【机械类毕业论文中英文对照文献翻译】手摇砂轮机自动磨削系统的建模与仿真
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机械类毕业论文中英文对照文献翻译
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毕业设计(论文)外文资料翻译设计题目: 轴承内圆磨床自动上下料系统设计 译文题目: 手摇砂轮机自动磨削系统的建模与仿真 院系名称： 机电工程学院 专业班级： 机自0401 学生姓名： 杨 洋 学 号： 2004141034 指导教师： 马玉平 教师职称： 副教授 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语： 签名： 年 月 日附件Int J Adv Manuf Technol (2004)23:874881手摇砂轮机自动磨削系统的建模与仿真原文章手摇砂轮机自动磨削系统的建模与仿真摘要 本文研究了一个由磨削力控制的自动磨削系统的磨削加工模型.此磨削系统利用了电动手摇砂轮机，该系统由数控加工中心和力传感器测力所驱动。最初用一系列的弹簧来替代该模型中的灵活的自动磨削系统。该项研究也包含了各零件刚度的估算。同时研究发现，该模型可以简化成一个单一弹簧质量系统。为了控制磨削力设计了相应的PID控制器，该控制器可以根据力传感器所测出的力计算出合适的数控机床的主轴位移。计算机模拟结果表明，该系统设定时间小于0.25秒。关键词 应用磨削 磨削系统 仿真 自动磨削系统1引言据了解，这种磨削力的控制，可以改善模具和模具1，2，3，4，5，6 的磨削效果 ，因此动力控制已成为磨削和表面处理工序中的一个重要的程序。近年来，电动手摇砂轮机已成为模具和模具表面抛光加工的一种通用方式。这种由数控加工中心驱动的电动手摇砂轮机已被列入自动表面加工系统7，8 。但是，这些系统相应的磨削力控制技术并没有得到发展。因此，本文中提出了手摇砂轮机的自动磨削系统的磨削过程模型，并且设计出了相应的 PID 控制器。该系统类似于Chen， Due 7, Hsu 8,，其中力传感器是用来为工件测力的，该系统如图1所示。在本文中所提出的模型，在磨削系统9和磨削力控制实验中均已实行。一些磨削力模型已经提了出来，其中一个很好的模型即1992年由以To nshoff等人所提出 10 。在这些模型中，正常磨削力基本上和切削速度，工作接触面的多样化以及转盘直径有关。最近ludwick11，詹金斯和库费斯12等人提出了这种模型：Q= Kp（-）V （1）其中Q是材料的去除率，是法向力， 是是阈值， V是相对速度，是比例常数。这个模型是由Hahn and Lindsay 13提出的一个结合模型，在这个模型中，法向磨削力和材料去除率成正比，并遵循Preston方程14，可见，正常力反比于轮和工件的相对速度。这个模型被Jenkins和Kurfess 15采用，Hekman和Liang 16对磨削力进行了估算，Whitney 18 和Kurfess ， Whitney 19等人建议了类似的模型。17在一系列的焊缝磨削系统研究中，他们利用了表达式Q=P- (2）其中功率P是磨削力和相对速度的积。 上面所讨论的所有模型都涉及到砂轮。迄今为止，用球形工具的电动手摇砂轮机的过程模型还没有出现。对于这种磨削工序，之前的结果20表明旋转速度对磨削力的影响不大，因此公式1中的速度v不包含在本模型中。同时，以前所有的机器模型柔量也没有考虑在内。在本文中，也包含了磨削系统的柔量如图1所示。2磨削过程模型在系统显示图2之后的系统显示图1成为了范本 。在该图中，M和分别代表电动手摇砂轮机的质量与刚度（包括图1中的夹具和连接物），是材料去除过程中的刚度，它被定义为法向磨削力和磨削深度的比（假设为一个常数）。符号M和表示质量和工件的刚度，是力传感器的刚度。位移, , 和是测量出的静力平衡位置，因此，重力势能可以忽略不计。在图2中P是数控加工中心施加的力。此外，在本模型中，法向磨削力和磨削深度的比假设为恒定值，但实际中，磨削力和磨削深度的关系有可能是非线性状。符号代表非线性项（即实际磨削力=+）。 弹簧组, 和 相当于一个等效弹簧常数为k的弹簧.,和K的估算都列在附录中，同时发现制约着等效弹簧常数。一般情况下，的刚度远低于力传感器的刚度，因此可以推出K.举例来说，在当前系统中，/K的比率大于，根据这种推测（K），可假定 0。该模型如图2所示，可简化为图3。 系统的运动方程如下P(t)+(t)-F(t) = M (3) 当F(t) = K (4) 是弹簧力。两边微分可以得到(t)= K (5) 联立公式（5）和（3）得出P(t) +(t) F(t)=(t) (6)对公式（6）两边进行拉普拉斯变换，可得P(s) +(s)-F(s)=F(S) (7)由这些方程可画出过程模型框图，如图4所示 在这个框图中，输入P(s)是数控加工中心提供的力，变量(s)是前面定义的非线性磨削力，输出F（S）是力传感器所测出的力。框图的函数式为(S)=F(S)/P(S)，利用公式7，同样假定(s)=0，可得 (8) 3控制器设计本文中，运用了PID控制器，并把它表示为(S)= + S 磨削系统的框图如图5所示。在该图中，F*(S)是输入附加力，F（S）是力传感器测的值，并且方程e(S)=F*(s) -F(S)是误差。为了调查该系统是否可控制在稳定状态下，失调时的力(s)可设为零。根据图5和方程8，图5中的系统传递函数G（s）可以得出 在稳定状态下，方程9可以假定这意味着F(s)=F*(s)，因此，该系统可控制在稳定状态下。 由于F(t)=K(t)，区分表达式的两边，可以发现(t)=K=KV(t) （11） 在这里V(t)是主轴的速度。由拉普拉斯变换公式，可得到 （12）因此，图5中的术语SF(S) 可以用表达式中的KV替代，此外，SF*(S)=0 的条件是有恒定的磨削力，框图5可以转变为图6 。该图的传递函数可表达如下 （13）电流传递函数中的分子多项式的次数比由等式9定义的传递函数的次数低一级，这意味着电流传递函数的零点少，并且对极点的影响不大。同时，将图5中的框图误差e(s)微分一次。这意味着减小的噪音会被扩大，并且这种情况不会发生在当前的方框图中。因此，在随后的讨论中，会用到图6的方框图。 为了确定控制器的增益，明显的一点是把等式13的分母化为一个三次多项式，可以写为 由于分析一个三次多项式相对比较难，现在主要的是把他转化为一个二次项，把两个复杂的根假设为简单的根，要求二阶系统的最大超调量不超过3，可以得到下面的关系式即或，确定系统增益的第一次实验，规定时间可任意设为0.5S，可以得到因此=8,且=10.67弧度每秒。 角度（见图7 ）可取值为或，因此特征方程（即方程g(S)=0, 见方程14）的复数值是S= -8j7.05 。我们的构想是让第三极远离这两个复杂极。S=-15的值是任意选取的，因此等式14可以转化为 比较最后一个方程的系数和等式13的分母。可以得到下面的关系式K值在附录中可估算为K=8.74牛每米 ，且手摇砂轮机（夹具和连接物）的质量M=5千克，把这些值代入18a ,18b，18c，可以得到=0.0178, = -0.797, 和=0.98，由于系统的增益是不能忽略的，因此设定时间Ts，固有频率取新的值的第二次实验是有必要的。 在第二次实验中，规定时间设为0.25秒，即=4且=16，按照第一次实验的相同步骤，两个复数值可被认定为s=-16 j14.1。现在假设第三极在点S=45，则特征方程+77+1895S +20466 = 0 (19) 比较相应的系数后可以得到这意味着=0.0443，=0.0891，=11.762 。 等式13中的分子的根为0，即方程KpKS +K= 0 （21） 将上述值代入这个方程，可以发现最低点是S=-132.0。因此，等式13的传递函数可写为注：稳定状态下，当S0时G(S)接近1. 4，模拟结果和讨论利用商业软件MATLAB可以得到系统响应。在模拟程序中，弹力常数K=8.74牛每米，手摇砂轮机（夹具和连接物）的质量M=5千克，系统增益是=0.004，=0.089，=11.762 。采样时间选择为0.001秒。图6方框图的闭路传递函数是利用刚得到的系统增益，可以画出闭环传递函数23的相应轨迹图，即图8。方程22中的三个极也显示在该图中。从图中可以看出，无论是零点和第三极都比最高复数根更远离虚轴，使它们对系统有不可忽略的影响力，因此该系统可近似于第二个。 利用刚刚得到的系统增益，传递函数G(s)的波德图由方程13可得出（没有控制器的过程模型的波德图在图9中已给出）可以画出如图10所示。比较该图和没有控制器的过程模型波德图，可以发现共振数量已大为减少。同时图9中的相位角大约是180度 ，这和在不稳定状态下图10中的相位角近似于45度是一致的 。 由于磨削力控制系统采用步进输入，有无控制器的磨削过程的阶跃响应已作对比这一事实，图11显示没有控制器的阶跃响应，图12显示有设计控制器的阶跃响应。在没有控制器的系统中，在不稳定状态和系统力控制下磨削力振荡，建立时间小于0.25秒，最大超调量少于百分之三。这些系统增益（即=0.044，=0.089，=11.762）已使用于力控制的自动磨削系统中。结果表明，表面粗糙度可以减少9。 五，结论在本文中，提出了一个动力控制系统的磨削过程模型，该系统利用了数控加工中心，电动手摇砂轮机和力传感器。力控制系统由弹簧质量系统表现出来。根据弹簧质量系统可以测算每个工件的刚度，并且这个弹簧质量系统可以进一步简化。以简化系统为基础的PID控制器已经设计出来，该控制器的增益是利用商业软件MATLAB进行测算的 。测算结果表明，规定时间小于0.25秒和最大超调量少于3是可以得到的。 附录：刚度常数的测算手摇砂轮机的刚度（夹具和连接体）: 在图13中 ，AB部分表示长度为a 和Z轴夹角为的连接体。BC部分表示标准状态下的AB且长度为b，因为正常的磨削力P已应用，所以ABC相结合的相应位移（即连接体，夹具，手摇砂轮机的合并部分）在C点是Z，这是分两个步骤测算的。首先，AB部分是紧紧固定在主轴上，并且可以由悬臂梁表示。如图14所示，由于磨削力Psin和力矩Pbcos在B点的角是 和分别是AB部分的弹性模量和惯性面积矩。其次，BC部分也是以悬臂梁为模型，并且它最初有一个倾角，如图15所示。该梁在C点的挠度由负载给出 和分别表示BC部分的弹性模量和惯性面积矩。C在Z轴方向的总位移可近似于这样的关系因此点C在Z轴的位移是连接件AB是由弹性模量为=210 Gpa的不锈钢做成的。手摇砂轮机是不锈钢和铝合金的结合体，且=70 GPa。后来人们发现只要在70 Gpa（铝）和210GPa（钢铁）之间的值都可以使用，并且很少影响最后的结果。AB和BC部分的直径分别是=0.036米和=0.026m，利用关系式I=/64,可分别确定=8.2 米和 =2.2米。将这些值，长度a=0.13米，b=0.195米和角=30度代入方程27，可以得到Z=1.38 P，那么第一个弹簧的刚度=P/Z=7.25N/m。材料去除过程的刚度： 一定磨削深度的磨削力可由图1 (Kistler_5295A)所示的力传感器测出。进给速度为20毫米/分钟，转速为20000rpm，且刀具直径为9.5毫米，法向磨削力可由不同的磨削深度测量。磨削深度和平均磨削力的曲线关系可绘制为图16，大体上是线性关系并且坡度等于刚度，因此近似于=8.84N/m 。工件的
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