CN114833712A - 一种实时调节珩磨压力的控制系统及其运行工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实时调节珩磨压力的控制系统及其运行工艺，珩磨加工前测量初孔孔径，获得初孔形状，计算得到材料去除量，基于珩磨压力与材料去除量关系获得珩磨压力变化曲线，将压力变化曲线输入指令装置；指令装置给定指令信号，实时接收液体压力传感器或力传感器的反馈信号，进行差值计算，运动控制器接收指令装置输出的压力信号，完成控制运算处理得到控制信号，传递给比例方向阀，控制比例方向阀开度，调节系统流量，保证液压缸压力与指令压力一致，实现对珩磨压力的实时控制。该发明的控制系统，结构简单、操作方便，能够根据工件初孔形状对珩磨压力进行实时控制，根据加工要求控制珩磨过程材料去除量，提高孔加工精度，提高珩磨加工效率。

Description

一种实时调节珩磨压力的控制系统及其运行工艺

技术领域

本发明提出一种实时调节珩磨压力的控制系统及其运行工艺，属于高效精密珩磨加工技术领域。

背景技术

通常的珩磨加工是在专用珩磨机上进行，针对珩磨机的研究也朝着更加高效精密的方向发展，如能够把给进座的位移量直接反馈给直线电机驱动器，实现给进座上下移动的全闭环控制，控制精度高，反馈灵敏度高的珩磨机；一种汽油发动机缸体内孔加工珩磨机，方便清扫收集打孔时的碎屑，有利于维持工作台的卫生，提高工作人员清扫的工作效率，提高装置的工作效率等，但为实现珩磨加工专门购置珩磨机，不仅使加工成本增加，而且需要进行二次装夹，易导致不同轴问题。

近几年研制出能够在加工中心使用的珩磨头，使在加工中心进行珩磨加工成为可能，不仅避免了为实现珩磨加工专门购置珩磨机，降低成本，而且在加工中心依次进行钻、镗、铰、珩磨的工艺流程，可以避免二次装夹造成不同轴，提高加工精度。

珩磨加工过程存在两种不同的控制策略：定压珩磨和定速珩磨，定压珩磨作为一种较新的珩磨控制方法其稳定性更高，加工表面粗糙度也优于定速珩磨，但是传统的定压珩磨存在材料去除量中间多两端少的现象，加之误差复映，致使珩后孔无法满足加工精度要求，需要依靠工人经验边测量边加工以达到所需精度，加工效率较低。目前针对上述问题有学者提出增加越程量、控制珩磨运动轨迹分布、改进珩磨头结构、调整越程段停留时间以及优化工艺参数等措施，以达到精度优化和控制，但是这些方法尚不具有普适性，往往只针对某一类型或某一孔径范围的孔进行分析研究。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种实时调节珩磨压力的控制系统及其运行工艺，根据工件初孔形状进行珩磨压力的控制，通过研究选择合适的压力控制策略，获得具有低延时、高跟随精度的压力曲线，使在孔径小时珩磨压力增大，孔径大时珩磨压力减小，以获得更高的形状精度，并有效提高加工效率，实现高效精密珩磨技术。

为了实现上述目的，本发明采用了以下方案：

一种实时调节珩磨压力的控制系统，该控制系统使用负反馈方式进行信号反馈。指令装置实时接收反馈信号，用于和指令压力进行相应的差值计算后将信号传递给运动控制器，通过运动控制器控制比例方向阀的开度，使系统实时压力与指令压力保持一致。系统实时压力与指令装置输出的压力信号具有低延迟、高跟随性，最大相对误差小于5％。

本发明实时调节珩磨压力的方式有两种：外部调节和内部调节，其中，外部调节是对工件受力信号进行反馈，依据反馈信号实时调节珩磨压力；内部调节是对液压力信号进行反馈，基于反馈信号实时调节珩磨压力。其中，液体压力传感器连接液压缸和指令装置，用于实时反馈液压缸压力信号，运用内部调节方式进行信号反馈；力传感器连接工件和指令装置，用于实时反馈工件受力信号，运用外部调节方式进行信号反馈。

压力曲线和珩磨工具同步运动。电磁开关阀连接比例方向阀和加工中心外冷系统，使用外冷系统提供信号控制压力控制系统的开关，保证压力曲线和珩磨工具运动同步。

具体来说，上述实时调节珩磨压力的控制系统，包括：液压源、指令装置、过滤器、压力表、囊式蓄能器、电磁阀、调压阀、比例方向阀、运动控制器、电磁开关阀、反馈传感器、液压缸；

其中，液压源包括油箱，液位液温计和空气滤清器直接与油箱连接，电机通过并联泵与油箱连接。

指令装置通过运动控制器连接比例方向阀，指令装置实时接收反馈信号，用于和指令压力进行相应的差值计算后将信号传递给运动控制器，通过运动控制器控制比例方向阀的开度，使系统实时压力与指令压力保持一致。

电磁开关阀连接比例方向阀和加工中心外冷系统，使用外冷信号控制压力控制系统的开关，保证压力控制系统输出压力曲线和珩磨工具运动同步。

上述实时调节珩磨压力的控制系统的运行工艺，过程如下：

步骤(1)、珩磨加工前测量初孔孔径，获得初孔形状，根据式(1)计算得到材料去除量，基于珩磨压力与材料去除量关系式如式(2)所示，获得珩磨压力变化曲线。

V＝∫f(V_a,n_s,l,F)dt (1)

F＝f^-1(V) (2)

其中，V是材料去除量，V_a是珩磨工具往复速度，n_s是珩磨工具旋转速度，l是珩磨越程量，F是珩磨压力，t是珩磨时间。

步骤(2)、将珩磨压力曲线输入所述指令装置，给定指令压力信号：该实施例中工件初孔形状为鼓形孔，所给出的指令压力信号是压力随时间先变小后变大。

步骤(3)、珩磨工具工作时，加工中心外冷系统的继电器得电并将信号发送给所述电磁开关阀，电磁开关阀打开，所述比例方向阀调整开度，进行流量输出。

所述液体压力传感器将当前输出流量转换为电压信号实时反馈给指令装置。液压缸在输出流量作用下使珩磨工具运动，对工件施加作用力，所述力传感器将当前工件所受轴向力实时反馈给指令装置，指令装置根据式(3)将反馈轴向力转换为液压力。

P＝K·f(F_a) (3)

其中，F_a是力传感器所测工件所受轴向力；K是比例系数，与珩磨工具锥角有关；P是液压力。

指令装置通过实时对给定信号和传感器反馈信号进行差值运算，将偏差信号传递给运动控制器，运动控制器完成相关控制运算处理得到控制信号，传递给比例方向阀；

比例方向阀依据式(4)调整开度，控制流量输出，驱动液压缸活塞调整输出加载力以减小偏差值，直至加载力的输出趋于稳定值。

其中，x_v为比例方向阀的阀芯位置；ΔU为电压变化量；K_sv为比例阀空载流量增益；G_xv为当K_sv＝1时的比例方向阀的传递函数。

当珩磨工具停止工作时，加工中心外冷关闭，所述电磁开关阀接收信号关闭，系统卸压，液压缸内油液通过回油过滤器回到油箱。

有益效果

本发明一种采用实时调节珩磨压力的控制系统，具有以下优点：

1.该实时调节珩磨压力的控制系统结构简单、易于操作，可以根据不同工件初孔形状进行相应的压力控制，获得具有低延时、高跟随精度的压力曲线，减少珩磨加工材料去除中间多两端少所导致的鼓形孔的产生，提高孔珩磨加工精度，有效改善珩后孔不能满足加工精度需求，依靠工人经验反复修整的问题，大大提高加工效率，降低企业生产成本。

2.该实时调节珩磨压力的控制系统将加工中心外冷系统的继电器与电磁开关阀连接起来，珩磨工具工作时，加工中心外冷系统的继电器得电将信号发送给电磁开关阀控制压力控制系统开关，不需要人工控制系统开关，使信号同步性更高，确保加工精度的同时提高加工效率。

3.该实时调节珩磨压力的控制系统的指令装置连接运动控制器、液体压力传感器和力传感器，可以通过液体压力传感器和力传感器两种方式进行实时压力信号反馈，其中采用液体压力传感器进行反馈调节实施简单高效，延时低，采用力传感器进行反馈调节能根据工件实时状态进行反馈，更加准确。

附图说明

图1是珩磨压力控制系统的立体结构图；

图2是图1的后视图；

图3是珩磨压力控制系统原理图；

图4是液体压力传感器压力控制系统组成图；

图5是力传感器压力控制系统组成图；

图6珩磨压力控制系统工作流程图；

图7珩磨压力控制系统工作示意图；

图8珩磨效果示意图。

其中，1-油箱，2-液位液温计，3-电机，4-并联泵，5-风冷却器，6-空气滤清器，7-回油过滤器，8-高压过滤器，9-压力表，10-囊式蓄能器，11-调压阀，12-电磁阀，13-电磁开关阀，14-比例方向阀，15-液体压力传感器，16-液压缸,17-力传感器、18-工件，19-指令装置、20-运动控制器、21-珩后孔、22-材料去除部分，23-初孔。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

图1是珩磨压力控制系统的立体结构图，图2是图1的后视图；图3是珩磨压力控制系统原理图。

参照图1-3所示，一种实时调节珩磨压力的控制系统，液压源是油箱1，液位液温计2和空气滤清器6直接与油箱1连接，电机3通过并联泵4与油箱1连接。

油液冷却系统包括风冷却器5，与油箱1和并联泵4连接，液压源经过过滤器8与压力表9、电磁开关阀13连接，囊式蓄能器10连接调压阀11和电磁阀12后与比例方向阀14连接，比例方向阀14连接电磁开关阀13，通过液体压力传感器15连接液压缸16。

电机3通电，并联泵4工作将油箱1中的油液提供给系统，油液经过过滤器8，避免系统中油压过高，通过压力表9，进入囊式蓄能器10进行储存，加工中心外冷信号传递给电磁开关阀13打开开关，运动控制器20接收指令信号控制比例方向阀14调整开度，油液经过调压阀11和电磁阀12进入比例方向阀14，经过压力传感器15进入液压缸16，液压力使珩磨工具进行工作，对工件施加作用力，进行珩磨；液压缸16为珩磨工具内部单作用弹簧回复液压缸。

压力传感器15将流入液压缸的实时压力信号反馈给指令装置，进行偏差运算，传递给运动控制器20，控制比例方向阀14的流量，保证系统压力和指令压力信号一致，原理如图4；或者力传感器17测量工件所受珩磨工具施加的轴向力，并将实时力信号反馈给指令装置，进行偏差运算，传递给运动控制器20，控制比例方向阀14的流量，保证系统压力和所需压力一致，原理如图4。

当实时压力出现偏差时，则通过传感器反馈给指令装置并进行调节，调整比例方向阀14开度，保证系统输出压力为所需珩磨压力，即在孔径小的位置增加珩磨压力，孔径大的位置相对减小珩磨压力，使加工后孔径变化小，提高孔的加工精度，保证珩后孔的圆柱度。实时调节珩磨压力的效果，如图5所示，实际压力与指令压力相对误差在5％以内。

实施例2

图6珩磨压力控制系统工作流程图、图7珩磨压力控制系统工作示意图、图8珩磨效果示意图。参照图6-8所示，实时调节珩磨压力控制系统的运行方法，步骤如下：

步骤(1)、珩磨加工前测量初孔孔径，获得初孔形状，根据式(1)计算得到材料去除量，基于珩磨压力与材料去除量关系式如式(2)所示，获得珩磨压力变化曲线。

V＝∫f(V_a,n_s,l,F)dt (1)

F＝f^-1(V) (2)

其中，V是材料去除量，V_a是珩磨工具往复速度，n_s是珩磨工具旋转速度，l是珩磨越程量，F是珩磨压力，t是珩磨时间。

在该实施例中，进行珩磨加工前，测量初孔23的孔径，两端孔径为d，中间孔径为d+10，初孔形状为腰鼓形，即两端孔径小，中间孔径大，为获得较好的圆柱度，需要两端去除材料V1，中间去除材料V2，其中V1＞V2，即两端材料去除量多，中间材料去除量少(如图8所示)，计算获得压力变化曲线，如图7所示，珩磨压力先减小后增大，将压力曲线输入指令装置19。

步骤(2)、珩磨工具工作时，加工中心外冷继电器得电并将信号发送给电磁开关阀，电磁开关阀打开，比例方向阀调整开度，进行流量输出。

在该实施例中，电机3通电，液压缸16带动端部珩磨工具工作时，加工中心外冷信号传递给电磁开关阀13控制打开开关，运动控制器20接收指令信号控制比例方向阀14调整开度，油液经液体压力传感器15进入液压缸16，液压缸内液压力使珩磨工具进行工作，对工件18施加作用力。

步骤(3)、液体压力传感器15和力传感器17进行系统信号反馈，指令装置进行偏差运算后传递给运动控制器20控制系统流量，使指令压力和实时压力保持一致，当实时压力出现偏差时，则通过传感器反馈给指令装置并进行调节，调整比例方向阀14开度，保证系统输出压力为所需珩磨压力，如图6所示流程。具体来说，所述液体压力传感器将当前输出流量转换为电压信号实时反馈给指令装置。液压缸在输出流量作用下使珩磨工具运动，对工件施加作用力，所述力传感器将当前工件所受轴向力实时反馈给指令装置，指令装置根据式(3)将反馈轴向力转换为液压力。

P＝K·f(F_a) (3)

其中，F_a是力传感器所测工件所受轴向力；K是比例系数，与珩磨工具锥角有关；P是液压力。

指令装置通过实时对给定信号和传感器反馈信号进行差值运算，将偏差信号传递给运动控制器20，运动控制器20完成相关控制运算处理得到控制信号，传递给比例方向阀；

比例方向阀依据式(4)调整开度，控制流量输出，驱动珩磨工具液压缸活塞调整输出加载力以减小偏差值，直至加载力的输出趋于稳定值。

其中，x_v为比例方向阀的阀芯位置；ΔU为电压变化量；K_sv为比例阀空载流量增益；G_xv为当K_sv＝1时的比例方向阀的传递函数。

在该实施例中，实际压力与指令压力曲线如图7，相对误差在5％以内，实时调节珩磨压力的效果，如图8，珩后孔能够获得较好的圆柱度，满足加工精度要求。

步骤(4)、当珩磨工具停止工作时，加工中心外冷关闭，所述电磁开关阀接收信号关闭，系统卸压，珩磨工具液压缸内油液通过回油过滤器回到油箱。

因此，本发明由于珩磨加工时存在材料去除量中间多两端少的情况，基于工件初孔形状设置指令信号的初始压力曲线，改变孔加工时的珩磨压力，实现珩磨加工时根据加工要求控制材料去除量，提高孔的加工精度，减少人工修整，珩磨加工精度高，而且系统实时压力与指令装置输出的压力信号具有低延迟、高跟随性，最大相对误差小于5％。

Claims (5)

1.一种实时调节珩磨压力的控制系统，其特征在于，包括：液压源、指令装置(19)、过滤器(8)、压力表(9)、囊式蓄能器(10)、电磁阀(12)、调压阀(11)、比例方向阀(14)、运动控制器(20)、电磁开关阀(13)、反馈传感器、液压缸；

所述的液压源包括油箱(1)，液位液温计(2)和空气滤清器(6)直接与油箱(1)连接，电机(3)、风冷却器(5)通过并联泵(4)与油箱(1)连接，提供系统所需流量，防止油箱油液温度过高；

液压源经过过滤器后，与压力表、电磁开关阀连接，电磁开关阀连接比例方向阀，控制系统开关，保证系统输出压力曲线与珩磨工具的运动同步；

压力表(9)、囊式蓄能器、电磁阀和调压阀并联后依次相连后连接比例方向阀，用于调整蓄能器状态，保证系统压力稳定；比例方向阀通过液体压力传感器(15)连接液压缸(16)；

所述的反馈传感器包括液体压力传感器(15)和力传感器(17)，其中：液体压力传感器连接液压缸和指令装置，将流入液压缸的实时压力信号反馈给指令装置，进行偏差运算；

运动控制器连接指令装置和比例方向阀，用于接收指令装置的偏差信号，控制比例方向阀的流量，保证系统压力和指令压力一致；

力传感器连接工件(18)和指令装置，测量工件所受珩磨工具施加的轴向力，并将实时力信号反馈给指令装置，进行偏差运算，传递给运动控制器，控制比例方向阀的流量，保证所需压力与指令压力一致。

2.根据权利要求1所述的实时调节珩磨压力的控制系统，其特征在于，

所述的控制系统采用负反馈方式进行信号反馈；

压力曲线和珩磨工具同步运动；

电磁开关阀连接比例方向阀和加工中心外冷系统，使用外冷信号控制压力控制系统开关，保证压力控制系统输出压力曲线和珩磨工具运动同步。

3.权利要求1所述的一种实时调节珩磨压力的控制系统，其特征在于，所述的实时调节珩磨压力，包括外部调节和内部调节：

外部调节是对工件受力信号进行反馈，依据反馈信号实时调节珩磨压力；

内部调节是对液压力信号进行反馈，基于反馈信号实时调节珩磨压力；

其中，液体压力传感器连接液压缸和指令装置，用于实时反馈液压缸(16)压力信号，运用内部调节方式进行信号反馈；力传感器连接工件和指令装置，用于实时反馈工件受力信号，运用外部调节方式进行信号反馈。

4.权利要求1-3任一项所述的一种实时调节珩磨压力的控制系统的运行工艺，其特征在于，步骤如下：

步骤(1)、珩磨加工前测量初孔孔径，获得初孔形状，根据式(1)计算得到材料去除量，基于珩磨压力与材料去除量关系式如式(2)所示，获得珩磨压力变化曲线，将压力曲线输入指令装置；

V＝∫f(V_a,n_s,l,F)dt (1)

F＝f^-1(V) (2)

其中，V是材料去除量，V_a是珩磨工具往复速度，n_s是珩磨工具旋转速度，l是珩磨越程量，F是珩磨压力，t是珩磨时间；

步骤(2)、电机通电，液压缸带动端部珩磨工具工作时，加工中心外冷系统将信号传递给电磁开关阀控制打开开关，运动控制器接收指令信号控制比例方向阀调整开度，油液经液体压力传感器进入液压缸，液压缸内液压力使珩磨工具进行工作，对工件施加作用力；

步骤(3)、液体压力传感器和力传感器进行系统信号反馈，指令装置进行偏差运算后传递给运动控制器控制系统流量，使指令压力和实时压力保持一致，当实时压力出现偏差时，则通过传感器反馈给指令装置并进行调节，调整比例方向阀开度，保证系统输出压力为所需珩磨压力；

步骤(4)、当珩磨工具停止工作时，加工中心外冷系统关闭，所述电磁开关阀接收信号关闭，系统卸压，液压缸内油液通过回油过滤器(7)回到油箱。

5.根据权利要求4所述的实时调节珩磨压力的控制系统的运行工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述的指令装置进行偏差运算后传递给运动控制器控制系统流量是指：指令装置根据式(3)将力传感器反馈的轴向力转换为液压力；

P＝K·f(F_a) (3)

其中，F_a是力传感器所测工件所受轴向力；K是比例系数，与珩磨工具锥角有关；P是液压力；

指令装置通过实时对给定信号和传感器反馈信号进行差值运算，将偏差信号传递给运动控制器，运动控制器完成相关控制运算处理得到控制信号，传递给比例方向阀；

比例方向阀依据式(4)调整开度，控制流量输出，驱动液压缸活塞调整输出加载力以减小偏差值，直至加载力的输出趋于稳定值；

其中，x_v为比例方向阀的阀芯位置；ΔU为电压变化量；K_sv为比例阀空载流量增益；G_xv为当K_sv＝1时的比例方向阀的传递函数。

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