專利名稱：對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種滾壓機床控制系統(tǒng)，具體涉及一種對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)。
背景技術：
通常條件下重型裝甲車輛的行駛條件惡劣，其傳動用扭力軸需要經常性的工作在大負荷條件下。重型裝甲車輛的扭力軸是車輛發(fā)動機將動力傳送到輪轂的重要傳動零件，工作過程中承受著較大的扭曲及滾動載荷，因此提高扭力軸的表面質密度及表面光潔度對提高扭力軸硬度，減少扭力軸在重復性、高強度下產生表面裂紋有著重要的作用。通過對扭力軸的滾壓光整及強化加工，特別是對扭力軸軸頸、輪座等處的表面加工，對提高車軸的表面質量和疲勞強度起到了很大的作用。盡管車軸的滾壓光整及強化加工具有悠久的歷史，鐵道部已普遍應用于車軸的表面加工，但目前所使用的設備一般都是普通車床。這種加工方法存在著勞動強度大、加工效率低、工件交換周期長，另外由于在加工過程中需要人工手動進行油霧潤滑，還存在著環(huán)保性差、油液利用率低、污染環(huán)境等問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可實現機床加工的全自動控制。實現本發(fā)明的技術方案如下:一種對重型裝甲車 輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括滾壓運動控制子系統(tǒng)、滾壓頭液壓控制子系統(tǒng)以及測量與數據采集處理子系統(tǒng)；其中滾壓運動控制子系統(tǒng)與滾壓頭液壓控制子系統(tǒng)分別與測量與數據采集處理子系統(tǒng)相連；滾壓運動控制子系統(tǒng)主要由兩光電編碼器、運動控制單元、Z軸伺服電機以及主軸伺服電機組成；上述各部件之間的連接關系為:兩光電編碼器各位于一伺服電機上且與伺服電機同步旋轉；運動控制單元與光電編碼器、Z軸伺服電機以及主軸伺服電機分別相連；所述Z軸伺服電機與機床工作臺相連，所述主軸伺服電機與機床主軸相連；光電編碼器用于檢測與其相連的伺服電機的角速度和旋轉角度，并將所檢測到的角度信息傳輸給運動控制單元；運動控制單元根據與Z軸伺服電機相連的光電編碼器傳輸過來的角度信息，控制Z軸伺服電機帶動機床工作臺沿Z軸運動，對與主軸伺服電機相連的光電編碼器傳輸過來的角度信息和測量與數據采集處理子系統(tǒng)傳輸過來的齒根位置進行處理，生成控制信號控制主軸伺服電機帶動主軸旋轉；液壓控制子系統(tǒng)包括PID控制單元、液壓泵站、電液流量伺服閥以及壓力傳感器；其中液壓泵站輸出管路與電液流量伺服閥進油口相連，壓力傳感器位于電液流量伺服閥出油管路，且電液流量伺服閥出油管路與機床上滾壓頭的液壓缸相連，PID控制單元分別與壓力傳感器和電液流量伺服閥的控制端相連；PID控制單元根據壓力傳感器采集的壓力值，采用PID算法實現對電液流量伺服閥控制端的控制；測量與數據采集子系統(tǒng)主要由激光位移傳感器、光電編碼以及數據處理模塊組成；其中激光位移傳感器安裝于機床溜板箱上并隨機床溜板箱移動，光電編碼器位于機床主軸箱內且通過同步帶輪與主軸尾部相連，數據處理模塊分別與激光位移傳感器以及光電編碼相連；激光位移傳感器用于檢測扭力軸的半徑R，并將其傳輸給數據處理模塊；光電編碼器用于檢測主軸的旋轉角度Θ，并將其傳輸給數據處理模塊。數據處理裝置對接收到的旋轉角度Θ和扭力軸的半徑R進行計算，獲取扭力軸的齒根位置，并傳輸給滾壓運動控制子系統(tǒng)。進一步地，本發(fā)明所述PID算法為:根據當前第K個采樣時刻壓力傳感器采集的壓力值V (K)，控制電液流量伺服閥出油口的油壓output (K);其中e (K)=C-V (K);其中，C為根據電液流量伺服閥出油口所需的油壓設定的控制值，e (K)為第K個采樣時刻伺服端輸出值與設定值之間的誤差值；則輸出增量Λ output為: Λ Output=KpX (e (K)-e (K-1))+Ki Xe (K)+Kd(e (Κ-2) Xe (K_l)+e (Κ_2));其中，e (K-1)為第(K-1)個采樣時刻伺服端輸入的誤差值，e (K_2)為第(K_2)個采樣時刻伺服端輸入的誤差值，output (K-1)為第(K-1)個采樣時刻控制單元輸出量；Kp=100為伺服端積分系數，Ki=50為伺服端比例系數，Kd=700為伺服端微分系數，則輸出量output (K)為:output (K) =output (K-1) +Λ output。進一步地，本發(fā)明計算扭力軸齒根位置的具體方法為:選取扭力軸齒形截面對應的一組(Θ，R)，將所選取的(Θ，R)中R的次最大和次最小分別記為Rmax和Rmin,將所選取的(Θ，R)中按Θ由小到大，依次將Θ對應的R與Rmax和Rmin比較，將第一個落在Rmin±0.3mm范圍的點記為S，從S開始，找到第一個落在Rmin±0.3mm范圍的點并記為A，找到第一個超出Rmin±0.3mm范圍的點記為B;則齒根位置的坐標即為(QC，RC)，其中θ。= (θΑ+θΒ)/2,其中94為A點所對應的角度，ΘΒ SB點所對應的角度，R。為Θ所對應的距離；計算出扭力軸齒根位置的坐標(Θ。，R。)。進一步地，本發(fā)明所述滾壓運動控制子系統(tǒng)還包括信號轉接板，所述信號轉接板為運動控制單元上信號輸入輸出端口。進一步地，本發(fā)明所述滾壓運動控制子系統(tǒng)還包括安裝于機床底座上的兩行程開關，且兩行程開關分別位于機床運動的正負兩個方向上；所述行程開關用于對機床的位置進行極限控制，當機床運動到行程開關所處位置時，行程開關生成到位信號并傳輸給運動控制單元，運動控制單元接收到到位信號時，則控制主軸伺服電機停止運動。進一步地，本發(fā)明還包括PLC控制子系統(tǒng)，用于對機床工作狀態(tài)進行檢測并顯示。進一步地，本發(fā)明所述測量與數據采集子系統(tǒng)還包括磁致伸縮傳感器，所述磁致伸縮傳感器安裝在液壓控制系統(tǒng)滾壓頭的液壓缸中，用于測量加工過程中液壓缸的實際位置并傳輸給外部進行顯示。
進一步地，本發(fā)明還包括工藝數據庫，所述工藝數據庫用于存儲扭力軸信息，所述扭力軸信息包括扭力軸的批號、加工后尺寸、加工量以及加工日期。有益效果第一、本發(fā)明控制系統(tǒng)包括滾壓運動控制子系統(tǒng)、滾壓頭液壓控制子系統(tǒng)以及測量與數據采集處理子系統(tǒng)，進而實現加工、測量、液壓系統(tǒng)智能控制，自動化程度高，并易于系統(tǒng)的擴展，實現了扭力軸的智能控制，提高了滾壓加工的效率。第二、本發(fā)明采用PID算法對滾壓頭液壓控制子系統(tǒng)的輸出的液壓進行控制，從而可實現恒壓力輸出，保證了對扭力軸各部分滾壓的均勻性，提高扭力軸的質量。第三、與現有人工旋轉扭力軸來尋找齒根位置相比，本發(fā)明采用精確的算法對扭力軸的齒根位置進行計算，運動控制單元根據計算的結果控制主軸伺服電機的旋轉，很好的提高了加工的效率。


圖1為滾壓機床示意圖；圖2為操作面板示意圖；圖3為本發(fā)明控制系統(tǒng)示意圖；1-機床主軸2-加工零件3-控制系統(tǒng)4-激光位移傳感器5-滾壓頭6_液壓尾座
7-工作臺。
具體實施例方式如圖1所示，滾壓機床主要包括機床主軸1、控制系統(tǒng)3、液壓尾座6、工作臺7等幾部分組成。需要被滾壓的扭力軸2被裝卡在主軸I上，操作者在如圖2所示的操作面板上操作.
如圖3所示，本發(fā)明對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括滾壓運動控制子系統(tǒng)、滾壓頭液壓控制子系統(tǒng)以及測量與數據采集處理子系統(tǒng)；其中滾壓運動控制子系統(tǒng)與滾壓頭液壓控制子系統(tǒng)分別與測量與數據采集處理子系統(tǒng)相連。滾壓運動控制子系統(tǒng)主要由兩光電編碼器、運動控制單元、Z軸伺服電機以及主軸伺服電機組成；上述各部件之間的連接關系為:兩光電編碼器各位于一伺服電機上且與伺服電機同步旋轉；運動控制單元與光電編碼器、Z軸伺服電機以及主軸伺服電機分別相連；所述Z軸伺服電機與機床工作臺相連，所述主軸伺服電機與機床主軸相連。光電編碼器用于檢測與其相連的伺服電機的角速度和旋轉角度，并將所檢測到的角度信息傳輸給運動控制單元；運動控制單元根據與Z軸伺服電機相連的光電編碼器傳輸過來的角度信息，控制Z軸伺服電機帶動機床工作臺沿Z軸運動，對與主軸伺服電機相連的光電編碼器傳輸過來的角度信息和測量與數據采集處理子系統(tǒng)傳輸過來的齒根位置進行處理，生成控制信號控制主軸伺服電機帶動主軸旋轉。本發(fā)明滾壓運動控制子系統(tǒng)是滾壓機床的運動控制的核心，完成對機床工作臺水平方向(即沿Z軸方向)的驅動，并控制主軸(即繞C軸)旋轉運動，實現z、c兩軸聯動插補。

液壓控制子系統(tǒng)包括PID控制單元、液壓泵站、電液流量伺服閥以及壓力傳感器；其中液壓泵站輸出管路與電液流量伺服閥進油口相連，壓力傳感器位于電液流量伺服閥出油管路，且電液流量伺服閥出油管路與機床上滾壓頭的液壓缸相連，且電液流量伺服閥出油管路與機床上滾壓頭的液壓缸相連，PID控制單元分別與壓力傳感器和電液流量伺服閥的控制端相連；PID控制單元根據壓力傳感器采集的壓力值，采用PID算法實現對電液流量伺服閥控制端的控制；通過電液流量伺服閥出油管路對機床上滾壓頭的液壓缸提供液壓油來實現滾壓。測量與數據采集子系統(tǒng)主要由激光位移傳感器、光電編碼以及數據處理模塊組成；其中激光位移傳感器安裝于機床溜板箱上并隨機床溜板箱移動，光電編碼器位于機床主軸箱內且通過同步帶輪與主軸尾部相連，數據處理模塊分別與激光位移傳感器以及光電編碼相連；激光位移傳感器用于檢測扭力軸的半徑，并將其傳輸給數據處理模塊；光電編碼器用于檢測主軸的旋轉角度，并將其傳輸給數據處理模塊；數據處理裝置對接收到的旋轉角度Θ和扭力軸的半徑R進行計算，獲取扭力軸的齒根位置，并傳輸給滾壓運動控制子系統(tǒng)。由于傳動旋轉的原因，主軸伺服電機與主軸的旋轉角度之間存在一定的誤差，本發(fā)明設置與主軸相連的高精度光電編碼器，設置于主軸電機相連的光電編碼器，通過兩編碼器分別采集的旋轉角度，來精確控制主軸電機的旋轉。為了保證對扭力軸各部分滾壓的均勻性，提高扭力軸的質量，本發(fā)明設計了 PID算法來實現對輸出液壓的控制，本發(fā)明PID算法為:根據當前第K個采樣時刻壓力傳感器采集的壓力值V (K)，控制電液流量伺服閥出油口的油壓output (K);其中e (K)=C-V (K);其中，C為根據電液流量伺服閥出油口所需的油壓設定的控制值，e (K)為第K個采樣時刻伺服端輸出值與設定值之間的誤差值；則輸出增量Λ output為:
Δ output=KpX (e (K)-e (K-1))+Ki Xe (K)+Kd(e (Κ-2) Xe (K-1)+e (Κ-2));其中，e(K-l)為第(K-1)個采樣時刻伺服端輸入的誤差值，e (K_2)為第(K_2)個采樣時刻伺服端輸入的誤差值，output (K-1)為第(K-1)個采樣時刻控制單元輸出量；Kp=IOO為伺服端積分系數，Ki=50為伺服端比例系數，Kd=700為伺服端微分系數，則輸出量output (K)為:output (K) =output (K-1) +Λ output。為了準確的獲取扭力軸的齒根位置，實現自動化地對齒根進行加工，本發(fā)明設計一套使用算法計算扭力軸齒根位置具體為:選取扭力軸齒形截面對應的一組(Θ，R)，將所選取的(Θ，R)中R的次最大和次最小分別記為Rmax和Rmin,將所選取的(Θ，R)中按Θ由小到大，依次將Θ對應的R與Rmax和Rmin比較，將第一個落在Rmin±0.3mm范圍的點記為S，從S開始，找到第一個落在Rmin±0.3mm范圍的點并記為A，找到第一個超出Rmin±0.3mm范圍的點記為B;則齒根位置的坐標即為(Θ。，R。)，其中θ。= ( θ Α+θ B)/2,其中Θα*Α點所對應的角度，θ Β為B點所對應的角度，R。為Θ。所對應的距離；計算出扭力軸齒根位置的坐標(Θ。，Rc)。為了防止外部強電信號燒毀運動控制單元，本發(fā)明在滾壓運動控制子系統(tǒng)上還設置了信號轉接板作為運動控制單元上信號輸入輸出端口，起到信號的雙向傳遞作用，同時也具備光電隔離保護作用。
為了防止機床的旋轉運動超過其極限，本發(fā)明在滾壓運動控制子系統(tǒng)上還設置了行程開關用于對機床的位置進行極限控制，當機床運動到行程開關所處位置時，行程開關生成到位信號并傳輸給運動控制單元。由于機床在工作的過程中可能會出現異常，因此需要將機床的工作狀態(tài)實時告訴外部的工作人員，因此本發(fā)明設計了 PLC控制子系統(tǒng)，用于對機床工作狀態(tài)進行檢測并顯示。PLC控制系統(tǒng)主要由CPU、存儲器、開關量輸入/輸出模塊以及模擬量輸入/輸出模塊組成；(PU用于對機床的輸入輸出信號進行邏輯運算，完成PLC控制系統(tǒng)內部計時、計數、算術運算、數據處理和傳送、通訊以及各種應用指令解釋功能等。CPU計算過程中所使用的數據需要從存儲中讀取，而對數據分析處理后的結果也同樣存儲在存儲器中，存儲器與CPU是雙向的數據傳輸關系。存儲器用于對開關量輸入/輸出模塊以及模擬量輸入/輸出模塊傳輸過來的的數字信號進行存儲，對CPU計算后的數據傳送給開關量輸入/輸出模塊以及模擬量輸入/輸出模塊。開關量輸入/輸出模塊用于對機床的高低電平狀態(tài)信號進行采集，并將所采集的狀態(tài)信號轉化成數字形式寫入存儲器中；開關量輸入/輸出模塊讀取存儲器中狀態(tài)信號，并將其轉換成機床可以識別模式輸出；模擬量輸入/輸出模塊用于采集機床工作過程中所產生的連續(xù)變化的模擬量信號，并將其轉換成數字形式寫入存儲器中；模擬量輸入/輸出模塊讀存儲器中由CPU處理后的數據，并將其轉換成模擬信號供機床的電器系統(tǒng)使用。為了工作人員可實時看到滾壓頭輸出的壓力值，本發(fā)明在液壓控制系統(tǒng)滾壓頭的液壓缸中設置了磁致伸縮傳感器，該磁致伸縮傳感器用于測量加工過程中液壓缸的實際位置，將位置變化量通過RS485協(xié)議傳輸出去并顯示。同時，本發(fā)明還設計了工藝數據庫，其使用ACCESS格式編程，具有零件批號、零件加工后尺寸、加工后尺寸、加工量、加工日期信息。在每次加工完成后可以通過TCP/IP協(xié)議上傳至遠程服務器進行分析與保存。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之 內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括滾壓運動控制子系統(tǒng)、滾壓頭液壓控制子系統(tǒng)以及測量與數據采集處理子系統(tǒng)；其中滾壓運動控制子系統(tǒng)與滾壓頭液壓控制子系統(tǒng)分別與測量與數據采集處理子系統(tǒng)相連； 滾壓運動控制子系統(tǒng)主要由兩光電編碼器、運動控制單元、Z軸伺服電機以及主軸伺服電機組成；上述各部件之間的連接關系為:兩光電編碼器各位于一伺服電機上且與伺服電機同步旋轉；運動控制單元與光電編碼器、Z軸伺服電機以及主軸伺服電機分別相連；所述Z軸伺服電機與機床工作臺相連，所述主軸伺服電機與機床主軸相連； 光電編碼器用于檢測與其相連的伺服電機的角速度和旋轉角度，并將所檢測到的角度信息傳輸給運動控制單元； 運動控制單兀 根據與Z軸伺服電機相連的光電編碼器傳輸過來的角度信息,控制Z軸伺服電機帶動機床工作臺沿Z軸運動，對與主軸伺服電機相連的光電編碼器傳輸過來的角度信息和測量與數據采集處理子系統(tǒng)傳輸過來的齒根位置進行處理，生成控制信號控制主軸伺服電機帶動主軸旋轉； 液壓控制子系統(tǒng)包括PID控制單元、液壓泵站、電液流量伺服閥以及壓力傳感器；其中液壓泵站輸出管路與電液流量伺服閥進油口相連，壓力傳感器位于電液流量伺服閥出油管路，且電液流量伺服閥出油管路與機床上滾壓頭的液壓缸相連，PID控制單元分別與壓力傳感器和電液流量伺服閥的控制端相連； PID控制單元根據壓力傳感器采集的壓力值，采用PID算法實現對電液流量伺服閥控制端的控制； 測量與數據采集子系統(tǒng)主要由激光位移傳感器、光電編碼以及數據處理模塊組成；其中激光位移傳感器安裝于機床溜板箱上并隨機床溜板箱移動，光電編碼器位于機床主軸箱內且通過同步帶輪與主軸尾部相連，數據處理模塊分別與激光位移傳感器以及光電編碼相連； 激光位移傳感器用于檢測扭力軸的半徑R，并將其傳輸給數據處理模塊； 光電編碼器用于檢測主軸的旋轉角度θ，并將其傳輸給數據處理模塊； 數據處理裝置對接收到的旋轉角度Θ和扭力軸的半徑R進行計算，獲取扭力軸的齒根位置，并傳輸給滾壓運動控制子系統(tǒng)。
2.根據權利要求1所述對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述PID算法為:根據當前第K個采樣時刻壓力傳感器采集的壓力值V (K)，控制電液流量伺服閥出油口的油壓output (K);其中e (K) =C-V (K); 其中，C為根據電液流量伺服閥出油口所需的油壓設定的控制值，e (K)為第K個采樣時刻伺服端輸出值與設定值之間的誤差值； 則輸出增量Λ output為:Λ Output=KpX (e (K)-e (K-1))+Ki Xe (K)+Kd(e (K_2) Xe (K-1)+e (Κ-2)); 其中，e (K-1)為第(K-1)個采樣時刻伺服端輸入的誤差值，e (K_2)為第(K_2)個采樣時刻伺服端輸入的誤差值，output (K-1)為第(K-1)個采樣時刻控制單元輸出量；Kp=IOO為伺服端積分系數，Ki=50為伺服端比例系數，Kd=700為伺服端微分系數，則輸出量output(K)為:output (K) =output (K_l) + Λ output。
3.根據權利要求1所述對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)，其特征在于，計算扭力軸齒根位置的具體方法為:選取扭力軸齒形截面對應的一組(e，R)，將所選取的(Θ，R)中R的次最大和次最小分別記為Rmax和Rmin，將所選取的(Θ，R)中按Θ由小到大，依次將Θ對應的R與Rmax和Rmin比較，將第一個落在Rmin±0.3mm范圍的點記為S，從S開始，找到第一個落在Rmin±0.3mm范圍的點并記為A，找到第一個超出Rmin±0.3mm范圍的點記為B;則齒根位置的坐標即為(Θ。，R。)，其中θ。= ( θ Α+θ B)/2,其中Θα*Α點所對應的角度，θ B為B點所對應的角度，R。為Θ。所對應的距離；計算出扭力軸齒根位置的坐標(Θ C Rc)。
4.根據權利要求1所述對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述滾壓運動控制子系統(tǒng)還包括信號轉接板，所述信號轉接板為運動控制單元上信號輸入輸出端口。
5.根據權利要求1所述對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述滾壓運動控制子系統(tǒng)還包括安裝于機床底座上的兩行程開關，且兩行程開關分別位于機床運動的正負兩個方向 上；所述行程開關用于對機床的位置進行極限控制，當機床運動到行程開關所處位置時，行程開關生成到位信號并傳輸給運動控制單元，運動控制單元接收到到位信號時，則控制主軸伺服電機停止運動。
6.根據權利要求1所述對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括PLC控制子系統(tǒng)，用于對機床工作狀態(tài)進行檢測并顯示。
7.根據權利要求1所述對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述測量與數據采集子系統(tǒng)還包括磁致伸縮傳感器，所述磁致伸縮傳感器安裝在液壓控制系統(tǒng)滾壓頭的液壓缸中，用于測量加工過程中液壓缸的實際位置并傳輸給外部進行顯/Jn ο
8.根據權利要求1所述對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括工藝數據庫，所述工藝數據庫用于存儲扭力軸信息，所述扭力軸信息包括扭力軸的批號、加工后尺寸、加工量以及加工日期。
全文摘要
本發(fā)明提供一種對重型裝甲車輛的扭力軸進行滾壓強化的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括滾壓運動控制子系統(tǒng)、滾壓頭液壓控制子系統(tǒng)以及測量與數據采集處理子系統(tǒng)；其中滾壓運動控制子系統(tǒng)與滾壓頭液壓控制子系統(tǒng)分別與測量與數據采集處理子系統(tǒng)相連。滾壓運動控制子系統(tǒng)主要由兩光電編碼器、運動控制單元、Z軸伺服電機以及主軸伺服電機組成；液壓控制子系統(tǒng)包括PID控制單元、液壓泵站、電液流量伺服閥以及壓力傳感器；測量與數據采集子系統(tǒng)主要由激光位移傳感器、高分辨力光電編碼以及數據處理模塊組成。本發(fā)明可實現加工、測量、液壓系統(tǒng)智能控制，自動化程度高，并易于系統(tǒng)的擴展，實現了扭力軸零件的智能控制，提高了滾壓加工的效率。
文檔編號C21D11/00GK103074474SQ201310024300
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權日2013年1月23日
發(fā)明者王西彬, 孫宏昌, 鄧三鵬, 李忠新, 郝娟, 裴家杰, 孟金營 申請人:北京理工大學