（农业机械化工程专业论文）低频振动攻丝控制与数据采集及参数匹配系统研究.pdf

福建农林大学硕十学位论文 摘要 振动攻丝作为一种新型的工艺方法，具有降低攻丝扭矩、提高螺纹加工质量、 延长丝锥寿命等效果，在解决难j j n t _ 材料的小直径内螺纹的攻丝质量有着很好的 应用f j 景。其优良的工艺效果得到国内外学者的普遍认可，已成为振动切削技术 的重要组成部分。目前，振动攻丝技术还没有推广应用，其最佳工艺参数组合成 为实用性的关键因素。本课题针对这一问题，采用步进电机作为振源和攻丝力源， 设计了低频振动攻丝控制与数据采集及参数匹配系统。 在分析振动攻丝的攻丝效率和攻丝质量的影响因素的基础上，确立了振动频 率、切削速度和正反转比例为振动攻丝的基本工艺参数组。运用自行设计的振动 攻丝控制与数据采集系统，选择有代表性的材料进行攻丝试验，采集攻丝扭矩值 并分析基本工艺参数组与攻丝扭矩之间的关系。运用m a t l a b 神经网络工具箱建 立试验材料的基本工艺参数组与攻丝扭矩的关系模型，证明了该模型用于攻丝扭 矩值预测的可行性。 关键词：振动攻丝、工艺参数组、攻丝扭矩、参数匹配 福建农林大学硕+ 学位论文 a bs t r a c t a san e wt e c h n i q u e , v i b r a t i o nt a p p i n gh a st h es u p e r i o r i t yo fd e c r e a s i n gt a p p i n g t o r q u e ，i m p r o v i n gm a c h i n i n gp r e c i s i o na n dp r o l o n g i n gt h et a pl i f e i ti sa i la v a i l a b l e m e t h o d v i b r a t i o nt a p p i n gi st h e np r o v e dt ob eap r a c t i c a ls o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo f s m a l l - h o l et a p p i n gi nd i f f i c u l t t o - c u tm a t e r i a l s i th a sb e e nr e c o g n i z e db ys c h o l a r s ， a n db e c o m e sa ni m p o r t a n tp a r to fv i b r a t i o nc u t t i n g b u tt h i st e c h n i q u eh a sn o tb e e n a p p l i e dw i d e l y i ti sp i v o t a lt oo p t i m i z et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e rf o re x t e n d i n gt h e t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , l o wf r e q u e n c yv i b r a t i o nt a p p i n gd e v i c ei sd e v e l o p e d i nt h i s p a p e r , t h eb a s i ct e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s a r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h e a n a l y s i so ft h ef a c t o r so ft h et a p p i n ge f f i c i e n c ya n dt a p p i n gq u a l i t y t h ed a t ao f t a p p i n gt o r q u ea r ec o l l e c t e dw i t ht h ev i b r a t i o n t a p p i n gd e v i c ea n di n p u ti n t oe x c e l s o f t w a r es y s t e mt od e a lw i t h b a s e do nt h ed a t a b a s eo ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r m a t c h i n gi nv i b r a t i o nt a p p i n g , p r e d i c t i v em o d e lf o rt a p p i n gt o r q u ei se s t a b l i s h e db y u s i n gt h en e u r a ln e t w o r k t o o l b o xo fm a t l a b ，t h er e s u l ts h o w st h ef e a s i b i l i t yo ft h e p r e d i c t i v em o d e l k e yw o r d s ：v i b r a t i o nt a p p i n g ，t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，t a p p i n gt o r q u e ，m a t c h i n g p a r a m e t e r i i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独 立完成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致 谢中已作了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。 与我一同对本研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢 意，如被查有侵犯他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名勃枷彼 日期： 论文使用授权的说明 吁、) 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。 口 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：邱事庞仞袋 日期： 指导教师亲笔签名：日期： p 毋f 1 0 f c ，7 。7 j 福建农林人学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论弟一早珀v 匕 攻丝是切削加工中广泛使用的一种内螺纹加工方法，尤其是对于小直径内螺 纹，攻丝几乎是唯一切实可行的加工方法。近年来，由于不锈钢、钛合金等新型 材料在宇航、汽车、仪器仪表行业的广泛应用，使得内螺纹的加工更加困难。采 用传统的攻丝方法，切削温度高，有积屑瘤产生。积屑瘤的产生和脱落，造成刀 刃形状的不断变化，刀刃运动没有规律，加工出的内螺纹粗糙度比较高，螺纹中 径离散度比较大，影响了所加工内螺纹的使用质量。因此急需一种新型的加工工 艺方法，以解决攻丝过程中的丝锥折断问题和提高加工内螺纹的质量n 1 。 为弥补传统攻丝工艺的缺陷与不足，振动攻丝工艺在加工中逐步受到重视。 振动攻丝作为一种新型的工艺方法，在解决难加工材料的小直径内螺纹的攻丝质 量方面有着很好的应用前景。振动攻丝可以显著地降低攻丝扭矩、提高螺纹加工 质量、延长丝锥寿命。因此进行振动攻丝加工机理及其加工技术应用研究具有重 要的理论意义和实际价值。 1 2 振动攻丝的发展和研究概况 1 2 1 振动攻丝技术国外研究状况 日本在振动切削方面的研究比较深入和广泛，并设有专门的研究机构。以宇 都宫大学偎部淳一郎教授为代表的专家从5 0 年代开始对振动切削的基础理论和 实际应用作了大量的研究。在其专著精密加工一振动切削 一书 中总结了日本在振动切削方面的研究成果，列举了大量的试验数据。日本在振动 攻丝方面主要采用低频、螺纹升角方向振动，并设计了一系列专用机床。用设计 的振动攻丝机进行低频振动攻丝试验，与普通攻丝试验的攻丝扭矩进行对比发 现：切削速度升高时，攻丝扭矩随之升高；切削速度为临界速度的三分之一时， 切削扭矩是普通攻丝扭矩的三分之一；在切削速度接近临界速度时，振动攻丝扭 矩和普通攻丝扭矩相差不大，失去振动攻丝效果。在一定的振动攻丝参数下，铝 的振动攻丝扭矩是普通攻丝扭矩的八分之一；钢的振动攻丝扭矩是普通攻丝扭矩 福建农林大学硕士学位论文 的三分之一；铜的振动攻丝扭矩也是普通攻丝扭矩的三分之一。且切屑呈带状排 出、丝锥磨损降低、螺纹牙形规整、中径扩大量降低等优点口1 。 前苏联在5 0 年代末开始振动切削方面的研究，主要研究方向是高频振动攻 丝，并研制了专用轴向超声振动攻丝机床和相应的超声振动头。g r e g o r y 等人做 了大量的超声振动攻丝试验，试验表明超声振动攻丝在加工不锈钢和钛合金时与 普通攻丝相比丝锥耐用度提高3 1 0 倍，加工钛合金时扭矩降低4 0 - - 5 0 ，表 面粗糙度提高1 - - 3 级等优点口】。 印度学者们对振动攻丝进行了大量的研究并得出了一些有价值的结论。试验 研究表明：降低攻丝扭矩和轴向力的最佳振动频率因条件而不同。此外，振动攻 丝存在一个临界切削厚度( 螺纹深度) 值，在临界切削厚度的范围内，振动攻丝能 降低攻丝扭矩，其临界切削厚度与材料的硬度有关，最佳的振动频率与切削厚度 有关。随着切削厚度的减小，最佳振动频率反而增加，而最佳的振幅( 对于同一 种尺寸或同一种切削厚度) 也与材料的硬度有关h 1 。 在美国，振动切削也作为一个重点课题来研究，振动切削系统也部分应用于 工业。欧洲发达国家对振动切削的工业应用技术和振动切削机理也有较多的研 究，也取得一些可观的成果。 1 2 2 振动攻丝技术国内研究状况 尽管振动切削在我国起步比较晚，但发展较快，特别近几年，许多专家学者 以及一些研究机构在振动攻丝方面取得了一系列的可喜成果。 北京航空航天大学的张德远等人对振动攻丝减小钛合金攻丝扭矩进行了理 论分析，提出振动攻丝之所以能降低攻丝扭矩是振动攻丝后刀面对已加工表面进 行反复熨压的结果，振动攻丝可使丝锥在进一步攻丝时，丝锥的后刀面与工件螺 纹表面的挤压摩擦力大大减小，并推导出丝锥后刀面摩擦扭矩的计算公式。经此 公式可获得最小攻丝扭矩的最佳熨压次数，这对振动攻丝切削参数的选择有一定 的意义啼1 。 北京航空航天大学的陈志同建立了低频振动攻丝的最大攻丝扭矩的数学模 型。提出了振动攻丝扭矩由前刀面的切削扭矩和后刀面的摩擦扭矩组成，并提出 了最大攻丝扭矩理论上随切削角的增大而增大、随振幅的增大而减小阳1 。 2 福建农林人学硕士学位论文 大连理工大学的佟宇等人采用t p 8 0 1 b 单板机控制步进电机进行振动攻丝，利 用设计的振动攻丝系统进行振动攻丝试验。通过试验发现，在一定振动攻丝工艺 参数条件下，振动攻丝扭矩低于普通攻丝扭矩。且在振动频率一定的情况下，攻 丝扭矩随切削速度的提高而升高。对于难加工的材料，采用了“进停退停 的振动攻丝方式并取得了较好的效果，扭矩有较大的下降，螺纹的牙形精度和丝 锥的使用寿命明显提高盯8 1 。 江苏盐城工学院姜大志、孙俊兰利用电磁铁在圆周方向通过吸合电磁吸盘， 带动振动轴沿圆周方向摆动。振动轴上固结一导杆，导杆一端与滑块相连。滑块 在与水平方向成一定角度的槽内滑动，引导振动轴在圆周方向摆动的同时产生以 螺旋升角方向的振动。将振动攻丝装置作为机床附件安装在普通钻床的工作台 上，做成简易的振动攻丝机床。并在振动攻丝的振幅、振动频率等参数方面进行 了研究呻1 。试验结果表明：振动攻丝能提高加工精度、延长丝锥寿命、降低切削 扭矩，切削扭矩约为普通攻丝时的1 3 左右。 江苏大学的马利杰等人结合试验结果，提出了影响振动攻丝的因素很多，且 影响程度各不相同，主要有工艺参数、丝锥形式、牙高率、润滑方式、工件材料 等。通过结构钢和合金钢的振动攻丝试验，分析了基本工艺参数对攻丝扭矩的影 响，得出了不同参数对扭矩的影响规律，对于优化工艺参数、减小攻丝扭矩有一 定的借鉴意义n 训。 哈尔滨工业大学的韩荣第等人对铝复合材料s i c w a 1 进行小孔振动攻丝试 验，得出了振动频率和振型对攻丝扭矩的影响规律。试验结果表明：振型一定时， 攻丝扭矩随振动频率的增加而增大；频率一定时，攻丝扭矩与振型成驼峰曲线关 系1 。 西安理工大学的郑建明等利用自行设计的振动攻丝卡头对振动攻丝的切削 力和螺纹加工精度进行试验。试验结果表明：切削力平均值为普通攻丝的1 5 1 2 ，丝锥寿命显著提高，螺纹加工精度明显改善n 别。 1 2 3 振动攻丝研究存在的问题 人们对振动攻丝加工的微观机理的解释尚缺乏科学的定量描述，试验研究已 经较为广泛，但理论研究尚不充分，还未形成完整的理论体系，现有理论具有较 3 福建农林大学硕士学位论文 大局限性，需修正和完善以充分揭示振动攻丝的动力学本质。到r 前为止，国内 外专家学者的研究主要是利用特定的振动攻丝装置，对特定的材料进行振动攻丝 工艺参数的优化和对振动攻丝效果的描述。工作己经取得了一些成果，但也存在 很多问题：其一是振动攻丝过程的影响参数有哪些；其二是振动攻丝需要什么的 系统，哪种系统是最佳的。如何设计一种能够适应不同材料，能够对振动攻丝工 艺参数进行大范围调整的振动攻丝系统n 羽。 振动攻丝技术目前还没推广应用。虽然己经通过单因素试验法研究某一个参 数对攻丝扭矩、攻丝效果和攻丝效率的影响，研究结果也表明了对于不同的材料、 不同的攻丝直径，其最佳工艺参数组合并不相同。但还不能完全确定哪些因素影 响攻丝质量和攻丝效率。为了使这项技术能更好地在生产中发挥作用，必须进一 步研究振动攻丝加工的机理，优化工艺参数的匹配以期得到不同攻丝条件下的最 佳攻丝工艺参数，使该技术能够更好地应用于实际生产中n 钔。 1 3 本课题的主要内容和关键技术 本课题以台式钻床z 4 1 1 4 为加工平台进行振动攻丝试验，按基本工艺参数的 要求来控制步进电机的扭转运动，采集相应的攻丝扭矩值并分析工艺参数与攻丝 扭矩之间的关系。论文包含以下几部分内容： ( 1 ) 分析振动攻丝的运动形式和模型。进而根据振动攻丝的运动特点，分 析振动攻丝降低切削扭矩和摩擦扭矩的机理。 ( 2 ) 低频振动攻丝的控制与数据采集系统的硬件和软件设计：上位机把振 动攻丝的攻丝参数传输给下位机，通过下位机发出脉冲信号来控制电机的正反 转，以达到振动攻丝的目的；再通过下位机串口通讯把采集的扭矩数值传输给上 位机，分析工艺参数与攻丝扭矩之间的关系。 ( 3 ) 添j j h z c u p b 3 0 、h t 2 0 0 、q 2 3 5 三种材料的工艺参数与对应的试验攻丝扭 矩值到振动攻丝参数匹配数据库中，通过自行编写三种材料的攻丝扭矩值预测子 程序，建立起攻丝工艺参数与攻丝扭矩值之间的关系模型，进一步完善了参数匹 配系统。 本课题的关键技术是振动攻丝的控制与数据采集系统的软硬件设计，并通过 4 福建农林人学硕十学位论文 神经网络建立工艺参数与攻丝扭矩之间的关系模型。 5 福建农林大学硕：l 学位论文 第二章振动攻丝机理的简介 2 1 低频振动攻丝的运动特点及切削扭矩特性 2 1 1 振动攻丝的运动特点 振动攻丝是在普通攻丝工艺的基础上，给丝锥或工件施加某种有规律的扭转 振动，形成脉冲式间断切削n5 l 。在每一次扭转振动过程中，丝锥的切削用量按某 种规律变化，丝锥切入时，提高了瞬时切削速度；丝锥后退时，熨压已加工工件 螺纹表面。振动攻丝改变了传统切削用量使用方式，改变了切削机理，形成了一 种优化的切削方法。振动攻丝不同于普通攻丝，丝锥切削刃与工件材料之间是切 削一分离一切削的运动关系，普通攻丝采用连续切削方式。振动攻丝的切削一分 离一切削的运动过程，产生了脉冲形式的切削扭矩。即在振动攻丝中，并没有充 分利用刀具振动的整个周期，仅仅是在一瞬间靠丝锥切削刃的冲击作用切除金 属。这使得振动攻丝与普通攻丝有着不同的切屑生成机理，改变了攻丝时的切削 条件口町。振动攻丝近似于一种脉冲切削。在一个振动周期中，只有一个运动段投 入切削，刀具和工件材料时切时离。在振动攻丝的一个切削循环过程中，刀具在 较小位移上以很大的瞬时速度对被加工材料作冲击作用，有助于被加工材料从塑 性状态趋向脆性状态、减小塑性变形及降低丝锥后刀面与工件材料之间的摩擦系 数。同时刀刃和切削区的时贴时离，切削区不易生成大量切削热，起到冷却效果， 保护了刀具，延长了刀具使用寿命。从以上分析可看出，振动攻丝中诸多因素朝 着有利于减少切削热和切削力的方向优化，从而最终有利于提高攻丝的加工效 率，提高丝锥寿命，保证加工质量n 力。 普通攻丝是通过丝锥的连续切削而形成内螺纹表面，振动攻丝是在丝锥和工 件的相对运动上叠加一个沿螺纹升角方向上的振动，从而去除金属，形成内螺纹 表面。振动攻丝按照丝锥振动频率的不同可以分为低频振动攻丝和高频振动攻 丝。攻丝由于工艺本身的限制，切削速度不能太高，高频振动攻丝容易使丝锥和 工件之间发生剧烈的摩擦而产生高温，使得丝锥退火，不利于攻丝的进行，故一 般采用振动频率低于几百赫兹的低频振动攻丝。按照回转运动和振动的方向不 同，一般有以下四种形式n 糟1 ：( a ) 工件不动，丝锥沿圆周方向作回转运动并 6 福建农林大学硕士学位论文 沿螺纹螺旋升角方向作振动；( b ) 工件沿圆周方向回转，丝锥沿螺旋升角方向 振动；( c ) 工件沿螺旋升角方向振动，丝锥作回转运动；( d ) 丝锥不动，工件 沿圆周方向作回转运动并沿螺旋升角方向作振动，如图2 - 1 所示。方案一就是常 用的用步进电机带动丝锥实现振动攻丝的形式，国内研究振动攻丝的学者一般都 采用这种形式。 振动方向 呷甜 甲醋椭 ( a )( b ) 图2 1振动攻丝的运动形式 2 1 2 振动攻丝切削扭矩特性 ( d ) 振动方向 回转方向 低频振动攻丝采用步进脉冲式切削，与普通攻丝有不同的切削机理，其切削 扭矩也不同于普通攻丝。由于丝锥有相对于工件的后退运动，所以攻丝过程中会 出现负扭矩，所以理想的扭矩模型如图2 - 2 所示。 7 福建农林大学硕：卜学位论文 m m 0 i b 爿e 一 o 弋 c 涉d 图2 - 2 步进式振动攻丝扭矩模型图 0 一a 段是由于丝锥的弹塑性再切削和后刀面的摩擦形成的扭矩增大过程，a b 段是丝锥重新进入切削，攻丝扭矩随切削的进一步深入而增大，直至反转的 瞬间达到最大扭矩值，b c 段是丝锥反转时扭矩迅速从正扭矩变为负扭矩的过 程，c _ - d 段是丝锥退出切削区时的摩擦扭矩，d e 段则是丝锥继续后退至重新进 入正转的过程，而后重新开始新的一个周期啪1 。 从微观角度看，由于丝锥和工件是接触一分离一接触的过程，所以攻丝扭矩 呈一个波动状：接触时，丝锥承受扭矩；分离时，丝锥几乎不受扭矩。振动攻丝 扭矩主要来源于攻丝时的切削扭矩和丝锥与工件材料摩擦产生的摩擦扭矩拉。切 削扭矩是切削力产生的扭矩，是振动攻丝扭矩的主要来源；摩擦扭矩一般不是很 大，但由于攻丝加工是在封闭区间进行的多齿薄切削，对弹性模量较小的材料而 言，摩擦扭矩是攻丝扭矩增大的主要原因。 2 2 低频振动攻丝丝锥扭转变形简介 在攻丝过程中，丝锥是系统刚度的薄弱环节。如果把振动角位移随时间变化 的规律和攻丝扭矩作为输入信号，那么就可以得到丝锥切削部分的响应。丝锥在 动态攻丝扭矩m ( t ) 的作用下，其微分方程为： ，警+ c 警+ k 0 - - 批) ( 2 2 1 ) 式中i 为丝锥及主轴的等效惯性；c 为扭转粘性阻尼系数；k 为丝锥等效扭转刚度； o 为丝锥相对工件扭转振动角位移啪1 。 振动攻丝在一个振动周期内只有极短的时间进行切削，切削力呈现出脉冲状 波形。将该脉冲状切削力波形按傅立叶级数展开，则得： 福建农林大学硕士学位论文 m ( r ) = m ，+ i 2m 刍。i 1s i n 胛万c o s 行埘 ( 2 2 2 ) 式中t 。为丝锥在一个振动周期中的实际切削时间；t 为丝锥的振动周期；国为丝 锥受迫振动的圆频率；m p 为最大脉冲切削扭矩1 。由式2 2 1 、式2 2 2 得： ，害+ c d 衍o t r 。m ，+ - - 罢m 一一2 喜。- 扣等玎研 亿2 式2 2 3 的解是由衰减自由振动的解和强迫振动的解组成： 删洲 c ：c o s ( 2 2 4 ) + c 2s i n ) + 降 m ，磊2s m 刀万n死l 式中为丝锥扭转方向固有频率，2 ；v = ，c 。为丝锥扭转临界粘 性阻尼系数，c 。= 2 i c o 。= 2 。上式中，第一部分是呈指数衰减的振动项，只 在振动初始阶段存在，随着时间的增加而迅速消失；而最后一项级数项在 。 3 时，与乙m 彳：相比是一个很小的数值，可以忽略不计。故振动攻丝过 程中丝锥的扭转变形近似为嘲1 ： 口o ) = 等等 ( 2 2 5 ) 式2 2 5 说明振动攻丝丝锥的扭转变形是普通攻丝的必倍。因此，振动攻丝可 有效减少丝锥折断率，提高螺纹加工精度瞄1 。 2 4 本章小结 本章通过分析低频振动攻丝的运动特点和扭矩特征，解释了振动攻丝不同于 普通攻丝的切屑生成机理及切削条件。并通过低频振动攻丝丝锥扭转变形分析， 9 福建农林大学硕士学位论文 解释了低频振动攻丝可有效减少丝锥折断率，提高螺纹加工精度的原因。 1 0 福建农林大学硕+ 学位论文 31 系统概述 第三章低频振动攻丝试验系统的设计 本试验系统以步进电机为动力源，利用其良好的正反转特性来替代复杂的机 械机构实现振动攻丝，整个振动攻丝机体积减小，重量减轻，机构简化。首先p c 机直接发送振动攻丝攻丝参数给单片机，再以单片机做为控制单元，通过编写适 当的软件控制步进电机的运动，大大提高了振动攻丝机的试验适应能力。试验系 统如图31 所示。工作原理如图3 - 2 所示。 。，一。罐 j !瞳 1 目 氍避咤， i 。 一嚣一t t 一 ， 一jr 匕! 蕊l 一 图3 1 试验系统图 图32 系统t 作原理 福建农林大学硕士学位论文 其工作原理是：首先单片机接收从p c 机发送来的攻丝参数，并回显在数码管 上。单片机( 脉冲发生器) 根据所接收的攻丝参数进行处理后，得到所要求的脉 冲序列。这一有规律的脉冲序列，经步进电机驱动器功率放大后，输送给步进电 机，使其按照一定规律转动。经一系列机械传动机构将这一有规律的电机主轴运 动传递给丝锥进行振动攻丝。同时利用洲一i 型扭矩测量仪，测量丝锥切削过程 中的扭矩，并输出模拟电量，再经a d 转换、数字采集、串口通讯等一系列变化 之后，上位机获取攻丝扭矩数据并保存以供后续处理。 3 2 动力和传动单元 3 2 1 动力单元 本系统动力单元由步进电机及其相应的驱动系统组成：步进电机采用杭州中 达电机厂生产的1i o b y g 5 2 0 0 五相混合式步进电机，该电机具有驱动电流和功耗 小、输出扭矩大、运行频率高、动态特性好、空载启动频率高等优点。其性能参 数如表3 1 。 表3 1ll o b y g 5 2 0 0 步进电机的性能参数表 步距角保持转矩转予惯量空载启动频率空载运行频率驱动器电源输入 o 0 91 21 1 661 0 0a c 8 0 v5 a 驱动器：该驱动器是与上述步进电机相匹配，其型号为z d - - h b 5 0 5 8 ，它具有 如下特点：1 采用光电耦合，隔离输入与输出端；2 采用可变进制的计数器及 e p r o m 环形分配器；3 采用快速电流取样操作，自动变脉宽调制，实现宽频范围 内恒速运行；4 采用恒相流，全功率m o s 管组成驱动桥，动态性能好，可靠性高。 而且驱动器与脉冲发生器接口简单，只需两根接口线分别控制其步进脉冲c p 和方 向脉冲c w ，且二者均为t t l 电平，无需变换。在试验中，只需改变脉冲序列的规 律，就可方便控制电机的转速和转向，实现无级变速，以满足试验需要。 3 2 2 传动单元 传动单元是整个振动攻丝试验样机的机械框架，在现有的z 4 11 4 型台钻的基 础上，卸去电机，变速塔轮，罩壳等，仅利用其立柱、底座、壳体和主轴作为系 1 2 福建农林大学硕士学位论文 统的支撑和传动部件。其结构如图3 - 3 所示 根据步进电机4 端面法兰盘的尺寸，通过托柱2 、上托盘3 和下托盘6 ，将它与 钻床壳体支架1 相联，利用一个带键槽的联接套5 ，将电机主轴的输出端与钻床主 轴的输入端相接。同时又借助于一个一端为莫氏锥孔另一端有键槽的过度套7 ， 将钻床主轴输出端与传感器8 相连，在传感器8 的另一端又通过一个带有键槽和莫 氏锥轴的联轴器9 与钻夹头1 0 相连，最后通过钻夹头夹持丝锥1 1 进行振动攻丝。 这就构成了系统的动力传送汹1 。 1 支集2 托柱3 上托盘4 步进电机5 联接套6 下托盘 7 过度套8 传感器9 联轴器l o 丝镶夹头1 1 煞镶 图3 3 机床的结构示意图 3 3 扭矩传感器 扭矩传感器选用泰兴机床测试仪器厂生产的h n 一1 型扭矩传感器，配合e x y 福建农林人学硕+ 学位论文 5 0 0 型扭矩测量仪在振动攻丝的控制与数据采集系统中使用。该传感器是一种应 变片式的扭矩传感器，采用三组接触式电刷结构，具有结构简单、稳定可靠的特 点。工作转速在0 - - 2 0 0 0 转分，非线性误差0 2 f s 。传感器与振动攻丝试验系 统连接比较简单。其可动部分，通过过度套和联轴器，分别与钻床主轴输出端和 钻夹头相连；其固定部分，通过自行设计的连接套筒固定住，使得扭矩传感器外 壳只能做轴向移动而不能做圆周方向转动。所以扭矩传感器不仅是测量装置，也 是传动攻丝所需动力的连接单元。 e x y - - 5 0 0 型扭矩测量仪把扭矩传感器的扭矩微量变化进行放大，对外提供一 个一5 v + 5 v 的电压输出，对应的扭矩范围是一i o n m + 1 0 朋。将此输出信号 电压接入模数转换模块，从而进行有关的数据采集。 3 4 微机控制单元 本单元由p c 机、a d 转换器、脉冲发生器、8 9 s 5 2 单片机及其外围元件组成， 其结构框图如图3 - 4 所示： 图3 4 微机控制单元 信号 其工作原理是：8 9 s 5 2 单片机系统复位后，单片机接收从上位机输送来的攻 丝工艺参数，并回显在数码管上。单片机将与步进电机正反转运动有关的控制量 传送给步进电机驱动器，以驱动步进电机进行相应的攻丝运动。启动a d 转换器， 待a d 转换结束后，读取a d 转换器的转换结果，再经过串口通讯，将攻丝扭矩数 据传送给p c 机并保存。 3 4 1 显示单元 1 4 福建农林大学硕七学位论文 显示部分是采用串行并行转换显示方法。采用m a x 7 21 9 串行输入并行输出 共阴极显示驱动器，可实现微处理器与7 段码l e d 显示器的接口。m a x 7 2 1 9 芯片包 括b c d 码译码器，多位扫描电路，段驱动器，位驱动器，存放显示数据的8 8 位 静态r a m 。只需外接一个电阻就可为所有的l e d 提供段电流。 m a x 7 2 1 9 的三线串行接口运用于所有微处理器。单一位数据可被寻址和修正， 不需要重写整个显示器。此芯片具有软件译码和硬件译码两种功能，软件译码是 根据多段笔画与数据位的对应关系进行编码，硬件译码采用b c d 码译码。m a x 7 2 1 9 工作模式有1 5 0 a 低压电源关闭模式、显示亮度控制、扫描位数寄存器及测试模 式。其引脚说明如表3 2 所示。 表3 。2m a x 7 2 1 9 弓 脚说明 引脚引脚说明说明 串行数据输入端，c l k 上升沿数据 ld i n 被写入1 6 位移位寄存器 8 位共阴极数码管的控制输出端， 2 。3 ，5 ，6 ，7 ，8 ，i 0 ，i i d i g 0 d i g 7 关断时，保持高阻态 4 ，9 g n d 电源地，引脚4 、9 必须同时接地 输入数据装载端。当l o a d = o 时，串 行数据存入移位寄存器，在l a o d 1 2l o a d 的上升沿，串行输入的1 6 位数据被 锁存 时钟信号输入端，最大输入频率为 1 3c l k 1 0 姗z 段驱动和小数点驱动输出端，关断 1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 7 ，2 0 ，2 l ，2 3 ，2 2 s e g a s e g gs e g d p 时，保持高阻态 段电流控制端，外接最小9 5 3 kq 1 8i s e t 的限流电阻 1 9v + 电源端，2 5 2 5 v 2 0d o u t数据输出端，多片级联时使用 m a x 7 2 1 9 的串行数据格式如表3 3 所示，其中d 1 5 d 1 2 是无关位，d 1 1 d 8 为 各种工作方式的控制寄存器地址位，可选择要显示的位、译码方式、显示亮度、 扫描位数、关闭方式和显示测试，其地址分布如表3 4 所示。d 7 d o 为数据位， 其形式与要显示出的数字和译码方式有关。串行输入数据在时钟c l k 上升沿时移 入内部的1 6 位移位寄存器，在装载l o a d 的上升沿时数据被锁存在相应的寄存器 中。l o a d 信号必须在第1 6 个时钟上升沿发生时或之后达到高电平，但要在下一个 福建农林大学硕+ 学位论文 时钟的上升沿和数据丢失之前到达。 表3 3m a x 7 2 1 9 串行数据格式 d 1 5d 1 4d 1 3d 1 2d 1 ld i od 9 d 8d 7d 6d 5d 4d 3d 2d ld o a d d r e s sj l s bd a t al s b 表3 41 1 a x 7 2 1 9 寄存器地址格式 地址 寄存器十六制码 d 1 5 d 1 2d 1 1d 1 0d 9d 8 窄操作o00oo d i g o 00 o l1 d i g lo01o2 d i g 200ll3 d i g 3 ol004 d i g 4 0l015 d i g 50llo6 d i g 6ol1l7 d i g 7 l0o08 译码方式 1ool 9 亮度 l01oa 扫描位数101lb 关闭ll00c 显不测试 lll1f 空操作寄存器在多个m a x 7 2 1 9 芯片串接时使用，通过程序控制使数据从d i n 端 直接送至d o u t 端。所有芯片的l o a d 端连在一起，并将d o u t 端连接到下一个m a x 7 21 9 的d i n 端。d o u t 端是c m o s 输出，可驱动后边串接的m a x 7 2 1 9 。 译码方式寄存器( d 7 d o ) 中数据可以初始化为o o h 、0 1 h 、o f h 及o f f h 四种情 况，分别表示：对数据显示寄存器d i g t - - d i g o 中的内容不译码；只对d i g o 译码而 对d i g 7 - - 一d i g l 不译码；对d i g 3 一- d i g o 译码而对d i g 7 - - 一d i g 4 不译码：对d i g 7 一- - d i g o 都译码。在译码方式时，只对数据显示寄存器中的d 3 d o 位译码。d 7 位控s m j , j , 数 点，当d 7 = l 时，小数点亮；d 7 = o 时，小数点熄灭1 。 亮度寄存器能够从软硬件两个方面来控制段电流。一种是根据亮度寄存器的 数据，由内部的脉宽调制器控s j j l e d 段电流的持续时间和扫描时间比来控s j j l e d 亮度，时间比在1 1 6 1 5 1 6 之间，对应控制数据低8 位为o o h 一- - o f h ；另一种是在 ”与i s e t 管脚间加限流电阻r s e t ，该电阻最小值为9 5 3 kq ，对应的段电流为 4 0 m a 矧。 扫描位数寄存器控制显示的l e d 的个数。其中，d t - - - d 3 位可以任意，而9 2 - - - 1 6 福建农林人学硕+ 学位论文 d o 可选择的范围是0 0 0 - - - 1 1 1 ，其中0 0 0 表示显示由d i g o 控制的一个l e d 数码管，0 0 1 表示显示由d i g o 和d i g l 控制的两个l e d 数码管，依次类推，1 1 1 则表示显示由 d i g o d i g 7 控制的八个l e d 数码管。 关闭模式寄存器由d 0 位控带i j l e d 数码管的关闭或正常工作状态。当d o = o 时， 表示器件进入关闭状态；当d o = i 时，表示进入正常操作状态，可对数码管的显示 进行修改。 显示测试寄存器有两种工作方式：当显示测试寄存器数据为“f x1 h 时， 显示器处于测试状态，此时所有数码管全亮；当显示测试寄存器数据为“f xo h 时，显示器处于正常操作状态，可对数码管的显示进行修改。 器件上电后所有控制寄存器复位，译码方式寄存器处于为非译码方式，亮度 寄存器的值设置为最小，扫描位数寄存器设置为仅显示一位，关闭模式寄存器处 于关闭状态，因此m a x 7 2 1 9 必须经过初始化后才可能正常工作。下面为m a x 7 2 1 9 的初始化例程。 i n i t 7 2 2 1 ：m o v d i s 7 2 2 1 ，# 0 0 0 0 1 0 1 0 b ：亮度初始化 m o v b ，# 0 0 0 0 0 0 0i b a e a l lw r i t e 7 2 2 l m o v d i s 7 2 2 1 ，# 0 0 0 0 1 0 11 b ：显示位数初始化 m o vb # 0 0 0 0 0 1 1 l b a c a ll r r i t e 7 2 2 l m o v d i s 7 2 2 1 ，# 0 0 0 0 1 i 0 0 b ：i n i t a t es h u t d o w n m o v b ，# 0 0 0 0 0 0 0 1 b a c a l lw r i t e 7 2 2 1 m o v d i s 7 2 2 1 ，# 0 0 0 0 1 0 0 1 b ：译码方式初始化 m o v b ，# i i i l l l l i b a e a l1w r i t e 7 2 2 1 m o vd i s 7 2 2 1 ，# 0 0 0 0 0 0 0 1 b m o v b ，# 0 0 0 0 0 0 0 0 b i n t i 7 2 2 1 l p ： a e a l lw t i t e 7 2 2 1 i n ed i s 7 2 2 1 m o v b ，# o f h 1 7 福建农林大学硕士学位论文 m o v r 2 ，d i s 7 2 2 1 c j n er 2 ，# 0 9 h ，i n t i 7 2 2 1 l p r e t w r i t e 7 2 2 1 ：c l rc s 7 2 1 9 7 2 2 1r e t = ：l ( ) a d = 0 m o va ，d i s 7 2 2 1 a c a l lw r i t e d a t a ：送地址 m o v a ，b a c 札lw r i t e d a t a ：送数据的字模 s e t b c s 7 21 9：l o a d = i r e t w r i t e d a t a ：m o vr 6 # 8 d a t a s h i f t ： n o p c l rc l k 7 2 1 9 ： r l ca m o v d i n 7 2 1 9 ，c n o p s e t bc u 【7 21 9 d j n zr 6 ，d a t a s h i f t r e t 3 4 2 脉冲发生器 由于本试验系统要完成振动攻丝，并要求在试验过程中，攻丝系统能够随输 入参数的变化而变化以满足试验的要求。这就要求脉冲发生器输出的脉冲序列规 律，必须能够根据输入参数的变化而改变汹，驯。单片机起着脉冲发生器的作用。 根据上位机发送来的攻丝参数组合，单片机通过程序设计来实现满足试验要求的 脉冲信号输出。其中信号输出包括控制电机正反转的方向脉冲c w ，控制电机转速 的频率脉冲c p 。在输出脉冲信号之前连接一个7 4 l s 2 4 5 芯片，主要是为了防止受 到外来干扰的影响，对外来干扰起屏蔽作用。其硬件简图如图3 5 所示。具体的 硬件原理图如附录a 。 福建农林大学硕士学位论文 8 9 s 5 27 4 l s 2 4 5 p 2 4a 4b 4 p 2 3a 5b 5 g n d eg n d 图3 5 脉冲发生器接口简图 电机驱动器接口 输入的参数有：步进电机脉冲频率、一个周期内正转脉冲数及反转脉冲数。 在一个振动周期的加工过程中，需要变化的参数是：控制电机主轴转速的脉冲c p 和控制电机正反转的方向脉冲c w 。当驱动器的c w 端是低电平，电机正转，反之电 机则反转。应当注意的问题是当发送的脉冲频率比较高时或正反转频率很高时， 这种情况下步进电机容易发生失步，主要表现为电机停转或输出的功率很小并发 出刺耳的噪音。处理的办法是当脉冲频率比较高时，在电机开始启动时要有一个 升速过程和在停止攻丝时有个减速的过程，以防止步进电机出现失步。另外当振 动频率很高时电机也比较容易失步而且输出功率很小，因此在振动攻丝时，输入 的振动频率和电机转速不能太高。 3 4 3 模数转换单元 模数转换器t l c l 5 4 3 是c o m s 、1 0 位开关电容逐次逼近模数转换器曲k 3 2 1 。它有 三个输入端和一个三态输出端：片选c s 、输入输出时钟( i oc l o c k ) 、地址输 入( a d d r e s s ) 和数据输出( d a t a o u t ) 。可通过一个直接的四线接口与主处理器 或外围的串行口通讯。每一个器件包含内部系统时钟、采样和保持、1 0 位a d 转 换器、数据寄存器以及控制逻辑电路。内部系统时钟和i 0c l o c k 独立使用且不 需要任何特定的速度或二者之间的相位关系。这种独立性简化了器件的硬件和软 件控制任务。由于这种独立性和系统时钟的内部产生，控制硬件和软件只需关心 利用i o 时钟读出先前转换结果和启动转换。t l c l 5 4 3 的引脚说明如表3 5 所示。 t l c l 5 4 3 的工作由c s 使能或禁止。工作时c s 必须为低，c s 被置高时，i oc l o c k 端、a d d r e s s 端被禁止，同时数据输出端d a t a o u t 处于高阻状态。当片选端c s 被拉 1 9 福建农林大学硕j l 学位论文 表3 5t i c l 5 4 3 i j 脚说明 引脚名称 说明 1 9 a o a 1 0 模拟输入段，这1 1 模拟信号输入由内部多路器选择。 l l 、1 2 片选端，在c s 端的一个由高全低变化将复位内部计数器并控制和使能 1 5c s d a t a o u t 、a d d r e s s 和i 0c l o c k 。一个由低至高的变化将在一个设置时间 内禁止a d d r e s s 和i 0c l o c k 。 串行数据输入端。一个4 位的串行地址选择下一个即将被转换的模拟输入 1 7a d d r e s s 或测试电压。串行数据以m s b 为前导并在i oc l o c k 的前四个上升沿被移 入。在4 个地址位被读入地址寄存器后，这个输入端对后续的信号无效。 用于a d 转换结果输出的三态串行输i i j 端。d a t a o u t 在c s 为高时处十高阻状 态，在c s 为低时处于激活状态。c s 一旦有效，前一次转换结果的m s b 值将 d a t a o u t 从高阻态转变成相应的逻辑电平。i o c l o c k 的下一个下降沿将根 1 6d a t a o u t 据m s b 的下一位将d a t a o u t 驱动成相应的逻辑电平。剩下的各位依次移出， 而l s b 在i oc l o c k 的第九个下降沿出现，在i oc l o c k 的第十个下降沿， d a t a o u t 端被驱动为逻辑低电平，因此多于十个时钟，串行接口传送是一 些“零”。 转换结束端。在第十个i oc l o c k ，该输出端从逻辑高电平变成低电甲并 1 9e o c 保持低，直到转换完成及数据准备传输。 1 0g n d 地 输入输出时钟端。i 0c l o c k 接收串行输入并完成以下四个功能： 1 在i 0c l o c k 的前四个上升沿，它将4 个输入地址键入地址寄存器。在第 四个上升沿之后多路器地址有效； 2 在i oc l o c k 的第四个下降沿，在选定的多路器输入端上的模拟输入电 1 8 i 0c l o c k 压开始向电容器充电并继续到i 0c l o c k 的第十个下降沿； 3 它将前一次转换的数据的其余9 位移出d a t a o u t 端； 4 在i oc l o c k 的第十个下降沿它将转换的控制信号送到内部的状态寄存 器。 正基准电压端。基准电压的正端被加到r e f + ( 一般为+ 5 v ) 。最人的输入电 1 4 r e j f + 压范围取决于与加于r e f - 端的电压差 1 3r e f - 负基准电压端。基准电压的低端被力n n r e f - ( 一般为g n d ) 2 0v c c 正电源端 至低电平，开始转换过程，i oc l o c k 和a d d r e s s 使能，并使d a t a o u t 端脱离高阻 状态。上一次转换结果的最高有效位( m s b ) 出现在数据输出d a t a o u t 端。在输入 输出时钟i oc l o c k 的前4 个周期的下降沿输出前一次转换结果的第2 、第3 、第4 和第5 个最高有效位；并在i oc l o c k 的前4 个周期的上升沿，以m s b 前导方式从 a d d r e s s 端输入4 位数据流到地