天津大学本科生毕业论文开题报告

课题名称 基于PLC的硬脆材料小孔磨削力监控与控制系统
学院名称 机械工程学院 专业名称 机械设计制造及其自动化
学生姓名  指导教师 
一、课题来源及意义
近年来，硬脆性材料（包括光学玻璃、宝石、工程陶瓷、人工晶体等）在工程结构中的应用日趋广泛。 [1]然而，由于硬脆性材料的特殊力学性能，在对硬脆性材料进行钻孔时，极易在钻孔瞬间及钻孔过程中发生脆性断裂。
在硬脆材料的小孔加工中，多采用小直径磨头进行磨削加工，传统加工过程中缺乏对磨削力的监控和控制，较大的磨削力极易使工件破裂或工具损坏，造成较大损失。因此，对硬脆性材料小孔加工过程中磨削力变化的监控与控制具有重要的应用价值。
本课题研究的意义在于：通过PLC主控单元，对硬脆性材料加工中的磨削力进行监控控制、反馈，调节砂轮，从而提高硬脆性材料加工质量和加工效率，增加砂轮使用寿命，降低生产成本。
二、国内外研究现状
南京理工大学靳晓丽对工程陶瓷的孔加工做了实验研究。由于陶瓷硬度极高，在钻削过程中金刚石钻头磨损严重，在孔的入口和出后出崩刃现象严重，严重影响了孔的加工质量。[2]填加钎焊金刚石套料钻，可有效防止入出口处微裂纹的扩展，避免崩豁。[3]在入、出口分别设计了上压板和下支撑板，材料可用1-3mm橡胶板、硬塑料板或木板等，这就很好的解决了加工硬脆材料时出入口的“崩豁”问题。[4]

图1 钻头工艺装置示意图

为防止加工硬脆材料时的“崩豁”现象，天津大学于爱兵选用玻璃下方填加橡胶垫的自制夹具，外加配重载荷对孔加工做了研究；[5]姜信建提出在加工玻璃时，选择定位良好的数控钻床对玻璃两面先后进行加工[6]；大批量生产时，一般选用玻璃钻孔机，通常用上下对中的两只钻头同时加工玻璃两面。这些措施都有助于加工质量的进一步提升。[7]
工件作为刀具的负载，它们之间的加工力有一个合适的值以保证工件具有较好的加工质量和加工效率，我们称刀具施加给工件的力为静载荷或静压力或负载力，整个系统为刀具负载匹配系统。
常用的超声加工负载匹配系统有重物块、弹簧、液压、气压及伺服匹配等。太原理工大学的轧刚等利用课题组研发的超声加工装置进行实验，建立材料去除率的数学模型，该装置中通过重锤砝码对工件加载，使刀具以一定的压力作用在工件表面上[8]。其原理图如图所示。

图2 重物块负载匹配系统
山东大学的汪心立等人对超声振动辅助端面磨削的表面温度场进行研究时，使用弹簧进给系统进行刀具负载匹配，分析了不同进给速度下的磨削力和工件表面的温度场[9]。其原理图如图3所示。

图3 弹簧拉力负载匹配系统

英国人P.Legge基于液压加载理论，建立了负载匹配系统，超声谐振频率为20kHz，分别钻削玻璃和结晶氧化铝，尺寸精度能够达到0.0254mm和0.0127mm[10].其原理图如图4所示。

图4 液压负载匹配系统

重庆大学的张剑芳等人在研究脆性材料超声加工原理和工艺参数优化时，设计了一种新型超声加压装置——液体浮力加载方式，在超声加工过程中，通过步进电机的调节使液面上升或下降，从而引起浮筒的升降运动，使工件所受的压力发生变化[11]。其原理图如图5所示。

图5 液体浮力负载匹配系统

哈尔滨工业大学的张其馨等，利用压力传感器检测加工纤维增强基复合材料时刀具与工件之间的轴向载荷，并将此值反馈到单片机中，以步进电机的位移控制轴向载荷，实验证明加工的孔无分层、无掉渣且表面无劈裂[12]。
另外，德国DMG/公司研制成功ULTRASONIC70型5轴联动旋转超声加工中心，并为其配置了不同的超声波加工头，且利用智能控制算法实现负载匹配进给和匀速进给模式的自由更换。
天津大学采用静压气体润滑技术，设置搭建了适用于磨削硬脆材料的孔槽加工机的气动负载匹配系统,气动导轨用四个螺栓连接，支撑台的中部设置3个压电力传感器方位间隔120°，防冲击结构为缓冲圈。
实验系统的主要组成部分如图6所示：

图6 负载匹配系统

负载匹配系统工作方式如下：将气浮工作台的基座固定在通用机床的X-Y运动平台上，工件安装在顶板上，力传感器通过航空插头接通，润滑气路接入气浮工作台滑轨的气孔，支撑气路接入基座上的气孔。通过操作软件上的“气浮台运行”自动进行加工过程中的负载匹配，PLC采集到经过电荷放大器放大的力传感器的数值，与设定的切削力数值进行比较，来控制电气比例阀的通气量大小，进而控制气浮工作台动导轨的无摩擦往复运动，使负载力在给定值附近波动。

三、研究内容
本课题的需要完成的工作： PLC控制系统的构建，PLC控制程序开发，用户界面的开发。
研究内容包括：
（1）针对PLC控制系统进行文献调研，进行PLC控制系统的搭建；
（2）考虑切削力变化特征，进行PLC控制程序开发；
（3）根据硬脆材料深孔加工的需求，考虑人机互动，进行用户界面的开发。
1.PLC控制系统设计构建
根据实验的控制要求，合理分配输入点和输出点电动机的启动或停止，由操作人员通过按钮，将要求电动机启动或停止的信号送到PLC的输入端子，通过控制程序，由PLC控制连接在PLC输出点上的接触器线圈得电或失电，使接触器主触点闭合或者断开电动机启动或停止工作启动按钮和停止按钮分别接一个输入点。当电动机单向运行时，由一个接触器控制，占用PLC的一个输出点。
本文为了实现系统的集成化，将机械部分与电气部分适当分开，设计了一款电气控制柜，集成触摸屏、气动部分、PLC数据采集部分等，电气运行原理框图如图7所示。

图7 控制流程框图

采用平板式触摸屏，考虑到人机交互，将其镶嵌在控制柜一侧的上部，下方设置运行、开机、报警、急停、停止等按钮。气动部分、PLC、数据采集部分都需要布置在柜体内的安装板上。[13]考虑到气动系统过滤空气后会有残留的水分，将其布置在安装板的最下端。电荷放大器和数据采集卡布置在安装板的上部，且为了最大限度地减轻干扰，每路电路都需要滤波器进行滤波。电气控制柜下端安装脚轮以方便移动，采用前、后开门以方便安装板的装拆，上部安装风扇进行散热。电气控制柜设计图如8所示。

图8 电气控制柜二维图

2.PLC控制程序设计
通过分析本课程设计的控制要求，进而确定PLC的I/O接口的数目、选择合适的PLC型号和扩展模块、选择合适的流程并绘制流程图、根据流程图设计梯形图、编写程序并调试程序、修改不合理程序、并最终确定程序。[14]
梯形图绘制所用软件为CX-Programmer V9.5。欧姆龙PLC编程软件集成了欧姆龙的PLC和Components的支持软件，提供了一个基于CPS（Component and Network Profile Sheet）集成开发环境。具有以下特点：
1、可以在IO表内设定CPU Bus单元和特殊单元 ，不需要手动设定和区分地址；
2、cx-one软件的CPU Bus单元和特殊单元设定可以在线和实际PLC的CPU Bus单元和特殊单元设定进行比较，将不符和的标出；
3、可以以图形方式显示网络结构；
4、多语言支持，可以安装中文版本；
5、CP,CJ,CS系列的CPU可以支持离线仿真，在ns系列的触摸屏里也支持在线离线仿真，也就是可以把触摸屏和PLC放在一起离线仿真，比较适合初学PLC的人使用。
本次实验选用欧姆龙系列PLC完成相关实验，相关型号分别为NB7W-TW00B、
CP1W-AD041、CP1W-DA041、CP1E-N30S1DR-A。软件设计界面如图9。

图9 软件设计界面

3.用户控制界面的设计
本文使用CX-Programmer V9.5编制旋转加工负载匹配系统操作软件，软件主要包括数据采集参数设置部分、参数控制与显示部分、切削力设置与跟踪部分、气缸输出压力跟踪部分与操作员指令部分。
数据采集参数设置部分，实现对PLC工作模式、采样频率与程控增益的设置；切削力设置与跟踪部分，完成切削力数值的设定，并通过软件内部的反馈条件实现负载匹配，波形为力传感器采集到的匹配后的切削力；操作员指令部分，是操作员需要完成的气浮工作台的启动/停止等动作。[15]

图10 用户触摸屏操作界面简图

四、研究目标
本课题采用工业PLC作为主控制单元，以内置气缸的气浮工作台作为执行机构，力传感器反馈磨削力信号，电气比例阀控制气缸内压力以调节磨削力大小。

五、进度安排
本课题主要分为三个阶段。第一阶段为准备阶段。采购零件及了解软件CX-Programmer V9.5。进行PLC控制仪器的挑选与采购。要求器件满足实验要求，稳定性好。查找并阅读欧姆龙PLC的有关资料，了解其工作原理及内部结构，熟悉外部接口功用。
第二阶段为测试前阶段。完成测试试验台的组装并进行模拟仿真。待仪器采购完毕后，规划及实施测试试验台的组装，要求试验台可以完成本课题所需实验要求，满足精度要求。并且进行各部分的连接，包括试验台安装与PLC的编程。要求连线正确，组成完整试验系统，并且线路稳定而可靠。当实验系统全部连线完成后，要求对试验系统进行开机测试，以保证试验系统的完整及稳定。
第三阶段，进行测试。在系统检查完毕后，进行实验。
计划安排：
2016年3月～2016年4月，完成小孔磨削测量装置搭建及实验方案，完成硬件接线设计（框图设计及CAD接线图）和软件设计。
2016年4月底，软硬件调试，设备搭建，整理实验结果。
2016年5月上旬，针对PLC控制系统进行文献调研，进行PLC控制系统的搭建。
2016年5月下旬，考虑切削力变化特征，进行PLC控制程序开发。
2016年6月14日，完成毕业论文，完成毕设答辩。

六、已具备实验条件
静压气体润滑节流器
气浮工作台
过滤减压阀
直动式2通电磁阀
电气比例阀
应变式力传感器
电气控制柜
负载匹配系统控制器

参考文献
[1] 张坤领. 硬脆材料加工技术发展现状[J]. 组合机床与自动化加工技术,2008(05):1-6,15.
[2] 靳晓丽,袁军堂,肖冰. 工程陶瓷材料孔加工技术的试验[J]. 工具技术,2004(05):22-24.
[3] 郑亮,李良,张华,黄红耀. 基于激光旋切法的陶瓷材料盲孔加工方法研究[J]. 火箭推进,2013(04):62-66.
[4] 张银江,方鸣岗. 陶瓷激光精密打孔工艺研究[J]. 激光与红外,2001(03):161-162.
[5] 于爱兵,高兆强,陈思夫,谭业发. 玻璃孔加工的试验研究[J]. 中国制造业信息化,2003(02):117-118.
[6] 艾枫. DMG的激光加工技术[J]. 制造技术与机床,2004(02):52-53,61.
[7] 轧刚,秦华伟,许永娃,张裕生. 旋转超声波加工的试验研究[J]. 航空制造技术,2000(06):56-59.
[8] 汪心立,张建华,张勤河,任升峰,徐明刚,张洪丽. 超声振动辅助端面磨削表面温度场研究[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2009(03):541-544.
[9] 赵卫. 超硬脆材料的超精密加工技术研究[D].河北工业大学,2006.
[10] 张剑芳,曾励. 非金属硬脆材料超声加工的研究[J]. 新技术新工艺,1993(06):12-13.
[11] 张其馨,罗建伟,冯友彬,贺思源,孙世宇,南南,陈健. 碳纤维复合材料旋转超声控力钻孔的研究[J]. 电加工,1994(03):25-27.
[12] 王望龙,王龙,田欣利,唐修检,张保国. 工程陶瓷特种加工技术的研究现状与进展[J]. 机床与液压,2015(07):176-180.
[13] 王岚. 工程陶瓷磨削加工仿真系统平台设计与开发[D].天津大学,2007.
[14] 邵水军. 工程陶瓷材料磨削加工技术研究[J]. 制造业自动化,2011(22):57-58,140.
[15] 高方. 磨加工主动测量控制的关键技术及应用[D].郑州大学,2014.
选题是否合适： 是□  否□
课题能否实现： 能□  不能□
指导教师（签字）
年   月   日
选题是否合适： 是□  否□
课题能否实现： 能□  不能□
审题小组组长（签字）
年   月   日