基于PLC的高硼硅玻璃管精密磨削的研究

李洪波，張?zhí)稞?，宮 哲，雷志偉，李玉霞

(河北省自動(dòng)化研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

水平儀是一種用于測(cè)量平面水平度和垂直度的儀器。除了完成一般的檢測(cè)任務(wù)以外，有些水平儀還能夠測(cè)量平面與水平面或者鉛垂面之間的夾角是否在合理的誤差范圍內(nèi)，因此其廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。水平儀的種類有很多，其中氣泡式水平儀因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。

氣泡水平儀的架座一般采用高級(jí)鋼料制造，經(jīng)精密加工后，其架座底部必須平整，座面中央裝有縱長(zhǎng)圓曲形狀的玻璃管。通過一些常用的加工方法，將玻璃管的內(nèi)部工作面(上內(nèi)表面)研磨成具有一定曲率半徑的球面或旋轉(zhuǎn)圓弧面，然后在里面充滿液體(醚、酒精或二者混合物)，并留有一個(gè)空隙即所謂的氣泡。當(dāng)水平儀發(fā)生傾斜時(shí)，由于重力作用，氣泡會(huì)發(fā)生移動(dòng)直到位于工作面的最高位置。決定水平儀精度的主要因素是玻璃管內(nèi)表面曲率半徑，曲率半徑越大，分辨率就越高，并且，該曲率對(duì)應(yīng)的弧線越光滑，玻璃管的品質(zhì)就越高。

1 高硼硅玻璃管磨削工藝

高硼硅玻璃管因其具有材料硬度高、脆性大、表面光滑度高、不易研磨等特點(diǎn)，常規(guī)的磨削工藝并不適用。目前，常用的方法為人工磨削，即將高硼硅玻璃管套在一根具有固定圓弧角度的圓柱形鋼棍上，工人手持木棍等工具，將玻璃管按壓在鋼棍上，通過不停的前后、左右運(yùn)行，并輔以金剛砂磨料，最終實(shí)現(xiàn)高硼硅玻璃管內(nèi)壁的磨削加工。由于人工磨削存在很多不穩(wěn)定的因素，磨削極易產(chǎn)生誤差，無法保證磨削精度以及產(chǎn)品的均勻性、一致性，滿足不了產(chǎn)品國(guó)際化、高標(biāo)準(zhǔn)的需求。

因此，本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制技術(shù)的高硼硅玻璃管內(nèi)表面機(jī)械化全自動(dòng)磨削裝置。該裝置包括高精度玻璃管夾持機(jī)構(gòu)、磨頭夾持機(jī)構(gòu)、電鍍金剛石磨頭、傳動(dòng)主軸、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)和縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)等，各機(jī)構(gòu)在PLC控制系統(tǒng)的作用下，按照磨削工藝，設(shè)計(jì)基于圓弧插補(bǔ)功能的控制算法，合理規(guī)劃磨削路徑，從而實(shí)現(xiàn)玻璃管內(nèi)表面的精密磨削。

2 全自動(dòng)高精度磨削裝置

2.1 磨削裝置機(jī)械設(shè)計(jì)

全自動(dòng)高精度磨削裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由高精度玻璃管夾持機(jī)構(gòu)、磨頭夾持機(jī)構(gòu)、電鍍金剛石磨頭、傳動(dòng)主軸、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)和縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)組成。

圖1 全自動(dòng)高精度磨削裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

(1)高精度玻璃管夾持機(jī)構(gòu)：玻璃管夾持機(jī)構(gòu)采用小口徑、高精度氣動(dòng)夾頭，夾頭固定于傳動(dòng)主軸上，通過法蘭連接，并在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下與傳動(dòng)主軸同軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)玻璃管的自轉(zhuǎn)功能，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。

(2)磨頭夾持機(jī)構(gòu)：磨頭夾持機(jī)構(gòu)采用集成動(dòng)力頭的一體化高速打磨電機(jī)，轉(zhuǎn)速不低于20 000 r/min，輸出軸跳動(dòng)量在0.05 mm以內(nèi)，保證運(yùn)行精度和運(yùn)行壽命。

(3)電鍍金剛石磨頭：磨頭形狀設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)球形，半徑為3 mm～5 mm，定制加工，球形表面電鍍金剛石顆粒。

(4)橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)：采用高精度絲杠模組搭配伺服驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)磨頭相對(duì)于玻璃管的橫向進(jìn)給和后退動(dòng)作，橫向進(jìn)給量決定了玻璃管內(nèi)表面圓弧的基準(zhǔn)位置。

(5)縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)：采用高精度絲杠模組搭配伺服驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)磨頭相對(duì)于玻璃管的縱向進(jìn)給和后退動(dòng)作，縱向進(jìn)給量決定了玻璃管內(nèi)表面圓弧的磨削深度。

2.2 磨削裝置算法設(shè)計(jì)

根據(jù)玻璃管內(nèi)壁圓弧尺寸的要求(半徑R=600 mm～700 mm)，設(shè)計(jì)基于PLC控制技術(shù)的圓弧插補(bǔ)算法，通過X軸模組和Y軸模組的聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)玻璃管內(nèi)壁的圓弧路徑繪制。在磨削過程中，磨頭的運(yùn)動(dòng)軌跡就是在XY平面上繪制圓弧，圓弧的半徑數(shù)值可調(diào)，根據(jù)磨削頭和玻璃管的空間位置關(guān)系，確定磨削圓弧的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，通過調(diào)用PLC的軸組運(yùn)動(dòng)控制功能塊DMC_MoveCircularRelative分別設(shè)置X、Y軸的進(jìn)給速度、加速度、減速度以及加速度變化率等參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)圓弧插補(bǔ)繪制功能。圓弧繪制原理如圖2所示，通過設(shè)置圓弧繪制平面的相關(guān)參數(shù)，可以選擇用半徑法在XY平面畫圓。使用該方法時(shí)，需要設(shè)置XY平面上圓的半徑值、設(shè)置繪制的圓弧為優(yōu)弧或者劣弧、定義圓弧起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)值。

圖2 圓弧繪制原理

根據(jù)磨削工藝要求，定義圓弧的繪制方向。在圖3(a)中，將圓弧方向的參數(shù)設(shè)置為正方向，軸組在指定平面上進(jìn)行順時(shí)針(R+)圓弧插補(bǔ)；在圖3(b)中，將圓弧方向的參數(shù)設(shè)置為負(fù)方向，軸組在指定平面上進(jìn)行逆時(shí)針(R-)圓弧插補(bǔ)。按照磨削工藝流程，規(guī)劃整個(gè)磨削過程的運(yùn)行路徑，并循環(huán)往復(fù)運(yùn)行。

圖3 順時(shí)針和逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)

2.3 PLC程序編寫

本裝置的PLC控制器選用臺(tái)達(dá)DVP-50MC-06運(yùn)動(dòng)控制器，伺服驅(qū)動(dòng)器選用臺(tái)達(dá)ASD-A2-0421-E，伺服電機(jī)選用臺(tái)達(dá)ECMA-C10804R7。PLC和伺服驅(qū)動(dòng)器通過EtherCAT總線連接，提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)精度。

為了實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸兩軸聯(lián)動(dòng)繪制圓弧路徑的功能，編寫PLC程序時(shí)，需要調(diào)用PLC的軸組運(yùn)動(dòng)控制功能塊DMC_MoveCircularRelative，如圖4所示。根據(jù)該功能塊各個(gè)引腳的定義，通過設(shè)置圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)、圓弧的半徑、圓弧的終點(diǎn)坐標(biāo)、圓弧的繪制方向以及X軸、Y軸運(yùn)行的加速度和減速度等參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)繪制圓弧路徑的功能。通過反復(fù)測(cè)試，優(yōu)化各個(gè)參數(shù)，最終達(dá)到理想的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖4 DMC_MoveCircularRelative功能塊

DMC_MoveCircularRelative功能塊的引腳定義如下：

AxesGroup：設(shè)定欲控制的軸組編號(hào)；

Execute：當(dāng)Execute由FALSE變TRUE時(shí)，執(zhí)行該指令；

CircMode：設(shè)定圓弧插補(bǔ)的方式：

0：XY平面圓心法畫圓；

1：ZX平面圓心法畫圓；

2：YZ平面圓心法畫圓；

3：XY平面半徑法畫圓；

4：ZX平面半徑法畫圓；

5：YZ平面半徑法畫圓；

AuxPoint：圓心法畫圓時(shí)，表示圓心坐標(biāo)；半徑法畫圓時(shí)，Auxpoint[1]表示半徑；

EndPoint：圓弧終點(diǎn)各軸坐標(biāo)到起點(diǎn)的距離；

PathChoice：設(shè)定圓弧插補(bǔ)的方向；

Velocity：設(shè)定的目標(biāo)合成速度；

Acceleration：設(shè)定的目標(biāo)合成加速度；

Deceleration：設(shè)定的目標(biāo)合成減速度；

Jerk：設(shè)定的目標(biāo)合成加速度變化率；

Done：該輸出參數(shù)為TRUE時(shí)表示指令執(zhí)行完成。

2.4 磨削效果測(cè)試

裝置調(diào)試完成后，對(duì)磨削效果進(jìn)行了測(cè)試。將磨削完成的玻璃管進(jìn)行注液、燒結(jié)、封口后，采用高精度視覺測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，玻璃管內(nèi)壁圓弧精度檢測(cè)如圖5所示。

圖5 玻璃管內(nèi)壁圓弧精度檢測(cè)

對(duì)比人工磨削的精度，該裝置的磨削精度基本達(dá)到了國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的水平，即氣泡偏移量2 mm時(shí)，角度傾斜范圍保持在9′～11′，磨削效果良好。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了基于PLC控制技術(shù)和伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的高精度玻璃管內(nèi)壁自動(dòng)磨削裝置，可以有效替代現(xiàn)有的人工磨削方式，提高了玻璃管產(chǎn)品的穩(wěn)定性、一致性以及磨削精度，提升了磨削的自動(dòng)化水平，降低了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。