（机械制造及其自动化专业论文）数控高速单面研磨机计算机控制系统的研制.pdf

摘要 研磨是超精密加工中一种重要的加工方法。数控高速单面研磨机既能保证研磨加工 精度和质量，又能显著提高研磨加工效率，降低加工成本。 本文研制的数控高速单面研磨机计算机控制系统利用d e l p h i 软件编辑人机对话界 面并编写控制程序，通过串口通讯，主要实现偏心距调整、主轴转速调节及研磨加工 量控制等功能。偏心距调整功能可以根据研磨加工工件的几何尺寸自动调整偏心距， 这能保证研磨加工时工件的定位精度，提高研磨加工质量；主轴转速调节功能可以对 主轴转速连续控制，降低磨具对工件的冲击，防止丸片脱落，保证工件表面研磨质量， 提高加工效率：在线检测功能可以对工件的加工量进行在线实时检测。另外，还实现 了对研磨机的气动系统与冷却系统等辅助设备的控制。 经运行，该系统程序整体状况良好，各模块工作正常，总体上达到了设计的要求， 并初步具备了产品化开发的前期条件，具有实用价值和广阔的市场空间。 关键词：串口通讯数控高速单面研磨机 d ei p h a b s t r a c t l a p p i n gi sa ni m p o r t a n tk i n do fu l t r a p r e c i s i o nm a c h i n e u n d e rl o n g t i m er e s e a r c h i n go n l a p p i n g ，t h eh i g h s p e e ds i n g l e - s i d en cl a p p i n g m a c h i n ec a l ln o to n l yi n s u r et h em a c h i n i n g p r e c i s i o na n dq u a l i t y , b u ta l s oi m p r o v e t h em a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dd e c r e a s et h ec o s t s t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo f t h i sp a p e rn s c ss o f t w a r ed e l p h it oc o m p i l et h ep a n e lo f m a l l m a c h i n ec o n v e r s a t i o na n di t sc o n t r o l l i n gp r o g r a m s ，s oi ta c h i e v e ss o m em a i nf u n c t i o n s ， i n c l u d i n ga d j u s t i n go fe c c e n t r i c i t y , s p e e dc h a n g i n go fm a i n s p i n d l e a n dc o n t r o l l i n go f m a c h i n i n gt h i c k n e s sa sf o l l o w s ：t h ef u n c t i o no fa d j u s t i n ge c c e n t r i c i t yc a nr e g u l a t et h e e c c e n t r i c i t ya u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt op a r t s o u t l i n ed i m e n s i o n , t h i sf u n c t i o ni n s u r e st h e l o c a t i o np r e c i s i o no f p a r t sw h e nt h e ya r em a c h i n e d ，i th e l p st oi m p r o v em a c h i n i n gq u a l i t yo f l a p p i n g ；t h es p e e dc h a n g i n gf u n c t i o nf o rm a i n s p i n d l ec a na d j u s tt h es p e e do fm a i n s p i n d l e c o n t i n u o u s l y , i tr e d u c e st h ei m p a c to fl a p p i n gd e v i c e so np a r t sa n da v o i dt h ef a l l i n go fs o l i d a b r a s i v e s ，a n dm o r e ，t h i sf u n c t i o na l s oi n s u r e st h es u r f a c eq u a l i t yo fp a r t sa n di m p r o v e st h e m a c h i n i n ge f f i c i e n c y t h es y s t e mo n - l i n em o n i t o rf u n c t i o nc a nk e e par e a lt i m ec h e c k i n g u p o np a r t sb a s i n go nt h em a c h i n i n gt h i c k n e s s ，i nc a s eo v e r - l a p p i n gc a u s e s 邮t ob e c o m e w a s t e d b e s i d e s 。t h i sc o n t r o ls y s t e ma l s og e t s 觚a d m i n i s t e r i n go fp n e u m a t i cs y s t e ma n d c o o l i n gs y s t e m t h r o u g hr u n n i n g ，t h i sc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m sp r o g r a m sh a v eag o o dc o n d i t i o n ，a n d i t ss u b - m o d u l e sw o r ko r d e r l y , s oi tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，a n dh a saf o u n d a t i o no f p r o d u c td e v e l o p m e n t , a n d ab r o a dv a l u ea n dw i d e s tm a r k e t k z yw o r d s ：s e r i a l - p o r t m m u n i c a t i o ni 氇砷币e 。ds h t g l e - s i d e n c l a p p i n g m a c h i n ed e l p h i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的硕士学位论文，数控高速单面研磨机计算机控制系统 的研制是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：弋乡二“3 _ , 9 船e t 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名：三j 上l 塑生年王月盐日 指导导师签名： ! 望盔查查 年一月一日 第一章绪论 先进制造技术是衡量一个国家制造水平和经济发达程度的标准。优化的工艺过 程、工艺参数、工艺程序、工艺规范既决定了制造技术的固有技术水平和效率，又决 定了产品制造质量和使用效率。以优质、高效、低耗、洁净、灵活为特征的先进制造 工艺使现代制造业实现“绿色制造”成为可能。先进制造技术是当前世界各国发展国 民经济的主攻方向，同时又是一个国家独立自主、繁荣昌盛，经济上持续稳定发展， 科技上保持领先的长远大计。超精密研磨技术作为先进制造技术具有代表性的一种， 已成为各国关注的焦点。 1 1 研磨概述 研磨是一种重要的精密和超精密加工方法。它是利用磨具通过磨料作用于工件表 面，进行微量加工的过程。经研磨加工的工件精度可达到亚微米级，并能提高工件表 面的耐磨性和疲劳强度。研磨加工除了加工精度和加工质量高的特点外，还具有加工 材料广泛，几乎可以加工任何固态材料的特点”卜 3 1 。 平面研磨是应用最为广泛的一种研磨方法，目前平面研磨使用的主要是传统散粒 磨料慢速研磨机。传统散粒磨料慢速研磨是将磨料散置于磨盘上，磨盘的转速不能太 高，磨料在磨盘上是随机分布的，密度不均匀，工件研磨切削量不均，工件面形精度 不易控制：磨料相互问既有相对作用力，又有相对运动，造成了磨料之间产生相互切 削作用，即磨料磨磨料，造成了浪费；磨料与从工件上磨下的碎屑混和在一起，磨料 不能充分发挥作用，降低了加工效率；研磨加工中，需要严格控制冷却液的流量，防 止冲走磨料：较硬的磨料容易嵌入较软的工件表面内，会影响工件的使用性能：磨盘 产生的磨损影响加工工件的面形精度，要求经常修整磨盘等等“1 。正因为传统的散粒 磨料研磨存在上述不足，其使用范围逐渐受到了限制。因此，努力寻求其他方法改进 传统的研磨技术已经迫在眉睫。 1 。2 国内外数控研磨技术的发展及现状 二十世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术 在机械制造设备中的应用是制造业发展最重大的技术进步。自1 9 5 2 年美国第一台数 控铣床问世至今，数控机床技术已经历了5 0 多个年头。 数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电 一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。计算机对传统机械制造产业的渗透，完全改 变了制造业。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹 如朝阳产业具有十分广阔的发展天地，同时也促使数控研磨机床也进入了加速发展的 新阶段。 1 2 1 国外数控研磨技术的发展及现状。” 美国e x t e c 小型全自动研磨抛光机 小型磨床最早是由美国研究开发的，其磨头直径不超过工件的1 3 ，由计算机计 算去除量，加工精度比较高。可以高精度地加工直径1 5 0 0 1 8 0 0 m m 的大口径非球面。 美国e x t e c 小型磨床加工系统具备很高的精度和反复再现性，研磨去除量不随时 间变化而变化，高精度的模拟计算以及与实际研磨的一致性等条件。小型磨床的研磨 抛光加工，首先由三维测试机、激光干涉仪测出加工面的形状精度，求出面形误差。 工作站根据面形误差计算出需要研磨抛光的轨迹，并将该研磨抛光轨迹转换成数控编 码传送给磨床进行加工。加工完成后进行面形精度测试。面形精度若是没有达到要求， 再反复地进行计算、加工。通过这样反复地进行面形测试、计算、修正研磨抛光，即 可达到提高面形精度的目的，如图1 1 所示。目前，美国已基本上以计算机数控研磨 抛光加工技术取代了传统的手工研磨抛光加工非球面光学零件。 图i 1 美国e x t e c 小型全自动研磨抛光机 图1 2 日本超精密数控研磨机 日本超精密数控研磨机 八十年代末，日本研制出了的超精密数控范成法研磨机( 如图1 2 所示) ，使用 该研磨机加工出的光学零件，其面形精度达到了0 0 8um ，表面粗糙度的均方根值为 0 2 n m 。若用沥青抛光模进行加工，表面粗糙度的均方根值能达到0 0 3 5 n m 。最近，日 本采用门型机械加工中心，使用4 0 0 0 # 8 0 0 0 # 铸铁丝结合金刚石砂轮，利用e l i d ( 在 线电解修正法) 磨削法，磨削b k - 7 光学玻璃，所获得的非球面的面形精度为1u m ， 表面粗糙度为r m a x 4 3 n m 。 德国a l g l 0 0 型研磨抛光机 德国的计算机数控研磨抛光技术发展很快。施耐德( s c h e i d e r ) 光学机械公司九 十年代末制造的a l g l 0 0 型计算机数控非球面磨床，可以高效率地进行非球面光学零件 的生产。 a l g l 0 0 型计算机数控非球面磨床，可在对话框中直接输入非球面加工参数，自动 计算非球面磨削加工量：采用先进的导向装置与旋转加工技术，各轴与旋转轴的传动 使用了高性能数字a c 伺服传动装置：采用干涉测量系统加强加工过程中的工件的测 量，能对工件的非球面加工进行优化调整；非球面加工中心能够直接进行非球面或棱 形的组合加工，具有综合预加工的二、三维混合加工技术功能；旋转轴采用高频空气 2 轴承，可利用环形工具进行高速的球面预加工，能够获得最佳透镜半径等特性。 意大利e l c 系列平面研磨机 意大利m e l c h i o r r e 公司新推出的“e l c ”系列研磨机采用了技术领先、性能卓著 的电子和机械系统，能最大限度地确保平行面研磨加工所必需的可靠性、精度和重复 性( 见图1 3 ) 。该系列机床的加工工序由一个p l c 控制，所有加工参数均由键盘输 入并可在监视器上显示，最多可存储5 0 条不同的加工程序。它由一个闭环机电系统 来控制并施加压力，这对于脆弱工件的加工尤为重要。另外，它还对传统的测厚系统 作了改进，增加了计数器和传感器，实现了加工过程中的实时测量。这样，在研磨期 间工件的厚度可直接读出。 根据被加工材料的特性和工件对加工精度的要求，m e l c h i o r r e 研磨机可使用不同 的研磨盘。研磨盘由铸铁、磨料、金刚石以及特殊合金构成，加工性能优异。冷却装 置能够确保研磨表面的热稳定性。m e l c h i o r r e “e l c ”系列研磨机具有效率高、操作 简易和使用经济等特点。 图i 3 意人利e l c 系列平面研磨机 1 2 2 国内数控研磨技术的发展及现状”1 。“” 目前我国是全世界机床拥有量最多的国家，已是一个“制造大国”，制造业规模 名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，但我国还不是一个“制造强国”，我们 的机床数控化率仅达到1 9 左右，这与西方工业国家能达到的2 0 的差距太大。我 国数控研磨机床中，大多数都是自动化程度很低的传统散粒磨料慢速研磨机，加工效 率低，成本高，加工精度不稳定。我国现有的平面研磨机己不能满足人们对研磨加工 的要求，限制了我国精密和超精密加工技术的发展，也影响了我国制造业的技术水平 的提高，因此我国必须集中力量自主研制数控研磨机，才能满足目前国内外市场的要 求，跟上国际社会发展的步伐。 近些年来，国内开始出现了一些自主开发研制的数控研磨机床产品，以替代进口 研磨设备。 u n i p o l - 8 0 2 型精密研磨抛光机 u n i p o l 一8 0 2 型精密研磨抛光机是专门为加工制备各种晶体、陶瓷及金属材料而设 计的新一代产品，如图1 4 所示。它配备了2 0 3 毫米直径的研磨抛光盘和两个加工工 位，可用于研磨抛光直径8 0 毫米的圆形或矩形的平面。采用u n i p o l - 8 0 2 型精密研 磨抛光机并选择适当的附件，可自动批量生产高质量的平面磨抛产品。u n i p o l 一8 0 2 型精密研磨抛光机的加强型是u n i p o l 一8 0 2 a 。它的特点是机械手滚轮主动旋转，使研 磨抛光更均匀。两种机型均是无级调整摆动频率，实现平面磨抛更加平整。 图1 4t i n i p o l 一8 0 2 型精密研磨抛光机 x 6 11 11 2 k l 型数控精密研磨机 x 6 11 1 1 2 k 一1 型数控精密研磨机主要用于硅片、硬盘基片、光盘母盘、陶瓷片及 其它硬脆材料的高精度研磨，如图1 5 所示。采用伺服电机同步拖动，变速范围广， 运动精度高，响应速度快。采用触摸式平板电脑、嵌入式计算机控制，为用户提供开 放式的图形操控界面；设有四级密码保护( 管理人员、维护人员、工艺人员、普通操 作) ，方便了各层次人员的操作使用；具有接入以太网、远程调试、双机通讯等先进 功能，并能够依据实际扩展功能：可根据用户要求编制控制软件和操作界面。模块化 设计理念，主传动在基本结构零件不变的前提下，可灵活的选配双电机、三电机、四 电机：可灵活的选配普通异步电机、交流异步伺服电机；副减速箱可灵活的选配国产 或进口件。太阳轮与内齿圈大行程同步抬升，满足了宽范围取放工件及调整游轮啮合 位置的要求。压力采用电一气比例阀与拉力传感器闭环反馈控制，压力过程实现了线 性转换，压力控制精度较高。 图1 5x 6 11 1 1 2 1 ( 一1 型数控研磨机 图1 6t o p w o r t h 系列精密平面磨床 台湾大宇t o p w o r t h 系列手动精密成型平面磨床 台湾大宇t o p w o r t h 精密成型平面磨床是在“台湾大同磨床技术、宇青磨床构造” 的基础上。研发设计的专业产品，如图1 6 所示。从材质的考究、整机的结构、机械 的原理、精准度都在不断的研发改进，做到精益求精。大字t o p w o r t h 平面磨床主要 结构：台湾原装直接式主轴马达采用v 3 级弹筒式一体化设计，p 4 级超精密斜角滚柱 轴承，在高速旋转下低噪音、无振动、扭力大，磨头端部偏摆精度可达2 个i l 。传动 丝杆均采用台湾原装进口研磨螺杆，具有耐磨损、间隙小、敏感度高等特点。磨床左 右驱动为进口特殊钢索传动，动作轻快，无振动。该磨床不只用作平面研磨，更适合 小型模具的成型研磨，在精度要求较高的钟表业、汽车、航天工业、工具配件厂等相 关精密模具行业有广泛的应用。 1 3 平面高速研磨机 1 3 1 固着磨料研磨原理”1 周着磨料高速研磨技术，国外是在六十年代发展起来的，我国是七十年代发展起 来的。固着磨料研磨较好地弥补了传统散粒磨料慢速研磨中存在的缺陷，其最大特点 是能显著提高研磨加工效率。由于加工效率低是限制传统研磨广泛应用的最大障碍， 因此固着磨料高速研磨技术一出现，就受到了极大的重视。长春理工大学是从七十年 代起开始从事固着磨料研磨加工技术的研究，并成立了专门从事这一技术研究的课题 组，探讨了在固着磨料研磨中，研磨压力、研磨速度、冷却液等对研磨效率和加工质 量的影响。这些研究有力地推动了这一新技术的推广与应用。 固着磨料研磨工艺是将散粒的磨料固结起 来，制成专用磨具( 如图l7 所示) ，在高速研磨 机上进行高速研磨。所用的专用磨具是根据工件 的要求，用不同的磨料制成丸片，再将丸片制成 不同形状的磨具。运用磨具均匀磨损理论和工件 均匀研磨技术，合理地设计磨料密度分布，使之 适应于磨具磨损强度分布，保证磨具磨损均匀， 进而保证工件面形精度，避免修整磨具的麻烦， 提高加工精度( 表面平面度达0 3um ，粗糙度达 r a 3 n m ) 及加工精度的稳定性，降低加工成本( 减 少磨料消耗达9 0 ) 。 1 3 2 高速单面研磨机 图1 7 固着磨料磨具示意图 单面研磨机是平面研磨中应用最广泛的一种研磨机，传统单面慢速研磨机目前在 研磨领域中占主导地位。随着科技水平的日益提高，人们对单面研磨的质量和效率提 出了更高的要求，因此单面高速研磨机逐渐发展起来。其发展主要经历了两个阶段： 一是在传统单面慢速研磨机的基础上提高研磨机转速并采用固着磨料磨具，这就是 普通高速单面研磨机；二是随着数控技术的发展，又将数控技术应用于高速单面研磨 机，研制出数控高速单面研磨机。 一，普通高速单面研磨机“1 普通高速研磨机是在传统慢速研磨机的基础上发展起来的，它既继承了传统的研 磨方法，又进一步采用新式固着磨料磨具，还能提高研磨加工效率和质量，其中最有 代表性的是固着磨料高速单面研磨机，如图1 8 所示。其工作原理是电机通过皮带带 动磨具旋转，磨具通过轴承安装在研磨机上。压 头通过压盖将工件压向磨具，其作用一是对工件 施加研磨压力；二是限制工件的移动，只允许其 绕压头中心转动。压头的移动及对工件加压是通 过气缸由气动系统控制。气缸安装在摆臂上，摆 臂安装在机床的立柱上，立柱固定在机床上。在 研磨机中，磨具的高度基本是固定的。随着研磨 的进行，工件在研磨过程中，厚度逐渐减小，压 头就在气缸活塞( 压头是安装在活塞杆上) 的作 用下，自动向下移动，以保持研磨压力不变，研 磨继续进行。压头向下的移动量就是工件厚度的 减少量。 固着磨料高速单面研磨机有以下优点 1 3 1 - 1 4 1 1 磨料固结在磨盘上，没有磨料飞溅问题， 图l8 固着磨料高速研磨原理图 磨盘转速高，加工效率高； 磨料不与工件上磨下的碎屑混和，能充分发挥其切削作用，加工效率高，能耗 小，磨料不能被清洗掉，节约磨料： 按磨具均匀磨损理论及磨料工件间相对运动规律设计磨料分布，能保证工件面 形精度及其稳定性： 磨料不能被冲走，可选择适当的冷却液流量，减小工件的热变形，保证被加工 工件的精度； 牛几乎没有磨料镶嵌工件表面的现象，各工序问工件清洗简单； 能减轻环境污染； $ 操作容易，劳动强度低，对工人操作技术水平要求不高，培训时间短。 平面高速研磨机主要用于平面超精密加工，用以加工集成电路芯片、机械密封、 水龙头陶瓷芯片等许多产品。但是，国内生产平面高速研磨机的厂家比较少，而且种 类也不多，主要有长春理工大学生产的p h l 一3 5 0 型平面高速研磨机( 如图1 9 ( i ) 所 示) ，西安秦川( 集团) 发展总公司生产的p 3 u 3 2 0 b 平面精磨机( 如图1 9 ( i i ) 所示) ， 和南京仪机股份有限公司生产的p l m - 4 0 0 精磨抛光机( 如图1 9 ( i i i ) 所示) 1 4 1 0 图1 9 三种平面高速研磨机 二、数控高速单面研磨机“6 卜“” 传统的慢速研磨机是采用散粒磨料研磨，由于在研磨中无法测量磨盘上随机变动 的磨料厚度，因此也就无法在线检测出工件的研磨去除量，对工件研磨加工面的法线 方向上的尺寸不能进行有效控制。为保证工件尺寸精度，只能经常停机，测量工件的 尺寸是否达到要求，如未达到要求就继续研磨；若达到要求，就停止研磨。一旦研磨 去除量过大，工件就会报废，增加废品率，而且由于经常停机测量，使辅助工时延长。 目前国内的高速研磨机的操作方法基本上是延续传统慢速研磨机的人工手动控 制方法。对于以往的传统慢速研磨，因研磨效率低，加工时间长，加工时间远大于辅 助时问，辅助工时对总工时影响小。对于固着磨料高速研磨来说，研磨加工效率非常 高，加工时间短，这样就使辅助工时在总工时中所占的比重增大。由此可见，固着磨 料高速研磨的辅助工时的增减，对总工时的影响很大。因此，对于固着磨料高速单面 研磨机，为提高加工效率，一定要设法减少辅助工时。将数显与数控技术应用于单面 高速研磨机上，给研磨机增加监控功能，使研磨机在研磨过程中，能对研磨的去除量 进行在线实时检测，并对机床加工过程进行有效的在线控制。在加工工件前把工件所 要求的去除量输入计算机内，在加工过程中，计算机将测量系统在线检测出的研磨去 除量与设定的量值进行比较，如果实际去除量小于要求量，研磨机就不停机，继续研 磨，直至工件尺寸达到要求，研磨机才自动停机。 1 4 本文研究的目的、主要内容及意义 吖剐 1 4 ，1 研究的目的 本文将计算机控制技术应用于研磨机的控制系统中，根据控制对象的要求迅速、 灵活地更换软、硬件，并能及时吸收新技术，开发周期缩短，大幅度的提高加工精度 及效率，减轻工人劳动强度，降低对工人操作技术水平的要求。 1 4 2 主要研究内容 偏心距e 的自动调整 将计算机与步进电机应用于高速单面研磨机，由计算机自动控制调整偏心距。操 作者只需把工件几何尺寸输入系统，研磨机就能自动控制步进电机带动摆臂调整偏心 距e 。 主轴转速的连续控制 设计计算机能控制机床主轴转速。在输入数据后，主轴电机能依照设定的数据运 行，实现研磨机主轴在开始时作缓加速启动，结束时作缓减速停止。 测量系统实现在线检测 将电涡流位移传感器应用于本控制系统中，通过串口通讯，实时获得研磨加工量， 当达到设定数据时能自动停机。 1 4 3 研究的意义 本文的数控高速单面研磨机计算机控制系统能显著提高研磨加工效率，提高加工 质量、加工精度，提高加工精度的稳定性，提高机床的安全性和可靠性，降低操作者 的劳动强度，改善劳动条件，降低加工成本，减轻环境污染。该控制系统不仅能提高 产品的性能、质量和竞争力，还能提高我国加工业的技术水平，有利于开拓国际市场， 提高我国武器装备系统的制造技术水平，在巩固我国国防实力和政治地位方面有重要 意义。 1 5 课题来源 吉林省科技发展计划项目：平面数控高速研磨机研制( 项目编号2 0 0 5 0 3 2 4 ) 。 第二章控制系统及其软件的开发与设计 科学技术的发展对研磨产品提出了高精度、高复杂性的要求，同时产品的更新换 代也在加快，这就要求研磨机床不仅具备了高精度和高效率，而且还具有通用性和灵 活性的要求。数控高速单面研磨机就是针对这些要求而产生的一种新型自动化机床， 它集微电子技术、计算机技术、自动控制技术及伺服驱动技术、精密机械技术于一体， 是高度机电一体化的典型产品。数控高速单面研磨机体现了当前研磨机床技术进步的 主流，是衡量机械制造工艺水平的重要指标，在柔性生产和计算机集成制造等先进制 造技术中起着重要的基础作用。计算机控制系统是数控高速单面研磨机的核心部分。 2 1 控制系统工作的原理2 在数控高速单面研磨机的控制系统中，硬件采用模块化设计，分为偏心距调整模 块、主轴转速模块、时间控制模块、位移在线检测模块以及辅助设备控制模块。工控 机为上位机，变频器、数字表为下位机，通过串口通讯实现对主轴的转速、研磨时间 以及研磨加工量的控制；利用d 1 0 卡及一些相关元件实现对机床辅助气动装置及冷却 装置的控制，如压头的升降，冷却装置的开启与关闭等。数控高速单面研磨机控制系 统原理图“，如图2 1 所示。 图2 1 数控高速单面研磨机控制系统原理图 本控制系统可以通过触摸屏输入控制指令，实现对系统研磨参数的设定，以及对 意外事件的手动处理功能。当控制界面打开时，依次设置冷却泵开启、调整偏心距、 研磨参数选择、机床参数设置、固定工件、研磨加工参数设置等参数，当各项参数设 置完毕后，系统将自动进入下一个控制界面核对前一步骤中输入的所有参数，如果没 有错误，系统将控制机床及其辅助设备进行工作，并且在各个工作环节上都允许操作 者进行手工操作控制，使操作者能根据实际情况对机床强行中断和调整，避免可能发 9 生的事故。 另外，控制研磨加工的参数还可以保存在系统中，如果加工与以往的参数一致的 工件时，还会减少输入参数的麻烦，同时也能避免由于疏忽或其他原因导致的输入数 据错误，进而降低废品率，提高生产加工效率。 2 2 控制系统的功能及设计原则 2 2 1 控制系统的主要功能 本文研制的数控高速单面研磨机的控制系统，要求实现由计算机设置各项相关参 数，包括偏心距自动调整，主轴软启动、停止时间，加工过程的主轴转速控制，欲研 磨加工的厚度或研磨加工时间，以及机床辅助设备的开启与关闭等等”。 本系统应符合如下设计要求： 实现机床偏心距的调整。机床能够依据输入加工工件的几何尺寸，自动调整偏 心距。 牛实现对机床主轴的控制。机床在启动时实现缓加速启动，在停机时实现缓减速 停止，即机床启动时使机床主轴以一定的规律加速提升速度，当到达设定转速值时停 止加速运动，并以设定的速度开始做匀速转动：当欲使机床停止时，机床主轴将按照 一定的规律减速，直至主轴转速降至零，机床停机。 实现对机床加工厚度的在线实时检测。避免了由于加工厚度超过设定值而导致 废品率的上升。 实现对工件加工厚度及时间的控制。机床能依据操作者的需求进行工作。 实现工件加工过程的实时监控。避免了传统研磨加工时需要经常拆卸工件的麻 烦，从而大大降低劳动强度，提高研磨加工效率。 根据上述要求，本文控制系统应具备的主要功能有：研磨机初始化模块的冷却泵 准备，查看以往工件数据纪录；调整偏心距模块的内、外径设置，偏心距计算、调整； 研磨参数选择模块的工件材料、加工种类选择；机床参数设置模块的主轴加速、减速 时间的设置，主轴转速的设置；固定工件模块压头上升、压头下降、压头缓上升、压 头缓下降的调整；研磨加工参数设置模块的按研磨加工量设置及按研磨加工时间设置 等功能。 2 2 2 控制系统的设计原则旧卜哪! 建立良好的人机操作界面，配置良好的控制软件，采用实时数据显示技术，屏 幕菜单操作，同时设置独立于计算机控制系统之外的手工控制功能，确保实用性和灵 活性； 优化控制系统，简化电路，优化配置，降低成本： 根据实际情况，采用整体规划、分步实施的方法； 采用高可靠性的控制设备和优质元器件；设置完善的检测报警系统，使控制系 统具有较高的安全性和可靠性。 o 2 3 控制系统的设计软件 d e l p h i 软件是美国b o r l a n d 公司出品的一种强大的可视化软件编程快速开发工 具。在w i n d o w s 产生之后，面向w i n d o w s 的应用程序开发变得越来越重要，d e l p h i 提供了一种方便快捷的w i n d o w s 应用程序开发工具。d e l p h i 基于o b j e c tp a s c a l 语言， 采用窗体和面向对象的方法，提供高性能快速编译器和集成开发环境，并具有与 w i n d o w s 编程紧密结合和强大的数据库支持等特点，利用它开发出的可执行文件的效 率比较高，打包发布也非常方便“。”1 。 2 3 1 控制系统软件介绍1 d e l p h i 这个名字源于古希腊的城市名。它集中了第三代语言的优点，以o b j e c t p a s c a l 为基础，扩充了面向对象的能力，并且完美地结合了可视化的开发手段。 d e l p h i 的出现打破了v 承可视化编程领域一统天下的局面，并且d e l p h i 使用本 地编译器直接生成技术，使程序的执行性能远远高于其他产品生成的程序。它还是真 正的面向对象的编程语言，p a s c a l 语言的严谨加上可视化的优势和强大的数据库功能 使得它有充分的资本和微软的v i s u a lb a s i c 竞争，人们都认为p a s c a l 是最有前途的 程序设计语言，并预测d e l p h i 将会成为可视化编程的主流环境。 另外，d e l p h i 在编好程序后自动转换成e x e 文件它运行时速度比v i s u mb a s i c 快，而且编译后不需要其他的支持库就能运行。它的数据库功能也十分强大，是开发 中型数据库软件理想的编程工具。d e l p h i 适用于应用软件、数据库系统、系统软件等 类型的开发，而且它拥有和v i s u a lb a s i c 差不多一样的功能，一样能应用a p i 函数， 这在控制w i n d o w s 方面是很有用的。 d e l p h i 软件的更新换代是伴随着w i n d o w s 操作平台的升级而升级的，每一版本的 d e l p h i 都有其各自的特征。本文所使用的是d e l p h i 7 0 版本，这一版本在目前d e l p h i 软件的所有版本中是评价最好的。它不仅具备了d e l p h i 以往版本的所有优点，而且 还结合现在编程需求，增加了大量新组件，适应网络开发的需要。 2 3 2 控制系统的设计 数控高速单面研磨机的控制系统将根据实际所需要的功能进行设计，考虑到实际 使用的简单、便捷、可靠等要求，主要使控制界面包含控制系统的启动窗体、主窗体、 当前研磨参数核实窗体及研磨过程显示窗体四个部分。下面将详细介绍各窗体的结构 和主要功能。 一、控制系统启动窗体的设计 “如 在启动系统时，双击系统的图标汐，即会出现系统启动画面，如图2 2 所示。 由于要加载文件，启动需要一定的时间，这是为了提醒用户系统正在正常启动运行而 没有出现故障，故在启动过程中添加了一个启动窗体，待控制系统所有文件加载完毕 后，再释放该窗体。 幽2 2 控制糸统启动圊血 二、控制系统主窗体的设计 控制系统的主窗体是整个数控系统的核心部分。它承担着控制系统的初始化、调 整偏心距、研磨参数选择、机床参数设置、固定工件及研磨加工参数设置几项重要功 能。在主窗体的底部，还设有当前日期与时间，以方便操作人员工作。 ( 1 ) 研磨机初始化 研磨机的初始化窗体的主要功能是在研磨机进行工作之前做一些必要的准备工 作，如使冷却泵处于待机状态，显示以前的工作记录作参考等。 在研磨初始化窗体的上部显示的是辅助设备初始化状态部分，如图2 3 所示，该 部分主要是实现对冷却泵的控制，当“冷却泵准备”按钮被触发时，与该按钮相应的 指示灯由红色转变成绿色，代表此时冷却泵处于待机状态，可随时启动工作。该设计 的目的是能够在加工开始时才启动冷却泵使其进行工作，这样设计可以在一定程度上 减少能源的浪费，有利于节约能源。 图2 3 研磨机初始化窗体 在研磨初始化窗体的下部显示的是可以引用数据的窗口，这个部分可以显示该数 控高速单面研磨机在以往工作过程中加工工件的历史记录，包括工件的几何尺寸、材 质、加工方式等等。在设置参数时，可以点击“打开”按钮，选择所需要的工件参数 文件，即可获得相应的数据，对于当前的参数设置无疑具有极大的实际参考价值，如 图2 4 所示。当选择以往参数发生选错现象时，还可以点击“重设”按钮进行重新选 择。 图2 4 打开研磨加工记录窗体 图2 5 显示的是依据研磨量和依据研磨时间分别进行研磨加工的历史数据记录， 可为研磨加工参数的设定提供参考。 图2 5 研磨机初始化窗体初始化完毕状态 ( 2 ) 调整偏心距 对于单面研磨机来说，调整偏心距是十分必要的步骤。根据偏心距对工件转速的 影响，当偏心距e 增大时，工件磨具转速比k 值减小，这说明增大偏心距，工件转速 有下降的趋势。理论计算和实验都表明，增大偏心距，不利于保证工件的浮动转速， 故调整偏心距在整个数控程序中具有重要作用“1 。 如图2 6 所示，在调整偏心距窗体的上部是设置工件参数部分，包括工件的外径 尺寸、内径尺寸、偏心距，下部是十一个按键，分别表示数字“0 ”到“9 ”及小数点 “”。在外径尺寸、内径尺寸右侧是与之相应的“设置”按钮，依次点击“设置”按 钮，则可以设置相应的尺寸数值。如果输入错误，还可以再次触发此按钮，即可进行 重新设置。当外径尺寸、内径尺寸设置完成之后，点击“计算”按钮，系统将依照 图2 6 调整偏心距窗体 1 4 编辑好的程序进行计算，并将结果显示于“偏心距”的对应位置，并且“调整”按钮 呈现出来，此时点击：! 兰生| 按钮仍不能达到期望的目的，因为在计算偏心距后还要 对研磨机的偏心距进行调整控制，故需要触发“调整”按钮。进行偏心距调整。偏心 距的调整是由一个步进电机正转或者反转，带动研磨机的立柱转动，从而带动摆臂绕 立柱转动，实现对偏心距的调整。如果在输入参数的过程中发生了错误，也可以点击 “重设”按钮，此时外径尺寸、内径尺寸、偏心距的数值均被清空，依照上述步骤重 新设置参数值。当完成全部参数设置并调整完毕时，“确定”按钮呈现出来，触发该 按钮后，该按钮呈现出j ：塑到，目的是防止重复点击，至此调整偏心距过程完毕。 ( 3 ) 研磨参数选择 当研磨参数选择窗口呈现时，将会在该窗体出现工件材料和加工种类两部分。 工件材料部分显示的是该机设备适用于加工的材料类别，包括硬质合金，陶瓷， 玻璃，铸铁，石墨和淬火钢。加工种类部分设置了精加工和粗加工两种加工方式。这 里工件材料和加工种类均设计成单选设置，因此有效的避免了两种加工材料同时被选 中而出现错误的情况。在设置时，只需选择欲加工工件的材料和加工种类即可。完成 选择之后，点击“确定”按钮进行确认( 如图z 7 所示) 。 图2 7 研磨参数选择窗体 ( 4 ) 机床参数设置 机床参数设置窗口主要是对研磨机主轴转速参数的设置。在窗口的上部是主轴加 速时间设置，主轴减速时间设置和主轴转速设置。下部是触摸屏的键盘按键，分别显 示数字“o ”到“9 ”。当实际操作时，点击相应的“设黄”按钮，可以设置对应的控 制参数，如图2 8 所示。当设置出现错误时，只需再次触发“设置”按钮，可以修改 相应位置的控制参数，另外，也可以触发“重设”按钮，可以重新设置该窗体的全部 控制参数。设置完毕检查无误后，点击“确定”按钮进行确认。 图2 8 机床参数设置窗体 ( 5 ) 固定工件 在固定工件窗体分别设置了四个按钮，即压头上升、压头缓上升、压头下降、压 头缓下降，分别控制研磨机压头上升、缓上升、下降、缓下降四种运动。当尚未对压 头进行调整时，窗体下部的按钮显示“尚未调整”，如图2 9 所示。 图2 9 固定工件窗体 在调整压头过程中，按钮上将显示“调整中”，此时，控制压头运动的相应按钮 将显示停止的命令，如图2 1 0 所示。例如当选择调整“压头缓下降”按钮时，按钮 将显示“压头停止缓下降”，同时，该按钮对应的指示灯由红色转变成绿色，代表压 头正在执行该项命令。 1 6 幽2 1 0 崮定工件窗体的调整过程 当再次点击该按钮时，按钮将显示“压头缓下降”，指示灯则呈现红色，表示压 头此时已停止下降。在压头上升、压头缓上升、压头下降、压头缓下降中任意一个按 钮执行命令时，其他三个按钮呈现灰色，代表不能被触发，这是为了避免发生同时点 击使压头向两个相反方向或两个相同方向不同幅度运动的按钮，导致事故发生。 当压头调整完毕后，下部的“调整完毕”按钮才显示出来，原因是避免在压头 进行调整的过程中，无意触发该按钮，导致控制混乱。点击该按钮，表示调整完毕， 如图2 1 l 所示。压头对工件施加压力的大小，已由前一步骤中的研磨参数选择确定 了。鉴于不同材质的性能有所差别，对于不同种类的工件材料以及不同的加工方式， 压头将对工件施加不同的压力，这样设计可以灵活的控制工件所受的压力，有利于提 高研磨加工质量。 图2 1 1 固定工件窗体调整完毕 1 7 ( 6 ) 研磨加工参数设置 研磨加工参数设置窗口显示了两种研磨加工方式：按研磨加工量设置和按研磨加 工时间设置，如图2 1 2 所示。 图2 1 2 研磨加工参数设置面体 当选择按研磨加工量加工方式时，点击“按研磨n - r 量设置”按钮，则窗口中与 按研磨加工量加工方式相关的按钮显现出来，而与按研磨加工时间加工方式相关的按 钮呈现出灰色不可触发状态。点击“设置”按钮，既可输入实际所需要的加工量值。 设置完毕后，点击“确定”确认，同时，点击“显示”按钮，系统的当前研磨参数核 实窗体将会显示出来，如图2 1 3 所示。 图2 1 3 按研磨加工量设置 同理，当选择按研磨加工时间加工方式时，点击“按研磨加工时间设置”按钮， 窗口中与按研磨时间加工方式相关的按钮显示出来，与按研磨加工量加工方式相关的 按钮呈现出灰色不可触发状态。依次点击“时设置”、“分设置”、“秒设置”按钮设置 所要研磨加工的时间。设置完毕后，点击“确认”按钮确认，同时，点击“显示”按 钮，系统的当前研磨参数核实窗体将会显示出来，如图2 1 4 所示。 图2 1 4 按石j f 厝加j = 时阳】役置 三、控制系统当前研磨参数核实窗体的设计 控制系统的当前研磨参数核实窗体主要对主窗体所设置的参数起到了聚拢核实 的作用。窗体上部包含冷却泵的状态、工件内外径、偏心距大小、工件材料、加工种 类、主轴加速时间、主轴减速时间、主轴转速、按照研磨加工量设置或按照研磨加工 时间设置的参数。在窗体的下部有一个记事本窗体，其内容符合主窗体中的各个参数 设置，一目了然，能使操作人员更加清楚其设胃的数据。在窗体的最底部是四个按钮， 1 9 图2 1 5 当前研磨参数核实窗 分别是“打开”、“保存”、“重新设置”及“开始加工”。图2 1 5 所示的分别是按照研 磨加工量和按照研磨加工时间两种方式相应的当前研磨加工参数窗口。“打开”按钮 的功能与图2 5 所包含的“打开”按钮的功能一致，这里不再赘述：点击“保存”按 钮可以保存已经输入的数据，以便在以后的加工中作为参考( 如图2 1 6 所示) ；“重 新设置”按钮的作用可以返回数控研磨机的主窗体，并对个别或整体数据进行修改： 当所有设置数据经检查无误后，可以单击“开始加工”按钮，此时意味着系统将按照 已设置数据进行工作，同时将显示研磨过程状态窗体。 图2 1 6 保存窗体 四、控制系统研磨过程显示窗体的设计 由于该系统的设计是依照实际情况，区分为两种研磨加工方式，因此这里将分为 按照研磨加工量方式和按照研磨加工时间方式两种情况分别叙述。 按照研磨加工量方式 当按研磨加工量方式设好系统数据后，将会显示研磨加工过程窗体。如图2 1 7 所示，上部显示的已进行研磨加工量值，中部显示的是已进行研磨加工时间，下部是 “继续”和“停止”两个按钮。随着研磨n i 时间的变化，已进行研磨加工量的数值 会随着电涡流位移传感器的位置向前推进，当该值达到设置的量值时，系统将控制研 磨机床停机，使加工量控制更加准确。 图2 1 7 研磨加上过程窗体( 按照研磨加上量) 该系统还有一些防止事故发生的设计：若研磨机在加工过程中发生意外事故，需 紧急停机时，可手动点击“停止”按钮，研磨机床将停止工作，如图2 1 8 所示。这 是为避免一些不必要的损失，或在有一定损失的情况下能将损失减至最低：若故障排 除，点击“继续”按钮，继续按照设定数据进行研磨加工，直至研磨加工完成。 剧2 j 8 研磨加工过程中的紧急停止 2 l 按照研磨加工时间方式 当按研磨加工时间方式设置好系统数据后，将会显示研磨加工过程窗体。在按研 磨加工量加工部分，上部是设定的研磨加工时间，呈现的是已经设置的加工时间值， 下部是“暂停”按钮，