在鋸片磨削過程中,由于機(jī)床自身運動誤差和砂輪磨損,導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)的指令磨削量與實際磨削量出現(xiàn)較大偏差(嚴(yán)重時實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,對磨削誤差(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法得到根本解決。本文針對原數(shù)控鋸片磨床的缺點與不足,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)鋸片厚度實時在線自動測量功能,數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)測量值與理論值的關(guān)系,確定磨削誤差,并在磨削過程中進(jìn)行誤差實時補(bǔ)償,從而實現(xiàn)對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P0的位置;磨削加工開始,首先完成毛坯厚度的測量,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,則計算出砂輪在磨削初始點P1時其中心的坐標(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)生報警信息并退出加工。當(dāng)毛坯測量完成,且滿足正常磨削條件時,砂輪從起刀點P0快速運動到磨削初始點P1,開始磨削循環(huán)加工。一個磨削循環(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。每完成一個磨削循環(huán),系統(tǒng)便對鋸片厚度進(jìn)行一次測量。根據(jù)鋸片厚度的測量值,計算本次磨削循環(huán)產(chǎn)生的磨削誤差,以磨削誤差實時補(bǔ)償原則,確定下一個磨削循環(huán)的加工參數(shù),隨后繼續(xù)進(jìn)行磨削循環(huán)加工;當(dāng)鋸片厚度測量值≤進(jìn)入精磨的理論厚度或進(jìn)入光磨的理論厚度時,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)鋸片厚度測量值與鋸片標(biāo)準(zhǔn)厚度之差在允許的公差范圍內(nèi)時,整個磨削循環(huán)加工結(jié)束,砂輪快速返回到起刀點P0,磨削加工過程結(jié)束。對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)啟動鍵,則系統(tǒng)完成自動加工。
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量系統(tǒng)而構(gòu)成的,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。測量系統(tǒng)由量程為0~4mm的電渦流位移傳感器和采樣模塊組成,實現(xiàn)對鋸片表面與傳感器測量頭之間距離的在線測量。傳感器輸出的正比于距離值的電壓信號,經(jīng)采樣模塊首先轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量(測量靈敏度約為:0.001mm/位),再轉(zhuǎn)換為數(shù)控系統(tǒng)PLC的I/O接口能識別的開關(guān)量信號。在每一次測量期間,數(shù)控系統(tǒng)的PLC以8ms的執(zhí)行周期,對I/O接口的測量值進(jìn)行150次采樣。150個數(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,均由鋸片厚度的測量值實時決定,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接口獲取測量數(shù)據(jù)的能力,為此,必須對數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā),創(chuàng)建一個軟件磨削控制器。軟件磨削控制器主要實現(xiàn)對來自數(shù)控系統(tǒng)外部I/O接口的測量數(shù)據(jù)的采樣計算,并將計算信息實時傳遞給G代碼程序,從而實現(xiàn)由鋸片厚度測量值實時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)運行,共同完成對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,如圖中砂輪由X軸從中心向外退回到與傳感器測量頭安裝位置A點對稱的B點位置時(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測量系統(tǒng),對鋸片厚度進(jìn)行采樣計算。磨削控制器根據(jù)本次測量值,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)后的測量值,確定本次磨削循環(huán)的實際磨削量Δ′Z,按式(1)計算出本次磨削循環(huán)的磨削誤差δZ和砂輪的磨損量ΔR;并以誤差實時補(bǔ)償原則,按式(2)計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,將本次判斷和計算信息傳遞給G代碼,最終通過G代碼程序?qū)崿F(xiàn)對磨削過程的直接控制。
由于本系統(tǒng)通過實時測量能反映砂輪Z軸實際進(jìn)給值的實際磨削量Δ′Z,并對砂輪Z軸理論進(jìn)給量Δ*Z進(jìn)行實時修正,直到砂輪實際Z軸總進(jìn)給量等于理論總進(jìn)給量時,才結(jié)束磨削加工。因此,實現(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,由于砂輪磨損量的實時補(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)磨削過程分為三個控制工藝階段,一是砂輪從起刀點P0快速、準(zhǔn)確地運動到磨削初始點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P0。在設(shè)計G代碼程序的流程時,除實現(xiàn)以上三個工藝階段的運動控制外,同時考慮到節(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時采樣計算結(jié)果,因此,軟件磨削控制器反過來又要控制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,將其劃分為兩個任務(wù)。任務(wù)1主要完成第一個控制工藝階段中的功能,即對鋸片毛坯厚度的采樣計算和判斷,并將計算信息傳遞給G代碼程序。任務(wù)1控制流程如圖4所示。任務(wù)2主要完成第二個和第三個控制工藝階段中的功能,即在磨削循環(huán)過程中每次對鋸片厚度進(jìn)行采樣計算,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,任務(wù)2中還應(yīng)按式(3)計算出砂輪回到起刀點P0時其中心的坐標(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);同時及時保存此時鋸片厚度的測量值HNend和砂輪中心的Z軸坐標(biāo)值ZNend,用于在下一個鋸片磨削加工時,軟件磨削控制器在任務(wù)1中,按式(4)進(jìn)行毛坯磨削起始點坐標(biāo)值Z(N+1)P1的計算。這樣,便實現(xiàn)了無需作任何調(diào)整就能自動完成批量生產(chǎn)的要求。任務(wù)2控制流程如圖5所示。
1.4 全閉環(huán)鋸片磨削控制基準(zhǔn)的建立
由于本系統(tǒng)的測量值是鋸片表面到測量頭的距離,而并非鋸片的厚度,因此,必須建立測量值與鋸片厚度之間的尺寸鏈關(guān)系,以及通過測量值來控制磨削工序類型的一系列基準(zhǔn)。根據(jù)鋸片磨削有粗、精和光磨三道工序,本系統(tǒng)建立了標(biāo)準(zhǔn)鋸片控制基準(zhǔn)HS、光磨工序控制基準(zhǔn)Hg和精磨工序控制基準(zhǔn)Hj,如圖1所示。它們分別對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)鋸片厚度、進(jìn)入光磨工序鋸片的理論厚度和進(jìn)入精磨工序鋸片的理論厚度時測量系統(tǒng)的理論測量值。標(biāo)準(zhǔn)鋸片控制基準(zhǔn)HS是通過事先加工一個滿足尺寸要求的標(biāo)準(zhǔn)鋸片,對其進(jìn)行在線測量而獲得的測量值。這樣,根據(jù)HS和用戶所設(shè)定的各工序加工余量,軟件磨削控制器便可自動計算出光磨工序控制基準(zhǔn)Hg和精磨工序控制基準(zhǔn)Hj(各控制基準(zhǔn)間尺寸關(guān)系如圖1所示)。在磨削加工控制過程中,通過將測量值與各控制基準(zhǔn)相對比較,便可間接獲得鋸片厚度值和確定磨削工序類型。
2 關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案
2.1 G代碼程序與磨削控制器之間的協(xié)調(diào)控制機(jī)制
在采用G代碼程序和軟件磨削控制器共同協(xié)調(diào)實現(xiàn)控制的策略上,如何建立起兩者相互之間的協(xié)調(diào)控制機(jī)制,是本系統(tǒng)開發(fā)中所要解決的主要問題。本系統(tǒng)的G代碼程序采用宏變量編程的循環(huán)體系結(jié)構(gòu),G代碼程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中,G代碼程序?qū)浖ハ骺刂破鞯目刂,采用了通過開發(fā)具有特殊功能的M代碼的方式來實現(xiàn)。如特殊功能代碼M103,實現(xiàn)了由G代碼程序控制軟件磨削控制器任務(wù)1的功能。其原理是:當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)的解釋器解釋到M103時,由PLC程序?qū)⑷肿兞縍[294]置1,與此同時,軟件磨削控制器檢測到R[294]為1時,則執(zhí)行任務(wù)1的功能。而軟件磨削控制器對G代碼程序的控制,是通過實時修改G代碼程序中的宏變量指令值來實現(xiàn)的。G代碼程序中設(shè)置的宏變量,有的可控制G代碼程序的執(zhí)行流程,有的本身就是運動指令值。這樣,軟件磨削控制器在修改宏變量時,便實現(xiàn)了對G代碼程序執(zhí)行流程的控制,以及對加工參數(shù)的調(diào)整。如宏變量#119,為磨削完成標(biāo)志宏變量指令,當(dāng)軟件磨削控制器測量到鋸片厚度值與鋸片標(biāo)準(zhǔn)厚度之差在公差允許范圍時,則實時修改#119的值為零,與此同時,當(dāng)G代碼執(zhí)行到由#119的值為條件判斷磨削加工循環(huán)是否結(jié)束的程序段時,由于#119已為零,則自動退出磨削循環(huán)加工,實現(xiàn)了磨削流程的控制。又如宏變量#115,為磨削初始點坐標(biāo)值ZP1宏變量,此值由軟件磨削控制器執(zhí)行任務(wù)1后計算并修改。
2.2 磨削控制器對G代碼程序的實時控制技術(shù)
在磨削循環(huán)過程中,如何實現(xiàn)軟件磨削控制器對G代碼程序控制的實時性,是本系統(tǒng)開發(fā)中所要解決的又一關(guān)鍵問題。如圖6所示,當(dāng)G代碼在執(zhí)行程序段N120時,由于解釋器超前解釋的特性,可能已完成了對程序段N160或其以后程序段的解釋工作,這樣就會將諸如#115、#119等宏變量的當(dāng)前值讀入緩沖區(qū)(此值一經(jīng)讀入便無法修改),而這些當(dāng)前值并非磨削控制器執(zhí)行完任務(wù)1后決定的值,從而失去了由外部信息對G代碼程序控制的實時性。為此,本系統(tǒng)開發(fā)了能禁止解釋器超前解釋功能的特殊代碼M17。在G代碼程序中,可在由測量結(jié)果決定的宏變量值的程序段之前,加入M17代碼,如圖6所示。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)解釋器解釋到M17代碼時,便停止超前解釋工作,這樣就可保證解釋器所解釋的后面程序段中的宏變量,是由前面軟件磨削控制器根據(jù)測量計算而決定和實時修改的值,實現(xiàn)了真正意義上的全閉環(huán)實時控制。
2.3 材料與溫度漂移解決方案
電渦流位移傳感器具有感應(yīng)結(jié)果受材料與溫度影響的缺點。本系統(tǒng)開發(fā)了相應(yīng)的校正與補(bǔ)償環(huán)節(jié),以及時消除材料與溫度帶來的不良影響。對不同材料的鋸片,本系統(tǒng)提供靈活、方便的在線傳感器線性標(biāo)定功能。標(biāo)定方法為:將要標(biāo)定的鋸片磨削出兩個光整表面,在所開發(fā)的傳感器線性標(biāo)定界面中,通過按鍵分別獲得傳感器對兩個表面距離的感應(yīng)值(此值為傳感器感應(yīng)電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量),同時由用戶輸入兩個表面厚度的差值,系統(tǒng)便可自動計算出此材料的線性比例系數(shù)。
由于標(biāo)準(zhǔn)鋸片控制基準(zhǔn)HS是在隨機(jī)溫度下的測量值,因此,當(dāng)加工溫度變化而引起傳感器感應(yīng)電壓產(chǎn)生漂移而使測量值變化時,若控制基準(zhǔn)HS仍保持不變,勢必會導(dǎo)致軟件磨削控制器產(chǎn)生控制誤差。為此,設(shè)計與研究DesignandResearch本系統(tǒng)提供靈活的溫度補(bǔ)償功能,即提供控制基準(zhǔn)HS的值可實時修調(diào)功能。修調(diào)方法為:在定期對磨削后的鋸片進(jìn)行檢測時,一般為3~4h檢測一次,根據(jù)鋸片厚度的偏移量,在控制基準(zhǔn)HS中及時引入一個反向的溫度修調(diào)值。由于通過對控制基準(zhǔn)HS進(jìn)行有效的溫度補(bǔ)償,從而消除了環(huán)境溫度對本系統(tǒng)控制精度的不良影響,確保了鋸片的尺寸精度。
3 加工數(shù)據(jù)與結(jié)果分析
應(yīng)用全閉環(huán)鋸片磨床進(jìn)行磨削加工試驗,鋸片厚度測量值如表1所示。最大厚度誤差不超過±0.015mm,滿足鋸片厚度尺寸精度±0.05mm的控制要求。
表1鋸片磨削厚度測量值
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,須離線測量鋸片厚度,憑經(jīng)驗修改砂輪磨損補(bǔ)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(jìn)行厚度檢測,調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)。為此,需占用5~10min加工時間。由于調(diào)整不及時或不準(zhǔn)確,廢品率為2%~3%。
全閉環(huán)控制數(shù)控磨削:單件雙面磨削時間約2min,每工作3~4h后,才需要對鋸片厚度進(jìn)行離線測量。如果需要才進(jìn)行相應(yīng)的鋸片控制基準(zhǔn)HS的修調(diào),否則繼續(xù)磨削加工。這種修調(diào),主要是解決環(huán)境溫度變化所引起的測量、加工誤差。采用這種方法后,生產(chǎn)效率提高了30%,且有效地避免了廢品的出現(xiàn)。
4 結(jié)語
基于電渦流傳感器的全閉環(huán)鋸片磨削數(shù)控系統(tǒng),通過對鋸片磨削厚度的在線實時測量,隨時進(jìn)行砂輪磨損補(bǔ)償和準(zhǔn)確地控制G代碼程序的執(zhí)行流程及有關(guān)參數(shù),實現(xiàn)了磨削過程的全閉環(huán)控制。本文開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng),一者提高了磨削的精度和穩(wěn)定性,二者提高了磨削效率和成品率,三者可實現(xiàn)在上一個鋸片加工的基礎(chǔ)上,無需對砂輪位置進(jìn)行任何調(diào)整,就可以完成同規(guī)格鋸片的批量加工。
核心關(guān)注:拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用,蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想,集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念,功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理,全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域,是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉(zhuǎn)載請注明出處:拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.ezxoed.cn/
本文標(biāo)題: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)
本文網(wǎng)址:http://www.ezxoed.cn/html/support/11121515967.html