CN104400649B - 一种回转类零件圆弧修整算法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种回转类零件圆弧修整算法，其特征在于，参数初始化；圆度测量；评定圆度误差；确定各修整节点的角速度；得控制电机转动所应输入的电机转速控制脉冲数，再将分度角度α转换成电机的控制角度，并转换成相应的电机角度控制脉冲数；由电机根据电机转速控制脉冲数及电机角度控制脉冲数控制修整刀具完成对待修整工件的修整。本发明的另一个技术方案是提供了一种采用上述的回转类零件圆弧修整算法的回转类零件圆弧修整控制系统。本发明在降低了回转类零件圆弧修整的成本的前提下，能够实现圆度误差快速收敛。具有低成本、高效率、智能化的优点。

Description

一种回转类零件圆弧修整算法及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种低成本、高效率且能实现智能控制的回转类零件圆弧修整算法及其控制系统，属于精密加工技术领域。

背景技术

回转类零件属于机器零件最为典型的零件类型之一，它的应用十分广泛，比如机床、汽车、飞机、内燃机、发动机、农业机械以及军工机械等内的传动轴和支撑轴，再比如轴承内外圈、凸轮和一些盘盖类零件等。随着现代工业的不断发展，对回转类零件的精度要求越来越高，尤其是起支撑作用的轴颈的形状精度。回转类零件的精密加工工艺、精密加工装备和精密测量也越来越受到人们的重视。目前，针对回转类零件的超精密加工，主要有两种途径：

第一种、通过超精密机床来获取加工精度。研发精密、超精密轴承、导轨、机床等装备及其关键部件，以及通过提高刀具的性能，提高回转类零件的加工精度。

第二种、人工修整的方法来获取高精密的加工精度。人工进行修整，工人利用较高水平的技术经验，通过一定时间的修整，提高回转类零件的加工精度。

第一种方式虽然可以获得一定的加工精度，但是引进超精密设备(如金刚车、超精密磨床、抛光机、RAPT机等)费用高，自主研制和开发时间长，费用高。第二种方法也能获得一定的加工精度，但是工件的质量主要是依靠工人的技术水平，修整时间很长，效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在低成本下实现高效率的针对回转类零件的超精密加工。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种回转类零件圆弧修整算法，其特征在于，步骤为：

第一步、确定圆度检测分度角度α和数据采集点个数n，n＝360/α，设置待修整工件转动的极大角速度ω_max及极小角速度ω_min；

第二步、标记0°位置后进行圆度测量，采集待修整工件的圆弧轮廓数据，在测量过程中，令分度回转中心和待修整工件两端中心孔确定的中心重合，以保证测量的工件圆弧轮廓数据和工件修整加工时的轮廓具有一致性；

第三步、评定圆度误差并将各圆弧轮廓采集点数据坐标化，其中：

评定圆度误差的步骤为：

步骤3.1、计算出圆度误差μ_i，i＝0，1，2，…表示修整次数，i＝0时μ_i为初始圆度误差；

步骤3.2、若μ_i≤2μ，其中，μ为预先设定的工件圆度误差要求，则将ω_max及ω_min重新赋值为2ω_max及2ω_min后进入步骤3.3，否则直接进入步骤3.4；

步骤3.3、若μ_i≤μ，则结束整个修整算法，否则进入步骤3.4；

步骤3.4、计算理想圆的圆心坐标(X，Y)；

将第k个圆弧轮廓采集点数据，k＝1，…，n，即第一步中的第k个圆弧轮廓采集点数据，的半径变化量ΔR_k转换成直角坐标系下的坐标(x_k，y_k)，则有：

x_k＝(R+ΔR_k)×cos(kα)；

y_k＝(R+ΔR_k)×sin(kα)，式中，R为基准圆半径；

第四步、求出各圆弧轮廓采集点至理想圆的圆心坐标(X，Y)的距离，其中，第k个圆弧轮廓采集点至(X，Y)的距离

第五步、计算各圆弧轮廓采集点至理想圆的圆心坐标(X，Y)的平均距离

第六步、将各圆弧轮廓采集点定义为各修整节点，确定各修整节点的角速度，其中，第k个修整节点的角速度ω_k由以下方法确定：若r_k≥r，则ω_k＝ω_max，否则，ω_k＝ω_min；

第七步、由各修整节点的角速度计算得到相应点处驱动修整刀具旋转的电机转动的角速度值，据此计算得控制电机转动所应输入的电机转速控制脉冲数，再将分度角度α转换成电机的控制角度，并转换成相应的电机角度控制脉冲数；

第八步、由电机根据电机转速控制脉冲数及电机角度控制脉冲数控制修整刀具完成对待修整工件的修整后更新修整次数m＝m+1，m的初始值为0；

第九步、若m＞M，M为预先设定的修整总次数阈值，则结束整个修整算法，否则返回第二步。

优选地，在所述第七步之后所述第八步之前有：在所有所述修整节点中选出一个修整节点作为修整起始点，使得自修整起始点开始沿着顺时针或逆时针方向各修整节点的角速度的变化次数最少。

优选地，查找所述修整起始点的方法为：

步骤1、将k初始化为1；

步骤2、若ω₁＝ω_n，则进入步骤3，否则进入步骤5；

步骤3、若ω_k＝ω₁，则进入步骤4，否则进入步骤5；

步骤4、k＝k+1，返回步骤3；

步骤5、将沿着顺时针或逆时针方向的第k-1个修整节点作为所述修整起始点。

本发明的另一个技术方案是提供了一种采用上述的回转类零件圆弧修整算法的回转类零件圆弧修整控制系统，其特征在于，包括运行有上述的回转类零件圆弧修整算法的计算机，计算机连接变频器及运动控制卡，变频器连接变频电机，由变频电机驱动修整刀具对待修整工件修整，待修整工件由拨盘驱动旋转，旋转编码器一记录待修整工件的旋转次数，旋转编码器一与运动控制卡相连，由伺服电机通过同步带传动系统驱动拨盘转动，运动控制卡经由伺服驱动器控制伺服电机，旋转编码器二与伺服驱动器及伺服电机相连，开关电源与运动控制卡相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：设置好工件、刀具和机床等的参数以后，回转类零件圆弧修整能够实现智能化操作。在降低了回转类零件圆弧修整的成本的前提下，能够实现圆度误差快速收敛。具有低成本、高效率、智能化的优点。

附图说明

图1为本发明所述回转类零件圆弧修整算法所基于的基本原理图；

图2为本发明所采用的控制系统；

图3为实施例中所采用具体设备的主视图；

图4为本发明提供的一种回转类零件圆弧修整算法的流程图；

图5为查找所述修整起始点方法的流程图；

图6为利用本发明所述回转类零件圆弧修整算法修整后工件轮廓图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，为本发明所公开的一种回转类零件圆弧修整算法所基于的基本原理，工件经过粗磨后，测量原始轮廓误差，根据此误差进行修整，然后再测量，再修整，直到工件的精度满足要求。

本发明提供的一种回转类零件圆弧修整算法可运行于如图2所示的控制系统上，该系统包括运行有回转类零件圆弧修整算法的计算机，计算机连接变频器及运动控制卡，变频器连接变频电机，由变频电机驱动修整刀具对待修整工件修整，待修整工件由拨盘驱动旋转，旋转编码器一记录待修整工件的旋转次数，旋转编码器一与运动控制卡相连，由伺服电机通过同步带传动系统驱动拨盘转动，运动控制卡经由伺服驱动器控制伺服电机，旋转编码器二与伺服驱动器及伺服电机相连，开关电源与运动控制卡相连。

其中计算机作为上位机，负责数据的处理，程序的生成和编辑，搭载人机界面，实时显示系统状况，对系统进行控制。计算机编辑好的程序，下载到控制运动控制卡，开关电源给运动控制卡供电，运动控制卡控制伺服驱动器，带动伺服电机根据预定的程序运转。伺服电机通过同步带传动系统和拨盘等机构，最终带动工件运转。变频器设定好频率，控制变频电机以一定的速度转动，带动修整刀具转动。修整刀具和工件接触，进行切削操作。其中两个旋转编码器实时测量转速，以实时反馈。

其所采用的具体设备如图3所示，该设备只是为了使得本领域技术人员能够更加好地理解本发明而公开的一个较佳的实施例，本领域技术人员充分理解了本发明后，也可以采用其他结构的设备来实现本发明的功能。如图3及图4所示，本实施例中公开的设备包括头架5、后架和用于研磨试件9的研修轮12。头架5和后架设于底座29上，试件9定位于头架5和后架之间。头架5的后侧设有前顶尖6，后架的前侧设有后顶尖10，试件9通过前顶尖6和后顶尖10定位在头架5和后架之间。头架5可在伺服电机4的驱动下进行转动，伺服电机4的前端设有第一同步带轮3，头架5的前端设有第二同步带轮1，第一同步带轮3和第二同步带轮1之间通过同步带2连接。试件9的前侧固定有拨盘8，头架5的后侧设有拨杆7，头架5可经由拨杆7带动拨盘8和试件9转动。研修轮12设于轮轴11上。轮轴11可在变频电机13的带动下进行转动，轮轴11连接第二皮带轮16，变频电机13连接第一皮带轮14，第一皮带轮14和第二皮带轮16之间通过皮带15连接。

结合图4，本发明提供了一种回转类零件圆弧修整算法，其步骤为：

第一步、确定圆度检测分度角度α和数据采集点个数n，n＝360/α，设置待修整工件转动的极大角速度ω_max及极小角速度ω_min；

第二步、标记0°位置后进行圆度测量，采集待修整工件的圆弧轮廓数据，在测量过程中，令分度回转中心和待修整工件两端中心孔确定的中心重合，以保证测量的工件圆弧轮廓数据和工件修整加工时的轮廓具有一致性；

第三步、评定圆度误差并将各圆弧轮廓采集点数据坐标化。

根据国家标准GB1598-80《形状和位置公差-检测规定》中提出的“最小条件原则”，即评定时被测要素相对其理想要素的最大变动量应为最小。采用最小区域法评定圆度误差。

步骤3.1、通过Matlab中优化工具箱(Optimization Toolbox)等工具的利用，计算出圆度误差μ_i，i＝0，1，2，…表示修整次数，i＝0时μ_i为初始圆度误差；

步骤3.2、若μ_i≤2μ，其中，μ为预先设定的工件圆度误差要求，则将ω_max及ω_min重新赋值为2ω_max及2ω_min后进入步骤3.3，否则直接进入步骤3.4；

步骤3.3、若μ_i≤μ，则结束整个修整算法，否则进入步骤3.4；

步骤3.4、计算理想圆的圆心坐标(X，Y)；

将第k个圆弧轮廓采集点数据，k＝1，…，n，即第一步中的第k个圆弧轮廓采集点数据，的半径变化量ΔR_k转换成直角坐标系下的坐标(x_k，y_k)，则有：

x_k＝(R+ΔR_k)×cos(kα)；

y_k＝(R+ΔR_k)×sin(kα)，式中，R为理想圆半径；

第四步、求出各圆弧轮廓采集点至理想圆的圆心坐标(X，Y)的距离，其中，第k个圆弧轮廓采集点至(X，Y)的距离

第五步、计算各圆弧轮廓采集点至理想圆的圆心坐标(X，Y)的平均距离

第六步、将各圆弧轮廓采集点定义为各修整节点，确定各修整节点的角速度，其中，第k个修整节点的角速度ω_k由以下方法确定：若r_k≥r，则ω_k＝ω_max，否则，ω_k＝ω_min；

第七步、将各修整节点的角速度作为伺服电机的控制参数，即根据各修整节点的角速度可以得到伺服电机的电机转速控制脉冲数，再将分度角度α转换成伺服电机的控制角度，并转换成相应的电机角度控制脉冲数。变频电机的角速度值和工件上各修整节点的角速度没有关系，变频电机的作用就是控制修整刀具能够以不同的转速转动，而且在一个修整周期内，其转速不变化。比如在某个修整周期内，转速设置为500rpm，那么就以这个速度转动，中间修整刀具的转速不变化。

第八步、在所有修整节点中选出一个修整节点作为修整起始点，使得自修整起始点开始沿着顺时针或逆时针方向各修整节点的角速度的变化次数最少，结合图5，查找所述修整起始点的方法为：

步骤8.1、将k初始化为1；

步骤8.2、若ω₁＝ω_n，则进入步骤3，否则进入步骤5；

步骤8.3、若ω_k＝ω₁，则进入步骤4，否则进入步骤5；

步骤8.4、k＝k+1，返回步骤3；

步骤8.5、将沿着顺时针或逆时针方向的第k-1个修整节点作为所述修整起始点。

在上述步骤中，如果当k＝1时，就有ω₁＝ω_n，由(k-1)α得0°，那么此时修整起始点就是0°位置。

第九步、由电机根据电机转速控制脉冲数及电机角度控制脉冲数控制修整刀具完成对待修整工件的修整后更新修整次数m＝m+1，m的初始值为0；

第十步、若m＞M，M为预先设定的修整总次数阈值，则结束整个修整算法，否则返回第二步。

利用Matlab进行了仿真研究，其中关于产生初始误差数据，根据相关学者的研究，可知圆度轮廓的误差测量数据近似服从正态分布。取定工件基本尺寸R，故取正态分布的平均值为R，根据3σ原则，取方差sqrt(μ0/2000)，以使初始圆度误差小于μ0。利用Matlab中的normrnd()函数产生n个初始误差数据，保存为xlsx格式。用最小区域法，编写程序求解。运行结果为：理想圆心坐标为(-0.9803，-1.9250)，圆度误差为5.2224μm。按照本发明所述回转类零件圆弧修整算法，用Matlab编程对数据进行处理，仿真结果为：第1次修整后，圆度误差3.0554μm；第2次修整后，圆度误差2.3216μm；第3次修整后，圆度误差1.7112μm；第4次修整后，圆度误差1.4785μm；第5次修整后，圆度误差1.0789μm。

图6所示为利用本发明所述回转类零件圆弧修整算法修整后工件轮廓图。试件直径120mm。系列1为原始数据，系列2、3和4分别是修整1次、2次和3次后的轮廓数据。由图可以看出，每一次修整，都能有效降低轮廓高点，并控制轮廓低点不变化或者相对少变化。其中原始数据系列1轮廓圆度为0.897μm，修整1次后轮廓圆度为0.825μm，修整2次后轮廓圆度为0.721μm，修整3次后轮廓圆度为0.567μm。若利用本发明所述回转类零件圆弧修整算法继续对试件进行修整，经过多次修整，逐渐逼近，将达到目标形状精度。可见，本发明所述回转类零件圆弧修整算法能有效提高试件的形状精度。

Claims (3)

1.一种回转类零件圆弧修整算法，其特征在于，步骤为：

第一步、确定圆度检测分度角度α和数据采集点个数n，n＝360/α，设置待修整工件转动的极大角速度ω_max及极小角速度ω_mia；

第二步、标记0°位置后进行圆度测量，采集待修整工件的圆弧轮廓数据，在测量过程中，令分度回转中心和待修整工件两端中心孔确定的中心重合，以保证测量的工件圆弧轮廓数据和工件修整加工时的轮廓具有一致性；

第三步、评定圆度误差并将各圆弧轮廓采集点数据坐标化，其中：

评定圆度误差的步骤为：

步骤3.1、计算出圆度误差μ_i，i＝0，1，2，…表示修整次数，i＝0时μ_i为初始圆度误差；

步骤3.2、若μ_i≤2μ，其中，μ为预先设定的工件圆度误差要求，则将ω_max及ω_min重新赋值为2ω_max及2ω_min后进入步骤3.3，否则直接进入步骤3.4；

步骤3.3、若μ_i≤μ，则结束整个修整算法，否则进入步骤3.4；

步骤3.4、计算理想圆的圆心坐标(X，Y)；

将第k个圆弧轮廓采集点数据，k＝1，…，n，即第一步中的第k个圆弧轮廓采集点数据，的半径变化量ΔR_k转换成直角坐标系下的坐标(x_k，y_k)，则有：

x_k＝(R+ΔR_k)×cos(kα)；

y_k＝(R+ΔR_k)×sin(kα)，式中，R为基准圆半径；

第四步、求出各圆弧轮廓采集点至理想圆的圆心坐标(X，Y)的距离，其中，第k个圆弧轮廓采集点至(X，Y)的距离

第五步、计算各圆弧轮廓采集点至理想圆的圆心坐标(X，Y)的平均距离

第六步、将各圆弧轮廓采集点定义为各修整节点，确定各修整节点的角速度，其中，第k个修整节点的角速度ω_k由以下方法确定：若r_k≥r，则ω_k＝ω_max，否则，ω_k＝ω_min；

第七步、将各修整节点的角速度作为驱动工件旋转的电机的控制参数，即根据各修整节点的角速度得到该电机的电机转速控制脉冲数，再将分度角度α转换成该电机的控制角度，并转换成相应的电机角度控制脉冲数；

第八步、由电机根据电机转速控制脉冲数及电机角度控制脉冲数控制修整刀具完成对待修整工件的修整后更新修整次数m＝m+1，m的初始值为0；

第九步、若m＞M，M为预先设定的修整总次数阈值，则结束整个修整算法，否则返回第二步。

2.如权利要求1所述的一种回转类零件圆弧修整算法，其特征在于，在所述第七步之后所述第八步之前有：在所有所述修整节点中选出一个修整节点作为修整起始点，使得自修整起始点开始沿着顺时针或逆时针方向各修整节点的角速度的变化次数最少。

3.如权利要求2所述的一种回转类零件圆弧修整算法，其特征在于，查找所述修整起始点的方法为：

步骤1、将k初始化为1；

步骤2、若ω₁＝ω_n，则进入步骤3，否则进入步骤5；

步骤3、若ω_k＝ω₁，则进入步骤4，否则进入步骤5；

步骤4、k＝k+1，返回步骤3；

步骤5、将沿着顺时针或逆时针方向的第k-1个修整节点作为所述修整起始点。