珩磨機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(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[1]是通過對珩磨頭的伸縮控制完成對工件表面的加工，實現(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)的工控機和PLC方案，有效控制了成本，簡化了設(shè)計，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，由漲開機構(gòu)（有旋轉(zhuǎn)式和推進式兩種）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，同時使珩磨頭旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動，零件不動；或珩磨頭只作旋轉(zhuǎn)運動，工件往復(fù)運動，從而實現(xiàn)珩磨。

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

珩磨時由于珩磨頭旋轉(zhuǎn)并往復(fù)運動或珩磨頭旋轉(zhuǎn)工件往復(fù)運動，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開一定角度，這樣的運動使珩磨頭上的每一個磨粒在孔壁上的運動軌跡亦不會重復(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.選擇手動加工可以進行主軸旋轉(zhuǎn)、進給點動、往復(fù)點動和往復(fù)循環(huán)等獨立運動。

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

c.自動加工中長行程進給加工，短行程消除形狀誤差，可以在每個循環(huán)周期中記錄出現(xiàn)最大力矩的位置，并自動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，實時報警并顯示故障原因；當出現(xiàn)危險動作時（例如手伸到加工工作臺），機床應(yīng)立即停止工作，并報警。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

圖1 珩磨機控制系統(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168MHz。Cortex-M4具有浮點單元（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)的實時加速器（ART）。STM32F407改進了一些外設(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15個。STM32F407還包含512kB～1MB的片內(nèi)內(nèi)存存儲器，多達192 KB的SRAM。珩磨機控制系統(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和開關(guān)信號，將采集的信號濾波后通過工業(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遠程控制模塊

GPRS通訊模塊用于遠程監(jiān)測和遠程控制，將絎磨機系統(tǒng)的危險錯誤信號傳遞給系統(tǒng)維護人員，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

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、通訊可靠性和實時性，簡單實用，網(wǎng)絡(luò)成本低。特別適用于機械加工控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。珩磨機控制系統(tǒng)采用施耐德LXM23驅(qū)動器，通過CAN接口，將進給電機和往復(fù)電機串到一條總線上，通過ID號訪問和控制電機的狀態(tài)和位置。

采用CANopen協(xié)議[6]的控制伺服驅(qū)動器，是通過PDO和SDO這兩種方法來實現(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行映射。將電機的理論位置映射到PDO，通過發(fā)PDO改變電機的理論位置進而控制進給量和往復(fù)位置，同時利用主控制器的CAN中斷接收PDO獲取電機的實際位置。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-定量進給控制與往復(fù)運動控制方法

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

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

往復(fù)電機以工件兩端的位置作為運動范圍往復(fù)運動，其運動性能對實際珩磨效果有很大的影響。以下采用兩種往復(fù)運動算法，并結(jié)合實際運動效果進行對比。

3.2.1 直線加減速方法

直線加減速方法，如圖3所示。開始時速度以固定加速度加速，速度達到加工速度后，進入勻速運行狀態(tài)，當運動到減速點時開始減速，速度減到零時到達目標點。直線加減速的優(yōu)點是計算簡單，因為它采用恒加速度，加速度的導(dǎo)數(shù)為0。在加速段和減速段的起點和終點存在加速度突變，機床運動存在沖擊，且速度的過渡不夠平滑，運動精度低。

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)運動兩端采用S形位置控制，中間是勻速運動。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，有效地克服了機床的振動。

圖4 S形加減速控制方法

自動加工中，可通過小沖程消除形狀誤差，可在每個循環(huán)周期中記錄出現(xiàn)最大力矩的位置，并自動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，系統(tǒng)自動記住該點位置，在下個周期會在此點附近短行程修復(fù)。

3.3 觸控屏界面功能設(shè)計

人機界面用于系統(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，同時實時顯示系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)及曲線。觸屏顯示器采用觸摸虛擬按鍵同時在顯示器面板上配備總電源開關(guān)和急停按鈕。人機界面包括加工負載率曲線、數(shù)據(jù)顯示及開關(guān)控制、報警狀態(tài)監(jiān)視、電機手動控制和參數(shù)配置幾個部分。如圖5所示。

圖5 觸摸屏人機界面

a.加工負載率曲線。X軸為往復(fù)電機實時位置，Y軸是進給電機的負載率，往復(fù)運動每個周期實時顯示電機負載率最大的點的位置。

b.數(shù)據(jù)顯示及開關(guān)控制。左邊是實時顯示系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)，右邊是虛擬滑動開關(guān)。托架、冷卻泵、鎖緊裝置等都可以隨加工過程聯(lián)動，不需要人為干預(yù)，在特殊情況下用于強制動作，鎖緊裝置在平臺到位時自動鎖緊，加工結(jié)束后托架自動伸出，泵自動停止。系統(tǒng)工作用于啟動主軸電機使能，加工過程中電機均自動工作。

c.報警狀態(tài)。實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，紅燈表示報警，綠燈表示安全。

d.電機手動控制?？刂葡到y(tǒng)的各電機均可以通過虛擬按鈕手動控制，且均為點動式松開按鈕電機立即停止，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、設(shè)置結(jié)束點、參數(shù)配置和電機回零，可以根據(jù)中間4個狀態(tài)燈的提示依次來操作。在自動配置欄可以實現(xiàn)手動修復(fù)及自動修復(fù)功能，用于修復(fù)缸壁高點，通過虛擬按鈕在任意點的周圍按照設(shè)定幅度修復(fù)，自動修復(fù)由系統(tǒng)自動識別缸壁最高點，在最高點周圍按照設(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臺實際的珩磨機系統(tǒng)中，得益于自動修復(fù)功能的實現(xiàn)，現(xiàn)工作效率是以往的2倍，機床觸控界面更加友好，操作更加人性化，實際應(yīng)用中300mm直徑的缸壁，加工精度為±0.02 mm，實用表明，提高了穩(wěn)定性能和故障處理能力。

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

[2]張云電.現(xiàn)代珩磨技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[3]樊留群，俞士磊.基于SINAMICS的珩磨機運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)[J].機電一體化，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.