基于電渦流傳感器的全閉環(huán)鋸片磨床數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)

孫 瑩 王平江 李佳佳 唐小琦

(①華中科技大學(xué)機械學(xué)院國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430074;②四川省交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都 611130)

在鋸片磨削過程中，由于機床自身運動誤差和砂輪磨損，導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)的指令磨削量與實際磨削量出現(xiàn)較大偏差(嚴(yán)重時實際磨削量幾乎僅為指令磨削量的一半)，從而造成鋸片厚度難以控制，生產(chǎn)率低等現(xiàn)象。一般的數(shù)控鋸片磨床采用刀具半徑固定補償?shù)姆绞?，對磨削誤差(主要是砂輪磨損量)進(jìn)行補償;但由于砂輪磨損量受磨削參數(shù)、鋸片材質(zhì)和砂輪材質(zhì)等諸多因素的影響，因此，很難達(dá)到磨削誤差精確補償?shù)哪康?，致使鋸片磨削尺寸精度難以控制、生產(chǎn)率較低等問題至今無法得到根本解決。本文針對原數(shù)控鋸片磨床的缺點與不足，探討了在華中數(shù)控世紀(jì)星18i數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)鋸片厚度實時在線自動測量功能，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)測量值與理論值的關(guān)系，確定磨削誤差，并在磨削過程中進(jìn)行誤差實時補償，從而實現(xiàn)對鋸片磨削過程全閉環(huán)控制的方法。

1 全閉環(huán)鋸片磨削的控制技術(shù)

1.1 全閉環(huán)鋸片磨削的加工工藝

在實際加工中，鋸片磨削分為粗磨、精磨和光磨三道磨削工序，用戶可以通過人機界面，設(shè)置各工序的磨削余量、進(jìn)給量和磨削速度等參數(shù)。全閉環(huán)鋸片磨削工藝流程如圖1所示，磨削前砂輪處于起刀點P0的位置;磨削加工開始，首先完成毛坯厚度的測量，判斷是否滿足正常磨削條件(即毛坯厚度應(yīng)不超過規(guī)定公差范圍)，若滿足條件，則計算出砂輪在磨削初始點P1時其中心的坐標(biāo)值ZP1，以及第一次進(jìn)行磨削的砂輪理論進(jìn)給量和磨削速度，反之，產(chǎn)生報警信息并退出加工。當(dāng)毛坯測量完成，且滿足正常磨削條件時，砂輪從起刀點P0快速運動到磨削初始點P1，開始磨削循環(huán)加工。一個磨削循環(huán)的路徑為:Z軸進(jìn)給→X軸由外向中心進(jìn)給→Z軸進(jìn)給→X軸由中心向外退出。每完成一個磨削循環(huán)，系統(tǒng)便對鋸片厚度進(jìn)行一次測量。根據(jù)鋸片厚度的測量值，計算本次磨削循環(huán)產(chǎn)生的磨削誤差，以磨削誤差實時補償原則，確定下一個磨削循環(huán)的加工參數(shù)，隨后繼續(xù)進(jìn)行磨削循環(huán)加工;當(dāng)鋸片厚度測量值≤進(jìn)入精磨的理論厚度或進(jìn)入光磨的理論厚度時，分別進(jìn)入精磨工序的磨削循環(huán)加工或光磨工序的磨削循環(huán)加工;當(dāng)鋸片厚度測量值與鋸片標(biāo)準(zhǔn)厚度之差在允許的公差范圍內(nèi)時，整個磨削循環(huán)加工結(jié)束，砂輪快速返回到起刀點P0，磨削加工過程結(jié)束。對于同批量鋸片的磨削加工，將新鋸片毛坯安裝好后，不作任何調(diào)整，只需按下循環(huán)啟動鍵，則系統(tǒng)完成自動加工。

1.2 全閉環(huán)鋸片磨削的控制策略

1.2.1 全閉環(huán)鋸片磨削機床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

全閉環(huán)鋸片磨削機床系統(tǒng)是在華中數(shù)控世紀(jì)星18i數(shù)控鋸片磨床基礎(chǔ)上，通過增設(shè)基于電渦流位移傳感器的測量系統(tǒng)而構(gòu)成的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。測量系統(tǒng)由量程為0～4 mm的電渦流位移傳感器和采樣模塊組成，實現(xiàn)對鋸片表面與傳感器測量頭之間距離的在線測量。傳感器輸出的正比于距離值的電壓信號，經(jīng)采樣模塊首先轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量(測量靈敏度約為:0.001 mm/位)，再轉(zhuǎn)換為數(shù)控系統(tǒng)PLC的I/O接口能識別的開關(guān)量信號。在每一次測量期間，數(shù)控系統(tǒng)的PLC以8 ms的執(zhí)行周期，對I/O接口的測量值進(jìn)行150次采樣。150個數(shù)據(jù)反饋到數(shù)控系統(tǒng)后，經(jīng)濾波處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，獲得實際鋸片厚度值。

1.2.2 全閉環(huán)鋸片磨削的控制策略

全閉環(huán)鋸片磨削系統(tǒng)對磨削加工過程的控制選擇G代碼程序控制方式。不過，由于在磨削加工過程中，磨削工序類型、加工參數(shù)和磨削工藝流程，均由鋸片厚度的測量值實時決定，而標(biāo)準(zhǔn)的G代碼程序不具備從數(shù)控系統(tǒng)外部I/O接口獲取測量數(shù)據(jù)的能力，為此，必須對數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)，創(chuàng)建一個軟件磨削控制器。軟件磨削控制器主要實現(xiàn)對來自數(shù)控系統(tǒng)外部I/O接口的測量數(shù)據(jù)的采樣計算，并將計算信息實時傳遞給G代碼程序，從而實現(xiàn)由鋸片厚度測量值實時控制磨削加工過程的控制思想。由此可見，全閉環(huán)鋸片磨削加工的控制策略是利用G代碼程序和軟件磨削控制器相互協(xié)調(diào)運行，共同完成對磨削加工過程的控制。本系統(tǒng)中，G代碼程序與軟件磨削控制器的執(zhí)行采用并行運行方式，其控制的主要原理是:每當(dāng)G代碼程序執(zhí)行到特定位置時，如圖中砂輪由X軸從中心向外退回到與傳感器測量頭安裝位置A點對稱的B點位置時(圖1)，由G代碼程序激活軟件磨削控制器，再由軟件磨削控制器啟動測量系統(tǒng)，對鋸片厚度進(jìn)行采樣計算。磨削控制器根據(jù)本次測量值，進(jìn)行一系列的判斷，如毛坯是否滿足正常磨削條件、磨削加工是否結(jié)束等;若加工尚未結(jié)束，則確定下一次磨削循環(huán)的磨削工序類型，并通過前后兩次磨削循環(huán)后的測量值，確定本次磨削循環(huán)的實際磨削量Δ′Z，按式(1)計算出本次磨削循環(huán)的磨削誤差δZ和砂輪的磨損量ΔR;并以誤差實時補償原則，按式(2)計算出下一次磨削循環(huán)的理論磨削量(即G代碼Z軸指令值)和確定磨削速度;最后，將本次判斷和計算信息傳遞給G代碼，最終通過G代碼程序?qū)崿F(xiàn)對磨削過程的直接控制。

由于本系統(tǒng)通過實時測量能反映砂輪Z軸實際進(jìn)給值的實際磨削量Δ′Z，并對砂輪Z軸理論進(jìn)給量進(jìn)行實時修正，直到砂輪實際Z軸總進(jìn)給量等于理論總進(jìn)給量時，才結(jié)束磨削加工。因此，實現(xiàn)了砂輪Z軸的全閉環(huán)控制，確保了鋸片厚度的加工精度。同時，由于砂輪磨損量的實時補償，減少了磨削循環(huán)次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。

1.3 全閉環(huán)鋸片磨削加工的控制流程

為了便于控制，本系統(tǒng)將全閉環(huán)磨削過程分為三個控制工藝階段，一是砂輪從起刀點P0快速、準(zhǔn)確地運動到磨削初始點P1;二是砂輪以相同的路徑進(jìn)行粗磨、精磨和光磨的磨削循環(huán)加工;三是砂輪快速、準(zhǔn)確地回到起刀點P0。在設(shè)計G代碼程序的流程時，除實現(xiàn)以上三個工藝階段的運動控制外，同時考慮到節(jié)約系統(tǒng)資源，軟件磨削控制器只在執(zhí)行到特定G代碼時才被創(chuàng)建并激活，以執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，因此，G代碼程序還承擔(dān)控制軟件磨削控制器的任務(wù)。綜合考慮，本系統(tǒng)的G代碼程序流程如圖3所示。

同樣，由于G代碼程序的執(zhí)行流程和指令值取決于軟件磨削控制器實時采樣計算結(jié)果，因此，軟件磨削控制器反過來又要控制G代碼程序?？紤]到在不同的磨削控制工藝階段，軟件磨削控制器所完成的功能不同，將其劃分為兩個任務(wù)。任務(wù)1主要完成第一個控制工藝階段中的功能，即對鋸片毛坯厚度的采樣計算和判斷，并將計算信息傳遞給G代碼程序。任務(wù)1控制流程如圖4所示。任務(wù)2主要完成第二個和第三個控制工藝階段中的功能，即在磨削循環(huán)過程中每次對鋸片厚度進(jìn)行采樣計算，并將信息傳遞給G代碼程序。除此之外，當(dāng)鋸片厚度滿足尺寸要求時，任務(wù)2中還應(yīng)按式(3)計算出砂輪回到起刀點P0時其中心的坐標(biāo)值Z(N+1)P0(由于砂輪磨損，此值與磨削前的坐標(biāo)值不相等);同時及時保存此時鋸片厚度的測量值HNend和砂輪中心的Z軸坐標(biāo)值ZNend，用于在下一個鋸片磨削加工時，軟件磨削控制器在任務(wù)1中，按式(4)進(jìn)行毛坯磨削起始點坐標(biāo)值Z(N+1)P1的計算。這樣，便實現(xiàn)了無需作任何調(diào)整就能自動完成批量生產(chǎn)的要求。任務(wù)2控制流程如圖5所示。

式中，∑ΔR為砂輪累積磨損量。

式中，H(N+1)0為下一個鋸片毛坯厚度的測量值。

1.4 全閉環(huán)鋸片磨削控制基準(zhǔn)的建立

由于本系統(tǒng)的測量值是鋸片表面到測量頭的距離，而并非鋸片的厚度，因此，必須建立測量值與鋸片厚度之間的尺寸鏈關(guān)系，以及通過測量值來控制磨削工序類型的一系列基準(zhǔn)。根據(jù)鋸片磨削有粗、精和光磨三道工序，本系統(tǒng)建立了標(biāo)準(zhǔn)鋸片控制基準(zhǔn)HS、光磨工序控制基準(zhǔn)Hg和精磨工序控制基準(zhǔn)Hj，如圖1所示。它們分別對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)鋸片厚度、進(jìn)入光磨工序鋸片的理論厚度和進(jìn)入精磨工序鋸片的理論厚度時測量系統(tǒng)的理論測量值。標(biāo)準(zhǔn)鋸片控制基準(zhǔn)HS是通過事先加工一個滿足尺寸要求的標(biāo)準(zhǔn)鋸片，對其進(jìn)行在線測量而獲得的測量值。這樣，根據(jù)HS和用戶所設(shè)定的各工序加工余量，軟件磨削控制器便可自動計算出光磨工序控制基準(zhǔn)Hg和精磨工序控制基準(zhǔn)Hj(各控制基準(zhǔn)間尺寸關(guān)系如圖1所示)。在磨削加工控制過程中，通過將測量值與各控制基準(zhǔn)相對比較，便可間接獲得鋸片厚度值和確定磨削工序類型。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案

2.1 G代碼程序與磨削控制器之間的協(xié)調(diào)控制機制

在采用G代碼程序和軟件磨削控制器共同協(xié)調(diào)實現(xiàn)控制的策略上，如何建立起兩者相互之間的協(xié)調(diào)控制機制，是本系統(tǒng)開發(fā)中所要解決的主要問題。本系統(tǒng)的G代碼程序采用宏變量編程的循環(huán)體系結(jié)構(gòu)，G代碼程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，G代碼程序?qū)浖ハ骺刂破鞯目刂?，采用了通過開發(fā)具有特殊功能的M代碼的方式來實現(xiàn)。如特殊功能代碼M103，實現(xiàn)了由G代碼程序控制軟件磨削控制器任務(wù)1的功能。其原理是:當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)的解釋器解釋到M103時，由PLC程序?qū)⑷肿兞縍［294］置1，與此同時，軟件磨削控制器檢測到R［294］為1時，則執(zhí)行任務(wù)1的功能。而軟件磨削控制器對G代碼程序的控制，是通過實時修改G代碼程序中的宏變量指令值來實現(xiàn)的。G代碼程序中設(shè)置的宏變量，有的可控制G代碼程序的執(zhí)行流程，有的本身就是運動指令值。這樣，軟件磨削控制器在修改宏變量時，便實現(xiàn)了對G代碼程序執(zhí)行流程的控制，以及對加工參數(shù)的調(diào)整。如宏變量#119，為磨削完成標(biāo)志宏變量指令，當(dāng)軟件磨削控制器測量到鋸片厚度值與鋸片標(biāo)準(zhǔn)厚度之差在公差允許范圍時，則實時修改#119的值為零，與此同時，當(dāng)G代碼執(zhí)行到由#119的值為條件判斷磨削加工循環(huán)是否結(jié)束的程序段時，由于#119已為零，則自動退出磨削循環(huán)加工，實現(xiàn)了磨削流程的控制。又如宏變量#115，為磨削初始點坐標(biāo)值ZP1宏變量，此值由軟件磨削控制器執(zhí)行任務(wù)1后計算并修改。

2.2 磨削控制器對G代碼程序的實時控制技術(shù)

在磨削循環(huán)過程中，如何實現(xiàn)軟件磨削控制器對G代碼程序控制的實時性，是本系統(tǒng)開發(fā)中所要解決的又一關(guān)鍵問題。如圖6所示，當(dāng)G代碼在執(zhí)行程序段N120時，由于解釋器超前解釋的特性，可能已完成了對程序段N160或其以后程序段的解釋工作，這樣就會將諸如#115、#119等宏變量的當(dāng)前值讀入緩沖區(qū)(此值一經(jīng)讀入便無法修改)，而這些當(dāng)前值并非磨削控制器執(zhí)行完任務(wù)1后決定的值，從而失去了由外部信息對G代碼程序控制的實時性。為此，本系統(tǒng)開發(fā)了能禁止解釋器超前解釋功能的特殊代碼M17。在G代碼程序中，可在由測量結(jié)果決定的宏變量值的程序段之前，加入M17代碼，如圖6所示。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)解釋器解釋到M17代碼時，便停止超前解釋工作，這樣就可保證解釋器所解釋的后面程序段中的宏變量，是由前面軟件磨削控制器根據(jù)測量計算而決定和實時修改的值，實現(xiàn)了真正意義上的全閉環(huán)實時控制。

2.3 材料與溫度漂移解決方案

電渦流位移傳感器具有感應(yīng)結(jié)果受材料與溫度影響的缺點。本系統(tǒng)開發(fā)了相應(yīng)的校正與補償環(huán)節(jié)，以及時消除材料與溫度帶來的不良影響。

對不同材料的鋸片，本系統(tǒng)提供靈活、方便的在線傳感器線性標(biāo)定功能。標(biāo)定方法為:將要標(biāo)定的鋸片磨削出兩個光整表面，在所開發(fā)的傳感器線性標(biāo)定界面中，通過按鍵分別獲得傳感器對兩個表面距離的感應(yīng)值(此值為傳感器感應(yīng)電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量)，同時由用戶輸入兩個表面厚度的差值，系統(tǒng)便可自動計算出此材料的線性比例系數(shù)。

由于標(biāo)準(zhǔn)鋸片控制基準(zhǔn)HS是在隨機溫度下的測量值，因此，當(dāng)加工溫度變化而引起傳感器感應(yīng)電壓產(chǎn)生漂移而使測量值變化時，若控制基準(zhǔn)HS仍保持不變，勢必會導(dǎo)致軟件磨削控制器產(chǎn)生控制誤差。為此，本系統(tǒng)提供靈活的溫度補償功能，即提供控制基準(zhǔn)HS的值可實時修調(diào)功能。修調(diào)方法為:在定期對磨削后的鋸片進(jìn)行檢測時，一般為3～4 h檢測一次，根據(jù)鋸片厚度的偏移量，在控制基準(zhǔn)HS中及時引入一個反向的溫度修調(diào)值。由于通過對控制基準(zhǔn)HS進(jìn)行有效的溫度補償，從而消除了環(huán)境溫度對本系統(tǒng)控制精度的不良影響，確保了鋸片的尺寸精度。

3 加工數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

應(yīng)用全閉環(huán)鋸片磨床進(jìn)行磨削加工試驗，鋸片厚度測量值如表1所示。最大厚度誤差不超過±0.015 mm，滿足鋸片厚度尺寸精度±0.05 mm的控制要求。

表1 鋸片磨削厚度測量值

原開環(huán)控制數(shù)控磨削:單件雙面磨削時間約2 min。每磨削鋸片約5～7個后，須離線測量鋸片厚度，憑經(jīng)驗修改砂輪磨損補償值或G代碼程序。在參數(shù)修改后，需對所加工的第一個鋸片進(jìn)行厚度檢測，調(diào)整補償參數(shù)。為此，需占用5～10 min加工時間。由于調(diào)整不及時或不準(zhǔn)確，廢品率為2% ～3%。

全閉環(huán)控制數(shù)控磨削:單件雙面磨削時間約2 min，每工作3～4 h后，才需要對鋸片厚度進(jìn)行離線測量。如果需要才進(jìn)行相應(yīng)的鋸片控制基準(zhǔn)HS的修調(diào)，否則繼續(xù)磨削加工。這種修調(diào)，主要是解決環(huán)境溫度變化所引起的測量、加工誤差。采用這種方法后，生產(chǎn)效率提高了30%，且有效地避免了廢品的出現(xiàn)。

4 結(jié)語

基于電渦流傳感器的全閉環(huán)鋸片磨削數(shù)控系統(tǒng)，通過對鋸片磨削厚度的在線實時測量，隨時進(jìn)行砂輪磨損補償和準(zhǔn)確地控制G代碼程序的執(zhí)行流程及有關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)了磨削過程的全閉環(huán)控制。本文開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，一者提高了磨削的精度和穩(wěn)定性，二者提高了磨削效率和成品率，三者可實現(xiàn)在上一個鋸片加工的基礎(chǔ)上，無需對砂輪位置進(jìn)行任何調(diào)整，就可以完成同規(guī)格鋸片的批量加工。

1 張和平，余英良.經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)半閉環(huán)控制磨削加工［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007(2)

2 逄啟壽，時國平.在線測量技術(shù)在數(shù)控機床的應(yīng)用［J］.機械工程與自動化，2006(2)

3 李金良，閆善全.自動磨削機磨削控制方法的研究［J］.機械工程師，2001(9)

4 楊理踐.大位移電渦流傳感器的設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009(2)

5 劉君華.現(xiàn)代測試技術(shù)與測試系統(tǒng)設(shè)計［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1999.

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7 范晉偉，關(guān)佳亮.SMART—CNC超精密數(shù)控曲面磨床綜合誤差補償技術(shù)［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006(4)