【正文】 機(jī)械產(chǎn)品中 ,回轉(zhuǎn)體零件是一種重要的基本零件 。 圓柱度誤差的研究是在圓度誤差研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 .它直接影響配 合表面的配合性質(zhì) ,回轉(zhuǎn)表面的定位精度 ,進(jìn)而影響整個(gè)機(jī)器的回轉(zhuǎn)精度、旋轉(zhuǎn)件的振動(dòng)、噪聲、潤滑、液壓與氣壓件的密封及零件的使用壽命 . 生產(chǎn)中應(yīng)十分重視合理地控制這些圓柱形零件的圓柱度誤差 . 圓柱度誤差的測(cè)量比圓度誤差的測(cè)量要復(fù)雜一些 . 圓柱度誤差的測(cè)量是通過運(yùn)用合適的數(shù)學(xué)模型從多個(gè)工件截面測(cè)量的數(shù)據(jù)綜合考慮 ,最后得出工件的圓柱度誤差值 . 所謂在線測(cè)量就是為了達(dá)到要求的精度在機(jī)床上甚至在加工過程中進(jìn)行的測(cè)量 , 前者也叫做在位測(cè)量。同時(shí)也可以減少一些輔助時(shí)間 , 達(dá)到提高生產(chǎn)率的目的。所以有必要設(shè)計(jì)一種適用于磨床的大回轉(zhuǎn)體直徑在線測(cè)量系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)在零件加工過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控。一旦報(bào)廢 ,經(jīng)濟(jì)損失巨大。大直徑 (如汽輪機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子 ,大型船舶或艦艇的地軸等 )工件的加工周期長(zhǎng) ,工藝復(fù)雜 ,毛胚鍛件目前尚需進(jìn)口。在此，對(duì)殷老師致以真誠的謝意！ 感謝同學(xué)，是他們使我生活在一個(gè)朝氣蓬勃、團(tuán)結(jié)奮進(jìn)、學(xué)術(shù)氛圍濃厚的大家庭中，給我留下了難忘的四年生活記憶。從論文的選題，到具體問題的研究，到論文撰寫，修改的全過程，殷老師給了我很多的指導(dǎo)和無私的幫助。由于時(shí)間有限，系統(tǒng)還有一些值得改進(jìn)和完善的地方，比如： （ 1）目前的軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)室里仿真機(jī)電路來設(shè)計(jì)和調(diào)試，沒有在實(shí)際的磨削環(huán)境中應(yīng)用，有待在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步改善； （ 2）現(xiàn)在的系統(tǒng)是獨(dú)立的機(jī)電系統(tǒng)，沒有和上位機(jī)進(jìn)行通訊，因此沒有建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析； （ 3）本系統(tǒng)針對(duì)的是普通外圓磨床，主要是軸類零件檢測(cè)的研究，以后可以進(jìn)行擴(kuò)展，應(yīng)用到其他表面工件的在線檢測(cè)。 （ 5）體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)，使用方便，性能價(jià)格比高； （ 6）穩(wěn)定可靠、顯示清晰。該系統(tǒng)實(shí)例硬件圖在說明書所示。 第五章 總結(jié) 本課題主要研究了外圓磨床在線檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。相較于測(cè)控模式，數(shù)控模式下砂輪磨損對(duì)加工工件精度影響較大，因此每加工一定量工件后，需對(duì)砂輪架進(jìn)行補(bǔ)償。觸摸屏切換到參數(shù)設(shè)定一界面 ，按下 ，將此時(shí)測(cè)量裝置所測(cè)的值設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)值； 1 標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定完成后，停止主軸并換上新的待加工工件。 操作說明 當(dāng)加工一批工件時(shí)，可按以下步驟進(jìn)行操作： 裝夾工件； 系統(tǒng)上電，對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定； 觸摸屏切換到手動(dòng)界面，開啟 ， 按下 ，使砂輪架快速進(jìn) 給，當(dāng)砂輪接近工件時(shí)松開按鍵，按下 ，使砂輪慢速進(jìn)給，當(dāng)砂輪與工件接觸并出現(xiàn)火花時(shí)松開按鍵 ； 在觸摸屏右側(cè)退出位移量?jī)?nèi)輸入退出位移，假設(shè) 1000μ m，按下； 停止主軸，取下工件進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算與預(yù)期尺寸的差值； 再次裝夾工件，觸摸屏切換到數(shù)控運(yùn)行界面，在 中輸入數(shù)值 1000+差值 ， 中輸入 1000，按下 ； 在數(shù)控模式下，對(duì)工件進(jìn)行磨削加工。 “手動(dòng)進(jìn)給脈沖頻率”：手動(dòng)運(yùn)行界面中用來精確調(diào)整砂輪架位置的“進(jìn)給”，其運(yùn)行時(shí)步進(jìn)電機(jī)頻率通過此處設(shè)定，同時(shí)數(shù)控運(yùn)行界面中的“砂輪架補(bǔ)償”所對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)輸出頻率也在此設(shè)定。 “標(biāo)準(zhǔn)軸直徑”（ D116）：將用于加工后合格工件的直徑輸入此方框。 “徑向跳 動(dòng)公差”（ D180）：測(cè)控模式下，光磨結(jié)束后，測(cè)量裝置對(duì)工件進(jìn)行連續(xù)采樣，取最終 10 個(gè)程序運(yùn)行周期內(nèi)的采樣值，將采樣值轉(zhuǎn)換為修正值后，將這 10 個(gè)值中最大值和最小值相減，其差值與徑向跳動(dòng)公差相比較，若差值小于公差值則認(rèn)為工件合格，反之則認(rèn)為不合格?！皹?biāo)準(zhǔn)值設(shè)定μ m”用來設(shè)定參考脈沖頻率 目標(biāo)頻率 啟動(dòng)頻率 啟動(dòng)時(shí)間 加速 等速 減速 標(biāo)準(zhǔn)值。 參數(shù)設(shè)定一 圖 411 參數(shù)設(shè)定一 參數(shù)設(shè)定一界面中，藍(lán)色方框?yàn)閿?shù)值輸入框，均可對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值設(shè)定；白色方框?yàn)閿?shù)值顯示框。 圖 410 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給速度示意圖 第二階段，延時(shí)、退出階段。以D146~D147 所設(shè)定的啟動(dòng)頻率，來開始脈沖輸出。 第一階段，變速進(jìn)給階段?！吧拜喖苎a(bǔ)償”用來精確調(diào)整砂輪架。 界面左側(cè)上方“輸出量 (μ m)”黃色方框用于設(shè)定砂輪架進(jìn)給位移量和退出位移量。延時(shí) t3 后，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，使砂輪架退出，停止主軸旋轉(zhuǎn)，氣缸帶動(dòng)測(cè)量裝置退出測(cè)量工位，完成一個(gè)工件加工過程。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給一定脈沖量后，再求差值，并循環(huán)上述步驟，直到差值小于光磨余量時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止進(jìn)行光磨； 在第二階段，進(jìn)給速度分為兩檔，當(dāng)差值大于精磨余量時(shí)（如圖 48 中差值1），進(jìn)給頻率設(shè)定可以大一些（在參數(shù)設(shè)定二中設(shè)定）；當(dāng)差值小于精磨余量，并大于光磨余量時(shí)（如圖 48 中差值 2），進(jìn)給頻率設(shè)定可以小一些。當(dāng)?shù)谝浑A段結(jié)束后，測(cè)量裝置已進(jìn)入測(cè)量工位。 第一階段：快速進(jìn)給。見 PLC 程序條 67~70。 徑向跳動(dòng)指示燈是用來判斷工件被加工后是否滿足要求。 界面右側(cè)為徑向跳動(dòng)誤差及其指示燈。如下 PLC 程序條 71。當(dāng)測(cè)量值 報(bào)警上限或者測(cè)量值 報(bào)警下限，棒圖顯示綠色，當(dāng)報(bào)警上限 測(cè)量值 報(bào)警下限，棒圖為紅色。 “實(shí)時(shí)直徑 mm”下方棒圖，可動(dòng)態(tài)顯示磨削余量。在 PLC 程序中所對(duì)應(yīng)的是 PRV指令中 D10 第 4 位，如下 PLC 程序條 11。 表 41 為手動(dòng)運(yùn)行界面與 PLC 程序相對(duì)應(yīng)的 I/O 與數(shù)據(jù)寄存器分配表。 界面右側(cè)用來精調(diào)步進(jìn)電機(jī)， PLC 程序中使用 SPED+PULS 指令，采用獨(dú)立模式（定位）。 “實(shí)時(shí)直徑 mm”顯示被加工工件直徑，其計(jì)算公式為： 實(shí)時(shí)直徑 =標(biāo)準(zhǔn)軸直徑 +2（修正值 標(biāo)定值） 標(biāo)準(zhǔn)軸直徑和標(biāo)定值在參數(shù)設(shè)定一中設(shè)定。由于測(cè)量裝置采用杠桿對(duì)測(cè)量值進(jìn)行放大，因此測(cè)量值除以修正系數(shù)便是修正值，修正系數(shù)可在參數(shù)設(shè)定一中設(shè)置，該值大小由杠桿放大倍數(shù)決定。 “傳感器μ m”顯示傳感器位移。 圖 44 系統(tǒng)操作界面 手 動(dòng) 運(yùn) 行 開 機(jī) 界 面 測(cè) 控 運(yùn) 行 測(cè) 控 運(yùn) 行 參 數(shù) 設(shè) 定 一 參 數(shù) 設(shè) 定 二 開機(jī)界面 圖 45 開機(jī)界面 當(dāng)系統(tǒng)上電后，觸摸屏顯示如圖 45 界面，屏幕右側(cè)為導(dǎo)航鍵，通過 可以打開與關(guān)閉，導(dǎo)航鍵功能為可以快速切換到其他界面。 圖 43 觸摸屏系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 系統(tǒng)操作界面分為開機(jī)界面，手動(dòng)運(yùn)行界面，測(cè)控運(yùn)行界面，數(shù)控運(yùn)行界面，參數(shù)設(shè)定一界面，參數(shù)設(shè)定二界面共五個(gè)界面，如圖 44 所示。觸摸屏系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中 PLC 類型設(shè) 置為MODBUS RTU，通信口類型為 RS232，波特率 9600，數(shù)據(jù)位 8 位，停止位 1位，無校驗(yàn)。 EB500 提供了齊全的觸摸界面設(shè)計(jì)功能，包含了基本圖形設(shè)計(jì)、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)圖顯示、報(bào)警控件等功能。 觸摸屏的界面設(shè)計(jì)根據(jù)磨削工藝方案和磨削狀態(tài)調(diào)整等因素來設(shè)計(jì)。觸摸屏通過串行通信接口按照 MODBUS 協(xié)議規(guī)定的詢問報(bào)文格式向從機(jī)發(fā)出操作命令等，從機(jī)接收到消息后對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析、執(zhí)行和回應(yīng)。根據(jù) CRC校驗(yàn)碼，可以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。本系統(tǒng)中從機(jī)地址設(shè)為 1；功能代碼域包含一個(gè)字節(jié)， 當(dāng)主機(jī)往從機(jī)發(fā)送消息時(shí)，從機(jī)將根據(jù)功能碼域執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，本系統(tǒng)用到的功能碼含義如表 所示；數(shù)據(jù)區(qū)包含需要從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作，或由從機(jī)采集的返送信息，這些信息可以是實(shí)際數(shù)值、設(shè)置點(diǎn)，也可以是主機(jī)發(fā)送給從機(jī)或從機(jī)發(fā)送給主機(jī)的地址； CRC 校驗(yàn)域包含 16bit 值，其內(nèi)容是通過對(duì)消息內(nèi) 容進(jìn)行循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè)方法得出的。 MODBUS RTU 數(shù)據(jù)幀包含起始位、 設(shè)備地址域、功能代碼 域、數(shù)據(jù)域、 CRC校驗(yàn)域和結(jié)束位。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(cè)是否接收到MODBUS 消息。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)。圖 42 為測(cè)控系統(tǒng)磨削加工過程的程序流程圖。關(guān)閉氣缸，測(cè)量裝置退出測(cè)量工位，觸摸屏切換到自動(dòng)運(yùn)行界面。一般在加工同一批次工件時(shí)，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。修正系統(tǒng)為 K（傳感器鐵芯位移與被測(cè)工件位移的傳動(dòng)比，此系統(tǒng)中為 4），取值由測(cè)量裝置杠桿確定。 圖 41 磨削加工信號(hào)切換點(diǎn) 在對(duì)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(duì)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。本課題使用 3 個(gè)信號(hào)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(hào)點(diǎn)、精磨切換光磨信號(hào)點(diǎn)和到尺寸信號(hào)點(diǎn)。程序流程圖詳見圖 41 所示。 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。 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(jiǎn)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(shí)和技術(shù)控制等操作。在 Linux的操作平臺(tái)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(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)處理、傳送等功能。 圖 38 觸摸屏通信接口 對(duì)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(gè)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)：?jiǎn)蜗?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(gè)串行通信口（ RS232A或 RS422/485任選） 本體附帶一個(gè) 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(jiǎn)易主站 41 模擬量輸入手動(dòng)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。 控制電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)，通過驅(qū)動(dòng)器控制電路也實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸的操作，控制測(cè)量裝置進(jìn)出測(cè)量工位。 其主要特點(diǎn)如下： 所以應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。因此，本設(shè)計(jì)中采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的扭矩與電機(jī)步數(shù)無關(guān)?？砂磧上嗪臀逑嚯姍C(jī)的步數(shù)工作，可取代兩相 和五相電機(jī)。二相 325V（ D921 驅(qū)動(dòng)器除外）高壓驅(qū)動(dòng)，大大提高了高速扭矩。幾乎無共振區(qū)、無爬行、無噪音。具有交流伺服電機(jī)運(yùn)行特性。采用交流伺服控制原理。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)。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。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。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。通過改變驅(qū)動(dòng)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。 圖 33 測(cè)量裝置簡(jiǎn)化圖 圖 34 測(cè)量裝置與氣缸 圖 35 測(cè)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(dòng)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)。測(cè)量裝置由氣缸帶動(dòng)，進(jìn)出測(cè)位方便，易實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工自動(dòng)化。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(duì)傳感器的影響，如圖 3 35 所示。測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖如圖 33 所示。如圖 32所示。 測(cè)量信號(hào)首先通過傳感器專用模擬信號(hào)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(cè)量值。當(dāng)工件達(dá)到所需尺寸時(shí)，發(fā)出停機(jī)信號(hào)，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，砂輪架退回，停止加工，氣 缸帶動(dòng)測(cè)量裝置退出測(cè)量工位，完成加工。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 31所示。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 磨削 加工在線測(cè)控系統(tǒng)是由測(cè)量裝置、控制裝置構(gòu)成的一套在線數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，并通過驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨床磨削加工的閉環(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(cè)系統(tǒng)配合，組成良好的人機(jī)交換界面。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