（机械电子工程专业论文）三棱形轴孔工件零位自动找正装置定位精度的研究.pdf

中文摘要 摘要 三棱形轴孔工件因其传动速度高、动力学性能好、承载能力大、传动扭矩大、 传动时振动和噪声小等优点被广泛地应用在航空航天、船舶工业、军事工程等领 域。作为一种精密传动部件，其加工过程是一个对精密度要求很高的工作。目前， 三棱形轴孔零件多采用三棱形钻床进行粗加工，再由三棱磨床精加工。在三棱形 轴孔工件精加工中，机床在数控系统的控制下，实现了工件切削加工过程的柔性 自动化。而在对工件精加工前必须先对三棱形轴孔工件的加工零点进行找正，传 统的手动找正方式会造成加工的辅助时间长、装夹效率低、装夹精度受人的技能 高低和状态好坏的影响。为了克服手动找正的缺点，前期我们已经设计出基于 a t 8 9 c 5 2 单片机和绝对式编码器为核心的零位偏差角度自动找正系统，取代传统 的手动找正，以彻底实现工件找正的自动化。但前期设计的自动找正系统对零点 的找正速度比较慢，稳定性较差，而且测量误差也比较大，与数控加工的高精度、 高效率、高柔性、高自动化的特征不相适应。 本文就是在原设计的基础上通过对系统硬件和软件的研究改进，以实现对工 件加工零位快速精确的定位，从而减小角度测量误差，提高自动找正装置的精度 和稳定性以及轴孔工件的加工精度。 论文首先对前期现场测试的数据进行了分析，并根据系统的设计指导思想及 要求，得出系统在工作中硬件和软件部分可能存在的误差，然后针对这些误差， 对系统的硬件和软件部分分别制定了相应的改进与完善措施。硬件部分主要包括： 主从单片机的重新选型设计、角度测量模块的优化设计、人机交互模块的完善以 及硬件抗干扰设计。软件部分采用模块化结构进行设计，主要包括主程序的设计、 主从单片机之间的通信、角度测量、数据处理以及无线通信模块的改进设计，最 后对软件抗干扰技术进行了研究。 经过对整个改进装置的现场实验、调试和对测试结果的分析，证明了三棱形 轴孑l 工件零位自动找正装置各部分工作正常，系统运行稳定可靠，定位精度得到 了明显的提高，实现了预期目标，具有广阔的应用前景。 关键字：三棱形工件，自动找正，定位精度，主从式，无线通信 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a ct p r i s m a t i ca x i sa n dh o l ew o r k p i e c ea r ew i d e l yu s e di na e r o s p a c e ，s h i p p i n gi n d u s t r y ， m i l i t a r ye n g i n e e r i n g ，a n do t h e rf i e l d s ，b e c a u s eo fi t sh i 曲t r a n s m i s s i o ns p e e d ，g o o d d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，b i gb e a r i n gc a p a c i t y ，b i gt r a n s m i s s i o nt o r q u ea n ds m a l l t r a n s m i s s i o nv i b r a t i o na n dn o i s e a sap r e c i s i o nd r i v i n gp a r t ，t h em a c h i n i n gp r o c e s s r e q u i r e sah i g h e rd e g r e eo fa c c u r a c y a tp r e s e n t ，p r i s m a t i ch o l ew o r k p i e c ea r em o s t l y u s e dd r i l l i n gm a c h i n er o u g hm a c h i n i n g ，a n dt h e ng r i n d i n gm a c h i n ep r e c i s i o ng r i n d i n g m a c h i n i n g i nt h ep r i s m a t i c a x i sa n dh o l ew o r k p i e c em a c h i n i n g ，t h em a c h i n et o o l r e a l i z e dt h ew o r k p i e c em a c h i n i n gp r o c e s so ft h ef l e x i b i l i t yo ft h ea u t o m a t i o nu n d e rt h e c o n t r o lo fn u m e r i c a ls y s t e m a n db e f o r et h ep r e c i s i o ng r i n d i n gm a c h i n i n g ，w em u s t f i n dt h ew o r k p i e c e sz e r op o s i t i o nf i r s t ，b u tt h et r a d i t i o n a lm a n u a lf i n dw i l lc a u s el o n g a u x i l i a r yp r o c e s s i n g ，l o wc l a m p i n ge f f i c i e n c y ，a n dw o r k e r ss k i l ll e v e la n dg o o do rb a d s t a t ew i l li n f l u e n c ec l a m p i n gp r e c i s i o n i no r d e rt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so f m a n u a lf i n d ，w eh a v e d e s i g n e dt h ez e r o - p o s i t i o n d e v i a t i o na n g l em e a s u r e m e n t a u t o m a t i cf i n ds y s t e mb a s e do nt h ea t 8 9 c 5 2s c ma n da b s o l u t ee n c o d e ri n s t e a do f t r a d i t i o n a lm a n u a lf i n d ，t oc o m p l e t e l yr e a l i z et h ea u t o m a t i o no fw o r k p i e c e sf i n d b u t t h eb e f o r ed e s i g no ft h ea u t o m a t i cc e n t e r i n gs y s t e me x i s tt h a tf i n ds p e e di sm o r es l o w ， s t a b i l i t yi sb a d ，a n dm e a s u r e m e n te r r o ri sl a r g e r ，s ot h e yd o n ta d a p tt h ef e a t u r e so f n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mp r o c e s s i n g sh i g hp r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c y ，h i g hf l e x i b i l i t y a n dh i g l la u t o m a t i o n t h i sp a p e rt h r o u g ht h er e s e a r c ha n di m p r o v e m e n to ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo n t h eb a s i so ft h eo r i g i n a l d e s i g n ，t o a c h i e v er a p i da c c u r a t eo nt h ep r o c e s s i n gz e r o p o s i t i o n i n ga n dr e d u c ea n g l em e a s u r e m e n te r r o r ，a n di m p r o v et h ea u t o m a t i cf i n d d e v i c e s p r e c i s i o na n ds t a b i l i t y ，s o a st oi m p r o v et h e a x i sa n dh o l ew o r k p i e c e s m a c h i n i n gp r e c i s i o n t h i sp a p e rf i r s t l yo v e r v i e w st h i st o p i c sr e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ，t h e d e v e l o p i n gs i t u a t i o no fd o m e s t i ca n df o r e i 盟r e s e a r c h ，a n dp u r p o s ea n dc o n t e n to ft h e r e s e a r c h ；s u m m a r i z e st h ea u t o m a t i cf i n dd e v i c e sw o r k i n gp r i n c i p l ea n ds y s t e m s s t r u c t u r e ；t h e na c c o r d i n gt ot h eo r i g i n a ld e s i g ni nt h ef i e l dw o r kc o l l e c t e dab a t c ho f v a l u a b l ed a t ar e s u l t s ，a n d a c c o r d i n gt o t h et e s tr e s u l t s ，w ea n a l y z e dt h ep o s s i b l e e x i s t e n c es h o r t c o m i n g sa n dd e f e c t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h ew o r k ，a n dt h e nf o r t h e s ed i s a d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s ，w ed r a w i n gu pr e l e v a n t i m p r o v e m e n ta n d i i i 重庆大学硕士学位论文 p e r f e c t m e a s u r e sa b o u th a r d w a r ea n ds o f t w a r es e c t i o n s h a r d w a r ei n c l u d i n g ： m a s t e r - s l a v e s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r sl e c t o t y p ed e s i g n ，a n g l e m e a s u r e m e n t m o d u l e s o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，t h ep e r f e c t i o no fh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nm o d u l e a n dh a r d w a r ea n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g n w i t ht h ef u n c t i o no fh a r d w a r e ，a n dm o d u l a r s t r u c t u r e d e s i g n ，t h es o f t w a r em a i n l y i n c l u d e st h em a i np r o g r a m sd e s i g na n d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a s t e r s l a v em i c r o c o n t r o l l e r ，a n g l em e a s u r e m e n t ，d a t a p r o c e s s i n g ，a n d ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e sd e s i g na n di m p r o v e m e n t ，f i n a l l yw e r e s e a r c h e dt h es o f t w a r ea n t i - i n t e r f e r e n c et e c h n o l o g y a f t e rt h ef i e l d e x p e r i m e n t ，t e s t i n ga n da n a l y s i s o ft e s tr e s u l t sf o rt h ew h o l e i m p r o v e m e n td e v i c e ，w ep r o v e d t h a tt h e p o s i t i o n i n ga c c u r a c y f o r z e r o 。p o s i t i o n a u t o m a t i cc e n t e r i n gd e v i c eo fp r i s m a t i ca x i sa n dh o l ew o r k p i e c eh a sb e e no b v i o u s l y i n c r e a s e d ，s y s t e m so p e r a t i o ni ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，a n de v e r yp a r to f t h ed e v i c ew o r k s v e r yw e l l ，s ot h er e s e a r c hh a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e dg o a l ，a n dh a sab r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t k e yw o r d ：p r i s m a t i cw o r k p i e c e ，a u t o m a t i cc e n t e r i n g ，p o s i t i o n i n g a c c u r a c y ， m a s t e r - s l a v e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i v 1 绪论 1 绪论 1 1 本课题研究的来源和意义 不断追求劳动生产率的提高，是现代制造业永恒不变的主题，这是由制造业 自身的生存及发展需要所决定的。现代数字化制造技术就是为了满足制造业提高 生产率的需求而发展起来的。而作为一个完整的制造技术体系，现代数字化制造 技术主要由数控机床、数控刀具和数控量仪三个子系统组成。这三个子系统既独 立发展，又互相促进、相辅相成，从而不断推动制造业劳动生产率的提高 1 。 随着现代科学技术的不断向前发展，国际竞争愈来愈激烈，在现代机械制造 和加工中，对加工精度的要求也越来越高，特别是在航空航天、船舶工业、军事 工程等生产和科研部门，对加工的精度更是精益求精，因此对数控量仪的精度要 求也必然会越来越高。 三棱形轴孔工件具有传动速度高、动力学性能好、承载能力大、传动扭矩大、 传动时振动和噪声小等优点，其作为传动部件，已被广泛的应用在航空航天、f 1 赛车、军事等领域。而作为一种精密的传动部件，三棱形轴孑l 工件的精加工也是 一个具有很高精密度的工作，在加工过程中，三棱形轴孔工件加工零位的设置、 找j 下误差的大小以及快慢程度都将会直接影响着工件的生产效率、加工精度和产 品质量。而将零位的误差控制在很小的范围内是提高三棱形轴孔工件精度的主要 思路之一，以此满足三棱形轴孔工件的高精度要求。 在现代机械加工制造过程中，随着对工件加工精度和测量精度要求的不断提 高，加工工件零位找正的方法已成为重要的研究内容，这项技术的发展直接反映 出一个国家高精密加工工业的整体水平。通常情况下，工件在机床上的安装方式 一般有两种方法，要么直接将工件安装在机床的工作台上，要么用夹具将工件安 装在工作台上 2 】 3 1 。机床操作人员在安装工件时，除了专用夹具外，工件是随机地 放在工作台表面的，然后再用千分表、水平仪、塞规等专用工具来校正工件基准 的平行度或垂直度进行安装，并通过测量某些基准面、线来确定工件零点与机床 零点之问的关系【5 】。 某军工单位在三棱形轴孔工件加工前的零点找正方式主要是采用手动找正， 即工人利用夹具、塞规和水平仪来实现工件零点的找正。三棱形轴孔工件的手动 找正方式不仅工作量大、强度高、技术要求高，而且操作人员的熟练程度对工件 的精度有较大的影响，长期下去，对生产成本，产品工艺都将会造成影响，同时 也会影响着我国精密加工技术的进一步提高。目前，我国在高精密加工技术方面 的水平还比较低，许多的关键性技术都依赖从国j b 弓l 进，从而使得我国在高精尖 重庆大学硕士学位论文 技术方面长期受制于人，因此，加强在高精密加工技术方面的基础研究对推动我 国整个高精密加工技术工业的发展至关重要。 近年来，随着中国加入w t o ，以及在装备制造业领域的市场竞争日趋激烈， 迫切的需要一种新的零点找正方法来弥补这一生产中的技术缺陷，提高三棱形轴 孔工件零点找正的精度，进而提高工件的加工精度，实现精密加工和测试一体化 以及加工生产和检测的自动化。 本课题来源于某军工单位的三棱形轴孔工件数控系统改造项目。 三棱形轴孔工件的零点找正，是三棱形轴孔工件加工中的一个重要步骤，其 找正的准确与否直接关系到零件的好坏和加工的效率。针对传统手动找正方法存 在的精度低、误差大、操作不便，以及不能满足新产品发展的要求等缺点，我们 设计的三棱形轴孔工件零位自动找正装置能够彻底的实现对工件零位找正的自动 化，从而提高生产效率，降低加工成本，提高产品质量，确保操作人员的安全。 对工件零位找正技术的研究，能够推动我国精密加工技术水平再上一个台阶，同 时，该项技术填补了国内研究的空白，拥有完全自主知识产权，成功解决了特殊 工件轮廓不容易精确找正和测量的难题，具有广泛的推广应用价值。 之前所设计的三棱形轴孔工件零位自动找正装置对零点的找正速度比较慢， 稳定性较差，而且测量误差也比较大，从而影响工件的加工精度，不符合系统的 设计指导思想以及要求。 本项目就是在原设计的基础上进行硬件和软件的改进，便于偏差角度的快速 稳定测量，并且提高测量精度，从而提高加工精度。这对于填补我国在轴孔工件 零点自动找正领域的空白，提高我国高精密加工技术在国际上的地位，促进我国 的经济发展有着十分重大的意义。 1 2 国内外发展现状 由于投资少、见效快，并能充分利用最新技术及时提高设备的自动化水平和 效率，从而提高其产品质量的竞争力，故机床的数控化改造在我国具有广阔的市 场空间，我国的机床数控化改造业也从传统行业进入到以数控技术为主的新行业。 机床与生产线的数控化改造内容主要包括以下几点：1 ) 恢复原功能对机床、生产 线存在的故障问题进行诊断并恢复到正常的状态；2 ) n c 化对普通机床进行数控 化的改造，使之成为数控机床；3 ) 翻新为提高加工精度、自动化程度以及加工效 率，对机械、电气、控制部分进行改造，恢复到正常状态；4 ) 技术更新或技术创新 为提高机床性能采用新工艺、新技术、新方法，在原有基础上进行较大规模的更 新8 1 。 国外加工三棱形轴孔零件一般采用的都是专用设备，最为典型的就是瑞士生 2 1 绪论 产的多边形仿形钻床，多边形仿形钻床采用的是机械式仿形加工原理，设备使用 前期具有加工效率和加工精度高的优点，但由于设备长期使用，磨损严重，现在 已经不能满足加工要求，而该设备生产厂家现在也已经倒闭。西班牙达诺巴特公 司的g 5 1 只能对三棱形轴工件进行磨削，仅有德国肖特米克罗莎柏林机床公司的 p f 5 1 ，埃马克s n 3 1 能够对三棱形轴孔工件进行磨削。其中，德国肖特p f 5 1 数控 内外圆磨床的特点除了机床可靠、技术成熟、精度高以外，还有以下特点：能够 磨削不同的材料；且可根据应用情况配置9 种砂轮架；一次装夹完成全部磨削； d i a t r o n i c 测量仪可用于在线直径测量和轴向定位。至今国外生产三棱形的加工设 备主要有德国的k 边形仿形磨床、f u t u n a 多边形磨床等，这些设备都主要用于三 棱形的精加工，而对于三棱形的前期粗加工工艺，国外很少有厂家生产相关设备， 国内则为空白一j 。 根据调查，国内现有加工三棱形轴孔工件的专用设备是以前从国外引进生产 线时引进的，该设备在国内仅2 台，三棱形磨削技术仍然被国外垄断。由于三棱 形模型的建立和程序的编制技术还掌握在少数几个外国公司的手里，国内部分厂 商虽然能够加工三棱形孔轴但是技术不高，精度较低，这些都极大地制约了三棱 形磨削技术的发展和三棱形孔轴技术在我国的推广和应用。2 0 0 7 年重庆巨禾电子 信息技术有限公司改造的e c 2 0 6 高精度三棱形轴孔数控磨床能加工三棱形零件， 在国内是首例，填补了我国在高速高精度三棱形数控磨床的空白，打破国外技术 垄断，使三棱形数控磨床加工技术具有自主知识产权。 而在三棱形工件零位自动找正方面，国内报道主要有燕山大学杨莉等人提出 的以工件为基准的自动定位原理，即当工件安装偏斜时，使工件坐标系自动适应 机床的加工要求，该方法在测出工件的偏斜度和偏移坐标值，并对原数控加工程 序进行自动修正后，可方便实现。兰州理工大学蔡善乐等人提出了利用无线测头 对放置在带有回转工作台的卧式加工中心上的箱体工件进行角度和位移量的找 正，从而省去了手动找正和设计精密夹具。国外在磨床工件零位找正方面尚未有 相关报道。 1 3 本课题的研究目的和内容 本课题针对三棱形工件的零点找正方法而提出，研究的目的是提高三棱形工 件零点找正的定位精度，利用单摆原理设计了三棱形工件的自动找正装置。三棱 形轴孔工件自动找正装置主要由机械部分、检测部分、无线收发部分以及相关的 检测控制软件组成。而检测方式和检测精度是关键，因为精度是本装置最基本的 性能指标，所以通过合理的软硬件改进与完善设计，使零点找正的精度到达系统 要求，确保三棱形轴孔工件获得有效的数据，并保证测得的结果可靠。 重庆大学硕士学位论文 本文开展的主要工作和相关章节的安排如下： 第一章通过查阅、参考和整理大量的相关资料，介绍了选题的背景意义和该 课题研究的必要性和实践价值，描述了三棱形轴孔工件自动找正装置的关键问题， 提出了本文要解决的主要问题。 第二章简要论述了三棱形轴孔工件数控磨床系统的相关技术理论，包括硬件 系统和软件系统，并详细阐述了自动找正装置设计所应用的基本原理，以及整个 装置的软硬件组成结构。 第三章首先对自动找正装置的设计指导思想以及系统各方面的要求进行了描 述，然后列出了前期所设计装置的测试结果，接着根据测试结果分析了系统可能 存在的硬件以及软件误差。 第四章对自动找正装置的主控制部分、外围电路以及机械结构进行了改进与 完善设计，并增加了一些硬件抗干扰技术。 第五章阐述了自动找正系统的软件设计，包括各个功能模块以及控制器与数 控端之间的通信设计，最后对软件抗干扰进行了设计。 第六章对改进后的自动找正系统进行了调试，对实验结果进行了分析。 第七章对本文的内容进行了总结，并提出了展望。 4 2 系统组成结构及工作原理 2 系统组成结构及工作原理 2 1 三棱形轴孑l 工件数控磨床系统简介 2 1 1 硬件系统组成 三棱形轴孔工件数控磨床系统的硬件系统采用“p c + 运动控制器”的开放式结 构。“p c + 运动控制器”这种结构有以下几个优点【lo ； 对p c 依赖程度降到最低，所有实时控制都是在控制器中完成，p c 机仅用 于人机交互和传输加工数据； 可采用各种型号的p c 机( 包括台式机、笔记本电脑) ，同时对计算机的配置 要求不高； 数据存储量不受系统限制，可加工大数据量的程序文件； 避免计算机操作系统稳定性和软、硬件兼容性带来的问题。 运动控制器在本系统中采用的是t r i om c 2 0 6 。t r i om c 2 0 6 采用高性能的3 2 位d s p 技术，是具有4 轴伺服或步进功能的控制器，此外还包括一个编码器输入 轴。运动控制器与输入输出点之间采用c a n 总线相连，通过c a n 总线接口，运 动控制器可以连接到i o 扩展模块。i o 扩展模块上的每个通道都具有双向传输功 能，即可以作为输入口也可以作为输出口。 本系统采用开放式数控系统结构，其硬件平台采用标准工控机( i p c ) 、软件平 台采用实时扩展的w i n d o w s 操作系统。i p c 、运动控制器、p l c 之间的相互连接 关系如图2 1 ： 图2 1 数控系统结构 f i g 2 1n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e 这种数控系统结构充分利用了计算机运算速度高的特点，将大量的数据处理 任务由上层的i p c 来完成，而运动控制器则主要是用来承担做运动控制的任务。 重庆大学硕士学位论文 同时，由于选用的运动控制器可以同时运行7 个程序，且具有p l c 处理的功能， 因此，可以不用选用单独的p l c ，而由运动控制器来完成p l c 的所有控制功能。 2 1 2 软件系统组成 三棱形轴孔工件磨床数控系统的软件系统选用了w i n d o w s 2 0 0 0 x p 作为软件 操作平台，m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 作为软件开发工具。整个系统的功能如图2 2 所示： 图2 2 软件系统功能结构 f i g 2 2s o f t w a r es y s t e mf u n c t i o ns t r u c t u r e 其整个系统各个软件模块的功能如下： 加工启动 该功能按键作为数控机床程序的启动按钮。当选中当前要加工的程序后，按 下该按钮程序连续运行。 加工停止 该功能按键作为数控机床程序停止的按钮，按下该按钮后程序停止运行。 自动找正 该功能按键用于实现对工件零位的自动找正。当工件被装夹好后，按下该按 钮，数控系统自动接收自动找正装置通过无线传输模块发送来的当前工件装夹的 偏差角度信息，接着对接收到的数据进行一系列的处理，然后对c 轴发出旋转命 令，使之转到工件坐标零点。 参数设置 该功能键主要用于数控系统参数以及各项加工参数的设置。通过功能键 f 1 一f 1 0 ，就可以进行不同参数的选择与设置，主要有： 1 ) 刀具参数和刀具补偿参数； 2 ) 坐标系设置：内圆磨削工件坐标系、外圆磨削工件坐标系、内圆磨削砂轮休 整坐标系、外圆磨削砂轮休整坐标系、机床坐标系。 6 2 系统组成结构及上作原理 程序管理 该功能键用于实现对数控程序的管理，主要包括程序的手动编辑、自动生成、 程序读入、粘贴、拷贝、添加新程序功能和保存程序列表。 通信 该功能键包括两个方面内容： 1 1 串口通信； 2 ) d n c 网络之间的通信； 各个通信软功能键也是通过f 1 一f i o 来操作的。 仿真 该功能键主要用于x 轴与c 轴的干涉仿真以及联动仿真。 故障诊断 该功能键用于对机床故障诊断并显示机床故障信息。主要包括： 1 ) 故障显示； 2 ) 故障历史记录。 机床复位 该功能键主要用于实现数控系统的复位。 2 2 自动找正装置的原理 三棱形轴孔工件自动找正装置作为数控量仪应用在三棱数控磨床上面，主要用 于对三棱形轴孔工件的加工零位进行快速精确定位，以提高数控机床的加工精度。 三棱形轴孔工件的轮廓曲线是一种延长外摆线 1 l 】【1 2 ，如图2 3 所示。在加工 三棱形轴孔工件时，其刀具所设置的加工起点都是固定的，内圆磨削每次的加工 起点都是在图2 3 中的a 点，外圆磨削在b 点开始，即所谓的加工零点。将工件 夹入数控机床的c 轴时，由于人为的误差，工件的实际零点与理论加工零点总要 向上或向下偏差一定的角度矽。 | | t , , t i 、 ! r i o 51 d 、 、 竺一一7 7 图2 3 三棱形曲线 f i g 2 3t h et h r e ep r i s m c u r v e 重庆大学硕士学位论文 本设计基于有阻尼单摆运动的原理，采用绝对式磁电编码器、重锤以及辅助 设备测出偏差角度，其机械连接部分如图2 4 所示。 自动定位装置 图2 4 连接方法 f i g 2 4a t t e n d e dm o d e 下面先介绍一下有阻尼单摆运动的原理。我们知道，单摆是一个单自由度振 动系统，是一种理想物理模型。单摆在做往复运动时，如果没有任何阻尼，则根 据能量守恒定律，摆锤将会在两个最高点之间来回的做往复运动，摆到最高处速 度变为零，但接着瞬息又会加速沿圆周摆下去。 如果假设有一摆长为，的单摆做有限振动，其运动方程为： 舀+ r 0 + 万；s i n 0 ：毛c o s 万。f ( 2 1 ) mm l 其中0 、痧和舀分别表示质点的角位移、角速度和角加速度，为阻尼常数， 厂= 7 万。= 、钐为固有角频率。 式2 1 右边为周期性驱动力，角频率为万d ，则可以将其无量纲化，得到： 痧+ 2 f l o + s i n0 = f c o s q t( 2 2 ) 其中，= r 2 m w o 为无量纲的阻尼因数，f = f m 玉o ，= f m g 和q = 万d m o 为 无量纲的驱动参量。 在理想情况下，即在没有阻尼，没有周期性驱动力的情况下做运动时，单摆 是一个单自由度无阻尼自由振动，是受到初始扰动( 激励) 以后即不再受外力作 用，也不受阻尼影响所作的振动【l 3 】： 2 系统组成结构及j l ：作原理 r = 0 t o o = 1 f = 0 那么可以将式变为： 舀+ s i n 目：0 ( 2 3 ) 将式化为方程组得： j 让刃( 2 4 ) 【疗= 一s i n p 式2 4 的奇点为( o ，0 ) ，那么在常点上有： d n rs i n 口 d o刃 积分得： 去台2 + ( 1 一c o s 0 ) = e ( 2 5 ) 二 由此可见，在无阻力，无驱动力的情况下，单摆的运动状态是由参量臼和乡所 确定的。 当0 e 2 r e 时，由式2 5 可以得到： 臼2 = 2 e 一( 1 一c o s 0 ) ( 2 6 ) 由上式可以看出，因为痧2 恒大于零，所以即使是在无阻尼，无周期性驱动力 的情况下，单摆也不可能摆动到最高点口= , ；t - 。根据能量守恒定律可以知道，摆锤 会在铅直平面上，在最大的摆角之间的范围内，在单摆的轨迹中一t l , 两侧不停的摆 动，摆到最高处速度为零，瞬时又会加速沿圆周摆下去，如此往复运动。 无阻尼的自由振动只是一种理想情况，实际上系统振动中不可避免的有阻力 存在，因而自由振动都是会衰减的，振幅将会随时间的推移而逐渐减小，直到最 后停止振动。如果单摆在运动过程中遇到阻力，是不会产生周期运动的。 由式2 1 可知，在有阻尼无驱动力的情况下，单摆的运动方程为： 臼+ 2 p o + s i n 臼= 0 ( 2 7 ) 单摆在有阻力的情况下，其运动过程中的运动状态取决于摆动过程中阻尼的 大小。表示系统阻尼状态的量纲称为相对阻尼系数 。 根据阻尼系数的大小，阻尼振动可分为以下三种情况： 0 4 1 ，称为欠阻尼状态或弱阻尼状态； ( _ 1 ，称为临界阻尼状态； 1 2 0 0 0 0 9 工作温度：一2 0 + 8 0 在系统找正之前先通过塞规、水平仪、高精度数显倾角仪以及自动找正装置 找到工件的零位作为参考点，并存储在系统中，以便与摆动中心线做比较得到偏 差值。然后分别采用手动找正和自动找正的方法对待加工的工件进行找正，最后 3 系统精度误差分析 再用塞规和高精度数显倾角仪j l 8 0 0 1 5 对找正后角度偏差进行校核，得到手动找 正和自动找正后的角度误差，分别为误差值1 和误差值2 ，其测得的数据如下表 3 1 所示： 表3 1 测试数据 t a b 3 1t e s td a t a 测试时间由人工通过秒表测得，其中自动找正的测试时间为系统整个找正过 程所用时间，包括偏差角度的找寻、数据的无线传输、上位机的处理。 由上表的数据可以看出自动找正系统对工件的零位找正后角度误差范围基本 在o 0 4 0 1 1 0 之间，与手动找正后的误差o 0 9 0 1 8 0 相比，测量精度得到了提高， 但仍然不符合系统的设计要求。同时由误差值2 可以看出系统工作不够稳定，角 度误差存在波动。而且自动找正装置对偏差角度进行找正所要的时间较长，因为 一般情况下熟练工运用手动找正的方法对工件零位进行找正需要4 0 s 左右，而普通 工人则需要7 0 s 左右，由此可见自动找正仅仅比手动找正快了二十秒左右，所以整 个测试所需时间不在系统要求之内，不符合系统设计指导思想。 3 2 硬件误差分析 根据三棱形轴孔工件自动找正系统的设计指导思想，系统要求以及之前的测 试结果，我们可以分析得出：系统的数据处理速度、数据准确度以及工作的稳定 可靠性性不符合系统的设计指导思想及要求。 重庆大学硕士学位论文 我们从以下几个方面分析硬件设计可能存在的误差： 1 ) 单片机系统 在三棱形轴孔工件自动找正装置中，其主控制部分我们采用的是两块a t 8 9 c 5 2 单片机共同作为处理器的方案。一块用于显示、按键、无线通信、低压报警等功 能的实现，另一块用于执行对数据的处理，包括采样、码制转换、比较等功能。 这种方案，虽然已经基本满足了我们的功能需要，但是，由于单片机的处理速度 仍然限制了整个系统的处理速度，使得整个装置还无法做到数据的实时显示、高 速处理、快速定位等功能。因而，可以通过采用速度更高的芯片来实现快速处理、 计算和实时显示等功能。 2 ) 机械结构 在实际测试中我们发现整个装置的机械结构的设计还是比较合理的，但是重 锤的质量直接影响测试的精度和快慢程度，太轻测试的偏差角度误差太大，太重 不仅会影响测试精度也会增加系统的重量，不符合系统便携性的要求，所以选择 一个质量合适的重锤是至关重要的。 另一个影响因素就是整个装置的封闭性，如果密封不好，外界环境中的粉尘 以及数控机床加工过程的铁屑都会进入到装置中，轻者会影响机械转动部分的灵 敏性，重者就会造成系统内电路板的短路，所以系统的密封性必须做好。 同时，在测量角度偏差时，自动找正装置与工件是通过轴或孔的连接件连接 起来的，所以连接件的尺寸、同轴度都会给测量结果带来误差，因此，在对连接 件的加工制作时要保证尺寸和同轴度的精确，从加工工艺上控制误差的引入。 3 ) 编码器位数 在之前的设计中，对角度的测量最主要的装置就是绝对式磁电编码器。绝对 式编码器的分辨率直接决定了整个装置的测量精度，但是位数越高也有不稳定的 因素。在之前的设计中我们运用的是1 4 位分辨率的编码器，但在测试过程中读出 的数据经常有跳动，从而使得测出的偏差角度误差较大，最后分析是因为1 4 位的 磁电编码器在读角度的时候容易丢步，而且精度有限，并不是位数越高所测的角 度精度就越高【19 1 。所以，如果要想实现对角度进行精确稳定测量可以用降低编码 器分辨率的方法来确保测量的稳定性。 4 ) 系统干扰 系统用于数控设备上，通过分析，影响系统可靠运行的干扰源有以下两点： 系统内部干扰 系统内部干扰主要是指系统内部的电子电路即电子元器件的选择和各个元器 件布局产生的干扰，例如系统内部的电源、晶体管、放大电路正反馈引起的自激 振荡以及印刷电路板自身的干扰等； 3 系统精度误差分析 系统外部干扰 系统外部干扰是指外部的各种因素窜入到系统内所产生的干扰，外部干扰包 括系统所处的工作环境的干扰，比如机床内部高压点火系统，各种开关类部件， 各种感性负载( 电机类电器部件) ，各种电子控制单元e c u 等造成的干扰，还有 来自加工车间内的电磁干扰。 在之前的设计中分别从硬件和软件方面进行了一些抗干扰设计，但是效果欠 佳，特别是无线传输过程中对无线信号的影响比较严重，所以仍然需要增加一些 抗干扰的措施，对系统进行改进和完善。 3 3 软件误差分析 1 ) 系统干扰 自动找正装置工作在嘈杂的环境中，四周都有工作的机床、电动机以及大型 强电设备，对于电池供电的自动找正装置来说势必会受到环境中强电的干扰。在 之前的设计中我们采用的是校验和以及检错重发的算法进行软件抗干扰，但是这 种方法在测试的过程中效果不是太好，虽然自动找正装置与上位机通过无线模块 能够正常的建立通信，但是在数据的发送和接收过程中容易受环境的影响而变得 不稳定容易出错，因此还需要对软件抗干扰进一步研究，寻找一种切实有效的抗 干扰措施。 2 ) 角度算法 随着电子测量技术的发展和电子测量设备的普遍应用，我们对测量仪器精度 的要求也越来越高。在现有的设备基础上，如何利用更好的算法以提高测量的精 度是本课题研究的重点。 目前，在重锤摆动过程中，找出摆动中心值的方法是通过等间隔采样，将采 样到的点进行比较后找出最大、最小幅值点，然后通过求滑动平均值的方法得出 中心值。这种方法在现有条件下，基本能够满足对工件零点偏差角度快速、精确 测量的要求。但是，在对采集的数据进行处理时，滑动平均值的算法也存在一定 的误差性，因此我们可以改进算法，找到更加合理的处理方式来提高系统找j 下的 精度。 3 4 本章小结 本课题结合三棱形自动找正装置在测试中出现的具体问题以及测试数据，并 根据系统的设计指导思想以及系统要求分析了系统可能存在的硬件和软件误差。 2 l 重庆大学硕士学位论文 一 4 系统硬件的改进与完善 4 系统硬件的改进与完善 通过对前期现场测试的数据进行分析找出系统可能存在的误差，并根据现场 设备的运行状况，制定了下面的一些系统硬件和软件的改进与完善措施，首先介 绍硬件部分。 4 1 主从单片机选择与设计 4 1 1 主从单片机的选择 因m c s 5 1 单片机价格便宜，性价比高，同时又能满足本系统的控制功能， 所以在之前的自动找正装置设计中我们选用的是两块a t 8 9 c 5 2 单片机共同作为控 制器的方案 2 1 1 。其中一块用于数据比较分析、显示、按键、无线通信、低压报警 等功能的实现，另一块用于执行对数据的处理，包括采样、码制转换、比较等功 能。这种方案，虽然已经基本满足了我们的功能需要，但是，由于单片机的处理 速度仍然限制了整个系统的处理速度，使得整个装置还无法做到实时显示、高速 处理等功能，影响系统的定位精度和定位速度。所以，我们需要采用速度更高的 芯片来实现快速处理、计算和实时显示的功能。通过综合对比分析了几种常见的 单片机，最后我们选择了性价比高的a v r 单片机，因为a v r 与5 1 、p i c 单片机 相比具有一系列的优点，用通俗的说法主要体现在这几个方面 2 2 【2 3 2 4 】： 在相同的系统时钟下a v r 运行速度最快，一个时钟周期执行一条指令， 指令的执行速度可达5 0 n s ( 2 0 m h z ) ： 所有a v r 单片机的f l a s h 、e e p r o m 存储器都可以反复烧写、支持i s p 在线编程，入门费用比较少； 片内集成多种频率的r c 振荡器、看门狗、启动延时、上电自动复位等功 能，使得电路设计变得非常简单； 除了并行i o 口输入输出特性与p i c 的h i l o w 输出及三态高阻抗h i z 输入相同外，还设定与5 1 系列内部拉高电阻作输入端的功能相似，以便适应各种 实际应用特性所需。只有a v r 才是真正的i o 口，能正确反映i o 口的输入输出 的真实情况； 片内具有丰富实用的资源，如a d 模数器、d a 数模器，u s a r t 、t w i 通 信口、p w m 丰富的中断源、s p i 等等； 片内采用了先进的数据加密技术，大大的提高了破解的难度以及产品的竞 争力； 片内f l a s h 空间大、品种多，引脚少的有8 脚，多的有6 4 脚等各种封装， 重庆大学硕士学位论文 可以满足不同的需求和应用； 电源的抗干扰能力强，工作电压范围宽：2 7 6 v 。 综合各方面考虑，本系统我们采用两片a t m e g a l 6 单片机作为主从控制器。 a t m e g a l 6 是基于增强型的a v rr i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器。由于 其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，a t m e g a l 6 的数据吞吐率高达1 m i p s m h z ，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 a t m e g a l f ia v r 内核具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器。所有的寄存 器都直接与运算逻