元 煒

（上海機(jī)床廠有限公司 上海 200093）

1 引言

在傳統(tǒng)的機(jī)械加工中，操作者的操作技能、經(jīng)驗(yàn)在控制加工質(zhì)量的過(guò)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(shì)驅(qū)動(dòng)的“無(wú)人化時(shí)代”的到來(lái)，以及產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，機(jī)械加工的精度、穩(wěn)定性和可靠性需達(dá)到一定的程度才能滿足現(xiàn)代化制造工藝。同時(shí)數(shù)控磨床的廣泛使用，弱化了操作者的技能，而對(duì)加工設(shè)備提出了更高的要求，因此國(guó)內(nèi)外都開(kāi)展了磨削過(guò)程化工藝的研究，其中包括：

（1）在線測(cè)量。零件測(cè)量對(duì)整個(gè)過(guò)程提供零件質(zhì)量檢查、加工過(guò)程優(yōu)化和后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程具有重要意義。零件測(cè)量又可分為在線測(cè)量與離線測(cè)量?jī)煞N方式，其中離線測(cè)量是指零件加工后搬運(yùn)到指定地點(diǎn)通過(guò)固定的測(cè)量設(shè)備所進(jìn)行的測(cè)量。離線測(cè)量由于加工和測(cè)量不是同步進(jìn)行的，增加了搬運(yùn)、重復(fù)裝夾等操作[1]。相對(duì)于離線測(cè)量而言，在線測(cè)量可以在磨削過(guò)程中做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，適用情況更廣、生產(chǎn)效率更高。磨床在線測(cè)量時(shí)，通過(guò)不同磨削階段的控制進(jìn)行進(jìn)給速度的優(yōu)化，使得尺寸控制和加工循環(huán)都能達(dá)到最佳效果，是實(shí)際生產(chǎn)測(cè)量中測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(guò)程中，都會(huì)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(jī)床運(yùn)行時(shí)的噪音就能根據(jù)頻率段的不同而區(qū)分開(kāi)來(lái)[2]。正因?yàn)橛兄@樣的特質(zhì)，利用儀器檢測(cè)、記錄、分析其聲發(fā)射信號(hào)，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(dòng)平衡。在磨床主軸轉(zhuǎn)速不斷提高成為趨勢(shì)的同時(shí)以及實(shí)現(xiàn)工件卓越表面加工質(zhì)量的能力需求背景下，對(duì)因機(jī)械部件和旋轉(zhuǎn)砂輪的不平衡而產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行有效控制，自然而然是十分必要的，從而引入了砂輪主動(dòng)平衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效地監(jiān)控由振動(dòng)傳感器（加速度傳感器）發(fā)出的信號(hào)，并改變內(nèi)置砝碼的位置，以最大程度減少殘余振動(dòng)。

對(duì)于以往的數(shù)控磨床來(lái)說(shuō)，實(shí)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(hào)交互帶來(lái)的操作和成本問(wèn)題，本文采用了多功能電子量?jī)x系統(tǒng)，通過(guò)Profibus-DP與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，整合了在線測(cè)量、聲發(fā)射監(jiān)控和砂輪動(dòng)平衡功能于一體，用于數(shù)控磨床加工過(guò)程的控制，來(lái)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(cè)量

多功能電子量?jī)x系統(tǒng)的在線測(cè)量是一種主動(dòng)比較式測(cè)量監(jiān)控方式，即在工件加工的同時(shí)，測(cè)量裝置始終監(jiān)測(cè)著被測(cè)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(gè)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(hào)，從而使得機(jī)床在不同加工階段使用不同的砂輪轉(zhuǎn)速或進(jìn)給速度等磨削工藝狀態(tài)，形成相對(duì)完整的閉環(huán)控制，從而獲得加工工件的表面質(zhì)量。由測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)精密的尺寸控制，達(dá)到加工循環(huán)時(shí)間的最佳效果。

2.2 聲發(fā)射監(jiān)控

使用AE聲發(fā)射信號(hào)（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(guò)程中，只能依靠經(jīng)驗(yàn)而在砂輪接觸到工件前降低快速進(jìn)給速度至磨削進(jìn)給速度。由于沒(méi)有科學(xué)的檢測(cè)依據(jù)，為了安全起見(jiàn)，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(jìn)給的磨削進(jìn)給速度，勢(shì)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(shí)的聲發(fā)射信號(hào)，來(lái)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(kāi)始后，開(kāi)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(hào)就會(huì)瞬間增加并超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閥值，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出消空程完畢的信號(hào)，使得數(shù)控系統(tǒng)瞬間降低“砂輪/修整器”的進(jìn)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(guò)程中，由于編程失誤、操作失誤及加工工件在上道工序時(shí)存在的偏差，時(shí)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(shí)，保證機(jī)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(hào)。在磨削加工時(shí)監(jiān)控聲納，當(dāng)實(shí)時(shí)接收到的聲納信號(hào)高于正常磨削的數(shù)據(jù)時(shí)，一個(gè)“超出碰撞極限”的信號(hào)就會(huì)輸出給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)使機(jī)床做出快速回退或緊急停止的動(dòng)作，避免了砂輪主軸、工件和機(jī)床其他部件的損壞。

2.3 砂輪動(dòng)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(hào)，主軸箱附近安裝振動(dòng)傳感器采用振動(dòng)信息，砂輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)分析，再將控制指令給平衡電機(jī)，平衡電機(jī)按指令進(jìn)行不同角度的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)砂輪的動(dòng)態(tài)平衡。

2.4 三種硬件設(shè)備的通訊方案

現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)在線測(cè)量、聲發(fā)射監(jiān)控和砂輪動(dòng)平衡功能的多功能電子量?jī)x系統(tǒng)與數(shù)控磨床之間的通訊，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加方便，組態(tài)、調(diào)試也更容易，且有著便于擴(kuò)展與信息集成的特點(diǎn)。

在圖2所示的加工流程圖中，融入多功能電子量?jī)x系統(tǒng)的在線測(cè)量、聲發(fā)射監(jiān)控和砂輪動(dòng)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(gè)加工流程的可控性與效率得到進(jìn)一步的提升。

圖2 加工流程圖

3 通訊接口和信號(hào)處理

3.1 通訊接口

多功能電子量?jī)x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(fù)極，一組終端電阻DC5V和一組中繼器控制信號(hào)以及一個(gè)屏蔽/保護(hù)地的信號(hào)。

3.2 信號(hào)處理

根據(jù)量?jī)x系統(tǒng)的放大器，針對(duì)在線測(cè)量系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)控均需定義量?jī)x自動(dòng)/手動(dòng)狀態(tài)、測(cè)量項(xiàng)目與測(cè)量循環(huán)的信號(hào)。

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

對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)輸出側(cè)需定義的信號(hào)為：測(cè)量?jī)x自動(dòng)信號(hào)，在線測(cè)量請(qǐng)求信號(hào)，在線測(cè)量測(cè)爪氣收張信號(hào)、砂輪動(dòng)平衡使能信號(hào)、消空程使能、防碰撞使能和聲發(fā)射監(jiān)控啟動(dòng)信號(hào)。

4 軟件組態(tài)、PLC編程原理及在線測(cè)量加工程序

4.1 組態(tài)設(shè)置

在量?jī)x系統(tǒng)的顯示面板上設(shè)定現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP地址為26，并且通過(guò)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(cè)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?jī)x系統(tǒng)在其自動(dòng)模式下才能進(jìn)行各功能的工作，所以在整個(gè)加工循環(huán)前，首先得處理工作模態(tài)信號(hào)（Q61.0和Q69.0），即當(dāng)操作者將機(jī)床的工作模態(tài)切換至自動(dòng)時(shí)，量?jī)x系統(tǒng)也將切換成該模態(tài)，且得到量?jī)x系統(tǒng)的反饋信號(hào)（I60.0）。

4.2.2 在線測(cè)量

(1)測(cè)量循環(huán)前：在磨削加工伊始，測(cè)爪與其推動(dòng)油缸均在非測(cè)量位置，量?jī)x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(cè)量階段時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)向量?jī)x發(fā)出測(cè)爪收張請(qǐng)求（Q61.3）,測(cè)爪張開(kāi)至預(yù)設(shè)范圍后，量?jī)x將測(cè)爪收張信號(hào)（I60.4）反饋至數(shù)控系統(tǒng)，量?jī)x油缸攜測(cè)爪進(jìn)至工件表面，等待測(cè)量循環(huán)開(kāi)始。

(2)測(cè)量循環(huán)：數(shù)控系統(tǒng)檢測(cè)出測(cè)爪已經(jīng)在測(cè)量位置后，向量?jī)x發(fā)出測(cè)量請(qǐng)求（Q61.3）,測(cè)量循環(huán)即開(kāi)始。隨著加工工件的尺寸不斷減小，達(dá)到量?jī)x設(shè)定的粗磨發(fā)訊點(diǎn)（I61.4）、精磨發(fā)訊點(diǎn)（I61.5）和光磨發(fā)訊點(diǎn)（I61.6）后，信號(hào)送至數(shù)控系統(tǒng)的PLC-NC板載交互信號(hào)（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(duì)應(yīng)的下一階段；當(dāng)加工工件的尺寸到達(dá)量?jī)x所設(shè)定的零位信號(hào)（I61.7）時(shí)，也將信號(hào)轉(zhuǎn)換成 PLC-NC板載交互信號(hào)（DB10.DBX1.3），得到信號(hào)的數(shù)控系統(tǒng)將測(cè)爪油缸退出，測(cè)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(cè)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(cè)循環(huán)（Q68.4）。

(2)檢測(cè)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(duì)量?jī)x的消空程循環(huán)開(kāi)始（Q69.3）后，進(jìn)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(hào)高于預(yù)設(shè)值時(shí)，量?jī)x反饋至數(shù)控系統(tǒng)的消空程信號(hào)（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(cè)量階段；同樣在使用防碰撞功能時(shí)，在激活其對(duì)應(yīng)的控制使能（Q69.2）和循環(huán)請(qǐng)求（Q69.3）后，在任何時(shí)候只要有著高于預(yù)設(shè)碰撞信號(hào)的聲納由傳感器傳送量?jī)x系統(tǒng)后，都會(huì)有一個(gè)碰撞反饋信號(hào)（I70.4），該信號(hào)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(dòng)作。

4.3 在線測(cè)量的加工程序

在數(shù)控加工程序中，$A_IN[1]- $A_IN[4]分別對(duì)應(yīng)的 NC板載信號(hào) 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(shí)施

這里以兩臺(tái)外圓磨床進(jìn)行比較，其中一臺(tái)是數(shù)控外圓磨床并帶有多功能電子量?jī)x系統(tǒng)，而另一臺(tái)則是普通的外圓磨床，使用這兩臺(tái)機(jī)床分別加工了20件同規(guī)格零件，測(cè)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(cè)試結(jié)果

從加工精度上來(lái)說(shuō)：數(shù)控外圓磨床由于使用了測(cè)量?jī)x的在線測(cè)量功能，實(shí)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(shí)間上來(lái)說(shuō)：數(shù)控外圓磨床使用了量?jī)x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(cè)量系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)工件相對(duì)尺寸，進(jìn)而將每個(gè)工件的加工時(shí)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(cè)中，有著重復(fù)進(jìn)刀、退刀的加工步驟，其每個(gè)工件的加工時(shí)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?jī)x系統(tǒng)的砂輪動(dòng)平衡模塊，降低了由于砂輪主軸不平衡對(duì)加工工件表面質(zhì)量的影響，工件表面粗糙度能達(dá)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?jī)x系統(tǒng)及數(shù)控系統(tǒng)，能夠做到在一次編程、量?jī)x調(diào)整后，批量磨削加工，將加工精度完全交給機(jī)床本身，可以實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)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?jī)x系統(tǒng)的數(shù)控磨床不管在加工精度、效率、質(zhì)量上都遠(yuǎn)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(yǔ)

伴隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)床的穩(wěn)定性能、可靠性以及加工效率要求越來(lái)越高。通過(guò)多功能電子量?jī)x系統(tǒng)在數(shù)控磨床上的使用，以Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線建立測(cè)量?jī)x與數(shù)控系統(tǒng)之間的通訊，運(yùn)用其在線測(cè)量功能保證加工精度，砂輪動(dòng)平衡功能解決了砂輪主軸振動(dòng)對(duì)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。