CN85108547A - 磨削烧伤适应控制系统 - Google Patents

Abstract

本系统以比磨削功率P′g作为磨削烧伤适应控 制参数，确定在某些磨削加工条件下的烧伤适控参 数临界值，采用微型计算机的磨削烧伤适应控制装 置，对磨削加工过程实行实时控制。该系统具有辨 识、决策和修正的智能，能识别加工“环境”的某些变 化。当预测出将会发生磨削烧伤危险时，则按照适控 决策和参数估值，自动修正被控加工参数，以避免烧 伤。当砂轮磨钝至一定程度时，会自动提醒进行砂轮 修整。该系统不仅在新型磨床设计中可以采用，对现 行生产所用的磨床几乎不经改装也可采用。

Description

随着现代科学技术的发展和社会生产的需要，对磨削加工表面质量提出了日益增长的要求。若生产中磨削不当，往往会导致过量的磨削热传入工件，引起工件表面层金相组织的变化-磨削烧伤。

一般的磨削烧伤判别方法，都是在磨削完毕后施行的。由于磨削烧伤的“不可逆性”，一旦检测出工件表面层的烧伤，则已是既成事实，将使工件报废。若为了避免磨削烧伤，而根据较差的加工条件（如较差的砂轮切削性能等）采用了过小的磨削深度，则会降低生产率。因此如何在实际磨削加工生产中，既保持较高的生产率，又能在磨削过程中主动地避免磨削烧伤的发生，这就是本发明研制的目的。

通过联机检索Dialog351文档，采用叙词“磨削”、“适应性”和“控制”的逻辑组合查阅迄今以来的世界专利，获得有关专利文献19篇;又采用叙词“磨削”、“烧伤”和“电脑控制”的逻辑组合，没有查得一篇有关的专利文献;再采用叙词“磨削”和“电脑控制”的逻辑组合，查得有关专利文献85篇。经查阅上述104篇专利内容后，未发现与本发明内容相同的报道。对国内外文献和出版物也未查到相同的有关报道。因此可以认为，国内外许多学者虽然对磨削烧伤作过许多研究，但如何把磨削烧伤的事后检测，改为在磨削加工过程中检测并及时防止烧伤的发生，在磨削过程中实行自适应控制且付诸实施的尚未见报道。

本发明在磨削烧伤机理研究的基础上，提出以比磨削功率P′_g（N·M/MM·S）作为磨削烧伤适应控制参数，这一参数既能反映导致烧伤的一些基本规律，又便于在实际生产中进行检测和控制。并确定了在某些加工条件下的烧伤适应控制参数临界值P′_g，cr。同时，根据磨削加工过程的特点，设计制作了采用微型计算机的磨削烧伤适应控制装置，用以对磨削加工过程实行实时控制，其内容包括：硬件设计;适应控制执行机构;软件设计;适应控制方案的确立;信号检测和处理。该系统具有辨识、决策和修正的智能。即，能根据检测到的来自加工系统的输入输出状况，在线辨识加工过程模型中的未知参数，识别加工“环境”的某些变化。当预测出将会发生烧伤危险时，按照适控决策和参数估值

，自动修正被控加工参数-磨削深度t，从而避免磨削烧伤的发生。当砂轮磨钝至一定程度时，微型计算机则会自动提醒操作者对砂轮进行修整。

磨削烧伤适应控制参数

以比磨削功率P′_g作为烧伤适应控制参数，既能反映导致烧伤的一些基本规律，又便于在实际生产中进行检测和控制。

这一参数具有以下特点：

（1）物理意义明确

P′_g是单位时间内单位磨削宽度上的磨削能量，表征了磨削能量强度。

在一定的磨削条件下，P′_g与磨削温度T_fm是相对应的，可表达为：

$T_{\mathrm{f\; m}}=\frac{{\mathrm{2\; R}}_W\sqrt{k}}{\mathrm{g\; J}\sqrt{\pi }\lambda }(\frac{P_g}{B}{\mathrm{)·V}}_W\mathrm{\alpha \; \prime \; ·\; t}{}^{\beta }\mathrm{\prime (}\frac{1}{D_S}+\frac{1}{D_W}{)}^{\mathrm{1\; /\; 4}}$

＝C′·P′_g·V_wα′·t^β′（1）

式中：R_w-磨削热传入工件的比例;

J-热功当量，427kg·M/Kcal;

g-重力加速度，9.8M/s²;

B-砂轮与工件的接触宽度（mm）;

λ-工件的导热系数（cal/M·S·℃）;

K-工件的导温系数（M²/S）;

P_g-磨削功率（W）;

V_w-工件速度（M/S）;

t-磨削深度（mm）;

D_s、D_w-砂轮、工件的直径（mm）;

控制了P′_g，也就控制了T_fm，而磨削热就是引起烧伤的直接原因。因此，参数P′_g直接把磨削能量同磨削烧伤联系起来。

同理，可得磨削烧伤适控参数临界值P′_g，cr：

P′_g，cr＝C-1·V_w-α·t-β·T_fm，cr（2）

式中：T_fm，cr-磨削烧伤临界温度。

（2）根据：P′_g＝F_z′·V_s（3）

式中：F_z′-切向比磨削力（N）;

V_s-砂轮线速度（M/s）。

可以知道，在砂轮线速度不变的情况下，比磨削功率P′_g的变化实质上反映了切向比磨削力F′_z的变化。

（3）P′_g与主要的加工用量V_s、V_w和t等有直接的联系，能反映磨削加工中的一些基本规律。在实际生产中，调节任一个加工用量，都能调整和控制P′_g。

（4）P′_g在一定程度上反映了砂轮磨钝程度和切削性能变化。这对预测和及时防止磨削烧伤是很重要的。

（5）灵敏度高

本发明研制的以P′_g为适控参数的适控系统能检测出磨削功率小至2～3瓦的微小变化。

因此，从式（1）、（3）可以看出，本发明不仅是以比磨削功率P′_g为适控参数，而且也是以比切向磨削力F′_z和磨削温度T_fm为适控参数的磨削烧伤适应控制系统。

硬件设计及适控执行机构

微机控制装置的硬件电路有信号放大（1）、输入级光电耦合（2）、A/D转换（3）、砂轮自动进给（5）、输出级光电耦合（6）、控制信号功率放大（7）等电路及Z80微型计算机（4）、步进电机（8）、磨削功率指示仪（9），如图1所示。

信号放大电路的增益是可调的，其大小要视系统的灵敏度要求、输入信号强度范围、输入级光电耦合电路中光电耦合器的工作特性（如工作死区、线性工作段等）及A/D转换器的输入电平要求而综合考虑，其最佳状态数值范围为4～9。这一数值对整个控制系统的工作特性影响较大。

在信号的输入级，采用了线性光电耦合器的输入级光电耦合电路中设计有一电平移位电路（10）、这样解决了模拟量信号采用光耦合（11）时因非线性而引起的信号失真问题，且提高了该系统的抗干扰能力。它的电路示意如图2。

适应控制执行机构有砂轮自动进给电路、步进电机和磨床砂轮进给机械传动链。

砂轮自动进给电路（5）与Z₈₀微型计算机（4）、步进电机（8）相连接，可调节磨床工作循环节拍及砂轮自动进给量，且进给量精确、工作可靠，能消除因电路中的机械开关的跳动而引起的误动作。

本发明所设计的适控执行机构，采用了简单、合理而有效的方法，不仅新型磨床的设计中可应用，而且现行生产中所用的磨床几乎不用改装即可应用。

本发明在硬、软件设计上都采取了一定的抗干扰、防失控措施以适应环境恶劣的实际生产现场情况（例如电动机、继电器等电磁干扰强烈，强电、弱电交叉影响的工业现场情况）。经过本发明的实际运行证明，这些措施是有效的。

软件设计、适应控制方案的确立及输入信号检测处理

磨削烧伤适应控制软件原理框图有：被控磨削过程（12）、烧伤判别（13）、对象参数在线辨识（14）、控制决策（15）等，如图3所示。

对磨削加工过程可用两种数学模型描述：

a）差分方程

y（k）+a₁y（k-1）+……+a_ny（k-n）＝b·u（k）+b₁u（k-1）+……+b_nu（k-n） （4）

式中：y（k）-k时刻系统的输出，即磨削功率值;

u（k）-k时刻系统的输入，即加工参数;

n-系统的阶;

k-离散时间;

a_i、b_j（i＝1，……，n;j＝0，1，……，n）为常系数。

若对式（4）进行Z变换，并假设为零值初始条件，则得系统的脉冲传递函数W（Z）：

W（Z)= (Y(Z))/(U(Z)) = (b₀+b₁Z^-1+……+b_nZ^-n)/(1+a₁Z^-1+……+a_nZ^-n) （5）

式（4）描述的模型参数是用最小二乘法在线辨识来估计的。

b）指数方程

P′_g＝C·V_sα·V_wβ·tγ （6）

式（6）中的α、β、γ是由离线辨识而得出的指数。而根据实验结果和理论分析，式（6）中的参数C反映了加工“环境”中砂轮及其它对烧伤有影响的因素的变化，其数值具有不确定性，是需要在磨削过程中根据系统的输入输出状况进行在线辨识的。当适控系统预测出将出现烧伤危险时，则根据参数估值C，立即自动调整被控加工参数t（磨削深度）。

以上两种数学模型都描述了磨削功率与加工参数间的关系。根据磨削加工过程的几个特点（例如：具有不确定性因素，磨削烧伤的“不可逆性”，及过程短暂等）对烧伤适控提出的要求，及考虑到系统装置的经济性、生产实用性等，本发明主要采用指数方程的数学模型。

根据对烧伤影响的显著性，和实际生产中应用的可行性、经济性，本发明是以磨削深度t作为被控加工参数的。

对适控系统的输入信号-磨削功率进行了频谱分析。根据采样定理、频谱分析结果及微机适控程序的工作量、A/D转换速度，确定了采样周期T，并对输入信号采用了以下两种数字滤波方法：

a）均值数字滤波

$\mathrm{y\; (\; k\; )\; =}\frac{1}{n}\underset{\mathrm{i\; =\; 0}}{\overset{\mathrm{n\; -\; 1}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{X\; (\; k\; -\; i\; )}$ (7)

式中：X（k）、y（k）是k时刻采样时滤波器的输入、输出。

b）一阶差分方程数字滤波

y（k）＝（1-Q）y（k-1）+QX（k）    （8）

其中Q为：Q≈T/τ

式中：τ-RC滤波器的时间常数。

对式（8）作Z变换，得脉冲传递函数为：

W（Z）＝ (Y（Z）)/(X（Z）) ＝ (QZ)/(Z-（1-Q）) （10）

实践表明，这两种方法具有较好的滤波效果，提高了系统的抗噪声干扰能力。

实施例

本发明研制的磨削烧伤适应控制系统的实施例是在卧轴矩台平面磨床上进行的。工件材料为GC_r15，零件磨削宽度为B，砂轮为GB60ZR₁AP220×25×75。根据零件的使用要求，对加工中的磨削温度加以限制，例如任意限定磨削温度T_fml≤480℃。

本实施例中步进电机转过一个步距角时砂轮进给量为2μm。

假定初始采用工件速度V_w1，磨削深度t₁，砂轮速度V_s1。

加工前，操作人员先把V_w1、t₁、V_s1、T_fm1及磨削宽度B值通过TP₈₀₁单板微型计算机键盘输入其内存中，然后按下适控程序起始地址及“EXEC”键后，适控系统进入运行状态。此时启动磨床，磨削加工就进入自动控制过程，操作人员的操作完毕。

当适控系统进入运行后，微型计算机会根据V_w1、t₁、V_s1、T_fm1、B及贮存在内存中的实验数据库，自动计算出相应的烧伤临界比磨削功率P′_g，cr值，并确定出容许的误差范围△P′_g。若t₁为一过大的加工用量，则当砂轮磨削工件时，适控系统预测出P′_g≥P′_g，cr+△P′_g，立即自动将t₁修正为t₂（t₁＞t₂），使P′_g落入（P′_g，cr-△P′_g，P′_g，cr+△P′_g），并以t₂完成此一磨削行程。以后每当完成一个磨削行程而进入下一个行程时，砂轮均会自动进给t₂。

当砂轮逐渐磨钝，磨削功率逐渐增加，以t₂进行磨削其功率也超值时，适控系统会根据参数估值

判定砂轮磨钝程度，自行将t₂修正为t₃（t₂＞t₃）。当砂轮磨钝至一定程度时，微型计算机会通过显示器自动提醒操作人员对砂轮进行修整。

磨削烧伤适应控制系统实际运行结果如下表

适应控制系统实际运行结果

Claims (11)

1、在磨削加工过程中为避免磨削烧伤的一种磨削烧伤适应控制系统，其特征在于：

根据理论研究和实验提出了以比磨削功率P′_g作为磨削烧伤适应控制参数，确定了烧伤适应控制参数临界值P′_g,cr，制作了内容包括：硬件设计、适应控制执行机构、软件设计、适应控制方案的确立、信号检测和处理的磨削烧伤微机适应控制装置。

2、根据权利要求1所说的磨削烧伤适应控制系统，其特征在于：根据式（3），比磨削功率P′_g和切向比磨削力F′_z有直接的定量关系，所以本发明不仅是以比磨削功率P′_g为适控参数，而且也是以切向比磨削力F_z′为适应控制参数。

3、根据权利要求1所说的磨削烧伤适应控制系统，其特征在于：根据式（1），比磨削功率P′_g与磨削温度T_fm有直接的数学表达式，所以本发明不仅是以比磨削功率P′_g为适应控制参数，而且也是以磨削温度为适应控制参数。

4、根据权利要求1所说的磨削烧伤适应控制系统，其特征在于：以对磨削烧伤有显著影响、且易于在实际生产中加以控制的磨削深度t作为被控加工参数。

5、根据权利要求1所说的磨削烧伤微机适应控制装置的硬件设计，其特征在于：有信号放大（1），输入级光电耦合（2）、A/D转换（3）、砂轮自动进给（5）、输出级光电耦合（6）、控制信号功率放大（7）等电路及Z80微型计算机（4）、步进电机（8）、磨削功率指示仪（9）。

6、根据权利要求1、5所说的硬件设计，其特征在于：信号放大电路的增益调节到最佳状态，其数值范围是4～9。

7、根据权利要求1、5所说的硬件设计，其特征在于：在采用了线性光电耦合器的输入级光电耦合电路（2）中设计有一电平移位电路（10）。

8、根据权利要求1、5所说的硬件设计，其特征在于：设计了与Z80微型计算机和步进电机相连接的、可调节磨床工作循环节拍的砂轮自动进给电路（5）。

9、根据权利要求1所说的磨削烧伤微机适应控制装置的软件设计和适应控制方案的确立，其特征在于：确定了被测功率信号与磨削加工条件间定量关系式（6），式中α、β、γ是由离线辨识而得出的指数，C是反映加工“环境”中砂轮及其它对烧伤有影响的因素变化的参数。

10、根据权利要求1所说的磨削烧伤微机适应控制装置的软件设计、信号检测和处理，其特征在于：采用了均值与一阶差分方程数字滤波方式。

11、根据权利要求1所说的磨削烧伤微机适应控制装置的软件设计，其特征在于：能识别式（6）中反映加工“环境”变化的参数C，并根据参数估值

自动调节被控加工参数t。

Images