作 者：湖北大學(xué) 物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院 胡東紅 李 朗 張 玲 馬已力

前言

磨床是利用磨具對(duì)工件表面進(jìn)行磨削加工的精密機(jī)床^[1]_,。磨床可以加工硬度很高的材料，能做高精度和表面粗糙度很小的磨削,，也能進(jìn)行高效率的磨削^[2]_,，在汽車制造業(yè)、機(jī)床制造,、電力,、船舶、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。

磨床種類繁多,，按其工作性質(zhì)，常見的磨床種類可以劃分為外圓磨床,、平面磨床,、內(nèi)圓磨床、工具(刀具)磨床,、無(wú)心磨床,、非圓磨削機(jī)床、軋輥磨床,、復(fù)合磨削加工單元,、立式磨床等等^[3～6]_。

隨著磨床工業(yè)向自動(dòng)化方向的發(fā)展,，自動(dòng)測(cè)量裝置應(yīng)用到了磨床上,，并在機(jī)械加工中扮演了重要的作用^[6]_。量?jī)x是用來(lái)在機(jī)械加工過(guò)程中,，對(duì)工件的尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線測(cè)量,，將測(cè)得的參數(shù)傳遞給控制裝置，然后控制裝置根據(jù)得到的數(shù)據(jù)自動(dòng)的調(diào)整加工過(guò)程,，向磨床發(fā)出粗磨,、精磨、光磨和到尺寸的控制信號(hào),。它擺脫了對(duì)操作人員的依賴,，減小了誤差，從而提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也降低了廢品率^[8～11]_,。

目前，量?jī)x種類繁多,，根據(jù)量?jī)x中傳感器的種類劃分^[12]有：機(jī)械式,、光學(xué)式、超聲波式,、電子式和氣動(dòng)式等?，F(xiàn)有的機(jī)械加工在線測(cè)量方法大多用于為實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償提供反饋信息^[13]_。

在外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)中常采用徑向量?jī)x主動(dòng)測(cè)量技術(shù),，實(shí)現(xiàn)外圓磨加工的主動(dòng)在線測(cè)量^[14][15]_,。在具體的磨削加工中，有些工件往往需要多段磨削,，為了提高精度,，可以在安裝徑向量?jī)x實(shí)時(shí)監(jiān)控磨削過(guò)程，但出于成本的考慮,，很難在需要磨削的每一段都安裝徑向量?jī)x,。因此，本文提出一種通過(guò)徑向量?jī)x調(diào)整工件坐標(biāo)原點(diǎn)的方法,，從而提高多段磨削精度,，同時(shí)降低了成本。

坐標(biāo)原點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)補(bǔ)償

磨床的坐標(biāo)系以及磨床的主要部件如圖1所示,。磨床的主要部件包括固定在工作臺(tái)上的金剛筆,、工件和徑向量?jī)x測(cè)頭，固定在砂輪架上的成型砂輪和端面量?jī)x測(cè)頭,。磨床的坐標(biāo)系可以分為機(jī)床坐標(biāo)系x_mo_mz_m,、工件坐標(biāo)系x_po_pz_p和砂輪坐標(biāo)系x_wo_wz_w。

一般以成型砂輪上的某一點(diǎn)(通常取左下角)為砂輪坐標(biāo)系原點(diǎn),，如圖1所示,，o_w即為砂輪坐標(biāo)系原點(diǎn)，當(dāng)金剛筆尖運(yùn)動(dòng)到o_w點(diǎn)時(shí),，機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)值即為砂輪坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值,。成型砂輪的形狀由構(gòu)成成型砂輪輪廓的線段和圓弧構(gòu)成，如圖2所示,，成型砂輪的形狀可以由一系列點(diǎn)a₀,a₁,…,a₇在砂輪坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值描述,，其中a₅可以定義為砂輪坐標(biāo)系原點(diǎn)，在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值記為(x_wa,，z_wa),。砂輪經(jīng)過(guò)修整后，砂輪形狀輪廓由一系列點(diǎn)b₀,b₁,…,b₇描述,，其中b₅為新的砂輪坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn),，在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值記為(x_wb,，z_wb)。沿x方向和z方向修整量分別記為δx,，δz,。

砂輪修整前，當(dāng)a₅點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到工件坐標(biāo)原點(diǎn)o_p點(diǎn),，此時(shí)機(jī)床坐標(biāo)系顯示的坐標(biāo)值即為當(dāng)前工件坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值,，記為(x_pa，z_pa),。砂輪經(jīng)過(guò)修整后,，當(dāng)b₅點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到工件坐標(biāo)原點(diǎn)o_p點(diǎn)時(shí)，機(jī)床坐標(biāo)系顯示的坐標(biāo)值即為當(dāng)前工件坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值,，記為(x_pb,，z_pb)。有如下關(guān)系：

x_wb=x_wa－δx

z_wb=z_wa－δz

x_pb=x_pa－δx

z_pb=z_pa－δz

砂輪磨削工件的過(guò)程可以理解為砂輪原點(diǎn)o_w在工件坐標(biāo)系x_po_pz_p中運(yùn)動(dòng),，所以,，工件坐標(biāo)系坐標(biāo)方向如圖1所示。而砂輪修整的過(guò)程則可以理解為金剛筆在砂輪坐標(biāo)系x_wo_wz_w中運(yùn)動(dòng),，所以,，砂輪坐標(biāo)系方向正好與工件坐標(biāo)系方向相反。

這樣,，磨削加工的過(guò)程可以在工件坐標(biāo)系中用g代碼語(yǔ)言描述,，砂輪修整的過(guò)程，可以在砂輪坐標(biāo)系中用g代碼語(yǔ)言描述,。砂輪修整后,，調(diào)整工件坐標(biāo)原點(diǎn)和砂輪修整原點(diǎn)，而描述磨削加工和描述砂輪修整g代碼語(yǔ)言都可以保持不變,。從而便于理解,，也簡(jiǎn)化了編程。

多段磨削方式下工件坐標(biāo)原點(diǎn)補(bǔ)償方式的改進(jìn)

有些工件需要多段磨削,，如圖3所示,，工件坐標(biāo)系x_po_pz_p。a段最終磨削尺寸為x_a,，b段最終磨削尺寸為x_b,。在沒(méi)有徑向量?jī)x的情況下，砂輪在工件坐標(biāo)系中,，對(duì)準(zhǔn)a段,，沿x軸負(fù)方向行走到工件坐標(biāo)位置x_a；砂輪對(duì)準(zhǔn)b段，沿x軸負(fù)方向行走到工件坐標(biāo)位置x_b,。對(duì)大多數(shù)中低檔磨床而言,，精度只能保持在幾個(gè)絲的水平。

為了提高精度,，可以在安裝徑向量?jī)x實(shí)時(shí)監(jiān)控磨削過(guò)程,，這樣可以把磨削尺寸精度提高到微米級(jí)。由于成本的考慮,，很難在需要磨削的每一段都安裝徑向量?jī)x。為此,，提出一種通過(guò)徑向量?jī)x調(diào)整工件坐標(biāo)原點(diǎn),，從而提高多段磨削精度的方法。具體方法如下,。

如圖3所示,，在工件a段安裝徑向量?jī)x，在砂輪對(duì)a段進(jìn)行磨削時(shí),，實(shí)時(shí)監(jiān)控a段工件尺寸,。一旦徑向量?jī)x給出相應(yīng)的尺寸信號(hào)，砂輪停止進(jìn)給,。此時(shí),，工件的真實(shí)尺寸為xa，而此時(shí)砂輪在工件坐標(biāo)系下的x坐標(biāo)讀數(shù)記為xa`,，此讀數(shù)xa`往往偏離預(yù)設(shè)的工件尺寸xa,。調(diào)整工件坐標(biāo)原點(diǎn)，使得當(dāng)前砂輪在工件坐標(biāo)系下的x坐標(biāo)讀數(shù)由xa`變換為xa,。

工件坐標(biāo)原點(diǎn)調(diào)整前,，砂輪x坐標(biāo)位置為xa`，工件坐標(biāo)原點(diǎn)為xp,，此時(shí)砂輪在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為xa`+xp,；工件坐標(biāo)原點(diǎn)調(diào)整后，砂輪x坐標(biāo)位置為xa,，工件坐標(biāo)原點(diǎn)為xp`,，此時(shí)砂輪在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為xa+xp`。由于工件坐標(biāo)原點(diǎn)調(diào)整前后,，砂輪位置并沒(méi)有變化,，因此有如下等式xa`+xp =xa+xp`成立，調(diào)整后的工件坐標(biāo)原點(diǎn)xp`為

xp`=xa`+xp－xa

在調(diào)整后的工件坐標(biāo)系下,，砂輪行走到b段起始位置,，對(duì)b段進(jìn)行磨削，到達(dá)工件坐標(biāo)系x坐標(biāo)位置xb。整個(gè)磨削過(guò)程完畢,。

圖1 磨床的坐標(biāo)系以及磨床主要部件

圖2 砂輪修整量與砂輪坐標(biāo)原點(diǎn)的調(diào)整

圖3 多段磨削下通過(guò)徑向量?jī)x調(diào)整工件坐標(biāo)原點(diǎn)

結(jié)論

1)傳統(tǒng)的基于砂輪修整量進(jìn)行工件坐標(biāo)原點(diǎn)補(bǔ)償,，有可能因?yàn)榻饎偣P的磨損、機(jī)床床身的熱效應(yīng),、新修整的砂輪的過(guò)于鋒利等原因?qū)е卵a(bǔ)償不準(zhǔn),。一個(gè)普遍的現(xiàn)象是，每次修整砂輪之后,，磨削的第一個(gè)工件,，尺寸總是偏大或者偏小。通過(guò)徑向量?jī)x對(duì)工件坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整后,，砂輪在a段對(duì)工件坐標(biāo)原點(diǎn)的位置與預(yù)設(shè)的a段尺寸精確相符,，也可以使a段工件尺寸與預(yù)設(shè)的尺寸精確相符，以此為基準(zhǔn),，對(duì)b段和其它段進(jìn)行磨削加工,，如同對(duì)砂輪行走的精確性做了一次實(shí)時(shí)校正，可以有效地消除砂輪鋒利程度,、機(jī)床熱效應(yīng),、金剛筆磨損等原因引起的補(bǔ)償誤差。

2)可以采用工件坐標(biāo)原點(diǎn)雙補(bǔ)償?shù)姆椒?。首先在砂輪修整后,，即?duì)工件坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償；然后,，令砂輪對(duì)裝有量?jī)x的a段進(jìn)行磨削,，根據(jù)磨削的結(jié)果，再次調(diào)整工件坐標(biāo)原點(diǎn),。

3)也可以取消砂輪修整后的工件坐標(biāo)原點(diǎn)補(bǔ)償,。這樣做的效果是，由于砂輪修整后,，砂輪半徑比原來(lái)減少了δx,。平均來(lái)說(shuō)，砂輪要以粗磨的速度多行走δx的距離,，才能達(dá)到砂輪修整之前接近工件的程度,。但是，這點(diǎn)細(xì)微的差別在對(duì)a段進(jìn)行磨削之后,，就不存在了,。

4)無(wú)論工件坐標(biāo)原點(diǎn)采用什么方法補(bǔ)償，砂輪修整原點(diǎn)的補(bǔ)償仍然應(yīng)該是每修整一次,，就調(diào)整一次,，修整多少,，就調(diào)整多少。砂輪修整原點(diǎn)與砂輪實(shí)際尺寸位置一致,。

作者簡(jiǎn)介

胡東紅(1966－) 男 博士后/副教授,，主要研究方向：高檔數(shù)控技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)際斯來(lái)福臨集團(tuán)的高性能磨床．wmem,，2007(2)：99～100．

[2] 劉興國(guó)．國(guó)內(nèi)外超高速磨削的現(xiàn)狀[j]．機(jī)械工人(冷加工),，2004(9)：16～22．

[3] 陳美福．對(duì)發(fā)展我國(guó)數(shù)控磨床的淺見[j]．世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2006(5)：5．

[4] 胡東紅,，王平江,，陳吉紅，等．外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)研究[j]．機(jī)床與液壓,，2009(5) ．

[5] choi hyu, kim jeong du. development of monitoring system on the diamond tool wear. international journal of machine tools and manufacture [int j mach tools manuf], 1999, 39(3): 505～515．

[6] frederick m. proctor, james s. albus. open-architecture controllers. ieee spectrum, june 1997．

[7] 熊清平．?dāng)?shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[j]．機(jī)電工程技術(shù),，2004(09) ．

[8] 王鴻偉．磨加工過(guò)程中的主動(dòng)測(cè)量?jī)x[j]．軸承，2001(04)．

[9] 楊琦．?dāng)?shù)控機(jī)床中在線測(cè)量的控制及通信[j]．現(xiàn)代零部件,，2005(07)．

[10] 辛德璽，孫濤．機(jī)械加工中的主動(dòng)測(cè)量?jī)x控制[j]．中國(guó)集體經(jīng)濟(jì)(下半月),，2007(05)．

[11] 喻紅,，胡乾斌，張?jiān)幻?，等．外圓磨床的在線檢測(cè)及數(shù)控系統(tǒng)[j]．機(jī)械與電子,，1998(01)．

[12] 王清明，盧澤生,，董申,，等．機(jī)械加工在線測(cè)量技術(shù)綜述[j]．計(jì)量技術(shù)，1999(04)．

[13] 楊斌．微米級(jí)自動(dòng)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[d]．北京：北京交通大學(xué),，2009．

[14] j. s . chen. , thermal erro rmodelling for real-time error compensation int j. adv . manuf . techno l 1996 (12)．

[15] j. mou. , an innovative approach to increase the accuracy of multi-axis machines for process-inspection journal of manufacturing science and engineering 1996 vo l 118．