李 勇，王平江，齊江飛，唐小琦

(1.朝鮮民主主義人民共和國熙川工業(yè)大學機械工程系，慈江道熙川市;2.華中科技大學機械學院國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術研究中心，武漢 430074)

基于自動檢測與機械手的全自動鋸片磨削數(shù)控系統(tǒng)

李 勇1，2，王平江2，齊江飛2，唐小琦2

(1.朝鮮民主主義人民共和國熙川工業(yè)大學機械工程系，慈江道熙川市;2.華中科技大學機械學院國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術研究中心，武漢 430074)

文章詳細介紹了在數(shù)控鋸片磨削加工系統(tǒng)中，采用毛坯供給機械手和電感式位移傳感器，實現(xiàn)對毛坯上下料，毛坯與成品尺寸檢測以及鋸片磨削加工等磨削全過程的自動控制方法。其特點在于將磨削過程、毛坯供給與檢測三個過程獨立開來，使得本文開發(fā)的全自動鋸片磨削系統(tǒng)，實現(xiàn)在鋸片磨削加工同時，一邊用機械手來上下料和鋸片尺寸的檢測，不僅提高了自動化水平，而且有效地重疊了磨削加工時間和毛坯準備時間，顯著提高了生產效率。

全自動鋸片磨削;電感式位移傳感器;機械手;時間重疊;PLC

0 引言

隨著機械工業(yè)與建材工業(yè)的迅速發(fā)展，鋸片的需求量日益增加，其精度要求也越來越高。為了滿足這一需求，世界各國對鋸片磨削數(shù)控系統(tǒng)、磨削過程中砂輪磨削補償及全自動化控制等方面進行了很深入研究，研制了比較完善的鋸片磨削NC系統(tǒng)［1-5］。從鋸片磨削的全過程來看，毛坯的上下料、毛坯與工作臺的表面清潔、成品與毛坯尺寸的檢測等準備時間，占了總磨削加工時間的30%以上［6］。所以盡管采用了CNC磨床實現(xiàn)對鋸片磨削的數(shù)字控制，但生產效率的提高并不明顯，尤其是隨著數(shù)控技術的日漸成熟，對毛坯供給、磨削加工、檢測等鋸片生產全過程的數(shù)控化要求愈來愈高。本文針對鋸片生產的發(fā)展趨勢，探討了基于華中數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)全自動鋸片磨削系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并詳細介紹了如何根據控制要求進行軟件PLC程序編制的方法，以及PLC變量與G代碼程序流程控制之間互動的程序實現(xiàn)方法。

1 全自動鋸片磨削系統(tǒng)結構及設計

全自動鋸片磨削系統(tǒng)的開發(fā)，不僅要設計合理的機械結構和控制系統(tǒng)結構，更重要的是如何實現(xiàn)兩者之間的完美結合。全自動鋸片磨削系統(tǒng)由磨削加工控制系統(tǒng)、毛坯供給機械手系統(tǒng)和鋸片厚度檢測等三個主要部分組成。

1.1 全自動鋸片磨削系統(tǒng)結構

如圖1所示為全自動鋸片磨削機械及控制原理圖。鋸片磨削加工的X軸、Z軸為數(shù)控系統(tǒng)通過伺服驅動器控制的伺服軸，實現(xiàn)鋸片表面磨削加工控制;由于鋸片在徑向厚度不均勻，故檢測臺采用兩個電感位移傳感器，分別放置在鋸片的內外邊緣處，取兩個傳感器測量的平均值作為鋸片毛坯、半成品及成品的厚度值，并根據檢測出的厚度值計算出各磨削加工階段的余量，通過圖1中氣缸1，2將檢測頭壓到工件表面或將檢測頭從工件表面抬起，氣缸3用于將檢測臺上的毛坯推進到檢測頭下或將檢測完的毛坯送回到原位置;機械手運動由PLC控制的獨立的U、W兩個伺服軸，實現(xiàn)任意位置上的毛坯供給;翻面機負責鋸片的上料與翻面工作，實現(xiàn)雙面磨削。機械手抓取、松開工件，檢測臺推送、返回工件，翻面機翻轉工件、復位，工作臺電磁盤吸附、松開工件等開關量動作，必須與U、W伺服軸運動控制動作密切配合，實現(xiàn)鋸片的全自動上下料、厚度檢測與磨削控制。

圖1 全自動鋸片磨削系統(tǒng)結構

毛坯供給系統(tǒng)由U、W直線軸、機械手電磁吸盤、檢測臺、氣動翻面機組成，其任務是把鋸片從如下幾個位置按照指令及檢測結果進行搬運:毛坯位置、檢測位置、翻面位置、加工位置、廢品位置以及成品位置。機械手電磁吸盤中有兩個接近開關:開關1和開關2。開關1(電磁吸盤旁邊)主要用于上下料過程中判別機械手吸盤上是否有毛坯存在。機械手在毛坯位置抓取鋸片的過程中，W軸下降，當開關1接觸到下側毛坯鋸片時，開關1發(fā)出信號，PLC采集到該信號后，使W軸停止下降運動并發(fā)出使機械手電磁磁盤的電磁鐵通電信號，毛坯鋸片被緊緊的吸在機械手電磁吸盤上。在上下料的過程中，如果鋸片掉下，則開關1發(fā)出信號，當PLC采集到此信號后，產生報警，所有的加工動作和輔助動作都將停止。開關2(電磁吸盤上面)主要用于在成品位置和廢品位置的放片過程中判斷鋸片是否已經放到位。在成品位置和廢品位置的放片過程中，W軸下降運動，當機械手電磁吸盤吸附的鋸片與下側已有鋸片接觸且開關2發(fā)出下降到位信號時，W軸立即停止下降并且使機械手電磁吸盤上的電磁鐵掉電，放下當前所吸附的鋸片。

鋸片尺寸檢測系統(tǒng)是由MA-5型差動變壓式位移傳感器(測量范圍為±5mm，線性度為0.1%以下)和PC104總線PM516AD轉換器(分辨率為12位，模擬量輸入范圍為-5V～+5v)等部分組成，AD卡傳感器的模擬量轉換為數(shù)字信號后，傳到數(shù)控系統(tǒng)，由系統(tǒng)進行處理。測量系統(tǒng)在磨削前檢測毛坯的厚度，然后把測量結果保存在數(shù)控系統(tǒng)，根據測量值分配加工次數(shù)和每次的加工余量;磨削完畢后，測量成品厚度，得出鋸片的加工精度和砂輪的磨損量等，以指導下一次的磨削加工。根據測量結果來控制磨削過程是全系統(tǒng)的核心，因為磨削環(huán)境非常惡劣，如磨削液、強電磁干擾等，使得在加工位置的直接檢測精度很低。本文將檢測系統(tǒng)與磨削環(huán)境的分離，使得鋸片檢測系統(tǒng)不受磨削環(huán)境的影響，檢測精度大大提高。

1.2 全自動鋸片磨削系統(tǒng)自動上下料及加工流程

如圖2所示，該磨削系統(tǒng)由六個位置組成:毛坯準備臺、成品臺、廢品臺、檢測臺、翻面機、加工臺。自動上下料的動作流程如圖2所示，其中動作①的過程如下:在完成對刀和參數(shù)設置以后，選擇加工G代碼程序，按下循環(huán)啟動鍵，那么機械手沿著U軸高速定位到毛坯準備位置，然后沿著W軸高速下降到與毛坯上面接觸，直到接近開關1產生信號為止。固定在機械手下邊同心圓周方向的4個電磁鐵吸住毛坯，W軸上升一定位置。然后，機械手沿著U軸高速移動到檢測位置后，W軸下降到測量位置的電磁吸盤上，然后上升到一定位置。系統(tǒng)通過氣缸(圖1的氣缸3)把檢測臺上的毛坯推進到檢測頭下邊的位置，在氣缸帶動下檢測頭下降開始檢測毛坯厚度。檢測工程結束以后，檢測臺在氣缸的推動下后退到原位置。如果檢測結果合格，機械手抓取毛坯高速移動到翻面位置的電磁吸盤上。此后清潔器開始清掃工作臺表面。清潔完畢后翻面機在旋轉氣缸的帶動下旋轉翻面，將毛坯放在磨床的工作臺上，然后開始根據G代碼的磨削加工。與此同時，機械手反復進行上述動作。圖2的動作②為毛坯翻面的動作流程:如果系統(tǒng)收到第一面磨削完的信號，機械手在當前的動作結束以后，高速移動到磨床的工作臺，抓取鋸片到翻面位置。待機械手移開后，翻面機就執(zhí)行翻面動作將工件放到工作臺上，然后通知系統(tǒng)第二面的磨削加工可以開始。圖2的動作③為加工完以后加工品檢測的:如果第二面磨削加工結束，機械手從工作臺抓取工件，放到檢測臺上進行檢測。如果檢測結果合格(鋸片厚度尺寸在設定的公差范圍之內)，機械手從檢測臺抓取工件放到成品位置;如果檢測結果為鋸片厚度太薄，機械手檢測臺抓取工件放到廢品位置;如果磨削完的鋸片厚度太厚(這說明磨削余量不合理)，機械手從檢測臺抓取工件放到工作臺上，再根據測量值進行二次磨削加工。重復上述動作，直到工件合格或工件厚度過薄后為止。

圖2 機械手的上下料流程

2 全自動鋸片磨削系統(tǒng)軟件結構

2.1 磨削加工G代碼程序流程

若通過一個數(shù)控系統(tǒng)來有機地結合磨削工程、毛坯準備、檢測工程，而且合理重疊各個工程，則需要正確實現(xiàn)G代碼和PLC程序的相互結合。為了滿足這一要求，在編寫G代碼時必須考慮如下原則:首先，在PLC和系統(tǒng)獨立調用必要的子程序的條件下，必須在PLC準備毛坯以后才執(zhí)行下一個G代碼;其次，磨削加工結束以后，G代碼必須通知PLC，使得PLC進行毛坯翻面和檢測等;最后，需要根據檢測結果進行相應磨削工程而構成G代碼。如圖3所示，系統(tǒng)一開始就通過M代碼來向PLC發(fā)出毛坯準備信號，使G代碼等待PLC在磨床的工作臺上準備好毛坯。收到了毛坯準備信號之后，G代碼程序就開始第一面磨削過程，若磨削完，又通過M代碼向PLC發(fā)出磨削結束的信號，同時等待PLC完成鋸片清潔、翻面工作。若PLC完成毛坯準備，則再開始第二面磨削。第二面磨削完之后，使PLC檢測剛磨削完的鋸片厚度:若檢測結果合格，則確認全毛坯磨削完以后，若還沒完，則回到為第一面磨削的毛坯準備G代碼，若檢測到的鋸片厚度太厚(參考1.2節(jié)的磨削流程)，則回到為第二面磨削的毛坯準備G代碼。

圖3 G代碼程序流程

2.2 全自動鋸片磨削系統(tǒng)的PLC程序

為實現(xiàn)對全自動鋸片磨削系統(tǒng)的控制，需要合理設計毛坯準備、毛坯與成品尺寸檢測、清潔、翻面等PLC控制系統(tǒng)，尤其是在該系統(tǒng)的控制對象太多而且控制環(huán)境非常復雜的條件下，PLC控制的每一個環(huán)境的工作時間要盡可能重疊，以便提高磨削工作效率。圖4為本文開發(fā)的PLC控制流程圖。從圖4的PLC控制流程可知，毛坯有無的檢查位置共有三個，分別為檢測位置、翻面位置、磨床的工作臺;根據在檢測位置、翻面位置、工作臺位置上有無毛坯，調用相應的子程序完成毛坯準備動作，比如從檢測位置到翻面位置的毛坯移動子程序、從毛坯位置到檢測位置再到翻面位置的毛坯移動子程序、工作臺清潔子程序、毛坯翻面子程序在滿足相應的工作條件時被調用。所以，在PLC控制程序上必須附加必要的相互制約條件，以免被同時調用而發(fā)生動作相互沖突。比如工作臺清潔子程序必須在工作臺上沒有毛坯和機械手不在它的正上方的條件下才能被調用，毛坯翻面子程序必須在翻面位置上已準備好毛坯和在加工位置上沒有毛坯的條件下被調用。若工作臺清潔和翻面動作結束，則PLC向G代碼發(fā)出鋸片磨削可以開始的信號。若PLC受到第一面磨削工作完成的信號，則調用加工位置到翻面位置子程序，把磨完的毛坯從加工位置拿到翻面位置，以便翻面機能進行翻面動作。若第二面的磨削加工結束，則PLC通過加工位置到檢測位置再到成品位置子程序的調用，把毛坯從加工位置拿到檢測位置。檢測工程結束以后，根據檢測結果拿到成品位置或廢品位置，或磨床的加工位置上(參考1.2節(jié)磨削流程)。PLC不斷地循環(huán)上面的動作(循環(huán)周期為16mms)，即可完成對毛坯正反面的磨削工作。

圖4 PLC系統(tǒng)控制流程

3 全自動鋸片磨削PLC控制過程中的關鍵技術

如上所述，采用一個數(shù)控裝置把磨削工作、毛坯上下料、檢測工作有機地結合起來，實現(xiàn)每一個過程盡可能相互重疊的關鍵問題，是解決PLC控制程序、G代碼程序的各個控制環(huán)節(jié)相互銜接問題。本文先介紹PLC控制程序和G代碼程序之間的相互結合方法，然后具體說明基于動作時間重疊的PLC編程與實現(xiàn)方法。

3.1 PLC控制程序與G代碼程序之間的相互結合

一般數(shù)控機床根據工作人員編制的G代碼程序完成相應的NC加工。本文所開發(fā)的全自動鋸片磨削系統(tǒng)，一方面根據G代碼程序來進行相應的磨削工作，另一方面由PLC控制程序完成毛坯的轉送、厚度測量、翻面以及毛坯準備工作。所以G代碼程序和PLC程序之間的相互配合，是在實現(xiàn)全自動磨削控制的關鍵。從1.2節(jié)的上下料流程分析可知，磨削加工之前，先測量好毛坯的厚度，根據檢測的毛坯厚度，計算出加工次數(shù)和每次的加工進給量，然后將這些計算值傳遞給G代碼程序里的特定宏變量，以進行正確的磨削工作。在磨削過程中，G代碼和PLC之間不斷地進行信息交換，以實現(xiàn)動作環(huán)節(jié)之間的重疊，而提高加工效率。例如G代碼通過一個宏變量，來判斷當前磨床工作臺上有沒有將磨削的毛坯，PLC通過一個M代碼判斷當前磨削狀態(tài)等等。

華中數(shù)控系統(tǒng)的內置式PLC有供客戶使用的內部中間R寄存器(共有768組)［7］，通過R寄存器實現(xiàn)PLC與數(shù)控系統(tǒng)之間的動作順序的銜接。從圖5中可知，本系統(tǒng)為G代碼程序和PLC之間的相互結合采用的R寄存器是R［237］、R［242］、R［245］、R［248］、R［250］，總共有5 個:R［237］為G代碼告訴PLC讓機械手開始毛坯準備、檢測和毛坯自動供給的信號(1-開始，0-完了)，R［242］為G代碼程序的現(xiàn)在磨削階段狀態(tài)遞給PLC的信號(1-第一面磨削，2-第二面磨削)，R［245］為PLC告訴G代碼工作臺上已準備好毛坯的信號(1-準備好，2-沒準備)，R［248］為 PLC 告訴G代碼在毛坯移動中毛坯掉下等異常事故發(fā)生的信號(1-出錯，0-正常)，R［250］為 PLC 告訴G代碼現(xiàn)在在毛坯準備臺上該磨削的毛坯不存在的信號(1-該磨削的毛坯沒有，0-還有)。

圖5 PLC和G代碼程序之間相互結合

可是G代碼程序不能直接賦值或讀取R寄存器的值，因此，通過M代碼來讀入相應R寄存器的值以后，再把它傳遞給相應的宏變量，然后用該宏變量來進行必要的處理。比如，在圖3的G代碼流程圖中毛坯準備階段，若R［245］為1，則根據G代碼進行第一面或第二面磨削加工;而若它為0，則使G代碼等待，此時G代碼不斷地執(zhí)行M36代碼，當M36中的R［245］=1時，解釋器解釋M代碼后根據其解釋結果來對宏變量賦予相應的值。

3.2 動作重疊的PLC編程技術

本PLC控制系統(tǒng)的控制對象除了數(shù)控裝置的一般控制環(huán)節(jié)(比如輸入輸出開關量)外，還有兩個獨立軸機械手移動、鋸片檢測時氣缸的推動、清潔器運動、翻面機運動等4個控制環(huán)節(jié)(圖4參考)。為實現(xiàn)這4個獨立的控制環(huán)節(jié)動作時間的相互重疊，應該使每個控制環(huán)節(jié)同時進入控制狀態(tài);為此，在各個控制環(huán)節(jié)中先判別其對別的環(huán)節(jié)有沒有影響，若沒有影響，則啟動該控制環(huán)節(jié)。如果有一個控制環(huán)節(jié)對另一個控制環(huán)節(jié)有影響，則必須等待該控制環(huán)節(jié)結束后，才能啟動另一控制環(huán)節(jié)。比如，清潔器和機械手同時進入工作狀態(tài)，只有在工作臺上沒有毛坯且機械手不在工作臺上方的條件下，才允許清潔器開始相應的動作;同理，翻面機也是只有在清潔器完成工作臺面清掃，并回到初始位置后，才允許翻面動作。根據圖4的鋸片搬運、檢測、翻面、磨削及其相互動作重疊的控制需求，編制的基于動作重疊的PLC部分控制程序如下。

上面PLC程序中的M20()子程序為控制機械手從毛坯位置抓取鋸片毛坯，放到檢測位置，緊接著測量鋸片厚度，然后機械手抓取鋸片放到翻面位置。M20()子程序被調用的條件為，檢測臺上沒有毛坯而且翻面位置上也沒有毛坯，或這三個位置上(檢測、翻面、工作臺)都沒有毛坯;M26()子程序控制機械手將檢測位置上等待著的毛坯拿到翻面位置上，這一個子程序被調用的條件為磨床已進入第二面磨削工作狀態(tài)，而且翻面位置上沒有毛坯。M27()子程序為清潔工作臺程序，M23()子程序為將翻面位置的毛坯翻面到加工位置的動作代碼。從上面程序上可知，若有一個動作條件被滿足，就隨時調用相應的子程序，所以每一個動作時間都可以有效地重疊。本文所用數(shù)控系統(tǒng)PLC的掃描時間為16ms，因此在這16ms內所有子程序可以被同時調用(當然只在相應動作條件被滿足的場合上)。

4 對比分析結果

原開環(huán)控制數(shù)控磨削:單件雙面磨削時間約2min，每磨削鋸片約5～7個后，需離線測量鋸片厚度，憑經驗修改砂輪磨損補償值或G代碼程序。在參數(shù)修改后，需對所加工的第一個鋸片進行厚度檢測，調整補償參數(shù)。為此，需占用5～10min加工時間。由于調整不及時或不準確，廢品率為2～3%［1］。

基于電渦流傳感器的數(shù)控磨削:單件雙面磨削時間約2min，每工作3～4h后，需要對鋸片厚度進行離線測量，如果加工過程中環(huán)境溫度和加工對象的材質有所變化，需要對鋸片基準進行相應的修調，如果材質變化很大，則需重新標定［2］。這時間也是大約5～10min。同時磨削過程中需要手動上下料，占用時間大約2～3min，而且勞動強度大，使用起來不方便且危險性很大。

全自動鋸片磨削:單件雙面磨削時間在3min左右，只有在更換砂輪，才需進行對刀操作。工人師傅只需將鋸片毛坯成批的放到毛坯位置和將成品成批的運走即可。鋸片的上下料、厚度測量、砂輪磨順量的自動補償以及鋸片成品和廢品的自動篩選等操作都由數(shù)控磨床自動完成，大大的降低了工人的勞動強度，提高了整個加工效率。

本文開發(fā)的專用數(shù)控系統(tǒng)應用在型號為ZDMC400的全自動鋸片磨削機床中，實物照片如圖6所示。

圖6 鋸片磨削機床

5 結束語

在通用CNC磨床的基礎上，采用毛坯供給機械手和厚度檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了對毛坯供給，毛坯與成品尺寸檢測以及鋸片磨削等全過程的自動控制，尤其是在上下料的PLC控制系統(tǒng)上，開發(fā)了動作控制環(huán)節(jié)相重疊的PLC程序和G代碼程序。磨削過程、毛坯供給及檢測過程相互分離，從而實現(xiàn)了在CNC磨床上磨削鋸片的同時，使機械手上下料、鋸片厚度的檢測等過程的并行進行。本文開發(fā)的專用數(shù)控系統(tǒng)，不僅有效地提高了鋸片磨削加工的精度和穩(wěn)定性，而且加工效率也大大提高了。對推動鋸片生產的FMS化打下了良好的基礎。

［1］孫瑩，王平江.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)［J］.制造技術與機床，2010(2):73-77.

［2］Y.Guo，Y.Peng，Z.Wang。A novel precision face grinder for advanced optic manufacture，Proc.SPIE/Volume 7655/Session 2-1(2010).

［3］孫瑩，王平江.鋸片磨削加工的多線程控制策略及實現(xiàn)［J］.制造業(yè)信息化.機械工程師，2009(11):99-102.

［4］張和平，余英良.經濟型數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)半閉環(huán)控制磨削加工［J］.機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2007(2):171-172，174.

［5］R.B Mindek，T.D.Howes。Slot and vertical face grinding of aerospace components，J.Eng.Gas Turbines Power，July1996，Volume 118，Issue 3.

［6］趙美寧，王佳.自動供料機械手的PLC控制系統(tǒng)設計.液壓與氣動，2007(9):60-63.

［7］武漢華中數(shù)控股份有限公司、華中數(shù)控PLC編程說明書.2001.

A Full-Automatic System of Saw Grinding Based On The Automatic Checking System and the Feeder Manipulator

LI Yong1，2，WANG Ping-jiang2，QI Jiang-fei2，TANG Xiao-qi2
(1.Department of Mechanical Engineering，Hichon Industrial University，Hichon City，Jagang Province，DPRK;2.Numerical Control Center，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

This paper introduces in detail a automatic control method for the manipulator for feeding workpiece，the checking system and the saw grinding process by a induction displacement sensor and a feeder manipulator.Characteristics of this method is that the grinding process，the workpiece feeder and inspecting are independent processing，so that the full-automatic system of saw grinding system can grind in the CNC machine while a workpiece is fed to machine and the thickness of it is checked.Thus，it can overlap grinding time and workpiece feeding time efficiently，and not only can increase production efficient and automation level substantially，but also can realize FMS for saw production.

full-automatic system for saw grinding;induction displacement sensor;manipulator;overlapping time;PLC

TH16;TG596

A

1001-2265(2012)02-0072-05

2011-05-04;

2011-05-25

李勇(1964—)，男，副教授，研究方向為CAD/CNC，CAD/CAM，機械制造裝備自動化，(E-mail)2209969361@qq.com。

(編輯 李秀敏)