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非圆零件车削加工系统的分析pdf

发布时间:2019-07-21 10:56 来源:未知 编辑:admin

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  东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名:鞋整日 期:叟丝生:I 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可 以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研 究生院办理。 J 研究生签名:建兰茁导师签名: 吵日期:,甲k 东南大学硕士学位论文 第1章 概 述 1.1非圆零件车削加工的背景及意义 随着科技的不断进步和制造业的不断发展,特别是一些特殊领域如航空航天、生物医学、汽车 等行业的迅猛发展,非圆零件的应用越来越广泛,越来越重要,如汽车工业中的凸轮轴、活塞(环), 军事工业中精确制导导弹中的陀螺等等;此外。非圆零件具有省材料,使用寿命长,能产生特殊运 动规律,适用某些特殊使用场合等优点。但是非圆零件由于其独特的形状和型线,采用车削加工通 常比较困难,关键是精度难以保证,所以限制了非圆零件车削加工的普及和提高。目前非圆零件的 精加T主耍采用铣削和磨削以及特种加工方法,如电火花加工、激光加丁等方法,但是这些加工方 法存在着加工成本较高、加工效率不高且对于横截面与轴截面形状都很复杂的工件则难以加工等问 题。为了改善以上不足,达到非圆零件所需性能要求,尤其是加工精度的提高,相应的非圆零件精 密高效加工技术也成为当今制造技术研究的热点。非圆零件的车削加工方法具有成本低、效率高等 特点,具有很强的竞争力。因此,研究非圆零件的车削加工方法具有非常重要的意义””。 1.2非圆零件车削加工法的发展 数控技术出现以前,非圆零件车削要采用机械运动合成法和仿形加工法。随着计算机技术和自 动控制技术的发展,非圆零件的加工逐步由数控车削法取代。非圆零件车削加_【技术的发展分为以 下三个阶段…………: 1.2.1机械运动合成法 机械运动合成法通过机构的运动合成产生非圆零件车削的运动轨迹。根据机构运动合成特点的 不同t又分为套车法、偏心法、周转轮系法等。套车法利用了圆柱体的非正交截面为椭圆的原理, 车刀绕工件高速回转形成主切削运动,工件与刀具的回转平面形成一定的交角,并沿工件轴线方向 进给。套车法只能加工标准椭圆截面零件。偏心法利用偏心运动机构驱动刀具获得所需的切削运动 轨迹,偏心运动机构多采用曲柄连杆机构、凸轮机构等。周转轮系法采崩行星轮机构,工件与行星 轮同轴旋转,便可加工出非圆截面零件。 机械运动合成法需要专用机床实现非圆截面零件的车削加工。其优点是:生产效率高,加工精 度较高,适于大批量生产。缺点是:一种机床只能加工同一类型的非圆截面零件,柔性差,难以满 足多品种小批量生产的需要。 1.2.2靠模仿形法加工阶段 靠模仿形法利用靠模控制车刀和工件的相对运动轨迹,形成所需的表面形状。根据靠模的形状, 义分为平面靠模仿形法和立体靠模仿形法。瑞士SIM厂生产的TPO一150金刚石靠模车床即采用平面 靠模仿形法;加工活塞裙部中凸型线采用中凸仿形机构;加工椭圆时则采用变杠杆比凸轮仿形机构: 加工活塞头部则使用斜面仿形的后刀架。我国沈阳机床厂生产的SI一240B型活塞外圆车床采用了立 体靠模仿形法,如图卜l所示,活塞与靠模连接在一起,装卡在车床主轴上与主轴同步转动,车刀 通过机械仿形机构,跟踪靠模的形状轨迹,从而~刀加工出活塞异形外圆。立体靠模的异形外圆形 状与活塞的异形外圆相似,但并不完全相同,根据仿形机构的响应滞后特一陛作适当修正。立体靠模 的加工通常采用数控磨削的方法。 东南大学硕士学位论文 非圆零件 靠 刀架 图卜1立体靠模仿形法原理图 与机械运动合成法相比,靠模仿形法的优点是:加工范围广,适宜于多种非圆截面零件的加工, 对于不同的非圆截面零件,只需更换靠模即可。可以加工复杂截面形状的零件,如非标准椭圆截面。 其缺点是:加工精度较低,由于仿形机构的环节较多,各环节的装配误差及刚性对加工精度影响较 大;生产准备周期较长,更换非剧截面零件的类型时,需要重新设计和制造靠模。 1.2.3数控加工阶段 数控加工是通过编程将非圆截面零件的形状数据事先输入计算机,加工时,由计算机控制微进 给机构驱动车刀往复进给,直接车削出非圆截面零件的形状。数控加工又称为‘软靠模”加工。由 于数控加工可以大幅度提高生产效率和加丁精度,目前,国内外都在争相研制非吲数控车床:如美 车床。 图卜2为非圆数控车床的系统框图,整个系统由普通车床、计算机、高频响刀架驱动器、主轴 旋转编码器、刀架位置传感器、数字/模拟(模拟/数字)转换板}、功率放大器与伺服驱动元件组 成。计算机是整个非圆数控系统核心部分,负责系统管理和信息处理功能,还直接控制系统的I/0 功能。整个加工过程如下所述:刀架台通过丝杠在伺服电机的拖动下沿被加工工件的轴向运动,同 时通过编码器和计算机接口电路对车床主轴的旋转角度测量,把主轴的角位置信息传给计算机,在 计算机中已经离线根据非圆零件的截面轮廓曲线要求,建立了主轴转角与刀具直线位移的映射关系, 计算机通过刀架位移传感器和主轴编码器采集到的信号根据已建立的映射关系进行计算,然后输出 控制信号,通过计算机接13电路、数字/模拟转换板卡和功率放大器控制刀架驱动器,从而带动车削 刀具傲往复商线运动,实现非圆截面零件的加工。 图卜2非圆数控车床系统框图 2 东南大学硕士学位论文 1.3本课题的来源与主要研究内容 某活塞环有限公司是中国著名的活塞环专业生产企业之一,公司生产的活塞环品种规格达looo 多个,广泛应用于轿车、摩托车、农用运输车、内燃机车和工程机械等领域。 活塞环是一种典型的非圆零件,几十年来,关于活塞环自由形状曲线先屙出现了数种模型(如卡尔恩 格里曲线、根茨布尔格曲线、富士二次余式和阿诺德曲线等),并在生产中得到了广泛的应用。70 年代以来尤其是80年代以后,随着发动机技术的迅速发展和对发动机性能要求的不断提高咀及活塞 环材料和制造工艺的改进(如镀铬环和钢带环),在德国、瑞士等发达国家,一些新的研究成果相继 被应用于活塞环的生产,例如油环和气环采用不同类型的曲线、高点梨形曲线环的高点值下降、椭 圆环和负椭圆环的采用等;与此同时,在这些发达国家更先进的加工设备(如活塞环内、外轮廓仿形 专用车床)被研制,并用于生产,显著提高了其加工精度、生产率和生产自动化程度:此外,在活塞 环的自由断面形状及材质的研究和应用上,这些发达国家也都有了不同程度的发展…。 60年代以后,我国的活塞环生产形成了一定的规模。活塞环自由形状主要是采用从前苏联引进 的以根茨布尔格曲线为主的单体梨形曲线高点环(平均压力/高点压力=2.85),加_-l二方式为靠模外轮 廓仿形。这在当时对于我国内燃机生产的确起了很大作用。但在国外技术研究和生产均得到了长足 发展的今天,我国采用的活塞环自由形状曲线和加工方式及国产活塞环加工机床几十年来却几乎没 有变更,目前我国高档活塞环配件完全依赖进口或依赖进口专用机床生产,国内目前有国外活塞环 专用车床的仿制产品,但问世以来性能一直不稳定,进口专用机床的高昂价格(从德国、瑞士等国 进口的高档活塞环内、外轮廓仿形专用车床每台价格在$60万左右)显然不是国内厂家轻易能够承 受的:与此同时,生产技术和研究手段的落后,更加剧了我国在活塞环技术研究领域同国外先进国 家的差距。 显然,以上这些缺点不能满足活塞环产品发展的需要,同时也限制了企业生产能力和生产规模 的扩大。 以上简要的阐述了当前国内外活塞环制造的情况,并对某活塞环有限公司的活塞环的车削加工 方法作了分析,由此推广到非圆零件的车削加工。本课题针对非圆零件的车削加工作了以F研究: 1)非圆零件数控车削系统的总体结构设计。常规的数控车削方法是基于插补理论和低速伺服 技术,而非圆零件数控车削需要的是高速伺服技术。因此,需要研究能满足高速伺服需要 的控制结构。本课题经过分析,采用模块化设计的思想,设计了一套完整的非圆加工伺服 控制系统方案。 2)实现非圆零件的车削加工要对其形状特征进行分析,并给以适当的数学描述,从而寻求合 理的成型方法,最终找到控制刀架径向迸给运动轨迹的算法。本课题以外型轮廓为椭圆曲 线的非圆零件为例,详细阐述椭圆型线的数学描述和成型方法,并对刀架的径向进给运动 特性进行了详细分析。 3)高频响、高精度、大行程伺服刀架是非圆零件车削加工中最为关键的部件。本课题在分析 了目前国内外各种各样的伺服刀架的基础上,选择了电磁驱动刀架,自行设计了,}{}j于菲园 零件车削的电磁驱动刀架装置,对整个装置的设计作了详细的阐述。 4)非圆零件车削的电磁驱动刀架装置控制系统与控制策略的设计。电磁驱动刀架装置的控制 制方案,对自行设计的电磁驱动刀架进行了仿真实验与控制研究。为了对刀架进行高精度 控制,本文对一种非常适合非圆零件车自Ⅱ加工的控制方法一~重复控制进行了研究和仿 真实验。 .. 查翌奎兰堡主兰篁丝苎 —————————————______————-———●——————————●—●●______________———————____-_-___—————————————————一一一一 一 第2章非圆零件车削加工系统总体设计 在某活塞环有限公司的活塞环车削加工研究与开发中,课题首先调查了目前公司所采用的活塞 环车削加工的基本情况,并对其中存在的问题进行了论述和分析。在此基础上采用模块化设计的思 想,确定了非圆零件车削加工系统的总体结构,并对其中的工业计算机及其硬件组成模块和信号检 测模块进行了详细说明。 2.1目前活塞环车削加工机床的分析 1 2 3 4 11 卜凸轮传动轴:2一外圆刀夹;3摆动轴;4拖板;5一镗孔刀夹;6一内孔镗刀杆; 7一机床床身;8一活塞环;9一专用卡盘;10一主轴系统;u一电气柜 图2-l目前用于加工活塞环的车床系统结构示意图 目前某活塞环有限公司所生产的活塞环在车前加工时采用的是内外圆靠模仿形加工法,图21 为车床的系统结构示意幽,它由以下几个主要部分组成: 1)车床主轴系统,它由变速箱和主轴箱构成,变速箱由电机驱动与变频器构成交流变频调速 系统,主电机经过齿轮变速,传给车床主轴得到转速范围为6—200r/rain无级变速。 2)工件夹紧系统,在车床主轴前端形成一个刚性很强的封闭框架,把堆叠排列成串的活塞环 通过主轴前端的专用卡盘和右端由液压驱动的顶紧卡套把活塞环夹紧在封闭框架内。 3)仿形刀架进给系统,刀架的轴向进给由伺服电机经齿形皮带传给滚珠丝杠拖动拖扳进给: 刀架的径向进给是通过主轴系统使主轴与凸轮传动轴保持同步,将凸轮传动轴上金属靠模 凸轮的运动通过仿形滚子传递给刀架(刀架包括外圆刀夹、摆动轴、内圆镗孔刀夹和内孔 镗刀杆),从而带动刀架做仿形运动。 4)电气系统,它采用了变频器、交流伺服系统和可编程控制器(PLC)及相应的电气线路进行 控制,它包括主回路和控制回路。系统的主回路通过电源开关切断或接通三相交流电源。 电源输入后通过各分支空气开关分别向各电机或用电回路送电。车床主轴电机和轴向进给 电机都由PLC通过接触器和变频器控制。系统的控制回路除润滑使用常规电气线路控制外, 其余控制均通过PLC实施。 4 东南大学硕士学位论文 通过对目前所采用的活塞环车床的分析,发现目前的这种加工方法存在以下问题: 1)仿形刀架进给系统中的靠模制作困难;而且长时间使用之后,靠模容易磨损; 2)缺乏柔性,由于主轴旋转运动和刀架进给运动机械地联为一体,故一种靠模只能生产~种 类型的活塞环。当工件的形状改变时,必须重新设计和制造靠模。而且在靠模使用一段时 间后,需要修整或更换以补偿和消除靠模的磨损量,这种调躲是非常困难的; 3)加工效率低。由于仿形刀架质量大(惯性大),使得形成椭圆度的往复运动频响较低,不能 获得较高的车削速度和加工效率。目前某活塞环有限公司所使用的车削机床主轴速度最高 只能达到200rpm,一般T作在120rpm: 4)加工精度低。整个仿形机构的传动链比较复杂,安装调试费时受靠模本身和传动机构磨擦 和间隙等误差因素的影响,靠模法难以获得较高的非圆截面加工精度,加工误差较大: 5)电气系统控制部分采用可编程控制器(PLC)(PLC控制方式的特点和不足将在下面进行讨 沦),并使用多个继电气、接触器和变压器,使得电气线路非常复杂,不易维护;更大的不 足在于作为整个仿形车削刀架系统的主要组成部分,整个控制系统是一个开环控制系统, 这就使目前的靠模仿形加工无法在线实时的对加工过程中山现的各种误差作出修止 显然,以上这些缺点不能满足活塞环产品发展的需要,同时也限制了企业生产能力和生产规模 的扩大。因此需要设计一种先进、经济和实用的数控非圆零件车自0加工系统以解决目前加工方法的 瓶颈,满足企业发展的需要。 针对上述所做的分析,在查阅了大量国内外有关非圆零件车削加工技术的文献后,提出了一套 完整可行的系统方案,这个方案针对目前存在的问题做了全面的改进,主要表现在以下几个方面: 1)采用工业计算机控制系统以取代可编程控制器控制系统,使用相应的检测部件对加工过程 中的工艺参数进行在线实时测量,并通过硬件接口部件送至一I:业机算计处理,构成一个完 整的闭环反馈系统; 2)采用电磁驱动刀架机构以取代金属靠模仿形刀架,减少整个系统的机械传动链,安装调试 方便,利用电磁驱动刀架频响远远高于靠模仿形刀架的特点,获得较高的车削速度;}II,DN工 效率: 3)采用软件与硬件相结合控制相应的电气与机械部件,提高了整个车削加工过程的自动化程 度,可以通过软件满足多种活塞环车削加工的需要,消除了目前靠模仿形加工中一种靠模 只能加工一种形状的活塞环的不足。 2.2非圆零件车削控制系统的组成 2.2.1工业计算机控制系统与可编程控制器控制系统的比较” 图2-2工业计算机控制系统示意图 如图2-2所示,工业计算机控制系统是指将工业计算机与工业控制软件相结合,通过硬件接口 部件和各部位的传感器信号线相连接,采集传感器的信号,传送回计算机进行计算和分析,再由计 算机根据处理后的信息,通过硬件接口部件发出控制指令,对相应的电气和机械等执行部件进行操 作。随着工业生产中自动化程度的不断提高,工业计算机控制系统的应用范围也越来越广,发挥的 东南大学硕士学位论文 作用也越来越重要,已经被认为是自动化领域中最具有发展潜力、发展速度最快的新兴技术。其功 能也越来越完善,稳定性越来越高,已经具有取代或部分取代可编程控制器(PLC)的趋势,能够很 好的完成通常由专用的PLC执行的控制功能。换句话说,工业计算机控制系统能够将不同的PLC的 控制功能“封装”在其系统内,运行于PC的环境中。这样,控制系统不但提供了PLC相同的功能, 还具备了Pc机的各种优点。 在这种控制系统中,计算机起着核心及主导地位,检测部件即各部位的传感器负责将现场的信 号如刀架位移,主轴转角等转换成数字信号传给计算机,再利用计算机处理后的数据控制电磁驱动 刀架。硬件接口部件本身不进行数据运算,它只负责数据的传输,由计算机通过程序进行控制。 T业计算机控制系统把控制部件、硬件接口部件、检测部件和电气与机械执行部件等应用模块 集成为一体,大大简化了以往控制系统的体系结构;同时又具有了一些传统的控制系统的所没有的 功能,弥补了某些缺憾,工业计算机控制系统的特点主要有: 1)继承了计算机先天的开放性。这对于影响自动化系统发展至关重要的横向通信(同一层不 同节点的通信)和纵向通信(上下层之间的通信)来说,无疑提供了坚实的基础; 2)控制功能完善:系统可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变量模型优化控制,可执行 从常规PID运算到神经网络计算、三阶矩阵乘法等各种运算,可以进行连续的反馈控制, 也可以进行间断的批量控制、逻辑控制,可以实现监控、显示、打印、报警、历史数据存 储等日常的全部操作要求: 3)完善的人机界面和集中监控功能:操作人员通过显示器和键盘,可以监视生产线的生产情 况,按预定的控制策略组成不同的控制回路,并调整回路的任一常数,从而实现真正的集 中操作和监控管理: 4)系统扩展灵活:系统采用模块结构,用户可根据要求方便地修改系统的控制对象,很容易 对方案进行改进,有利于分批投资,分批受益; 5)安装调试简单:系统各单元都安装在标准机框内,模件之间采用多芯电缆、标准件、接插 件相连,与传感器连接时采用规格化端子板,只需铺设双绞线进行数据传递,所以布线)具有良好的性价比:系统技术先进、功能齐全、可靠性高。 而目前金属靠模仿形车削控制系统所采用的可编程控制器(简称PLc)是一种数字运算操作的 电子系统,专为工业环境下的应用而设计,它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻 辑运算、顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控 制各种类型机械的生产过程。它具有紧凑的设计、良好的扩展性和强大的指令功能,可以满足小规 模的控制要求。 可编程控制器是专为工业应用而设计的,因此其主要特点是: 1)编程控制器具有较高的可靠性,具有很强的抗干扰能力,能够在恶劣的环境中可靠的工作, 平均无故障时间陡,故障修复时间较短; 2)编程控制器编程简单,使用方便,操作人员能够在较短的时间内掌握编程和控制器的使用 技术; 3)可编程控制器具有较高的灵活性、较强的信息处理能力和较多的功能。 采用PLC可编程控制器方案虽然有上述优点,但针对某活塞环有限公司所生产的活塞环的车削 加工也有其局限性: 1)可编程控制器成本相对较高,因为PLC硬件及组态软件都需要一定的费用。组态软件需要 二次开发,电气线)可编程控制器的技术难度相比计算机控制系统而言较大,主要是地址分配繁琐,编写程序 不如计算机采用高级语言方便; 3)由于生产的活塞环规格不同,用户需要经常对程序的参数进行修改,采用PLC控制器方案 修改起来较为繁琐,而且需要专业技术人员,对于生产企业而言比较麻烦。 采用工业计算机直接控制方案可以有效地解决上述缺点: 6 东南大学硕士学位论文 1)价格便宜,上位机软件属于白行开发,不受条件限制; 2)可以方便的为各输入输出信号选择地址: 3)软件的开发可以做成面向用户的开放式结构,修改参数较为方便,可以由生产人员直接进 行修改。 通过以上对工业计算机控制方案和可编程控制器控制方案的比较,可以看出,采用计算机控制 方案有一定的优越性,因此非圆零件车削自动控制系统采用工业计算机直接控制。 2.2.2控制系统的组成 根据前面所论述某活塞环有限公司活塞环车削加工所存在的问题,本课题采_Hj模块化设计思想, 设计了一套完整、经济、可行的控制系统方案,控制系统原理如图2-3所示,它主要包括以F几个 主要模块 图2—3非圆零件车削加工控制系统原理图 1)工业计算机及其硬件组成模块 计算机为整个控制系统的核心控制部件,它负责控制程序的运行、信号的输入和输出、数据计 算以及控制指令的发送等功能。系统的硬件还包括模拟量输入/输出卡和数字量输入/输出卡,这两 种数据}是计算机与外部传感器和控制器之间交换信息的通道,负责传感器信号的采集和对控制器 控制指令的传送。 2)控制系统的信号检测模块 检测部分主要包括位移传感器及其信号调理器、编码器及其相关电路,位移传感器及信号调理 器对电磁驱动刀架的位移进行实时的测量和处理,编码器及其相关电路对车床主轴的转角进行实时 的测量和处理,然后将数据传送至计算机进行分析。 3)电气、机械执行模块 这里的执行机构包括自行研制的电磁驱动刀架及其驱动功率放大器,交流伺服电机及其变频器, 由计算机输出的控制信号传送至功率放大器及变频器,由功率放大器将电压控制信号送入电磁驱动 刀架的励磁线圈,由变频器将控制信号传入交流伺服电机,完成相应动作。 4)控制系统的软件模块 控制系统的软件在整个控制系统中起着信息处理、分析、判断以及指令发送的作用,同时负责 人机信息的交换。在所设计的系统中,通过软件模块对由检测模块送入计算机中的数据(包括电磁 驱动刀架的位移。车床主轴的转角位移,轴向进给伺服电机的转速)进行分析、处理,然后通过软 件实现合适的控制算法,将控制指令发送给电磁驱动刀架、车床主轴伺服电机和轴向进给伺服电机, 使三者协调动作。 上述四个部分组成一个完整的非圆零件车削加工伺服控制系统,缺一不可。 7 查堕查堂堡主兰竺笙苎 一 _●--—-—_—————————_———-—-__-_——————————_—————-__-●——————————_____—————4————————————————————一。 ——一 2.3计算机及其硬件组成模块 数字 模拟 信号 信号 输入 输入 输出 输出 叫…算机P 接口 接口 _ 图2—4工业计算机及其硬件组成图 如图24所示,计算机及其硬件主要包括以下几个主要部分:工业计算机、模拟量信号输入/ 输出接口、数字量信号输入/输出接口等。本节首先介绍控制系统的硬件配置,包括计算机的选型和 信号输入/输出接口的原理,并简要阐述各部件所起的作用:然后分绍如何将其组成完整的硬件控制 系统,以及计算机是如何与外界传感器、电气部件进行信息交换的。 1)工业计算机 工业计算机是整个非圆零件车削加工控制系统的主体设备,应能满足控制系统的实时性要求, 其主要性能指标包括CPU字长、计算机主频、内存容量以及外部设备的连接等等。根据目前市场上 个ISA插槽接口。该计算机配置足以满足控制系统的要求,能够保证控制系统的正常运行。 2)模拟量信号输入/输出} 在非圆零件车削加工过程中需要检测和控制的物理量,如电磁驱动刀架的位移具有模拟量的形 式,需要把它实时采集出来变成计算机能够识别数字量信号。在一般的计算机控制系统中,通常采 用模拟跫信号输入/输出卡来实现数字量和模拟量之间的转换。将数字量信号转换为模拟量信号称为 数/模(A/D)转换,反之将模拟量信号转换为数字量信号称为模/数(D/A)转换。 在非圆零件车削加工过程中,需要采集和处理的模拟量信号主要是刀架的位移。测量刀架的位 移需要使用位移传感器,因此信号输入/输出板卡至少有1个通道的模拟量信号输入接口。同样,为 了实现对电磁驱动刀架的位移的控制,需要由计算机输出1路模拟量信号,因此信号输入/输出板卡 至少有1个通道的模拟量信号输出接口。 根据实际需要,在控制系统中采用了白行研制的模拟量信号输入/输出卡来实现模拟量信号的采 集和转换。该扳卡提供12路单端模拟输入通道,可将±5V范围内的模拟电压信号转换数字量,采 用12位分辨率的AD574为主芯片,模数转换误差小于o.03%;同时该板卡具有4路模拟输出通道, 用于将数字量转换成模拟电压输出,输出电压范围是±5v之间或0~+5V之间。 3)数字量信号输入/输出卡 在非圆零件车削加工过程中需要检测和控制的物理量,不仅包括述模拟量信号,还包括数字量 信号,如光电脉冲编码器的电压信号等都具有数字量的形式。数字量信号大多具有高低电平的形式, 在实际的使用中,可以根据电平的高低来判断事件的发生,也可根据计算机所发送的数字量信号来 控制外部元器件的动作。 非圆零件车削加工系统中,共有3只光电脉冲编码器,分别是安装在车床主轴尾部的编码器、 主轴驱动交流伺服电机尾部的编码器和轴向进给驱动交流伺服电机尾部的编码器。因此信号输入/ 输出板卡至少应包括3通道数字量信号输入接口。此外,对主轴驱动的交流伺服电机和轴向迸给驱 动的交流伺服电机的转速控制是通过向相应的变频器送入脉冲信号实现的,所以信号输入/输出板卡 至少要包括2通道的数字量信号输出接口。 根据实际需要,在控制系统中采用了白行研制的数字量信号输A/输出卡来实现数字量信号的采 集。该板卡提供了12路数字量输入通道,4路数字量输出通道。利用该板#可以构成主轴角位移检 测、交流伺服电机控制等系统。可以直接将光电脉冲传感器信号线接到地址端口上,由计算机检测 8 东南大学硕士学位论文 端口的电平即可;当用于交流伺服电机控制时,由计算机向相应的地址端口发送相应的电平信号 直接送入变频器相应的端口即可。 2.4信号检测模块 信号检测技术是机电一体化技术的重要组成部分,是机械、电子等技术有机结合的中间环节。 在机械制造或工业过程控制中,如果要对机械动作和加工过程进行准确无误的控制,需要对位移、 转速等参数进行准确、快速、可靠的测量,并且将数据传回控制系统作进一步的处理和分析。 在非圆零件车削加工过程中,信号检测的主耍作用是检测和控制运动对象使之处于预定的理想 状况,实时检查和测量各种参数的数值及其变化,发送反馈信号,构成半闭环、闭环控制。在车削 加工过程中各个执行机构的动作是否和指令值一样,误差有多大,与系统中的驱动装置及传动机构 的精度和检测装置的性能有关,但检测装置的性能是起主要作用或决定性作用。 检测装置的性能主要反应在其静态特性和动态特性上。静态特性包括精度、分辨率、灵敏度、 测量范围和量程、迟滞、零漂与温漂。动态性能主要指检测装置的输出量对随时间变化的输入量的 响应特性。为适应机床工作环境和保证机床的加工精度,要求检测装置工作可靠、抗干扰能力强; 满足分辨精度、速度和测量范围的要求;使用维护方便;易于实现高速的动态测量和处理;易于实 现自动化;成本低等。 下面就课题中所使用的测量电磁驱动刀架位移的位移传感器和测量车床主轴转角位移的编码器 的选择和检测原理做~介绍。 2.4.1电感式位移传感器 在非圆零件车削加工中,电磁驱动刀架的位移是一个非常重要的参数。因为整个电磁驱动刀架 的控制系统是一个闭环控制系统,刀架的位移是能直接测量到的反馈量,它通过位移传感器传送到 计算机中,根据己建立好的映射关系和车床主轴编码器采集到的信号进行计算,输出控制信号。电 磁驱动刀架的位移的测量直接影响到加工过程中车刀径向进给的精度,从而影响所加工零件的精度。 因此,选择台适的位移传感器是非圆零件车削加』二中重要的一环。 在工程技术中,通常用来测量位移的方法有:电阻式位移测量、电容式位移测量、电感式位移 测量等。不同的测量方式,有不同的特点”“”1。 利用电磁感应原理将被测非电量信号如位移、压力、流量、振动等转换为线圈自感系数L或互 感系数M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为电感式传感器。 电感式传感器的技术较为成熟,测量精度高。抗干扰能力强,数据重复性好,能够长时间稳定 可靠的工作,在工业自动控制系统中被广泛采用。电感式传感器种类很多,主要分为自感式、互感 式和电涡流式三种传感器,在本课题的电磁驱动刀架的位移测量中采用了互感式传感器。 把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器,这种传感器是根据变 压器的基本原理制成的,并且次级绕组都用差动形式连接,故称为差动变压器式传感器,这种传感 器形式较多,有变隙式、变面积式和螺线管式等,但其工作原理基本一样。非电量测量中,应崩最 多的是螺线 东南大学硕士学位论文 、 \ Ⅺ 灾; l 、 、 弋≯纠 2 凶 送; 3 窝 汉: l一活动衔铁:2导磁外壳;3-线匝数为W2。的初级绕组 图2-5螺线管式差动变压器结构示意图 螺线管式差动变压器结构如图2-5所示,它由初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱 形铁芯等组成。 螺线管式差动变压器中两个次级线圈反向串联,并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容 的理想条件下,其等效电路如图2-6所示,当初级绕组w1加以激励电压玩时,根据变压器的工作 原理,在两个次级绕组w2。和W26中便会产生感应电势立2。和亩2^。如果工艺上保证变压器的结构完 全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数膨I=M2。根据电磁感应原理, 将有丘。=庄:6。由于变压器两次级绕组反向串联,因而D:=t:。一应:。=o,即差动变压器输出 电压为零。 1 ‘。 图2-6差动变压器等效电路 当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响,w2。中磁通将大于w2。,使】M2,因而丘。增 10 东南大学硕士学位论文 加,而应:。减小。反之,应:。增加,应:。减小。因为D2=营:。一应:6,所以当五:。、应:6随着衔铁 位移x变化时,D2也必将随着x变化。图2—7给出了变压器输出电压U2与活动衔铁位移x的关系 曲线。 Ⅵ。 电 峨, .”● y & 霆 图2—7差动式位移传感器的输出曲线电压特性曲线 差动式位移传感器的测量范围在1~lOOmm之问,该类传感器具有测量精度高,灵敏度好,结构 简单,性能可靠等优点,在工业工程中得到了广泛的应用。在电磁驱动刀架位移检测装置中,选用 了南京传感器厂的LVDT系列差动位移传感器。此种传感器具有体积小、重量轻、稳定性好、可靠性 高、重复性好、分辨率高、精度高等特点。可以方便的与标准A/D转换功能接口卡相连,从而与计 算机配接进行数据采集与处理及其它功能。根据实际需要,在课题中选用了量程为20ram的传感器, 该传感器的主要参数为:其线my/mm,输出电压为3V, 为该传感器的外形图。在实际应用之前,通过实验的方法对传感器进行标定,找到它的线位移传感器外形示意图 2.4.2光电脉冲编码器 在非圆零件车削加工中,车床主轴的角位移也是一个非常重要的参数。一方面,作为整个非圆 零件车削加工控制系统中的反馈量,主轴的角位移通过传感器所测到的数据送入计算机,根据事先 离线与电磁驱动刀架的位移建立起来的对应关系,和由位移传感送入计算机的刀架位置信号进行计 算,输出控制信号。另一方面,由于车床主轴是通过伺服电机经过变速箱驱动的,齿轮传动中存在 的间隙、摩擦等非线性因素,会对主轴的平稳运转产生一定的影响。此外,在加工过程中,工件将 受到刀具施加的切削力,这会给主轴增加附加扭矩,也会影响主轴的平稳运转。这些冈素都会直接 影响到加工精度,因此,需要选择合适的角位移测量传感器对其进行精确测量。 编码器又称码盘,以其高精度、高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种位移测量。编码器按结 构形式有直线式编码器和旋转式编码器。而旋转式编码器是用于角位移测量的最有效和最直接的数 11 东南大学硕士学位论文 字式传感器,它是一种旋转式测量元件,通常装在被检测轴上,随被测轴一起旋转,可将被测轴的 角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。按检测方式可分为接触式、光电式和电磁式三种。 就精度和可靠性来讲,光电脉冲编码器优于其它两种““,因此本课题在主轴转角位移的测量中采用 了增量旋转式光电脉冲编码器。 卜光源;2一连接法兰;3一轴;4一光敏兀件;5一指示光栅;6一网光栅;7一电路扳 图2—9增量旋转式光电脉冲编码器结构示意幽 增量旋转式光电脉冲编码器的结构如图2—9所示,在一个圆盘的圆周上刻有相等间距线纹,分 为透明和不透明的部分,称为圆光栅。圆光栅与工作轴一起旋转。与圆光栅相对的,平行放置一个 固定的扇形薄片,称为指示光栅,上面刻有相差1,4节距的两个狭缝(在同以圆周上,称为辨向狭 缝)。此外,还有一个零位狭缝(~转发出一个脉冲)。脉冲编码器通过转接头或键与伺服电机或车 床主轴相连,法兰盘固定在电机端面或主轴尾部的支架上,构成一个完整的检测装置。 图2—10展示了增量旋转式光电脉冲编码器的工作原理: 图2~10编码器输出波形 当圆光栅旋转时,光线透过两个光栅的纹线部分,形成明略相间的条纹。光电元件接收这些明 暗相间的光信号,并转换为交替变化的电信号,该信号为:两组近似于正弦波的电流信号4和B(见 图2-10)。4和口信号相位差900,经放大和整形变成方波。通过两个光栅的信号,还有一个“一 转脉冲”,称为Z相脉冲,该脉冲也是通过上述处理得来的。Z脉冲用来产生机床的基准点。脉冲 编码器输出信号爿、一、B、丑、Z、Z等信号,实际应用中,这些信号作为位移测量脉冲,以 及经过频率/电压变换作为速度反馈信号,进行速度调节。4、占两相信号可以用来判断主轴的转 向,Z相信号作为基准信号,用来判断每一个切削周期的起始点。 在选择了合适的编码器后,为了使编码器能够和车床主轴可靠连接,把主轴转角位置信息传给 计算机,必须设计相应的支撑机构。图2-1i为编码器及其支撑机构实物图: 变塑查兰堡主兰些笙兰 图2-1I编码器及其支撑机构实物图 13 东南大学硕士学位论文 第3章非圆零件成型方法与刀架径向进给运动特性 非圆零件车削加工过程中,刀架形成径向进给轨迹的过程本质上就是非圆零件轮廓曲线形成的 过程。因此,实现非圆零件的车削加工首先要对其形状特征进行分析,并给以适当的数学描述,从 而寻求合理的成型方法,最终找到控制刀架径向进给运动轨迹的算法。在本章的前半部分,将以横 截面为椭圆的非圆零件为例,对其型线的数学描述和成型方法加以介绍。在后半部分,将对非圆零 件车削加工中刀架径向进给运动特性加以分析。 3.1非圆零件车削加工中零件轮廓型线的数学描述和成型方法 3.I.I非圆零件型线的基本特征 对非圆零件轮廓型线的数学描述就是对非倒零件的轮廓特征仔细研究,抓住主要因素,进行简 化与抽象,在通过大量的实验,从实验数据中构造出数学模型。~般情况下,椭圆的型线在圈纸上 都是以列表点(离散点)的形式给出,即所谓的列表曲线,它只给出了零什轮廓型线上某些以表格 的形式列出的坐标点数据而无方程”“。 由于横截面型线具有对称性,所以只需考虑第一象限内的曲线即可。设横截面内的列表点为 图纸上通常采用椭圆长轴半径6和径向缩减量△‘表示,即R。=b一觚,如图3—1所示 r0 图3—1横截面列表点曲线非圆零件型线的生成方法 用离散点表示的横截面椭圆.首先要进行曲线光滑拟合。曲线的拟合方法较多,如牛顿插值法、 拉格朝日插值法、样条插值法等a为了保证得到光滑连续的曲线,一般采用三次样条插值法来拟合 曲线,采用三次样条插值来拟合型值点,曲线过型值点,拟合误差为零……“。 陡曲线上任一点的极坐标为归,R(口)),且B一,0只,则曲线极径R(曰)可表示为 胛M“警一掣+浯一半博一半卜¨。Ⅲ 东南大学硕士学位论文 其中M:(i=1,2…3¨,)满足下列方程组: 卜一2蚰誓百6。㈠(Rm-.Ri一半)m。,’ 阻m=丢(半咄,] “2F氨 Al 2三rL+i+Ll』“2l一卢f; 由方程组3-2可以解得鸠,代入式3-1即可求得横截面椭圆曲线R(口)。 由列表点得到光滑连续的曲线后,就可以利用传统的非圆截面零件数控车削插补法来逼近椭圆 的型线。生成椭圆型线采用车削圆柱零件的特点,即用一段段微圆弧去逼近椭圆型线,称为椭圆曲 线的圆弧插补法。圆弧插补法有等精度、等角度、变精度和变角度圆弧插补几种方法。其中等精度、 等角度圆弧插补是基本的插补方法,变精度和变角度圆弧插补是以前两种插补方法为基础发展起来 的。下面重点介绍等精度和等角度圆弧插补的原理。 转角 图3—2等精度圆弧插补法原理图 如图3-2所示,是采用了等精度法插补“…,其横截面型线) 工件每转过一个很小的p角,便比较刀具在径向的实际位置和理论位置的差值△ 2) 当△l≥。【:时,则刀具向前进给一当量值。其中自是~预先规定的误差,一般等于一个 进给当量值。 3) 当△!≤一‘时,则刀具向后N--NN值。 4)返回第1步: 重复上述过程,便可完成360。角内的插补运算,获得所需的横截面型线。 由上述插补过程可知,在逼近椭圆型线的过程中,并不是每一步插补运算都产生进给运动,在 型线曲率变化快肘,产生进给运动的频率就高一些,而在型线盐率变化缓馒对,产生进给运动的频 率就相对低一些。相对于每一个微小的转角,半径的变化量不能超过一个进给当量,否则插补误差 东南大学硕士学位论文 就会超过规定的误差毛,所以为了减小插补误差,可以把主轴转角分的更细a 、\ 。血 b 一 一 图3—3等角度圆弧插补法原理图 等角度圆弧插补法是用一段段圆心角相同、半径不同的微圆弧去逼近椭圆曲线所示,插补过程如下: 1)从长轴开始,计算出相差△口角度的相邻两点之间的半径差△l,以半径为6一矣的圆弧去 逼近椭圆型线) 当工件相对刀具转过角度△口后,可以计算出下一对相邻两点之间的半径差△2,此时控制 刀具沿径向移动垒兽,再以半径为6一△。一拿的圆弧继续逼近椭吲型线) 以此类推,反复采用第2步的逼近方法,直到椭圆短轴处; 4) 从短轴到长轴采用同样的逼近方法,只是刀具由进改为退; 5)从180。一360。,重复第1步至第4步,从而加工出整个椭圆型线。 对应不同的圆弧段,等角度圆弧插补法的逼近误差为: 1 1 f=1,2,3,., (3—3) e。=寺△;=÷(6一a)sinAOsin(AO,+AO¨) 式中:△,为相邻两圆弧之间的半径差; a为椭圆的半短轴; b为椭圆的、F长轴; ,50为各段圆弧对应的圆心角; Ao,该圆弧起始点半径与椭圆半长轴之间的夹角。 由等角度圆弧插补法可知,在生成椭圆型线的过程中,有△p和A,(f=1,2—3.,n)两个控制量。 等角度圆弧逼近法各段圆弧的圆心角△护相同,但是,NNN圆弧N,其逼近误差是不同的,当 16 东南大学硕士学位论文 圆弧对应的圆心角AO的大小,可以改变各段的逼近误差。一般在长轴附近精度要求高,而远离长 轴精度越来越低。由于椭圆在长短轴附近径向缩减量变化梯度比45。附近要小,因而采用等角度圆 弧逼近法能够做到I垂轴附近的逼近精度高于45。附近,同时该方法也提高了短轴附近的逼近精度。 以上所论述的椭圆型线成型方法都可以推广到一般非圆型线.

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