董小杏

?

M2110型內(nèi)圓磨床控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

董小杏

(成都師范學(xué)院 汽車工程系 成都 611130)

針對(duì)M2110型內(nèi)圓磨床在磨削時(shí)的非線性因素對(duì)工件尺寸的影響，介紹了基于51單片機(jī)的控制系統(tǒng)，提出了“控制型”磨削的優(yōu)化加工方法。采用程序控制抗干擾能力強(qiáng)，可以有效地抑制加工過程對(duì)精度的影響。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)合理、硬件線路簡單及設(shè)定靈活，使現(xiàn)場系統(tǒng)具有更為可靠、性價(jià)比更高以及維護(hù)便捷等特點(diǎn)。

內(nèi)圓磨床 非線性因素 優(yōu)化加工

磨削是內(nèi)孔加工行業(yè)重要的一道工序，它對(duì)加工精度、光潔度和一致性的要求都非常高。相對(duì)于其他機(jī)械加工方式而言，由于磨削加工工藝的復(fù)雜性，影響加工精度的因素多而且復(fù)雜，除了機(jī)床的靜態(tài)精度以外，還有砂輪磨損、磨削力、工藝系統(tǒng)彈性變形和工件初始余量的分散誤差等，這些因素使得工件的尺寸精度和一致性呈現(xiàn)出不確定性[1]。M2110型內(nèi)圓磨床為卡盤式普通內(nèi)圓磨床，用于對(duì)各種圓柱形或圓錐形內(nèi)孔的磨削。因其加工精度比較高而被廣泛應(yīng)用，對(duì)加工精度的控制一般是靠人工操作或者是模擬式儀器。為了減小加工誤差，一般都是通過補(bǔ)償來進(jìn)行修正的，但是要準(zhǔn)確地描述補(bǔ)償變化規(guī)律是很困難、甚至是不可能的[2]。因此，通過改善機(jī)床的控制系統(tǒng)、優(yōu)化加工方法來保證加工質(zhì)量，提高加工效率。

1 M2110型內(nèi)圓磨床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，系統(tǒng)主要由機(jī)械部分、測量部分、信號(hào)處理部分、控制部分和驅(qū)動(dòng)部分組成。由傳感器獲得工件內(nèi)孔信號(hào)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換傳送至單片機(jī)系統(tǒng)處理，進(jìn)行濾波和非線性補(bǔ)償，控制電路整合信息，反饋到驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)而由電動(dòng)機(jī)控制機(jī)床進(jìn)給。

圖1 M2110型內(nèi)圓磨床控制系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

磨床控制系統(tǒng)是由單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤顯示、工件尺寸的動(dòng)態(tài)測量、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、開關(guān)量輸入輸出控制和電源系統(tǒng)組成，具有砂輪架進(jìn)給驅(qū)動(dòng)、工件尺寸測量、開關(guān)量控制和通訊等功能。圖2為其硬件電路連接框圖。

2.1 數(shù)據(jù)測量和信號(hào)處理

測量處理系統(tǒng)由電感測微傳感器、檢測電路和處理器等組成。ICL8038產(chǎn)生20 kHz的正弦信號(hào)，經(jīng)穩(wěn)幅和功率放大電路后，作為激勵(lì)信號(hào)施加在標(biāo)準(zhǔn)電感L標(biāo)和測頭電感L測上。當(dāng)工件尺寸變化時(shí)，通過測頭中的一套杠桿系統(tǒng)作用在磁芯上，使磁芯空氣間隙改變，將尺寸的微小變化轉(zhuǎn)換為傳感器內(nèi)線圈的電感量的變化，最終引起電流變化。這個(gè)變化經(jīng)變壓器的耦合作用，使得在次級(jí)繞組電壓信號(hào)的幅度發(fā)生變化。由檢波電路變換為直流電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)給控制器。采用雙路檢波電路可以靈敏的檢出變化信號(hào)，還可以抵消共模干擾所造成的誤差[3]。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用89S52單片機(jī)，其包含64 kB Flash和1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。通過選擇X2方式可在相同時(shí)鐘頻率下獲得2倍的吞吐量，其指令集在執(zhí)行和時(shí)序上同80C51指令集完全兼容，具有在應(yīng)用中編程(IAP)功能，為程序和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程下載更新提供了基礎(chǔ)[4]。由于在軸承行業(yè)中，磨床加工產(chǎn)品比較單一，因此將自動(dòng)加工程序、手動(dòng)、監(jiān)控及低層驅(qū)動(dòng)程序均存放在P89V51RD2內(nèi)部64 kB Flash中。此板上還擴(kuò)展了顯示和鍵盤接口以及RS485、WDT和掉電檢測電路。

2.3 電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制

通過CPU發(fā)出指令脈沖，當(dāng)檢測到的位置反饋信號(hào)與指令脈沖經(jīng)過比較后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)砂輪的進(jìn)給。指令脈沖與位置反饋信號(hào)存在偏差，當(dāng)指令值與位置檢測的信號(hào)相等時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，砂輪停止進(jìn)給。

3 優(yōu)化補(bǔ)償

控制型磨削加補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ窃谘a(bǔ)償上加以處理，采用“因材施磨”的控制型加工技術(shù)，使磨削加工按照已優(yōu)化的工藝曲線進(jìn)行，從而減少了因加工過程不合理對(duì)尺寸精度的影響。在計(jì)算機(jī)中保存有因砂輪半徑、工件余量等主要影響因素不同而設(shè)計(jì)的多條進(jìn)給加工工藝曲線。實(shí)際加工曲線是在已有知識(shí)庫中的加工曲線基礎(chǔ)上經(jīng)過計(jì)算得出的[5]。

以砂輪半徑為影響因素加以分析介紹不同半徑的加工工藝曲線，見圖3。

隨著減小，磨削面積減小，磨削進(jìn)給速度減小。圖3以加工砂輪半徑等距地給出了5條曲線，它表明曲線與之間是非線性的。通過以下步驟計(jì)算某一半徑的實(shí)際工藝曲線：

(1)在橫軸選取離散的個(gè)點(diǎn)，每個(gè)分別對(duì)應(yīng)5條曲線上的5個(gè)點(diǎn)。

(2)使用最小二乘法對(duì)這5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，個(gè)點(diǎn)有個(gè)擬合多項(xiàng)式。

(3)個(gè)擬合多項(xiàng)式的系數(shù)可以用矩陣A來表示，即有：

其中，1～n對(duì)應(yīng)的砂輪半徑為1～n,即將工件的待磨削尺寸分成了段，第段的加工進(jìn)給速度為i。通過上述計(jì)算后，就得到了特定條件下的分段離散加工工藝曲線。

開始加工時(shí)，控制器將當(dāng)前砂輪半徑和被加工工件的尺寸發(fā)送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)此值計(jì)算出實(shí)際的工藝數(shù)據(jù)并發(fā)送給控制器，將按照對(duì)應(yīng)加工曲線進(jìn)行進(jìn)給控制。由于多個(gè)磨床使用同樣的加工曲線，從而有利于保證了加工的一致性。

由于影響磨削精度的因素復(fù)雜而無法使用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型予以補(bǔ)償，為此采用了免疫優(yōu)化補(bǔ)償和國外采用的定期等值補(bǔ)償相結(jié)合的方法，一方面，將針對(duì)砂輪變化的有規(guī)律線性補(bǔ)償從整個(gè)補(bǔ)償中“解耦”出來，把砂輪半徑與補(bǔ)償量的對(duì)應(yīng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以文件形式保存在硬盤上；另一方面，將磨床機(jī)械特性等非線性因素而造成的誤差，采用免疫算法進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償。

具體方法是，為磨床設(shè)計(jì)加工補(bǔ)償記憶數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫采用先進(jìn)先出(FIFO)的方式，動(dòng)態(tài)記錄了個(gè)工件的加工補(bǔ)償歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表中包括工件毛坯尺寸、砂輪尺寸、實(shí)際工件加工后尺寸、補(bǔ)償量、補(bǔ)償親和度、補(bǔ)償量濃度調(diào)節(jié)因子和補(bǔ)償方向標(biāo)志字段。親和度代表通過補(bǔ)償后的實(shí)際的作用效果，如果補(bǔ)償后的實(shí)際尺寸在公差范圍內(nèi)，則親和度為最大值1；否則通過實(shí)際尺寸、補(bǔ)償尺寸和濃度調(diào)節(jié)因子等數(shù)據(jù)換算成親和度值(0＜親和度＜1)。補(bǔ)償量濃度調(diào)節(jié)因子是通過控制單位補(bǔ)償量的個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)補(bǔ)償量的大小。為了避免偶然因素對(duì)控制算法的影響，采用了從前個(gè)數(shù)據(jù)中提取前m個(gè)親和度高的記憶數(shù)據(jù)作為抗體群，待加工的工件作為抗原，在抗體群中搜索與抗原個(gè)體特性相近的記錄數(shù)據(jù)。如果搜索到了相近特性的抗體，則將該記錄的親和度占權(quán)重系數(shù)為(>0.7),其余m-1個(gè)親和度的平均值占權(quán)重系數(shù)為(1-)，計(jì)算出預(yù)期的親和度；如果未搜索到，則用m個(gè)親和度的平均值作為預(yù)期的親和度，然后根據(jù)上一工件的尺寸誤差值和預(yù)期的親和度，得到了本次的濃度調(diào)節(jié)因子及免疫補(bǔ)償量。

此外，為有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性以避免出現(xiàn)免疫失調(diào)，采取了對(duì)濃度因子進(jìn)行了限幅處理。上述算法處理都是在服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)的，由線性補(bǔ)償量和免疫補(bǔ)償量兩部分組成的最終補(bǔ)償量被發(fā)送給控制器并在加工時(shí)將此補(bǔ)償量疊加到進(jìn)給數(shù)據(jù)中。

4 結(jié)語

在加工量大、精度要求高的軸承行業(yè)，采用新型磨床控制系統(tǒng)，可以更有效地利用資源，從而簡化控制器的配置，使經(jīng)濟(jì)型控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為合理。對(duì)提高零件加工質(zhì)量、性價(jià)比、可靠性和生產(chǎn)科學(xué)化管理等多方面有著顯著的積極作用，因此在軸承加工領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

[1] 楊佐.內(nèi)圓磨床高速磨削改進(jìn)中技術(shù)問題的分析[J].磨床與磨削,2000(2):51-53.

[2] 林祥霖.國內(nèi)外內(nèi)圓磨床技術(shù)水平及發(fā)展動(dòng)向[J].工藝與裝備,2005(3):30-35.

[3] 賀向陽,王建華,蔣新力.進(jìn)口內(nèi)圓磨床控制系統(tǒng)的改造[J].軸承,2001(6):16-20.

[4] 余錫存.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2000:74-153.

[5] 徐少紅.高速磨削加工工藝及應(yīng)用[J].工藝裝備，2007(3):20-23.