机制专业毕业论文04949.doc
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1、 毕业设计(论文)论文题目车床工艺系统动刚度在线测量系统设计Thesis TopicThe Design of Dynamic Stiffness Measurement System for Lathe Technology System专 业 班 级机制0802班 车床工艺系统动刚度在线测量系统设计摘要 针对虚拟仪器技术在组建测试系统上的巨大优势, 研究了基于虚拟仪器技术实现车床动态刚度在线自动测试的方法, 推导了车床动态刚度在线测试的理论公式。该车床动态刚度测试系统的硬件是由电涡流位移传感器、PCI-9118数据采集卡及计算机等组成;软件采用Delphi语言进行开发,其中包括电涡流位移传
2、感器的标定,还有用最小二乘法、均值滤波等数据处理方法对信号进行处理分析。利用该系统绘出车床动态刚度曲线, 直观展现了车床的不同部位的刚度, 为车床加工精度的研究提供了数据。 关键词:车床刚度;电涡流位移传感器;PCI-9118数据采集卡;Delphi The Design of Dynamic Stiffness Measurement System for Lathe Technology SystemAbstract Lathe dynamic stiffness automatic test method based on virtual instrument technology fo
3、r the great advantages of the virtual instrument technology in the formation of the test system, and derived the theoretical formula of the lathe-line testing of the dynamic stiffness.The lathe dynamic stiffness test system hardware by the eddy current displacement sensor, PCI-9118 data acquisition
4、card and computer components;Software development using Delphi language, in which including the calibration of eddy current displacement sensor, using data processing method for the signal processing and analysis,as least squares method, the mean filter and so on.Use of the system to draw the lathe
5、dynamic stiffness curve exhibited explicitly in the stiffness of the different parts of the lathe,provide data for the study of lathe machining accuracy. Key words:The stiffness of lathe;Eddy current displacement sensor;PCI-9118 data acquisition card;Delphi目录摘要IAbstractI1 绪言11.1 研究课题背景及意义11.2 本课题的任务
6、32 车床动态刚度测量系统总体方案的设定52.1 车床动态刚度测量原理52.2 车床刚度检测系统开发平台72.2.1 虚拟仪器概念82.2.2 虚拟仪器的组成82.2.3 虚拟仪器与传统仪器92.2.4 虚拟仪器的应用102.2.5 Delphi语言简介102.3 车床工艺系统动态刚度测量系统设计123 车床工艺系统动态刚度检测系统的硬件配置143.1 数据采集卡143.1.1 数据采集卡的选用143.1.2 设计所选数据采集卡153.2 传感器的选用173.3 车削测力仪的选用214 车床工艺系统动态刚度测量系统软件设计234.1 软件构成234.2 系统操作界面234.3 位移标定模块24
7、4.3.1 位移标定模块的功能简介244.3.2 数据采集简介254.3.3 一元线性回归原理264.4 数据采集模块284.4.1 数据采集模块功能简介284.4.2 数据采集简介294.5 数据处理模块304.5.1 数据处理模块的功能简介304.5.2 均值滤波314.6 数据显示模块344.7 结果显示模块34结 论36致谢38参考文献39IV1 绪言1.1 研究课题背景及意义 车床加工零件时,技术工人常常为高精度产品不能达到准确的精度而头疼,提高加工精度往往要耗费了大量时间。产品的加工精度是与机床的刚度直接相关, 因此,研究机床刚度是提高零件加工精度的一个非常重要的环节。由于机床工艺
8、系统是个弹性系统,在切削力作用下,将发生弹性变形,弹性变形的大小,除了与切削力的大小有关,还与工艺系统抵抗外力变形的能力有关,即工艺系统刚度大小。工艺系统刚度反映了工艺系统抵抗外力变形的能力,是评价机床加工精度和加工效率的一个重要指标,同时机床系统的综合静刚度值可以作为评价机床设计,机床结构合理性,机床制造和装配等一系列质量的综合性质量指标。因此,在机械加工中,精确测定工艺系统刚度对认识机床的加工能力,改进工艺系统的结构,进而提高机床加工精度和加工效率有着重要作用。因此,机床刚度的检测是相当重要的。 俄罗斯著名科学家门捷列夫曾用以下的话来阐述测量对科学的意义:“科学自测量开始,没有测量,便没有
9、精密的科学”。由此可见,测量是人类认识客观世界的途径之一,通过对周围事物的测量给出定量特征,揭示自然规律。传统的测量大都集中于对物体单一性质的测量,所采用的测量设备也都十分简单,功能也非常单一。随着科学技术的发展,被测量的范围不断扩展,其复杂程度也不断加深,传统的人工操作单参数测量装置已无法满足科学技术发展的要求,检测系统正是伴随着这一需要而产生的。检测系统从传统的检测观点出发,将被测对象看做具有复杂内部组成的系统,通过构筑多方位的测量、处理、分析部件,完成对被测对象高精度、多参数、多功能的测试任务。检测系统一般由测量者、激励装置(可选)、被测对象、传感器、信号调理、信号处理、显示记录、反馈控
10、制等环节组成。检测系统的复杂程度取决于被检测信息检测的难易程度以及所采用的实验方法。对检测系统的基本要求是可靠、实用、通用、经济,这些都是考虑检测系统组成的前提条件。 国外研究现状:检测系统是传统的测量技术与微电子技术和计算机技术密切结合的产物,是在微电子与计算机技术快速发展的基础上产生的一门新兴学科。像许多新技术发展的情况一样,检测系统首先是由于军事上的需要而发展起来的。机床刚度检测技术的进步是一个逐渐发展的过程,50 年代开始,西方一些工业发达国家就研发了以故障检测和性能调试为主的单项检测技术和生产单项设备。到了60 年代后期,国外检测诊断技术随着大量应用电子、光学、理化与机械相结合的光机
11、电、理化机电一体化检测技术的发展与应用而开始快速发展。20 世纪50 年代中期,美国在新发展起来的一代尖端武器的维护检修方面,面临着许多棘手的问题,传统的测量仪器和手工操作方法已无法满足现实的需要。在这种背景下,提出了多用途“万能”检测系统的概念,其最终预期目标为:不依靠人和有关的技术文献,由非熟悉人员上机进行几乎全自动的操作,并以计算机的速度完成测试,通过编程的灵活性还可以适应人和具体检测任务。在这个概念下,美国国防部在1956 年启动了SETE 计划的研究项目,成为现代检测系统大规模研究的开端。从20世纪60年代开始,检测系统就应用于工业,在吸取早期军事上的经验教训后,抛弃了“万能”思想,
12、而致力于着重解决生产商关键测试所需的“专业”检测系统。20实际60年代中、后期,欧美市场上就有民用的成套检测系统出现在电子仪器商品市场上。然而,这些系统针对性太强,难以适应复杂的应用变化需要。为了扩大检测系统的应用范围,尽可能利用各种现成的通用仪器设备,加上现成的电子计算机来“拼凑”出所需要的检测系统。事实已经证明,这种模块化构建思想为检测系统的发展奠定了坚实的基础。国内研究现状:改革开放以来,随着检测和诊断技术日新月异的发展,我国的机床性能测试技术也在随着时代的脚步迅速的发展,对于检测技术和设备的需求的增加,使我国加快了研发的速度,已经研制了多种机床检测仪器。重视硬件技术的开发,轻视难度大、
13、研发过程漫长的检测方法、标准等基础技术的研究是我国检测技术发展中一直存在的问题。检测技术的不断提高,要求我们要使与硬件相配套的检测软件技术也得到大幅度的提高,才能使我国的检测技术得到更好的发展。设备的智能化,专业化等问题是我国设备检测与国外相差较远的地方,因此要加快智能化发展速度,切实提高检测水平是我们的工作重点。信息技术的发展也是的我们可以将检测技术实现网络化共享,从而做到信息资源共享、硬件资源共享、软件资源共享。虚拟仪器(VI, Virtual Instrument) 是计算机技术介入仪器领域形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类, 其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面
14、板, 以多种形式表达输出测量结果, 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理, 利用I/O接口设备完成信号的采集、测量和调理, 从而完成各种测试功能, 是较成功的虚拟仪器软件。过去, 车床刚度的测定是在非切削状态下, 模拟切削时受力情况, 对机床施加静载荷, 测得各部件在不同载荷下的变形, 做出相应的刚度特性曲线, 并计算出机床的刚度。目前, 机床刚度的测定方法有单向加载测定法和三向加载测定法。前者是传统的测量方法, 缺点是不符合机床加工时承受三向切削分力的情况, 一般只能用于比较机床部件刚度的大小; 后者采用三向加载测定法更接近切削时的真实情况, 但测量时施加载荷的大小和位移量
15、的值是由千分表显示的, 人工处理数据、绘制机床刚度特性曲线的测量方法, 具有测量效率低、误差大等缺点。为了克服上述缺点, 笔者采用误差复映原理, 采用与实际切削完全一致的工作状态测定车床刚度的方法, 利用Delphi软件开发平台, 研究开发了一种精度高、性价比高、界面友好、智能化的应变测试虚拟仪器系统。 本课题研究的意义是将虚拟仪器技术应用到机床刚度测量系统的硬件驱动、数据采集、结果分析、数据显示、数据输出等,改变了传统的设计方法,实现了对机床刚度测量系统的基于虚拟仪器思想的程控,对虚拟仪器技术在控制领域的应用提供了一个范例。主要的意义主要包含一下几个方面。 1)加强了对所学理论知识的理解,如
16、误差复映,均值滤波,一元线性回归方程等; 2)熟悉了电涡流位移传感器检测技术,对检测系统有了解。 3)熟悉了Delphi开发环境及PCI9118数据采集卡的采集原理。 2)通过对机床刚度的检测,可以准确了解机床的刚度,为机床的加工精度范围提供了一个参考,从而保证加工零件的精度;1.2 本课题的任务机床在加工工件时,机床的零部件受力会发生变形使刀具和工件间产生相对弹性位移,根据误差复映原理,零件在加工前的误差,都以与原误差相似的形状复映到加工后的零件上去。机械加工工艺系统刚度越大,复映在工件上的误差越小,因此机床系统刚度的大小直接影响了工具的加工精度和生产效率,所以机床设计时对机床的刚度有一定的
17、要求。机床系统刚度现已作为评价机床设计,机床结构合理性,机床制造和装配等一系列质量的综合指标。分析机床受力变形对加工精度,生产效率和抗振性的影响,实属必要。在此,本次设计利用Delphi软件及其PCI9118数据采集卡,对车床工艺系统静刚度的检测系统进行设计和研究,以获得机床的静刚度,便于更好的指导生产。本课题的研究方向主要包含以下几个方面。 1) 工艺系统动态刚度的测量原理 2) 硬件原理及数据采集原理 3) 一元线性回归原理 4) 刚度检测数据处理原理 5) 软件系统原理及设计说明 6) 实验结果分析 2 车床动态刚度测量系统总体方案的设定2.1 车床动态刚度测量原理 机床静刚度实验方法有
18、静态加载测定法和工作状态测定法(生产法)两种。静态加载测定法只能 近似模拟切削时的切削力,与实际条件有一定的误差。工作状态测定法可在一定程度上避免这些误差。但工作状态法在部件的实验中不能用,只能用在整机静刚度实验。本课题采用工作状态法(生产法)测定机床静刚度。当车床加工偏心试件时, 根据误差复映原理, 加工前毛坯的误差会复映到零件中去, 其主要原因就是由于车床的零部件受力会发生变形, 使刀具和工件间产生相对弹性位移。车床加工系统刚度越大,复映在工件上的误差越小。工作状态测定法是加工刚度很大的偏心试件时, 当偏心试件转一周时, 切削半径发生变化, 背吃刀量发生变化, 则切削力发生变化。对于机床来
19、说, 刚度是一个定值, 当切削力发生变化时, 机床系统的变形量也会发生变化, 那么当试件加工完一周以后, 已加工表面由于误差复映试件同样会是偏心的。在坯料偏心量和切削量都不变的情况下, 已加工表面的偏差大小, 将和机床的刚度有关。图1-1 测量试件简图图1-2 偏心试件误差的复映 当在其它条件完全相同时,已加工表面偏差与坯料偏心的比值,就表现为刚度。机床-工件-刀具工艺系统的刚度计算公式为: ( 1)式中: 为工艺系统刚度; 为机床系统刚度, N/mm; 为工件刚度, N/ mm; 为刀具刚度, N/mm。检测时, 假定刀具刚度、工件刚度远远大于机床的刚度, 计算时可以忽略工件、刀具的变形,
20、此时有: 在加工偏心试件时, 工件一周内切削深度从最小切深变到最大切深 , 对应切削力为 , ; 与此同时, 机床变形也从最小变形 变到最大变形 , 即得到带有偏心的已加工表面。机床变形相应为: 已加工表面的偏差变为: (2) , 为加工时最大和最小切削力, N; 为已加工工件的偏心偏差, mm。忽略变形和 对切削力的影响, 则得到: 用车刀在试件前端1、中间2、后端3 处分别加工, 则机床刚度有如下关系: (3) 式中: , 分别为车刀在加工1, 2, 3 偏心处的机床系统刚度; ,分别为车床床头, 床尾, 刀架部件的刚度, N/ mm。解方程组得: (4)由以上所述, 通过测得刀具加工试件
21、时的切削力, 以及试件已加工表面的偏差值, 就可以得到车床的系统刚度以及部件的刚度。试件已加工表面的偏差值可以电涡流传感器来测定,切削力则采用八角环形电阻应变式车削测力仪来测定。2.2 车床刚度检测系统开发平台 本系统主要是利用虚拟仪器设计车床动刚度在线检测系统。虚拟仪器技术是20世纪90年代计算机系统和仪器系统技术革命的产物,它在测试测量与控制领域中占有重要地位,并正成为当今世界流行的仪器构成方案。2.2.1 虚拟仪器概念 伴随着微电子技术,计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电工电子测量技术领域的应用,测量仪器不断进步,依次出现了数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器,同时也由单台仪器逐渐发展到叠
22、加式仪器系统、虚拟仪器系统等。1986年美国国家仪器公司首先提出了虚拟仪器的概念。所谓虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块结合起来,用户可以利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能,建立中英文界面的虚拟仪器软面板,完成对仪器的控制、数据分析、存储和显示,改变传统仪器的使用方式,提高仪器的功能和使用效率,大幅度降低仪器的价格,且用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器技术利用PC机高速数据采集和处理能力,对被测对象进行数据采集、分析、存储、显示等。虚拟仪器排除了干扰信号和模拟电路引起的误差,大大提高了测试精度。虚拟仪器控制功能强,有自动调零、自动调节量程、自动转换极性和自动校准等
23、功能。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板,而是利用计算机强大的图形环境,在计算机屏幕上建立起图形的软面板来代替常规的仪器控制面板。用户通过鼠标或键盘操作软面板来进行操作,操作方便,易于掌握 。 虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统,进而逐步代替仪器完成某些功能,最终达到取代传统电子仪器的目的。虚拟仪器实质上是软硬结合、虚实结合的产物,是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。在虚拟仪器系统中硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个仪器的关键。2.2.2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号,可分为两类:一类
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