1 绪论
1.1 研究背景及意义
随着科学技术的快速发展，现代工程技术领域对机加工过程提出了的高效率、高精密、高智能等要求。磨削加工往往作为精密零部件制造过程的最终工序，承担着保证工件精度的任务[1-4]。在汽车、航空航天和仪器仪表等对精密零器件有较高要求的行业中应用广泛。磨削加工后工件表面质量对工件的使用性能起着决定性的影响，传统的磨削加工过程中，对磨削工件精度和质量的测量评定往往是在机加工结束之后，工作效率较低，劳动强度大，产品质量一致性差，已经不适合现代制造业的大批量流水线生产模式。同时，机后测量方式也只是在加工停止时得到评定结果，而评定结果并不对加工过程进行实施反馈控制。如果可以利用实时评定结果对加工过程在线反馈控制即实现闭环控制，不仅可以提高生产效率，更重要的是可提高加工质量精度，是现代制造技术的重要发展方向之一。因此实现磨加工进程的实时主动测量和在线反馈控制对提高磨加工产品的质量具有重要意义。主动测量控制技术是随着现代制造技术发展而来的，在机械加工过程中，通过各种传感器件实时检测加工质量，并对加工进程进行控制的一种先进制造技术。磨加工主动测量控制仪是一种能够在磨削过程中通过测头传感器实时测量工件尺寸变化，并由控制器依据测量数据发送反馈控制给机床，然后机床调整加工进程（如粗磨、精磨、光磨、退刀等）的智能化测控仪器[5-8]。主动测量控制仪可以提升加工效率，降低劳动强度，保证加工质量的一致性。但是，由于我国工业发展起步较晚，基础工业水平相比于发达国家还较为落后，国内的磨加工主动测量控制仪的核心控制系统甚至还在采用单片机，功能比较单一，人机交互能力较差。因此有必要追赶世界主流控制仪的发展步伐，研究高水平主动测量控制器相关关键技术。
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1.2 国内外研究现状与发展趋势
从上世纪三十年代起，主动测量这一先进制造技术首先被应用于轴承、汽车等加工行业，测量方式为简单的单点测量，可以利用机械式的测量装置对尺寸变化以指针仪表的形式显示出来。四十年代的时候，单点式测量方法已经无法满足人们的需求，主动测量技术逐步开始向两点式或者三点式的方向发展，测量精度进一步得到了提升。五十年代以后，得益于汽车行业的快速发展促使主动测量技术得到了更为广泛的应用。特别是随着电子技术的发展，电子元器件的成本越来越低、精度越来越高和质量越来越稳定，采用精密传感器作为测量装置、集成电路作为控制装置的智能化主动测量控制仪广泛应用于现代机械加工制造过程。主动测量技术主要是为了实现机械加工过程中高精度的实时检测和反馈控制，因此广泛应用于精密磨削加工领域。目前，国际上在主动测量技术领域处于领先水平的是意大利、日本等工业强国[10]，这些国家同时也是汽车制造水平强国。意大利的马波斯和日本的东京精密是较早开展主动测量技术研究的企业，在磨加工主动测量市场上占有巨大的技术优势。意大利马波斯借助于其在传感器方面的雄厚技术实力，研发的控制仪及软件、测量装置、探头、平衡装置和传感器等系列产品可以满足用户不同方面的需求，其生产的主动测量仪除具有最基本的在线测量功能外，还能够调整对磨削质量起决定性作用的砂轮工作状态，如砂轮平衡、砂轮修整、噪音检测等。系列产品质量稳定、控制精度较高、传感部件抗干扰能力较强，因此在磨加工主动测量控制领域大量使用。马波斯主打的新型产品 P7 量仪系统能够提供通用的解决方案，满足机床磨削加工过程前、中、后的测量控制，砂轮动态平衡、机床振动信息监测和声学监控等，产品所提供的柔性化、模块化配置能组合满足多种测量应用。东京精密公司生产的 PULCOM 系列产品可分别应用于不同的工作场合，包括实时测量、机后测量以及在线圆度评定和多台阶轴移动测量功能。东京精密推出的产品在实现基本的主动测量之外，拓展功能较为丰富，智能化水平较高，使得磨削过程中的大部分相关参数或处理结果可以通过彩色液晶显示屏直观地呈现给操作者。虽然国外相关产品在质量、技术上处于领先地位，但均存在价格非常昂贵、售后不太方便等局限性，因此在国内市场的份额有限，也为国内相关磨加工主动测量仪企业和产品提供了竞争机会。我国的工业发展起步较晚，对主动测量技术的研究相对薄弱，在传感测控技术、电子技术和电气控制领域与国外有着一定的差距，相关磨加工主动测量仪系列产品在市场竞争中处于不利地位。目前，国内在磨加工主动测量领域开展技术研究和相关产品应用的企事业单位有三门峡中原精密、洛阳新和精密测控、西安爱德华测量设备、中原量仪和成都工具所等[11]，其中三门峡中原精密有限公司生产的相关系列产品在国内市场中处于行业领先地位。国内磨加工主动测量仪相关产品相较于国外产品往往还停留在以单片机为控制系统的基础上，普遍存在着测控功能应用范围较窄、传感器测量精度不高、系统性能稳定性较差和人机交互显示能力不足等问题[12]，最重要的是存在技术上依赖国外输入的问题。
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2 磨加工主动测量控制器总体方案设计
2.1 主动测量控制仪的结构和工作原理
主动测量控制仪是一种在机加工时由测头实时检测工件尺寸，控制器根据测头得到的尺寸变化值与预先设置的信号点值做对比，对机床发出动作指令来实现控制加工进程的智能化设备。主动测量相比于机后测量，可提高加工效率，保证质量一致性，适应于现代制造中的流水线作业。主要结构如图 2.1 所示：测量装置即测头传感器，负责把尺寸变化量转变为控制器可以处理的电压信号变化量。根据测头数目的多少可分为单点测量和多点测量，前者可用于端面定位，后者可用于外径、内径、槽宽等测量。控制器将测头输入的电信号经过放大、调理电路处理为控制器可以处理运算的数字信号，通过对数字信号的对比分析，对机床发出动作指令。控制器相当于主动测量控制仪的“大脑”，功能的多样化和智能化程度决定着控制器水平的高低。驱动装置负责使测头顺利进出测量工位，驱动方式根据动力来源的不同可分为电、气和液压等方式。
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2.2 主动测量控制器硬件平台设计
硬件平台是控制器工作的实体基础，硬件的质量好坏决定着控制器的性能优劣。项目开发的磨加工主动测量控制器需要满足内外径测量、端面测量、结果分析、参数调整和显示等诸多功能。根据应用和功能需求，控制器硬件平台由控制单元、输入输出单元、模拟量调理及输入输出模块组成，开发的硬件系统应该满足如下要求：（1）系统采用适宜于嵌入式设备的微处理器。（2）控制仪能接入 2 路主动测头。（3）控制仪采用大小合适的触控 LCD 显示器。（4）具有一个键盘接口。（5）具有两组基本输入输出接口，I/O1，I/O2。（6）具有彩色液晶显示和触摸屏。（7）具有复位开关。（8）具有数据处理和存取功能。硬件系统采用模块化的结构设计，如图 2.2 所示，主要有电源模块、控制核心板、控制底板、两组 IO 板和放大调理板等部分组成，其结构框图如图所示。核心板和控制底板一起，负责系统的主控和通信；控制底板上采用复杂可编程逻辑器件 CPLD 进行地址和接口扩展，并通过 CPLD 的时序，控制 ADC 和 DAC的工作；IO1 和 IO2 两组 IO 接口板实现开关信号的输入输出和信号隔离；调理放大板实现了测头传感器模拟信号的放大、滤波等信号调理功能。
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3 磨加工主动测量控制器工艺参数灰色分析与寻优决策.... 23
3.1 磨削工艺基本概念 .......23
3.1.1 磨削加工的重要性 ............ 23
3.1.2 磨削加工工艺的复杂性 .... 24
3.2 工艺参数的灰色关联分析和寻优决策 ........27
3.2.1 灰色生成 ...... 28
3.2.2 灰色关联分析 ......... 28
3.2.3 灰色决策 ...... 29
3.2.4 加权灰靶决策 ......... 30
3.3 工艺参数优化试验与分析 ......31
3.4 本章小结 ............37
4 磨加工主动测量控制器断续表面主动测量技术研究........ 38
4.1 断续表面测量理论 .......38
4.2 试验及结果分析 ...........40
4.3 内部同期触发周期的设置 ......45
4.4 本章小结 ............47
5 磨加工主动测量控制器在线圆度评定技术与应用............ 48
5.1 引言 .........48
5.2 基于新一代 GPS 圆度误差评定方法...........50
5.3 在线圆度评定技术研究 ..........54
5.4 在线圆度评定技术应用实验 .............57
5.5 本章小结 ............58
5 磨加工主动测量控制器在线圆度评定技术与应用
5.1 引言
主动测量控制仪主要是实时检测工件尺寸并控制加工进程的仪器，但对于回转类零件来说，影响质量的因素除了尺寸精度外还包括形位精度，其中一个重要参数就是工件的圆度。圆度误差影响着轴孔配合的回转精度和工作稳定性[60]。因此，主动测量控制器的在线圆度评定功能正在成为主流控制仪的重要发展方向之一。磨加工过程中为在确保工件尺寸、形状和位置精度的情况下尽可能提高加工效率，一般采用“粗磨—精磨—光磨”的三级加工模式（如图 5.1 所示），或者更多级加工模式。其中 P1—P4 为主动测量控制器信号点设定值，S1—S2 为粗磨阶段，S2—S3 为精磨阶段，S3—S4 为光磨阶段。显然，在逐级加工模式下，工件的圆度一般是随着磨削加工进程（主要是砂轮进给速度的降低）而逐渐降低的。磨削过程中影响圆度误差的因素是复杂多样的，其中一个重要因素是上一级加工过程中形成的原始圆度误差，工件的原始圆度误差通过工件与砂轮间的法向切削力的变化映射和影响到下一级加工过程形成的工件圆度误差。因此，磨削加工后对工件圆度误差的测量只是得到工件形状误差指标，并不能实现主动测量控制仪对磨削过程中工件圆度误差的测量和控制。显然，主动测量控制器对工件圆度误差的实时测控，不仅可以提高加工效率，更重要的是可以在磨削进程中逐级减小圆度误差的方法实现最终圆度误差的控制。以常见的“粗磨—精磨—光磨”的三级加工模式阐述磨加工主动量仪在同时检测工件尺寸和圆度误差模式下的加工流程，如图 5.2 所示。其中，当工件类型为外径时，信号点设定值应当P1>P2>P3>P4。圆度误差信号点设定值Y2>Y3>Y4，Y2、Y3、Y4 分别为工件尺寸值到达 P2、P3、P4 时要求达到的圆度误差值，其中 Y4 即最终圆度误差要求。
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总结
论文研究了目前国内外主动测量技术和应用情况，阐述了主动测量仪的基本结构和工作原理。在分析多功能控制器功能需求的基础上，给出了基于 A8 微处理器、嵌入式 WinCE 系统为平台的多功能主动测量控制器总体设计方案，包括硬件系统结构设计，软件系统模块设计和数据库方案选择。并在此基于上完成功能控制器的关键技术研究：工艺参数关联分析与灰靶寻优、断续表面测量技术和在线圆度评定技术。对论文的主要工作做如下总结：
（1）结合多功能磨加工主动测量控制器的功能需求，完成控制器的总体方案设计。硬件系统核心在对比分析工控主板与微处理器的基础上，确定了基于 A8处理器的核心板，并实现与基于 ARM11 核心板的升级替换；软件系统给出了基于 WinCE 操作系统的设计方案，并结合控制器功能要求设计了测量、设置和调整三大模块；以数据库数据操作速度为主要评价条件给出了基于 SQLite 的数据库方案。
（2）为合理设定工艺参数组合，提高磨削加工质量，采用灰色关联分析方法分析工艺参数与评价参数间的关联度，确定不同工艺参数对评价参数的影响，为工艺参数调整提供针对性指导；利用加权灰靶决策方法对历史加工数据进行分析，给出历史最优工艺参数组合。
（3）利用实验室现有设备进行断续测量试验，由试验数据分析了测量值折线图的形成原因，其中周期性峰值丢失现象是由于采样信号在键槽内采样点较少造成的，同时峰值轨迹与键槽落点轨迹基本一致。结合试验采样点值在键槽内的变化情况，确定以圆度误差值作为判别采样值是否落入键槽的条件，并基于此提出内部同期模式中触发周期的设定方法。
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参考文献（略）