電水壺數(shù)字化拋光機床數(shù)據(jù)自動采集建模及優(yōu)化

吳昌林，翟金良

(華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074)

0 前言

伴隨著白色家電的普及，電熱水壺以其加熱快、安全、衛(wèi)生和壽命長等優(yōu)點在市場上得到了良好的反響，市場規(guī)模不斷的擴大。目前電水壺的拋光加工主要采用人工拋磨的方式，拋磨過程中重金屬粉塵和尖銳的拋磨聲會對人體健康產(chǎn)生嚴重的影響。另外隨著人工成本的提高，企業(yè)也急需一種綠色環(huán)保、安全高效的自動化拋光設(shè)備［1］。

為解決以上問題，設(shè)計研究了一臺具備自動采集水壺表面數(shù)據(jù)、自動拋磨的數(shù)字式拋光機。該機器在完全密封的環(huán)境內(nèi)工作，可解決粉塵和噪聲對工人健康的影響。本機器數(shù)據(jù)采集有兩種工作模式：人工采集和自動采集。由于水壺廠每隔一段時間就要更換一個水壺壺型，因此水壺表面數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確采集就顯得格外重要。為了提高機器的快速適應(yīng)性，詳細分析了水壺表面數(shù)據(jù)采集的原理。通過和人工采集的數(shù)據(jù)進行對比，來驗證自動采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 流水式電水壺拋光機的簡介

1.1 機械部分

該機床采用6工位模式進行拋磨，可同時進行粗拋、半粗拋、中拋、粗精拋、半精拋以及精拋，經(jīng)過上述6道工序，水壺即可從毛坯加工為成品，可極大地提高拋磨的效率，降低生產(chǎn)成本。該機采用3軸聯(lián)動的方案，每軸的運動由步進電動機實現(xiàn)控制。各軸具體作用如下：

x軸：實現(xiàn)磨輪的徑向進給，進給的范圍為80－120mm。

y軸：實現(xiàn)磨輪的軸向進給，進給范圍為180－320mm。

c軸：實現(xiàn)水壺在x－y平面上的轉(zhuǎn)動，以保證水壺與磨頭的邊線始終相切，提高加工品質(zhì)，轉(zhuǎn)動的角度為20°～35°。

機床另一個主要的機構(gòu)為水壺取放機構(gòu)，通過前端吸盤把水壺從一個工位取下，通過縱向氣缸移至下個工位，再通過橫向氣缸把水壺安裝在這個工位上，實現(xiàn)了水壺工件在不同工位之間的移動，避免了人工安裝水壺，實現(xiàn)了從毛坯到成品的目標(biāo)。

該機床的每個軸既可單獨運動，也可3軸聯(lián)動，這樣既可以滿足人工數(shù)據(jù)采集，也可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集。然后把采集的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)表中，通過調(diào)取數(shù)據(jù)表即可實現(xiàn)對水壺的拋磨，

1.2 控制部分

流水式電水壺拋光機的控制方案采用兩級控制，上位機由PC機負責(zé)，主要負責(zé)數(shù)據(jù)處理、人機對話、信息傳送等。下位機由運動控制卡負責(zé)，通過扭矩傳感器實現(xiàn)對水壺與磨頭之間的壓力實時檢測，其主要負責(zé)步進電動機的控制、輸入輸出信號的接收與發(fā)送，通過PCI總線與上位機進行通訊。

2 電水壺外表面數(shù)據(jù)的采集

2.1 電水壺外表面數(shù)據(jù)人工采集

由于人工采集模式有較大的自由度，在小批量試生產(chǎn)過程中，可采用人工采集模式，以便快速測試拋磨效果，驗證拋磨工藝是否合理，為接下來的大批量自動采集做準(zhǔn)備。在采集的過程中，需要保證水壺的外輪廓始終與磨頭的外邊緣相切。水壺與磨頭之間的壓力需控制在50kg左右，這個可根據(jù)數(shù)顯式壓力傳感器讀出［2］。

人工采集的具體流程：

1)初始化數(shù)控機床，使得機床每個軸返回到加工原點，為采集做準(zhǔn)備。在程序上預(yù)設(shè)所需的壓力范圍，裝夾工件，準(zhǔn)備開始采集。

2)根據(jù)壺型外輪廓，粗略確定每個軸每次所需走的范圍，從水壺頂部進行采集。采集的規(guī)律是：手工啟動c軸，工件旋轉(zhuǎn)一定角度后停止，程序自動記錄下發(fā)給電動機的脈沖數(shù)C1。為了保證磨頭的外輪廓與旋轉(zhuǎn)后的水壺外表面相切，手工啟動x軸和y軸。相切后即可停止x軸和y軸，程序自動記錄下發(fā)給兩個電動機的脈沖數(shù)X1和Y1。在采集過程中，如果磨頭與水壺之間的壓力超過了預(yù)設(shè)值，機器會發(fā)生報警聲，此時需調(diào)整x軸，以減小兩者之間的壓力值，相應(yīng)的程序自動調(diào)整對應(yīng)的脈沖數(shù)X1，然后再依次啟動c軸、x軸和y軸，分別記錄下脈沖數(shù)C2、X2和Y2，直到采集到水壺的底部，記錄下脈沖數(shù)Cn、Xn和Yn，將這n組數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Access數(shù)據(jù)表中，即完成了對該壺型的數(shù)據(jù)采集。

3)將數(shù)據(jù)表導(dǎo)入到程序中，機床可根據(jù)數(shù)據(jù)表中的脈沖數(shù)自動完成對水壺的加工，通過觀察加工的效果，可以進一步優(yōu)化數(shù)據(jù)表，來提高加工品質(zhì)。

以上是手工采集的基本過程，在小批量試生產(chǎn)中，手工采集有比較明顯的優(yōu)勢。但是由于手工采集的數(shù)據(jù)跟操作者有很大的關(guān)系，不同的操作者采集的數(shù)據(jù)有很大的差別，且手工采集效率比較低。在大批量生產(chǎn)時，為了提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定拋磨品質(zhì)，需要實現(xiàn)水壺的自動化采集。

2.2 電水壺外表面數(shù)據(jù)自動采集

數(shù)據(jù)的自動采集需要進行以下的準(zhǔn)備工作：初始化機床，選取合理的加工工件坐標(biāo)系、然后根據(jù)所要掃描物體的外輪廓設(shè)置掃描基準(zhǔn)包括基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸等，預(yù)設(shè)壓力傳感器壓力范圍，即可進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)自動采集仍需保證水壺的外輪廓始終與磨頭的外邊緣相切，在采集過程中通過壓力傳感器實時檢測磨頭與水壺之間的壓力，保證兩者之間的壓力趨近于恒定，以保證水壺表面加工品質(zhì)的穩(wěn)定性［3-4］。

電水壺外表面一般是由直線和圓弧構(gòu)成的，如圖1所示，在自動采集過程中分為兩類模型進行采集：直線段和圓弧。

圖1 常見水壺外表面輪廓形狀

a)電水壺直線段數(shù)據(jù)自動采集

圖2 直線型水壺加工示意圖

直線段水壺在采集過程中是最為簡單的一種，如圖2所示。在對圓弧型進行采集時，需要輸入已知條件：圓弧的起始點(x1，y1)和終止點(x2，y2)，水壺邊緣直線與x軸夾角為α。在采集時，將c軸旋轉(zhuǎn)α，水壺母線與x軸垂直，與磨頭母線平行。在加工過程中，通過x軸運動，使得磨頭邊線與水壺母線接觸，然后只需y軸運動即可完成對水壺的拋磨。在加工初始位置切點坐標(biāo)為(x0，y0)，加工完畢位置切點的坐標(biāo)為(x1，y1)。相鄰兩個拋磨點之間y方向的差：

式中：m——水壺表面數(shù)據(jù)采集點數(shù)。

水壺表面數(shù)據(jù)采集點數(shù)m越大，自動采集點就越多，采集數(shù)據(jù)經(jīng)插補后更加接近水壺輪廓，加工品質(zhì)就越高。但是m值太大，拋磨一個水壺所需時間就更多，效率降低［5］。一般m值取15 ～20。

b)電水壺圓弧段數(shù)據(jù)自動采集

圖3 圓弧型水壺加工示意圖

圓弧型水壺進行采集的示意圖如圖3。在對圓弧型進行采集時，需要輸入已知條件：圓心初始坐標(biāo)(相對于旋轉(zhuǎn)軸c)(a0，b0)、初始加工位置夾角α，加工完畢位置夾角β。在加工的過程中，由于磨頭邊線始終與水壺母線相切，而磨頭邊線始終平行于y軸，故圓心y坐標(biāo)始終等于切點的y坐標(biāo)。取出水壺輪廓線一段圓弧來進行分析，如圖4。圓心距離回轉(zhuǎn)中心為l0，切點坐標(biāo)為(x0，y0)，夾角為 δ0。下一個切點的坐標(biāo)為(x1，y1)，圓心坐標(biāo)為(a1，b1)夾角為 δ1。

圖4 微圓弧分析

如圖4所示，切點到圓心的距離始終為圓弧半徑r，切點y坐標(biāo)等于圓心y坐標(biāo)。有：

由此可以推出：

在微圓弧分析中建立了Δx、Δy與Δδ的關(guān)系，通過下面的式(3)，將δ細分即可求出從一個切點移動至下個切點在x方向、y方向所需移動的距離［6］。然后根據(jù)機械結(jié)構(gòu)，譬如滾珠絲杠的導(dǎo)程、步進電動機的步距角、傳動比等將求出的Δx、Δy和Δδ轉(zhuǎn)化為步進電動機所需的脈沖數(shù)，再將這些脈沖數(shù)存入Access數(shù)據(jù)表。之后再進行下一個切點數(shù)據(jù)的采集，共計采集n組數(shù)據(jù)，將其全部存入Access數(shù)據(jù)表中，即完成了對此水壺的自動采集。

相鄰兩個切點之間c軸旋轉(zhuǎn)角度：

式中：m——水壺表面數(shù)據(jù)采集點數(shù)。

水壺表面數(shù)據(jù)采集點數(shù)m值越大，每次c軸旋轉(zhuǎn)的角度越小，自動采集的數(shù)據(jù)更加接近于實際的水壺輪廓線。和直線型水壺輪廓一樣，m值也不能過大，否則會降低采集的效率，且采集的品質(zhì)沒有顯著的提高，因此m值控制在15～20即可。至此，完成了對直線型壺型和圓弧型壺型的自動化采集，采集后的數(shù)據(jù)全部存在數(shù)據(jù)表中，只需調(diào)取這些數(shù)據(jù)表，就可以自動拋磨水壺。在拋磨的過程中，通過壓力傳感器來檢測水壺與磨頭之間的壓力，如果反饋信息發(fā)現(xiàn)壓力值過大，通過減小x軸的脈沖數(shù)自動調(diào)節(jié)壓力值。反之，增大x軸的脈沖數(shù)來增大壓力值，最終確保壓力值的穩(wěn)定。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗過程與結(jié)果

對于經(jīng)驗豐富的拋磨工人，由于其可根據(jù)自己的經(jīng)驗，在采集過程中不斷調(diào)整水壺與磨頭之間的接觸關(guān)系，其采集的數(shù)據(jù)一般比自動采集更為準(zhǔn)確。為了驗證電水壺外表面數(shù)據(jù)自動采集的可靠性，在某公司進行了現(xiàn)場試驗，將自動采集的數(shù)據(jù)與工人采集的數(shù)據(jù)進行對比。試驗使用的電水壺樣品材料為304不銹鋼，壺型分為直線型和圓弧型。直線型水壺厚度0.5mm，水壺底部直徑120mm，水壺頂部直徑80mm。圓弧型水壺厚度為0.5mm，水壺底部直徑為160mm，水壺頂部直徑為100mm。拋磨用的磨頭直徑為150mm，磨頭自轉(zhuǎn)速度為2840r/min，水壺自轉(zhuǎn)速度為35r/min。該電水壺自動拋磨機床中，磨頭進給x軸是最重要的進給運動。水壺與磨頭之間的壓力穩(wěn)定度主要取決于x軸的進給精度，其直接影響產(chǎn)品的拋磨品質(zhì)。因此在拋磨實驗中對于兩種壺型主要分析了x軸在不同采集模式下脈沖數(shù)的誤差，并統(tǒng)計了10次試驗的壓力值，用來試驗兩種模式下拋磨壓力的穩(wěn)定性［7-8］，結(jié)果如圖5所示。

圖5 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2 結(jié)果分析

a)通過分析圖5(a)可見，自動采集脈沖數(shù)和人工采集脈沖數(shù)最大誤差在第8步，誤差為153個脈沖，誤差率為2%。人工采集的總脈沖數(shù)為99555個脈沖，自動采集總脈沖數(shù)為98746個脈沖，誤差率為0.008%。

b)通過分析圖5(b)可見，自動采集壓力值平均值為50.04，離散度為 0.224，人工采集壓力平均值為 50.07，離散度為0.276，說明自動采集壓力比人工采集壓力更為穩(wěn)定，反應(yīng)在加工品質(zhì)上，水壺表面整體拋磨比較均勻，避免了水壺局部拋磨嚴重，可局部沒有拋磨到。

c)通過對比兩圖可見，不論是人工采集數(shù)據(jù)還是自動采集數(shù)據(jù)，壓力值都無法保證絕對的恒定，這是由于磨頭是彈性體，材質(zhì)的不均勻性以及水壺毛坯不規(guī)則，都導(dǎo)致了壓力的波動［9］。試驗表明，只要壓力值波動控制在5%左右，在水壺拋磨表面不會留下明顯的差別?？刹扇∫韵路椒p小壓力值的波動：

1)提高機械部分的剛度，尤其是磨頭旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，可以減小機器震動對磨頭與水壺接觸壓力的影響。

2)對磨頭進行動平衡校核，可以減少磨頭的動不平衡對壓力的影響。

3)提高系統(tǒng)反饋的靈敏度。由于水壺是薄壁件，每個水壺毛坯不可能完全相同，因此在拋磨過程中，反饋系統(tǒng)尤其關(guān)鍵，通過實時檢測兩者之間的壓力值，系統(tǒng)根據(jù)反饋的壓力值來做相應(yīng)的反應(yīng)，可依次來減小壓力值的波動區(qū)間。

由此證明，電水壺外表數(shù)據(jù)自動采集能夠適應(yīng)電水壺加工的實際要求。

4 結(jié)論

首先針對電水壺拋光機數(shù)據(jù)自動采集進行了分析，然后通過與人工采集對比，試驗了該方法能夠滿足現(xiàn)實生產(chǎn)的需要，并可以提高生產(chǎn)效率，在壓力穩(wěn)定性方面比人工采集更為穩(wěn)定，顯示了該方法的優(yōu)勢。

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