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1、平面磨床带测力功能微进给工作台的研制牛? 慧? 袁哲俊( 哈尔滨工业大学)摘要 ? 研制了用于硬脆材料精密镜面磨削的带测力功能微进给工作台。该工作台以电致伸缩传感器实现微量进给, 具有体积小、 制造方便、 可靠性好、 分辨率高等特点, 为实现硬脆材料的镜面磨削提供了有利条件。关键词? 带测力功能微进给工作台 ? 电致伸缩传感器 ? 硬脆材料? 精密镜面磨削1? 引言? ? 针对硬脆材料镜面磨削机理, 要想获得硬脆材料的超光滑磨削加工表面, 必须实现足够小的加工去除单位 4, 因此研制了可以测量径向力的平面磨床微进给工作台。本微进给工作台主要由三部分组成: 精密驱动电源、 电致伸缩传感器及微进给
2、机构。其工作原理是: 在外电场作用下, 电致伸缩传感器发生微小的伸缩, 带动微进给工作台实现微量进给。2? 微进给工作台的设计及其工作原理? ? 图 1 是微进给工作台的受力变形筋简化图。其受力状态相当于双固定端梁中间受力时的情况。工作台体共有四小段变形筋。在简化原理图中相当于两根平行的双固定端梁, 变形弯矩图如图 2 所示, 力 F 在梁的中央。利用传感器的电致伸缩效应使变形筋产生微量形变, 从而使微进给工作台面作高精度的微小进给。由图 2 可知, 梁在中央处的挠度最大5, 为fmax=Fl192EJ(1)J =12bh3(2)式中, fmax为变形筋的最大挠度; F 为作用力; J 为惯性
3、矩; E 为弹性模量; l 为变形筋长度; h 为变形筋厚度; b 为变形筋宽度。图 1? 工作台受力变形筋简化示意图? ? 图 2? 双固定端梁变形弯矩图由于电致伸缩元件的伸长与受力范围有限, 所以在对变形筋的形状进行设计时要校核其在电致伸缩元件伸长到最大时, 变形元件变形后对电致伸缩元件的反作用力与加工过程中作用于工件的磨削力之和应不超过该元件所能承受的最大压力, 并有一定的安全系数。现在使用的美国 AVX 公司的 C060210A 型电致伸缩传感器受压时, 允许的最大力为 750N, 最大伸长量为 15?m。考虑到一定的安全系数, 在变形最大时的力不应超过 500N, 因此可以按最大受力
4、 500N 产生要求的位移来计算变形筋的尺寸。本微进给工作台的变形元件由 4 小段变形筋构成。变形筋的长度应适宜, 长度过小会导致变形元件挠度增大时应力增加得过快。参照微动装置的尺寸大小, 选定变形筋的长为10mm。变形筋的长度和宽度根据微量进给机构的大小确定后, 可根据希望产生的挠度 f (即位移量) 计算出变形筋的厚度(含一定的安全系数)。电致伸缩元件的参数 fmax为 15? m, Fmax为 750N, 根据式( 1) 、 ( 2) , 计算后确定变形筋长 ? 宽 ? 高为 10mm ? 5mm ? 1mm,此时变形筋的变形抗力为 252N。即变形筋每产生1? m 挠度的抗力为16.
5、8N。而在 MM7120A 磨床上硬脆材料精密镜面磨削环境下, 在双行程最大进给为3? m 时磨削力小于 50N。对电致伸缩传感器所加的预紧力也只有 100N。因此, 电致伸缩元件所受的力小于 500N。图 3 是新设计的电致伸缩式微进给工作台。该装置的本体和弹性变形元件以及进给部分是一整体结构。装置外面是密封的, 防止电致伸缩元件在磨削过程中受潮。因为电致伸缩传感器在变形的时候基本没有热量产生, 所以不存在散热问题。在工作台的装配过程中, 需要对电致伸缩传感器加一定的预紧力, 以免工作过程中各接触面间的接触刚度影响微进给的重复精度。本装置在电致伸缩传感器后端采用一个预紧螺钉调节预紧力, 方便
6、可靠。预紧力的大小要适当。过大, 则工作过程中传感器受到的合力可能超过它的最大允许范围而被压坏, 过小则设计与研究难以实现完全消除空隙而影响重复精度。通过计算表明, 变形筋的变形抗力与变形量成正比, 而且每 1? m的挠度抗力为 16. 8N。传感器的允许最大压力为750N, 考虑工作过程中传感器的状态与受力, 对其加以 100N 的预紧力。加载完成后用锁紧螺母将预紧螺钉锁死。为避免传感器两端受力不平行, 在末端用一个钢球可以达到预紧力的自动对心。工作过程中, 电致伸缩传感器在电压的作用下伸长, 推动上面的变形元件产生弹性变形, 实现微量进给。图 3? 电致伸缩式微进给工作台示意图1? 底板?
7、 2? 工作台体? 3? 预紧螺钉? 4? 锁紧螺母 ? 5? 钢球? 6? 电致伸缩传感器? 7? 力传感器预紧螺钉? 8? 力传感器? 9? 上台面? 10? 密封罩? 11? 夹具平台同理, 在装配过程中, 对测力传感器也要加一定的预紧力, 以便使测力传感器与变形筋同时运动。传感器的参数要求对其加 20N 的预紧力。先调节 4 个螺钉中的一个, 使传感器受力为 5N, 然后调节该螺钉对角线位置的螺钉, 使传感器受力为 10N, 再调节第三个螺钉, 使传感器受力为 15N, 再调节最后一个螺钉使传感器受力为 20N, 则每个螺钉受力均为 5N。在给电致伸缩传感器和测力传感器加预紧力时应注意
8、顺序。即应先对测力传感器加预紧力, 否则测力传感器上的预紧力会通过 4个紧固螺钉加在电致伸缩传感器上, 从而改变电致伸缩传感器上的预紧力。本微进给工作台的结构特点有:( 1) 弹性变形元件由整体材料制成, 避免了零件间接触面对刚度和动态特性的影响;( 2) 微动靠变形筋弹性变形实现, 变形量很小时不存在塑性变形, 保证了重复精度;( 3) 通过钢球对电致伸缩元件加预紧力, 避免了预紧力方向的偏斜且调节方便可靠;( 4) 可以在加工过程中在线测量磨削力;( 5) 尺寸小, 结构简单, 使用方便。3? 微进给工作台的调试? ? 本微进给工作台的标定是靠电感测微仪实现的。标定过程是在模拟磨削过程的实
9、验条件下进行的。分别对有负载( 50N) 和无负载的情况进行标定。在标定过程中, 由于电致伸缩元件固有的迟滞现象而使得标定曲线的去程和回程部分不能完全吻合, 但相差数值很小且基本恒定, 属于正常现象, 基本不影响实验结果。图 4 为实验测得的微进给装置电压_位移曲线。由图可以看出有无负载对曲线的形状影响很小, 在坐标系中的位置稍有区别。这是由于电致伸缩传感器内部由许多晶体薄片粘结而成, 各薄片间有间隙, 再加上晶体本身的变形, 导致有外力作用时, 传感器的电致伸缩量比无负载时稍小。可以认为装置中的电致伸缩元件的性能良好, 可以稳定地实现微位移。图 4? 微进给装置电压_位移曲线图以上我们已经得
10、到了实验数据曲线如图 4。但是由于实验误差的存在, 测量数据必然也存在着误差, 又由于理想的电致伸缩传感器电压与位移的关系应该是一条直线, 因此设所求的直线方程为 y = a1x + a2, 用最小二乘法进行直线拟合得到 a1、 a2的表达式为a1= ( #13i= 1xi#13i= 1yi- 13#13i= 1xiyi)/ ( #13i= 1xi)2- 13 #13i= 1xi2a2= ( #13i= 1yi- a1#13i= 1xi)/ 13因此 a1, a2是最佳拟合出直线的数据参数, 根据本实验结果求出的 a1= 0. 10, a2= - 1. 54。于是得到所拟合的直线方程为: y=
11、 0. 10x - 1. 54。其中 x 为电压值, y 为位移值。4? 结语? ? 基于实现硬脆材料的精密镜面磨削必须稳定地实现足够小的加工去除单位的要求, 研制了可靠性很好的带测力功能微进给工作台, 并用电感测微仪对其进行 了 标 定 。 其 垂 直 方 向 微 进 给 的 分 辨 率 可 达0. 01?m, 这是由所使用的电感测微仪的分辨率决定的。在今后的工作中, 如必要可对其进行重新标定, 进一步深入研究和完善本微进给工作台。参考文献1 ? 丁衡高? 微米/ 纳米技术 面向 21 世纪的军民两用技术? 仪器仪表学报, 1995, 16: 1 72? Robert F. Cook, Br
12、ain R. Lawn. Microstructure_strength Properties in设计与研究RS422 通信在 DNC控制系统中的应用马建峰? 任玉田? 王信义? 唐伏良? 薛? 晶(北京理工大学)摘要 ? 介绍了为三面打孔机用 DNC 控制系统开发的 PC 机用 RS422 通信板, 以及它的通信协议。该 DNC系统已经应用于浙江华能数控研究所的三面打孔机中, 并在邯郸冶金机械备件厂得到推广。关键词? DNC ? 实时在线监控? 数控( NC) ? RS422? 通信? ? 机械制造业从单机自动化发展到分布式 DNC 控制系统, 在技术上首先要解决的是数控机床计算机( 上位
13、机) 的信息交换和互联问题, 这是实现 DNC 控制的核心问题。笔者开发了一块 PC 机用 RS422 通信板,并且自行定义了一套可靠而行之有效的通信协议。1? DNC系统的网络结构? ? 本 DNC 控制系统的拓扑结构采用两级主从总线型网络结构, 通信网络采用三层结构: 物理层、 数据链路层和应用层。( 1) 物理层 ? 采用平衡型标准 RS422 接口, 以提高数据传输的可靠性。在新的平衡型标准 RS422 中( 见附图) , 发送器与接收器均以差分方式工作, 每个信号用两根导线传输, 整个接口无需共用信号线就可以正常工作。信号的电平由两根导线上的信号的差值来表示, 电压范围为- 6 +
14、6V, 相对于其中的一根导线来说, 差值为+ 4 + 6V 表示二进制的% 0&, 差值为- 4 - 6V 表示二进制的% 1&。对于新的平衡型标准RS422来说, 当传输距离达到 1000m 时, 信号传输速率在 100kb/ s 以下, 在 10m 以内的近距离传输中, 速率可达 10Mb/ s。由于每个信号均用双线传输, 这种差分平衡结构能从地线的干扰中分离出有效信号, 差分接收器可区分 0. 20V 以上的电位差, 因此, 可不受对地参考系统之地电位的波动和共模电磁干扰的影响。( 2) 链路层 ? 本 DNC 系统控制系统采用异步串行通信方式。系统约定: 数据的传输采用正反码校验; 命
15、令字和状态字在发送时, 必须先发送两个 BREAK, 然后发送命令字或状态字, 再发送其反码; 文件传输时,32 个字节( 正反码) 组成一个信息包。( 3) 应用层 ? 这一层是面向用户的, 主要为命令的输入和传输结果的说明。其中命令的输入包括上位机对下位机实时控制命令的输入和文件传输命令的输入。传输结果的说明有两种: 当命令或文件正确传输时, 在屏幕上显示正确传输标志; 当命令或文件错误传输时, 在屏幕上显示错误传输标志。图? 新平衡型 RS4222? 本 DNC控制系统通信规程的约定? ? 为了使网络内不同结点之间能够正确进行数据通信, 通信双方就必须有一套彼此能够相互了解和共同遵守的规
16、则和约定, 这些格式、 约定及应答关系概括起来就叫做通信规程。本DNC 控制系统为主从总线型网络结构, 上位机执行着整个系统的组织和管理。因此系统的通信规程是不平衡型的: 上位机发送命令、 接收响应并负责链路级的差错恢复; 下位机发送响应、 接收命令。( 1) 通信信息及地址的编码系统中 RS422 总线的一点对多点的通信是将所?Ceramics: Effect of Crack Size on toughness. Journal of American Ce?ramic Society. 1985, 68( 11)3? 安辉? 压电陶瓷驱动六自由度并联微动机器人的研究? 哈尔滨工业大学博士
17、学位论文, 1995?4? 史兴宽, 滕霖等? 硬脆材料延性域磨削的临界条件 ? 航空精密制造技术, 1996( 3)5袁哲俊主编? 金属切削实验技术? 北京: 机械工业出版社, 1988?设计与研究- -ABSTRACTS & KEY WORDSMANUFACTURING TECHNOLOGY & MACHINE TOOLNo. 2 ( Feb. ) , 2001. Total issue No. 463Experiment on Vertical Active Vibration ?isolating System for Ul?tra?precision Machine ToolZHAN
18、G Mingming (Harbin Institute of Technology) , et al(12)Abstracts:An anlysis is made on the theories of active and passivevibration isolation and a vertical active vibrations isolating system isestablished for ultra?precision machine tool. T he experiment showsthat, by introduction of the active cont
19、rol, the effect of vibrationisolator isolating from main vibration of environment interferenceand low frequency vibration of the isolator are improved to a cer?tain extent. The effective vibration?isolating range is 3 to 5Hz.T he roughness of workpiece is also improved.Key Words: Ultra?precision Mac
20、hine Tool, Active Vibration Isola?tion SystemNew Control Driver for Step Motor Suitable for PLCZHU Wen (Chongqing University of Technology) , et al(14)Abstracts:T he text introduces a new control driver forstep motor. The driver takes full use of high speed andflexible software control from single?c
21、hip processor, in?tegrates traditional control module for PLC with drivingpower supply, and results in a new motion control withlow price and excellent performance. Now, the controlis successfully applied in NC marker.Key Words: Step Motor, PLC Control DriverStrategy and Design for Digital ACServo C
22、ontrolYANG Chuan ( Xi( an Communication University) , et al(16)Abstracts: Two theories for AC servo control are analyzed, and adigital AC servo?controlling module is designed based on this. Themodule takes high?performance digital signal processing chip as itscore, makes up its digital input/output
23、circuit with a single chip ofin?system programmable device. The module is characterized byhigh disturbance ?resistance, reliability, cost efficiency and modu?larity.Key Words:AC Servo Control, Digital Input/Output Circuit, Dig?ital Signal Processor, In?system ProgrammableCreation and Assembly of Mot
24、ion Function Module for aMachineGAO Feng (Xi( an Science & Engineering University) , et al(19)Abstracts:The text emphatically describes the creating way, pa?rameter description, geometric constraint relation and assemblingrelationship for a machine( s motion function module, and developscorrespondin
25、g CAD software system ( MGSCAD) for overallstruc?ture placement plan of a machine. Application examples are given.T he software system developed can realize automatic and fast de?sign for overall structure placement for a machine.Key Words:Motion Function Module, Constraint Relationship,Structure Pl
26、acement, Dimension Parameter DrivingOptimal Design of Grinder( s Bed Structure Based on dynamiccharacteristicsCHEN Xin (Southeast University) , et al(21)Abstracts:A modelis established anda dynamic analysis is made onthe bed structure of an internal grinder by finite element method.T he influence of
27、 different designs of bed wall layout on dynamics ofthe bed is discussed. It is found that adjusting the design of parti?tion walls is a vital factor to improve dynamics of the bed.Key Words: Finite Element Method, Dynamic Analysis, OptimalDesignDevelopment of Micro?feeding Worktable with Force Meas
28、uringfor Surface GrinderNIU Hui (Harbin Institute of Technology) , et al(23)Abstracts:A micro?feeding table is developed for surface grinder tocarry out mirror grinding of hard and brittle materials. T he micro?feeding table, whose micro?movement is realized by an electrostric?tion sensor, features
29、small in size, easy manufacturing, reliableand high resolution. So the bed provides advantageous conditionsfor mirror grinding for hard and brittle materials.Key Words: Micro?feeding Table with Force Measuring,Elec?trostriction Sensor, Hard and Brittle Materials, Mir?ror GrindingApplication of RS422 Communication in DNCMA Jianfeng (Beijing Science & Engineering University),et al(25)Abstracts:The RS422 communication board based on PC and itscommunication protocol are developed for DNC of 3?face drillingmachine. T he system has been used successfully on the drilling
