在鋸片磨削過程中，由于機(jī)床自身運(yùn)動(dòng)誤差和砂輪磨損，導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)的指令磨削量與實(shí)際磨削量出現(xiàn)較大偏差(嚴(yán)重時(shí)實(shí)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)姆绞剑瑢?duì)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)哪康模率逛徠ハ鞒叽缇入y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(duì)原數(shù)控鋸片磨床的缺點(diǎn)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(shí)時(shí)在線自動(dòng)測(cè)量功能，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)測(cè)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(shí)時(shí)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(diǎn)P0的位置;磨削加工開始，首先完成毛坯厚度的測(cè)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(jì)算出砂輪在磨削初始點(diǎn)P1時(shí)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(bào)警信息并退出加工。當(dāng)毛坯測(cè)量完成，且滿足正常磨削條件時(shí)，砂輪從起刀點(diǎn)P0快速運(yùn)動(dòng)到磨削初始點(diǎn)P1，開始磨削循環(huán)加工。一個(gè)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(gè)磨削循環(huán)，系統(tǒng)便對(duì)鋸片厚度進(jìn)行一次測(cè)量。根據(jù)鋸片厚度的測(cè)量值，計(jì)算本次磨削循環(huán)產(chǎn)生的磨削誤差，以磨削誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償原則，確定下一個(gè)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(cè)量值≤進(jìn)入精磨的理論厚度或進(jìn)入光磨的理論厚度時(shí)，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(cè)量值與鋸片標(biāo)準(zhǔn)厚度之差在允許的公差范圍內(nèi)時(shí)，整個(gè)磨削循環(huán)加工結(jié)束，砂輪快速返回到起刀點(diǎn)P0，磨削加工過程結(jié)束。對(duì)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(dòng)鍵，則系統(tǒng)完成自動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)而構(gòu)成的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)鋸片表面與傳感器測(cè)量頭之間距離的在線測(cè)量。傳感器輸出的正比于距離值的電壓信號(hào)，經(jīng)采樣模塊首先轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量(測(cè)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(shí)別的開關(guān)量信號(hào)。在每一次測(cè)量期間，數(shù)控系統(tǒng)的PLC以8ms的執(zhí)行周期，對(duì)I/O接口的測(cè)量值進(jìn)行150次采樣。150個(gè)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(shí)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(duì)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(cè)量值實(shí)時(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)的能力，為此，必須對(duì)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(gè)軟件磨削控制器。軟件磨削控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)來自數(shù)控系統(tǒng)外部I/O接口的測(cè)量數(shù)據(jù)的采樣計(jì)算，并將計(jì)算信息實(shí)時(shí)傳遞給G代碼程序，從而實(shí)現(xiàn)由鋸片厚度測(cè)量值實(shí)時(shí)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(yùn)行，共同完成對(duì)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(yùn)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(shí)，如圖中砂輪由X軸從中心向外退回到與傳感器測(cè)量頭安裝位置A點(diǎn)對(duì)稱的B點(diǎn)位置時(shí)(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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)鋸片厚度進(jìn)行采樣計(jì)算。磨削控制器根據(jù)本次測(cè)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(cè)量值，確定本次磨削循環(huán)的實(shí)際磨削量Δ′Z，按式(1)計(jì)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(shí)時(shí)補(bǔ)償原則，按式(2)計(jì)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(jì)算信息傳遞給G代碼，最終通過G代碼程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)磨削過程的直接控制。

　　由于本系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)測(cè)量能反映砂輪Z軸實(shí)際進(jìn)給值的實(shí)際磨削量Δ′Z，并對(duì)砂輪Z軸理論進(jìn)給量Δ*Z進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，直到砂輪實(shí)際Z軸總進(jìn)給量等于理論總進(jìn)給量時(shí)，才結(jié)束磨削加工。因此，實(shí)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(shí)，由于砂輪磨損量的實(shí)時(shí)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(gè)控制工藝階段，一是砂輪從起刀點(diǎn)P0快速、準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)到磨削初始點(diǎn)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(diǎn)P0。在設(shè)計(jì)G代碼程序的流程時(shí)，除實(shí)現(xiàn)以上三個(gè)工藝階段的運(yùn)動(dòng)控制外，同時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)采樣計(jì)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(gè)任務(wù)。任務(wù)1主要完成第一個(gè)控制工藝階段中的功能，即對(duì)鋸片毛坯厚度的采樣計(jì)算和判斷，并將計(jì)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(gè)和第三個(gè)控制工藝階段中的功能，即在磨削循環(huán)過程中每次對(duì)鋸片厚度進(jìn)行采樣計(jì)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(shí)，任務(wù)2中還應(yīng)按式(3)計(jì)算出砂輪回到起刀點(diǎn)P0時(shí)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(shí)及時(shí)保存此時(shí)鋸片厚度的測(cè)量值HNend和砂輪中心的Z軸坐標(biāo)值ZNend，用于在下一個(gè)鋸片磨削加工時(shí)，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(diǎn)坐標(biāo)值Z(N+1)P1的計(jì)算。這樣，便實(shí)現(xiàn)了無需作任何調(diào)整就能自動(dòng)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(cè)量值是鋸片表面到測(cè)量頭的距離，而并非鋸片的厚度，因此，必須建立測(cè)量值與鋸片厚度之間的尺寸鏈關(guān)系，以及通過測(cè)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(duì)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(shí)測(cè)量系統(tǒng)的理論測(cè)量值。標(biāo)準(zhǔn)鋸片控制基準(zhǔn)HS是通過事先加工一個(gè)滿足尺寸要求的標(biāo)準(zhǔn)鋸片，對(duì)其進(jìn)行在線測(cè)量而獲得的測(cè)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(dòng)計(jì)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(cè)量值與各控制基準(zhǔn)相對(duì)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(shí)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ハ骺刂破鞯目刂疲捎昧送ㄟ^開發(fā)具有特殊功能的M代碼的方式來實(shí)現(xiàn)。如特殊功能代碼M103，實(shí)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(shí)，由PLC程序?qū)⑷肿兞縍［294］置1，與此同時(shí)，軟件磨削控制器檢測(cè)到R［294］為1時(shí)，則執(zhí)行任務(wù)1的功能。而軟件磨削控制器對(duì)G代碼程序的控制，是通過實(shí)時(shí)修改G代碼程序中的宏變量指令值來實(shí)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(yùn)動(dòng)指令值。這樣，軟件磨削控制器在修改宏變量時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了對(duì)G代碼程序執(zhí)行流程的控制，以及對(duì)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(cè)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(shí)，則實(shí)時(shí)修改#119的值為零，與此同時(shí)，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(shí)，由于#119已為零，則自動(dòng)退出磨削循環(huán)加工，實(shí)現(xiàn)了磨削流程的控制。又如宏變量#115，為磨削初始點(diǎn)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(jì)算并修改。

　　2.2 磨削控制器對(duì)G代碼程序的實(shí)時(shí)控制技術(shù)

　　在磨削循環(huán)過程中，如何實(shí)現(xiàn)軟件磨削控制器對(duì)G代碼程序控制的實(shí)時(shí)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(shí)，由于解釋器超前解釋的特性，可能已完成了對(duì)程序段N160或其以后程序段的解釋工作，這樣就會(huì)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(duì)G代碼程序控制的實(shí)時(shí)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(cè)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(shí)，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(cè)量計(jì)算而決定和實(shí)時(shí)修改的值，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全閉環(huán)實(shí)時(shí)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(diǎn)。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(shí)消除材料與溫度帶來的不良影響。對(duì)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(gè)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(duì)兩個(gè)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(shí)由用戶輸入兩個(gè)表面厚度的差值，系統(tǒng)便可自動(dòng)計(jì)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(cè)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(cè)量值變化時(shí)，若控制基準(zhǔn)HS仍保持不變，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致軟件磨削控制器產(chǎn)生控制誤差。為此，設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)修調(diào)功能。修調(diào)方法為:在定期對(duì)磨削后的鋸片進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，一般為3～4h檢測(cè)一次，根據(jù)鋸片厚度的偏移量，在控制基準(zhǔn)HS中及時(shí)引入一個(gè)反向的溫度修調(diào)值。由于通過對(duì)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(duì)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(yàn)，鋸片厚度測(cè)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(cè)量值

　　原開環(huán)控制數(shù)控磨削:單件雙面磨削時(shí)間約2min。每磨削鋸片約5～7個(gè)后，須離線測(cè)量鋸片厚度，憑經(jīng)驗(yàn)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(duì)所加工的第一個(gè)鋸片進(jìn)行厚度檢測(cè)，調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)。為此，需占用5～10min加工時(shí)間。由于調(diào)整不及時(shí)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(shí)間約2min，每工作3～4h后，才需要對(duì)鋸片厚度進(jìn)行離線測(cè)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(cè)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(duì)鋸片磨削厚度的在線實(shí)時(shí)測(cè)量，隨時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)在上一個(gè)鋸片加工的基礎(chǔ)上，無需對(duì)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。