李洪波，張?zhí)稞垼瑢m 哲，雷志偉，李玉霞

(河北省自動化研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

水平儀是一種用于測量平面水平度和垂直度的儀器。除了完成一般的檢測任務以外，有些水平儀還能夠測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構簡單、運行可靠、價格低廉等優(yōu)點，應用最為廣泛。

氣泡水平儀的架座一般采用高級鋼料制造，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)，并留有一個空隙即所謂的氣泡。當水平儀發(fā)生傾斜時，由于重力作用，氣泡會發(fā)生移動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，該曲率對應的弧線越光滑，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，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、左右運行，并輔以金剛砂磨料，最終實現(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)品國際化、高標準的需求。

因此，本文設計了一套基于PLC控制技術的高硼硅玻璃管內(nèi)表面機械化全自動磨削裝置。該裝置包括高精度玻璃管夾持機構、磨頭夾持機構、電鍍金剛石磨頭、傳動主軸、橫向進給機構和縱向進給機構等，各機構在PLC控制系統(tǒng)的作用下，按照磨削工藝，設計基于圓弧插補功能的控制算法，合理規(guī)劃磨削路徑，從而實現(xiàn)玻璃管內(nèi)表面的精密磨削。

2 全自動高精度磨削裝置

2.1 磨削裝置機械設計

全自動高精度磨削裝置的機械結構如圖1所示，主要由高精度玻璃管夾持機構、磨頭夾持機構、電鍍金剛石磨頭、傳動主軸、橫向進給機構和縱向進給機構組成。

圖1 全自動高精度磨削裝置機械結構

(1)高精度玻璃管夾持機構：玻璃管夾持機構采用小口徑、高精度氣動夾頭，夾頭固定于傳動主軸上，通過法蘭連接，并在電機的驅(qū)動下與傳動主軸同軸旋轉，實現(xiàn)玻璃管的自轉功能，自轉轉速為1 000 r/min。

(2)磨頭夾持機構：磨頭夾持機構采用集成動力頭的一體化高速打磨電機，轉速不低于20 000 r/min，輸出軸跳動量在0.05 mm以內(nèi)，保證運行精度和運行壽命。

(3)電鍍金剛石磨頭：磨頭形狀設計為標準球形，半徑為3 mm～5 mm，定制加工，球形表面電鍍金剛石顆粒。

(4)橫向進給機構：采用高精度絲杠模組搭配伺服驅(qū)動，實現(xiàn)磨頭相對于玻璃管的橫向進給和后退動作，橫向進給量決定了玻璃管內(nèi)表面圓弧的基準位置。

(5)縱向進給機構：采用高精度絲杠模組搭配伺服驅(qū)動，實現(xiàn)磨頭相對于玻璃管的縱向進給和后退動作，縱向進給量決定了玻璃管內(nèi)表面圓弧的磨削深度。

2.2 磨削裝置算法設計

根據(jù)玻璃管內(nèi)壁圓弧尺寸的要求(半徑R=600 mm～700 mm)，設計基于PLC控制技術的圓弧插補算法，通過X軸模組和Y軸模組的聯(lián)合作用，實現(xiàn)玻璃管內(nèi)壁的圓弧路徑繪制。在磨削過程中，磨頭的運動軌跡就是在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系，確定磨削圓弧的起點和終點坐標，通過調(diào)用PLC的軸組運動控制功能塊DMC_MoveCircularRelative分別設置X、Y軸的進給速度、加速度、減速度以及加速度變化率等參數(shù)，即可實現(xiàn)圓弧插補繪制功能。圓弧繪制原理如圖2所示，通過設置圓弧繪制平面的相關參數(shù)，可以選擇用半徑法在XY平面畫圓。使用該方法時，需要設置XY平面上圓的半徑值、設置繪制的圓弧為優(yōu)弧或者劣弧、定義圓弧起點和終點的坐標值。

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)設置為正方向，軸組在指定平面上進行順時針(R+)圓弧插補；在圖3(b)中，將圓弧方向的參數(shù)設置為負方向，軸組在指定平面上進行逆時針(R-)圓弧插補。按照磨削工藝流程，規(guī)劃整個磨削過程的運行路徑，并循環(huán)往復運行。

圖3 順時針和逆時針圓弧插補

2.3 PLC程序編寫

本裝置的PLC控制器選用臺達DVP-50MC-06運動控制器，伺服驅(qū)動器選用臺達ASD-A2-0421-E，伺服電機選用臺達ECMA-C10804R7。PLC和伺服驅(qū)動器通過EtherCAT總線連接，提高了控制系統(tǒng)的響應精度。

為了實現(xiàn)X軸和Y軸兩軸聯(lián)動繪制圓弧路徑的功能，編寫PLC程序時，需要調(diào)用PLC的軸組運動控制功能塊DMC_MoveCircularRelative，如圖4所示。根據(jù)該功能塊各個引腳的定義，通過設置圓弧的起點坐標、圓弧的半徑、圓弧的終點坐標、圓弧的繪制方向以及X軸、Y軸運行的加速度和減速度等參數(shù)，即可實現(xiàn)兩軸聯(lián)動繪制圓弧路徑的功能。通過反復測試，優(yōu)化各個參數(shù)，最終達到理想的運動軌跡。

圖4 DMC_MoveCircularRelative功能塊

DMC_MoveCircularRelative功能塊的引腳定義如下：

AxesGroup：設定欲控制的軸組編號；

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

CircMode：設定圓弧插補的方式：

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，表示圓心坐標；半徑法畫圓時，Auxpoint[1]表示半徑；

EndPoint：圓弧終點各軸坐標到起點的距離；

PathChoice：設定圓弧插補的方向；

Velocity：設定的目標合成速度；

Acceleration：設定的目標合成加速度；

Deceleration：設定的目標合成減速度；

Jerk：設定的目標合成加速度變化率；

Done：該輸出參數(shù)為TRUE時表示指令執(zhí)行完成。

2.4 磨削效果測試

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

圖5 玻璃管內(nèi)壁圓弧精度檢測

對比人工磨削的精度，該裝置的磨削精度基本達到了國際通用標準的水平，即氣泡偏移量2 mm時，角度傾斜范圍保持在9′～11′，磨削效果良好。

3 結束語

設計了基于PLC控制技術和伺服運動控制技術的高精度玻璃管內(nèi)壁自動磨削裝置，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，提升了磨削的自動化水平，降低了企業(yè)的運營成本，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。