数控磨床外径在线检测系统研究
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摘要
为了进一步提高工件磨削的质量，在线检测技术被用于磨床磨削系统，以构成一个闭环控制系统。本课题来源于安徽省“十五”攻关项目“数控机床在线检测系统的研究”，以轴类零件的直径测量为例，在现有的气隙式电感传感器基础上完成数控磨床高精度外径在线检测系统的研究。
要实现高精度在线检测，首先要保证有足够高的静态精度，然后在此基础上，保证其动态特性能满足在线检测的要求。本文对现有气隙式电感传感器在原理和机械结构上作了深入的分析，对其参数进行了静态标定；并且针对常规电感传感器动态响应低，不宜用于快速动态测量的缺点，引入测试系统动力学的思想，设计了一套动态校准系统，对现有传感器进行多次动态校准，根据动态校准的实验结果对现有传感器建立数学模型，得到现有传感器的动态特性；在此基础上，根据磨床工件在线检测的要求，设计一个硬件补偿系统来提高整个测试系统的动态特性。同时，设计了一个单片机系统来对气隙式电感传感器及其调理电路的输出信号进行采集、处理、显示，并反馈给磨床，实现对磨床磨削加工的闭环控制，并且使整个系统具有友好的人机交互界面。文章最后列。整个磨床在线检测系统进行了误差分析。
To improve the quality of grinded workpieces, on-line measuring technology is adopted on NC grinding machine to form a closed-loop grinding system. Taking example for the outside-diameter measurement of the spindle, method of how to use the traditional air-gap inductance-type transducer to realize the on-line measuring system on the NC grinding machine is introduced in this article.
To ensure the high precision of the on-line measuring system, the static error and the dynamic capability of the whole system must be good enough. The principle and the mechanical structure of the air-gap inductance-type transducer are analyzed in this article, and the static parameters are calibrated. Dynamic calibration is applied to air-gap inductance-type transducer which is not good in dynamic capability, to obtain the dynamic parameters of the transducer and its measuring circuit. Based on the result of the dynamic calibration, the transducer and its serving circuit are modeled so that the method of how to improve the dynamic performance can be found. Then a dynamic compensating system is designed and added into the measuring system to accomplish the compensation. Furthermore, a MCU system is designed to acquire, process and display the output of the transducer's serving circuit, and to feed back the workpiece's real time dimension to the NC grinding machine. Errors of the whole on-line measuring system are analyzed at the final part of the article.
要实现高精度在线检测，首先要保证有足够高的静态精度，然后在此基础上，保证其动态特性能满足在线检测的要求。本文对现有气隙式电感传感器在原理和机械结构上作了深入的分析，对其参数进行了静态标定；并且针对常规电感传感器动态响应低，不宜用于快速动态测量的缺点，引入测试系统动力学的思想，设计了一套动态校准系统，对现有传感器进行多次动态校准，根据动态校准的实验结果对现有传感器建立数学模型，得到现有传感器的动态特性；在此基础上，根据磨床工件在线检测的要求，设计一个硬件补偿系统来提高整个测试系统的动态特性。同时，设计了一个单片机系统来对气隙式电感传感器及其调理电路的输出信号进行采集、处理、显示，并反馈给磨床，实现对磨床磨削加工的闭环控制，并且使整个系统具有友好的人机交互界面。文章最后列。整个磨床在线检测系统进行了误差分析。
To improve the quality of grinded workpieces, on-line measuring technology is adopted on NC grinding machine to form a closed-loop grinding system. Taking example for the outside-diameter measurement of the spindle, method of how to use the traditional air-gap inductance-type transducer to realize the on-line measuring system on the NC grinding machine is introduced in this article.
To ensure the high precision of the on-line measuring system, the static error and the dynamic capability of the whole system must be good enough. The principle and the mechanical structure of the air-gap inductance-type transducer are analyzed in this article, and the static parameters are calibrated. Dynamic calibration is applied to air-gap inductance-type transducer which is not good in dynamic capability, to obtain the dynamic parameters of the transducer and its measuring circuit. Based on the result of the dynamic calibration, the transducer and its serving circuit are modeled so that the method of how to improve the dynamic performance can be found. Then a dynamic compensating system is designed and added into the measuring system to accomplish the compensation. Furthermore, a MCU system is designed to acquire, process and display the output of the transducer's serving circuit, and to feed back the workpiece's real time dimension to the NC grinding machine. Errors of the whole on-line measuring system are analyzed at the final part of the article.
引文
[01] 黄俊钦著，测试误差分析与数学模型，国防工业出版社，1985
[02] 黄俊钦著，测试系统动力学，国防工业出版社，1996
[03] 费业泰著，误差理论与数据处理，机械工业出版社，1986
[04] 李华等著，MCS-51系列单片机实用接口技术，北京航空航天大学出版社，2000
[05] 吴道悌著，非电量电测技术，西安交通大学出版社，2001
[06] 周开勤著，机械零件手册，高等教育出版社，1998
[07] 强锡富著，几何量电测量仪，机械工业出版社，1981
[08] 郭振芹著，非电量电测量，计量出版社，1984
[09] 徐静、曾志新等著，提高传感器动态特性方法分析，机电工程技术，2002
[10] 黄其圣著，动态测量中测量力的确定，仪表技术与传感器，1995
[11] 郑善良著，磨削基础，上海科学技术出版社，1988
[12] 徐科军著，传感器动态特性的实用研究方法，中国科学技术大学出版社，1992
[13] 孔力、徐恕宏等著，基于电感式传感器的快速动态测量方法，华中理工大学学报，1994
[14] 汪立洲著，主动测量技术在机械加工中的应用，机械，2000
[15] 黄俊钦著，静、动态数学模型的实用建模方法，机械工业出版社，1988
[16] 何立民著，I~2C总线应用系统设计，北京航空航天大学出版社，1995
[17] 邵东向、郭华著，电感式位移传感器线性补偿技术，传感器技术，1999
[18] 王瑞金、元海滨著，多路电感测微仪测量电路设计，标准．计量．质量，1997
[19] 孙友伟、韩少华著，用80C31和SED1335控制320×240LCD模块，今日电子，2002
[20] 北方交通大学电信系编，有源滤波器，人民铁道出版社，1979
[21] 强锡富著，传感器，机械工业出版社，1999
[22] 付辉著，阶梯轴类零件检测系统的研究，测控技术，2000年19卷第8期
[23] 王执中等著，新型磨加工内、外圆主动量仪的开发研究，现代计量测试，1994第二期
[24] 合肥工业大学，机械工业技术发展基金项目《阶梯轴类零件微机控
制综合检测系统的开发研究》科技成果鉴定资料，1997
[25] 许波、刘征著，MatLab工程数学应用，清华大学出版社，2000
[26] 张志涌著，精通MATLAB，北京航空航天大学出版社，2000
[27] 中原精密有限公司著，在线测量综合样本
[28] 简德著，主动测量信息的智能化处理与控制，工程设计，2000
[29] 陈思著，巴特沃斯低通滤波器的简化快速设计，信阳师范学院学报(自然科学版)，1997
[30] 朱正德著，工艺过程中的主动测量与自动补调测量，工具技术，1996
[31] 刘静萍、候美娥，主动测量仪在磨削加工中的应用，机械工人：冷加工，1999
[32] 贾振元、高菲、郭丽莎著，多功能智能化电感测微仪的研究，仪表技术与传感器，2000
[33] 尹丽娟、罗烽著，智能化外圆磨削主动测量仪的研究，机械开发，2000
[34] 广州周立功单片机发展有限公司，ZLG7290 I~2C接口键盘及LED驱动器说明书
[35] Tektronix公司，TDS1000和TDS2000系列数字存储示波器用户手册
[36] 北京精电蓬元显示技术有限公司，SED1335控制器图形液晶显示模块使用手册
[37] 李华贵、彭烈新等著，带串行检测和11个输入端的12位AD转换器／LC2543C在单片机中的应用，集成电路应用，1999
[38] 郭华、邵东向、李永宣著，具有柱式显示的电感测微仪的研究，哈尔滨理工大学学报，1996
[39] 张国雄、金篆芷著，测控电路，机械工业出版社，2001
[40] 丁景民著，普通磨床的经济型数控技术改装，机械工程师，2000
[41] 刘洪泳、赵东标著，SED1335图形液晶控制器在经济型数控系统中的应用，机械与电子，2003
[42] The New Measurement Solutions On Machine Tool, Marposs
[43] Electronic System For Machine Tool, Marposs
[44] Electronic Amplifier For In-process Applications,Marposs
[45] SST89CX Data Sheet, Silicon Storage Technology, Inc
[46] 1335 Advanced LCD Display Controller
[47] The I~2C-Bus Specification, Philips Semiconductors, Version 2.1, January 2000
[48] Huang Jun-Qin, Hou Lian-Sheng, Ji Ping, Desigh and experimental study methods for dynamic Compensated digital fliter and its applications. Process of IEEE Instrumention and Measurement
Technology Conference, May 12～14, 1992, Meadowlands Hilton Hotel, Metropoliton New York, USA
[49] Microcontroller Based Data Acquisition Using the TLC2543 12-Bit Serial-Out ADC, TI, 1995
[50] MAX232,MAX232I Dual EIA-232 Drivers/Receivers, TI
[51] SED 1335 Series LCD Controller Ics Technical Manual, Seiko ESPON Corporation, 1999
[02] 黄俊钦著，测试系统动力学，国防工业出版社，1996
[03] 费业泰著，误差理论与数据处理，机械工业出版社，1986
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[18] 王瑞金、元海滨著，多路电感测微仪测量电路设计，标准．计量．质量，1997
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[21] 强锡富著，传感器，机械工业出版社，1999
[22] 付辉著，阶梯轴类零件检测系统的研究，测控技术，2000年19卷第8期
[23] 王执中等著，新型磨加工内、外圆主动量仪的开发研究，现代计量测试，1994第二期
[24] 合肥工业大学，机械工业技术发展基金项目《阶梯轴类零件微机控
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[29] 陈思著，巴特沃斯低通滤波器的简化快速设计，信阳师范学院学报(自然科学版)，1997
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[33] 尹丽娟、罗烽著，智能化外圆磨削主动测量仪的研究，机械开发，2000
[34] 广州周立功单片机发展有限公司，ZLG7290 I~2C接口键盘及LED驱动器说明书
[35] Tektronix公司，TDS1000和TDS2000系列数字存储示波器用户手册
[36] 北京精电蓬元显示技术有限公司，SED1335控制器图形液晶显示模块使用手册
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[40] 丁景民著，普通磨床的经济型数控技术改装，机械工程师，2000
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[42] The New Measurement Solutions On Machine Tool, Marposs
[43] Electronic System For Machine Tool, Marposs
[44] Electronic Amplifier For In-process Applications,Marposs
[45] SST89CX Data Sheet, Silicon Storage Technology, Inc
[46] 1335 Advanced LCD Display Controller
[47] The I~2C-Bus Specification, Philips Semiconductors, Version 2.1, January 2000
[48] Huang Jun-Qin, Hou Lian-Sheng, Ji Ping, Desigh and experimental study methods for dynamic Compensated digital fliter and its applications. Process of IEEE Instrumention and Measurement
Technology Conference, May 12～14, 1992, Meadowlands Hilton Hotel, Metropoliton New York, USA
[49] Microcontroller Based Data Acquisition Using the TLC2543 12-Bit Serial-Out ADC, TI, 1995
[50] MAX232,MAX232I Dual EIA-232 Drivers/Receivers, TI
[51] SED 1335 Series LCD Controller Ics Technical Manual, Seiko ESPON Corporation, 1999