基于電渦流傳感器的全閉環(huán)鋸片磨床數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)

　　在鋸片磨削過程中，由于機(jī)床自身運(yùn)動(dòng)誤差和砂輪磨損，導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)的指令磨削量與實(shí)際磨削量出現(xiàn)較大偏差(嚴(yán)重時(shí)實(shí)際磨削量幾乎僅為指令磨削量的一半)，從而造成鋸片厚度難以控制，生產(chǎn)率低等現(xiàn)象。一般的數(shù)控鋸片磨床采用刀具半徑固定補(bǔ)償?shù)姆绞?，?duì)磨削誤差(主要是砂輪磨損量)進(jìn)行補(bǔ)償;但由于砂輪磨損量受磨削參數(shù)、鋸片材質(zhì)和砂輪材質(zhì)等諸多因素的影響，因此，很難達(dá)到磨削誤差精確補(bǔ)償?shù)哪康?，致使鋸片磨削尺寸精度難以控制、生產(chǎn)率較低等問題至今無(wú)法得到根本解決。本文針對(duì)原數(shù)控鋸片磨床的缺點(diǎn)與不足，探討了在華中數(shù)控世紀(jì)星18i數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)鋸片厚度實(shí)時(shí)在線自動(dòng)測(cè)量功能，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量值與理論值的關(guān)系，確定磨削誤差，并在磨削過程中進(jìn)行誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋸片磨削過程全閉環(huán)控制的方法。

1 全閉環(huán)鋸片磨削的控制技術(shù)

　　1.1 全閉環(huán)鋸片磨削的加工工藝

　　在實(shí)際加工中，鋸片磨削分為粗磨、精磨和光磨三道磨削工序，用戶可以通過人機(jī)界面，設(shè)置各工序的磨削余量、進(jìn)給量和磨削速度等參數(shù)。全閉環(huán)鋸片磨削工藝流程如圖1所示，磨削前砂輪處于起刀點(diǎn)P0的位置;磨削加工開始，首先完成毛坯厚度的測(cè)量，判斷是否滿足正常磨削條件(即毛坯厚度應(yīng)不超過規(guī)定公差范圍)，若滿足條件，則計(jì)算出砂輪在磨削初始點(diǎn)P1時(shí)其中心的坐標(biāo)值ZP1，以及第一次進(jìn)行磨削的砂輪理論進(jìn)給量和磨削速度，反之，產(chǎn)生報(bào)警信息并退出加工。當(dāng)毛坯測(cè)量完成，且滿足正常磨削條件時(shí)，砂輪從起刀點(diǎn)P0快速運(yùn)動(dòng)到磨削初始點(diǎn)P1，開始磨削循環(huán)加工。一個(gè)磨削循環(huán)的路徑為:Z軸進(jìn)給→X軸由外向中心進(jìn)給→Z軸進(jìn)給→X軸由中心向外退出。每完成一個(gè)磨削循環(huán)，系統(tǒng)便對(duì)鋸片厚度進(jìn)行一次測(cè)量。根據(jù)鋸片厚度的測(cè)量值，計(jì)算本次磨削循環(huán)產(chǎn)生的磨削誤差，以磨削誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償原則，確定下一個(gè)磨削循環(huán)的加工參數(shù)，隨后繼續(xù)進(jìn)行磨削循環(huán)加工;當(dāng)鋸片厚度測(cè)量值≤進(jìn)入精磨的理論厚度或進(jìn)入光磨的理論厚度時(shí)，分別進(jìn)入精磨工序的磨削循環(huán)加工或光磨工序的磨削循環(huán)加工;當(dāng)鋸片厚度測(cè)量值與鋸片標(biāo)準(zhǔn)厚度之差在允許的公差范圍內(nèi)時(shí)，整個(gè)磨削循環(huán)加工結(jié)束，砂輪快速返回到起刀點(diǎn)P0，磨削加工過程結(jié)束。對(duì)于同批量鋸片的磨削加工，將新鋸片毛坯安裝好后，不作任何調(diào)整，只需按下循環(huán)啟動(dòng)鍵，則系統(tǒng)完成自動(dòng)加工。

　　1.2 全閉環(huán)鋸片磨削的控制策略

　　1.2.1 全閉環(huán)鋸片磨削機(jī)床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　全閉環(huán)鋸片磨削機(jī)床系統(tǒng)是在華中數(shù)控世紀(jì)星18i數(shù)控鋸片磨床基礎(chǔ)上，通過增設(shè)基于電渦流位移傳感器的測(cè)量系統(tǒng)而構(gòu)成的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。測(cè)量系統(tǒng)由量程為0～4mm的電渦流位移傳感器和采樣模塊組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋸片表面與傳感器測(cè)量頭之間距離的在線測(cè)量。傳感器輸出的正比于距離值的電壓信號(hào)，經(jīng)采樣模塊首先轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量(測(cè)量靈敏度約為:0.001mm/位)，再轉(zhuǎn)換為數(shù)控系統(tǒng)PLC的I/O接口能識(shí)別的開關(guān)量信號(hào)。在每一次測(cè)量期間，數(shù)控系統(tǒng)的PLC以8ms的執(zhí)行周期，對(duì)I/O接口的測(cè)量值進(jìn)行150次采樣。150個(gè)數(shù)據(jù)反饋到數(shù)控系統(tǒng)后，經(jīng)濾波處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，獲得實(shí)際鋸片厚度值。

　　1.2.2 全閉環(huán)鋸片磨削的控制策略

　　全閉環(huán)鋸片磨削系統(tǒng)對(duì)磨削加工過程的控制選擇G代碼程序控制方式。不過，由于在磨削加工過程中，磨削工序類型、加工參數(shù)和磨削工藝流程，均由鋸片厚度的測(cè)量值實(shí)時(shí)決定，而標(biāo)準(zhǔn)的G代碼程序不具備從數(shù)控系統(tǒng)外部I/O接口獲取測(cè)量數(shù)據(jù)的能力，為此，必須對(duì)數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)，創(chuàng)建一個(gè)軟件磨削控制器。軟件磨削控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)外部I/O接口的測(cè)量數(shù)據(jù)的采樣計(jì)算，并將計(jì)算信息實(shí)時(shí)傳遞給G代碼程序，從而實(shí)現(xiàn)由鋸片厚度測(cè)量值實(shí)時(shí)控制磨削加工過程的控制思想。由此可見，全閉環(huán)鋸片磨削加工的控制策略是利用G代碼程序和軟件磨削控制器相互協(xié)調(diào)運(yùn)行，共同完成對(duì)磨削加工過程的控制。本系統(tǒng)中，G代碼程序與軟件磨削控制器的執(zhí)行采用并行運(yùn)行方式，其控制的主要原理是:每當(dāng)G代碼程序執(zhí)行到特定位置時(shí)，如圖中砂輪由X軸從中心向外退回到與傳感器測(cè)量頭安裝位置A點(diǎn)對(duì)稱的B點(diǎn)位置時(shí)(圖1)，由G代碼程序激活軟件磨削控制器，再由軟件磨削控制器啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)鋸片厚度進(jìn)行采樣計(jì)算。磨削控制器根據(jù)本次測(cè)量值，進(jìn)行一系列的判斷，如毛坯是否滿足正常磨削條件、磨削加工是否結(jié)束等;若加工尚未結(jié)束，則確定下一次磨削循環(huán)的磨削工序類型，并通過前后兩次磨削循環(huán)后的測(cè)量值，確定本次磨削循環(huán)的實(shí)際磨削量Δ′Z，按式(1)計(jì)算出本次磨削循環(huán)的磨削誤差δZ和砂輪的磨損量ΔR;并以誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償原則，按式(2)計(jì)算出下一次磨削循環(huán)的理論磨削量Δ*Z(即G代碼Z軸指令值)和確定磨削速度;最后，將本次判斷和計(jì)算信息傳遞給G代碼，最終通過G代碼程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)磨削過程的直接控制。

　　由于本系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)測(cè)量能反映砂輪Z軸實(shí)際進(jìn)給值的實(shí)際磨削量Δ′Z，并對(duì)砂輪Z軸理論進(jìn)給量Δ*Z進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，直到砂輪實(shí)際Z軸總進(jìn)給量等于理論總進(jìn)給量時(shí)，才結(jié)束磨削加工。因此，實(shí)現(xiàn)了砂輪Z軸的全閉環(huán)控制，確保了鋸片厚度的加工精度。同時(shí)，由于砂輪磨損量的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，減少了磨削循環(huán)次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。

　　1.3 全閉環(huán)鋸片磨削加工的控制流程

　　為了便于控制，本系統(tǒng)將全閉環(huán)磨削過程分為三個(gè)控制工藝階段，一是砂輪從起刀點(diǎn)P0快速、準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)到磨削初始點(diǎn)P1;二是砂輪以相同的路徑進(jìn)行粗磨、精磨和光磨的磨削循環(huán)加工;三是砂輪快速、準(zhǔn)確地回到起刀點(diǎn)P0。在設(shè)計(jì)G代碼程序的流程時(shí)，除實(shí)現(xiàn)以上三個(gè)工藝階段的運(yùn)動(dòng)控制外，同時(shí)考慮到節(jié)約系統(tǒng)資源，軟件磨削控制器只在執(zhí)行到特定G代碼時(shí)才被創(chuàng)建并激活，以執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，因此，G代碼程序還承擔(dān)控制軟件磨削控制器的任務(wù)。綜合考慮，本系統(tǒng)的G代碼程序流程如圖3所示。

　　同樣，由于G代碼程序的執(zhí)行流程和指令值取決于軟件磨削控制器實(shí)時(shí)采樣計(jì)算結(jié)果，因此，軟件磨削控制器反過來(lái)又要控制G代碼程序?？紤]到在不同的磨削控制工藝階段，軟件磨削控制器所完成的功能不同，將其劃分為兩個(gè)任務(wù)。任務(wù)1主要完成第一個(gè)控制工藝階段中的功能，即對(duì)鋸片毛坯厚度的采樣計(jì)算和判斷，并將計(jì)算信息傳遞給G代碼程序。任務(wù)1控制流程如圖4所示。任務(wù)2主要完成第二個(gè)和第三個(gè)控制工藝階段中的功能，即在磨削循環(huán)過程中每次對(duì)鋸片厚度進(jìn)行采樣計(jì)算，并將信息傳遞給G代碼程序。除此之外，當(dāng)鋸片厚度滿足尺寸要求時(shí)，任務(wù)2中還應(yīng)按式(3)計(jì)算出砂輪回到起刀點(diǎn)P0時(shí)其中心的坐標(biāo)值Z(N+1)P0(由于砂輪磨損，此值與磨削前的坐標(biāo)值不相等);同時(shí)及時(shí)保存此時(shí)鋸片厚度的測(cè)量值HNend和砂輪中心的Z軸坐標(biāo)值ZNend，用于在下一個(gè)鋸片磨削加工時(shí)，軟件磨削控制器在任務(wù)1中，按式(4)進(jìn)行毛坯磨削起始點(diǎn)坐標(biāo)值Z(N+1)P1的計(jì)算。這樣，便實(shí)現(xiàn)了無(wú)需作任何調(diào)整就能自動(dòng)完成批量生產(chǎn)的要求。任務(wù)2控制流程如圖5所示。