在線測量與聲發(fā)射監(jiān)控在數(shù)控磨床上的應(yīng)用

元 煒

（上海機床廠有限公司 上海 200093）

1 引言

在傳統(tǒng)的機械加工中，操作者的操作技能、經(jīng)驗在控制加工質(zhì)量的過程和安全性中起到了決定性的作用。隨著人力成本的提升和人口老齡化趨勢驅(qū)動的“無人化時代”的到來，以及產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，機械加工的精度、穩(wěn)定性和可靠性需達到一定的程度才能滿足現(xiàn)代化制造工藝。同時數(shù)控磨床的廣泛使用，弱化了操作者的技能，而對加工設(shè)備提出了更高的要求，因此國內(nèi)外都開展了磨削過程化工藝的研究，其中包括：

（1）在線測量。零件測量對整個過程提供零件質(zhì)量檢查、加工過程優(yōu)化和后續(xù)生產(chǎn)過程具有重要意義。零件測量又可分為在線測量與離線測量兩種方式，其中離線測量是指零件加工后搬運到指定地點通過固定的測量設(shè)備所進行的測量。離線測量由于加工和測量不是同步進行的，增加了搬運、重復(fù)裝夾等操作[1]。相對于離線測量而言，在線測量可以在磨削過程中做到實時監(jiān)測，適用情況更廣、生產(chǎn)效率更高。磨床在線測量時，通過不同磨削階段的控制進行進給速度的優(yōu)化，使得尺寸控制和加工循環(huán)都能達到最佳效果，是實際生產(chǎn)測量中測量技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。

（2）聲發(fā)射監(jiān)控。聲發(fā)射是指材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。在任何磨削或修整的過程中，都會產(chǎn)生噪音，其絕大多數(shù)的頻率處于超聲波范圍；而其他器件，諸如軸承與液壓部件等所產(chǎn)生的噪音主要由低頻組成。因此，磨削噪音和機床運行時的噪音就能根據(jù)頻率段的不同而區(qū)分開來[2]。正因為有著這樣的特質(zhì)，利用儀器檢測、記錄、分析其聲發(fā)射信號，就能很好地監(jiān)控砂輪與工件的接觸狀態(tài)，提高加工效率與安全性。

（3）砂輪動平衡。在磨床主軸轉(zhuǎn)速不斷提高成為趨勢的同時以及實現(xiàn)工件卓越表面加工質(zhì)量的能力需求背景下，對因機械部件和旋轉(zhuǎn)砂輪的不平衡而產(chǎn)生的振動進行有效控制，自然而然是十分必要的，從而引入了砂輪主動平衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效地監(jiān)控由振動傳感器（加速度傳感器）發(fā)出的信號，并改變內(nèi)置砝碼的位置，以最大程度減少殘余振動。

對于以往的數(shù)控磨床來說，實現(xiàn)以上三種功能有著各自的硬件設(shè)備，為了能更好地解決各自硬件設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)信號交互帶來的操作和成本問題，本文采用了多功能電子量儀系統(tǒng)，通過Profibus-DP與數(shù)控系統(tǒng)進行通訊，整合了在線測量、聲發(fā)射監(jiān)控和砂輪動平衡功能于一體，用于數(shù)控磨床加工過程的控制，來優(yōu)化加工循環(huán)和加工質(zhì)量。

2 應(yīng)用方案的建立

2.1 在線測量

多功能電子量儀系統(tǒng)的在線測量是一種主動比較式測量監(jiān)控方式，即在工件加工的同時，測量裝置始終監(jiān)測著被測工件的尺寸變化，持續(xù)的磨削數(shù)據(jù)能用作調(diào)節(jié)和控制整個加工循環(huán)根據(jù)已設(shè)定的粗磨、精磨、光磨以及零位信號，從而使得機床在不同加工階段使用不同的砂輪轉(zhuǎn)速或進給速度等磨削工藝狀態(tài)，形成相對完整的閉環(huán)控制，從而獲得加工工件的表面質(zhì)量。由測量儀實時實現(xiàn)精密的尺寸控制，達到加工循環(huán)時間的最佳效果。

2.2 聲發(fā)射監(jiān)控

使用AE聲發(fā)射信號（Acoustic Emission）系統(tǒng)可用做提高磨削效率的消空程與保證磨削安全的防碰撞，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射監(jiān)控結(jié)構(gòu)示意圖

（1）消空程：在傳統(tǒng)磨削過程中，只能依靠經(jīng)驗而在砂輪接觸到工件前降低快速進給速度至磨削進給速度。由于沒有科學(xué)的檢測依據(jù)，為了安全起見，往往在砂輪和工件發(fā)生接觸還有較大距離的地方就切換成低速進給的磨削進給速度，勢必造成很多非加工狀態(tài)的空程，影響了生產(chǎn)效率。

配置AE聲發(fā)射傳感器，讓其采集砂輪趨近時的聲發(fā)射信號，來判斷砂輪與工件之間的空程間隙大小。在每次磨削或修整循環(huán)開始后，開啟消空程指令，砂輪或修整器按設(shè)定快速趨近“工件/砂輪”表面，一旦接觸到“砂輪/修整器”，聲納信號就會瞬間增加并超過預(yù)先設(shè)定的閥值，對數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出消空程完畢的信號，使得數(shù)控系統(tǒng)瞬間降低“砂輪/修整器”的進給，從快速消空程速度降低到安全的“磨削/修整”速度，提高了磨削效率。

（2）防碰撞：磨削加工過程中，由于編程失誤、操作失誤及加工工件在上道工序時存在的偏差，時常導(dǎo)致磨具的碰撞。啟用防碰撞功能后，就能在不失去磨削效率的同時，保證機床的安全。與消空程一樣，在正常磨削啟用前，采集正常磨削加工的聲納信號。在磨削加工時監(jiān)控聲納，當(dāng)實時接收到的聲納信號高于正常磨削的數(shù)據(jù)時，一個“超出碰撞極限”的信號就會輸出給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)使機床做出快速回退或緊急停止的動作，避免了砂輪主軸、工件和機床其他部件的損壞。

2.3 砂輪動平衡

在主軸砂輪側(cè)內(nèi)部安裝平衡砝碼，主軸的另一端安裝轉(zhuǎn)速傳感器采集主軸轉(zhuǎn)速信號，主軸箱附近安裝振動傳感器采用振動信息，砂輪運轉(zhuǎn)時通過分析，再將控制指令給平衡電機，平衡電機按指令進行不同角度的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)砂輪的動態(tài)平衡。

2.4 三種硬件設(shè)備的通訊方案

現(xiàn)場設(shè)備的通訊在很大程度上取決于選擇了哪種傳輸技術(shù)，且單一的傳輸技術(shù)不可能滿足所有的要求，這里使用Profibus-DP協(xié)議中的RS485傳輸技術(shù)，實現(xiàn)在線測量、聲發(fā)射監(jiān)控和砂輪動平衡功能的多功能電子量儀系統(tǒng)與數(shù)控磨床之間的通訊，其系統(tǒng)設(shè)計更加方便，組態(tài)、調(diào)試也更容易，且有著便于擴展與信息集成的特點。

在圖2所示的加工流程圖中，融入多功能電子量儀系統(tǒng)的在線測量、聲發(fā)射監(jiān)控和砂輪動平衡功能，與數(shù)控系統(tǒng)建立緊密的閉環(huán)控制，使得整個加工流程的可控性與效率得到進一步的提升。

圖2 加工流程圖

3 通訊接口和信號處理

3.1 通訊接口

多功能電子量儀系統(tǒng)與數(shù)控通訊采用的Profibus-DP接口，使用9針D型連接器，分別提供一組輸出DC24V，一組數(shù)據(jù)接收與傳輸正負極，一組終端電阻DC5V和一組中繼器控制信號以及一個屏蔽/保護地的信號。

3.2 信號處理

根據(jù)量儀系統(tǒng)的放大器，針對在線測量系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)控均需定義量儀自動/手動狀態(tài)、測量項目與測量循環(huán)的信號。

對于數(shù)控系統(tǒng)輸入側(cè)需定義的信號為：在線測量收到到位信號，粗磨、精磨、光磨、零位信號，聲發(fā)射監(jiān)控的消空程信號和防碰撞信號。

對于數(shù)控系統(tǒng)輸出側(cè)需定義的信號為：測量儀自動信號，在線測量請求信號，在線測量測爪氣收張信號、砂輪動平衡使能信號、消空程使能、防碰撞使能和聲發(fā)射監(jiān)控啟動信號。

4 軟件組態(tài)、PLC編程原理及在線測量加工程序

4.1 組態(tài)設(shè)置

在量儀系統(tǒng)的顯示面板上設(shè)定現(xiàn)場總線Profibus-DP地址為26，并且通過西門子Step7 PLC編程軟件將該組件添加至通訊組態(tài)中，定義其槽 1的輸入地址為IB60-IB73、輸出地址為QB60-QB73，如圖3所示。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)與測量系統(tǒng)的組態(tài)

4.2 PLC編程原理

4.2.1 工作模態(tài)的切換

由于多功能電子量儀系統(tǒng)在其自動模式下才能進行各功能的工作，所以在整個加工循環(huán)前，首先得處理工作模態(tài)信號（Q61.0和Q69.0），即當(dāng)操作者將機床的工作模態(tài)切換至自動時，量儀系統(tǒng)也將切換成該模態(tài)，且得到量儀系統(tǒng)的反饋信號（I60.0）。

4.2.2 在線測量

(1)測量循環(huán)前：在磨削加工伊始，測爪與其推動油缸均在非測量位置，量儀根據(jù)不同的加工程序選擇相應(yīng)的加工循環(huán)（Q60.4）,當(dāng)磨削狀態(tài)由消空程階段轉(zhuǎn)到在線測量階段時，數(shù)控系統(tǒng)向量儀發(fā)出測爪收張請求（Q61.3）,測爪張開至預(yù)設(shè)范圍后，量儀將測爪收張信號（I60.4）反饋至數(shù)控系統(tǒng)，量儀油缸攜測爪進至工件表面，等待測量循環(huán)開始。

(2)測量循環(huán)：數(shù)控系統(tǒng)檢測出測爪已經(jīng)在測量位置后，向量儀發(fā)出測量請求（Q61.3）,測量循環(huán)即開始。隨著加工工件的尺寸不斷減小，達到量儀設(shè)定的粗磨發(fā)訊點（I61.4）、精磨發(fā)訊點（I61.5）和光磨發(fā)訊點（I61.6）后，信號送至數(shù)控系統(tǒng)的PLC-NC板載交互信號（DB10.DBX1.0-DB10.DBX1.2）中，從而激活數(shù)控系統(tǒng)的刪除余程的功能，將加工程序跳轉(zhuǎn)至所對應(yīng)的下一階段；當(dāng)加工工件的尺寸到達量儀所設(shè)定的零位信號（I61.7）時，也將信號轉(zhuǎn)換成 PLC-NC板載交互信號（DB10.DBX1.3），得到信號的數(shù)控系統(tǒng)將測爪油缸退出，測量循環(huán)結(jié)束，該磨削加工完成。

4.2.3 聲發(fā)射監(jiān)控

(1)檢測循環(huán)前：在磨削加工前，需根據(jù)不同的磨削程序選擇不同的消空程、防碰撞檢測循環(huán)（Q68.4）。

(2)檢測循環(huán)中：使用消空程功能，激活其控制使能（Q69.6）,由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出對量儀的消空程循環(huán)開始（Q69.3）后，進入消空程階段，砂輪快速趨近工件表面。當(dāng)傳遞至聲發(fā)射傳感器的聲納信號高于預(yù)設(shè)值時，量儀反饋至數(shù)控系統(tǒng)的消空程信號（I70.3）由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，數(shù)控系統(tǒng)將加工狀態(tài)由消空程轉(zhuǎn)至在線測量階段；同樣在使用防碰撞功能時，在激活其對應(yīng)的控制使能（Q69.2）和循環(huán)請求（Q69.3）后，在任何時候只要有著高于預(yù)設(shè)碰撞信號的聲納由傳感器傳送量儀系統(tǒng)后，都會有一個碰撞反饋信號（I70.4），該信號由高電頻轉(zhuǎn)換為低電頻并傳送至數(shù)控系統(tǒng)，從而使得數(shù)控系統(tǒng)做 出砂輪緊急后退的動作。

4.3 在線測量的加工程序

在數(shù)控加工程序中，$A_IN[1]- $A_IN[4]分別對應(yīng)的 NC板載信號 DB10.DBX1.0- DB10.DBX1.3；DELDTG為刪除余程指令，具體如下：

5 應(yīng)用方案的實施

這里以兩臺外圓磨床進行比較，其中一臺是數(shù)控外圓磨床并帶有多功能電子量儀系統(tǒng)，而另一臺則是普通的外圓磨床，使用這兩臺機床分別加工了20件同規(guī)格零件，測試結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)控外圓磨床與普通外圓磨床加工測試結(jié)果

從加工精度上來說：數(shù)控外圓磨床由于使用了測量儀的在線測量功能，實現(xiàn)了加工的全閉環(huán)控制，其尺寸誤差控制在0.003 mm以內(nèi)，而普通外圓磨床只能控制在0.01 mm。

從加工時間上來說：數(shù)控外圓磨床使用了量儀的聲發(fā)射監(jiān)控的消空程、防碰撞模塊，使其砂輪能夠快速趨近工件表面，并且在線測量系統(tǒng)能夠自動檢測工件相對尺寸，進而將每個工件的加工時間控制在 1 min，而普通外圓磨床由于需要人為參與到工件的檢測中，有著重復(fù)進刀、退刀的加工步驟，其每個工件的加工時間平均要花5 min。

表面質(zhì)量上：數(shù)控外圓磨床的砂輪主軸采用了量儀系統(tǒng)的砂輪動平衡模塊，降低了由于砂輪主軸不平衡對加工工件表面質(zhì)量的影響，工件表面粗糙度能達到Ra0.4，而普通外圓磨床加工工件表面粗糙度普遍在Ra0.8左右。

人力成本：由于數(shù)控外圓磨床使用了多功能電子量儀系統(tǒng)及數(shù)控系統(tǒng)，能夠做到在一次編程、量儀調(diào)整后，批量磨削加工，將加工精度完全交給機床本身，可以實現(xiàn)一人多機的操作模式，而普通外圓磨床需要人工干預(yù)加工精度，只能采用專人操作的工作方式。

綜上所述，具有多功能電子量儀系統(tǒng)的數(shù)控磨床不管在加工精度、效率、質(zhì)量上都遠勝于普通磨床，而在人力資源上能為使用者節(jié)約不少的成本。

6 結(jié)語

伴隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，對機床的穩(wěn)定性能、可靠性以及加工效率要求越來越高。通過多功能電子量儀系統(tǒng)在數(shù)控磨床上的使用，以Profibus現(xiàn)場總線建立測量儀與數(shù)控系統(tǒng)之間的通訊，運用其在線測量功能保證加工精度，砂輪動平衡功能解決了砂輪主軸振動對加工表面質(zhì)量的影響以及聲發(fā)射監(jiān)控功能在保證磨削效率的情況下安全性得到了保障，使得磨削加工更為合理和優(yōu)化。