基于光柵尺與對(duì)刀儀的工件厚度自動(dòng)控制方法

趙立志 邢 亮 王 勇 施 群

（①中船重工集團(tuán)第七二二研究所，湖北武漢430079;②武漢飛米思科技有限公司，湖北武漢430073）

在紡織機(jī)械領(lǐng)域，需要采用表面質(zhì)量非常光滑的陶瓷零件進(jìn)行導(dǎo)絲。在傳統(tǒng)的陶瓷工件坯料磨削減薄加工的過程中，需人工取下工件測(cè)量其厚度，在達(dá)到要求控制的尺寸公差過程中往往每個(gè)工件需要2～3次反復(fù)測(cè)量的過程，效率較低。

為了提高加工效率，需要解決加工尺寸自動(dòng)控制的問題。當(dāng)前存在電磁檢測(cè)、聲發(fā)射傳感器、激光測(cè)距儀等多種厚度檢測(cè)方法。但以上的方法存在只能檢測(cè)金屬零件或者耐沖擊振動(dòng)能力差、檢測(cè)精度不夠、設(shè)備成本高等缺點(diǎn)，目前難以應(yīng)用到該型磨床上。因此，找到一種相對(duì)簡(jiǎn)易實(shí)用且滿足精度要求的自動(dòng)檢測(cè)與控制方法非常有意義。

1 工件尺寸測(cè)量的常用方法

陶瓷工件的尺寸規(guī)格較多，各種工件所要求的精度等級(jí)也較高，本文以圖1所示工件為例進(jìn)行說(shuō)明，圖中a為磨削過程中所需減薄尺寸。測(cè)量尺寸的方法可以分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。

1.1 直接測(cè)量法

（1）手工離線測(cè)量

手工取下工件并測(cè)量工件尺寸，在批量生產(chǎn)過程中，反復(fù)的加工與檢測(cè)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。

（2）磨床在線主動(dòng)測(cè)量裝置測(cè)量

該裝置只能測(cè)量工件外圓，獲得工件的直徑尺寸數(shù)據(jù)，無(wú)法獲得工件厚度尺寸，無(wú)法解決工件厚度尺寸在線檢測(cè)與實(shí)時(shí)顯示的問題。

1.2 間接測(cè)量法

通過檢測(cè)元件檢測(cè)其與工件被加工面之間的相對(duì)距離也可以間接獲得工件的厚度尺寸?？梢詫?shí)現(xiàn)間接測(cè)量的方法主要包括以下幾種:

（1）自動(dòng)測(cè)頭

數(shù)控機(jī)床在工件尺寸檢測(cè)中常用到自動(dòng)測(cè)頭（如圖2）。該類型測(cè)頭的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)精度高，但缺點(diǎn)是需要在停機(jī)狀態(tài)下使用。該類型測(cè)頭在批量自動(dòng)減薄加工過程中并不適用。

（2）激光測(cè)距傳感器

激光測(cè)距傳感器（圖3）用于產(chǎn)品厚度檢測(cè)、相對(duì)距離檢測(cè)等場(chǎng)合，其精度可以達(dá)到 7 μm、20 μm、40 μm等。其優(yōu)點(diǎn)有:測(cè)量精度較高、量程大、體積小、安裝調(diào)試方便、在線式連續(xù)測(cè)量等。

（3）其他方法

除以上的常用測(cè)距方法外，還有超聲波檢測(cè)法、磁性測(cè)厚法、渦流測(cè)厚法、電解測(cè)厚法等。

以上各種常見方法中7 μm級(jí)激光測(cè)距傳感器可以達(dá)到檢測(cè)要求的精度。但該檢測(cè)元件抗振性較差，并且在不停機(jī)狀態(tài)下在線檢測(cè)對(duì)機(jī)床機(jī)座的剛性要求非常高，如果中間停機(jī)檢測(cè)又降低了加工效率，而且切削液的存在也對(duì)該方法的檢測(cè)精度產(chǎn)生影響，不適合用于該型專用磨床的場(chǎng)合。其他方法由于不耐振或者精度較低、價(jià)格昂貴等原因也不適于在本磨床場(chǎng)合應(yīng)用。

2 光柵尺與對(duì)刀儀組合用檢測(cè)裝置

在對(duì)比各種檢測(cè)方法的精度、可靠性、性價(jià)比的基礎(chǔ)上，本方案提出采用光柵尺與對(duì)刀儀組合使用的檢測(cè)裝置，通過程序可以自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)工件厚度尺寸的精確控制。

2.1 光柵尺與對(duì)刀儀組合系統(tǒng)的介紹

系統(tǒng)組成如圖4、圖5所示，檢測(cè)部分主要由光柵尺與對(duì)刀儀組成，通過伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿帶動(dòng)工作臺(tái)及砂輪進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，光柵尺是通過工作臺(tái)與砂輪相連的，通過光柵尺的數(shù)據(jù)輸出可以在顯示屏上實(shí)時(shí)反映砂輪進(jìn)給過程中工件厚度的變化，由系統(tǒng)依據(jù)程序算法控制砂輪的自動(dòng)進(jìn)給距離即可控制工件減薄后所剩尺寸。

系統(tǒng)控制電磁閥的動(dòng)作對(duì)擺動(dòng)氣缸動(dòng)作進(jìn)行控制，由擺動(dòng)氣缸帶動(dòng)對(duì)刀儀進(jìn)行擺動(dòng)過程，每個(gè)加工區(qū)段按照定額的30個(gè)工件加工完成后，擺動(dòng)氣缸帶動(dòng)對(duì)刀儀旋轉(zhuǎn)至砂輪的進(jìn)給通道上，進(jìn)行一次對(duì)刀，對(duì)刀完成后，擺動(dòng)氣缸帶動(dòng)對(duì)刀儀離開砂輪進(jìn)給通道，通過對(duì)刀過程對(duì)上個(gè)加工區(qū)段的砂輪磨損的累積誤差進(jìn)行清零，確保新的區(qū)段的加工過程中工件尺寸的精度。

由于工件加工的精度要求較高，因此對(duì)擺動(dòng)氣缸的安裝精度與對(duì)刀儀本身的對(duì)刀精度都提出了較高的要求。經(jīng)計(jì)算選用安裝精度在±0.01 mm的MSQB－10型擺動(dòng)氣缸，選用重復(fù)定位精度在2 μm的TTC－100型對(duì)刀儀。綜合以上的因素，可以滿足定位精度要求。且通過調(diào)試過程將實(shí)際測(cè)得的擺動(dòng)氣缸與對(duì)刀儀的安裝偏差量進(jìn)行消除，可以達(dá)到更高的定位精度。

2.2 該測(cè)量裝置的關(guān)鍵原理

光柵尺在其有效的行程上可以精確的定位，其定位精度可以達(dá)到±3 μm，分辨率可以達(dá)到1 μm甚至0.5 μm，可以用來(lái)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映砂輪在行程上的位置變化。圖5中A為工件達(dá)到所要求的工件標(biāo)準(zhǔn)尺寸時(shí)砂輪的進(jìn)給停止位，B處為對(duì)刀儀提供的砂輪進(jìn)給起點(diǎn)位，A、B之間的距離S即為砂輪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)給行程。

如果不考慮砂輪的磨損，那么起點(diǎn)與工件加工目標(biāo)位置之間的行程S是固定的，理論上系統(tǒng)只要按照設(shè)計(jì)的行程S控制砂輪進(jìn)給距離即可精確控制工件的厚度。但實(shí)際上砂輪磨損并不能忽略，如果不考慮砂輪磨損的補(bǔ)償，加工一定數(shù)量后由于砂輪磨損積累會(huì)使工件尺寸逐漸加大，最終工件尺寸超出允許公差值就會(huì)導(dǎo)致廢品的出現(xiàn)。

通過批量加工測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際加工過程中每個(gè)工件砂輪磨損消耗量Δ非常小，在加工過程中設(shè)置一個(gè)經(jīng)驗(yàn)平均值Δ對(duì)砂輪磨損量予以補(bǔ)償，那么就可以消除砂輪磨損影響，可以較高精度地控制工件尺寸。砂輪進(jìn)給距離算法程序?yàn)?

加工第一件:S1=S

加工第二件:S2=S+Δ

加工第n件:Sn=S+（n－1）Δ （1≤n≤30）（1）

加工第30件:S30=S+29Δ

在控制系統(tǒng)中通過光柵尺的數(shù)據(jù)反饋，通過控制砂輪進(jìn)給距離控制工件的厚度，那么依據(jù)上面的算法，對(duì)經(jīng)驗(yàn)平均值 Δ來(lái)說(shuō)其越接近實(shí)際磨損消耗值，機(jī)床加工獲得的工件的精度越高。在經(jīng)驗(yàn)值Δ一定的情況下，實(shí)際加工過程中有幾個(gè)因素會(huì)影響到砂輪實(shí)際消耗量Δ，主要影響因素如下:

件規(guī)格不同加工表面面積不同，如 φ20 mm與φ32 mm對(duì)砂輪消耗量不同;

②砂輪磨削層材料致密性不同導(dǎo)致硬度不均勻;

③工件坯料需減薄厚度a值不一致。

以上3個(gè)因素都會(huì)導(dǎo)致每個(gè)工件砂輪磨損消耗量Δ不相同，因此較準(zhǔn)確地測(cè)量每個(gè)工件的砂輪磨損消耗量Δ成為一個(gè)重要因素。通過對(duì)以上3個(gè)因素進(jìn)行測(cè)定后，建立每種規(guī)格工件對(duì)應(yīng)的砂輪磨損消耗量經(jīng)驗(yàn)值Δ的數(shù)據(jù)庫(kù)，并將該數(shù)據(jù)保存在控制系統(tǒng)中，每一批工件加工開始前依據(jù)實(shí)際情況在顯示屏操作面板上進(jìn)行設(shè)置即可調(diào)用經(jīng)驗(yàn)值Δ。

3 結(jié)語(yǔ)

通過光柵尺與對(duì)刀儀的組合使用，解決了精確定位、砂輪磨損補(bǔ)償與誤差累積清零這幾個(gè)重要問題，以較低的成本、較高的可靠性實(shí)現(xiàn)了端面磨床工件減薄過程中的工件厚度自動(dòng)控制，比傳統(tǒng)的直接檢測(cè)的激光測(cè)距儀、聲發(fā)射傳感器等其他方式具有明顯的抗振、抗切削液干擾、低成本等優(yōu)勢(shì)?？梢栽谕惸ゴ苍O(shè)備上或自動(dòng)加工線上推廣應(yīng)用。能夠提高設(shè)備或系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，提高加工效率。

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