专利名称：一种无心磨削加工测控系统及相应的无心磨削加工方法
技术领域：
本发明涉及一种无心磨削加工测控系统及相应的无心磨削加工方法，属于 磨削加工检测控制领域。
背景技术：
传统的零件测量方法常常采用离线测量，需要把被测零件从加工设备转移 到测量设备(如坐标测量机)，有时甚至需要多次的反复，从而增加加工费用，
降低生产效率，因此机械加工质量保证的发展趋势是:通过用在线测量全部代 替离线测量和统计质量控制使质量保证更靠近加工过程，保证零件从加工设备 卸下就是合格品。
磨削加工是一个十分复杂的过程，影响加工过程的因素众多，对磨削加工 机理认识不够明确以及磨削过程状态检测的困难，使得其成为机械加工中发展 最为缓慢的方法之一。传统的磨削加工还停留在人工操作调整的基础上，采用 开环控制，其加工精度取决于机床本身，它没有获取磨削过程中工件实际状况 及其变化趋势，不具有自调整、自适应特性，其定程误差、砂轮磨损状况、毛 坯尺寸变化及磨削过程动态特性变化等均会影响到加工精度，加工工件的精度 主要依赖于操作者的经验、通过不断地停机手工检测来保证，严重影响了加工 的效率和加工工件的品质，造成能源的浪费。
提高无心磨床加工精度的途径无非两类:一是"误差避免法"，另一类是 "误差补偿法"。误差避免法靠提高机床本身精密度(如机床刚度、进给机构 的运动精度、定位精度等)来减少误差，但随着机床本身精密度的提高，带来 的成本费增加是巨大的，而且对于一些未知因素的干扰，缺乏有效的应变能力， 因而其适应性与鲁棒性均受干扰，对提高加工精度是有限的。而"误差补偿法" 则通过在线检测技术检测工件实际尺寸变化和工艺系统运行状态，对可能出现 的误差进行有效补偿，从而达到较高的加工精度。有效的"误差补偿法"可以
5在一般精度的机床上加工出具有比机床本身更高精度的工件，因而它更加经济 可行，更有发展前途。
"误差补偿法"无疑是要靠磨床控制系统来实现的，控制系统可采用多种 方式。而传统的控制方式往往要求对象有精确的数学模型。在机器制造过程中， 影响过程进程与加工精度的因素众多，难以获得精确的数学模型，同时，加工 状态的在线检测也不容易实现。因而基于传统控制理论和方法的机器制造过程 在线控制难以实现，磨削加工尤其如此。
随着自适应控制理论和计算机技术应用的不断深入，有效地补偿无心磨 床加工过程中的动态误差，提高加工精度和生产效率成为可能。目前针对无心 磨床加工精度的控制研究，国内外已有不少研究文献和成果。这些研究的基本 思想是通过利用在线测量技术，基于控制理论控制补偿误差，以提高工件的加 工精度和生产效率。但目前的研究采用的方法主要是基于加工过程中的实时检 测补偿，增加了控制系统的实现难度，普遍存在着控制系统硬件成本过高，且 多为一体化设计，其硬件体系结构的可扩展性和复用性差；控制补偿算法过于 复杂，其误差控制方法没有结合磨削加工的特征，不适用于对传统人工操作、 调整的无心磨床的改造。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于模块化设计、控制方法简单的无心磨削加工 测控系统及相应的无心磨削加工方法，用来解决现有的系统及其实现方法存在 控制方法复杂且为一体化设计的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案 一种无心磨削加工测控系统， 该系统包括工件误差检测系统，所述工件误差检测系统的检测信号输出接口通 过-个通讯接口变换器与PC计算机系统的外部通讯接口电连接，所述的PC计 算机系统的控制信号输出与砂轮修整器和导轮修整器以及进给机构驱动系统 的控制信号输入电连接用于实现对砂轮和导轮的修整以及进给机构的调整。所述的工件误差检测系统包括用于检测工件误差的传感器，该传感器检测 的误差输出信号与一个信号处理隔离电路的信号输入电连接，所述信号处理隔 离电路的信号输出连入一个单片机的I/O 口，该单片机的其它I/O 口分别对应 连接有用于检测加工工件个数的计数开关输入信号、用于判断检测平台上是否 有被检加工工件的感应开关输入信号、用于控制分选和定位机构动作的开关量 输出信号、通信接口电路的输入信号和使能信号、键盘及显示装置。
所述的信号处理隔离电路包括差分信号放大电路，所述差分信号放大电路 的输入与所述传感器的误差输出信号电连接，差分信号放大电路的输出信号与 一个基准电压源产生的输出信号叠加后与一个两级反相放大电路的输入相连 接，所述的两级反相放大电路的输出信号与一个压/频变换电路的输入电连接， 该压/频变换电路的输出信号通过一个光电隔离器与一个频/压变换电路的输 入电连接，所述频/压变换电路的输出信号通过一个射极跟随器连入单片机的 一个I/O 口 。
所述工件误差检测系统中单片机的一对振荡器输入端和振荡器输出端之 间连有一个高频晶振，它的另一对振荡器输入端和振荡器输出端之间连有低频 晶振。
所述砂轮修整器和导轮修整器以及进给机构的驱动系统包括PCI总线运动 控制卡，所述PCI总线运动控制卡与所述的PC计算机系统的PCI总线接口电 连接，该PCI总线运动控制卡的三组驱动输出信号对应连接进给机构电机驱 动器、砂轮修整器电机驱动器和导轮修整器电机驱动器，所述的PCI总线运
动控制卡的输入对应连接进给机构的 一对限位开关信号、砂轮修整器的 一对限 位开关信号和导轮修整器的一对限位开关信号。
所述的通讯接口变换器包括RS485通信接口芯片，所述的RS485通信接口 芯片和USB与异步串口转换芯片电连接用于实现485电平信号到232电平信号 再到USB电平信号转换。一种无心磨削加工方法，该方法包括以下步骤
(1) 系统启动和设置参数启动PC计算机系统，设置加工工件误差的上下 限、砂轮和导轮的磨削修整定时时间，开启检测系统和驱动系统，确认整个系 统的工作状态并传输有关参数；
(2) 驱动进给机构、砂轮修整器和导轮修整器若在无心磨削准备加工之 前，由人工根据加工工件的尺寸、砂轮导轮的磨损情况，通过PC计算机系统 控制进给机构的进给量、砂轮修整器和导轮修整器的驱动修整；若在无心磨削 加工进行过程中，则自动控制进给机构的调整量以及根据导轮、砂轮的修整定 时时间自动控制砂轮修整器和导轮修整器对导轮、砂轮进行修整；
(3) 送料加工若刚开始进行加工，则在人工调整进给机构进给量、修整 砂轮、导轮后，开始送料加工；若是在加工过程中因自动调整进给量、修整砂 轮和导轮、或因为检测到限位开关的信号输入导致的送料加工中断，则在系统 恢复正常状态后，重新开始送料加工；
(4) 分时段检测加工工件误差利用计数开关对经过它的加工工件进行计 数，当加工工件的计数值达到设定的数值时，将该加工工件送到检测平台，同 时计数器清零，重新开始计数直到下一次计数达到设定值；若检测系统的感应 开关感应到加工工件，则检测系统的单片机输出开关量信号控制定位机构给被 检的加工工件定位，然后由误差检测传感器对工件进行测量并将测量的误差信 号，经过滤波、放大、变换、隔离后送入检测系统的单片机，然后根据检测工 件的误差范围，判断工件是否超过误差范围，若不超差使合格工件进入一个回 收料斗，若超差则使超差的不合格工件进入另一个回收料斗并停止送料，同时 将误差信号通过接口变换器输出到PC计算机系统进行处理；
(5) PC计算机系统控制处理PC计算机系统计算调整量并判断是否到达 设定的修整砂轮和导轮的定时时间，然后按以下情况执行
(5-l)若仅调整进给机构进给量，则根据调整进给量大小将其变换为驱动进给机构步进电机的驱动步数，然后经PCI总线送给运动控制板卡，由进给机 构步进电机驱动器控制电机执行相应的步数；
(5-2)若仅驱动砂轮修整器和导轮修整器执行砂轮和导轮的修整，则根据 设置的修整时间、砂轮修整器和导轮修整器的驱动步数经PCI总线送给运动控 制板卡，分别由砂轮修整器电机驱动器和导轮修整器电机驱动器驱动相对应的 步进电机执行砂轮、导轮的修整，执行完成后按相反方向驱动砂轮修整器和导 轮修整器回到原始位置；
(5-3)若既要调整进给机构进给量，又要修整砂轮和导轮，则按照(l)首先
调整进给机构进给量，然后按照(2)再执行砂轮和导轮的修整；
(5-4)若由进给机构、砂轮修整器、导轮修整器它们的限位开关的任一开
关动作而引起停止送料加工，则根据具体情况由人工通过键盘输入调整三个机
构到正常状态；
(6)重复执行(2)到(5)，实现无心磨削加工全过程的自动控制，直至工件 全部合格。
本发明的有益效果是本发明所述的无心磨削加工测控系统及相应的无心
磨削加工方法，利用磨削加工误差的变化特征，采用滞后的分时段的测量方法， 简化了高速磨削对测量系统的要求和实现难度，便于对传统人工操作、调整的
无心磨床的改造，达到自动控制工件磨削加工误差的目的；该系统采用模块化 设计，使各模块易于应用和调整；误差信号处理采用电压/频率变换、高速光电 耦合器和频率/电压变换的方式进行了隔离，提高信号的抗干扰能力和测量精 度，并且降低了成本；PC计算机系统和工件误差检测系统之间利用高速的通信
接口变换器以RS485总线方式实现信号的远距离传输，能提高数据传输速率和 抗干扰能力；基于PC计算机系统为核心的无心磨削加工误差测控系统，能支持
复杂的自适应控制算法对数据的处理，具有数据处理能力强、监控方便、控制 实时性好和精度高的优点。
图1是安装有无心磨削加工测控系统的无心磨床的示意图； 图2是无心磨削加工测控系统的原理框图； 图3是检测工件误差信号处理的电路图； 图4是检测系统单片机电路的原理图； 图5是通信接口变换器的电路原理图； 图6是驱动系统的电路原理图； 图7是无心磨削加工方法的流程图。
具体实施例方式
结合图1来说明安装有无心磨削加工测控系统的无心磨床，基于磨削加工 的工艺流程，结合无心磨削加工工件误差产生的原因主要是由砂轮和导轮的磨 损而引起的事实，按照控制过程把安装无心磨削的加工误差测控系统的无心磨 床划分为三个区域送料区、无心磨削加工区和检测区，其中送料区可以由人 工送料，也可以自动送料，这里按人工送料考虑，根据控制过程中主计算机系 统发出的停止送料报警指示及解除报警指示执行是否送料；无心磨削加工区， 包括设置的砂轮修整器2及其一对限位开关10、 13，导轮修整器ll及其一对
限位开关14、 15，进给结构12及其一对限位开关1、 3，利用导轮和砂轮的旋 转磨削工件，完成工件的磨削加工，并根据控制的要求由驱动系统驱动砂轮修 整器、导轮修整器和导轮进给机构，实现砂轮的修整、导轮的修整和导轮进给 机构进给量的调整；检测区，该区域包括依次设置在加工工件输送装置上的两 个料斗16、 17，其中一个料斗16的料斗门由一个气缸9控制其开关，该料斗 门的上方设有计数开关4，另一个料斗17的料斗门由另一个气缸8控制其开关， 加工工件输送装置的末端设有检测平台和第三个料斗18，检测平台上设有驱动 定位机构的第三个气缸5，该检测平台上还设有电感测位仪7，它的误差检测 输出信号连接到无心磨削加工误差测控系统中检测系统的误差信号输入，检测 系统基于分时段检测加工误差的方法，输出开关量信号控制一个料斗16料斗门和另一个料斗17的料斗门关闭以传输检测工件至检测平台，然后检测工件
的加工误差，控制合格工件和不合格工件分别流入料斗16和料斗17。
结合图2来说明无心磨削加工测控系统的工作原理，该系统包括工件误差 检测系统，所述工件误差检测系统以MSP430单片机为核心，利用电感测位仪 检测工件的误差，电感测位仪检测的工件误差信号先经过滤波、放大和电压变 换，然后进行电压/频率变换、光电隔离、频率/电压变换把信号送入MSP430 单片机的内部A/D接口，将检测工件误差信号变换为数字量，同时监测进给机 构、导轮修整器及砂轮修整器的限位开关信号，并产生控制输出，工件误差检 测系统还设有液晶显示、RS232串行通信接口和RS485通信接口；经过处理的 检测工件误差信号通过由USB与异步串口转换电路和RS485接口电路组成的通 信接口变换器输入到PC计算机系统，PC计算机系统将接收的检测工件误差信 号利用自适应控制算法计算出进给机构的调整量，将该调整量控制信号输入到 驱动系统的PCI总线运动板卡，该PCI总线运动板卡驱动进给机构的步进电机 调整进给机构的调整量，同时判断是否达到导轮、砂轮的修整定时时间，是否 需要驱动砂轮、导轮步进电机使砂轮修整器、导轮修整器对砂轮、导轮进行修 整，另外进给机构、砂轮调整器、导轮调整器的限位开关信号通过PCI总线送 入PC计算机系统，由PC计算机系统发出告警指令，使工件误差检测系统中 的告警电路使能。
图3、图4用来说明工件误差检测系统的电路组成，误差信号传感器将检 测工件的误差转换为士50mV的直流信号，该输出信号与信号处理隔离电路的输 入电连接，所述的信号处理隔离电路包括由电阻R4、电容C2和电阻R3、电容 C3组成的用于滤除高频噪声和干扰的滤波电路，该滤波电路的输出信号与差分 放大器U2的输入端电连接，通过调整电阻R6的大小可以调整差分放大电路的 放大倍数，所述的差分放大器U2的输出的土5V的直流信号与基准电压源U3 输出的+5V信号叠加后与反相放大器U5的反相输入端电连接，反相放大器U5
11和四个电阻R8、 R9、 R12、 R13组成反相放大电路，反相放大电路输出的0到 -10V的单极性信号与反相放大器U7的反相输入端电连接，反相放大器U7与四 个电阻R18、 R19、 R21、 R22组成二级反相放大电路，该反相放火电路输出的0 到+10V的单极性信号，该信号经过电阻R1、电容C17组成的RC滤波电路与由 压/频变换器Ul及其外围元件构成的压/频变换电路的输入电连接，该压/频变 换电路输出的0到lOOKHz的信号通过光电隔离器U4接由电容C8、电阻R14、 R15、 R16和二极管Dl组成的滤波电路，该滤波电路的输出与由频/压变换器 U6及其外围元件组成的频/压变换电路连接，该频/压变换电路输出的电压范围 为0到+3V的电压信号通过一个射极跟随器U8接单片机U10的I/O 口引脚2， 单片机UIO的P1 口与接口 J5连接用于接4X4的矩阵键盘，作为检测系统的参 数输入和控制使用；单片机U10的P2 口接开关量信号输入，其中P2. 0接图1 所示的料斗门16上方设置的计数开关4的信号输入，P2. 1接图1所示的检测 平台的感应开关6的信号输入，单片机U10的P4 口作为开关量信号输出端， 其中P4.0、 P4. 1、 P4.2分别用于作为驱动图l所示的料斗门16的气缸9、料 斗门17的气缸8和定位机构的气缸5的电磁阀的输出控制信号；RS485芯片 U14的驱动器输入DI、接收器输出RO对应连接单片机U10的驱动器输入引脚 32、接收器输出引脚33，接收器使能^和驱动器使能DE—起接单片机U10的 引脚31， RS485芯片U14的输出引脚A、 B经接口 J7用于和外部设备通信， 接口 J7连接有匹配电阻R29，以消除远距离传输的信号的反射；RS232电平转 换芯片Ull的驱动器输入引脚13、接收器输出端引脚15、状态检测引脚ll、 使能引脚1对应连接单片机U10的四个I/0口引脚34、引脚35、弓脚28和引 脚29，其中的两个I/0 口引脚28和引脚29用于控制RS232电平转换芯片Ull 的工作，另外两个I/0 口引脚34和引脚35分别用于传输和接收数据，RS232 电平转换芯片Ull的外接5个滤波电容C27、 C31、 C32、 C33、 C34，电容C27 的两端分别与RS232电平转换芯片Ull的引脚19和地相连，电容C31的两端分别与RS232电平转换芯片Ull的引脚5、引脚6相连，电容C32的两端分别 与RS232电平转换芯片Ul 1的引脚2、引脚4相连，电容C33的两端分别与RS232 电平转换芯片Ull的引脚3和地相连，电容C34的两端分别与RS232电平转换 芯片Ull的引脚7和地相连，接口J8的1、 2、 3脚对应接RS232电平转换芯 片U11的17、 16、 18脚；接口 J4用于接液晶显示器，它的3、 4、 5、 7脚分 别与单片机的P5. 0、 P5. 1、 P5. 2和RST脚相连接，2脚接VA+3. 3V的电源，作 为控制电源，8脚接VA+5V电源作为液晶背光电源，脚l、 6、 9均接地；单片 机U10的引脚30接电阻R28和发光二极管D3串联组成的工件误差检测系统的 告警电路，用于工件误差检测系统工作指示；接口 J3为MSP430F169单片机U10 的标准JTAG接口，与单片机U10的五个引脚54、 55、 56、 57、 58相连接，接 口 J3的1脚连接电源VA+3. 3V， 9脚接地，接口 J3用于单片机U10的在线程 序调试和程序更新；单片机U10的引脚52与引脚53之间和引脚8与引脚9之 间对应连接外部晶振Yl和Y2， Yl为8MHz的高频晶振，Yl和C25、 C26及U10 的内部电路组成的晶振电路能产生最大8腿z的时钟信号，Y2为32KHz的低频 时钟晶振，用于产生低频时钟信号，利用内部的分频电路和程序控制，单片机 U10可以产生32KHz 、 lMHz、 4MHz、 8MHz的时钟信号，通过程序控制单片机 U10工作在不同的工作模式，可以实现节能；单片机UIO的复位引脚58与开关 Sl、电容C24和电阻R27组成的复位电路相连接，用于人工控制单片机U10的 复位；单片机U10的电源由稳压芯片U9及滤波电容C18、 C19、 C21、 C22和电 阻R25、 R26组成的外围电路提供，稳压芯片U9的电源输入由接口 J2提供， 接口 J2的VA+5V电源由外部系统供给，其连接的电阻R23、发光二极管D2串 联组成的电路用于指示系统电源的正常状态，另单片机U10的模拟电源地62 脚和数字电源地63脚之间通过一个电阻为0欧姆的电阻相连接，以避免多点 地连接造成的环路压降。
图5描述了通信接口变换器模块的电路原理，该电路利用了 USB与异步串口电平转换芯片U12和485电平转换芯片U13实现USB电平信号到RS232电平 信号再到RS485电平信号之间的转换，从而可以实现信号的远距离、高速传输。 接口 J10用于连接PC计算机系统的主机的USB接口， USB电平转换芯片U12 用于实现USB接口信号与异步串口收发信号之间的电平转换，USB电平转换芯 片U12的9、 10脚之间接由外部晶振Y3、两个电容C36、 C38组成的时钟电路， USB电平转换芯片U12的6脚到地接电容C37， USB电平转换芯片U12的13和 20脚一起到地接电容C35;485电平转换芯片U13用于将USB电平转换芯片U12 的异步串行电平信号转换为可远距离传输的RS485总线信号，并通过接口 J6 同外部总线相连接，485电平转换芯片U13的8脚到地接电容C29用于电源去 藕，通信接口变换器的电源VCC+5V利用计算机的USB接口提供；485电平转换 芯片U13的1、 4脚对应接USB电平转换芯片U12的4、 3， 485电平转换芯片 U13的2、 3脚一起接USB电平转换芯片U12的18脚。
图6描述了驱动系统的电路原理，PCI运动控制板卡U15采用ADT8940四 轴运动控制卡，所述的四轴运动控制卡U15采用32位PCI总线与PC计算机系 统连接，支持即插即用，所有输入、输出均采用光耦隔离,抗干扰性强，具 有4轴伺服/步进电机控制，每轴可独立运动，互不影响；所述DT8940四轴 运动控制卡U15的其中六个限位输入20、 21、 26、 27、 33、 34脚对应连接作 为进给机构、砂轮修整器、导轮修整器的六个限位开关Kl、 K2、 K3、 K4、 K5、 K6，用于监测驱动机构的安全性，所述的六个限位开关K1、 K2、 K3、 K4、 K5、 K6分别对应图1中的1、 3、 13、 10、 14、 15无触点开关，进给机 构步进电机驱动器U16的STEP+和STEP-对应连接四轴运动控制卡U15的2、 3 脚，用于控制进给机构步进电机驱动器U16驱动进给机构步进电机M1的运动 步数，进给机构步进电机驱动器U16的DIR+和DIR-对应连接四轴运动控制卡 U15的4、 5脚，用于控制进给机构步进电机驱动器U16驱动进给机构步进电机 Ml的运动方向，进给机构步进电机驱动器U16的FREE+和FREE-分别接VCC+5V和四轴运动控制卡U15的52脚，其52脚用于使能步进电机Ml处于自由或锁 定状态，进给机构步进电机驱动器U16的供电电源由市电经变压器T1变换后 获得，步进电机驱动器U16的三相输出U、 V、 W接步进电机M1相应的端子； 砂轮修整器的步进电机驱动器U17的CP+、 CP-、 DIR+、 DIR-和EN-对应连接四 轴运动控制卡U15的6、 7、 8、 9、 54脚，砂轮修整器的步进电机驱动器U17 的EN+接VCC+5V，其中四轴运动控制卡U15的6、 7脚控制驱动砂轮修整器步进 电机M2的运动步数，8、9脚用于控制驱动砂轮修整器步进电机M2的运动方向， 54脚用于使能砂轮修整器步进电机M2处于自由或锁定状态，砂轮修整器的步 进电机驱动器U17的A+、 A-、 B+、 B-对应连接步进电机M2的两个绕组；导轮 修整器的步进电机驱动器U18的CP+、 CP-、 DIR+、 DIR-和EN-对应连接四轴运 动控制卡U15的11、 12、 13、 14、 57脚，导轮修整器的歩进电机驱动器U18 的EN+接VCC+5V，其中四轴运动控制卡U15的11、 12脚控制驱动导轮修整器步 进电机M3的运动步数，13、 14脚用于控制驱动导轮修整器步进电机M3的运动 方向，57脚用于使能导轮修整器步进电机M3处于自由或锁定状态，导轮修整 器的步进电机驱动器U17的A+、 A-、 B+、 B-对应连接步进电机M3的两个绕组； 该驱动系统由PC计算机系统的主机经PCI总线控制和监测各运动机构的运行 状态，并且能够实现各驱动机构的相互独立驱动调整，其中进给机构步进电机 驱动器U16采用新型驱动电路及交流伺服工作原理的三相混合式驱动器，使 驱动电机运行非常平滑、高速度、高扭矩，并可以实现最大50细分的高性 能驱动；砂轮修整器步进电机驱动器U17和导轮修整器步进电机驱动器 U18均采用最大128细分的两相混合式步进电机驱动器。
结合图7说明本发明所述的无心磨削加工方法，具体步骤如下 步骤(l)，系统启动和设置参数首先启动PC计算机系统，开启无心磨 床到准备工作状态，根据加工工件设置加工工件误差的上下限、砂轮和导轮的 磨削修整定时时间，开启检测系统和驱动系统，并通过通信接口变换器的接口
15J10、 PCI总线确认它们的工作是否正常并传输有关控制参数；
歩骤(2)，驱动导轮进给机构、砂轮修整器和导轮修整器若是在最初无 心磨削准备加工之前，则由人工根据加工工件的尺寸、砂轮导轮的磨损情况通 过计算机主系统控制进给机构的进给量、砂轮修整器和导轮修整器的驱动修 整；若是在无心磨削加工进行过程中，则根据自适应控制算法计算的调整量自 动控制导轮进给机构的调整量以及根据导轮、砂轮的修整定时时间自动控制砂 轮修整器和导轮修整器对导轮、砂轮进行修整；
步骤(3)，送料加工若是刚启动设备，则在人工调整导轮进给机构进给 量、修整砂轮和导轮之后，开始送料加工；若是在加工过程中因自动调整进给 量、修整砂轮导轮、三对限位开关Kl到K6中任一开关检测到动作输入而发 出的停止送料报警使送料加工中断，则在执行完调整导轮进给机构调整量、修 整导轮和砂轮以及消除限位开关的动作输入的一项或任意项组合之后，利用状 态指示使操作者重新开始送料加工；
步骤(4)，分时检测工件误差利用检测加工工件个数的方法执行分时检 测，具体步骤如下
(4-1)加工工件的计数利用料斗16上设置的计数器开关4对通过的工 件进行计数，每通过一个工件，计数器开关4动作一次，该信号经检测系统的 开关量输入接口 Jll送入单片机U10的一个I/O 口 P2.0，单片机U10内部设置 的计数器就加l;
(4-2)送检测工件至检测平台当计数器的值与设定的数值相等时，若 此时加工工件为合格品，料斗16处于打开状态，料斗17处于关闭状态，检测 系统的单片机U10的P4.0 口的开关量输出信号通过接口 J12控制气缸9关闭 进入料斗16的料斗门，使工件沿输送装置至检测平台；若这时加工工件处于 超差调整状态，为不合格品，料斗16的门处于关闭状态，料斗17的门处于打 开状态，检测系统的单片机UIO的P4.2 口开关量输出信号通过接口 J12的控制气缸8，关闭进入料斗17的料斗门，使工件沿输送装置至检测平台；为了仅 使一件工件传送至检测平台，利用定时器控制气缸9或气缸8控制开关料斗16 的料斗门或料斗17的料斗门的时间，定时器时间到时就控制气缸9打开料斗 16的料斗门或控制气缸8打开料斗17的料斗门，并将计数器的值复位为0，
按照步骤(4-1)继续检测加工工件个数；
(4-3)工件误差检测感应开关6若感应到检测平台上有工件，则通过 检测系统的单片机U10开关量输入接口 J11输入到单片机U10的P2.1 口，然 后单片机U10的P4.1 口输出开关量信号通过接口 J12控制定位机构的气缸5 将工件定位，将电感测位仪测量工件的误差信号，经接口 Jl送入检测系统的 信号处理电路进行处理，并把处理后的信号输入单片机UIO的P6.3 口，由单 片机U10内部的A/D转换器把输入的误差信号转换为数字量；误差检测完毕 后，释放对气缸5的控制，使其复位，并把检测工件送入料斗18;
(4_4)检测系统的处理和控制经由单片机UIO的P6. 3 口输入的误差信 号转换为数字量后，根据检测工件的误差范围，首先判断其是否超过其误差范 围，若是，则立即通过单片机U10P4.0 口和P4.2 口分别输出开关量信号通过 接口 J12关闭料斗门16，打开料斗门17，使超差的不合格工件送入料斗17; 若不是，则打开料斗门16、关闭料斗门17;同时单片机U10通过液晶接口 J4 显示检测的工件误差、料斗门16、料斗门17、检测平台感应开关的状态；然 后把检测的工件误差信号送至单片机U10的P3. 4 口 ，利用单片机U10的P3. 3 口控制RS-485接口芯片U5把误差信号转换为RS-485总线信号并送至J7接口 ， 以实现远距离传输；
步骤(5)，信号传输及变换通信接口变换器的接口 J6与检测系统的接 口 J7之间利用5类电缆线进行远距离连接，把检测系统检测的工件误差信号， 经通信接口变换器的J6接口送至RS485电平转换芯片U13，将接收的信号电 平转换为RS-232电平，再经USB与异步串行电平转换芯片U12把其转换为USB串行总线电平信号，并经接口 J10送入PC计算机系统的主机USB接口； 步骤(6)， PC计算机系统的控制处理经USB接口接收检测系统检测的 工件误差信号，并记录，然后按下列步骤执行
(6-1)根据当前接收的检测工件误差信号和之前记录的检测工件误差序
列，利用自适应控制算法计算进给机构的进给量，将计算机设置的记录砂轮和 导轮工作时间计数器加1，并判断是否与设定值相等，以补偿工件产生的误差
或修整砂轮和导轮；
(6-2)根据计算的进给机构进给量，确定是否执行进给机构的驱动若 计算的进给机构进给量大于设定的最小执行进给量，则准备执行进给驱动；否 则，不执行进给机构的驱动；
(6-3)根据计算机设置的记录砂轮和导轮工作时间计数器判断是否执行
砂轮和导轮的修整若该计数器的值与设定值相等，则判定需执行砂轮和导轮 的修整；否则，不需要执行砂轮和导轮修整；
(6-4)若根据(6-2)和(6-3)需要执行进给量调整或修正砂轮和导轮， 则由PC计算机系统的主机通过PCI总线把控制命令和参数传送给运动控制板 卡，控制驱动系统完成要求的操作，同时将记录砂轮和导轮工作时间的计数器 复位为零，重新开始计数；若根据(6-2)和(6-3)不需要执行进给量调整或 修正砂轮和导轮，则PC计算机系统继续等待接收新的检测工件误差信号；
(6-5)根据(6-2)、 (6-3)和(6-4)，以及驱动系统的状态监测，更新计 算机系统的状态显示、记录数据和送料报警指示；若需要执行驱动系统，则立 即发出送料停止报警指示；否则继续执行送料加工过程；
在无心磨削加工进行过程中，利用检测的工件误差序列，由计算机系统执 行自适应控制算法计算调整量大小。计算的调整量以及根据设定的砂轮、导轮 的修整时间，依以下情况执行
a.若仅调整导轮进给机构进给量，则根据调整进给量大小，把其变换为驱动步进电机M1的驱动步数，经PCI总线送给运动控制板卡U15，控制步进电 机驱动器U16驱动进给电机M1执行相应的步数，Kl、 K2为进给机构的前、 后限位开关，用于避免进给机构的超限运行， 一旦K1、 K2动作，则立即报警 并停止磨削过程；
b. 若仅驱动砂轮修整器和导轮修整器执行砂轮和导轮的修整，则根据设置 的修整时间、砂轮修整器和导轮修整器的驱动步数，把这些参数经PCI总线传 输给运动控制板卡U15，经U15分别控制砂轮修整器的步进电机驱动器U17、 导轮修整器的步进电机驱动器U18驱动步进电机M2、 M3执行相应的步数和 修整时间，在执行完后按相反方向驱动砂轮修整器、导轮修整器回到原始位置， K3、 K4为砂轮修整器的前、后限位开关，K5、 K6为导轮修整器的前、后限 位开关，四个限位开关K3、 K4、 K5、 K6分别用于砂轮修整器、导轮修整器 的安全限位， 一旦四个限位开关K3、 K4、 K5、 K6中的任一个动作，则立即 报警并停止磨削过程；
c. 若既要调整进给机构进给量，又要修整砂轮和导轮，则按照a首先驱动 进给机构，然后按照b执行砂轮和导轮的修整；
d. 若是限位开关Kl到K6的任一开关动作而引起停止送料加工，则根据状 态指示由人工按照步骤a到b的类似方法调整各机构到正常状态，解除故障报
步骤(7)，停止送料在加工过程中因自动调整进给量、修整砂轮导轮、 限位开关Kl到K6任一开关检测到动作输入而发出的停止送料报警，操作者 才停止送料，在等待送料停止报警解除后，重新继续送料；
步骤(8)，重复执行步骤(2)到步骤(7)，实现无心磨削加工的自动控制。
上述实例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精 神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，也应视为本发 明的保护范围。
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权利要求
1.一种无心磨削加工测控系统，其特征在于该系统包括工件误差检测系统，所述工件误差检测系统的检测信号输出接口通过一个通讯接口变换器与PC计算机系统的外部通讯接口电连接，所述的PC计算机系统的控制信号输出与砂轮修整器和导轮修整器以及进给机构驱动系统的控制信号输入电连接用于实现对砂轮和导轮的修整以及进给机构的调整。
2. 根据权利要求1所述的无心磨削加工测控系统，其特征在于所述 的工件误差检测系统包括用于检测工件误差的传感器，该传感器检测的误差输 出信号与一个信号处理隔离电路的信号输入电连接，所述信号处理隔离电路的 信号输出连入一个单片机的I/O 口，该单片机的其它I/O 口分别对应连接有用 于检测加工工件个数的计数开关输入信号、用于判断检测平台上是否有被检加 工工件的感应开关输入信号、用于控制分选和定位机构动作的开关量输出信 号、通信接口电路的输入信号和使能信号、键盘及显示装置。
3. 根据权利要求2所述的无心磨削加工测控系统，其特征在于所述 的信号处理隔离电路包括差分信号放大电路，所述差分信号放大电路的输入与 所述传感器的误差输出信号电连接，差分信号放大电路的输出信号与一个基准 电压源产生的输出信号叠加后与一个两级反相放大电路的输入相连接，所述的 两级反相放大电路的输出信号与一个压/频变换电路的输入电连接，该压/频变 换电路的输出信号通过一个光电隔离器与一个频/压变换电路的输入电连接， 所述频/压变换电路的输出信号通过一个射极跟随器连入单片机的一个I/O 口 。
4. 根据权利要求3所述的无心磨削加工测控系统，其特征在于所述 工件误差检测系统中单片机的一对振荡器输入端和振荡器输出端之间连有一 个高频晶振，它的另一对振荡器输入端和振荡器输出端之间连有低频晶振。
5. 根据权利要求1所述的无心磨削加工测控系统，其特征在于所述砂轮修整器和导轮修整器以及进给机构的驱动系统包括PCI总线运动控制卡，所述PCI总线运动控制卡与所述的PC计算机系统的PCI总线接口电连接，该 PCI总线运动控制卡的三组驱动输出信号对应连接进给机构电机驱动器、砂轮 修整器电机驱动器和导轮修整器电机驱动器，所述的PCI总线运动控制卡的输入对应连接进给机构的一对限位开关信号、砂轮修整器的一对限位开关信号和 导轮修整器的一对限位开关信号。
6. 根据权利要求1所述的无心磨削加工测控系统，其特征在于所述的通讯接口变换器包括RS485通信接口芯片，所述的RS485通信接口芯片和USB 与异步串口转换芯片电连接用于实现485电平信号到232电平信号再到USB电 平信号转换。
7. —种无心磨削加工方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1) 系统启动和设置参数启动PC计算机系统，设置加工工件误差的上下限、砂轮和导轮的磨削修整定时时间，开启检测系统和驱动系统，确认整个系统的工作状态并传输有关参数；(2) 驱动进给机构、砂轮修整器和导轮修整器若在无心磨削准备加工之 前，由人工根据加工工件的尺寸、砂轮导轮的磨损情况，通过PC计算机系统 控制进给机构的进给量、砂轮修整器和导轮修整器的驱动修整；若在无心磨削 加工进行过程中，则自动控制进给机构的调整量以及根据导轮、砂轮的修整定 时时间自动控制砂轮修整器和导轮修整器对导轮、砂轮进行修整；(3) 送料加工若刚开始进行加工，则在人工调整进给机构进给量、修整 砂轮、导轮后，开始送料加工；若是在加工过程中因自动调整进给量、修整砂 轮和导轮、或因为检测到限位开关的信号输入导致的送料加工中断，则在系统 恢复正常状态后，重新开始送料加工；(4) 分时段检测加工工件误差利用计数开关对经过它的加工工件进行计 数，当加工工件的计数值达到设定的数值时，将该加工工件送到检测平台，同时计数器清零，重新开始计数直到下一次计数达到设定值；若检测系统的感应 开关感应到加工工件，则检测系统的单片机输出开关量信号控制定位机构给被 检的加工工件定位，然后由误差检测传感器对工件进行测量并将测量的误差信 号，经过滤波、放大、变换、隔离后送入检测系统的单片机，然后根据检测工 件的误差范围，判断工件是否超过误差范围，若不超差使合格工件进入一个回 收料斗，若超差则使超差的不合格工件进入另一个回收料斗并停止送料，同时 将误差信号通过接口变换器输出到PC计算机系统进行处理；(5) PC计算机系统控制处理PC计算机系统计算调整量并判断是否到达 设定的修整砂轮和导轮的定时时间，然后按以下情况执行(5-1)若仅调整进给机构进给量，则根据调整进给量大小将其变换为驱动 进给机构步进电机的驱动步数，然后经PCI总线送给运动控制板卡，由进给机 构步进电机驱动器控制电机执行相应的步数；(5-2)若仅驱动砂轮修整器和导轮修整器执行砂轮和导轮的修整，则根据 设置的修整时间、砂轮修整器和导轮修整器的驱动步数经PCI总线送给运动控 制板卡，分别由砂轮修整器电机驱动器和导轮修整器电机驱动器驱动相对应的 步进电机执行砂轮、导轮的修整，执行完成后按相反方向驱动砂轮修整器和导 轮修整器回到原始位置；(5-3)若既要调整进给机构进给量，又要修整砂轮和导轮，则按照(l)首先 调整进给机构进给量，然后按照(2)再执行砂轮和导轮的修整；(5-4)若由进给机构、砂轮修整器、导轮修整器它们的限位开关的任一开关动作而引起停止送料加工，则根据具体情况由人工通过键盘输入调整三个机构到正常状态；(6) 重复执行(2)到(5)，实现无心磨削加工全过程的自动控制，直至工件 全部合格。
全文摘要
本发明涉及一种无心磨削加工测控系统及相应的无心磨削加工方法，所述的无心磨削加工方法结合无心磨削加工工件误差产生的原因主要是由砂轮和导轮的磨损而引起的事实，通过无心磨削加工系统中的工件误差检测系统采样、处理误差信号，将误差信号通过通讯接口变换器，发送到PC计算机系统，由PC计算机系统计算调整量，输出信号控制砂轮修整器和导轮修整器以及进给机构驱动系统实现对砂轮和导轮的修整以及进给机构的调整，本发明主要用来解决现有的系统及其实现方法存在控制方法复杂且为一体化设计的问题。
文档编号B24B1/00GK101559578SQ20091006509
公开日2009年10月21日 申请日期2009年6月2日 优先权日2009年6月2日
发明者傅江涛, 唐盛禹, 宁永海, 张松春, 徐素莉, 森 沈, 甘从辉, 郑国强, 郜彦华, 马华红 申请人:河南科技大学