【文章內(nèi)容簡介】 時對某些非整數(shù)的常數(shù)（如表 52中的 kgf等）取近似的有限位數(shù)，因此造成運(yùn)算誤差。在 V/F轉(zhuǎn)換時，存在按量化等級取整的誤差。在各種代數(shù)運(yùn)算時，也存在四舍五入的誤差。這些都是數(shù)學(xué)誤差。 環(huán)境誤差 環(huán)境誤差是指系統(tǒng)在工作過程中設(shè)備的誤差，在本系統(tǒng)中主要針對傳感器測頭的裝夾定位誤差。 在測量過程中，要 確定傳感器或測量裝置的測頭與被測工件的相對位置，稱為定位。定位一原則：對于幾何量測量來說，測量定位面應(yīng)當(dāng)與加工工藝定位面一致。 在測量時，選擇定位面違反定位統(tǒng)一原則，或由于定位元件的不完善，所造成的測量誤差稱為定位誤差。定位誤差的計(jì)算，一般來說，應(yīng)根據(jù)具體定位方式的幾何關(guān)系，分別具體計(jì)算。本系統(tǒng)采用三點(diǎn)定位，當(dāng)定位面發(fā)生傾斜時，會有圖 24的定位誤差。 圖 23 三點(diǎn)定位誤差 根據(jù)對誤差處理的方式不同，精密測量中的誤差補(bǔ)償技術(shù)可分為三種形式：即誤差分離技術(shù)、誤差修正技術(shù)和誤差抑制技術(shù)。 誤差分離技術(shù)（ Error separation Technique）是通過信息源變換或模型參數(shù)估計(jì)的方式，使有用信號分量與誤差分量相分離的一種測量技術(shù)。通過誤差分離技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)下述兩個目的：一是可以獲取修正量；二是通過對誤差分量 的排除，可直接獲取被測量信號。誤差分離技術(shù)有兩種類型：一種是基于信息源變換，另一種是基于模型參數(shù)估計(jì)。 誤差修正技術(shù)（ Error Correction Technique）是指以某種方式獲取修正量并從測量數(shù)據(jù)中消除誤差分量的一種誤差補(bǔ)償技術(shù)。誤差修正技術(shù)有兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 一個是修正量的獲取方式、一個是修正方式。從這兩個環(huán)節(jié)考慮，這一技術(shù)可大致劃分為二種類型：基于修正量預(yù)先獲取的誤差修正技術(shù)和基于實(shí)時測量的誤差修正技術(shù)。 誤差抑制技術(shù)是針對誤差的作用規(guī)律，在一般測量系統(tǒng)中預(yù)先加入隨誤差源變量的變化而自動 調(diào)控輸入或輸出，進(jìn)而使誤差抵消或消除的一種測量或儀器設(shè)計(jì)方法。誤差抑制技術(shù)通常可不必測取誤差值，只需在設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)之前掌握誤差作用規(guī)律，并依此確定自動調(diào)控方式。依據(jù)調(diào)控方式不同，抑制模型可大致分為二種：一種是直接抑制模型，一種是負(fù)反饋抑制模型。 第三章 外圓磨床在線檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng) 外圓磨床在線檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括（二相混合式）步進(jìn)電機(jī)、 D5V傳感器、歐姆龍 PLC系統(tǒng)、維綸通觸摸屏。我們采用 OMRON CP1HXA40DTD為控制器，同樣采用歐姆龍 D5VA3B1接觸式位移 傳感器采集工件外徑的變化。將砂輪架用于控制縱向進(jìn)給的手輪拆下，手輪軸一側(cè)安裝（二相混合式）步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對外圓磨床的閉環(huán)控制。本系統(tǒng)采用的是 WEINVIEW公司生產(chǎn)的MT506MV觸摸屏同在線監(jiān)測系統(tǒng)配合，組成良好的人機(jī)交換界面。系統(tǒng)要充分滿足實(shí)時性，要有穩(wěn)定清晰的結(jié)果顯示。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 磨削 加工在線測控系統(tǒng)是由測量裝置、控制裝置構(gòu)成的一套在線數(shù)字化測量系統(tǒng)，并通過驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對磨床磨削加工的閉環(huán)控制。系統(tǒng)使用工業(yè)觸摸屏，使整個系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互環(huán)境。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 31所示。 圖 31 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 當(dāng)工件被裝夾在機(jī)床上后，氣缸將測量裝置送入測量工位，測量裝置始終測 量著工件的直徑，測量信號經(jīng)過控制系統(tǒng)處理后，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制砂輪架的進(jìn)給運(yùn)動。當(dāng)工件達(dá)到所需尺寸時，發(fā)出停機(jī)信號，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，砂輪架退回，停止加工，氣 缸帶動測量裝置退出測量工位，完成加工。這種情況下，只有工件達(dá)到所需尺寸時才停止加工，砂輪磨損、砂輪架及頂針架因切削力和溫度變化引起的變形等因素都不會影響加工精度。 測量信號首先通過傳感器專用模擬信號調(diào)理電路， 輸出 4~20mA電流，經(jīng) PLC內(nèi)置 AD轉(zhuǎn)換后為 0~120xx數(shù)字量，再經(jīng)過變換 可得測量值。而數(shù)據(jù)通信模塊則負(fù)責(zé)將分析后的數(shù)據(jù)發(fā)送給觸摸屏。如圖 32所示。 圖 32 數(shù)據(jù)流程圖 測量裝置 測量裝置采用接觸式三點(diǎn)測量法，傳感器選用接觸式位移傳感器 D5V 型。測量裝置簡圖如圖 33 所示。整個測量裝置固結(jié)在機(jī)床工作臺上，測量裝置在水平方向上利用氣缸驅(qū)動，能夠精確定位。傳感器密封在金屬殼內(nèi)，一來可以屏蔽電磁干擾，二來可以抵御磨削液對傳感器的影響，如圖 3 35 所示。測力彈簧用來保證測量頭與工件可靠地接觸，測量頭隨著測量杠桿，以片簧 為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動，D5V 傳感器可測量出工件尺寸的變化，只要被測工件達(dá)到預(yù)定位置時，控制裝置就發(fā)出相應(yīng)的信號。測量裝置由氣缸帶動，進(jìn)出測位方便，易實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工自動化。在對工件進(jìn)行測量與加工之前，先要調(diào)整測頭使其與主軸中心線在同一水平面，確保測量頭與工件最大軸徑相接觸。 圖 33 測量裝置簡化圖 圖 34 測量裝置與氣缸 圖 35 測量裝置工作狀態(tài) 步進(jìn)電機(jī)的介紹 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器選型 本設(shè)計(jì)選用百格拉公司的二相混合式步進(jìn)電機(jī)。該公司將交流伺服控制原理應(yīng)用到二相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，輸入的 220VAC 經(jīng)整流后變?yōu)?325VDC，再經(jīng)脈寬調(diào)制變?yōu)槿?325V 階梯式正弦波形電流，它們按固定時序分別流過三路繞組，其每個階梯對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動一步。通過改變驅(qū)動器輸出正弦電流的頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，而 每轉(zhuǎn)輸出的階梯數(shù)確定了每步轉(zhuǎn)過的角度。二相混合式步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)如下： 采用特殊的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的材質(zhì)和先進(jìn)的制造工藝。 采用特殊機(jī)械加工工藝，電機(jī)定轉(zhuǎn)子間氣隙僅為 50μ m。 電機(jī)轉(zhuǎn)子定子直徑比提高到 59%，大大提高了電機(jī)的工作扭矩。 磁極數(shù)多于五相步進(jìn)電機(jī)，平穩(wěn)性和定位精度遠(yuǎn)高于五相混合式步進(jìn)電機(jī)。 采用交流伺服控制原理。 具有交流伺服電機(jī)運(yùn)行特性。 幾乎無共振區(qū)、無爬行、無噪音。 二相 325V（ D921 驅(qū)動器除外）高壓驅(qū)動，大大提高了高速扭矩。 可按兩相和五相電機(jī)的步數(shù)工作，可取代兩相 和五相電機(jī)。 電機(jī)的扭矩與電機(jī)步數(shù)無關(guān)。 由于本設(shè)計(jì)中電機(jī)只需帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)從而帶動傳感器移動，而傳感器的質(zhì)量較小，所以所需電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量不大。因此，本設(shè)計(jì)中采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)。 選用 ST213H 驅(qū)動器來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)， 由于 PLC 只有兩個高速脈沖輸出，且電壓有限，無法直接與步進(jìn)電機(jī)相連。所以應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器帶動步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)中選用百格拉公司 ST213H 型步進(jìn)驅(qū)動器。其主要特點(diǎn)如下： 交流伺服工作原理，交流伺服運(yùn)行特性，三相正弦電流驅(qū)動輸出。 只要環(huán)境溫度不超過 55℃，驅(qū)動器就可以正常工作。 電路板采取三防處理，有過熱、過欠壓、過流及電機(jī)相間短路保護(hù)功能。 驅(qū)動器的輸入電源是 220VAC，變化范圍是： 30%~+20%。 電機(jī)和驅(qū)動器間僅用 3 根線，同交流異步電機(jī)一樣，減少連線出錯的可能性。 幾乎無共振和爬行，輸出相電流可設(shè)置，帶有十細(xì)分和半流功能特性，噪聲幾乎與交流伺服電機(jī)一樣。 比同樣尺寸的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)所產(chǎn)生的功率大 20%左右。 電機(jī)的扭矩與它的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)無關(guān)。 電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)可依用戶要求分別設(shè)定為 500、 1000、 5000、 10000 步 /轉(zhuǎn)。 由于驅(qū)動器采 用了正弦電流驅(qū)動，使電機(jī)的空載啟動頻率高達(dá) 至。 電機(jī)上下電時，輸出軸位置不變，給工作帶來很大方便。 控制電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收到控制器發(fā)出的脈沖，來控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速率與方向，實(shí)現(xiàn)砂輪架的進(jìn)給與退出；同時，通過驅(qū)動器控制電路也實(shí)現(xiàn)對氣缸的操作，控制測量裝置進(jìn)出測量工位。 接觸式位移傳感器 D5V的介紹 主機(jī) MT506MV 觸摸屏的介紹 普通外圓磨床在線測控系統(tǒng)（以下簡稱為系統(tǒng)）使用 WEINVIEW公司生產(chǎn)的工業(yè)觸摸屏 MT506MV型 ，工作電壓為直流 +24V，其通信接口及電源接線端如圖 34所示。 圖 38 觸摸屏通信接口 對比度 指撥開關(guān) 復(fù)位按鈕 與 PC連接 與 PLC（ COM1）連接 電源接線端 DC24V 從機(jī) CP1H XA40DTD 歐姆龍 PLC 的介紹 11 處理速度：基本指令 ；特殊指令 12 I/O容量： 最多 7個擴(kuò)展單元，開關(guān)量最大 320點(diǎn)，模擬量最大 37路 13 程序容量： 20K步 14 數(shù)據(jù)容量： 32K字 15 機(jī)型類別：本體 40點(diǎn)， 24點(diǎn)輸入， 16點(diǎn)輸出 ，繼電器輸出或晶體管輸出可選 21 4軸脈沖輸出： 100kHz2 和 30 kHz2 （ X型和 XA型），最大 1MHz（ Y型） 22 4軸高速計(jì)數(shù)：單向 100kHz或相位差 50 kHz4 （ X型和 XA型），最大 1MHz（ Y型） 23 內(nèi)置模擬量： 4輸入， 2輸出（ XA型） 31 通信接口：最大 2個串行通信口（ RS232A或 RS422/485任選） 本體附帶一個 USB編程端口 32 通信功能：上位鏈接、無協(xié)議通信、 NT鏈接（ 1： N）、串行網(wǎng)關(guān)功能、串行 PLC鏈 接功能、 ModbusRTU簡易主站 41 模擬量輸入手動設(shè)定 42 2位 7段碼發(fā)光二極管顯示故障信息 43 支持歐姆龍中型機(jī) CJ1系列高功能模塊（最大 2塊） 44 支持 FB/ST編程，可以利用歐姆龍的 Smart FB庫，與 CJ1/CS1系列程序統(tǒng)一，可以互換。 第四章 外圓磨床在線檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 開發(fā)工具 普通外圓磨床在線測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用 Linux開發(fā)，用 PLC編程。在 Linux的操作平臺上用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件 PLC 的所有功能，具有邏輯運(yùn)算 、算術(shù)運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)處理、傳送等功能。為了提高系統(tǒng)復(fù)用性、可維護(hù)性，通過對系統(tǒng)的需求分析，將開發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩部分，即編輯子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和編譯子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 PLC 編程語言有五種，其中，梯形圖語言與電氣控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，是最簡單、最常用的編程語言，適用于順序邏輯控制、離散量控制、定時和技術(shù)控制等操作。因此，本系統(tǒng)采用梯形圖編程語言作為用戶程序的開發(fā)語言。 系統(tǒng)架構(gòu) 程序框架包括主程序、數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)分析模塊，通信模塊等。各模塊以子程序形式出現(xiàn)，主程 序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)初始化和子程序的調(diào)用，然后啟動事件處理循環(huán)。程序流程圖詳見圖 41 所示。 測量控制 將濾波后的采樣值與設(shè)定的粗磨、精磨、光磨、到尺寸值進(jìn)行比較，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，通過脈沖輸出控制信號控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，調(diào)節(jié)砂輪架的進(jìn)給量和進(jìn)給速度，從而達(dá)到控制工件尺寸的目的。本課題使用 3 個信號控制磨削過程（如圖 41 所示）， P P P3 分別為粗磨切換精磨信號點(diǎn)、精磨切換光磨信號點(diǎn)和到尺寸信號點(diǎn)。砂輪在開始階段快速進(jìn)入粗磨階段，當(dāng)采樣值達(dá)到切換點(diǎn) P1 后進(jìn)入精磨，達(dá)到 P2 點(diǎn)后從精磨進(jìn)給向無 火花磨削進(jìn)給切換，最后達(dá)到設(shè)定工件尺寸信號點(diǎn) P3，然后延時一段時間后，砂輪架退出工位，完成一個工件的磨削過程 。 圖 41 磨削加工信號切換點(diǎn) 在對工件進(jìn)行磨削加工前，首先通過觸摸屏參數(shù)設(shè)定界面對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括工件軸徑、修正系數(shù)、砂輪架進(jìn)給頻率 等。輸入目標(biāo)工件軸徑值后，系統(tǒng)會根據(jù)不同的直徑范圍調(diào)用不同的磨削余量，用來確定磨削加工的信號切換點(diǎn)。修正系統(tǒng)為 K（傳感器鐵芯位移與被測工件位移的傳動比，此系統(tǒng)中為 4），取值由測量裝置杠桿確定。由于本課題采用緩進(jìn)給磨削工藝，因此砂輪架縱向進(jìn)給速度范圍在 5~300mm/min，由公式 f=1000v/60δ，可知砂輪架進(jìn)給頻率范圍在100Hz~5000Hz。一般在加工同一批次工件時，相關(guān)參數(shù)只需設(shè)置一次，不用每次磨削前重復(fù)設(shè)定和更改。 然后將一個已經(jīng)磨削合格的工件裝夾在磨床上，通過觸摸屏手動控制界面，打開氣缸將測 量裝置送入測量工位，并把此時傳感器所測得值 D0 設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)值，作為以后加工工件的參考值，完成標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定。關(guān)閉氣缸，測量裝置退出測量工位，觸摸屏切換到自動運(yùn)行界面。將作為標(biāo)準(zhǔn)值的工件換下，裝夾待磨削工件，準(zhǔn)備開始在線測控工件磨削。圖 42 為測控系統(tǒng)磨削加工過程的程序流程圖。 圖 42 磨削加工過程程序流程圖 人機(jī)接口通信 MODBUS 通信協(xié)議 MODBUS 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過 MODBUS 協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò) (如以太網(wǎng) )和其它設(shè)備之間的通信得以實(shí)現(xiàn)。 MODBUS 通信協(xié)議采用主從式，主機(jī)發(fā)送請求 ——從機(jī)做相應(yīng)動作，主機(jī)等待狀態(tài)。主機(jī)發(fā)送完查詢消息后就處于等待狀態(tài)，即不斷檢測是否接收到