普通經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床在線檢測(cè)技術(shù)的研究

鄧岐杏

(廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530023)

現(xiàn)代產(chǎn)品的要求逐年提高，對(duì)零件加工精度的要求更高。作為現(xiàn)代制造業(yè)技術(shù)的核心，數(shù)控機(jī)床的加工精度應(yīng)適應(yīng)零件的要求。目前國(guó)內(nèi)普通經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床仍然占據(jù)著比較大的比例，對(duì)普通經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究具有一定的意義，在達(dá)到提高零件加工精度目的的同時(shí)，還可以節(jié)約改進(jìn)數(shù)控機(jī)床的成本。

1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的基本情況

數(shù)控機(jī)床根據(jù)控制方式不同，分開環(huán)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床、半閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床和閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床三類。同等條件下，不同控制方式的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)出的零件精度各不相同。

開環(huán)數(shù)控機(jī)床沒(méi)有位移檢測(cè)裝置，無(wú)位移誤差補(bǔ)償，精度較低。普通經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床多采用這種控制方式。

閉環(huán)數(shù)控機(jī)床在進(jìn)給執(zhí)行部件上安裝了位移檢測(cè)裝置，在加工過(guò)程中實(shí)時(shí)地對(duì)位移量進(jìn)行檢測(cè)，并經(jīng)反饋回路返回給數(shù)控裝置，系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)實(shí)際位移量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)并與指令值進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制。這種系統(tǒng)定位精度高，容易滿足零件加工高精度的要求。

半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床介于開環(huán)數(shù)控機(jī)床和閉環(huán)數(shù)控機(jī)床之間，所能達(dá)到的精度、速度和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服系統(tǒng)，但低于閉環(huán)系統(tǒng)。

因此要提高普通經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工精度，將其改進(jìn)為帶位移檢測(cè)裝置的閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床是經(jīng)濟(jì)可行的有效措施之一。改進(jìn)的關(guān)鍵是檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理、分析和反饋。

2 方案制定

現(xiàn)代制造技術(shù)中，檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用是必不可少的，合理、正確的使用是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.1 檢測(cè)方式的選用

要保證零件的加工精度要求，仍保留普通經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的靜態(tài)、離線的接觸式測(cè)量不利于提高產(chǎn)品的加工精度。事后才發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的加工過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差，且無(wú)法直接反饋到系統(tǒng)中，只能針對(duì)事后誤差分析更改加工參數(shù)，改善此后的零件加工精度。使用千分尺、卡尺等常規(guī)量具采用接觸測(cè)量的方式進(jìn)行，測(cè)量的效率低下，精度容易受到人為因素的影響，占機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，且需要定期對(duì)量具進(jìn)行校正，影響機(jī)床的利用及產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)精度，使普通經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床具有更高的經(jīng)濟(jì)效益，改變測(cè)量方式是其中的一條途徑。

采用動(dòng)態(tài)、在線的非接觸式測(cè)量，在數(shù)控機(jī)床上增設(shè)在線測(cè)量裝置，并形成反饋回路，采用閉環(huán)控制，即可提高零件的加工精度，同時(shí)可縮短制造周期、提高生產(chǎn)率、減少?gòu)U品率、降低加工成本。從數(shù)控機(jī)床加工的工藝系統(tǒng)來(lái)看，融入在線測(cè)量閉環(huán)控制后，工藝設(shè)計(jì)人員可對(duì)加工工藝參數(shù)的變化實(shí)時(shí)地監(jiān)控，糾正加工方法，使被加工的工件保持在預(yù)定的理想范圍內(nèi)。以光、電、磁、超聲波等技術(shù)為基礎(chǔ)的非接觸測(cè)量精度高，量具與被測(cè)物無(wú)接觸、不產(chǎn)生損耗，測(cè)量的結(jié)果易于傳輸，便于后期數(shù)據(jù)處理或顯示。

綜合分析，對(duì)普通經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床進(jìn)行合理化改造，采用動(dòng)態(tài)的非接觸測(cè)量可以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)方案

實(shí)現(xiàn)在線的非接觸式測(cè)量，核心的元件是提取信號(hào)及實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的傳感器?；贑CD圖像傳感器的視覺(jué)測(cè)量已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)技術(shù)中，選用CCD傳感器作為普通經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)的核心器件，能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，測(cè)量精度高，使用方便、自動(dòng)化程度高。

在此測(cè)量系統(tǒng)中，工件是最終測(cè)量對(duì)象，CCD傳感器為測(cè)量工具。CCD傳感器測(cè)量所得結(jié)果通過(guò)調(diào)整電路處理后，由微處理器完成信號(hào)的傳輸。在數(shù)控車床中，將測(cè)量?jī)x器安裝于刀架上，實(shí)時(shí)測(cè)量已經(jīng)加工的工件的徑向尺寸，并將測(cè)量結(jié)果反饋到數(shù)控裝置，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)調(diào)整刀具的徑向位置。其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)控車床全閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 CCD傳感器

CCD(Charge Coupled Device)圖像傳感器是一種電荷耦合器件，是一種采用高感光度的半導(dǎo)體材料制作而成的新型光電轉(zhuǎn)換器件。它是一種高精度的檢測(cè)傳感器，主要用于數(shù)碼成像技術(shù)，也延伸、滲透到了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在精細(xì)加工、機(jī)器人技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用。

CCD傳感器主要由光敏二極管單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等組成。CCD傳感器通過(guò)若干個(gè)獨(dú)立光刻單元集合而成的感光面，將光或電激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?hào)，并能對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)對(duì)傳感器施加特定時(shí)序的脈沖信號(hào)時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸，并輸出電信號(hào)［1］。

CCD傳感器的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在:光敏面積大，靶面利用率高，具有光譜響應(yīng)寬、線性好、動(dòng)態(tài)范圍寬、噪聲低、靈敏度高、實(shí)時(shí)傳輸和電荷掃描等多方面優(yōu)點(diǎn)。

采用CCD傳感器進(jìn)行工件尺寸在線動(dòng)態(tài)測(cè)量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 CCD測(cè)量原理

在數(shù)控車床上對(duì)被加工軸的直徑測(cè)量采用激光衍射的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)量原理如圖3所示。

圖3 直徑測(cè)量原理圖

在測(cè)量系統(tǒng)中，采用激光作為入射光源，通過(guò)激光擴(kuò)束系統(tǒng)放大光源，為了滿足目標(biāo)零件圓柱直徑有足夠的測(cè)量范圍，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)生成更寬范圍的平行光束，CCD傳感器采用陣列式。

CCD傳感器所產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)有噪聲存在，影響對(duì)被測(cè)對(duì)象的尺寸檢測(cè)工作，要獲得足夠精度的尺寸數(shù)據(jù)，需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行前端的消噪處理。采用中值濾波方式，這種非線性的濾波，通過(guò)比較測(cè)量值，輸出中間值，能有效消除圖像大部分干擾信號(hào)。選用FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，可實(shí)現(xiàn)中值濾波。

通過(guò)ARM單片機(jī)接口器實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和數(shù)據(jù)的串行口傳輸。

3.2 CCD傳感器的驅(qū)動(dòng)

CCD傳感器的驅(qū)動(dòng)可用多種方式實(shí)現(xiàn)。(1)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)?？梢岳脝纹瑱C(jī)的易編程特點(diǎn)，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)所需的時(shí)序，靈活方便;缺點(diǎn)在于其總線輸出的速率慢，對(duì)于數(shù)控車床所需的實(shí)時(shí)在線測(cè)量存在局限性。(2)采用專用的IC芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。芯片的集成性高，功能強(qiáng)大，但專用性強(qiáng)，適用的場(chǎng)合有限。(3)采用EPROM實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD傳感器的驅(qū)動(dòng)。用其生成CCD所需的時(shí)序，要將CCD所有的時(shí)序數(shù)據(jù)預(yù)先存放于EPROM中，利用計(jì)數(shù)電路產(chǎn)生EPROM的地址，輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序。雖然此種方法簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，可獲得可靠的工作時(shí)序，但結(jié)構(gòu)尺寸太大。(4)采用可編程器驅(qū)動(dòng)?？删幊痰尿?qū)動(dòng)器兼顧了IC芯片和單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，集成性高，且可實(shí)現(xiàn)再編程，通過(guò)再編程可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路所需的時(shí)序的改變，并且可根據(jù)需要增減某些功能，方便靈活。

綜合比較CCD傳感器的驅(qū)動(dòng)方法，將可編程器驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用于數(shù)控車床在線測(cè)量系統(tǒng)中。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA可以滿足CCD傳感器的驅(qū)動(dòng)需要，并且FPGA可實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)中所需的時(shí)序信號(hào)與驅(qū)動(dòng)以及數(shù)據(jù)的采集與處理等。主要分4個(gè)部分:(1)外部時(shí)序信號(hào)的生成和驅(qū)動(dòng)信號(hào);(2)FPGA中值濾波處理;(3)A/D模塊的時(shí)鐘控制;(4)先進(jìn)先出FIFO存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的RAM。

4 測(cè)量系統(tǒng)的干擾分析

測(cè)量系統(tǒng)安裝于刀架上，在零件加工過(guò)程中會(huì)受到機(jī)床振動(dòng)的影響，影響了CCD的成像質(zhì)量。機(jī)床的振動(dòng)主要引起線位移和角位移，因此要提高成像質(zhì)量應(yīng)采取減振措施。可以采取的措施主要有:使用緩沖隔離和設(shè)置隔離帶，以及在設(shè)備與支承架之間加設(shè)減振器等，以保證測(cè)量器件的正常工作，保證測(cè)量精度滿足零件的精度要求。

［1］許學(xué)勇.CCD的工作原理及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.視聽(tīng)界(廣播電視技術(shù))，2009(5):81-85.

［2］尹中會(huì)，李春.CCD技術(shù)在煤礦機(jī)械中的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2011(6):229-230.

［3］黃偉成，盧紅.基于激光-CCD器件的直徑測(cè)量系統(tǒng)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2008(3):17-19.

［4］薛華，李東濤，熊永超.CCD技術(shù)在非接觸檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2006(8):162-165.

［5］楊波，陳文藝.基于FPGA的高速CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(1):93-97.

［6］王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)［M］.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2013.

［7］羅永順，吳運(yùn)新，范美芳.數(shù)控機(jī)床故障診斷及預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究［J］.機(jī)床與液壓，2005(11):194-197.

［8］劉征，彭小奇，丁劍，等.國(guó)外CCD檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2005(4):65-69.