一種面向微型無心內圓磨床的錐度誤差自適應控制裝置的製作方法

2023-05-11 11:36:36

專利名稱：一種面向微型無心內圓磨床的錐度誤差自適應控制裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種面向微型無心內圓磨床的錐度誤差自適應控制裝置。
背景技術：
在現代磨削加工中，內圓磨削一直被認為是比較困難的，對微型軸承套圈之類的微小孔薄壁零件的磨削加工更是如此，它們大多採用無心內圓磨床。這類磨床一般都以工件臺徑向進給、磨頭軸嚮往復進給的方式完成內圓磨削，當工件軸心線與磨頭運動中心不同軸時則會在工件內表面產生錐度，如果不及時調整，將會導致工件報廢。目前，這種調整隻能依靠人工憑經驗進行離線調整，由於缺乏定量化的輔助工具，常常需要多次反覆試湊才能完成，造成工件和工時的浪費。事實上，在內圓磨削加工中，砂輪軸的變形、砂輪的不均勻磨損、微小孔不同切深冷卻環境的不一致、工具機熱變形以及運動誤差等因素都會對工件內孔的錐度產生影響，如果能夠通過在線測量工件的錐度誤差，以此作為反饋信號實現對 工件臺架轉角的自適應控制，來減少甚至消除工件加工中的錐度誤差，則無疑可以更好地保證加工精度。這正是提出本專利的出發點。在現有技術中，CN2915371Y實用新型專利提出了一種砂輪修整器的錐度調節裝置，該裝置用於在機械加工磨床上調節砂輪修整器，使其能夠將砂輪修整為加工工件所需要的錐度；CN101829932A發明專利提出了一種全自動數控軋輥磨床砂輪主軸可變角度自動控制系統，該系統能夠自動控制砂輪主軸的角度，使得在磨削加工時，砂輪工作表面始終保持與軋輥表面相切；CN101462255A發明專利提出了一種磨削過程位置和姿態誤差自動調整方法及系統，該方法和系統提出利用角位移傳感器和直線位移傳感器檢測工件的位置和姿態，並通過執行機構調整工件的位置和姿態，但是這種檢測方法需要暫停加工過程，控制工件碰觸接觸軸並推動接觸軸運動，然後通過檢測接觸軸的運動來間接檢測工件位置和姿態，不僅過程繁雜，還降低了生產效率，並且工件移動後的重複定位精度難以得到保障；JP05208350A發明專利提出了一種自動錐度磨削加工的方法和裝置，通過旋轉工件臺使得工件進給方向與工件軸成一夾角，用於進行帶錐度外圓的磨削JP10230458A發明專利提出了一種錐度磨削裝置，利用接觸器碰觸工件，測得工件的位置，然後根據設定的錐度和直徑，計算出砂輪進給的路徑，通過砂輪和工件的相對運動完成錐度磨削。以上專利都不能夠在無心內圓磨床上實現錐度誤差的自適應控制。對微型軸承套圈的內圓磨削而言，當產生錐度時，需要精度更高的錐度調整機構。壓電陶瓷作為一種常用的驅動執行器，具有體積小、重量輕、結構簡單、解析度高、易於控制、響應速度快、推力大、無需潤滑、沒有發熱等優點，但是其行程一般只有幾十微米，因此需要採用一些精巧機構的輔助來實現大行程的進給。本專利提出一種能夠應用在微型無心內圓磨床上的錐度自適應控制裝置，它以壓電陶瓷作為驅動元件，以PLC作為控制器，通過在線測量工件的錐度誤差後，對工件臺的轉角進行自適應控制，以保證工件的加工質量。發明內容本實用新型的目的在於提供一種面向無心內圓磨床的，特別是在微型軸承的高速磨削加工中，能夠自動完成工件錐度誤差的在線測量及自適應控制的裝置。為了達到上述目的，本實用新型所述的面向微型無心內圓磨床的錐度誤差自適應控制裝置結構如下該錐度誤差自適應控制裝置的控制器為PLC(l)，所述PLC(I)分別與砂輪軸步進電機驅動器(2)、砂輪電主軸驅動器(3)、二次儀表(4)、量儀步進電機驅動器(5)、光柵尺控制器(6)和壓電陶瓷驅動電源(7)連接；所述 砂輪軸步進電機驅動器(2)與砂輪軸步進電機(27)連接；所述砂輪電主軸驅動器(3)與砂輪電主軸(24)連接；所述二次儀表
(4)與量儀(17)連接；所述量儀步進電機驅動器(5)與量儀步進電機(14)連接；所述光柵尺控制器(6)與圓形光柵尺(12)連接；所述壓電陶瓷驅動電源(7)與壓電陶瓷(8)連接；所述壓電陶瓷(8)與柔性鉸鏈放大機構(9)連接；所述柔性鉸鏈放大機構(9)與錐度調節懸臂(10)連接；所述錐度調節懸臂(10)是可旋轉工件臺(11)的一部分；所述可旋轉工件臺(11)上有圓形光柵尺(12)、旋轉軸(13)、量儀步進電機(14)、量儀導軌(15)、量儀滾珠絲杆(16)、量儀(17)和工件後擋板(19);所述量儀(17)與量儀測量頭(18)連接；所述工件後擋板(19)用於支承工件(21);所述工件(21)由左滾輪(20)和右滾輪(22)帶動旋轉；砂輪軸步進電機(27)與砂輪軸滾珠絲杆(25)連接；所述砂輪軸滾珠絲杆(25)與砂輪電主軸(24)連接；所述砂輪電主軸(24)沿砂輪軸導軌(26)運動；所述砂輪電主軸(24)上安裝有砂輪(23)。該裝置中的砂輪軸步進電機(27)和量儀步進電機(14)都可以用伺服電機代替；該裝置中的砂輪軸步進電機驅動器⑵和量儀步進電機驅動器(5)可以用伺服電機驅動器代替。所述PLC(Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器)是一種數字運算操作的電子控制器。本裝置所用的PLC是應用本錐度誤差自適應控制裝置進行自適應控制的無心內圓磨床的控制器PLC，而不需另行配置PLC，降低了成本。所述PLC主要由CPU模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊組成。PLC接收量儀的測量結果並計算錐度，判斷是否需要錐度調節；如果需要錐度調節，PLC將會計算錐度調節的方向和輸出到壓電陶瓷驅動電源的驅動電壓，並向壓電陶瓷驅動電源發送相應的驅動電壓模擬量。所述各步進電機驅動器分別與各自的步進電機連接，所述各自的步進電機又與各自的滾珠絲杆連接。所述各步進電機驅動器接收PLC的指令，控制各自的步進電機通過滾珠絲杆的傳動完成相應的進給和啟停動作。所述二次儀表與量儀連接。主要接收PLC的測量指令控制量儀完成測量，並將測量結果輸入PLC的模擬量輸入模塊。量儀可以採用氣動量儀、電感量儀或者電容量儀等。所述圓形光柵尺通過記錄靜尺和動尺相互移動所產生的莫爾斯幹涉條紋數來測量壓電陶瓷通過柔性鉸鏈放大機構最終實現的錐度調節量，並反饋給PLC，通過PID閉環控制保證錐度調節的精度。本實用新型按工作流程分為測量、計算、調節三個階段。各個階段的工作原理如下測量當完成一個工件的內圓磨削加工後，或者按照系統設定完成了 N(設定每完成N個工件進行一次錐度調節)個工件的加工後，系統進入測量階段。首先，PLC通過量儀步進電機控制量儀測量頭行進至工件內孔第一測量截面A，讀取直徑測量結果Dl ;然後，PLC繼續控制測量頭行進距離L至第二測量截面B，讀取直徑測量結果D2 ;最後，PLC控制測量頭返回初始位置。計算PLC根據直徑測量結果DI、D2和行進距離L計算工件錐度M，然後比較M是否大於系統設定的需要進行錐度調節的閾值K ;若是，則根據工件臺上壓電陶瓷與旋轉軸的距離H計算出壓電陶瓷的調節位移S和調節方向，然後PLC根據該調節位移S、調節方向和壓電陶瓷的當前伸長量Fl計算出新的伸長量F2，最後PLC將根據壓電陶瓷的伸縮特性得到對應新的伸長量的應當輸出到壓電陶瓷驅動電源的驅動電壓V ;否則，繼續加工下一工件。調節PLC輸出壓電陶瓷驅動電壓V的模擬量至壓電陶瓷驅動電源，壓電陶瓷驅動電源將按照驅動電壓V向壓電陶瓷提供相應的電壓，控制壓電陶瓷的伸縮，並通過光柵尺反饋和PID控制保證壓電陶瓷的調節精度。該實用新型實現了微型無心內圓磨床的錐度誤差自適應控制，具有如下優點I)在線測量，簡單高效本裝置在微型無心內圓磨床上實現工件錐度的在線測量，無需停機，測量過程簡單快速，既不影響生產加工過程，也保證了加工效率。2)自動調節，準確快速本裝置無需人工操作，整個測量、計算和調節過程完全自動化，可以設定一個或間隔多個工件後進行一次調節，幾乎不影響生產節拍；同時測量準確，響應快速，消除人因誤差，能夠確保高精度的加工；壓電陶瓷的放大機構採用柔性鉸鏈，沒有間隙，減少了傳動誤差；同時採用光柵尺反饋和閉環PID控制保證錐度調節的準確性。3)移植性好，成本較低本裝置是針對微型無心內圓磨床所設計，但其也可經過改制應用於其他類型的內圓磨床或者外圓磨床上，具有一定的可移植性。而且，本裝置的PLC、伺服系統等組件直接借用了該型磨床的控制系統組件，附加成本也較低。

圖I是本實用新型的結構示意圖；圖2是本實用新型的無心夾持示意圖；圖3是本實用新型的錐度測量示意圖；圖4是本實用新型的柔性鉸鏈放大機構示意圖；圖5是本實用新型的PLC接線示意圖；圖6是本實用新型的工作流程示意圖。圖I中1、PLC ;2、砂輪軸步進電機驅動器；3、砂輪電主軸驅動器；4、二次儀表；5、量儀步進電機驅動器；6、光柵尺控制器；7、壓電陶瓷驅動電源；8、壓電陶瓷；9、柔性鉸鏈放大機構；10、錐度調節懸臂；11、可旋轉工件臺；12、圓形光柵尺；13、旋轉軸；14、量儀步進電機；15、量儀導軌；16、量儀滾珠絲杆；17、量儀；18、量儀測量頭；19、工件後擋板；20、左滾輪；21、工件；22、右滾輪；23、砂輪；24、砂輪電主軸；25、砂輪軸滾珠絲杆；26、砂輪軸導軌；27、砂輪軸步進電機。圖2中19、工件後擋板；20、左滾輪；21、工件；22、右滾輪；23、砂輪；28、料道；29、推料杆；30、工件支承；31、前擋板。圖4中8、壓電陶瓷；32、柔性鉸鏈；33、定位螺孔；34、連接螺孔；35、錐度調節推板。
具體實施方式
本實用新型的一種面向微型無心內圓磨床的錐度誤差自適應控制裝置的結構示意圖如圖I所示，在該裝置中，PLC(I)分別與砂輪軸步進電機驅動器(2)、砂輪電主軸驅動器(3)、二次儀表(4)、量儀步進電機驅動器(5)、光柵尺控制器(6)和壓電陶瓷驅動電源
(7)連接；所述砂輪軸步進電機驅動器(2)與砂輪軸步進電機(27)連接；所述砂輪電主軸驅動器(3)與砂輪電主軸(24)連接；所述二次儀表(4)與量儀(17)連接；所述量儀步進電機驅動器(5)與量儀步進電機(14)連接；所述光柵尺控制器(6)與圓形光柵尺(12)連接；所述壓電陶瓷驅動電源(7)與壓電陶瓷(8)連接；所述壓電陶瓷(8)與柔性鉸鏈放大 機構(9)連接；所述柔性鉸鏈放大機構(9)與錐度調節懸臂(10)連接；所述錐度調節懸臂
(10)是可旋轉工件臺(11)的一部分；所述可旋轉工件臺(11)上有圓形光柵尺(12)、旋轉軸(13)、量儀步進電機(14)、量儀導軌(15)、量儀滾珠絲杆(16)、量儀(17)和工件後擋板
(19);所述量儀(17)與量儀測量頭(18)連接；所述工件後擋板(19)用於支承工件(21)；所述工件(21)由左滾輪(20)和右滾輪(22)帶動旋轉；砂輪軸步進電機(27)與砂輪軸滾珠絲杆(25)連接；所述砂輪軸滾珠絲杆(25)與砂輪電主軸(24)連接；所述砂輪電主軸(24)沿砂輪軸導軌(26)運動；所述砂輪電主軸(24)上安裝有砂輪(23)。本實用新型的無心夾持示意圖如圖2，工件(21)由左滾輪(20)和右滾輪(22)帶動旋轉，由工件後擋板(19)進行軸向定位，由工件支承(30)保持工件在加工位置。本實用新型的錐度測量示意圖如圖3，量儀步進電機(14)通過量儀滾珠絲杆(16)的傳動控制量儀(17)運動，使得量儀測量頭(18)可以進出工件(21)。PLC(I)控制量儀測量頭(18)進給到圖中第一測量截面A，讀取直徑測量結果Dl ；PLC(1)接收到測量結果Dl後，控制量儀(17)行進距離L至第二測量截面B，到位後再次讀取直徑測量結果D2 ；PLC(1)在接收到測量結果D2後由公式M= tana = | D2-D11/2L計算得到工件的內孔錐度M，並控制量儀(17)返回初始位置。本實用新型的柔性鉸鏈放大機構示意圖如圖4，該機構中的柔性鉸鏈(32)具有無間隙傳動的優點，同時也具有很好的剛性，能夠將壓電陶瓷(8)的行程放大一定的倍數。該機構主要通過槓桿原理進行二級放大，將壓電陶瓷(8)的小行程放大至能夠滿足錐度調節的大行程。定位螺孔(33)的作用是定位該機構，使得壓電陶瓷(8)的伸縮能夠放大到錐度調節推板(34)。所述錐度調節推板(35)通過連接螺孔(34)與可旋轉工件臺(11)的錐度調節懸臂(10)連接，能夠推動可旋轉工件臺(11)繞旋轉軸(17)旋轉一個微小角度。本實用新型的PLC接線示意圖如圖5，顯示了在本實用新型的裝置中，PLC與其他設備的連線。如圖所示，PLC通過脈衝、方向和使能三個數字量輸出信號分別控制砂輪軸步進電機驅動器和量儀步進電機驅動器；PLC通過模擬量調速、方向和使能三個信號控制砂輪電主軸驅動器，其中模擬量調速為一個模擬量輸出信號，方向和使能是兩個數字量輸出信號；PLC通過驅動電壓和啟停兩個信號控制壓電陶瓷驅動電源，其中驅動電壓為一個模擬量輸出信號，啟停為一個數字量輸出信號；PLC通過測量結果信號與二次儀表連接，為模擬量輸入信號；PLC接收一個來自光柵尺控制器的位置反饋信號，為模擬量輸入信號。本實用新型的工作流程示意圖如圖6，其工作步驟為I)系統上電自檢，開始工件的磨削加工；2)完成一個工件的磨削加工後，磨削循環次數(計數器)加一；3)判斷磨削循環次數是否達到系統設定的需要進行錐度調節的次數N ；4)若是，則砂輪跳出，PLC通過量儀步進電機控制量儀進給至第一測量截面A，讀取直徑測量結果Dl ;否則，繼續下一工件的磨削加工；5) PLC繼續控制量儀行進距離L至第二測量截面B，讀取直徑測量結果D2 ；6) PLC根據直徑測量結果Dl、D2和行進距離L計算錐度M= tan a = |D2_Dl|/2L;7) PLC比較錐度計算結果M和系統設定的需要進行錐度調節的閾值K ;若M > K，則進行下一步計算並進行錐度調節；否則，繼續下一工件的磨削加工；8)若M > K，PLC根據壓電陶瓷和旋轉軸的距離H以及工件錐度M計算調節位移S = HM，並根據工件兩測量截面內徑大小的比較結果確定調節方向(如系統結構圖圖I所示，工件左側截面為A，右側為B，若Dl >D2，則壓電陶瓷應伸長，若Dl <D2，則壓電陶瓷應縮短)；9)PLC根據調節位移S、調節方向和壓電陶瓷現有伸長量Fl確定壓電陶瓷應當達到的新的伸長量F2 = F1+S (調節方向為伸長)或F2 = Fl-S (調節方向為縮短)；10)PLC根據壓電陶瓷的伸縮特性得到新的伸長量F2對應的壓電陶瓷驅動電壓V ；11)PLC輸出相應的壓電陶瓷驅動電壓V模擬量至壓電陶瓷驅動電源；12)壓電陶瓷驅動電源向壓電陶瓷提供新的驅動電壓使壓電陶瓷達到新的伸長量F2 ；13) PLC通過光柵尺反饋和PID控制保證錐度調節精度。
權利要求1.一種面向微型無心內圓磨床的錐度誤差自適應控制裝置，其特徵在於該裝置的控制系統為PLC(I)，所述PLC(I)分別與砂輪軸步進電機驅動器(2)、砂輪電主軸驅動器(3)、二次儀表(4)、量儀步進電機驅動器(5)、光柵尺控制器(6)和壓電陶瓷驅動電源(7)連接；所述砂輪軸步進電機驅動器(2)與砂輪軸步進電機(27)連接；所述砂輪電主軸驅動器(3)與砂輪電主軸(24)連接；所述二次儀表(4)與量儀(17)連接；所述量儀步進電機驅動器(5)與量儀步進電機(14)連接；所述光柵尺控制器(6)與圓形光柵尺(12)連接；所述壓電陶瓷驅動電源(7)與壓電陶瓷(8)連接；所述壓電陶瓷(8)與柔性鉸鏈放大機構(9)連接；所述柔性鉸鏈放大機構(9)與錐度調節懸臂(10)連接；所述錐度調節懸臂(10)是可旋轉工件臺(11)的一部分；所述可旋轉工件臺(11)上有圓形光柵尺(12)、旋轉軸(13)、量儀步進電機(14)、量儀導軌(15)、量儀滾珠絲杆(16)、量儀(17)和工件後擋板(19);所述量儀(17)與量儀測量頭(18)連接；所述工件後擋板(19)用於支承工件(21);所述工件(21)由左滾輪(20)和右滾輪(22)帶動旋轉；砂輪軸步進電機(27)與砂輪軸滾珠絲杆(25)連接；所述砂輪軸滾珠絲杆(25)與砂輪電主軸(24)連接；所述砂輪電主軸(24)沿砂輪軸導軌(26)運動；所述砂輪電主軸(24)上安裝有砂輪(23)。
2.如權利要求I所述的一種面向微型無心內圓磨床的錐度誤差自適應控制裝置，其特徵在於該裝置中的砂輪軸步進電機和量儀步進電機都可以用伺服電機代替。
3.如權利要求I所述的一種面向微型無心內圓磨床的錐度誤差自適應控制裝置，其特徵在於該裝置中的砂輪軸步進電機驅動器和量儀步進電機驅動器可以用伺服電機驅動器代替。
4.如權利要求I所述的一種面向微型無心內圓磨床的錐度誤差自適應控制裝置，其特徵在於該裝置中的量儀可以採用氣動量儀、電感量儀或電容量儀等。
專利摘要本實用新型公開了一種面向微型無心內圓磨床的錐度誤差自適應控制裝置。在該裝置中，PLC(1)分別與砂輪軸步進電機驅動器(2)、砂輪電主軸驅動器(3)、二次儀表(4)、量儀步進電機驅動器(5)、光柵尺控制器(6)和壓電陶瓷驅動電源(7)連接；壓電陶瓷(8)與柔性鉸鏈放大機構(9)連接；柔性鉸鏈放大機構(9)固定於錐度調節懸臂(10)上；可旋轉工件臺(11)上有圓形光柵尺(12)、旋轉軸(13)和量儀(17)；砂輪電主軸(24)上安裝有砂輪(23)。本實用新型可以在微型無心內圓磨床進行磨削加工時，通過在線測量工件的錐度誤差，對工件臺的轉角進行自適應控制，以保證工件的加工質量。
文檔編號B24B49/02GK202556244SQ201220050389
公開日2012年11月28日 申請日期2012年2月15日 優先權日2012年2月15日
發明者餘忠華, 謝超, 汪虹, 李罡, 李嘯鏞 申請人:浙江大學, 摩士集團股份有限公司