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In this paper, we design a test system can be on-line inspection on grinding trajectory. Through the analysis of the grinding trajectory and then grinding trajectory of the main motion parameters relative to construct common cutting speed, grinding trajectory Angle and its change rate of time into a mathematical formula, and the analysis of plane grinding a variety of ways, and grinding accuracy requirement, and combined with the existing grinding machine, the grinding trajectory of the online detection of specific research. In Proteus software environment to solve these problems, grinding trajectory has carried on the dynamic simulation, simulation of different simulation conditions trajectory are analyzed, and the simulation results are verified.Keywords: GOn-Path CurvesⅡ研磨运动轨迹在线检测系统设计第一章1.1 选题的目的与意义绪论随着机械行业的发展，越来越多地采用不锈钢，耐热钢，钛合金，以及陶瓷等 各种难加工材料来制造零件，这对机械零件的加工精度和表面质量提出了更高的要 求。研磨技术作为机械加工技术中的重要技术之一，在机械加工中应用越来越广泛。 我们通常所说的研磨技术其工作原理就是利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗 粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工，在 加工时将被磨材料放于平整的研磨盘上，研磨盘逆时钟转动，修正轮带动工件 自转，重力加压或其它方式对工件施压，工件与研磨盘作相对运转磨擦，来达 到研磨抛光目的。通常来讲，产生磨削作用的磨料颗粒有两种来源，一种来自 于不断外加（常称为游离磨料）；另一种方法是将磨料颗粒固定在研磨盘中（常 称为固着磨料），本项目将设计双面平面研磨机构，它不仅解决了传统研磨存 在加工效率低、加工成本高、加工精度和加工质量不稳定等缺点，提高了研磨 技术水平，保证研磨加工精度和加工质量，而且还显著降低加工成本，提高加 工效率，使研磨技术进一步实用化。1.2 研磨技术国内外的研究状况及发展趋势当今时代，平面抛光机研磨技术已成为一种新技术发展的新潜能，新开发的研 磨技术无论是从应用，成本，效率以及工作运输当中，都得到了很大的改善。该技 术已经广泛应用到汽车、家电、IT 电子信息高技术领域和军用、民用工业。双面平 面研磨机是在超精密磨削的基础上发展起来的一种磨削方法，主要用于加工两平行 面。由于研磨加工正向更高的加工精度发展,而且加工质量也正在不断提高,因此， 以后研磨几乎可以加工任何固态材料。一般来讲，研磨轨迹主要有 4 种 ： （1）直线[1]1研磨运动轨迹在线检测系统设计 研磨运动轨迹。此种方法适用于台阶的狭长平面工件研磨，可获得较高的几何精度， 但不易获得较小的表面粗糙度。 （2）摆动式直线研磨运动轨迹。可以获得较好的平 直度。 （3）螺旋形研磨运动轨迹。主要用于圆片形或圆柱形工件端平面研磨，能获 得较高的平面度和较小的表面粗糙度。 （4）“8”字形研磨运动轨迹。适用于平板类 工件的修整和小平面工件的研磨，能使相互研磨的平面介质均匀接触，并且研具均 匀地磨损。 目前,国内外研磨加工主要还是采用散粒磨料在慢速研磨机上研磨。其特点是加 工精度高、加工设备简单、投资少,但是加工精度不稳定、加工成本高、效率低。正 是由于散粒磨料研磨存在一些不足,所以许多学者在研究改进这种研磨加工技术 。 随着人们对产品性能的要求日益提高，研磨加工以其加工精度和加工质量高而越来 越受到了人们的关注。因此,超精密研磨、抛光等技术的研究,今后将更引人注目。[1]1.3 常用研磨机研磨是一种重要的精密、超精密加工技术，几乎适合于各种材料的加工，研磨 加工可以得到很高的尺寸精度和形状精度，甚至可以达到加工精度的极限，早期的 一些研磨机研磨装置简单，不需要大量复杂的机械并且不苛求设备的精度条件。 作为超精加工的一种方法，研磨机主要用于研磨工件中的高精度平面、内外圆 柱面、圆锥面、球面、螺纹面和其他型面。其主要类型有圆盘式研磨机、转轴式 研磨机、磁力研磨机和各种专用研磨机。2研磨运动轨迹在线检测系统设计 1.3.1 圆盘式研磨机图 1.1 圆盘式研磨机这种研磨机分单盘和双盘两种，以双盘研磨机应用最为普通 。双盘研磨 机见图 1.1 ，多个工件同时放入位于上、下研磨盘之间的保持架内，保持架和 工件由偏心或行星机构带动作平面平行运动。下研磨盘旋转，与之平行的上研 磨盘可以不转， 或与下研磨盘反向旋转， 并可上下移动以压紧工件 （压力可调） 。 此外，上研磨盘还可随摇臂绕立柱转动一角度，以便装卸工件。双盘研磨机主 要用于加工两平行面、 一个平面 ( 需增加压紧工件的附件 ) 、 外圆柱面和球面 （采 用带 V 形槽的研磨盘）等。加工外圆柱面时 , 因工件既要滑动又要滚动，须合理 选择保持架孔槽型式和排列角度。单盘研磨机只有一个下研磨盘，用于研磨工 件的下平面，可使形状和尺寸各异的工件同盘加工，研磨精度较高。有些研磨 机还带有能在研磨过程中自动校正研磨盘的机构。 1.3.2 转轴式研磨机 由正、反向旋转的主轴带动工件或研具（可调式研磨环或研磨棒）旋转， 结构比较简单，用于研磨内、外圆柱面，见图 1.2 所示 :[2][2]3研磨运动轨迹在线检测系统设计图 1.2 转轴式研磨机1.3.3 磁力研磨机 磁力研磨机是通过采用磁场力量传导至不锈钢磨针使工件作高频率旋转运 动；可对精密工件内孔、死角、细小夹缝起到明显较好的抛光研磨去除毛刺的 效果。 1.3.4 专用研磨机 依被研磨工件的不同，有中心孔研磨机、钢球研磨机和齿轮研磨机等。 此外，还有一种采用类似无心磨削原理的无心研磨机，用于研磨圆柱形工 件。1.4 本课题主要研究内容和设计任务本设计通过对不同类型的研磨机的功能、运动特点的简单分析，讨论不同平面 研磨机构工作原理及运动方式。 为了使被研磨表面获得极低的表面粗糙度值，研磨运动轨迹是决定性的重要因素。设计一种系统，可以对研磨运动轨迹进行在线检测，完成相关系统的软硬 件设计。4研磨运动轨迹在线检测系统设计第二章 平面研磨轨迹总体方案2.1 平面研磨的运动条件及工作原理2.1.1 研磨运动条件 研磨是利用磨具通过磨料作用于工件表面，进行微量加工的过程 。研磨工件表 面的尺寸精度、形位精度、研磨工具的寿命及研磨效率等，在很大程度上取决于研 磨运动。为使工件表面研磨均匀，从运动学角度归纳出如下的平面研磨最佳运动学 条件 ：(1)工件相对研具作平面运动，应保证工件被研磨表面上各点相对研具均有 相同或相近的研磨轨迹；(2)研磨运动是由工件与研具之间的相对运动实现的，工件 表面上各点的研磨运动速度应尽可能相同；(3)研磨运动方向应不断变化，研磨纹路 交错多变，以利于工件加工表面粗糙度的降低，但应尽量避免工件被研磨表面上各 点相对研具的研磨轨迹曲率变化过大；(4)研具或抛光盘工作表面的形状精度会反映 到工件表面上，所以工件的运动轨迹应遍及整个研具表面并且分布均匀，以利于研 具的均匀磨损；(5)工件相对研具在被研磨材料的去除方向上具有运动自由度，这样 可以避免因研磨机械的导向精度不高而引起误差。[2]2.2 平面研磨轨迹的分析平面研磨轨迹即加工过程中磨粒与工件的相对运动轨迹[3]．包含两个方面：一是 磨粒相对工件的运动轨迹．二是工件相对工具盘的运动轨迹。相应轨迹均匀性的意 义分别体现在：保证工件表面各点有相同的材料去除概率，保证工具盘均匀磨损。 两个方面都与研磨抛光质量关系密切。下面我们主要从磨粒相对工件的运动轨迹角 度对平面研磨轨迹来进行研究。重点来阐述单面、双面平面研磨轨迹。其中单面研 磨包括双轴式、直线式、轨道式、计算机控制小工具式等形式，而双面则以行星式 研磨为主，通过研磨轨迹的角度来分析上述不同研磨形式的优缺点。5研磨运动轨迹在线检测系统设计 2.2.1 研磨轨迹均匀性的研究方法 研磨轨迹取决于加工设备和运动参数。运动分析是研磨轨迹均匀性研究的基础， 已有研究通常作如下假设： (1) 工件、磨粒、研磨盘均为刚体； (2)工件被加工表面、研磨盘工作面均为理想平面： (3) 磨粒固定在研磨盘工作面上； (4) 所有磨粒粒径都相同； (5) 磨粒不破碎、不脱落； (6)忽略工件、研磨盘转动误差。 在上述假设的基础上，进行运动分析，计算研具相对工件的运动轨迹并用计算 机离散化，将工件表面划分成一定数量的小正方形区域，统计一定时间内各区域内 轨迹点数量，或通过轨迹密度，评价工件研磨均匀性 。反之，计算工件相对研具的 运动轨迹． 2.2.2 单面研磨抛光 单面研磨抛光设备主要有双轴式、直线式、摇摆式、计算机控制小工具四种类 型，其中前三者是用大工具盘加工小工件。 2.2.2.1 双轴式 双轴式平面研磨设备结构，加工过程中工件和研磨盘分别绕各自中心轴旋转。 根据工件轴心与研磨盘轴心的距离在加工过程中是否发生变化，又可分为定偏心和 不定偏心两类。 (1) 定偏心式 定偏心研磨加工中，工件中心与研磨盘中心之间的距离始终不变。研磨盘上任 意一颗磨粒P(距研磨盘中心O为 r p ,起始转角为θ ),相对于工件的运动轨迹方程如下[3]6研磨运动轨迹在线检测系统设计[4]：X P ? rp cos(? ? ?pt ? ?wt ) ? e cos ?wtYP ? rp sin(? ? ?pt ? ?wt ) ? e cos ?wt（2.1）式中：?w ―工件转速；? p ―研磨盘转速；e ―偏心距，即工件、研磨盘的中心距离。一颗磨粒 P 在工件上的运动轨迹见图 2.1。 一般认为当工件转速与研磨盘转速相等，即 ww ?w p 时，被加工表面材料去除 均匀性最好。原因是，根据 Preston 方程 RR=kPV，工件被加工表面上一点的材料去 除率 RR 与加工载荷 P 和相对速度成正比。当 ww ?w p 时，工件与研磨盘的相对速度 大小相等(可由式 2.1 计算)，在工件上各点加工载荷相同的条件下，可认为材料去 除均匀。然而，在实际生产中，定偏心式研磨抛光的工件材料去除均匀性较差(一般 只用于加工直径不大于 200mm 的小尺寸工件) 。从运动轨迹的角度对此进行的解 释，认为当 ww ?w p 时工件材料去除均匀性并非最好，而是越靠近工件中心材料去 除率越低。[5]图 2.3 定偏心研磨轨迹(w wwp? 20 ）7研磨运动轨迹在线检测系统设计 (2)不定偏心式 为改善定偏心式设备的研磨轨迹均匀性，引入工件的平移运动，使工件中心与 研磨盘中心的相对距离随时间变化，构成不定偏心式研磨设备。研磨盘上任意一颗 磨粒P相对于工件的运动轨迹方程可由式2.1改写为 :[6]Xp? rp cos(? ? w p ? ww)t ? e cos w pt ? e sin(v p? t e)Yp? r p sin(? ? wp ? ww)t ? e sin wp t（2.2）式中： v p ―工件移动速度 不定偏心式设备的研磨轨迹均匀性明显好于定偏心式设备，更有利于工件面形 精度的提高，适合于加工大尺寸(直径大于200mm)的工件。 2.2.2.2 直线式 如图2.2所示， 研磨盘某直径上固定两点A、 B， 其相对速度差定义为 VA ? VB ? a ? b ,VO1 e可见，研磨盘尺寸足够大时，增加偏心距e，与工件接触的研磨盘上径向各点的线速 度差越小，两点与工件相对速度的差越小．工件被加工表面材料去除更加均匀。工 件尺寸一定时，偏心距增加至一定值即可近似认为研磨盘不是在作回转运动而是直 线运动。此时，双轴式研磨设备即成为直线式研磨设备。实际上，直线式研磨使用 的不是研磨盘，而是具有柔性的砂带(磨粒涂覆在履带上)，工件做单纯的回转运动 或在做回转运动的同时，附加一个垂直于砂带运动方向横向运动或是绕固定点的摆 动。假设研磨带上任意一磨粒P．则P点相对于工件的相对运动轨迹方程如下 ：[7]X P ? rp ? vp ? t sin(?wt )YP ? rp ? vp ? t cos(?wt )式中： rp ―P到工件中心距离； （2.3）v p ― 研磨带线速度；8研磨运动轨迹在线检测系统设计?w ― 工件旋转角速度。P点在工件上的运动轨迹如图2.2所示。图 2.2 直线式研磨轨迹此种研磨机构运动形式简单，如将研磨带加长可以形成批量生产，生产效率高。 因此．此种研磨机构是今后生产应用中的主流机床。 2.2.2.3 摇摆式研磨 摇摆式研磨设备可以是定偏心双轴式或直线式设备的改进形式，工件除回转运 动外还附加一个绕固定点的摆动。典型的摇摆式设备的研磨盘以一定转速旋转，工 件夹头装在摇臂上，借着摇臂的往复摆动而产生扇形摇摆。同时夹头本身自转。如 图2.8所示。摇摆式设备的运动轨迹方程如式2.4所示 ：[8]X P ? ? ? cos(?wt )YP ? ? ? sin(?wt )2 2 O2 P ? O2 P ? ? ?e ? r 3 cos(?wt ) +r 3 sin(?wt ) ? ?（2.4）式中： ?1 ―摇臂摇动的角速度；?w ―工件转速；? p ― 研磨盘转速；r 1 ― 研磨头圆心 O2 与摇臂固定点 O 1 之间的距离； rw ―和工件等大小的研磨头的半径；9研磨运动轨迹在线检测系统设计rp ―研磨盘的半径；e ― 研磨盘圆心 O2 与摇臂固定点之间的距离；? ― 工件上一点P到工件中心 O1 之间的距离。P点在工件上不同转速比下的运动轨迹如图2.3，2.,4所示。研磨轨迹在加工面 上的均匀程度与工件和抛光盘之间的转速比(?w? p )有着密切的关系，其大致趋势为：当转速比越不规则或越接近除不尽时，研磨轨迹的分布越致密。其中，又以接 近整除且除不尽的转速比，得到的研磨轨迹最致密；不管所选取的转速比为何值， 轨迹都一定会通过加工面的中心，而且随着轨迹致密程度的提升，轨迹在加工面中 心呈集中的趋势，使工件加工面中心处有凹陷的现象[9]。图2.3 当?w? p ? 1.3 时，研磨轨迹图图2.4 当?w? p ? 1.34 时，研磨轨迹图10研磨运动轨迹在线检测系统设计 2.2.2.4 计算机控制小工具式 双轴式、直线式、摇摆式研磨设备有一个共同的特点：工件的被加工面是随时 被研磨盘所覆盖着的，属于大研磨盘小工件加工方式，其优点是工件加工时不至于 有未加工到的死角，研磨加工状态稳定；缺点是随着工件尺寸的增加，则设备的尺 寸也需大幅增加，巨大的工作台不仅耗资甚巨，主轴的精度和研磨盘、抛光垫的面 形精度也将因面积的增大而受到考验。 计算机控制小工具式研磨恰可克服上述问题，工件面积远大于研磨盘面积，工 件可以固定不动。也可以回转运动或平移运动，小研磨盘在计算机控制下按一定的 路径历经整个工件表面。研磨轨迹的均匀性对工件面形精度尤为重要。 典型的研磨轨迹有两种形式，一种是传统往复式。所加工出来的工件轨迹重复 性强，研磨条纹易深化，不易获得良好的粗糙度。因此，此种加工方式主要用于粗 研磨。 另一种是分形轨迹。实际上，理想的平面研磨轨迹应具有如下特征:(1)轨迹线 必须是自回避的(或称非自交的)，否则会出现局部去除过多；(2)轨迹线必须均匀分 布满整个平面。不允许有不规则的空洞存在；(3)在XY方向上经过的次数要尽可能接 近；(4)轨迹线应尽可能简单、控制上易于实现。理论上讲，分形维数为1的曲线是 不可能规则地铺满平面的，必然存在交叉点或空隙，而分形维数为2的Peano曲线(或 称Hilbert曲线)具有这样的优势。 分形曲线中的能够满足上述要求。假设分形维数用D表示，满足条件1&D&2的分 形曲线是，即便满足自相似的特征。里面也存在很不规则的空洞或间隙。如海岸线， 其分形维数满足条件I&D&I．3，分布的范围虽然长度方向很长，但径向范围很小。 总之，分形曲线的分形维数越是趋近2，它在二维平面上的分布范围越均匀。Peano 曲线的D=2，能够通过某个正方形的所有点(也就是能够充满整个平面)。实际研磨加 工时，研磨工具依分形轨迹行进，工件则固定于底盘上以一转速转动。对方形、圆11研磨运动轨迹在线检测系统设计 弧形、倒角形Peano曲线的研磨轨迹 (见图2.13、2.14、2.15)进行了探讨 ，认为分 形轨迹比定偏心和不定偏心轨迹更有利于获得更高的平面度，特别是工件面积增大 时，这一结果更加明显。[9](a)分形轨迹(b)研磨轨迹图 2.5 方形分形轨迹及研磨轨迹(a)分形轨迹(b)研磨轨迹图 2.6 方形分形轨迹及研磨轨迹2.2.3 双面研磨 行星式平面研磨运动机构是最常见的用于双面研磨的机构，见图2.16，被加工 件放在行星轮孔内，行星轮除绕太阳轮中心公转外，还绕自己中心旋转。行星轮的 自转使由于工件中心与研磨盘中心之间的距离随时间周期性变化，故该行星室研磨 机构也是一种不定偏心式研磨方式。表2.1中列出了各运动构件的绝对角速度和相对 角速度。12研磨运动轨迹在线检测系统设计表2.1 行星式研磨中各运动构件的绝对运动与相对运动 机器部件 绝对 研磨盘 ω H齿环 行星轮 太阳轮 ω0 ω3 ω2 ω1 角速度 相对 WH0=W0-WH WH3=W3-WH WH2=W2-WH WH1=W1-WH Z3 Z2 Z1 ωH ωH ωH 齿数 系杆角速度假设 P( R,? ) 为研磨盘上的任意一颗磨粒，L为 O1 与 O2 之间的距离，则在磨粒P 工件上的轨迹方程为[10]: （2.5）X P ? R ? cos ? (?0 ? ?2 )t ? ? ? ? L cos(?2 ? ?H )t YP ? R ? sin ? (?0 ? ?2 )t ? ? ? ? L sin(?2 ? ?H )t则P在工件上的研磨轨迹如图2.6示。 对于特定的行星式研磨设备，可调节的研磨运动参量是研磨盘的转速 ?3 和太阳 轮的转速 ?1 。有文献认为：(1) 通过改变研磨盘的转速 ?3 和太阳轮的转速 ?1 之比 可以改变研磨盘与工件之间相对运动的轨迹，使轨迹弯曲程度变的平缓，降低磨具 的异形磨损， 提高工作效率； (2)当取太阳轮转速与研磨盘转速之比很大， 且为负时， 可以使研磨过程中，工件表面的平均相对速度的分布均匀性得到改善，从而改善了 材料去除率的均匀性，提高了工件的表面质量。但是，会降低工件表面相对研磨盘 运动的平均速度，从而降低了材料的去除率。13研磨运动轨迹在线检测系统设计图 2.7 行星式平面研磨机运动原理图 1．太阳轮 2．行星轮 3．研磨盘 4．假想系杆 5．齿圈 6．工件 7．负载图 2.8 行星式研磨轨迹2.3.3 计算实例 设太阳轮与行星轮之间的中心距 A ? 27 mm , 齿数 Z1 ? 37、Z2 ? 17 ,发生圆半径14研磨运动轨迹在线检测系统设计a2 ? 85mm , 初始相位角 ? 2 ? ? , 由前面的公式可计算得到速比 I 取不同值时, 工件上定点相对于研磨盘的轨迹曲线 (?1 ) ,图2.9分轨迹曲线图[14].图 2.9 轨迹曲线图由计算结果可以看出, I 的取值不同, 将改变轨迹曲线的类型、 形状及位置, 显 示出轨迹变化的复杂性, 这正是平面研磨抛光可以获得较高精度的主要原因. 经分析可得，在单面研磨中，双轴式、直线式、摇摆式研磨设备有一个共同的 特点：工件的被加工面是随时被研磨盘所覆盖着的，属于大研磨盘小工件加工方式， 其优点是工件加工时不至于有未加工到的死角，研磨加工状态稳定；缺点是随着工 件尺寸的增加，则设备的尺寸也需大幅增加，主轴的精度和研磨盘、抛光垫的面形 精度也将因面积的增大而使得设计比较复杂。具体来讲，双轴式不定偏心设备的研 磨轨迹均匀性较好，但适合于加工大尺寸( 直径大于200mm )的工件；直线式研磨机 构运动形式简单，但其研磨盘尺寸形状较大，不便于加工；由于摇摆式研磨轨迹在 加工面上的均匀程度与工件和抛光盘之间的转速比( ?w / ? p )有着密切的关系，因此 如何控制好转速比( ?w / ? p )就成了研磨轨迹曲线的关键。计算机控制小工具式研磨 虽然解决了上述问题，其分形轨迹比定偏心和不定偏心轨迹更有利于获得更高的平 面度，但是设备复杂，花费高，投资大。 而行星式研磨恰可克服以上问题，不仅设 备简单，操作方便，而且可以通过改变研磨盘的转速 ?3 和太阳轮的转速 ?1 之比来改 变研磨盘与工件之间相对运动的轨迹，形状及位置,使轨迹弯曲程度变的平缓,降低 磨具的异形磨损，提高工作效率；且当取太阳轮转速与研磨盘转速之比很大，且为 负时，可以使研磨过程中，工件表面的平均相对速度的分布均匀性得到改善，显示 出轨迹变化的复杂性，从而改善了材料去除率的均匀性，提高了工件的表面质量。 经以上对各种研磨轨迹的分析与论证，综合考虑，本次设计最终选择行星式研 磨即往复螺旋线式轨迹对工件进行研磨加工。15研磨运动轨迹在线检测系统设计第三章 系统硬件设计3.1 单片机硬件系统的设计3.1.1 单片机系统概述 单片机集成度高，具有丰富的内部资源，再加上少量的外围扩展电路就可以构 成体积小、可靠性高、控制功能强且性价比高的控制系统。AT89C51 是一种带 4K 字 节 FLASH 存储器（FPEROM―Flash Programmable and Erasable Read Only Memory） 的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪 存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造， 与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪速存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C51 单片机在 电子行业中有着广泛的应用[15]。 AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串 行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并 支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/ 计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器 停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 图 3.1 给出了它的最小系统电路图：16研磨运动轨迹在线检测系统设计图 3.1 单片机最小系统电路图AT89C51为4 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排 布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主 IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测 试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚） 为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为 供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软 件定义，在本设计中， P0 端口（32~39 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1 的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端 口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为 握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状 态进入的控制功能。17研磨运动轨迹在线检测系统设计 3.1.2 ADC0832 芯片及其接口 (1)功能特点 ADC0832 是 NS(National Semiconductor)公司生产的串行接口 8 位 A/D 转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器 仪表中使用。ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误 差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制 变得更加方便。通过 DI 点如下： 8 位分辨率，逐次逼近型，基准电压为 5V； 5V 单电源供电； 输入模拟信号电压范围为 0～5V； 输入和输出电平与 TTL 和 CMOS 兼容； 在 250KHZ 时钟频率时，转换时间为 32us； 具有两个可供选择的模拟输入通道； 功耗低，15mW。 (2)外部引脚及其说明 ADC0832 有 DIP 和 SOIC 两种封装， DIP 封装的 ADC0832 引脚排列如图 3.15 所示。 各引脚说明如下： CS――片选端，低电平有效。 CH0，CH1――两路模拟信号输入端。 DI――两路模拟输入选择输入端。 DO――模数转换结果串行输出端。 CLK――串行时钟输入端。18数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。其主要特研磨运动轨迹在线检测系统设计 Vcc/REF――正电源端和基准电压输入端。 GND――电源地。图 3.2 ADC8032 引脚图(3) 单片机对 ADC0832 的控制原理 一般情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 CS、CLK、DO、 DI。但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以 电路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上使用。当 ADC0832 未工作时其 CS 和 DO/DI 的电平可任意。当要进行 A/D输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK转换时，须先将 CS 端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始 转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 提供时钟脉冲，DO/DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号。在第 1 个时钟脉冲到来之前 DI 端必须是高电平， 表示启动位。在第 2、3 个时钟脉冲到来之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功 能，其功能项见表 3.1。19研磨运动轨迹在线检测系统设计表 3.1 ADC0832 配置位输入 形式 差分 输入 单端 输入配置位 CH0 0 0 1 1 CH1 0 1 0 1选择通道 CH0 + + + CH1 +如表 3.2 所示，当配置位 2 位数据为 1、0 时，只对 CH0 进行单通道转换。当 配置 2 位数据为 1、1 时，只对 CH1 进行单通道转换。当配置 2 位数据为 0、0 时， 将 CH0 作为正输入端 IN+，CH1 作为负输入端 IN-进行输入。当配置 2 位数据为 0、1 时，将 CH0 作为负输入端 IN-，CH1 作为正输入端 IN+进行输入。 到第 3 个时钟脉冲到来之后 DI 端的输入电平就失去输入作用，此后 DO/DI 端 则开始利用数据输出 DO 进行转换数据的读取。从第 4 个时钟脉冲开始由 DO 端输出 转换数据最高位 D7，随后每一个脉冲 DO 端输出下一位数据。直到第 11 个脉冲时发 出最低位数据 D0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字 节的数据，即从第 11 个时钟脉冲输出 D0。随后输出 8 位数据，到第 19 个脉冲时数 据输出完成，也标志着一次 A/D 转换的结束。最后将 CS 置高电平禁用芯片，直接将 转换后的数据进行处理就可以了。图 3.3 为 ADC0832 时序图。20研磨运动轨迹在线检测系统设计图3.3 ADC0832时序图3.1.3 LCD显示电路设计图3.4 图形液晶显示模块本设计所选择的LCD是AMPIRE128×64的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字 及图形，图形液晶显示显示器接口如图3.4所示。21研磨运动轨迹在线检测系统设计表3.2 AMPIRE128×64接口说明 引脚 1 2 3 4 5 6 管脚 CS1 CS2 GEN VCC V0 RS 功能说明 片选择信号，电平时选择前 64 位 片选择信号，电平时选择后 4 位 逻辑电源地 逻辑电源正 LCD 驱动电压，应用时在 vee 与 v0 之间加 2k 可调电阻 数据指令选择：高电平：数据 D0-D7 将送入显示 RAM; 低电平：数据 D0-D7 将送入指令寄存器执行 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 RST VOUT 读写选择：高电平：读数据；低电平：写数据 读写使能，高电平有效，下降沿锁定数据 数据输入输出引脚 数据输入输出引脚 数据输入输出引脚 数据输入输出引脚 数据输入输出引脚 数据输入输出引脚 数据输入输出引脚 数据输入输出引脚 复位信号，低电平有效 LCD 驱动电源只有了液晶显示器各个指令的功能，再结合单片机的指令系统，就能编写C语言 程序来达到混合显示汉字与数字的目的。通过程序将字的代码写入相应的 DDRAM 地22研磨运动轨迹在线检测系统设计 址，就可以在相应的位置显示相应的字。 液晶显示器件（LCD）独具的低压、微功耗特性使他在单片机系统中特得到了广 泛的应用，常用的液晶显示模块分为数显液晶模块、点阵字符液晶模块和点阵图形 液晶模块，其中图形液晶模块在我国应用较为广泛，因为汉字不能象西文字符那样 用字符模块即可显示，要想显示汉字必须用图形模块。 3.1.4 研磨轨迹仿真结果分析 由计算结果可以看出，I的取值不同，轨迹曲线的类型、形状及位置也不同，这 显示出轨迹变化的复杂性，这正是平面研磨可以获得较高精度的主要原因。 分析计算结果，其运动轨迹及运动速度可以归纳为以下几种类型： 当I = -1时，Q点的运动轨迹为一偏心圆，其速度的大小为一定值，只是速度方 向发生变化，这表明此时工件的运动比较均匀稳定，工件具有较高的研磨精度而且 此时研磨盘也能得以较均匀的磨损。 当-1 & I & 0时，Q点的运动为内摆线运动，此时内圈速度大於外圈速度，而且， I值愈接近於-1，其速度大小差值愈小，这种类型的运动运动平稳性较差。 当I & -1时，Q点的运动为圆环线运动，此时，内圈速度小於外圈速度，同样，I 值愈接近-1，其速度大小差值愈小，这种类型的运动不易重合，尺寸一致性好，表 面光洁度高。 当I & 0时，Q点的运动为外摆线运动，此时，外圈速度大於内圈速度，这种类型 的运动研磨速度变化较大，内外圈速度大小差值较大，研磨盘的磨损不均匀，容易 产生研磨盘外圈磨损严重的现象。 由此可见，合理地选择速比I值的大小，是进一步分析轨迹类型、提高研磨效率、 降低研磨成本的关键所在。23研磨运动轨迹在线检测系统设计第四章 软件设计4.1 软件总述本设计硬件设计部分比较简单，关键是软件设计部分。本系统软件设计部分单片 机采用C语言进行设计，下图是主程序流程图：图4.1 主程序流程图功能键 X 为系统 X 轴移动距离，系统采集数据，经 A/D 转换、数据处理后，由 显示系统显示；功能键 Y 为系统 Y 轴移动距离，按功能键 Y，系统开始工作，采集数 据经 A/D 转换到 AT89C52 单片机，数据处理后交显示系统显示 Y 轴所在位置。 4.2子程序 4.2.1 A/D转换子程序流程图24研磨运动轨迹在线检测系统设计 A/D转换的目的是把前面经过信号处理电路处理过的模拟量转换为单片机能够处 理的数字量。由于ADC0832是将数据转化为12位二进制数，而这个12位的数据如果不 经过处理的话诗左对齐的放在两个8位的存储地址里。A/D转换子程序就是要把这个 模拟量转换为数字量并将靠左边对齐的数据调整为向右对齐。A/D转换的程序流程图 见图4.2：图4.2 A/D转换流程图4.2.2 LED显示器显示子程序流程图 本设计是要显示研磨所在二维系统的所在位置的数值，所以该 LED显示器需XY轴 都考虑在内。且能在显示器上显示，棋流程图如下：25研磨运动轨迹在线检测系统设计图4.3 LED显示器子程序流程图26研磨运动轨迹在线检测系统设计第五章 系统软件仿真Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件。它不仅 具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的 仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、 从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus 是世 界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协 同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。迄今为止是 世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台， 其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等，2010 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处 理器模型。在编译方面，它也支持 IAR、Keil 和 MATLAB 等多种编译. 本论文使用的是proteus7.8版本的软件 本次仿真使用滑动变阻器输入模拟仿真信号。仿真系统的接线图如下图所示：图 5.1 Proteus 软件原理图27研磨运动轨迹在线检测系统设计图5.2 仿真结果图(1)图5.3 仿真结果图（2）28研磨运动轨迹在线检测系统设计图5.4 仿真结果图（3）通过改变传感器信号输入经过 A/D 转换器转换出数字信号经单片机处理检测出 的数据显示在液晶显示器上。 由图 5.2,5.3 可以看出信号输入端 X 的输入信号改变显示器上 X 的值随之变化； 由图 5.3,5.4 可以看出信号输入端 Y 的输入信号改变显示器上 Y 的值随之变化。 综合上面仿真结果图可以看出该仿真系统能实现二维轨迹在线检测。29研磨运动轨迹在线检测系统设计第六章 结论研磨运动轨迹可以区分为工件上定点相对于研磨盘的轨迹，研磨盘上定点相对 于工件的运动轨迹两类，相对切削速度、研磨轨迹公切线转角以及其对时间的变化 率是研磨运动轨迹中重要的运动几何参数，他在一定程度上揭示了工件的研磨原理， 研磨轨迹公切线转角在0~360°变化、相对切削速度和公切线转角对时间的变化率随 工件转角平缓变化或为常数，对提高研磨质量较为有利。 通过对研磨运动轨迹的分析然后将其转化为数学模型并计算出其轨迹公式，然 后通过Proteus对研磨运动轨迹进行仿真，仿真通过两个电阻传感器采集模拟信号 , 通过改变电阻传感器信号输入经过 A/D 转换器转换出数字信号经单片机处理检测出 的数据显示在液晶显示器上,实现了对研磨运动轨迹的二维检测。 由于水平有限，文中难免有纰漏和结构不合理之处，望读者可以踊跃提出建议 和意见，本人将进一步改进，不甚感激。30研磨运动轨迹在线检测系统设计参考文献[1]Su J X，Guo D M，Kang R K，et a1．Modeling and Analyzing on Nonuniformityof Materia Removal in Chemical Mechanical Polishing of SiliconWafer[J]．Science Material Forum，～472：26～31． [2] 靳永吉．CMP 抛光运动机理研究[J]．IC 制造设备，：37―42． [3] Tso P L，Wang Y Y，Tsai M J．A study of cattier motion on a dual―face CMP machine ．Journal of Materials Processing Technology，)： 194． [4]田业冰，金洙吉，康仁科等．硅片自旋转磨削的运动几何学分析[J]．中国机械 工程，)：． [5]苏建修，郭东明，康仁科等．硅片化学机械抛光时运动形式对片内非均匀性的影 响分析[J]．中国机械工程，)：8l5―819． [6]Castillo-Mejia D，Beaudoin S．A． Locally RelevantPrestonian Model for Wafer Polishing l J1． Journal of The Electrochemical Society， 2003， 150(2)： 96-102． [7]郑文． 摇摆式圆盘研磨机研磨轨迹型态的研究[J]． 重型机械科技． 2005， 2： 1-3． [8]杨昌镇．平面研磨加工路径分析研究[D]．中国台湾：国立云林科技大学．2002． [9]吴宏基，曹利新，刘健．基于行星式平面研磨机研抛过程的运动几何学分析 [J]．机械工程学报，)：144-147． [10]冯连东，吕玉山，哈兰涛．硬磁盘基片研磨的运动分析[J]．沈阳工业学院学报， )：14―19． [11]佐佐木重夫. 微分几何学[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 2003. 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