摘要:高精度细长轴广泛应用于机械行业。针对其加工精度不易保证、加工过程难控制、效率低等不足, 设计一个基于DSP的自适应控制检测系统。该检测系统以TMS320LF2407A为核心, 通过实时检测轴外径、磨头振动、随动支架与工件的接触等信号获得磨削过程的加工参数, 通过对信号的处理实现自适应控制。
关键词:自适应控制;检测系统;DSP;细长轴
轴类零件如光轴、阶梯轴、曲轴、齿轮轴和空心轴等, 是机械行业必不可少的零件。而对轴类零件精度要求高的场合, 常采用磨削加工作为工件加工的最终工序。传统的磨削加工是依靠工人的经验、手工操作砂轮进行的, 这样生产出的产品质量不稳定, 存在不确定性, 容易产生废品。由于细长轴(其长径比大于25)的刚性很差(长径比越大刚性越差), 当受到切削力时会产生弯曲、振动, 加工困难, 尤其是高精度超细长轴的加工难度更大。
在细长轴的磨削加工过程中, 影响轴的加工质量的因素很多, 作者考虑磨床的振动、数控随动支架与工件的接触、磨削力等主要因素对加工质量的影响。另外轴的直径也需要实时检测。根据这些影响因数,作者设计一个基于DSP的自适应检测系统, 能实时检测细长轴的加工数据, 进而不断调节磨床的各进给参数, 很好地解决了上述加工问题。
作者首先介绍了信号检测系统的设计, 分析了各检测信号的调理电路, 最后设计了基于DSP的系统硬件, 并分析了该系统的工作流程。
1 信号检测系统的设计
1.1 细长轴直径检测
1.1.1 检测方案
由于砂轮磨削时需要随动支架支撑细长轴, 传感器安装不方便, 而离加工较远处测量的数据过于滞后, 不适于自适应控制, 又由于在磨床上加工的细长轴的表面粗糙度已经较小, 故不再检测细长轴的表面粗糙度, 而直接检测轴的直径。
根据细长轴的加工特点, 可选用一对差动变压器式电感传感器组成等臂测头, 测针应具备较高的硬度和耐磨性, 选用高硬度的陶瓷材料, 如工业用红宝石。由于测量时采用点接触方式, 因而测针的形状以球形为最佳, 其直径可依据加工轴的轴径选配;测杆应保证足够的刚性和工作长度, 为了避免磁性干扰,选用非导磁性材料, 如不锈钢, 同时还应具备一定的长度可调性。
传感器选择LVDT-1型差动变压器位移传感器,其参数如表1所示。
1.1.2 信号处理
检测出轴的实时数据后, 需经低功率差动传感器数字输出接口芯片AD2S93完成对该信号的调制和A/D转换并通过SPI总线传输, 配合多路开关对两路信号或某一路信号进行采样保持。多路模拟开关选用CD4052, 经CD4052对两路信号的控制可得到同一瞬时直径方向上两采样点或单采样点的数据, 并传输给DSP系统做进一步的数据处理, 最后由上位机发出控制命令, 调整驱动砂轮进给和随动支架的运动。信号调理电路如图1所示。
通过CD4052的A、B和INH引脚控制采样信号的输出, X、Y引脚分别接入I/O引脚IOPA3、IOPA4。
1.2 磨床振动检测
1.2.1 检测方案
磨削过程中, 磨床工况直接影响加工效率和精度, 因而在精密加工中必须保证磨床在良好的工况下工作。但影响磨床工况的因素较多, 无法一一检测,需选择最主要的因素进行检测。在数控磨床磨削工件的过程中, 振动的危害极大, 对振动的检测能有效反映磨床的工况, 因此在该检测系统中对振动进行检测。
振动信号如位移、速度、加速度等都可以作为检测信号, 这里以加速度为检测对象。由于压电式加速度传感器具有传感器量程大、频带宽、体积小、安装简单等特点, 并能适用于恶劣环境, 因此这里选用压电式加速度传感器。加工时, 整个磨床的颤振主要是由磨头的振动引起, 因此将传感器安装在磨头上。
传感器选择Endevco公司生产的通用型272, 其参数如表2所示。
1.2.2 信号处理
压电式加速度传感器输出的是低电荷信号, 无法直接被A/D转换器转换, 另外由于存在干扰信号,考虑到信号放大后的特性, 需要进行低通滤波, 因此可选用TL081芯片设计电荷转换电路和适调放大电路, 经过适调放大之后便可进行低通滤波。选用切比雪夫型滤波器, 具体使用美国MAXIM公司开发的MAX293。当数控磨床砂轮转速为300 ～ 9 000 r/min时, 磨头处的振动频率约为5 ～ 150 Hz, 因此MAX293的截止频率可以取为180 Hz。信号调理电路如图2所示。
图中, MAX293的CLK引脚接DSP的CLKOUT/IOPE0, DSP时钟控制MAX293 输出信号, 经过MAX293低通滤波后, 信号通过OUT引脚接入DSP的ADCIN00引脚。
1.3 数控随动支架与工件接触信号的检测
1.3.1 检测方案
在高精度细长轴的加工中, 数控随动支架对减小工件的加工刚性引起的误差有着极其重要的意义。在检测系统中, 数控随动支架采用液压和电致伸缩器驱动:当支架离工件较远时通过程序控制液压驱动支架到一定位置, 再使用电致伸缩器驱动支架与工件接触。该接触信号采用单向压电式传感器检测, 由于需要检测的力很小, 需选用高灵敏度的力传感器, 选用的型号为YSXL。YSXL型高灵敏度传感器参数如表3所示。
1.3.2 信号处理
单向压电式力传感器输出的是低电荷信号, 需要进行电荷放大处理。由于在数控随动支架与工件接触信号的检测中, 不需要测量压力, 只需要检测支架是否与工件已接触, 一旦支架与工件接触便发出信号,使支架停止运动, 不再前进。因此在经过电荷放大器的放大之后需要经过电压比较器产生开关信号直接传输给系统, 发出控制信号使支架停止运动, 保持支架与工件的接触。在这里, 电压比较器选用LM339。信号调理电路如图3所示。采集的信号经过LM339进行电压比较之后触发电平, 通过OUT引脚接入DSP的IOPA5。
1.4 砂轮磨损检测
1.4.1 检测方案
在磨削加工过程中, 砂轮的磨损是不可避免的,而砂轮的使用情况无疑对工件的精度有着最直接的影响。在磨削的自适应控制过程中, 必须检测砂轮的磨损情况。砂轮的磨损分为非正常磨损和正常磨损, 正常磨损是有规律的, 与砂轮的使用时间和次数有关,通常按照人们的经验对砂轮进行整修。由于非正常磨损的危害性, 作者主要对非正常磨损进行检测。
砂轮的非正常磨损检测有多种方法, 但AE传感器检测作为一种动态无损检测方法, 可在磨床工作的情况下进行检测, 因此非常适合磨削加工的在线检测。当磨削状态(如砂轮磨损或破损、磨削接触、磨削烧伤、磨削参数及工件材质等)发生变化时, 声发射信号会发生变化, AE传感器能检测到这些变化。
磨削加工中, 由于砂轮与工件的摩擦, 会在工件及砂轮上产生150 ～ 300 kHz的信号, 据此传感器选择宽频带传感器1045S, 其参数如表4所示。
1.4.2 信号处理
来自传感器的AE信号是很弱的电信号, 其幅值约为几微伏至几十微伏, 需要进行前置放大。为了实现在较宽的测量范围内保证必要的测量精度, 采用程控增益放大器, 具体选用PGA202, 并用带通滤波器选取AE信号, 过滤掉干扰信号, 通带频率范围约为150 ～ 300 kHz。带通滤波器选用MFB式带通滤波器,根据通带频率进行具体设计。为了适应A/D转换器的相应时间, 需要通过包络检波电路处理, 将AE信号的频率降低得到一个低频的AE包络信号, 包络检波通过双管检波电路实现。信号调理电路如图4所示。
图中PGA202 的1、2 引脚分别接入触发器SN74HCT273的数字量输出端, 以控制PGA202的编程增益大小。采集信号经包络检波后, 通过OUT引脚接入DSP的ADCIN01。
1.5 磨削力检测
1.5.1 检测方案
磨削加工过程中, 由于砂轮独特的组织结构特点, 很难进行高效高精度加工, 而磨削力不仅能直接反映磨削加工过程, 还影响着工件的加工精度, 因此对它检测有着重要的意义。
磨削力的检测有直接和间接检测两大类直接检测方法误差大, 虽然间接检测也有误差, 但其在传感器的设计、安装等方面都较直接检测方便, 而且还能检测到瞬时磨削力, 因此在这里选用间接检测。间接检测磨削力时, 采用霍尔电流传感器检测主轴电机的电流, 只需将霍尔电流传感器夹在电机的出入电流端即可, 简单易操作。
由于加工精度的要求, 需要较准确地检测电机电流, 因此选择霍尔磁补偿式电流传感器。数控平面磨床主轴功率一般在1.5 ～ 8.5 kW之间, 测量电流范围一般比50 A小, 具体选用HA25-NP系列霍尔电流传感器其参数如表5所示
1.5.2 信号处理
霍尔电流传感器输出电流, 一路直接传输给电流号调理电路表, 以显示数值;另一路外接电阻以将电流转换为电压, 输出的电压再经过低通滤波处理后传输给DSP系统进行分析, 低通滤波器也选用MAX293 低通滤波器, 根据工业用电频率及磨床加工特性,其截止频率设为100Hz。信号调理电路如图5所示。
图中, 磨削力检测信号通过引脚IN接入MAX293中, 通过引脚OUT接入DSP的ADCIN02, 引脚CLK接入DSP的IOPE0, 触发MAX293输出信号。
2 DSP系统设计
2.1 DSP系统硬件设计
在该自适应控制系统中, 需要设计外围存储器电路、外围电源转换电路、JTAG仿真接口电路、串行接口电路、时钟电路、键盘及显示电路等, 其与DSP芯片(TMS320LF2407A)共同组成DSP硬件系统, 这些外围在此不再进行具体阐述。
该系统中, 采用TMS320LF2407A片上集成的16路10位带自动排序器的ADC模块作为模拟量的数据采集单元, 待采集的模拟量按需要接到DSP的ADC引脚上。根据前面的设计, 采集的信号有数字量, 可以直接传输到DSP的I/O引脚。经调理电路处理后的信号与DSP的连接有两种情况:(1)接入ADC模块, 如振动信号、磨削力信号和砂轮磨损信号;(2)
直接接入DSP的I/O引脚, 如细长轴直径信号和数控随动支架与工件的接触信号。
DSP可以依次对这5个引脚按一定的顺序和采样频率进行采样, 采样结果可以存储到指定的存储空间, 数据采集结果通过串行接口送至上位机以控制数控磨床进行自适应调节。
2.2 DSP系统软件设计
作为一个应用系统, 需要在硬件系统的平台上加载软件才能实现系统的功能, 系统的软件需要按照系统的要求进行设计, 这里不再对DSP系统的源程序及相关文件进行编写和说明, 只简要说明系统工作流程, 如图6所示。
图6 系统功能流程图
3 小结
综上所述, 该检测系统采用多通道同步信号采集分时输入结构, 保证了系统对采样的精度、实时、通道数等要求, 可满足对复杂数据的快速处理要求, 可实现实时监控磨床的加工状态及调整磨床各加工参数, 满足细长轴的高精度、高效率和智能化的生产要求。该检测系统不仅能应用于数控磨床, 还可经过简单改造应用于其他数控机床。
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