新型絲杠磨床砂輪修整器設計

新型絲杠磨床砂輪修整器設計,新型絲杠磨床砂輪修整器設計,新型,磨床,砂輪,修整,設計 畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯 設計題目: 軸承內圓磨床自動上下料系統(tǒng)設計 譯文題目: 手搖砂輪機自動磨削系統(tǒng)的建模與仿真 院系名稱： 機電工程學院 專業(yè)班級： 機自0401 學生姓名： 楊 洋 學 號： 2004141034 指導教師： 馬玉平 教師職稱： 副教授 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導教師評語： 簽名： 年 月 日 附件Int J Adv Manuf Technol (2004)23:874–881 手搖砂輪機自動磨削系統(tǒng)的建模與仿真 原文章 手搖砂輪機自動磨削系統(tǒng)的建模與仿真 摘要 本文研究了一個由磨削力控制的自動磨削系統(tǒng)的磨削加工模型.此磨削系統(tǒng)利用了電動手搖砂輪機，該系統(tǒng)由數(shù)控加工中心和力傳感器測力所驅動。最初用一系列的彈簧來替代該模型中的靈活的自動磨削系統(tǒng)。該項研究也包含了各零件剛度的估算。同時研究發(fā)現(xiàn)，該模型可以簡化成一個單一彈簧質量系統(tǒng)。為了控制磨削力設計了相應的PID控制器，該控制器可以根據(jù)力傳感器所測出的力計算出合適的數(shù)控機床的主軸位移。計算機模擬結果表明，該系統(tǒng)設定時間小于0.25秒。 關鍵詞 應用磨削 磨削系統(tǒng) 仿真 自動磨削系統(tǒng) 1引言 據(jù)了解，這種磨削力的控制，可以改善模具和模具[1，2，3，4，5，6 ]的磨削效果 ，因此動力控制已成為磨削和表面處理工序中的一個重要的程序。近年來，電動手搖砂輪機已成為模具和模具表面拋光加工的一種通用方式。這種由數(shù)控加工中心驅動的電動手搖砂輪機已被列入自動表面加工系統(tǒng)[7，8] 。但是，這些系統(tǒng)相應的磨削力控制技術并沒有得到發(fā)展。因此，本文中提出了手搖砂輪機的自動磨削系統(tǒng)的磨削過程模型，并且設計出了相應的 PID 控制器。該系統(tǒng)類似于Chen， Due [7], Hsu [8],，其中力傳感器是用來為工件測力的，該系統(tǒng)如圖1所示。在本文中所提出的模型，在磨削系統(tǒng)[9]和磨削力控制實驗中均已實行。 一些磨削力模型已經提了出來，其中一個很好的模型即1992年由以To¨ nshoff等人所提出 [10] 。在這些模型中，正常磨削力基本上和切削速度，工作接觸面的多樣化以及轉盤直徑有關。最近ludwick[11]，詹金斯和庫費斯[12]等人提出了這種模型： Q= Kp（-）V （1） 其中Q是材料的去除率，是法向力， 是是閾值， V是相對速度，是比例常數(shù)。這個模型是由Hahn and Lindsay [13]提出的一個結合模型，在這個模型中，法向磨削力和材料去除率成正比，并遵循‘Preston方程'[14]，可見，正常力反比于輪和工件的相對速度。這個模型被Jenkins和Kurfess [15]采用，Hekman和Liang [16]對磨削力進行了估算，Whitney [18] 和Kurfess ， Whitney [19]等人建議了類似的模型。[17]在一系列的焊縫磨削系統(tǒng)研究中，他們利用了表達式 Q=P- (2） 其中功率P是磨削力和相對速度的積。 上面所討論的所有模型都涉及到砂輪。迄今為止，用球形工具的電動手搖砂輪機的過程模型還沒有出現(xiàn)。對于這種磨削工序，之前的結果[20]表明旋轉速度對磨削力的影響不大，因此公式1中的速度v不包含在本模型中。同時，以前所有的機器模型柔量也沒有考慮在內。在本文中，也包含了磨削系統(tǒng)的柔量如圖1所示。 2磨削過程模型 在系統(tǒng)顯示圖2之后的系統(tǒng)顯示圖1成為了范本 。在該圖中，M和分別代表電動手搖砂輪機的質量與剛度（包括圖1中的夾具和連接物），是材料去除過程中的剛度，它被定義為法向磨削力和磨削深度的比（假設為一個常數(shù)）。符號M和表示質量和工件的剛度，是力傳感器的剛度。位移, , 和是測量出的靜力平衡位置，因此，重力勢能可以忽略不計。在圖2中P是數(shù)控加工中心施加的力。此外，在本模型中，法向磨削力和磨削深度的比假設為恒定值，但實際中，磨削力和磨削深度的關系有可能是非線性狀。符號代表非線性項（即實際磨削力=+）。 彈簧組,, 和 相當于一個等效彈簧常數(shù)為k的彈簧.,,和K的估算都列在附錄中，同時發(fā)現(xiàn)制約著等效彈簧常數(shù)。一般情況下，的剛度遠低于力傳感器的剛度，因此可以推出K.舉例來說，在當前系統(tǒng)中，/K的比率大于，根據(jù)這種推測（K），可假定 0。該模型如圖2所示，可簡化為圖3。 系統(tǒng)的運動方程如下 P(t)+(t)-F(t) = M (3) 當F(t) = K (4) 是彈簧力。兩邊微分可以得到 (t)= K (5) 聯(lián)立公式（5）和（3）得出 P(t) +(t) – F(t)=(t) (6) 對公式（6）兩邊進行拉普拉斯變換，可得 P(s) +(s)-F(s)=F(S) (7) 由這些方程可畫出過程模型框圖，如圖4所示 在這個框圖中，輸入P(s)是數(shù)控加工中心提供的力，變量(s)是前面定義的非線性磨削力，輸出F（S）是力傳感器所測出的力?？驁D的函數(shù)式為(S)=F(S)/P(S)，利用公式7，同樣假定(s)=0，可得 ? (8) 3控制器設計 本文中，運用了PID控制器，并把它表示為(S)= ++ S 磨削系統(tǒng)的框圖如圖5所示。在該圖中，F(xiàn)*(S)是輸入附加力，F(xiàn)（S）是力傳感器測的值，并且方程e(S)=F*(s) -F(S)是誤差。為了調查該系統(tǒng)是否可控制在穩(wěn)定狀態(tài)下，失調時的力(s)可設為零。根據(jù)圖5和方程8，圖5中的系統(tǒng)傳遞函數(shù)G（s）可以得出? 在穩(wěn)定狀態(tài)下，，方程9可以假定 這意味著F(s)=F*(s)，因此，該系統(tǒng)可控制在穩(wěn)定狀態(tài)下。 由于F(t)=K(t)，區(qū)分表達式的兩邊，可以發(fā)現(xiàn) (t)=K=KV(t) （11） 在這里V(t)是主軸的速度。由拉普拉斯變換公式，可得到 （12） 因此，圖5中的術語SF(S) 可以用表達式中的KV替代，此外，SF*(S)=0 的條件是有恒定的磨削力，框圖5可以轉變?yōu)閳D6 。 該圖的傳遞函數(shù)可表達如下???? （13） 電流傳遞函數(shù)中的分子多項式的次數(shù)比由等式9定義的傳遞函數(shù)的次數(shù)低一級，這意味著電流傳遞函數(shù)的零點少，并且對極點的影響不大。同時，將圖5中的框圖誤差e(s)微分一次。這意味著減小的噪音會被擴大，并且這種情況不會發(fā)生在當前的方框圖中。因此，在隨后的討論中，會用到圖6的方框圖。 為了確定控制器的增益，明顯的一點是把等式13的分母化為一個三次多項式，可以寫為? 由于分析一個三次多項式相對比較難，現(xiàn)在主要的是把他轉化為一個二次項，把兩個復雜的根假設為簡單的根，要求二階系統(tǒng)的最大超調量不超過3％，可以得到下面的關系式 即或，確定系統(tǒng)增益的第一次實驗，規(guī)定時間可任意設為0.5S，可以得到 因此=8,且=10.67弧度每秒。 角度（見圖7 ）可取值為或，因此特征方程（即方程g(S)=0, 見方程14）的復數(shù)值是S= -8±j7.05 。我們的構想是讓第三極遠離這兩個復雜極。S=-15的值是任意選取的，因此等式14可以轉化為? 比較最后一個方程的系數(shù)和等式13的分母?？梢缘玫较旅娴年P系式 K值在附錄中可估算為K=8.74牛每米 ，且手搖砂輪機（夾具和連接物）的質量M=5千克，把這些值代入18a ,18b，18c，可以得到=0.0178, = -0.797, 和=0.98，由于系統(tǒng)的增益是不能忽略的，因此設定時間Ts，固有頻率取新的值的第二次實驗是有必要的。 在第二次實驗中，規(guī)定時間設為0.25秒，即=4且=16，按照第一次實驗的相同步驟，兩個復數(shù)值可被認定為s=-16± j14.1?，F(xiàn)在假設第三極在點S=45，則特征方程 ?+77+1895S +20466 = 0 (19) 比較相應的系數(shù)后可以得到 這意味著=0.0443，=0.0891，=11.762 。 等式13中的分子的根為0，即方程 KpKS +K= 0 （21） 將上述值代入這個方程，可以發(fā)現(xiàn)最低點是S=-132.0。因此，等式13的傳遞函數(shù)可寫為 注：穩(wěn)定狀態(tài)下，當S0時G(S)接近1. 4，模擬結果和討論 利用商業(yè)軟件MATLAB可以得到系統(tǒng)響應。在模擬程序中，彈力常數(shù)K=8.74牛每米，手搖砂輪機（夾具和連接物）的質量M=5千克，系統(tǒng)增益是=0.004，=0.089，=11.762 。采樣時間選擇為0.001秒。 圖6方框圖的閉路傳遞函數(shù)是 利用剛得到的系統(tǒng)增益，可以畫出閉環(huán)傳遞函數(shù)23的相應軌跡圖，即圖8。方程22中的三個極也顯示在該圖中。從圖中可以看出，無論是零點和第三極都比最高復數(shù)根更遠離虛軸，使它們對系統(tǒng)有不可忽略的影響力，因此該系統(tǒng)可近似于第二個。 利用剛剛得到的系統(tǒng)增益，傳遞函數(shù)G(s)的波德圖由方程13可得出（沒有控制器的過程模型的波德圖在圖9中已給出）可以畫出如圖10所示。比較該圖和沒有控制器的過程模型波德圖，可以發(fā)現(xiàn)共振數(shù)量已大為減少。同時圖9中的相位角大約是180度 ，這和在不穩(wěn)定狀態(tài)下圖10中的相位角近似于45度是一致的 。 由于磨削力控制系統(tǒng)采用步進輸入，有無控制器的磨削過程的階躍響應已作對比這一事實，圖11顯示沒有控制器的階躍響應，圖12顯示有設計控制器的階躍響應。在沒有控制器的系統(tǒng)中，在不穩(wěn)定狀態(tài)和系統(tǒng)力控制下磨削力振蕩，建立時間小于0.25秒，最大超調量少于百分之三。這些系統(tǒng)增益（即=0.044，=0.089，=11.762）已使用于力控制的自動磨削系統(tǒng)中。結果表明，表面粗糙度可以減少[9]。 五，結論 在本文中，提出了一個動力控制系統(tǒng)的磨削過程模型，該系統(tǒng)利用了數(shù)控加工中心，電動手搖砂輪機和力傳感器。力控制系統(tǒng)由彈簧質量系統(tǒng)表現(xiàn)出來。根據(jù)彈簧質量系統(tǒng)可以測算每個工件的剛度，并且這個彈簧質量系統(tǒng)可以進一步簡化。以簡化系統(tǒng)為基礎的PID控制器已經設計出來，該控制器的增益是利用商業(yè)軟件MATLAB進行測算的 。測算結果表明，規(guī)定時間小于0.25秒和最大超調量少于3％是可以得到的。 附錄：剛度常數(shù)的測算 手搖砂輪機的剛度（夾具和連接體）: 在圖13中 ，AB部分表示長度為a 和Z軸夾角為的連接體。BC部分表示標準狀態(tài)下的AB且長度為b，因為正常的磨削力P已應用，所以ABC相結合的相應位移（即連接體，夾具，手搖砂輪機的合并部分）在C點是Z，這是分兩個步驟測算的。首先，AB部分是緊緊固定在主軸上，并且可以由懸臂梁表示。如圖14所示，由于磨削力Psin和力矩Pbcos在B點的角是 和分別是AB部分的彈性模量和慣性面積矩。其次，BC部分也是以懸臂梁為模型，并且它最初有一個傾角，如圖15所示。該梁在C點的撓度由負載給出 和分別表示BC部分的彈性模量和慣性面積矩。C在Z軸方向的總位移可近似于這樣的關系 因此點C在Z軸的位移是 連接件AB是由彈性模量為=210 Gpa的不銹鋼做成的。手搖砂輪機是不銹鋼和鋁合金的結合體，且=70 GPa。后來人們發(fā)現(xiàn)只要在70 Gpa（鋁）和210GPa（鋼鐵）之間的值都可以使用，并且很少影響最后的結果。AB和BC部分的直徑分別是=0.036米和=0.026m，利用關系式I=/64,可分別確定=8.2 米和 =2.2米。將這些值，長度a=0.13米，b=0.195米和角=30度代入方程27，可以得到Z=1.38 P，那么第一個彈簧的剛度=P/Z=7.25N/m。 材料去除過程的剛度： 一定磨削深度的磨削力可由圖1 (Kistler_5295A)所示的力傳感器測出。進給速度為20毫米/分鐘，轉速為20000rpm，且刀具直徑為9.5毫米，法向磨削力可由不同的磨削深度測量。磨削深度和平均磨削力的曲線關系可繪制為圖16，大體上是線性關系并且坡度等于剛度，因此近似于=8.84N/m 。 工件的剛度： 工件的剛度可用有限元法測算。舉例來說，Chen [9]用樣本做出了尺寸為40mm40mm15 mm由SKD61制成的鋼。利用商業(yè)軟件I-DEAS的7.0版本。當力為100N時，該中心的位移可算為1.5m，因此剛度=6.67N/m。 K為一系列彈簧,,和的等效剛度 等效剛度K為 將,,的值代入等式28，可得到K=8.74N/m。從中可以看到，和都遠遠大于，因此可得，等式28的右邊和等效剛度K都由控制。 力傳感器的剛度： 力傳感器(Kistler_5295A)的操作手冊已給出了=2.6N/m。 附件