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1、摘要摘 要本文主要介绍了普通外圆磨床横向磨削进给系统的数字化改造。利用单片机对步进电机的控制,控制磨床横向磨削的进给,使磨床的磨削加工达到自动化控制。通过对外圆磨削加工过程的分析，从简化的单个磨粒的切削状态出发，建立了外圆横向磨削加工过程中切向磨削力、磨削力依赖于时间变化的横向磨削力的数学模型，外圆横向进给磨削过程总进给量及磨削深度的数学模型。通过改变磨削控制进给量，从而提高磨削阶段的磨削效率。介绍了可编程控制器(PLC) 改造磨床原有的接线方法，外圆横向磨削微机控制系统的工作原理、硬件和软件设计、磨削过程中磨削功率的监控系统及加工轴的工件及尺寸精度在线检测系统的设计。改造后的机床实现了机床的
2、自动化控制和数控检测，达到磨削加工低成本、高效率的生产目的，在可靠性和维护等方面比继电器逻辑控制有很大优越性。关键词：外圆横向磨削 控制系统 数学模型 自动化控制 数控检测 I英文摘要IAbstract This article mainly introduced the plan grinding machine crosswise grinding to feed system digitized transformation. To step-by-steps the electrical machinery control using the monolithic integrated
3、 circuit，controls the grinder crosswise grinding to feed, enables the grinder the abrasive machining to achieve the automated control.Through to the cylindrical grinding processing process analysis, embarked from the simplification single abrasive cutting condition, establishes in the outer annulus
4、crosswise abrasive machining process the tangential grinding strength, the grinding strength has relied on the time variation crosswise grinding strength mathematical model, the outer annulus plunge feed process total to feed quantity and the grinding depth mathematical model. Through change grindin
5、g control to feed quantity, thus enhances the grinding stage the grinding efficiency. Introduced the programmable controller (PLC) transformation grinder original wiring method, the outer annulus crosswise grinding microcomputer control system principle of work, the hardware and in the software desi
6、gn, the grinding process the grinding power supervisory system and the processing axis work piece and the size precision online examination system design. After the transformation engine bed has realized the engine bed automated control and the numerical control examination, achieved the abrasive ma
7、chining low cost, the high efficiency production goal, in aspects and so on reliability and maintenance has the very big superiority compared to the relay logic control. Key word: Outer annulus crosswise grinding Control system Mathematical model Automated control Numerical control examinationII目录 目
8、录目录I第1章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 课题的提出和研究的意义21.3 课题研究的主要内容2第2章 磨削过程基本参数模型的建立42.1 外圆横向进给磨削过程磨削力和磨削功率模型的建立42.1.1 引言42.1.2 外圆磨削过程磨削力及计算方法52.1.3 外圆磨削过程磨削力模型建立52.2 外圆横向进给磨削过程总进给量及磨削深度模型的建立12第3章 基本参数模型仿真173.1 磨削过程基本参数模型计算机仿真流程图183.2 磨削过程基本模型计算机仿真结果输出203.2.1 磨削深度及总进给量的计算机模拟213.2.2 磨削过程中总磨削力及磨削功率的计算机模拟22第4章 外圆横向磨
9、削控制系统设计234.1 横向进给伺服系统设计234.1.1 步进电机的使用特性244.1.2 SH-2H090M型四相混合式步进电机驱动器284.1.3 8051单片机294.1.4 存储器ROM和RAM314.1.5 8255A可编程并行接口334.1.6 输入显示模块344.1.7 可编程序控制器PLC364.2 功率测试系统设计374.2.1 数显功率表374.2.2 数模转换器A/D0809374.3 被磨工件尺寸监测系统设计38i第5章 外圆横向进给磨削控制系统的软件设计445.1 采样程序445.2 控制程序45第6章 结论49参考文献49致 谢51附 录52ii第1章 绪论I
10、第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题研究的背景随着科技的进步，人们对零件的制造精度和表面粗糙度的要求不断提高，磨削作为金属加工过程中用于终加工的精度加工方法，它的应用范围越来越广，已在高效及高精密加工领域中占有重要的一席之地。据统计，在轴承厂，磨床总台数占机床总台数的40%-60%，汽车厂达25%，一般机床厂也达15%左右。这进一步告诉人们对磨削过程和磨削机理的深入研究具有十分重要的现实意义，同时也暗示了寻求低成本，高效率和高精度磨削加工控制策略的迫切性。磨削加工是极为复杂的，磨削参数、磨削系统的机械性能、磨削力、磨削功率、磨削接触区温度、磨削热源表面最高温度、工件温度、工件表面粗糙度、工件
11、圆度以及砂轮形貌等都随着磨削过程的进行而动态地发生变化。磨削加工的复杂性和磨削过程的不确定性决定了以往对磨削过程的研究存在以下主要问题:(1) 描述磨削过程基本数学模型的局限性过去许多反映磨削过程的基本模型都是建立在经验或实验的基础之上的，它们仅能用于一般情况所需要的对磨削结果的估算。但由于磨削过程的影响因素繁多，这些数学模型不可能将所有因素包含进去，而且人们为了简化计算，往往把非线性的问题线性化，这些都势必会影响磨削模型的精确性，也不利于对磨削结果的理解。(2) 昂贵而繁重的实验工作由于上述磨削模型是建立在经验或实验基础之上，磨削模型的局限性必然导致在某一特定磨削状态下的磨削结果往往不能再次
12、应用于力磨削过程，致使实验工作繁重,浪费大量人力物力，也不利于对磨削过程中的各种规律的掌握。(3) 难以实现对磨削过程的控制由于描述磨削过程的各个磨削模型缺乏对时间的依赖性，它们不能反映磨削过程的变化，因而很难利用这些磨削模型来控制整个磨削过程，实现对磨削过程的完全自动化控制。(4) 磨削效率低下由于缺乏对磨削过程基本规律的理解和受到工件烧伤极限的限制，人们往往在无烧伤的情况下寻求高效的磨削加工控制策略。这必然导致传统磨削过程的磨削控制进给速度远远低于磨削允许的极限进给速度,因而磨削效率极低。1.2 课题的提出和研究的意义针对上述对磨削过程研究所存在的主要问题,为了达到磨削加工低成本、高效率及
13、高精度的生产目的,满足更富有柔性的磨削加工生产需求，近年来人们在磨削加工自动化、各类高效磨削加工技术的开发等方面做出了空前的努力。随着计算机技术的飞速发展，计算机在磨削加工领域中的应用已越来越广泛，虚拟磨削技术和智能磨削系统等概念的出现给磨削加工领域的研究注入了新的生机。在磨削加工过程中，由于计算机的参与，一方面使过去的磨削加工中许多难以计算的问题变的简单化，描述磨削过程的数学模型完全可以是多参数、非线性的，使模型的精度可以得到很好的保证；另一方面，由于计算机仿真技术的应用，使过去只能通过实际的磨削实验才能获得的磨削结果完全可以通过计算机仿真来完成，因而可以大大减少磨削实验的次数，达到低成本、
14、高效率和高精度磨削加工的目的。未来的磨削加工应该是在实际磨削过程没有进行之前，首先利用计算机来模拟整个磨削过程，通过计算机仿真和优化预先模拟出能够应用于实际磨削过程的最佳磨削方案和优化控制策略，实现磨削加工完全自动化的目的。本课题正是基于上述目的而提出的，重点在磨削过程建模，优化和自动控制等方面展开研究工作。1.3 课题研究的主要内容（1）外圆磨削横向进给伺服系统设计通过单片机8031控制输出脉冲信号给步进电机驱动器，由驱动器驱动步进电机，带动同步齿形带、丝杠螺母机构等组成的伺服系统来驱动砂轮架进给机构。（2）主运动电机功率检测系统设计主运动电机的单极功率信号经功率表变送输出为4-20mA的电
15、流信号,经串接标准电阻被转换成电压信号后送给A/D卡，通过控制程序的采样子程序进行数据采集。（3）工件尺寸精度在线检测系统设计电涡流传感器的测头表面平行于工件的被磨表面，随着磨削过程的进行，二者间隙值增大，其间隙值即为磨削过程的实际总进给量。测得的电压信号经A/D卡送给控制程序的采样子程序进行数据采集。（4）外圆横向进给磨削控制系统的软件设计3 第2章 磨削过程基本参数模型的建立第2章 磨削过程基本参数模型的建立2.1 外圆横向进给磨削过程磨削力和磨削功率模型的建立 2.1.1 引言 磨削力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。研究磨削力的目的，在于搞清楚
