外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计

外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线

测量和进给控制系统设计

附外文文献及中文翻译扌商要我国的很多企业都还沿用传统的普通磨床进行加工，普通磨床上不配备高精度在线检测装置，对于工件的检测只限于静态离线检测，这样反复加工，多次装夹，不仅降低了生产效率，还增大了误差，因此产品的废品率高，提高了成本。为了改变这种现状，可以采用电子技术、光电检测技术、计算机技术，对现有的磨床进行改造。本文提出了一种改造方法，在外圆磨床上安装D5V传感器，对外圆磨床上工件的外径尺寸进行动态实时检测。本文主要针对外圆磨床在线检测系统设计了CP1H系列PLC软件，创新点在于我们采用OMRONCP1H-XA40DT-D为控制器，同样采用欧姆龙D5VA-3B1接触式位移传感器采集工件外径的变化。将砂轮架用于控制纵向进给的手轮拆下，手轮轴一侧安装（二相混合式）步进电机，可以实现对外圆磨床的闭环控制。同时实现了部分硬件的软件仿真，对于普通外圆磨床进行了数字化、高精度在线检测的改造。在实际生产中具有广泛推广的意义。关键词：外圆磨床；在线检测；D5V传感器，CP1H系列PLC,触摸屏外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计TheDesignofInProcessGauging

andControlSystemforGrinderAbstractAtpresent,plaingrindingmachinesareusedinmanyenterprises.Therearenohighprecisionon-linemeasuringequipmentsontheplaingrindingmachinessothattlieworkpiecesshouldbeofflinedetected>reduplicatelymachinedandrepetitiouslydamped,whichdecreasesproductivity^enlargeserrar}increasesdefectiveindexandraisescost.Inordertochangethepresentcondition,grindingmachinesshouldberefotmedwithelectronic,phoTcelectric,computertechnologiesOnereformmethodhasbeenputforwardinThisdissertationthatisfittinggratingdigitalreadoutsystemonthegrindingmachinestodynamicallydetecttheexternaldiametersofworkpieces.Themainworkofthisdissertationisdesigningtheon-linemeasuringsystemforcirculargrindingmachine.Theinnovationisimplementingsoftwaresimulationforhardware.Theplaincirculaigrindingmachineisreformedwithdigital,highprecisionon-linemeasuringtechnology,whichveryimportantinpracticalmanufactureandworthyofpopularization.Keywords：Circulargrindingmachine,On一linemeasuring；Gratingdigitalreadout；D5Vsensor,PLC目录第一章概论 61.1意义 61.2夕卜研究现状 61.3内研究现状 61.4应用前景 7第二章夕卜圆磨床在线检测系统测量原理 82.1测量的基本概念 82.2系统测量原理 92.3测量方法 10 2.4在线检测系统方案选择与设计（最小二乘法） 112.5误差分析及处理 172.5.1测量误差 17 2.5.2检测系统仪器仪表误差 18 2.5.3数学误差 182.5.4环境误差 192.6误差处理 19第三章外圆磨床在线检测系统的硬件系统 213.1系统结构 213.1.1测量装置 223.2步进电机的介绍 243.2.1步进电机及驱动器选型 243.2.2控制电路 253.3接触式位移传感器D5V的介绍 263.4主机MT506MV触摸屏的介绍 293.5从机CP1HXA-40DT-D欧姆龙PLC的介绍..33 TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第四章外圆磨床在线检测系统的软件设计 364.1开发工具 36\o"CurrentDocument"4.2系统架构 36\o"CurrentDocument"4.3测量控制 364.4人机接口通信 384.4.1MODBUS通信协议 ....38\o"CurrentDocument"4.4.2主机触摸屏程序 384.4.3操作说明 39\o"CurrentDocument"第五章总结 54\o"CurrentDocument"致谢 55\o"CurrentDocument"参考文献 56\o"CurrentDocument"附录A.系统电气原理图 57\o"CurrentDocument"附录B.PLC与D5V传感器接线示意图 58\o"CurrentDocument"附录C.从机PLC程序 59\o"CurrentDocument"附录D.PLC地址注释 77外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计第一章概论1.1意义从生产发展的历史来看,机械加工精度的提高是与测量技术水平的不断提高密切相关的.尺寸和形位误差的检测手段及相应标准的出现是由于生产发展的需要,是保证产品质量和产品互换性的重要指标.其中圆柱度误差的测量，过去对其研究不多，因而该指标应用很少.生产中广泛采用的方法是分别控制轴截面和横截面的形状误差来代替圆柱度指标.1.2外研究现状国外在形位误差的测量的研究方面，主要致力于高精度、高效率、万能性、符合误差定义的量仪的研制上.如三坐标测量机，多坐标测量机等.美国北卡罗莱纳州立大学的精密度测量实验室专门从事坐标测量和表面测量的研究该实验室有大量的用于测量工件形状和粗糙度的仪器.其中，测量圆度和圆柱度误差的仪器分为接触式和非接触式两类.前者包括FederalFormscan3600圆柱度仪、MahrMFU7圆柱度仪；后者包括TropelCM225光学圆柱度仪等.TaylorHobson公司生产的圆度仪上已配备了利用最小二乘原理设计的用截面法测量圆柱度误差的近似计算程序。1.3内研究现状我国是从1975年才开始提出形位公差标准的,此后又进行了修订并陆续制定了一些其它的相关标准.到了80年代末，我国已有了成套的形状和位置公差标准和形位误差检测标准，其中多数标准是与国际ISO相应标准一致或相似的.这些标准的制定,无疑对国内形位误差评定理论和检测技术的发展起到了推动作用.国内许多高等院校和研究单位对形位误差的检测与评定的研究已具有相当高的水平.特别是在形状和位置误差的检测与评定的理论及方法方面已走在世界的前列，但在理论成果向实用技术的转化方面，尤其在测量仪器的研究与开发方面，就综合水平和整体实力看，还有较大的差距。近年来，我国在圆柱度误差的测量方面取得了相当大的进展.北京机电研究院成功地研制了第一台计算机控制的圆柱度仪.可以用最小二乘法和最小区域法等几种指标评定圆柱度误差.中原量仪厂也试制成功了用螺旋线法测量圆柱度误差的圆柱度仪.大连理工大学机械工程系开发研制的新型五坐标回转体测量仪能在一次安装下测量诸如圆柱、圆锥、圆球以及它们组合体类的回转零件内外型面的轮廓误差.该仪器各项技术指标均达到要求，软件使用状况良好，受到专家用户的好评。东北大学机械工程学院自行研制了“XWY-1”型形位误差测量仪并开发了回转体零件形位误差数据处理软包，达到了国际先进水平。1.4应用前景工业生产中有许多轴类零件，如车轮、车轴、曲轴、活塞等，有的对工件的尺寸精度要求很高，磨削加工是一种主要方法。磨削加工是机械加工的主要方法之一，在多数情况下，削加工担负着零件精密表面的最终加工工序的任务，它的精度对机械产品的质量具有直接的影响。普通外圆磨床上不配备在线检测装置，传统的磨削加工是由人凭经验根据进给量判断加工状态，然后停机离线检测工件尺寸，此时工件脱离了制造过程，在距生产线一定距离的检测工作站上进行检测。这种检测方式必然存在制造和检测的延时，不能及时发现输出的质量问题，质量检测的反馈信息只能代表有相当长时间滞后的状况；若没到达目标尺寸，重新装夹继续加工，如此反复多次才能达到要求，加工尺寸的保证主要靠工人的技术及经验和机床的性能，对工人的要求较高，对机床的性能也要求稳定，加工出工件的尺寸变化范围较大，变化不稳定，容易出现不合格品；另外，加工过程中的手动检测，增加了生产时间，多次装夹导致误差放大，劳动生产率降低，工人的劳动强度增大，而采用在线测量技术就能较好地解决这个问题。第二章外圆磨床在线检测系统测量原理和误差分析外圆磨床在线检测系统的功能是对普通外圆磨床精磨加工的工件外径尺寸进行在线测量，并实时显示。由数据采集部分将尺寸变化变为数字信号传至欧姆龙PLC系统进行数据处理和结果显示，同时响应触摸屏控制。外圆磨床在线检测系统方案框图如图2—1。执行机构图2-1外圆磨床在线检测原理图2.1测量的基本概念检测是人类认识客观世界的最基本的方法，它是对被测量进行检测、变换、分析处理、判断、控制的综合认识过程。在测量技术的发展过程中，由于技术的进步，被测对象和范畴不断扩大，出现了不同性质的测量过程，如计量、检测、测试，其内涵各不相同。计量通常指用精度等级较高的标准量具或仪器对被测样机、样品或仪表进行考核性质的测量；检测则是指生产、实验现场利用某种合适的检测仪器或系统对被测对象进行在线实时的测量；测试一般指试验与测量的整个过程，可以是定量的，也可以是定性的。一些指示性的测量也称为测试，如器件工作状态的导通与截止，电平的高与低。未定标的产品检验都需要进行测试。测量的结果包括数值大小和测量单位两部分。数值的大小可以用数字表示，也可以是曲线或者图形。无论表现形式如何，在测量结果中必须注明单位，否则测量结果是没有意义的。测量过程的核心是比较，但被测量能直接与标准量比较的场合并不多，在大多数情况下，是将被测量和标准量变换成双方易于比较的某

个中间变量来进行比较的。测量是以确定被测物属性量值为目的的一组操作，这种测量操作是一个比较过程，是将被测参数的量值与同性质标准量进行比较，比出的倍数即为测量的结果。测量单位、测量方法、测量仪器与设备是测量的“三要素”。测量方法按测量的方式（测量路径）分有：直接测量、间接测量、联立测量；按测量方法（度量器参与形式）分有：偏差式测量法、零位式测量法和微差式测量法；按测量参量变化快慢分有：静态测量、动态测量；按被测量在变化过程中被测情况分有：在线检测、离线检测；按测量敏感元件是否与被测介质接触分有：接触式测量与非接触式测量。在满足测量精度等目的和要求的条件下，应尽量采用直接测量方式，以提高测量的精确度。如果盲目地考虑过多的而且完全可以忽略的次要因素，期望通过繁复、严密的运算来提高最终准确度是不切合实际的。测量原理是指测量方法的科学基础；而测量方法为根据给定的原理，在实施测量中所涉及的理论运算和实际操作的方法。测量原理侧重于被测量传感变换的物理过程，测量方法侧重在实现测量原理的技术措施。2.2系统测量原理磨削加工在线测控系统是利用测量结果自动干预磨削工艺过程，控制刀具的进给和脱离，使整个循环过程自成闭环系统。如图2-1所示。工件实际尺寸为D,要求的尺寸为给定量D0,控制量是磨床砂轮的进给量。在加工过程中，测控系统对工件实际尺寸进行实时动态测量，并与设定的标准量进行比较得出差值^D=D-D0，由此给出控制信号，使磨床按要求完成加工过程，最后在^0=0时给出砂轮退刀信号►控制信号实际尺寸D实际尺寸D在线测量:图2-1在线测控系统框图外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计2.3测量方法根据所选择的测量原理，下一步设计或选用某种方法来实现测量原理。测量方法主要划分为以下几种。（1） 静态测量和动态测量有的文献指出，对可以认为在测量期间是恒定的量的测量称为静态测量，对量的瞬时值或随时间的变化值的测量称为动态测量。本系统正是采用动态测量方法，在对外圆磨床上工件加工过程中检测工件的外径尺寸值。（2） 直接测量法和间接测量法在线检测的简单参数可以直接测量出来，复杂参数难以直接测出，则通过测量其它参数，然后计算得到被测量。不必测量与被测量有函数关系的其它量，就能直接得到被测量值的测量方法称为直接测量法，而通过测量与被测量有函数关系的其它量，才能得到被测量值的测量方法称为间接测量法。直接测量法由于不受其它参数的误差的影响，因而精度较高。间接测量势必引入数学误差，测量精度降低。本系统使用D5V传感器直接测量位移的变化，属于直接测量，避免了函数计算误差，提高了精度。（3） 被测量与已知量的比较方法测量是以确定量值为目的的操作。为了确定量值，需要把被测量与一个己知量进行比较，比较的方法有多种。一是直接比较测量法，就是将被测量直接与已知其值的同类量相比较的测量方法；二是替代测量法；三是微差测量法，就是将被测量与同它的量值只有微小差别的同类己知量相比较，测出两个量值间的差值，以确定被测量值的测量方法；四是零位测量法,该方法是指调整一个或几个与被测量有已知平衡关系的（或已知其值的）量，用平衡法确定被测量值的测量方法，被测的和调整的量可以是不同类的量。系统先对D5V传感器校零，然后对加工工件进行测量，被测量与已知的标准值差值很小，而且为同类量值，因此属于微差测量法。由于微差测量法精度较高，常用于高精度的长度、微小位移的测量中。（4） 接触式测量和非接触式测量在几何量测量，如长度、角度或表面粗糙度测量中，测头与被测物表面接触时，可得到接触点处的实际尺寸，但测头的形状（针尖、球面或平面）、为保持接触可靠而施加的测量力、测头与被测物的材料硬度、被测表面的粗糙度等因素，都会对测量结果有影响。由此造成的测量误差称为接触误差。本系统的D5V传感器装夹在磨床上，进行的是接触式测量，接触误差在所难免。综上可知，本系统对外圆磨床工件所采取的是接触式、动态、直接微差测量。2.4在线检测系统方案选择与设计（最小二乘法）研究机电系统时，常用“系统响应"来表述与输入变量相应的系统属性的变化。机电系统的系统响应最常见的是时间的连续函数，具有这种特性的系统叫做连续系统。连续系统主要表现在系统状态变化的连续平滑性。本系统研究外圆磨床的在线检测，工件的尺寸是随着时间连续变化的，故是一种连续系统。当一个系统的输出（状态和运动）完全可以用它的输入（外作用或干扰）来描述时,这种系统称为确定性系统。机电系统多属于确定性系统。当一个系统对于给定的输入存在多种可能的输出时，该系统为随机系统。本系统明显为确定性系统。本系统采用直接测量，其数学模型为线性最小二乘法数学模型，在我们研究两个变量（x,y）之间的相互关系时，通常可以得到一系列成对的数据（x1,y1.x2,y2...xm,ym）；将这些数据描绘在x-y直角坐标系中，若发现这些点在一条直线附近，可以令这条直线方程如（式1-1）。Yj=a0+a1*Xi（式1-1）其中：aO、al是任意实数为建立这直线方程就要确定a0和a1,应用《最小二乘法原理》，将实测值Yi与利用（式1-1）计算值（Yj=a0+a1X）的离差（Yi-Yj）的平方和〔工（Yi-Yj）2〕最小为“优化判据”。令：6=E（Yi-Yj）2（式1-2）把（式1-1）代入（式1-2）中得：6=E（Yi-a0-a1Xi）2（式1-3）当E（Yi-Yj）平方最小时，可用函数6对a0、a1求偏导数，令这两个偏导数等于零。亦即：M*a0+(EXi)al=EYi(式1-6)(EXi)*a0+(EXi2)*a1=E(Xi,Yi)(式1-7)得到的两个关于a0、al为未知数的两个方程组，解这两个方程组得出：a0=(EYi)/m-a1(EXi)/m(式1-8)al=[mEXiYi-(EXiEYi)]/[mEXi2-(EXi)2):(式1-9)这时把a0、a1代入(式1-1)中，此时的(式1-1)就是我们回归的元线性方即：数学模型。在回归过程中，回归的关联式是不可能全部通过每个回归数据点(x1,y1.x2,y2...Xm,Ym),为了判断关联式的好坏，可借助相关系数“R”，统计量“F”，剩余标准偏差“S”进行判断；“R”越趋近于1越好；“F”的绝对值越大越好；“S”越趋近于0越好。R=[EXiYi-m(EXi/m)(EYi/m)]/SQR([EXi2-m(EXi/m)2][EYi2-m(EYi/m)2]}(式1-10)*对给定数据点{(Xi，Yi)}(i=0,1，…，m)，在取定的函数类①中，求p(x)E①，使误差的平方和E”2最小，E"2=E[p(Xi)-Yi]"2。从几何意义上讲，就是寻求与给定点{(Xi,Yi)}(i=0,1，…，m)的距离平方和为最小的曲线y=p(x)。函数p(x)称为拟合函数或最小二乘解，求拟合函数p(x)的方法称为曲线拟合的最小二乘法。在(式1-1)中，m为样本容量，即实验次数;Xi、Yi分别任意一组实验X、Y的数值本系统在选择方案时，根据磨削加工在线测控系统的硬件要求、设计需要以及选型原则，本课题选择CP1HXA-40DT-D欧姆龙PLC。其不仅具有各种输入中断、定时中断和高速计数器中断等中断功能，还有高速计数器(高速脉冲输入)功能、高速脉冲输出功能以及XA型独有的模拟输入、输出功能，因此CP1HXA-40DT-D欧姆龙PLC是最佳选择。如下是相关CP1HPLC的介绍。

CPIH-口口口口口口-口盘型 X:基本型XAi帯内置模拟输入输岀端子里电禮凳别A：A3电博□:电禮凳别A：A3电博□:DG电源臨岀異别内置通用給入输出点数40）4。点.20：2。痪R:继电茬逾岀

T;晶体管糖出師型）T1：晶体巻输出（諫型）蛤入类别0：DCS&ACP1H系列PLC简介■CF1HCPU中元型号一覧X坷炳帶CP1H-K4aDH-A(MAHR日由N4flGT-D*牛曾助出-每CP1M-K4QDT1-D=1»管啪催、卜里:CPIH-Nft4P3H-Ar缰电帯琳出CP1HXA4GDT-IJ管物岀・GP1H-XA4GDT1D号辑瞥埶出-CP1H-YFQDTD，禅陣管編圍-婭）十返順狙B：电禪ACIsOO-210VH加H=DL31*AC1M^'5uHrDC2+VDCHV■fife无点狒軽J20'-J-OOA丑Fp输A输由够■出.哉却电*点12没SfiAhfftDC14Vr■ 收摘4g)点磁出点蟹it点S.*?WHit.ltA喉电墀柄出， ］岩诉旨應州地电隅樟出晶4苕她出岫IF曽疝’w«ttk^i*il心外AtMlOOHfeI■fin剛Ete•H1忡扌1?WItXJkK!'中：?GkHl■J!=直JftHltftH輸大花,用嘛于;站】泅：…n.列Ckffr■l：r由山朮快配2te5WkKz也MOOcEe24rtJOiEi页站f-IWIMHz内曽哽恨觑屮A或盘电SNiKftAi4点EO电任电悦蛔出，2A£」GPM1A r©MH外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计rcvi1w柄ID—- 肅Nr由焉示LED吋姫腐l-o*Arcvi1w柄ID—- 肅Nr由焉示LED吋姫腐l-o*AMSiji■边*維中，,佛举模担谊丈— 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力可测定各种物体的放大器一体型接融式位移传感器■以低动作力玻匣，理輯,襟腔捽毎种浏定物的■対成冲程5mE,■&有dfSrnA线而谁出和数宇辎出f时应BFA通信〉两个神英，■有蘇型、针型，扁平型3种测定子，可摂格濯定物悻選行选濫■与否海器本体的连接可通过佳感I,。插座（X白司来逬行简申的而亂A讳*谓*调亓的rnj.tfiif.qj.种类行程编出艰牯河定于分谢率型号D5VA-3B14--2ClmA1中E□5VA-3F1藉廳*1D5VA-3F1B7A通怕号由*3球必□5VM-3B1Lp.ni.DSVM-3P1活飛型注】D5VM-3F1*1.沛♦币可。幡湾比h屯色也些目*Siu逾加丄，.Il'-.^：-•■.：■■'■I■.Ml'.■.：?：Y.1.1-：＜,--'：:中.EliirtfTISEEfiRHITlIiMEIl?.Zri*l 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I*Jn«|.*3.n匚d4K武与年点給HE聞枚式HHJFK*ME最拝-各部分名称的功能DSHHZIEK线性留出钢昭］CI5VM-ILm7A塁汀通闻规帮）-HAWfiJJh.swtn-：.■中上川日rr«曾却讨邙由11W卻-nJSnrrnifiKrtflW-J;MB-SET-RumFH瑞11IIAVK^IJEWJUKRUXPTd^li“w*flft•円竝暑A帰！XT・5.E还働■.H3EEET^^TMHRzkdD.ddrO^iMPEilR

ttfiI fctf曲作品示幻的说明BC£出寸.怜即kkt］ft人屋.门犠尚.［丄北虬世4m*»S£Tmi^i4u-JiTM.AIMKELJKiS^fJWfiKTk,ftMiti圆貼仔《VRHIHEKH1!'•*,臼f蛰!：-HliUIDTH)臺址■出拆*.蛀专HUN&"-|」肮祖衲和；：貫剧■十*丄■■話itB'lRn^MSH4tfnraEriBSUITi・nJcft n'flir-RHL«<日・・11肾.Ufinn*ttArn^hfrl?*1品名电压・电滝而相-型号*1品名电压・电滝而相-型号K3HB-XAD-0DQa_博挿.(•U±(L]rdc±]扯以卜•拥白接出、品体管、日匸□、皿悄、技性琴丼钾恰出单氐・$隋段判制品名小型姓宁面梅表型号K3GN-NDIII]特长•43(W)X14lHjSCa3lDjmm的小欧寸■绿、ffl2feSjf;■备有吋厕怕明歯里注1.iohb- 电浊物出人Wz.跄奇节卄切耳尊另,W取規用441拒谑雅日3.运中中找是映IUdlH輝面齡的心hj■幣的情禪・\L'l!ACillKt曜M弟K汨D滿国fl■，清格k汨U-XIff值/C'ILIJ?WDSVijJ木fffl招IX电潅个制扣訣.jD5V■请正确使用详悄谓参见共通注彦黑项页)有关订货时的鏡頰请参见(TE页兀种类K3HB-X指出形态电is电圧DC12—24V継电牌掖点HH.H.I.uLL=答侦PASS:lcK3HB-KAD^0PAC21AC.'DCS^拈体誉输出NPN奴也横F捋鏡出也HH、H.PASS.L,LL)K3HB-KAD-AT11AC/DG24K3GN泊出成表通信後出形志主导现指汛电待捡业蛤出冷imTrK3GN-NDCDCS4V僦晋输也tNPHJF蒯II电ts辎II挪.AiK3GN-N0T1□C24V外捲尺寸D5V：撃短mmm)D5VA-3B1D5VM-3B1安関H胡工卍寸正脚Bn05VA-3F1D5VM-3F1志盘孔Jn工尺邛：i y11.小虬为口至口口口・D5VA-3P1D5VM-3P1：Lt.f.fl>jD5VA-DZin-本方FLM工凡寸ttBaANim*器U.♦田.为LL5軍虹口口匚LXS3F-M42MQ2-R遂接器的援播1+配域示例.端子No.导浅芯浅外酝色DsVA-jLD5VM-3：1b«aIX：J2-24V2白也NCi未技用f3BSlGDTDlOV：i4即也矣际输出SIGCB7A.I，閃±m.WTEKM口巳此时L”仙他!II土KM也宜月诉七D3Vkh：BCDR.^lI'.^-HII-|_-旳hF卜网W出旧迂*1帅_但在F?|世。世里上J或UEEEE-肾既人列宅范国必上亀曜BhIfillJFFFF.外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计MTi菲求xt勇刑256色MTi菲求xt勇刑256色TFTLCDii|.J<'I關河) 5.&1［示關•巴跆E320x23a姉4HU土min>0.362x0.119皿6M6M5i|T心用L|H3OQ甘咒灯牌LED甘光＜1管屮•京剜■:平旳）5D,0?X)小时250:1♦LQP’诂小若♦触卜山|板■亜也：4紅轴密电阻式■触控方式：连够式，透光宰：日5N以上■触控沃散：至少侦口万度3.4主机MT506MV触摸屏的介绍HumanMachineinterfaceWitU氏铲TFTLGBmp刖.盹b.■"320i234256色；：：JJU上工1蛆Xacr.ltPXA2:dTKX迁+卩將白帯配方卡却生时:H舛前ihi槓符合hniaIr.pt.v防护■^哉•丨91昔咒灯■CLkKT500爲列融」屏縫承」'性统大机界Illi的优点.井齡曩们審年靖炭积黑的蛭验，使拇A1生严的瓦机界而能密配晉FLC发挥蝮佳的裁驰，从血婀•:产蛾更有效的丄时.蛭外商塑軒■企示閣；5曰'3团健342跳色TFTLCD•CPU:Intel*PJC/k2652D0MHz•内存EMB"心器；JMB12BKB州方诺与•俗口：1RS232串口(PC-HMI)1RS232ie5*(HMI-PLC)U时时iq；11■输入电能：直禮最大削。亳安电沛•外单尺1(WXHHD):20ijf150siSmniiiig;大功D.B5kg，EBSODV273 件♦环境规格■操作温度：0°z4带C(32°z113°F)•相对湿度：10%~90%@4成C,无雜露•震动：10to25Hz(X,Y,Z方向2G3Q分钟),电磁干扰:符合FCCclassA•CE认证：符合ENB0031-2andENEOOS2-2标准前而阪捋泠皿职4/快65防护箸级普通外圆磨床在线测控系统（以下简称为系统）使用WEINVIEW公司生产的工业触摸屏MT506MV型，工作电压为直流+24V,其通信接口及电源接线端如图3-4所示。图3-8触摸屏通信接口an*rsH〕Pmv4-i■inirt.iijr'^nj). /4>lui(arilrlrlunij/□LL./JLL5尸MLuYMCtfjmmwJ曾一口^iontViewSjdeViewP-ujd-mrtmcdmp3.5从机CP1HXA-40DT-D欧姆龙PLC的介绍基本性能1处理速度：基本指令O.lus；特殊指令0.3us2I/O容量：最多7个扩展单元，开关量最大320点，模拟量最大37路1-3程序容量：20K步1-4数据容量：32K字5机型类别：本体40点，24点输入，16点输出，继电器输出或晶体管输出可选特殊功能14轴脉冲输出：100kHzX2和30kHzX2（X型和XA型），最大1MHz（Y型）24轴高速计数：单向100kHz或相位差50kHzX4（X型和XA型），最大1MHz（Y型）2-3内置模拟量：4输入，2输出（XA型）通信功能1通信接口：最大2个串行通信口（RS-232A或RS-422/485任选）本体附带一个USB编程端口2通信功能：上位链接、无协议通信、NT链接（1：N）、串行网关功能、串行PLC链接功能、Modbus-RTU简易主站其他功能1模拟量输入手动设定22位7段码发光二极管显示故障信息4-3支持欧姆龙中型机CJ1系列高功能模块（最大2块）4-4支持FB/ST编程，可以利用欧姆龙的SmartFB库，与CJ1/CS1系列程序统一，可以互换。外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计一巔也带项目AJC电源型CriH-DDD-A口匚起criH-DDD-D电曲压AE1DO^Z40V50/80H:DZZ4V允许电源电压AC95—2S4VDC20. 47景寸于四个或以上的扩屐单元为21. 26.HVBC)消睇力IOWA以下90W以下2DA1^~F(AC10Q^120V)如A以下如2印宀24口。30A以下，2口nw以下DC24V30QnA王绝典目虹外部端子与G曜子百］也MH以上C50WDC〕。山阍端孑与G疝崙孑间N0M9以上(500TOC)耐瓯AE外部湍子与子可ACZ3XV50/60H1：L分钟届电翩値以下DC外部端子与G/崙子i可AC10Q0V50/60H：1分柿鮑翩n叫下抗干扰性IECB1000-4-4标准ZkV«源线)抗震动JIS00041标准10-^5TMz振幅0.QT5mn5T^15DHzJl［®■Sn/eZ'如、TxE咎方向印分钟(fl司日行分钟x次數1。次=合计如分］坑府JIE00041标准14W=2結、Y■.卫答方向3次使用环墳温度口心如使用瑜懿度ItWQQ黑EH虾结盅〕使用环墳无席浊性气侬保存环墳温度饱池除外)电原保持9捅lDmw以上眼以上外昭R寸150nm(W)X90mri(H)X85rm(D)质里T4吳以下田吳以下■性育細格项目CF]H-X^CriH-XAD□□-□CF1H-X型CF1H-XDDD-D CflK-fgJCT1H-T匚口口-口陸制方式存储程序方或输入输出控制方式循环扫描方式和每次处理方式并用程序语言相形图方試由能垛功能块走火最大数1跖，睥时最大数雹5功胞咲走窺内可以便用语言：梯形囹、结构文本后E指令长度15歩出詮指令冲类约噸口神美（FUI孔.为3位）指令执行时间基本指令：0.IOls-应用指令：0.15^共同处理时间「1面程序答里卽陟淑个傍固宥丸行任务32个、中断任摩6*）定时中断任务1个做卧任务的涸定）输入中断任容8个呻断任务职.14514個定〕高谏计数器中断任眾564■呻断任务学〜255）紙型为6个子程序号码最丸值卩記瞪跳号玛最人值255I/O通道输堀电器IBOOi（100CH）0000.00--0099.15（CTU^元输入审点分酣为000000-00001—fflOl.00-0001.11）输出姓电器1600^C100CH）0000.00-0099.15（CfU^元输夂比貞分駐为000000-000007、X01.00^0001.07）内藏模报里输A*口0〜CI203CH一一肉藏模报里祂U21i：i---OL11ZH一一串行&销信齟器1440^5〔00字）3100.00宀31如.15（3100^31S9CH）内部辅助维电器8192点（512^）WOOO.00F511.15（怕0®■临11）I/。'虫宣375D4位C2344CH?3800.00-61«.15C3800—BU3CH）等暂时记忆继电器16j57RJCr-TRL5保持继电矗Bl昵点康1琴】H000.00—H511.15（NOm—HE11）暂时记忆鎌电器165TRD-TR158192j5（512^HOOO00-H51115（HOOO--H511）特珠辅助维电齧读出专用宵入票止）7W6位皿钥字）AD00.0CK-A44T.15（AOaO—AW）可读岀/■写入印酒立饵遂字）肱4B.叩宀叫5915（M4时K959）定时器4口要位TODOr--r40QE计数器4□部位CODOL--C4095数据存储奈32EC^DD0Q00--D32767教据寄存器1S£絢立）DRJO-^IE索引寄存署16点筮位）IRJ0F53W个（3囚立〕TKDOOO-TEO031渣踪律諸4W□字〔迫院对象数据最大031棱点、巳CH）日拒□。扌辭）内存1可以安装专用内存意（CF1Y-ME05M）获程序数据的备份丿自动反愦用途睇動能精度:月差TS分~十口.8分田:墳見度55幻）、-1.S龙1.6分邸廣温序河5、-3分~心1分的房温度頌通信功能内藏并联端口0JSB11）X1:仅閑连接支持软件最多可安装£个串行通信可选端口内存審備四存:用户程序、筌数me系统设定等〕、指令注暮、整个圳区都可保存至円停。电地备伯:保持维电器、救据存储、计数器南志•当前值〕电池寿命对CT5年嚏换电池应使用制造曰期泻内的电池）耗C佰功能ACi'CJCFU总行单元的存储区与叮系列是一样的％闾"具体活见CJ样本（蝙号PDS2-CH5-05）-第四章外圆磨床在线检测系统的软件设计4.1开发工具普通外圆磨床在线测控系统软件设计使用Linux开发，用PLC编程。在Linux的操作平台上用软件来实现硬件PLC的所有功能，具有逻辑运算、算术运算、计时、计数、数据处理、传送等功能。为了提高系统复用性、可维护性，通过对系统的需求分析，将开发系统的设计分为两部分，即编辑子系统的设计和编译子系统的设计。PLC编程语言有五种，其中，梯形图语言与电气控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，是最简单、最常用的编程语言，适用于顺序逻辑控制、离散量控制、定时和技术控制等操作。因此，本系统采用梯形图编程语言作为用户程序的开发语言。4.2系统架构程序框架包括主程序、数据采集模块，数据处理模块，数据分析模块，通信模块等。各模块以子程序形式出现，主程序实现对系统初始化和子程序的调用，然后启动事件处理循环。程序流程图详见图4-1所示。4.3测量控制将滤波后的采样值与设定的粗磨、精磨、光磨、到尺寸值进行比较，根据数据分析结果，通过脉冲输出控制信号控制步进电机驱动器，驱动步进电机，调节砂轮架的进给量和进给速度，从而达到控制工件尺寸的目的。本课题使用3个信号控制磨削过程（如图4-1所示），P1、P2、P3分别为粗磨切换精磨信号点、精磨切换光磨信号点和到尺寸信号点。砂轮在开始阶段快速进入粗磨阶段，当采样值达到切换点P1后进入精磨，达到P2点后从精磨进给向无火花磨削进给切换,最后达到设定工件尺寸信号点P3,然后延时一段时间后，砂轮架退出工位，完成一个工件的磨削过程。削用量削用量1图4-1磨削加工信号切换点在对工件进行磨削加工前，首先通过触摸屏参数设定界面对系统参数进行设定，包括工件轴径、修正系数、砂轮架进给频率等。输入目标工件轴径值后，系统会根据不同的直径范围调用不同的磨削余量，用来确定磨削加工的信号切换点。修正系统为K（传感器铁芯位移与被测工件位移的传动比，此系统中为4）,取值由测量装置杠杆确定。由于本课题采用缓进给磨削工艺，因此砂轮架纵向进给速度范围在5~300mm/min，由公式f=1000v/608，可知砂轮架进给频率范围在100Hz〜5000Hz。一般在加工同一批次工件时，相关参数只需设置一次，不用每次磨削前重复设定和更改。然后将一个已经磨削合格的工件装夹在磨床上，通过触摸屏手动控制界面,打开气缸将测量装置送入测量工位，并把此时传感器所测得值D0设定为标准值,作为以后加工工件的参考值，完成标准值设定。关闭气缸，测量装置退出测量工位，触摸屏切换到自动运行界面。将作为标准值的工件换下，装夹待磨削工件,准备开始在线测控工件磨削。图4-2为测控系统磨削加工过程的程序流程图。外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计图图4-3触摸屏系统参数设置--■A 罰杵鼎£--■A 罰杵鼎£图4-2磨削加工过程程序流程图4.4人机接口通信4.4.1MODBUS通信协议MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过MODBUS协议，控制器相互之间、控制器经由网络（如以太网）和其它设备之间的通信得以实现。MODBUS通信协议采用主从式，主机发送请求从机做相应动作，主机等待状态。主机发送完查询消息后就处于等待状态，即不断检测是否接收到MODBUS消息。当主机收到消息帧时，首先进行CRC校验，若CRC校验不正确，则向从机发送重发请求；若CRC校验正确，则对功能码进行判断并做相应处理。MODBUSRTU数据帧包含起始位、设备地址域、功能代码域、数据域、CRC校验域和结束位。设备地址域代表要寻址的从设备地址（地址范围为1〜255）,主机通过从设备地址来选通从机。本系统中从机地址设为1；功能代码域包含一个字节，当主机往从机发送消息时，从机将根据功能码域执行相应的动作，本系统用到的功能码含义如表4.1所示；数据区包含需要从机执行什么动作，或由从机采集的返送信息，这些信息可以是实际数值、设置点，也可以是主机发送给从机或从机发送给主机的地址；CRC校验域包含16bit值，其内容是通过对消息内容进行循环冗长检测方法得出的。CRC域附加在消息的最后，CRC码先是低字节然后是高字节，因此CRC的高位字节是发送消息的最后一个字节。根据CRC校验码，可以检验数据传输的正确性。4.4.2主机触摸屏程序本系统中MT506MV触摸屏为主机，从机为PLC系统。触摸屏通过串行通信接口按照MODBUS协议规定的询问报文格式向从机发出操作命令等，从机接收到消息后对报文进行解析、执行和回应。当触摸屏收到应答报文后，对报文进行一系列数据处理，将信息显示在触摸屏上。触摸屏的界面设计根据磨削工艺方案和磨削状态调整等因素来设计。触摸屏界面设计使用EB500组态软件。EB500提供了齐全的触摸界面设计功能，包含了基本图形设计、动画显示、趋势图显示、报警控件等功能。在设计人机界面时,需先配置好系统参数，如图4-4所示。触摸屏系统参数设置中PLC类型设置为MODBUSRTU,通信口类型为RS-232，波特率9600，数据位8位，停止位1位，无校验。系统参数配置好后，根据在线测控系统要求设计触摸屏的各个界面，以实现通过触摸屏辅助完成对工件的测量及磨削。系统操作界面分为开机界面，手动运行界面，测控运行界面，数控运行界面,参数设定一界面，参数设定二界面共五个界面，如图4-4所示。各界面功能如下：开机界面:系统上电后进入该界面，通过该界面可以分别进入手动模式界面,测控模式界面，数控模式界面；手动运行界面：该界面可单独控制气缸进与退，主轴开启与停止，砂轮架进给与退出；测控运行界面：该界面控制系统自动运行，通过测量装置采集到的数据与设定值比较，来实时控制砂轮架进给与退出；数控运行界面：该界面控制砂轮架进给固定脉冲值，对工件进行磨削加工，砂轮架进给与后退脉冲值可以自行设定；参数设定一、二：对系统参数进行设定，包括标准值的设定、光磨延时时间、传感器修正系数、磨削余量、砂轮架进给频率等。图4-4系统操作界面外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计图图4-6手动运行界面外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计图图4-6手动运行界面开机界面图4-5开机界面可可当系统上电后，触摸屏显示如图4-5界面，屏幕右侧为导航键，通过以打开与关闭，导航键功能为可以快速切换到其他界面。手动运行界面外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计手动运行界面如图4-6所示，可单独控制气缸、主轴与砂轮架。“传感器um”显示传感器位移。在实时测量过程中，传感器位移量通过信号调理电路，输出4〜20mA电流，经PLC内置AD转换后为0~12000数字量，再经过变换（该式推＞€0・4295x+84.637导详见附录A），可得测量值。由于测量装置采用杠杆对测量值进行放大，因此测量值除以修正系数便是修正值，修正系数可在参数设定一中设置，该值大小由杠杆放大倍数决定。如下PLC程序57条。9L5*11)不漩位有眼w二眺蜓IiLDDULD'lHLD&*■1(421.)BL06第一中棗虧：有腭顼輙ULIB聽场d龄HLia“实时直径mm”显示被加工工件直径，其计算公式为：实时直径=标准轴直径+2X（修正值-标定值）标准轴直径和标定值在参数设定一中设定。如下PLC程序条54。情在330DLiXO位樹割5極,■~M-缝隹实值曰麻*L(4£]1--夜导号长二洲1廉#LCCT鶴一个乘敖丰Sh*4£95第一个蜻景字/L(43H有将号长二迎阻ES第一•十頰綿勤字気一■!■晾构字在一小詰景主兀阳J綁号在二诺flj綿界面右侧用来精调步进电机，PLC程序中使用SPED+PULS指令，采用独立模式（定位）。图中黄色方框为数值设定框，用来对砂轮架进给与退出位移量进行设定。表4-1为手动运行界面与PLC程序相对应的I/O与数据寄存器分配表。表4-1手动界面中PLC输入输出及数据寄存器分配表0.00运行6.07主轴控制0.01急停D112实时直径mm6.00气缸：进D100传感器Um6.01气缸：退D200进给位移um6.02砂轮架：快进（点动）D202后退位移um6.03砂轮架：慢进（点动）100.01步进电机CP6.04砂轮架：退（点动）100.03步进电机DIR

6.05砂轮架：进固定脉冲100.04气缸电磁阀6.06砂轮架：退固定脉冲30.00手动界面扌J开时直为ON测控运行界面•测量控制传感器头m0实时直径囱）0.0000快进中m>运行急停径向跳动误差0•测量控制传感器头m0实时直径囱）0.0000快进中m>运行急停径向跳动误差03J5TB*'湖JJ3J5TB*'湖JJ-fl]-IttV)iJK)-Hci-~~s~图4-8测控运行界面测控运行界面如图4-7所示，右上角绿色指示灯为步进电机工作指示灯，当电机运行时绿灯点亮并闪烁，电机停止时绿灯熄灭并静止。在PLC程序中所对应的是PRV指令中D10第4位，如下PLC程序条11。isns±H潔器野值•E于同理：斜唳t推臨g止冋1翩神

“实时直径mm”和“传感器um”与手动运行界面中相同，不再重复。“实时直径mm”下方棒图，可动态显示磨削余量。报警上限（D192）为精磨切换点（标定值+精磨余量），报警下限（D191）为标定值。当测量值〉报警上限或者测量值v报警下限，棒图显示绿色，当报警上限〉测量值＞报警下限，棒图为红色。该棒图可用来指示磨削进度。如下PLC程序条71。直一mJ直一mJil子■■■IJ标亠“官.5TOYIJlZL).5JJ1D0H190TOY(DEL)IHD4ImKYIJ]2L)DEEIH92棒图下方用来设定步进电机在第一阶段进给位移，其对应进给频率在参数设定二中设置。界面右侧为径向跳动误差及其指示灯。径向跳动误差是当光磨延时结束后,传感器采集工件外径10个值，取这10个值中最大值和最小值，然后求其差值,可近似认为是工件径向跳动误差，PLC程序见条62〜66。外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计外圆磨床工件直径的在线测量和进给控制系统设计uro颁12錢!器臨酩捣既徳3COIL*249伽】L—岫网]却爾屈鋭胡劳採;[BCI庞酒6525LniDlL—話Gl〕95)辑均值11®響 ’~SFinso径向跳动指示灯是用来判断工件被加工后是否满足要求。在参数设定一中设定径向跳动误差限，然后判断径向跳动误差与径向跳动误差限的大小关系，当小于误差限时，判定工件合格，绿色指示灯点亮并闪烁；当大于误差限时，判定不合格，红色指示灯点亮并闪烁，复位键可以使指示灯恢复初始状态。见PLC程序条67~70。6BZ6326Ticon<=t315)SETDLJ6lit加1：6BZ6326Ticon<=t315)SETDLJ6lit加1：0Tlao-径向圆跳熊差IC0J.224.QD>(320)显 ¥SETDH611E网01DL3D径向圆跳瞧差roD龍建齢R5IT7.03 II zq.m30.027.3D7DZT1尴：T.Dii30.02网01表4-2测控界面中PLC输入输出及数据寄存器分配表7.00运行7.03指示灯复位7.01急停21.08步进电机工作指示灯D190棒图：变化量30.02测控界面打开时置为OND191棒图：报警下限24.00径向跳动误差指示灯（合格）D192棒图：报警上限24.01径向跳动误差指示灯（不合格）D208砂轮架：快速进给位移D112实时直径mmD176径向跳动误差D100传感器Um测控原理：整个加工过程可分为三个阶段。第一阶段：快速进给。当按下“运行”按钮后，主轴启动，延时t1后，电磁阀打开，气缸带动测量装置进入测量工位；同时砂轮架快速进给一段位移，使砂轮接近被加工工件，进给位移可通过触摸屏设定；第二阶段：磨削阶段。当第一阶段结束后，测量装置已进入测量工位。差值1■差值2光磨余量! 、 修正值|修正值|标定值光磨切换点 精磨切换点 粗磨切换点< j精磨余量

图4-8磨削余量将测量装置采集到的测量值转换为修正值，然后求修正值与标定值的差值，将此差值转换为步进电机对应的脉冲值，并传送给指令PULS中参数脉冲输出量。每当步进电机进给一定脉冲量后，再求差值，并循环上述步骤，直到差值小于光磨余量时，步进电机停止进行光磨；在第二阶段，进给速度分为两档，当差值大于精磨余量时（如图4-8中差值1），进给频率设定可以大一些（在参数设定二中设定）；当差值小于精磨余量，并大于光磨余量时（如图4-8中差值2），进给频率设定可以小一些。第三阶段：延时退出。延时t3后，步进电