珩磨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盛維杰，李維嘉

（華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

珩磨是一種摩擦切削工藝。珩磨機(jī)[1]是通過對珩磨頭的伸縮控制完成對工件表面的加工，實(shí)現(xiàn)對工件尺寸、圓整度、直線度和表面粗糙度的要求。現(xiàn)主要用在汽車工業(yè)、工程機(jī)械和航空工業(yè)等制造業(yè)中珩磨工件內(nèi)孔。通過介紹分析珩磨機(jī)加工原理和控制要求結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)提出基于Cortex-M4架構(gòu)的STM32嵌入式方案取代了傳統(tǒng)的工控機(jī)和PLC方案，有效控制了成本，簡化了設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 加工原理及控制要求

珩磨[2]是利用安裝于珩磨頭圓周上的一條或多條油石，由漲開機(jī)構(gòu)（有旋轉(zhuǎn)式和推進(jìn)式兩種）將油石沿徑向漲開，使其壓向工件孔壁，以便產(chǎn)生一定的面接觸，同時(shí)使珩磨頭旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，零件不動(dòng)；或珩磨頭只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)珩磨。

珩磨頭進(jìn)給方式主要分為定量進(jìn)給和定壓進(jìn)給。定量進(jìn)給珩磨時(shí)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)以恒定的速度擴(kuò)張進(jìn)給，使磨粒強(qiáng)制性地切入工件。當(dāng)油石產(chǎn)生堵塞切削力下降時(shí)，進(jìn)給量大于實(shí)際磨削量，此時(shí)珩磨壓力增高，從而使磨粒脫落、破碎，切削作用增強(qiáng)。定壓進(jìn)給時(shí)，由于工件表面凹凸不平，需要實(shí)時(shí)調(diào)整珩磨頭的進(jìn)刀量，以保證工件承受恒定的磨削力。

珩磨時(shí)由于珩磨頭旋轉(zhuǎn)并往復(fù)運(yùn)動(dòng)或珩磨頭旋轉(zhuǎn)工件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使加工面形成交叉螺旋線切削軌跡，兩次行程間珩磨頭相對工件在周向錯(cuò)開一定角度，這樣的運(yùn)動(dòng)使珩磨頭上的每一個(gè)磨粒在孔壁上的運(yùn)動(dòng)軌跡亦不會(huì)重復(fù)。此外，珩磨頭每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，油石與前一轉(zhuǎn)的切削軌跡在軸向上有一段重疊長度，使前后磨削軌跡的銜接更平滑均勻。

珩磨工藝屬于高尺寸精度、高形狀精度和高表面質(zhì)量要求的切削加工工藝，需要在加工中滿足以下控制要求[3]。

a.選擇手動(dòng)加工可以進(jìn)行主軸旋轉(zhuǎn)、進(jìn)給點(diǎn)動(dòng)、往復(fù)點(diǎn)動(dòng)和往復(fù)循環(huán)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。

b.自動(dòng)加工根據(jù)輸入的加工參數(shù)和控制指令，完成自動(dòng)加工循環(huán)并動(dòng)態(tài)顯示加工狀態(tài)和加工數(shù)據(jù)曲線。

c.自動(dòng)加工中長行程進(jìn)給加工，短行程消除形狀誤差，可以在每個(gè)循環(huán)周期中記錄出現(xiàn)最大力矩的位置，并自動(dòng)在最大力矩處短行程修復(fù)，以滿足零件加工形狀精度要求。

d.系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)時(shí)報(bào)警并顯示故障原因；當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)動(dòng)作時(shí)（例如手伸到加工工作臺(tái)），機(jī)床應(yīng)立即停止工作，并報(bào)警。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

珩磨機(jī)控制系統(tǒng)的硬件由主控制器、信號(hào)采集板、GPRS遠(yuǎn)程控制模塊、觸摸顯示器、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、交流變頻器和交流電機(jī)組成。珩磨機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 珩磨機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 基于STM32F407的主控制器

ST公司的STM32F4[4]系列是高性能的基于ARM Cortex-M4的32位微控制器，工作頻率高達(dá)168MHz。Cortex-M4具有浮點(diǎn)單元（FPU），支持所有的ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型，具有DSP處理指令和自適應(yīng)的實(shí)時(shí)加速器（ART）。STM32F407改進(jìn)了一些外設(shè)，如全雙工I2S、小于1 μA的 RTC以及2.44MHz／s采樣率的 ADC，STM32F407的通信接口高達(dá)15個(gè)。STM32F407還包含512kB～1MB的片內(nèi)內(nèi)存存儲(chǔ)器，多達(dá)192 KB的SRAM。珩磨機(jī)控制系統(tǒng)采用STM32F407作為主控芯片。

2.2 基于STM32的數(shù)據(jù)采集板

數(shù)據(jù)采集板是采用Cortex-M3架構(gòu)的stm32f103芯片[5]開發(fā)用于采集力矩傳感器的模擬信號(hào)和開關(guān)信號(hào)，將采集的信號(hào)濾波后通過工業(yè)CAN總線傳到主控制器。2路0～10V和1路4～20mA模擬量（12位）輸入，采樣頻率為100kHz，8路光隔輸入（0～24V，20kHz），1路CAN總線，波特率為1M。

2.3 GPRS遠(yuǎn)程控制模塊

GPRS通訊模塊用于遠(yuǎn)程監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，將絎磨機(jī)系統(tǒng)的危險(xiǎn)錯(cuò)誤信號(hào)傳遞給系統(tǒng)維護(hù)人員，以便系統(tǒng)故障得到較快較好的排查。GPRS通信模塊通過串口與STM32F407主控制器通信。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 基于CANopen工業(yè)總線通訊控制網(wǎng)絡(luò)

CANopen是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network）的簡稱，它是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，具有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、通訊可靠性和實(shí)時(shí)性，簡單實(shí)用，網(wǎng)絡(luò)成本低。特別適用于機(jī)械加工控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。珩磨機(jī)控制系統(tǒng)采用施耐德LXM23驅(qū)動(dòng)器，通過CAN接口，將進(jìn)給電機(jī)和往復(fù)電機(jī)串到一條總線上，通過ID號(hào)訪問和控制電機(jī)的狀態(tài)和位置。

采用CANopen協(xié)議[6]的控制伺服驅(qū)動(dòng)器，是通過PDO和SDO這兩種方法來實(shí)現(xiàn)的，SDO用來在設(shè)備之間傳輸大的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，用來設(shè)置CANopen網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備參數(shù)。PDO用來傳輸8字節(jié)，可以利用對象字典進(jìn)行映射。將電機(jī)的理論位置映射到PDO，通過發(fā)PDO改變電機(jī)的理論位置進(jìn)而控制進(jìn)給量和往復(fù)位置，同時(shí)利用主控制器的CAN中斷接收PDO獲取電機(jī)的實(shí)際位置。CANopen通訊控制工作流程如圖2所示。

圖2 CANopen工作流程

3.2 定壓-定量進(jìn)給控制與往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制方法

開始時(shí)以定壓進(jìn)給珩磨，當(dāng)油石進(jìn)入堵塞切削階段時(shí)，轉(zhuǎn)換為定量進(jìn)給珩磨，以提高效率。最后可用不進(jìn)給珩磨，提高孔的精度和表面粗糙度。

進(jìn)給珩磨機(jī)定壓控制是通過測試主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩來實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)時(shí)調(diào)整進(jìn)給電機(jī)收縮漲緊狀態(tài)，來保證工件內(nèi)壁承受固定的壓力。主軸電機(jī)力矩作為進(jìn)給電機(jī)位置反饋來調(diào)整進(jìn)給電機(jī)位置環(huán)。采用力矩傳感器實(shí)時(shí)測量主軸力矩，考慮到模擬量受實(shí)際工況的干擾波動(dòng)和實(shí)際采集數(shù)據(jù)的延遲，進(jìn)給珩磨機(jī)定壓控制設(shè)置了一段死區(qū)，力矩在設(shè)定值左右一定范圍內(nèi)波動(dòng)不改變進(jìn)給電機(jī)的進(jìn)給量。

往復(fù)電機(jī)以工件兩端的位置作為運(yùn)動(dòng)范圍往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)性能對實(shí)際珩磨效果有很大的影響。以下采用兩種往復(fù)運(yùn)動(dòng)算法，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)動(dòng)效果進(jìn)行對比。

3.2.1 直線加減速方法

直線加減速方法，如圖3所示。開始時(shí)速度以固定加速度加速，速度達(dá)到加工速度后，進(jìn)入勻速運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到減速點(diǎn)時(shí)開始減速，速度減到零時(shí)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。直線加減速的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單，因?yàn)樗捎煤慵铀俣龋铀俣鹊膶?dǎo)數(shù)為0。在加速段和減速段的起點(diǎn)和終點(diǎn)存在加速度突變，機(jī)床運(yùn)動(dòng)存在沖擊，且速度的過渡不夠平滑，運(yùn)動(dòng)精度低。

圖3 直線加減速方法

3.2.2 S形加減速控制方法

為了保證加工網(wǎng)紋均勻，速度和加速度均不能有突變，采用S形加減速控制，如圖4所示，往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩端采用S形位置控制，中間是勻速運(yùn)動(dòng)。從上圖可以看出，加速度是分段函數(shù)，但在相鄰區(qū)間是連續(xù)的，即不存在跳變，有效地克服了機(jī)床的振動(dòng)。

圖4 S形加減速控制方法

自動(dòng)加工中，可通過小沖程消除形狀誤差，可在每個(gè)循環(huán)周期中記錄出現(xiàn)最大力矩的位置，并自動(dòng)在最大力矩處短行程修復(fù)，以滿足零件加工形狀精度要求；小沖程指令處是力矩值大點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)記住該點(diǎn)位置，在下個(gè)周期會(huì)在此點(diǎn)附近短行程修復(fù)。

3.3 觸控屏界面功能設(shè)計(jì)

人機(jī)界面用于系統(tǒng)操控和系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，將參數(shù)和命令通過工業(yè)以太網(wǎng)傳給主控制器，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及曲線。觸屏顯示器采用觸摸虛擬按鍵同時(shí)在顯示器面板上配備總電源開關(guān)和急停按鈕。人機(jī)界面包括加工負(fù)載率曲線、數(shù)據(jù)顯示及開關(guān)控制、報(bào)警狀態(tài)監(jiān)視、電機(jī)手動(dòng)控制和參數(shù)配置幾個(gè)部分。如圖5所示。

圖5 觸摸屏人機(jī)界面

a.加工負(fù)載率曲線。X軸為往復(fù)電機(jī)實(shí)時(shí)位置，Y軸是進(jìn)給電機(jī)的負(fù)載率，往復(fù)運(yùn)動(dòng)每個(gè)周期實(shí)時(shí)顯示電機(jī)負(fù)載率最大的點(diǎn)的位置。

b.數(shù)據(jù)顯示及開關(guān)控制。左邊是實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，右邊是虛擬滑動(dòng)開關(guān)。托架、冷卻泵、鎖緊裝置等都可以隨加工過程聯(lián)動(dòng)，不需要人為干預(yù)，在特殊情況下用于強(qiáng)制動(dòng)作，鎖緊裝置在平臺(tái)到位時(shí)自動(dòng)鎖緊，加工結(jié)束后托架自動(dòng)伸出，泵自動(dòng)停止。系統(tǒng)工作用于啟動(dòng)主軸電機(jī)使能，加工過程中電機(jī)均自動(dòng)工作。

c.報(bào)警狀態(tài)。實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，紅燈表示報(bào)警，綠燈表示安全。

d.電機(jī)手動(dòng)控制。控制系統(tǒng)的各電機(jī)均可以通過虛擬按鈕手動(dòng)控制，且均為點(diǎn)動(dòng)式松開按鈕電機(jī)立即停止，保證操作安全。

e.加工參數(shù)配置。加工參數(shù)設(shè)置分為4步：設(shè)置起始點(diǎn)、設(shè)置結(jié)束點(diǎn)、參數(shù)配置和電機(jī)回零，可以根據(jù)中間4個(gè)狀態(tài)燈的提示依次來操作。在自動(dòng)配置欄可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)修復(fù)及自動(dòng)修復(fù)功能，用于修復(fù)缸壁高點(diǎn)，通過虛擬按鈕在任意點(diǎn)的周圍按照設(shè)定幅度修復(fù)，自動(dòng)修復(fù)由系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別缸壁最高點(diǎn)，在最高點(diǎn)周圍按照設(shè)定幅值修復(fù)，使加工過程更加智能化。

4 結(jié)束語

控制方案現(xiàn)用于6臺(tái)實(shí)際的珩磨機(jī)系統(tǒng)中，得益于自動(dòng)修復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)工作效率是以往的2倍，機(jī)床觸控界面更加友好，操作更加人性化，實(shí)際應(yīng)用中300mm直徑的缸壁，加工精度為±0.02 mm，實(shí)用表明，提高了穩(wěn)定性能和故障處理能力。

[1]潘銘躍，時(shí) 輪，馬春翔.高精度珩磨機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005，（12）：73-74.

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[3]樊留群，俞士磊.基于SINAMICS的珩磨機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電一體化，2009，（6）：90-93.

[4]STMicroelectronics.STM32reference manual RM0008[EB／OL].（2010-04-05）[2010-08-21].http：／／www.st.com／stonline／products／literature／rm／13902.pdf.

[5]李 寧.基于 MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[6]CAN in Automation.CiA draft stand and 301V4.02：CANopen application layer and communication profile[S].Stuttgart：CAN in Automation，2002.