磨床智能进给控制系统.pdf

本发明涉及一种磨床磨头进给的智能控制系统。
    磨床是以磨头磨削工件的高精度加工设备，在磨削工件时，首先需将磨头对好工件，传统的对刀方式是：靠人工转动手轮，微量进给，观察磨头处有无火花，由于加工余量小，过量进给会造成废品，未接触工件又达不到对刀目的，显然，这种方法既费时又耗人力，效率低，且不能保证对刀精度。

    苏联专利SU798714号公开了一种采用由门槛比较器比较通过微分器和两个积分器所测得的功率，来控制磨床进给的装置，它是采取模拟电路（微分、积分、比较等）取样及控制，故其对刀精度易于受电源波动和元件精度的影响，尤其人为设置的比较器门槛，预置值对外界的影响更为敏感，直接扰动控制和检测精度，该装置取样检测电路采用微分积分线路，其检测范围取决于电阻、电容的值，对于不同功率，外界条件不同的磨头要取不同的值与之对应，这使得调整困难，欲取得最佳配合要反复调试，然而，既便在某种条件下调整好，也难适应空载功率多变的磨头，实际工作磨头空载功率受外界诸多因素影响，如砂轮平衡程度，砂轮大小变化，冷却液变化，磨头主轴冷态，热态的差异，拖动磨头电机的皮带长度，电源波动等，都将使得同一台磨头电机工作在不同时间，条件时空载功率的波动不同，而此波动量，经常会超过所需检测的对刀增长的功率增量，造成一是对刀时误动作（即未接触工件就动作），二是对刀深度不一或过大。

    本发明的目的在于：提供一种采用数字电路整形，单片机数字处理取得动态空载有功功率值的磨床智能进给控制系统，以便有效地抑制外界扰动，提高灵敏度，从而提高加工精度，节约对刀时间，减轻劳动强度，提高工作效率。

    本发明是这样实现的：硬件由工作电源（1），检测电路（2），放大器（3），整形电路（4），鉴相器（5），单片机（6），输出放大环节（7）所组成，执行软件存储在单片机（6）外部的存储器中，为了提高检测精度，消除工频干扰，检测电路（2）的整流部分均采用全波整流，U，I信号波形经整流、虑波，放大器（3）放大、整形电路整形，再经鉴相器（5）后获得P脉冲输出，鉴相器（5）由触发器（8）、（9）和异或门（10）组成，触发器（8）、（9）的连接方式为：触发器（8）的CP端与输入信号I相连接，D端与触发器（9）的 Q端相连接，Q端与异或门（10）一输入端相连接；触发器（9）的CP端与输入信号U相连接，D端与触发器（8）的Q端相连接，Q端与异或门（10）一输入端相连接，触发器（8）、（9）组成的整形器，对U、I信号进行波形转换，将U、I转换为U’、I’，同时对U’、I’信号进行互锁，在磨削工作前，首先用拨码器设定磨头进给量，该量反应为磨头电机功率增量△P；然后开机，将△P存入单片机（6）的内部存储器，磨头进给检测电路（2）测得磨头电机同一相地空载电流I及电压U，并整流虑波后，电流信号经放大器（3）放大，然后再经整形电路（4）施密特整形；电压信号直接经整形电路（4）施密特整形；得到所需I和U的脉冲波形，再通过鉴相器（5），获得功率控制脉宽P，用单片机系统（6）的内部高频时钟脉冲填充P，以控制软件计数器计数，然后通过计算机软件控制上述过程多次循环，首先取10～15个数据为一组，计算组平均值，然后取20～50组的组平均值中的最大值为取定的磨头电机的空载功率值Pmax，将Pmax与△P叠加，获得给定功率值P’，在磨头砂轮趋于工件的过程中，不断测得功率P，将P与P’相比较，若持续获得P≥P’，且持续若干循环，单片机（6）输出控制信号，通过输出放大环节（7）控制磨头，进给到位，开始磨削；否则，再进行测P、比较等步骤，上述过程均由计算机执行软件控制执行，执行软件流程为：①.初始化（清零，设置状态位和数值）-②.采样（数字滤波）-③.对P脉宽计数-④.P’是否取得（如取得转⑧执行）-⑤.计算组平均值P（组采样个数不足时返回②）-⑥.求各组平均值中最大值Pmax（组数不足时返回②）-⑦.Pmax与△P叠加得P’，存贮-⑧.判断（P＜P’标志置1返回②）-⑨.判断（P≥P’次数是否等于设置数NO，如小于NO返回②）-⑩.输出停止进给信号-结束。

    本发明与现有技术相比，具有抗干扰能力强，加工精度高，可提高工作效率及自动化程度，大大减轻劳动强度，其硬件结构简单，体积小，价格低等优点，加工精度可达10-6m数量级，操作者无需再人为反复进行磨头调控，只需开机前设定好进刀量，开机后磨头在一分钟内即可完成自动对刀工作，并可排除外界各种因素的干扰，适合各种交直流电源的磨床使用。

    附图1为本发明的系统结构框图；

    附图2为本发明的鉴相器电路原理图；

    附图3为本发明的鉴相器输入输出波形图；

    附图4为本发明的工作原理框图；

    附图5为本发明的实施例1的程序框图；

    附图6为本发明的实施例2的程序框图；

    下面结合附图对本发明的实施作进一步说明。

    实施例1：磨头电机为交流电动机时，首先联接跨接片F1、F2、F3，断开跨接片F4、F5开机后，电流信号I经全波整流滤波后，通过放大器LM324作信号放大后，一路作过载保护信号送输出放大环节；一路通过触发器74LS14整形得到I脉冲信号，此信号一路作为单片机8031的I信号输入，一路作为鉴相器输入，电压信号U经全波整流滤波后，通过触发器74LS14的整形，获得U脉冲信号，此信号一路作为单片机8031的U信号输入，一路作为鉴相器输入，鉴相器的两个触发器74LS74对输入的I，U脉冲信号进一步整形后，获得如图3所示的U’、I’波形，U’、I’再经过异或门74LS86进行异或得到P（功率）的脉宽，P输入到8031单片机，由单片机8031中定时频率（500KHZ）先对P脉宽（低电平）进行高频填充，以电压波作为基准，确定对P脉宽计数的开始点，每次先计数，再累计，通过求代数和的方式消除工频干扰，电源经过净化和整流稳压，提供系统的+5V、+15V和-15V电源，只读存贮器2716存贮执行软件，放大输出环节执行装置输出操作。附图5是本实施例执行软件框图，开机前，首先用8421拨码器设定磨头进给量，该量反应为磨头电机功率的增量△P，开机后，（1）初始化部分，将△P存入单片机8031的内部存贮器；将输出端口清零、输入端口置1、标志位清零、设置状态位C/T=0（内部脉冲计数），设置NO=10、N2=30，（2）判断（磨头电机是否通电，如无电流或电压信号则执行（3））（3）输出报警信号，（4）置组取样个数N1=15，（5）判断（U=0同时P=0不成立则返回执行（5）），（6）判断（U=1同时P=1不成立，返回执行（6）），（7）判断（U=1同时P=0不成立返回执行（7）），（8）计数器对P脉宽（低电平部分）进行填充计数，（9）判断计数完否（U=0同时P=1不成立，则返回执行（8）），（10）停止计数，保存结果，（11）判断（U=0同时P=0不成立，返回执行（11）），（12）打开通道，累计，（13）判断（U=1同时P=1不成立，返回（12）），（14）校正计数值（P=P-2△U），（15）判断动态初值取定否（P’不为零则执行（21）），（16）保存P值，组个数减1保存，（17）判断（组个数单元值=0不成立，返回（5）），（18）求平均值，并保存，组数减1保存，（19）判断（组数单元值=0不成立返回（4）），（20）求各组平均值中的最大值Pmax，计算P’=Pmax+△P，然后返回（5），（21）判断（P≥P’不成立执行（22）），（22）标志1置1后返回执行（5），（23）判断（标志1=1，则执行（24）），（24）标志1=0，计数器Ⅱ=NO（二级计数器重新赋值）然后返回执行（5），（25）计数器Ⅱ=计数器Ⅱ-1，判断（计数器Ⅱ=0不成立，返回（5））；（26）P1.3口=1，输出控制信号控制磨头进给电机停止进给，（27）结束。

    实施例2：磨头电机为直流电动机时，首先断开跨接片F1、F2、F3，联接跨接片F4、F5，由于直流电机的功率P与电流I成正比，电压可视为常量，故只需检测△I的变化即可测得△P的变化，开机后，通过霍尔元件测得的电流信号I，经取样滤波，通过放大器LM324作信号放大后，一路作过载保护信号送输出放大环节；一路通过电压/频率变换后得到I脉冲信号（其频率正比于I的幅值），此信号作为单片机8031的I信号输入，单片机8031通过对I的脉冲信号定时采样，就可以得到对应于I的不同的数字量，其它部分的电路作用与实施例1相同，附图6是本实施例执行软件框图，开机前，首先用8421拨码器设定磨头进给量，该量反应为磨头电机电流的增量△I，开机后，（1）初始化部分：将△I存入单片机8031的内部存贮器，将输出端口清零、输入端口置1、标志位清零、设置状态位C/T=1（外部脉冲计数），设置NO=10、N2=30，（2）置组取样个数N1=15，（3）开中断，（4）等待（10ms），中断信号到来转中断服务程序入口，（5）取I计数值，保存，（6）返回，（7）取I值），（8）判断（I’不为零转（16）），（9）判断（磨头电机是否通电，如I=0执行（10）），（10）输出报警信号，（11）累计，组个数减1保存，（12）判断（组个数单元值=0不成立，返回（3）），（13）求组平均值，并保存，组数减1保存，（14）判断（组数单元值=0不成立返回（2）），（15），求各组平均值中的最大值Imax，计算I’=Imax+△I，然后返回（3）。（16）判断（I≥I’不成立执行（17）），（17）标志1置1后返回执行（3），（18）判断（标志1=1，则执行（19）），（19）标志1=0，计数器Ⅱ=NO（二级计数器重新赋值）然后返回执行（3），（20）计数器Ⅱ=计数器Ⅱ-1，判断（计数器Ⅱ=0不成立，返回（3））；（21）P1.3口=1，输出控制信号控制磨头进给电机停止进给。（22）结束。