普通外圆磨床数控化改造刘贵杰1,2,巩亚东1,王宛山1(1.东北大学,辽宁沈阳110004;2.山东轻工业学院,山东济南250100)Study on N umerical Co nt rol M odification fo r General Grinding M achineLIU Gui j ie 1,2,GONG Ya dong 1,WA NG Wanshan 1(1.N or theastern Univ ersity,She nya ng 110004,China;2.Sha ndong Lig ht Industry Institute,J inan 250100,China) 摘要:在磨床原有液压系统的基础上,利用电磁节流阀和光电编码传感机构,通过子学习和微调控制策略,可以实现磨削循环的自动化和曲面轴零件的磨削加工,对实现普通磨床的低成本数控改造。

关键词:外圆磨床;数控系统;自学习控制策略中图分类号:TP 27文献标示码:A文章编号:1001-2257(2002)06-0032-03Abstract :The numeral co ntro l scheme of g en-eral g rinding m achine by personal co mputer is pre-sented,on the basis of hydraulic pressure system ,by using electromag netism thro ttles a nd photoelec-trical enco der,through selfstudying co ntro l and self studying co ntrol strateg y ,the automatic cy-cle g rinding pro cess and curv ed shaft w o rk pieces g rinding can be realized,it is sig nificance fo r real-izing low price numeral contro l modifica tio n fo r g eneral g rinding machine .Key words :cylindrical g rinding machine ;co m-puter control system;self studying control strate-g y.收稿日期:2002-04-10基金项目:教育部科学技术研究重点资助项目(200032)0　引言磨削加工数控技术虽然起步较晚,目前也已取得了重大进展,已研究出诸多控制方案。

这些控制方案大都是采用步进电机或交流(直流)伺服电机作为驱动源,它们具有较高的控制精度,目前普遍用于工业数控机床上。

但是,步进电机、交流(直流)伺服电机和它们的驱动器价格较高,对那些控制精度要求较高的数控机床是必要的,对那些加工精度要求不太高的机床,采用上述控制方案不经济。

利用计算机和电磁节流阀,对普通外圆磨床进行数控改造,实现了外圆磨床工作台和砂轮架位移量和位移速度的精确控制,实现了曲面圆柱体零件的自动循环磨削加工,在一定程度上提高了普通外圆磨床的应用范围和自动化水平。

1　系统构成及工作原理1.1　系统构成系统总体结构框图如图1所示。

系统控制硬件图1　系统总体结构框图主要由辨向电路、功率放大电路和接口电路等组成。

1.1.1　辨向电路编码器的辨向电路如图2所示,它由74LS74图2　编码器的辨向电路图和74LS 08两块集成电路芯片组成。

其中74LS 74是两路D 触发器,其功能是当C 端上升沿到来时,Q 取D 端的值,在其余时刻,Q 保持原值,Q 是Q 的反。

编码器送出的两路脉冲A 与B 是相位相差90°·32·《机械与电子》2002(6)的方波脉冲(见图3),向上运动时,A 波超前B 波90°,向下运动时,A 波滞后B 波90°。

这样,当活塞向上运动时,接入D 触发器C 端的A 波上升沿对应送入D 端的B 波的低电平。

因此,Q 为0而Q 为1,反之,当活塞向下运动时,Q 为1而Q 为0。

集成电路片子74LS 08是4个与门组成的,将Q 信号送入一个与门的一个输入。

Q 接入另一个与门的一个输入,再将方波A 、B 分别接到两个与门的另一个输入,于是当向上移动时,左边与门一端输入为Q =1。

其输出将随另一输入A 方波的变化而变化。

因此,向上运动时的脉冲序列由此与门输出送入CTC0。

此时,右边与门的一个输入接Q =0,无论另一输入如何变化,其输出都只能为0。

同理,向下移动的脉冲序列由右边与门输出送入CTC 3。

1.1.2　功率放大电路功率放大电路如图3所示。

集成芯片74LS06图3　功率放大电路由6个非门组成,其作用是使PIO A 口发出的电压信号取反,同时增大驱动能力以使固态继电器中的发光二极管充分导通。

当PIO 输出的信号为1时,经非门后,其相应的输出为0,固态继电器中的发光二极管正向导通,双可控硅导通,使所接的电磁阀线圈通电。

1.2　系统工作原理泵产生的高压油,经过控制阀的控制与油缸两腔相通。

由图1可知,当电磁阀13通电,阀12断电时,油缸上腔进油,下腔排油,活塞向下移动。

反之,当13阀断电,阀12通电时,活塞向上移动。

活塞移动的速度,取决于进入油缸液体的流量,而流量可以通过节流阀4、5、6、7进行调节,由电磁阀8、9、10、11的通断组合确定。

6个电磁换向阀的通断,由计算机的输出进行控制。

本系统中利用输入输出接口片子PIO 的A 口作为字节输出,对其进行控制。

当某一位输出为1(高电平)时,通过反向器和固态继电器,使交流电磁阀通电。

当输出为0(低电平)时,使其断电。

活塞在移动时通过附件带动光电编码器的轴转动,光电编码器的轴每转一转,可以产生960个方波脉冲。

在活塞运动的过程中,光电编码器输出的方波脉冲不断经辨向电路送入计算机内的定时/计数器C TC 。

其中上行的脉冲数送至C TC0,下行的脉冲数送至C TC3。

计算机不断从C TC 得到脉冲数,感知目前活塞移动的距离,将它与指定的位移距离值比较,从而确定发出的移动速度码。

一般来说,当离设定距离较远时,使活塞以较高速度移动,越接近目标值,速度越慢直至停止。

活塞及推动的负载有惯性,当位移到设定距离时,才发出停止码,实际上的距离会大于设定距离。

因此,应当给出一定的提前量。

此提前量在负载不同时大不相同。

因此,在本系统中采用了“自学习”的方法,由计算机自动确定,并在运动过程中不断调整,以保持停止位置的精确度。

2　控制策略2.1　控制码生成算法本系统中采用了自学习和微调控制策略。

在本系统中,节流阀4、5、6的开口面积比调为1∶2∶4,两位两通电磁阀8、9、10的不同的通断组合,可形成7种不同速度。

阀7的开口调整得很小,当只有阀11打开时,油缸活塞移动的速度很慢,因此系统实际具有8种不同的速度。

可以按照下面的控制算法产生控制码:C =CIN T(y d -yy d×7)0.5≤y d -y y d ×7≤710<y d -yy d ×7<0.5y d -yy d≤0式中　y d指令位移　y 实际位移　CIN T 舍入取整运算符号　C控制码由上式可知,当活塞前进时,随着实际位移y 的增大,C 值减小,直至为0,这样可最大限度地减小因系统惯性引起的位移误差。

由于系统惯性等原因,活塞不可能准确停止在指定位置,可由11阀微调。

·33·《机械与电子》2002(6)2.2　自学习控制策略通过实验我们可以发现,当发出停止信号的位置固定时,活塞重复精度较好。

假设在活塞位移到达指令位移y d前的适当位置y T处,发出停止信号,则可在指定位置不大的误差范围内停止;而发出停止信号位置y T可根据每次停止的位置误差:Δy=y-y d由计算机不断加以修正。

这就形成了“自学习”控制算法,其公式如下:Y T(n+1)=Y T(n)-Δy n=y T(n)-(y n-y d)n表示第n次运行结果。

计算机根据第n次运行的误差,确定下一次,即n+1发出停止信号的位移量。

若Δy>0,则提前停止,若Δy<0,则推迟停止,这样不断减小Δy值,可使误差收敛到一定的范围内。

当系统的负载改变时,只要停止位置有误差,计算机就能立刻觉察,并加以修正。

3　实验结果分析通过实验我们发现,实验结果与文献在气动方面所做的实验结果十分相似,并且油缸位移控制精度比文献关于气缸位移精度更高,可达到0.02mm。

系统的稳定性与两个因素有关,一是活塞与缸壁之间的静摩擦力所造成的死区非线性;二是微调阀11的节流口面积,微调节流口面积越大,对系统稳定性越不利。

4　结束语 通过研究我们可以得出如下结论:a.用本系统控制平面磨床工作台的位移,成本低、精度高。

b.最终采用微调控制方式,可得到较高的位移重复精度(<=0.02mm)。

c.控制程序可用高级语言编制,具有开放性。

d.由于静摩擦力的影响,进一步提高系统精度难度较大,有待进一步研究。

参考文献:[1]　宁　舒,气动位移系统的计算机“PCM”控制初探[J].液压与气动,1991,(1):18-22.[2]　刘贵杰,丁　红,宁　舒.智能气缸设计[J].机械工程师,1997,(5):27-28.[3]　刘贵杰,黄桂丛,程　强.气缸位移自学习控制研究[J].机械工程师,1999,(6):21-22.[4]　程建中,张忠波,冯李合,黄效国.高精度液压微调控制系统[J].液压与气动,1991,(2):18-21.[5]　刘贵杰,巩亚东,王宛山.基于交流异步电机驱动磨床进给位移的自学习控制[J].东北大学学报,2001,22(3):268—270.作者简介:刘贵杰　(1968-),男,山东郓城人,山东轻工业学院副教授,东北大学在职博士研究生,主要从事机电一体化、加工过程智能化控制等方向的研究工作;巩亚东　(1958-),男,辽宁本溪人,东北大学副教授,在职博士研究生,先进制造技术研究所副所长,主要从事超高速磨削、虚拟加工过程等方向的研究工作;王宛山　(1946-),男,东北大学副校长,东北大学机械工程及自动化学院教授,博士研究生导师。

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