趙立志 邢 亮 王 勇 施 群

（①中船重工集團第七二二研究所，湖北武漢430079;②武漢飛米思科技有限公司，湖北武漢430073）

在紡織機械領(lǐng)域，需要采用表面質(zhì)量非常光滑的陶瓷零件進行導(dǎo)絲。在傳統(tǒng)的陶瓷工件坯料磨削減薄加工的過程中，需人工取下工件測量其厚度，在達到要求控制的尺寸公差過程中往往每個工件需要2～3次反復(fù)測量的過程，效率較低。

為了提高加工效率，需要解決加工尺寸自動控制的問題。當前存在電磁檢測、聲發(fā)射傳感器、激光測距儀等多種厚度檢測方法。但以上的方法存在只能檢測金屬零件或者耐沖擊振動能力差、檢測精度不夠、設(shè)備成本高等缺點，目前難以應(yīng)用到該型磨床上。因此，找到一種相對簡易實用且滿足精度要求的自動檢測與控制方法非常有意義。

1 工件尺寸測量的常用方法

陶瓷工件的尺寸規(guī)格較多，各種工件所要求的精度等級也較高，本文以圖1所示工件為例進行說明，圖中a為磨削過程中所需減薄尺寸。測量尺寸的方法可以分為直接測量法和間接測量法。

1.1 直接測量法

（1）手工離線測量

手工取下工件并測量工件尺寸，在批量生產(chǎn)過程中，反復(fù)的加工與檢測，工人勞動強度大。

（2）磨床在線主動測量裝置測量

該裝置只能測量工件外圓，獲得工件的直徑尺寸數(shù)據(jù)，無法獲得工件厚度尺寸，無法解決工件厚度尺寸在線檢測與實時顯示的問題。

1.2 間接測量法

通過檢測元件檢測其與工件被加工面之間的相對距離也可以間接獲得工件的厚度尺寸?？梢詫崿F(xiàn)間接測量的方法主要包括以下幾種:

（1）自動測頭

數(shù)控機床在工件尺寸檢測中常用到自動測頭（如圖2）。該類型測頭的優(yōu)點是檢測精度高，但缺點是需要在停機狀態(tài)下使用。該類型測頭在批量自動減薄加工過程中并不適用。

（2）激光測距傳感器

激光測距傳感器（圖3）用于產(chǎn)品厚度檢測、相對距離檢測等場合，其精度可以達到 7 μm、20 μm、40 μm等。其優(yōu)點有:測量精度較高、量程大、體積小、安裝調(diào)試方便、在線式連續(xù)測量等。

（3）其他方法

除以上的常用測距方法外，還有超聲波檢測法、磁性測厚法、渦流測厚法、電解測厚法等。

以上各種常見方法中7 μm級激光測距傳感器可以達到檢測要求的精度。但該檢測元件抗振性較差，并且在不停機狀態(tài)下在線檢測對機床機座的剛性要求非常高，如果中間停機檢測又降低了加工效率，而且切削液的存在也對該方法的檢測精度產(chǎn)生影響，不適合用于該型專用磨床的場合。其他方法由于不耐振或者精度較低、價格昂貴等原因也不適于在本磨床場合應(yīng)用。

2 光柵尺與對刀儀組合用檢測裝置

在對比各種檢測方法的精度、可靠性、性價比的基礎(chǔ)上，本方案提出采用光柵尺與對刀儀組合使用的檢測裝置，通過程序可以自動控制實現(xiàn)工件厚度尺寸的精確控制。

2.1 光柵尺與對刀儀組合系統(tǒng)的介紹

系統(tǒng)組成如圖4、圖5所示，檢測部分主要由光柵尺與對刀儀組成，通過伺服電動機驅(qū)動滾珠絲桿帶動工作臺及砂輪進行往復(fù)運動，光柵尺是通過工作臺與砂輪相連的，通過光柵尺的數(shù)據(jù)輸出可以在顯示屏上實時反映砂輪進給過程中工件厚度的變化，由系統(tǒng)依據(jù)程序算法控制砂輪的自動進給距離即可控制工件減薄后所剩尺寸。

系統(tǒng)控制電磁閥的動作對擺動氣缸動作進行控制，由擺動氣缸帶動對刀儀進行擺動過程，每個加工區(qū)段按照定額的30個工件加工完成后，擺動氣缸帶動對刀儀旋轉(zhuǎn)至砂輪的進給通道上，進行一次對刀，對刀完成后，擺動氣缸帶動對刀儀離開砂輪進給通道，通過對刀過程對上個加工區(qū)段的砂輪磨損的累積誤差進行清零，確保新的區(qū)段的加工過程中工件尺寸的精度。

由于工件加工的精度要求較高，因此對擺動氣缸的安裝精度與對刀儀本身的對刀精度都提出了較高的要求。經(jīng)計算選用安裝精度在±0.01 mm的MSQB－10型擺動氣缸，選用重復(fù)定位精度在2 μm的TTC－100型對刀儀。綜合以上的因素，可以滿足定位精度要求。且通過調(diào)試過程將實際測得的擺動氣缸與對刀儀的安裝偏差量進行消除，可以達到更高的定位精度。

2.2 該測量裝置的關(guān)鍵原理

光柵尺在其有效的行程上可以精確的定位，其定位精度可以達到±3 μm，分辨率可以達到1 μm甚至0.5 μm，可以用來實時準確地反映砂輪在行程上的位置變化。圖5中A為工件達到所要求的工件標準尺寸時砂輪的進給停止位，B處為對刀儀提供的砂輪進給起點位，A、B之間的距離S即為砂輪標準進給行程。

如果不考慮砂輪的磨損，那么起點與工件加工目標位置之間的行程S是固定的，理論上系統(tǒng)只要按照設(shè)計的行程S控制砂輪進給距離即可精確控制工件的厚度。但實際上砂輪磨損并不能忽略，如果不考慮砂輪磨損的補償，加工一定數(shù)量后由于砂輪磨損積累會使工件尺寸逐漸加大，最終工件尺寸超出允許公差值就會導(dǎo)致廢品的出現(xiàn)。

通過批量加工測量得到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)實際加工過程中每個工件砂輪磨損消耗量Δ非常小，在加工過程中設(shè)置一個經(jīng)驗平均值Δ對砂輪磨損量予以補償，那么就可以消除砂輪磨損影響，可以較高精度地控制工件尺寸。砂輪進給距離算法程序為:

加工第一件:S1=S

加工第二件:S2=S+Δ

加工第n件:Sn=S+（n－1）Δ （1≤n≤30）（1）

加工第30件:S30=S+29Δ

在控制系統(tǒng)中通過光柵尺的數(shù)據(jù)反饋，通過控制砂輪進給距離控制工件的厚度，那么依據(jù)上面的算法，對經(jīng)驗平均值 Δ來說其越接近實際磨損消耗值，機床加工獲得的工件的精度越高。在經(jīng)驗值Δ一定的情況下，實際加工過程中有幾個因素會影響到砂輪實際消耗量Δ，主要影響因素如下:

件規(guī)格不同加工表面面積不同，如 φ20 mm與φ32 mm對砂輪消耗量不同;

②砂輪磨削層材料致密性不同導(dǎo)致硬度不均勻;

③工件坯料需減薄厚度a值不一致。

以上3個因素都會導(dǎo)致每個工件砂輪磨損消耗量Δ不相同，因此較準確地測量每個工件的砂輪磨損消耗量Δ成為一個重要因素。通過對以上3個因素進行測定后，建立每種規(guī)格工件對應(yīng)的砂輪磨損消耗量經(jīng)驗值Δ的數(shù)據(jù)庫，并將該數(shù)據(jù)保存在控制系統(tǒng)中，每一批工件加工開始前依據(jù)實際情況在顯示屏操作面板上進行設(shè)置即可調(diào)用經(jīng)驗值Δ。

3 結(jié)語

通過光柵尺與對刀儀的組合使用，解決了精確定位、砂輪磨損補償與誤差累積清零這幾個重要問題，以較低的成本、較高的可靠性實現(xiàn)了端面磨床工件減薄過程中的工件厚度自動控制，比傳統(tǒng)的直接檢測的激光測距儀、聲發(fā)射傳感器等其他方式具有明顯的抗振、抗切削液干擾、低成本等優(yōu)勢?？梢栽谕惸ゴ苍O(shè)備上或自動加工線上推廣應(yīng)用。能夠提高設(shè)備或系統(tǒng)的自動化程度，提高加工效率。

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