CN104898569B - 基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统和方法，包括：PCU控制器第一电机驱动信号输出端连接第一电机驱动模块信号输入端，所述PCU控制器第二电机驱动信号输出端连接第二电机驱动模块信号输入端，所述第一电机驱动模块电机工作电信号输出端连接第一伺服电机工作电源端，所述第二电机驱动模块电机工作电信号输出端连接第二伺服电机工作电源端，所述第一伺服电机通过连接轴控制第一砂带轮，所述第二伺服电机通过连接轴控制第二砂带轮，所述伺服电机根据伺服电机控制信号，进行一定频率和转速的交替正反转；同时，动力通过连接轴传递给相对应的卷轮，使卷轮进行与对应电机相同频率和转速的交替正反转，实现收卷或放卷动作。

Description

基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统和方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统和方法。

背景技术

随着CAD/CAM技术的快速发展，复杂形状零件的加工方法逐渐倍受国内外的关注，尤其在航空航天、船舶、汽车和国防等领域中，许多核心零件都具有复杂的曲面。由于复杂曲面不能由初等解析曲面组成，因此复杂形状零件的复杂曲面的高效和高质量加工一直是国内外制造领域中的难题。

砂带磨削技术是利用砂带，按照待加工工件的要求，在一定的机械装置上，以相应的接触方式，并在一定的压力作用下，使高速运转着的砂带与工件表面接触，将工件加工表面的余量逐渐磨除或抛磨光滑的工艺。随着砂带磨削技术和装置的快速发展，砂带研磨机床已经发展为一种加工效率高、适应性强、应用范围广、使用成本低、操作安全方便的精加工设备。特别是对于加工如航空发动机叶片等具有复杂曲面的薄壁结构件，小尺寸的复杂型面、面间接合部位的研磨加工，其优势尤为明显。

目前国内复杂曲面的砂带研磨加工多为手工操作,该方法的劳动强度大，生产效率低，产品的质量没有保障。为了实现砂带磨削技术在复杂曲面加工的广泛应用，相关技术研究中心对精密砂带研磨特性、曲轴连杆颈砂带随动研磨、船用螺旋桨叶片和航空发动机叶片砂带磨削做了相关研究。此外，吉林大学对自由曲面砂带研磨、叶片双面砂带磨削工艺进行了相关探索，华中科技大学也对轮毂复杂曲面砂带磨削进行了相关研究。

但是，上述研究的成果尚未形成很好的砂带研磨装置以应对以航空发动机叶片为代表的复杂表面异形结构工件的研磨加工，国内也尚未应用能加工此类工件的专用砂带研磨装置，对于航空发动机叶片纵向磨削从而改善其疲劳强度等力学性能的需求还无法满足。从更大的范围来看，对于一些特殊的零件，在加工时不能快速旋转又不能用高速运动的刀具进行磨削时，现阶段只能进行低效率的手工打磨。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统和方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统，其关键在于，包括：PCU控制器、第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、第一伺服电机、第二伺服电机，

PCU控制器第一电机驱动信号输出端连接第一电机驱动模块信号输入端，所述PCU控制器第二电机驱动信号输出端连接第二电机驱动模块信号输入端，所述第一电机驱动模块电机工作电信号输出端连接第一伺服电机工作电源端，所述第二电机驱动模块电机工作电信号输出端连接第二伺服电机工作电源端，所述第一伺服电机通过连接轴控制第一砂带轮，所述第二伺服电机通过连接轴控制第二砂带轮，

所述PCU控制器接收输入设备输入的初始数据，接收双电机驱动模块反馈的反馈数据，处理后生成伺服电机控制信号，将伺服电机控制信号发送给双电机驱动模块；

所述伺服电机根据伺服电机控制信号，进行一定频率和转速的交替正反转；同时，动力通过连接轴传递给相对应的卷轮，使卷轮进行与对应电机相同频率和转速的交替正反转，实现收卷或放卷动作。

所述的基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统的控制方法，优选的，包括：

S1，设置初始工作参数，PCU控制器获取所设置的初始工作参数，由PCU控制器判断所设置的初始工作参数是否符合砂带研磨控制系统所预设的阈值范围，如果不符合预设的阈值范围，进行报警；

S2，如果符合预设的阈值范围，PCU控制器发送信号给第一电机驱动模块和第二电机驱动模块进行转动操作，所述第一电机驱动模块带动第一伺服电机进行研磨操作，所述第二电机驱动模块带动第二伺服电机进行研磨操作，所述第一伺服电机和第二伺服电机转动方向相同，每一次PCU控制器进行砂带轮研磨过程中，对该次研磨过程中的参数进行记录，获取研磨参数数据库；

S3，所述PCU控制器通过输出控制信号，根据研磨参数数据库的数据信息和控制算法，控制所述第一伺服电机带动的第一砂带轮和第二伺服电机带动的第二砂带轮保持砂带线的速度相同。

所述的基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统的控制方法，优选的，所述S1包括：

S1-1，预设如下初始数据，砂带卷在第一砂带轮上的初始缠绕半径R₆、第二砂带轮上的初始半径R₅、第一砂带轮轮毂半径R、单层砂带厚度δ、单次更新砂带长度和单次使用砂带长度ΔL、单段砂带往复研磨次数M和砂带的线速度v_s；

S1-2，PCU控制器对上述初始数据进行判断，如超出所设置的加工参数阈值范围，则不开始工作并提示重新输入参数或者报警；如果判断所输入的初始数据未超出所设置的加工参数阈值范围，则开始往复研磨加工动作。

所述的基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统的控制方法，优选的，所述S2包括：

当第一伺服电机进行正转时，对应的第一砂带轮进行放卷动作；

第二伺服电机以相同的转向转动，对应的第二砂带轮进行收卷动作；

第一伺服电机和第二伺服电机的转速由PCU控制器输出的控制信号命令控制。

所述的基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统的控制方法，优选的，所述S3包括：

S3-1，第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的转速

当L₁由(i-1)ΔL变为i·ΔL时，

R_1,i,j＝R+aθ_1,i,j，

θ_1,i,j由下面式子确定，

转过的角度，

Δθ_1,i,j＝θ'_1,i,j-θ'_1,i-1,j，

θ'_1,i,j和θ'_1,i-1,j由下列式子决定，

L'_1,i,j＝i·ΔL，

式中，L₁为第二砂带轮上缠绕的砂带长度，其初始值为0，n_1,i,j为在第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的转速，v_s为砂带的线速度，R_1,i,j为在第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的半径，θ_1,i,j是第二砂带轮电机主轴在第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的总转角，θ'_1,i,j是第二伺服电机驱动第二砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中收卷过程时的总转角，Δθ_1,i,j是第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷时转过的相对角度，L₁是第二砂带轮上缠绕的砂带总长度，L'_1,i,j是第二伺服电机驱动第二砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中收卷过程时第二砂带轮上缠绕的砂带总长度；

S3-2在研磨加工动作中，i代表的是第i个砂带往复磨削循环，0＜i≤N；j代表的是一个往复研磨循环过程过程中第j次往复研磨，0＜j≤M，L₁的初始值为0，其中N为砂带更新次数；

根据上述计算出第二伺服电机的转速和转过的角度，PCU控制器将第二伺服电机的转角信号转换成位置信号。

所述的基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统的控制方法，优选的，所述S3还包括：

S3-3，第二伺服电机驱动第二砂带轮放卷时的转速，

当L₁由i·ΔL变为(i-1)·ΔL时，

R_2,i,j＝R+aθ_2,i,j，

θ_2,i,j由下面式子确定，

转过的角度，

Δθ_2,i,j＝-Δθ_1,i,j，

式中，n_2,i,j为在第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮放卷时的转速，R_2,i,j为在第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮放卷时的半径，θ_2,i,j是第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮放卷时的转角，Δθ_2,i,j是第二伺服电机驱动第二砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中放卷过程时转过的相对角度；

根据上述式子计算出第二伺服电机的转速和转过的角度，PCU控制器将第二伺服电机的转角信号转换成位置信号。

所述的基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统的控制方法，优选的，所述S3还包括：

S3-4，第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷时的转速，

当L₃由L-(i-1)·ΔL变为L-i·ΔL时，

R₃＝R₆+aθ₃，

θ₃由下面式子确定，

转过的角度，

Δθ_3,i,j＝θ'_3,i,j-θ'_3,i-1,j，

θ'_3,i,j和θ'_3,i-1,j由下列式子决定，

L'_3,i,j＝L-i·ΔL，

式中，L为第一砂带轮上的初始砂带长度，L₃为第一砂带轮上缠绕的砂带长度，初始值为L，n_3,i,j为在第i个往复研磨循环第j次研磨过程中第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷时的转速，v_s为砂带的线速度，R₃为第一砂带轮上砂带缠绕的半径，θ₃为第一砂带轮上砂带缠绕的角度，θ'_3,i,j是第一伺服电机驱动第一砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中放卷过程时的转角，Δθ_3,i,j是第一伺服电机驱动第一砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中放卷过程时转过的相对角度，L₃是第一砂带轮上缠绕的砂带总长度，L'_3,i,j是第一伺服电机驱动第一砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中放卷结束时第一砂带轮上缠绕的砂带总长度；

根据上述式子计算出第一伺服电机的转速和转过的角度，PCU控制器将第一伺服电机的转角信号转换成位置信号。

所述的基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统的控制方法，优选的，所述S3还包括：

S3-5，第一伺服电机驱动第一砂带轮收卷时的转速：

当L₃由L-i·ΔL变为L-(i-1)·ΔL时，

R_4,i,j＝R+aθ₄，

θ₄由下面式子确定，

转过的角度，

Δθ_4,i,j＝-Δθ_3,i,j，

式中，n_4,i,j为在第i个往复研磨循环过程中第j次往复研磨研磨时第一伺服电机驱动第一砂带轮收卷时的转速，v_s为砂带的线速度，Δθ_4,i,j是第一伺服电机驱动第一砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中收卷过程时转过的相对角度。

根据上述式子计算出第一伺服电机的转速和转过的角度，PCU控制器将第一伺服电机的转角信号转换成位置信号。

所述的基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统的控制方法，优选的，还包括：

S4，砂带更新动作：在研磨过程中，PCU控制器对研磨加工次数进行计数，当研磨加工次数达到单段砂带往复研磨次数M时，进行砂带更新动作；PCU控制器计算出砂带更新时伺服电机的转速及位置，生成本次砂带更新动作的伺服电机控制信号，并将控制信号输出，控制伺服电机动作，同时接收伺服电机的位置反馈信号，并对伺服电机的位置进行判断，当PCU控制器接收到伺服电机的位置与设定的位置相同时，砂带更新完成，PCU控制器进行更新次数的计数，并与设计更新次数N进行比较，如果已更新砂带的次数小于等于设计更新次数，则对第一砂带轮和第二砂带轮的半径进行更新，进入研磨加工动作流程；如果已更新砂带的次数大于设计更新次数，则进行最后一次往复研磨过程，往复研磨过程结束后结束加工，并发出更换砂带卷信号。

所述的基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统的控制方法，优选的，所述S4还包括：

砂带更新时伺服电机转动的转速、电机主轴转过的角度由以下公式进行计算：

S4-1，第i次更新时第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷，相当于第二砂带轮在第i个往复循环中结束第M次往复研磨后，又进行了一次收卷动作，因此，L₁由(i-1)ΔL变为i·ΔL，在这个过程中：

伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的转速：

n_5,i,M+1＝n_1,i,M，

转过的角度，

Δθ_5,i,M+1＝Δθ_1,i,M，

式中，n_5,i,M+1为在第i次更新时伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的转速，Δθ_5,i,M+1是第二伺服电机驱动第二砂带轮完成第i次更新中收卷过程时转过的相对角度。

根据上述式子计算出伺服电机的转速和转动的角度，PCU控制器将伺服电机的转角信号转换成位置信号。

S4-2，更新时第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷：

第i次更新时第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷，相当于第一砂带轮在第i个往复循环过程中结束第M次往复研磨后，又进行了一次放卷动作，因此，L₃由L-(i-1)·ΔL变为L-i·ΔL，在这个过程中：

n_6,i,M+1＝n_3,i,M，

转过的角度，

Δθ_6,i,M+1＝Δθ_3,i,M，

式中，n_6,i,j为在第i次更新时第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷时的转速，Δθ_4,i,j是第一伺服电机驱动第一砂带轮完成第i次更新中放卷过程时转过的相对角度。

根据上述式子计算出第一伺服电机的转速和转动的角度，PCU控制器将第一伺服电机的转角信号转换成位置信号。

PCU控制器通过运行反馈参数和预输入参数，判断砂带更新动作完成后，继续控制伺服电机做前述往复磨削形式的研磨运动，直到运行反馈参数和预输入参数在PCU中的运算结果满足下一次砂带更新的触发条件。

由此，PCU控制器通过驱动模块，实时控制伺服电机，不断交替进行满足预设参数条件的研磨运动与砂带更新动作。

PCU控制器通过运行反馈参数和预输入参数，判断缠绕在第一砂带轮上的砂带卷已用完，并在完成最后一次研磨运动后，通过双电机驱动模块S120向伺服电机发出停止动作的信号，加工停止，并输出需更换砂带卷的信息。

PCU控制器通过反馈信号判断单次研磨结束后，控制伺服电机反转，完成一次反向单次研磨。在进行砂带更新动作前，正反向研磨动作循环进行，形成了对被加工工件表面以一定频率不断反复的磨削运动。此过程中，数控系统对电机正反转次数、加工时间和电器元件动作次数等运行参数不断向PCU控制器反馈，形成半闭环控制。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本数控砂带研磨装置可安装于数控磨削机床上，用于加工具有复杂表面的异形结构的工件，能够满足工件在不快速旋转，砂带没有较高的切削速度的条件下的加工要求；本发明通过磨头控制系统，依据预输入的研磨参数、加工参数，结合往复抛磨次数、砂带更新次数等反馈的加工运行参数，实现闭环控制，确保在研磨运动由两卷轮交替驱动且砂带卷半径不断变化的情况下，保持往复研磨过程中砂带速度的恒定，并按设定长度自动更新研磨带。张紧轮将砂带张紧，在研磨过程中，由于收带速度和放带速度相等，因此保证了张紧力的恒定。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制方法流程图；

图2是本发明基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制方法流程图；

图3是本发明基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统示意图；

图4是本发明基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制装置示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1、图2、图3和图4、数控系统采用西门子的SINUMERIK D425数控系统。数控系统包括PCU控制器(Panel control unit)、双电机驱动模块、电源模块及NC键盘、电子手轮和控制面板。双电机驱动模块采用西门子的S120型；伺服电机采用西门子的1FK7型，电源模块为整个系统供电。

PCU控制器的高速驱动接口X1连接至双电机驱动模块的X200接口，接口X2连接至双电机驱动模块的X201接口，PCU控制器的键盘接口X9连接至NC键盘，PCU控制器的手轮接口X30连接至电子手轮，PCU控制器的X5接口连接至计算机。双电机驱动模块的X202接口连接至编码器，双电机驱动模块的U、V、W接口连接至伺服电机的三相输入接口。

PCU控制器接收输入设备输入的初始数据和反馈数据，对初始数据和反馈数据进行处理及运算。生成本次研磨加工的伺服电机控制信号，发送给双电机驱动模块。

双电机驱动模块将PCU控制器的弱电控制信号转变为具有驱动能力的强电控制信号，并输出给伺服电机，控制伺服电机动作。在伺服电机的转子上安装有编码器，该编码器采集伺服电机的转动信号(伺服电机的位置和速度)，并将该采集到的电机转动信号发送给双电机驱动模块，由双电机驱动模块反馈给PCU控制器。

伺服电机根据伺服电机控制信号，进行一定频率和速率的交替正反转；两个伺服电机交替正反转同步，且转向保持一致。

伺服电机产生的动力通过连接轴输出给对应的卷轮，当第一伺服电机进行正转时(定义顺时针转动为正转方向)，对应的第一砂带轮2进行放卷动作。同时，第二伺服电机以相同的转向转动，对应的第二砂带轮3进行收卷动作。伺服电机的转速由数控系统输出的控制信号命令控制，以保证第二砂带轮和第一砂带轮输出端的砂带线速度相同。

参见图3：现在以第一、二伺服电机正向转动(规定顺时针转动为正向转动方向)开始为例说明本发明研磨装置的工作过程，其包括如下流程：

输入初始数据：通过输入设备将初始数据输入PCU控制器，初始数据包括：砂带卷在第一砂带轮上的初始缠绕半径R₆、第二砂带轮上的初始半径R₅、第一砂带轮轮毂半径R、单层砂带厚度δ、单次更新砂带长度和单次使用砂带长度ΔL、单段砂带往复研磨次数M和砂带的线速度v_s；

PCU控制器对上述初始数据的的合理性进行判断，如不合理或超出所设置的加工参数范围，则不开始工作并提示重新输入参数；如果判断出所输入的初始数据合理，则开始往复研磨加工动作；

往复研磨加工动作：PCU控制器根据初始数据或反馈数据计算出本次研磨加工伺服电机控制信号，并将控制信号输出，控制伺服电机动作，同时进行研磨加工次数的计数；伺服电机控制信号包括伺服电机的正反转、转速和位置。

首先伺服电机先根据以下公式计算出第一砂带轮上的初始砂带长度L、初始卷过的角度和砂带更新次数N：

式中，是取整的意思。

伺服电机的转速和转角通过如下公式计算：

(1)第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的转速

当L₁由(i-1)ΔL变为i·ΔL时，

R_1,i,j＝R+aθ_1,i,j，

θ_1,i,j由下面式子确定，

转过的角度，

Δθ_1,i,j＝θ'_1,i,j-θ'_1,i-1,j，

θ'_1,i,j和θ'_1,i-1,j由下列式子决定，

L'_1,i,j＝i·ΔL，

式中，L₁为第二砂带轮上缠绕的砂带长度，其初始值为0，n_1,i,j为在第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的转速，v_s为砂带的线速度，R_1,i,j为在第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的半径，θ_1,i,j是第二砂带轮电机主轴在第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的总转角，θ'_1,i,j是第二伺服电机驱动第二砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中收卷过程时的总转角，Δθ_1,i,j是第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷时转过的相对角度，L₁是第二砂带轮上缠绕的砂带总长度，L'_1,i,j是第二伺服电机驱动第二砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中收卷过程时第二砂带轮上缠绕的砂带总长度。

在研磨加工动作中，i代表的是第i个砂带往复磨削循环，0＜i≤N；j代表的是一个往复研磨循环过程过程中第j次往复研磨，0＜j≤M，L₁的初始值为0。

根据上述式子计算出第二伺服电机的转速和转过的角度，PCU控制器将伺服电机的转角信号转换成位置信号。

(2)第二伺服电机驱动第二砂带轮放卷时的转速：

当L₁由i·ΔL变为(i-1)·ΔL时，

R_2,i,j＝R+aθ_2,i,j，

θ_2,i,j由下面式子确定，

转过的角度，

Δθ_2,i,j＝-Δθ_1,i,j，

式中，n_2,i,j为在第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮放卷时的转速，R_2,i,j为在第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮放卷时的半径，θ_2,i,j是第i个往复研磨循环第j次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮放卷时的转角，Δθ_2,i,j是第二伺服电机驱动第二砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中放卷过程时转过的相对角度。

根据上述式子计算出第二伺服电机的转速和转过的角度，PCU控制器将第二伺服电机的转角信号转换成位置信号。

(3)第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷时的转速：

当L₃由L-(i-1)·ΔL变为L-i·ΔL时，

R₃＝R₆+aθ₃，

θ₃由下面式子确定，

转过的角度，

Δθ_3,i,j＝θ'_3,i,j-θ'_3,i-1,j，

θ'_3,i,j和θ'_3,i-1,j由下列式子决定，

L'_3,i,j＝L-i·ΔL，

式中，L₃为第一砂带轮上缠绕的砂带长度，初始值为L，n_3,i,j为在第i个往复研磨循环第j次研磨过程中第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷时的转速，v_s为砂带的线速度，R₃为第一砂带轮上砂带缠绕的半径，θ₃为第一砂带轮上砂带缠绕的角度，θ'_3,i,j是第一伺服电机驱动第一砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中放卷过程时的转角，Δθ_3,i,j是第一伺服电机驱动第一砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中放卷过程时转过的相对角度，L₃是第一砂带轮上缠绕的砂带总长度，L'_3,i,j是第一伺服电机驱动第一砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中放卷结束时第一砂带轮上缠绕的砂带总长度。

根据上述式子计算出第一伺服电机的转速和转过的角度，PCU控制器将第一伺服电机的转角信号转换成位置信号。

(4)第一伺服电机驱动第一砂带轮收卷时的转速：

当L₃由L-i·ΔL变为L-(i-1)·ΔL时，

R_4,i,j＝R+aθ₄，

θ₄由下面式子确定，

转过的角度，

Δθ_4,i,j＝-Δθ_3,i,j，

式中，n_4,i,j为在第i个往复研磨循环过程中第j次往复研磨研磨时第一伺服电机驱动第一砂带轮收卷时的转速，v_s为砂带的线速度，Δθ_4,i,j是第一伺服电机驱动第一砂带轮完成第i个往复研磨循环第j次往复研磨中收卷过程时转过的相对角度。

根据上述式子计算出第一伺服电机的转速和转过的角度，PCU控制器将第一伺服电机的转角信号转换成位置信号。

砂带更新动作：在研磨过程中，PCU控制器对研磨加工次数进行计数，当研磨加工次数达到单段砂带往复研磨次数M时，进行砂带更新动作；PCU控制器计算出砂带更新时伺服电机的转速及位置，生成本次砂带更新动作的伺服电机控制信号，并将控制信号输出，控制伺服电机动作，同时接收伺服电机的位置反馈信号，并对伺服电机的位置进行判断，当PCU控制器接收到伺服电机的位置与设定的位置相同时，砂带更新完成，PCU控制器进行更新次数的计数，并与设计更新次数N进行比较，如果已更新砂带的次数小于等于设计更新次数，则对第一砂带轮和第二砂带轮的半径进行更新，进入研磨加工动作流程；如果已更新砂带的次数大于设计更新次数，则进行最后一次往复研磨过程，往复研磨过程结束后结束加工，并发出更换砂带卷信号；

砂带更新时伺服电机转动的转速、电机主轴转过的角度由以下公式进行计算：

1)第i次更新时第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷，相当于第二砂带轮在第i个往复循环中结束第M次往复研磨后，又进行了一次收卷动作，因此，L₁由(i-1)ΔL变为i·ΔL，在这个过程中：

伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的转速：

n_5,i,M+1＝n_1,i,M，

转过的角度，

Δθ_5,i,M+1＝Δθ_1,i,M，

式中，n_5,i,M+1为在第i次更新时伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的转速，Δθ_5,i,M+1是第二伺服电机驱动第二砂带轮完成第i次更新中收卷过程时转过的相对角度。

根据上述式子计算出伺服电机的转速和转动的角度，PCU控制器将伺服电机的转角信号转换成位置信号。

2)更新时第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷：

第i次更新时第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷，相当于第一砂带轮在第i个往复循环过程中结束第M次往复研磨后，又进行了一次放卷动作，因此，L₃由L-(i-1)·ΔL变为L-i·ΔL，在这个过程中：

n_6,i,M+1＝n_3,i,M，

转过的角度，

Δθ_6,i,M+1＝Δθ_3,i,M，

式中，n_6,i,j为在第i次更新时第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷时的转速，Δθ_4,i,j是第一伺服电机驱动第一砂带轮完成第i次更新中放卷过程时转过的相对角度。

根据上述式子计算出第一伺服电机的转速和转动的角度，PCU控制器将第一伺服电机的转角信号转换成位置信号。

PCU控制器通过运行反馈参数和预输入参数，判断砂带更新动作完成后，继续控制伺服电机做前述往复磨削形式的研磨运动，直到运行反馈参数和预输入参数在PCU中的运算结果满足下一次砂带更新的触发条件。

由此，PCU控制器通过驱动模块，实时控制伺服电机，不断交替进行满足预设参数条件的研磨运动与砂带更新动作。

PCU控制器通过运行反馈参数和预输入参数，判断缠绕在第一砂带轮上的砂带卷已用完，并在完成最后一次研磨运动后，通过双电机驱动模块S120向伺服电机发出停止动作的信号，加工停止，并输出需更换砂带卷的信息。

PCU控制器通过反馈信号判断单次研磨结束后，控制伺服电机反转，完成一次反向单次研磨。在进行砂带更新动作前，正反向研磨动作循环进行，形成了对被加工工件表面以一定频率不断反复的磨削运动。此过程中，数控系统对电机正反转次数、加工时间和电器元件动作次数等运行参数不断向PCU控制器反馈，形成半闭环控制。

根据初始输入参数和加工反馈参数，PCU控制器可以判断砂带是否需要更新。如不需，则控制器继续发出研磨加工的信号，控制第一、第二伺服电机继续执行研磨加工的动作；否则，PCU控制器依据上述参数，经控制算法运算得到此次更新砂带所需控制参数，并将控制信号经S120双电机驱动模块输出，控制第一、二伺服电机进行砂带更新动作。具体体现为：如图1，第一伺服电机通过连接轴将动力传递第一砂带轮，从而驱动第一砂带轮做放卷动作。第二伺服电机通过连接轴将动力传递第二砂带轮，从而驱动第一砂带轮做收卷动作，进而实现砂带更新功能。此步骤中，第一、二伺服电机驱动第一、二砂带轮旋转的角度依据控制器中的初始输入数据和运行反馈参数，通过控制算法运算得出，能够保证带卷缠绕半径不断变化情况下，释放出设定长度的砂带。

砂带更新动作完成后，802D sl PCU控制器继续控制1FK7伺服电机22做前述往复磨削形式的研磨运动，直到运行反馈参数和预输入参数在控制器中的运算结果满足下一次砂带更新的触发条件。

上述动作反复进行，直到PCU控制器通过运行反馈参数和预输入参数，判断缠绕在第一砂带轮上的砂带卷已用完，并在完成最后一次研磨运动后，通过S120双电机驱动模块分别向第一、二伺服电机发出停止动作的信号，加工停止，并输出需更换砂带卷的信息。

加工时，工件由夹具夹持，位于接触轮的下方，由于本发明是安装在六个自由度的机床上，通过六轴联动的控制方式，从而实现对航空发动机叶片等具有复杂曲面结构工件型面和其他部位如叶片的根部、曲面的边缘等的加工，同时在适合的进给参数条件下能够实现普通磨削机床在加工此类工件中不易实现的纵向磨削。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统，其特征在于，包括：PCU控制器、第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、第一伺服电机、第二伺服电机，

PCU控制器第一电机驱动信号输出端连接第一电机驱动模块信号输入端，所述PCU控制器第二电机驱动信号输出端连接第二电机驱动模块信号输入端，所述第一电机驱动模块电机工作电信号输出端连接第一伺服电机工作电源端，所述第二电机驱动模块电机工作电信号输出端连接第二伺服电机工作电源端，所述第一伺服电机通过连接轴控制第一砂带轮，所述第二伺服电机通过连接轴控制第二砂带轮，

所述PCU控制器接收输入设备输入的初始工作参数，接收第一电机驱动模块和第二电机驱动模块反馈的反馈数据，处理后生成伺服电机控制信号，将伺服电机控制信号发送给第一电机驱动模块和第二电机驱动模块；

所述伺服电机根据伺服电机控制信号，进行一定频率和转速的交替正反转；同时，动力通过连接轴传递给第一砂带轮或第二砂带轮，使第一砂带轮或第二砂带轮进行与对应电机相同频率和转速的交替正反转，实现收卷或放卷动作；

所述的基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统的控制方法包括：

S1，设置初始工作参数，PCU控制器获取所设置的初始工作参数，由PCU控制器判断所设置的初始工作参数是否符合砂带研磨控制系统所预设的阈值范围，如果不符合预设的阈值范围，进行报警；

S1-1，预设如下初始数据，砂带卷在第一砂带轮上的初始缠绕半径R₆、第二砂带轮上的初始半径R₅、第二砂带轮轮毂半径R、单层砂带厚度δ、单次更新砂带长度和单次使用砂带长度ΔL、单段砂带往复研磨次数M和砂带的线速度v_s；

S1-2，PCU控制器对上述初始数据进行判断，如超出所设置的加工参数阈值范围，则不开始工作并提示重新输入参数或者报警；如果判断所输入的初始数据未超出所设置的加工参数阈值范围，则开始往复研磨加工动作；

S2，如果符合预设的阈值范围，PCU控制器发送信号给第一电机驱动模块和第二电机驱动模块进行转动操作，所述第一电机驱动模块带动第一伺服电机进行研磨操作，所述第二电机驱动模块带动第二伺服电机进行研磨操作，所述第一伺服电机和第二伺服电机转动方向相同，每一次PCU控制器进行砂带轮研磨过程中，对该次研磨过程中的参数进行记录，获取研磨参数数据库；

S3，所述PCU控制器通过输出控制信号，根据研磨参数数据库的数据信息和控制算法，控制所述第一伺服电机带动的第一砂带轮和第二伺服电机带动的第二砂带轮保持砂带线的速度相同；

S4，砂带更新动作：在研磨过程中，PCU控制器对研磨加工次数进行计数，当研磨加工次数达到单段砂带往复研磨次数M时，进行砂带更新动作；PCU控制器计算出砂带更新时伺服电机的转速及位置，生成本次砂带更新动作的伺服电机控制信号，并将控制信号输出，控制伺服电机动作，同时接收伺服电机的位置反馈信号，并对伺服电机的位置进行判断，当PCU控制器接收到伺服电机的位置与设定的位置相同时，砂带更新完成，PCU控制器进行更新次数的计数，并与设计更新次数N进行比较，如果已更新砂带的次数小于等于设计更新次数，则对第一砂带轮和第二砂带轮的半径进行更新，进入研磨加工动作流程；如果已更新砂带的次数大于设计更新次数，则进行最后一次往复研磨过程，往复研磨过程结束后结束加工，并发出更换砂带卷信号；

砂带更新时伺服电机转动的转速、电机主轴转过的角度由以下公式进行计算：

S4-1，第i次更新时第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷，相当于第二砂带轮在第i个往复循环中结束第M次往复研磨后，又进行了一次收卷动作，因此，L₁由(i-1)ΔL变为i·ΔL，在这个过程中：

伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的转速：

n_5,i,M+1＝n_1,i,M，

转过的角度，

Δθ_5,i,M+1＝Δθ_1,i,M，

式中，n_5,i,M+1为在第i次更新时伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的转速，n_1,i,M为在第i个往复研磨循环第M次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷时的转速，Δθ_5,i,M+1是第二伺服电机驱动第二砂带轮完成第i次更新中收卷过程时转过的相对角度，Δθ_1,i,M是第i个往复研磨循环第M次往复研磨过程中第二伺服电机驱动第二砂带轮收卷时转过的相对角度，L₁为第二砂带轮上缠绕的砂带长度，单次更新砂带长度和单次使用砂带长度ΔL，下标i代表的是第i个砂带往复磨削循环，0＜i≤N；

根据上述式子计算出伺服电机的转速和转动的角度，PCU控制器将伺服电机的转角信号转换成位置信号；

S4-2，更新时第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷：

第i次更新时第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷，相当于第一砂带轮在第i个往复循环过程中结束第M次往复研磨后，又进行了一次放卷动作，因此，L₃由L-(i-1)·ΔL变为L-i·ΔL，在这个过程中：

n_6,i,M+1＝n_3,i,M，

转过的角度，

Δθ_6,i,M+1＝Δθ_3,i,M，

式中，n_6,i,j为在第i次更新时第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷时的转速，n_3,i,M在第i个往复研磨循环第M次研磨过程中第一伺服电机驱动第一砂带轮放卷时的转速，

Δθ_6,i,M+1是第一伺服电机驱动第一砂带轮完成第i次更新中放卷过程时转过的相对角度，Δθ_3,i,M是第一伺服电机驱动第一砂带轮完成第i个往复研磨循环第M次往复研磨中放卷过程时转过的相对角度；

根据上述式子计算出第一伺服电机的转速和转动的角度，PCU控制器将第一伺服电机的转角信号转换成位置信号；

PCU控制器通过运行反馈参数和预输入参数，判断砂带更新动作完成后，继续控制伺服电机做前述往复磨削形式的研磨运动，直到运行反馈参数和预输入参数在PCU中的运算结果满足下一次砂带更新的触发条件；

由此，PCU控制器通过驱动模块，实时控制伺服电机，不断交替进行满足预设参数条件的研磨运动与砂带更新动作；

PCU控制器通过运行反馈参数和预输入参数，判断缠绕在第一砂带轮上的砂带卷已用完，并在完成最后一次研磨运动后，通过第一电机驱动模块和第二电机驱动模块向伺服电机发出停止动作的信号，加工停止，并输出需更换砂带卷的信息；

PCU控制器通过反馈信号判断单次研磨结束后，控制伺服电机反转，完成一次反向单次研磨；在进行砂带更新动作前，正反向研磨动作循环进行，形成了对被加工工件表面以一定频率不断反复的磨削运动；此过程中，数控系统对电机正反转次数、加工时间和电器元件动作次数的运行参数不断向PCU控制器反馈，形成半闭环控制。

2.根据权利要求1所述的基于阿基米德螺旋线的砂带研磨控制系统，其特征在于，所述S2包括：

当第一伺服电机进行正转时，对应的第一砂带轮进行放卷动作；

第二伺服电机以相同的转向转动，对应的第二砂带轮进行收卷动作；

第一伺服电机和第二伺服电机的转速由PCU控制器输出的控制信号命令控制。