专利名称：一种面向微型无心内圆磨床的锥度误差自适应控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种面向微型无心内圆磨床的锥度误差自适应控制装置。
背景技术：
在现代磨削加工中，内圆磨削一直被认为是比较困难的，对微型轴承套圈之类的微小孔薄壁零件的磨削加工更是如此，它们大多采用无心内圆磨床。这类磨床一般都以工件台径向进给、磨头轴向往复进给的方式完成内圆磨削，当工件轴心线与磨头运动中心不同轴时则会在工件内表面产生锥度，如果不及时调整，将会导致工件报废。目前，这种调整只能依靠人工凭经验进行离线调整，由于缺乏定量化的辅助工具，常常需要多次反复试凑才能完成，造成工件和工时的浪费。事实上，在内圆磨削加工中，砂轮轴的变形、砂轮的不均匀磨损、微小孔不同切深冷却环境的不一致、机床热变形以及运动误差等因素都会对工件内孔的锥度产生影响，如果能够通过在线测量工件的锥度误差，以此作为反馈信号实现对 工件台架转角的自适应控制，来减少甚至消除工件加工中的锥度误差，则无疑可以更好地保证加工精度。这正是提出本专利的出发点。在现有技术中，CN2915371Y实用新型专利提出了一种砂轮修整器的锥度调节装置，该装置用于在机械加工磨床上调节砂轮修整器，使其能够将砂轮修整为加工工件所需要的锥度；CN101829932A发明专利提出了一种全自动数控轧辊磨床砂轮主轴可变角度自动控制系统，该系统能够自动控制砂轮主轴的角度，使得在磨削加工时，砂轮工作表面始终保持与轧辊表面相切；CN101462255A发明专利提出了一种磨削过程位置和姿态误差自动调整方法及系统，该方法和系统提出利用角位移传感器和直线位移传感器检测工件的位置和姿态，并通过执行机构调整工件的位置和姿态，但是这种检测方法需要暂停加工过程，控制工件碰触接触轴并推动接触轴运动，然后通过检测接触轴的运动来间接检测工件位置和姿态，不仅过程繁杂，还降低了生产效率，并且工件移动后的重复定位精度难以得到保障；JP05208350A发明专利提出了一种自动锥度磨削加工的方法和装置，通过旋转工件台使得工件进给方向与工件轴成一夹角，用于进行带锥度外圆的磨削JP10230458A发明专利提出了一种锥度磨削装置，利用接触器碰触工件，测得工件的位置，然后根据设定的锥度和直径，计算出砂轮进给的路径，通过砂轮和工件的相对运动完成锥度磨削。以上专利都不能够在无心内圆磨床上实现锥度误差的自适应控制。对微型轴承套圈的内圆磨削而言，当产生锥度时，需要精度更高的锥度调整机构。压电陶瓷作为一种常用的驱动执行器，具有体积小、重量轻、结构简单、分辨率高、易于控制、响应速度快、推力大、无需润滑、没有发热等优点，但是其行程一般只有几十微米，因此需要采用一些精巧机构的辅助来实现大行程的进给。本专利提出一种能够应用在微型无心内圆磨床上的锥度自适应控制装置，它以压电陶瓷作为驱动元件，以PLC作为控制器，通过在线测量工件的锥度误差后，对工件台的转角进行自适应控制，以保证工件的加工质量。发明内容本实用新型的目的在于提供一种面向无心内圆磨床的，特别是在微型轴承的高速磨削加工中，能够自动完成工件锥度误差的在线测量及自适应控制的装置。为了达到上述目的，本实用新型所述的面向微型无心内圆磨床的锥度误差自适应控制装置结构如下该锥度误差自适应控制装置的控制器为PLC(l)，所述PLC(I)分别与砂轮轴步进电机驱动器(2)、砂轮电主轴驱动器(3)、二次仪表(4)、量仪步进电机驱动器(5)、光栅尺控制器(6)和压电陶瓷驱动电源(7)连接；所述 砂轮轴步进电机驱动器(2)与砂轮轴步进电机(27)连接；所述砂轮电主轴驱动器(3)与砂轮电主轴(24)连接；所述二次仪表
(4)与量仪(17)连接；所述量仪步进电机驱动器(5)与量仪步进电机(14)连接；所述光栅尺控制器(6)与圆形光栅尺(12)连接；所述压电陶瓷驱动电源(7)与压电陶瓷(8)连接；所述压电陶瓷(8)与柔性铰链放大机构(9)连接；所述柔性铰链放大机构(9)与锥度调节悬臂(10)连接；所述锥度调节悬臂(10)是可旋转工件台(11)的一部分；所述可旋转工件台(11)上有圆形光栅尺(12)、旋转轴(13)、量仪步进电机(14)、量仪导轨(15)、量仪滚珠丝杆(16)、量仪(17)和工件后挡板(19);所述量仪(17)与量仪测量头(18)连接；所述工件后挡板(19)用于支承工件(21);所述工件(21)由左滚轮(20)和右滚轮(22)带动旋转；砂轮轴步进电机(27)与砂轮轴滚珠丝杆(25)连接；所述砂轮轴滚珠丝杆(25)与砂轮电主轴(24)连接；所述砂轮电主轴(24)沿砂轮轴导轨(26)运动；所述砂轮电主轴(24)上安装有砂轮(23)。该装置中的砂轮轴步进电机(27)和量仪步进电机(14)都可以用伺服电机代替；该装置中的砂轮轴步进电机驱动器⑵和量仪步进电机驱动器(5)可以用伺服电机驱动器代替。所述PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)是一种数字运算操作的电子控制器。本装置所用的PLC是应用本锥度误差自适应控制装置进行自适应控制的无心内圆磨床的控制器PLC，而不需另行配置PLC，降低了成本。所述PLC主要由CPU模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块组成。PLC接收量仪的测量结果并计算锥度，判断是否需要锥度调节；如果需要锥度调节，PLC将会计算锥度调节的方向和输出到压电陶瓷驱动电源的驱动电压，并向压电陶瓷驱动电源发送相应的驱动电压模拟量。所述各步进电机驱动器分别与各自的步进电机连接，所述各自的步进电机又与各自的滚珠丝杆连接。所述各步进电机驱动器接收PLC的指令，控制各自的步进电机通过滚珠丝杆的传动完成相应的进给和启停动作。所述二次仪表与量仪连接。主要接收PLC的测量指令控制量仪完成测量，并将测量结果输入PLC的模拟量输入模块。量仪可以采用气动量仪、电感量仪或者电容量仪等。所述圆形光栅尺通过记录静尺和动尺相互移动所产生的莫尔斯干涉条纹数来测量压电陶瓷通过柔性铰链放大机构最终实现的锥度调节量，并反馈给PLC，通过PID闭环控制保证锥度调节的精度。本实用新型按工作流程分为测量、计算、调节三个阶段。各个阶段的工作原理如下测量当完成一个工件的内圆磨削加工后，或者按照系统设定完成了 N(设定每完成N个工件进行一次锥度调节)个工件的加工后，系统进入测量阶段。首先，PLC通过量仪步进电机控制量仪测量头行进至工件内孔第一测量截面A，读取直径测量结果Dl ;然后，PLC继续控制测量头行进距离L至第二测量截面B，读取直径测量结果D2 ;最后，PLC控制测量头返回初始位置。计算PLC根据直径测量结果DI、D2和行进距离L计算工件锥度M，然后比较M是否大于系统设定的需要进行锥度调节的阈值K ;若是，则根据工件台上压电陶瓷与旋转轴的距离H计算出压电陶瓷的调节位移S和调节方向，然后PLC根据该调节位移S、调节方向和压电陶瓷的当前伸长量Fl计算出新的伸长量F2，最后PLC将根据压电陶瓷的伸缩特性得到对应新的伸长量的应当输出到压电陶瓷驱动电源的驱动电压V ;否则，继续加工下一工件。调节PLC输出压电陶瓷驱动电压V的模拟量至压电陶瓷驱动电源，压电陶瓷驱动电源将按照驱动电压V向压电陶瓷提供相应的电压，控制压电陶瓷的伸缩，并通过光栅尺反馈和PID控制保证压电陶瓷的调节精度。该实用新型实现了微型无心内圆磨床的锥度误差自适应控制，具有如下优点I)在线测量，简单高效本装置在微型无心内圆磨床上实现工件锥度的在线测量，无需停机，测量过程简单快速，既不影响生产加工过程，也保证了加工效率。2)自动调节，准确快速本装置无需人工操作，整个测量、计算和调节过程完全自动化，可以设定一个或间隔多个工件后进行一次调节，几乎不影响生产节拍；同时测量准确，响应快速，消除人因误差，能够确保高精度的加工；压电陶瓷的放大机构采用柔性铰链，没有间隙，减少了传动误差；同时采用光栅尺反馈和闭环PID控制保证锥度调节的准确性。3)移植性好，成本较低本装置是针对微型无心内圆磨床所设计，但其也可经过改制应用于其他类型的内圆磨床或者外圆磨床上，具有一定的可移植性。而且，本装置的PLC、伺服系统等组件直接借用了该型磨床的控制系统组件，附加成本也较低。
图I是本实用新型的结构示意图；图2是本实用新型的无心夹持示意图；图3是本实用新型的锥度测量示意图；图4是本实用新型的柔性铰链放大机构示意图；图5是本实用新型的PLC接线示意图；图6是本实用新型的工作流程示意图。图I中1、PLC ;2、砂轮轴步进电机驱动器；3、砂轮电主轴驱动器；4、二次仪表；5、量仪步进电机驱动器；6、光栅尺控制器；7、压电陶瓷驱动电源；8、压电陶瓷；9、柔性铰链放大机构；10、锥度调节悬臂；11、可旋转工件台；12、圆形光栅尺；13、旋转轴；14、量仪步进电机；15、量仪导轨；16、量仪滚珠丝杆；17、量仪；18、量仪测量头；19、工件后挡板；20、左滚轮；21、工件；22、右滚轮；23、砂轮；24、砂轮电主轴；25、砂轮轴滚珠丝杆；26、砂轮轴导轨；27、砂轮轴步进电机。图2中19、工件后挡板；20、左滚轮；21、工件；22、右滚轮；23、砂轮；28、料道；29、推料杆；30、工件支承；31、前挡板。图4中8、压电陶瓷；32、柔性铰链；33、定位螺孔；34、连接螺孔；35、锥度调节推板。
具体实施方式
本实用新型的一种面向微型无心内圆磨床的锥度误差自适应控制装置的结构示意图如图I所示，在该装置中，PLC(I)分别与砂轮轴步进电机驱动器(2)、砂轮电主轴驱动器(3)、二次仪表(4)、量仪步进电机驱动器(5)、光栅尺控制器(6)和压电陶瓷驱动电源
(7)连接；所述砂轮轴步进电机驱动器(2)与砂轮轴步进电机(27)连接；所述砂轮电主轴驱动器(3)与砂轮电主轴(24)连接；所述二次仪表(4)与量仪(17)连接；所述量仪步进电机驱动器(5)与量仪步进电机(14)连接；所述光栅尺控制器(6)与圆形光栅尺(12)连接；所述压电陶瓷驱动电源(7)与压电陶瓷(8)连接；所述压电陶瓷(8)与柔性铰链放大 机构(9)连接；所述柔性铰链放大机构(9)与锥度调节悬臂(10)连接；所述锥度调节悬臂
(10)是可旋转工件台(11)的一部分；所述可旋转工件台(11)上有圆形光栅尺(12)、旋转轴(13)、量仪步进电机(14)、量仪导轨(15)、量仪滚珠丝杆(16)、量仪(17)和工件后挡板
(19);所述量仪(17)与量仪测量头(18)连接；所述工件后挡板(19)用于支承工件(21)；所述工件(21)由左滚轮(20)和右滚轮(22)带动旋转；砂轮轴步进电机(27)与砂轮轴滚珠丝杆(25)连接；所述砂轮轴滚珠丝杆(25)与砂轮电主轴(24)连接；所述砂轮电主轴(24)沿砂轮轴导轨(26)运动；所述砂轮电主轴(24)上安装有砂轮(23)。本实用新型的无心夹持示意图如图2，工件(21)由左滚轮(20)和右滚轮(22)带动旋转，由工件后挡板(19)进行轴向定位，由工件支承(30)保持工件在加工位置。本实用新型的锥度测量示意图如图3，量仪步进电机(14)通过量仪滚珠丝杆(16)的传动控制量仪(17)运动，使得量仪测量头(18)可以进出工件(21)。PLC(I)控制量仪测量头(18)进给到图中第一测量截面A，读取直径测量结果Dl ；PLC(1)接收到测量结果Dl后，控制量仪(17)行进距离L至第二测量截面B，到位后再次读取直径测量结果D2 ；PLC(1)在接收到测量结果D2后由公式M= tana = | D2-D11/2L计算得到工件的内孔锥度M，并控制量仪(17)返回初始位置。本实用新型的柔性铰链放大机构示意图如图4，该机构中的柔性铰链(32)具有无间隙传动的优点，同时也具有很好的刚性，能够将压电陶瓷(8)的行程放大一定的倍数。该机构主要通过杠杆原理进行二级放大，将压电陶瓷(8)的小行程放大至能够满足锥度调节的大行程。定位螺孔(33)的作用是定位该机构，使得压电陶瓷(8)的伸缩能够放大到锥度调节推板(34)。所述锥度调节推板(35)通过连接螺孔(34)与可旋转工件台(11)的锥度调节悬臂(10)连接，能够推动可旋转工件台(11)绕旋转轴(17)旋转一个微小角度。本实用新型的PLC接线示意图如图5，显示了在本实用新型的装置中，PLC与其他设备的连线。如图所示，PLC通过脉冲、方向和使能三个数字量输出信号分别控制砂轮轴步进电机驱动器和量仪步进电机驱动器；PLC通过模拟量调速、方向和使能三个信号控制砂轮电主轴驱动器，其中模拟量调速为一个模拟量输出信号，方向和使能是两个数字量输出信号；PLC通过驱动电压和启停两个信号控制压电陶瓷驱动电源，其中驱动电压为一个模拟量输出信号，启停为一个数字量输出信号；PLC通过测量结果信号与二次仪表连接，为模拟量输入信号；PLC接收一个来自光栅尺控制器的位置反馈信号，为模拟量输入信号。本实用新型的工作流程示意图如图6，其工作步骤为I)系统上电自检，开始工件的磨削加工；2)完成一个工件的磨削加工后，磨削循环次数(计数器)加一；3)判断磨削循环次数是否达到系统设定的需要进行锥度调节的次数N ；4)若是，则砂轮跳出，PLC通过量仪步进电机控制量仪进给至第一测量截面A，读取直径测量结果Dl ;否则，继续下一工件的磨削加工；5) PLC继续控制量仪行进距离L至第二测量截面B，读取直径测量结果D2 ；6) PLC根据直径测量结果Dl、D2和行进距离L计算锥度M= tan a = |D2_Dl|/2L;7) PLC比较锥度计算结果M和系统设定的需要进行锥度调节的阈值K ;若M > K，则进行下一步计算并进行锥度调节；否则，继续下一工件的磨削加工；8)若M > K，PLC根据压电陶瓷和旋转轴的距离H以及工件锥度M计算调节位移S = HM，并根据工件两测量截面内径大小的比较结果确定调节方向(如系统结构图图I所示，工件左侧截面为A，右侧为B，若Dl >D2，则压电陶瓷应伸长，若Dl <D2，则压电陶瓷应缩短)；9)PLC根据调节位移S、调节方向和压电陶瓷现有伸长量Fl确定压电陶瓷应当达到的新的伸长量F2 = F1+S (调节方向为伸长)或F2 = Fl-S (调节方向为缩短)；10)PLC根据压电陶瓷的伸缩特性得到新的伸长量F2对应的压电陶瓷驱动电压V ；11)PLC输出相应的压电陶瓷驱动电压V模拟量至压电陶瓷驱动电源；12)压电陶瓷驱动电源向压电陶瓷提供新的驱动电压使压电陶瓷达到新的伸长量F2 ；13) PLC通过光栅尺反馈和PID控制保证锥度调节精度。
权利要求1.一种面向微型无心内圆磨床的锥度误差自适应控制装置，其特征在于该装置的控制系统为PLC(I)，所述PLC(I)分别与砂轮轴步进电机驱动器(2)、砂轮电主轴驱动器(3)、二次仪表(4)、量仪步进电机驱动器(5)、光栅尺控制器(6)和压电陶瓷驱动电源(7)连接；所述砂轮轴步进电机驱动器(2)与砂轮轴步进电机(27)连接；所述砂轮电主轴驱动器(3)与砂轮电主轴(24)连接；所述二次仪表(4)与量仪(17)连接；所述量仪步进电机驱动器(5)与量仪步进电机(14)连接；所述光栅尺控制器(6)与圆形光栅尺(12)连接；所述压电陶瓷驱动电源(7)与压电陶瓷(8)连接；所述压电陶瓷(8)与柔性铰链放大机构(9)连接；所述柔性铰链放大机构(9)与锥度调节悬臂(10)连接；所述锥度调节悬臂(10)是可旋转工件台(11)的一部分；所述可旋转工件台(11)上有圆形光栅尺(12)、旋转轴(13)、量仪步进电机(14)、量仪导轨(15)、量仪滚珠丝杆(16)、量仪(17)和工件后挡板(19);所述量仪(17)与量仪测量头(18)连接；所述工件后挡板(19)用于支承工件(21);所述工件(21)由左滚轮(20)和右滚轮(22)带动旋转；砂轮轴步进电机(27)与砂轮轴滚珠丝杆(25)连接；所述砂轮轴滚珠丝杆(25)与砂轮电主轴(24)连接；所述砂轮电主轴(24)沿砂轮轴导轨(26)运动；所述砂轮电主轴(24)上安装有砂轮(23)。
2.如权利要求I所述的一种面向微型无心内圆磨床的锥度误差自适应控制装置，其特征在于该装置中的砂轮轴步进电机和量仪步进电机都可以用伺服电机代替。
3.如权利要求I所述的一种面向微型无心内圆磨床的锥度误差自适应控制装置，其特征在于该装置中的砂轮轴步进电机驱动器和量仪步进电机驱动器可以用伺服电机驱动器代替。
4.如权利要求I所述的一种面向微型无心内圆磨床的锥度误差自适应控制装置，其特征在于该装置中的量仪可以采用气动量仪、电感量仪或电容量仪等。
专利摘要本实用新型公开了一种面向微型无心内圆磨床的锥度误差自适应控制装置。在该装置中，PLC(1)分别与砂轮轴步进电机驱动器(2)、砂轮电主轴驱动器(3)、二次仪表(4)、量仪步进电机驱动器(5)、光栅尺控制器(6)和压电陶瓷驱动电源(7)连接；压电陶瓷(8)与柔性铰链放大机构(9)连接；柔性铰链放大机构(9)固定于锥度调节悬臂(10)上；可旋转工件台(11)上有圆形光栅尺(12)、旋转轴(13)和量仪(17)；砂轮电主轴(24)上安装有砂轮(23)。本实用新型可以在微型无心内圆磨床进行磨削加工时，通过在线测量工件的锥度误差，对工件台的转角进行自适应控制，以保证工件的加工质量。
文档编号B24B49/02GK202556244SQ201220050389
公开日2012年11月28日 申请日期2012年2月15日 优先权日2012年2月15日
发明者余忠华, 谢超, 汪虹, 李罡, 李啸镛 申请人:浙江大学, 摩士集团股份有限公司