪l d n et o l l 8 一 大连理工大学硕士学位论文 从装备结构可以看出，测量工位和磨削工位安装在同一“双工位滑台 上，测头和 磨头相对位置不变，这样可以很方便的通过数据处理实现测量工位和磨削工位的坐标转 换。 测量过程中，测头相对于工件内廓面做扫描运动，类似于修磨加工中磨头相对于工 件廓形的扫描运动。装备的设计参数和要求如表2 1 所示。 表2 1 装备设计参数 t a b 2 1 d e s i g np a r a m e t e r so fg r i n d i n gm a c h i n e 2 3 内廓面测量方法 对自由曲面的测量，从本质上讲就是获得曲面上多点的空间坐标数据，进而反求出 曲面形状信息【1 9 1 。当前，对自由曲面进行测量的方法较多，以测量方式分类，一般分为 接触式测量和非接触式测量；从测量途径分类，一般可分为机械式和声光电式【2 0 1 。测量 方法分类如图2 3 所示。 “ 图2 3 常用测量方法 f i g 2 3 c o m m o nm e t h o d so fm e a s u r e m e n t ( 1 )接触式测量方法 在接触测量中，一般利用安装在机械手顶端的探针或测头来获取被测工件表面形状 信息。测量时测量元件( 例如测头) 与被测工件表面直接相接触，如三坐标测量机 ( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) 就是典型的接触式测量设备。接触式测量与其 它的测量方法相比，测量速度较低，但具有较高的测量精度，且不受物体表面颜色及光 照的限制，对物体边界也能进行精密测量。其缺点是在测量时测头与被测物之间存在一 一9 一 专用精密修磨装备控制系统关键技术研究 定的接触压力，加上测头等因素的限制，可能丢失某些测头不可达到的细节数据。对于 诸如橡胶、皮革等软质材料、弹塑性材料，或其他超薄形材料的测量也必然导致测量误 差。另外测头半径补偿问题依然存在，三维测头的出现可以相对容易地解决测头半径三 维补偿的难题，但仍然存在接触压力对被测对象的干扰问题。另外，接触式测量过程中 的测量速度也受到装备机械运动的限制【2 0 1 。 ( 2 )非接触式测量方法 非接触式测量是主要利用光学、声学、磁学等领域途径，将一定的物理模拟量通过 适当的算法转化为被测工件表面的位置数据。非接触式方法在测量时不接触工件的表 面，可以从根本上解决接触式测量所产生的各种缺陷，测量速度快、精度高。目前，非 接触式测量的数据传递介质主要有激光、声波和电磁场等，其中较常见的是以激光为媒 介的激光三角形测量法和光栅法等。由于其测量过程是利用光学方法进行的，从而对被 测物体表面有一定要求。表面反光或全黑物体均不适合用光学方法进行测量，否则会存 在“阴影效应”的测量死角。在测量过程中测量倾斜角要求角度不能太大，否则会产生 很大的测量误差，而且非线性误差大，工作可靠性及工作稳定程度不高。 本系统典型工件高速飞行器头罩具有孔深、径小、内腔阴影效应大等结构特点， 不适合采用非接触式测量i 墙】。工件由石英陶瓷材料制成，硬度大，采用接触式测量时， 测头与工件内壁接触产生的接触压力不会因工件形变而产生测量误差，测头也不会对工 件造成损伤。同时经过半精加工后的工件几何精度已经达到一定要求，获得较少的内廓 面型值点数据即可反求内廓面模型，可以接受接触式测量效率低的缺陷。此外，对于双 工位装备测量工位悬臂杆结构，结构简单、体积小、重量小的接触式测头更便于安装。 综合考虑各方面因素，确定采用接触式测量方式对工件进行精密测量。 测头微小形变同时发 送触发电信号，捕捉 设备捕捉坐标信息 图2 4 测头工作原理 f i g 2 , 4w o r k i n gp r i n c i p l eo ft o u c h t r i g g e rp r o b em e a s u r es y s t e m 大连理1 = 大学硕士学位论文 测头工作原理如图2 4 所示，对曲面进行测量时，触发式测头一般是配合位置测量 设备( 本系统为光栅尺) 和具有位置捕捉功能的设备( 本系统采用运动控制器) 完成测 量工作。首先，测头按照规划的运动轨迹靠近测量点，当测头探针接触到曲面表面时， 测头发生微小形变即会发出触发信号r n l 电平信号【2 1 1 ，位置捕捉设备就会根据这一 触发信号从光栅尺上读出此时测头所处坐标位置并保存，当测量到足够多点坐标数据后 即可获得工件内廓面曲面形状信息。 测量中采用的触发式测头为英国r e n i s h a w ( 雷尼绍) 公司生产的t p 2 0 型触发式 三维测头【2 1 1 。这种型号的测头测量精度高、测量稳定，能充分满足本系统的测量要求。 t p 2 0 型触发式测头性能参数如表2 2 所示。 表2 2 测头性能参数 t a b 2 2 d e s i g np a r a m e t e r so fm e a s u r e m e n tp r o b e 指标 性能 触发方向 单项重复性 二维偏差 触发力 超程力 5 向( x ，y ，+ z ) 0 5 岬 1 0 岫 x y 向1 0 9 ，z 向1 9 0 9 x y 向：2 0 4 0 9 ，z 向：7 0 0 9 专用精密修磨装备控制系统关键技术研究 3 控制系统整体设计 对于专用精密修磨装备而言，普通的控制系统无法满足其功能实现和高精度控制， 必须研究开发新型结构的控制系统。控制系统既要完成一般意义下的伺服系统运动控 制，还要具有精密测量、复杂的数据处理、精密自动对刀、加工过程规划和主轴自动调 速等功能，本文选用了i p c + g a l i l 结构的开放式数控系统。本章就控制系统总体结构 和方案进行介绍，并以d m c 18 4 6 运动控制器为基础，分析研究了高性能的控制策略。 3 1 控制系统整体方案 目前国内外成套的数控系统较多，如国外f a n u c 、s i e m e n s e 、h e i d e n h a i n 等 系列数控系统，国内华中数控、凯恩帝数控、航天型数控等系列数控系统，这些数控系 统技术成熟，可靠性高1 2 2 , 2 3 】。尽管如此，这些数控系统却无法同时满足集精密测量、数 据处理、精密磨削于一体的专用精密测量与修磨装备的要求。因此必须结合装备的功能 特点和要求，研制专用的数控系统。 3 1 1 开放式数控系统 开放式数控系统是以分布式控制原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制机构 实现功能可选择化、可移植性强和透明度高的数字控制系统f 2 3 1 。 当前发展的开放式数控系统一般是基于p c 的数字控制系统。将工业控制计算机 ( i p c ) 引入到数控系统中来，在数控系统发展上具有划时代意义，工业控制计算机不 仅为控制系统提供了十分坚实的硬件资源和极为丰富的软件资源，更为数控系统开放性 提供了的基础。 就i p c 与数控系统的组织结构形式雨言，开放式数控系统一般可分为以下三种结构 类型【2 4 】： ( 1 )i p c + c n c 型( p c 嵌入n c 型) 该类型系统可以看为传统的数控系统c n c 升级版，一般为将i p c 系统安装到c n c 内部，p c 和c n c 之间通过专用的总线来连接，进行数据交互。 在此类型系统中，i p c 主要用于非实时控制的人机交互和管理工作，其优点在于可 以利用i p c 的丰富软件资源进行产品开发，具有一定程度的开放性，人机交互方便，c n c 系统可以不用做大的修改即可利用。但这种类型的开放式数控系统是基于传统的c n c 系统的，由于c n c 结构本身不具备开放性，所以用户无法介入到数控系统控制核心， 难以达到多功能化的要求。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 )i p c + 运动控制器型( n c 嵌入p c 型) 该类型数控系统由开放体系结构运动控制卡( 或运动控制器) 和工业控制计算机构 成。是将运动控制模块嵌入到工控机的扩展插槽中，实现功能和数据的共享，构成一个 开放式的数控系统。 运动控制卡可以看作是一个独立的具有开放式体系结构的c n c 系统，通常选用高 速的d s p 作为运动控制器c p u ，具有较为完善的运动控制能力和强大的p l c 控制功能。 运动控制卡具有开放的数控函数库，可以根据用户要求通过编写程序实现特定数控功 能，配合i p c 的w i n d o w s 平台自行构造所需的控制系统，因此这种开放式的运动控制 器被广泛运用于新型的数控加工装备中。如美国d e l t at a u 公司的p m a c 运动控制卡、 美国g a l i l 公司的g a l i l 运动控制卡、日本m a z a k 公司的m a z a t r o l 6 4 0 运动控制 器等都是其中的代表。 i p c + 运动控制卡( 器) 型开放式数控系统能够很好的实现系统功能的灵活性，充分 利用i p c 的丰富的硬件资源和软件资源，软件的通用性强，编程处理较为灵活，可以满 足新型装备功能多样化、特殊化的要求。 ( 3 )全软件c n c 型 这种数控系统的全部功能全部由i p c 通过编程实现，通过转接板或接口卡连接伺服 单元对执行设备进行控制。全软件c n c 系统编程非常灵活，可以随意实现复杂的功能 块儿，软件通用性强，但是因为缺少专用运动控制设备，i p c 进行实时的插补、补偿等 计算较为困难，控制精度和系统可靠性很难保证。 比较而言，i p c + 运动控制卡( 器) 型的开放式数控系统是当前最为理想的开放式数 控系统。本文采用了i p c + g a l i l 结构的数控系统。 3 。1 2l p c + g a l l l 结构双c p u 数控系统 为满足控制系统功能要求，构建了以g a l i l 运动控制卡为控制核心，与i p c 相结 合的i p c + g a l i l 结构的开放式数控系统。根据设计要求，g a l i l 运动控制卡选用 d m c 1 8 4 6 型四轴g a l i l 运动控制卡，上位机选用具有p c i 总线的研华i p c 6 1 0 型工业 计算机。 研华i p c 6 1 0 型工业计算机i p c 采用工业级芯片，在抗干扰、抗粉尘、抗震动等方 面采取了有效措施，能够适应恶劣的工业现场，同时提供了丰富的扩展空间，可以配合 多种扩展卡与自动化设备连接完成控制和管理任务。 g a l i l 运动控制卡是位于美国加州硅谷中心的著名的g a l i l 运动控制公司开发的 基于微处理器的精密运动控制器，目前被全世界装备、半导体、医疗、航天等各个领域 专用精密修磨装备控制系统关键技术研究 广泛采用。g a l i l 运动控制器控制精度高、功能强大、兼容性好、使用方便，在世界上 被公认为运动控制领域的先驱及领导者瞄1 。 d m c 1 8 4 6 型运动控制卡是g a l i l 公司最新开发的第五代高速d m c 1 8 x 6 系列 p c i 总线运动控制器中的一款，采用3 2 位r i s c 结构高速d s p 作为中央处理器，实现4 个坐标轴的p t p 定位、位置跟踪、j o g 、直线圆弧插补、螺旋线插补、切线跟踪、多 主多从电子齿轮同步控制、龙门同步控制、电子凸轮、轮廓控制、示教，录返、椭圆缩 放、拐角过渡、无限线段进给、倍率控制及多任务同时执行等功能；用户可以很方便地 进行参数配置以便与伺服电机或步进电机驱动器接口。控制器具有正反向限位、原点返 回功能，同时还有8 路模拟输入通道，带光隔的i o 及第二编码器反馈接口1 2 5 1 。 d m c - 1 8 4 6 型g a l i l 运动控制卡具有非常强大的处理能力，其主要性能指标如表