光柵尺與對刀儀工件厚度控制法

　　在紡織機械領域，有必要使用表面質量非常光滑的陶瓷零件作為導絲。在傳統陶瓷毛坯磨削減薄過程中，需要人工去除工件并測量其厚度。在達到所需的尺寸公差的過程中，每件工件往往需要2～3次重復測量，且效率較低。

　　為了提高加工效率，有必要解決加工尺寸的自動控制問題。目前有多種厚度檢測方法，如電磁檢測、聲發射傳感器和激光測距儀。但上述方法存在只能檢測金屬零件或抗沖擊、振動能力差、檢測精度不高、設備成本高等缺點。目前使用這種磨床很困難。因此，尋找一種相對簡單、實用、能滿足精度要求的自動檢測與控制方法具有十分重要的意義。

　　一、工件尺寸測量的常用方法

　　陶瓷工件的尺寸規格較多,各種工件所要求的精度等級也較高,本文以圖1所示工件為例進行說明,圖中a為磨削過程中所需減薄尺寸。測量尺寸的方法可以分為直接測量法和間接測量法。

　　1.1直接測量法

　　(1)手工離線測量手工取下工件并測量工件尺寸,在批量生產過程中，反復的加工與檢測,工人勞動強度大。

　　(2)磨床在線主動測量裝置測量

　　該裝置只能測量工件外圓,獲得工件的直徑尺寸數據，無法獲得工件厚度尺寸,無法解決工件厚度尺寸在線檢測與實時顯示的問題。

　　1.2間接測量法

　　通過檢測元件檢測其與工件被加工面之間的相對距離也可以間接獲得工件的厚度尺寸?？梢詫崿F間接測量的方法主要包括以下幾種:

　　(1)自動測頭

　　數控機床在工件尺寸檢測中常用到自動測頭。該類型測頭的優點是檢測精度高，但缺點是需要在停機狀態下使用。該類型測頭在批量自動減薄加工過程中并不適用。

　　(2)激光測距傳感器

　　激光測距傳感器用于產品厚度檢測、相對距離檢測等場合,其精度可以達到7 μm、20 μm、40μm等。其優點有:測量精度較高、量程大、體積小、安裝調試方便、在線式連續測量等。

　　(3)其他方法

　　除以上的常用測距方法外,還有超聲波檢測法、磁性測厚法、渦流測厚法、電解測厚法等。以上各種常見方法中7μm級激光測距傳感器可以達到檢測要求的精度。但該檢測元件抗振性較差，并且在不停機狀態下在線檢測對機床機座的剛性要求非常高,如果中間停機檢測又降低了加工效率,而且切削液的存在也對該方法的檢測精度產生影響,不適合用于該型專用磨床的場合。其他方法由于不耐振或者精度較低、價格昂貴等原因也不適于在本磨床場合應用。

　　二、光柵尺與對刀儀組合用檢測裝置

　　在對比各種檢測方法的精度、可靠性、性價比的基礎上,本方案提出采用光柵尺與對刀儀組合使用的檢測裝置,通過程序可以自動控制實現工件厚度尺寸的精確控制。

　　2.1光柵尺與對刀儀組合系統的介紹系統組成如圖4、圖5所示,檢測部分主要由光柵尺與對刀儀組成,通過伺服電動機驅動滾珠絲桿帶動工作臺及砂輪進行往復運動，光柵尺是通過工作臺與砂輪相連的,通過光柵尺的數據輸出可以在顯示屏上實時反映砂輪進給過程中工件厚度的變化,由系統依據程序算法控制砂輪的自動進給距離即可控制工件減薄后所剩尺寸。

　　系統控制電磁閥的動作對擺動氣缸動作進行控制，由擺動氣缸帶動對刀儀進行擺動過程,每個加工區段按照定額的30個工件加工完成后,擺動氣缸帶動對刀儀旋轉至砂輪的進給通道上,進行一次對刀,對刀完成后,擺動氣缸帶動對刀儀離開砂輪進給通道,通過對刀過程對上個加工區段的砂輪磨損的累積誤差進行清零,確保新的區段的加工過程中工件尺寸的精度。

　　由于工件加工的精度要求較高,因此對擺動氣缸的安裝精度與對刀儀本身的對刀精度都提出了較高的要求。經計算選用安裝精度在+0.01 mm的MSQB-10型擺動氣缸，選用重復定位精度在2 μm的TTC- 100型對刀儀。綜合以上的因素,可以滿足定位精度要求。且通過調試過程將實際測得的擺動氣缸與對刀儀的安裝偏差量進行消除,可以達到更高的定位精度。

　　2.2該測量裝置的關鍵原理

　　光柵尺在其有效的行程上可以精確的定位,其定位精度可以達到±3μm,分辨率可以達到1 μm甚至0.5 μm,可以用來實時準確地反映砂輪在行程上的位置變化。圖5中A為工件達到所要求的工件標準尺寸時砂輪的進給停止位,B處為對刀儀提供的砂輪進給起點位,A、B之間的距離S即為砂輪標準進給行程。如果不考慮砂輪的磨損,那么起點與工件加工目標位置之間的行程s是固定的,理論上系統只要按照設計的行程S控制砂輪進給距離即可精確控制工件的厚度。但實際上砂輪磨損并不能忽略,如果不考慮砂輪磨損的補償,加工一定數量后由于砂輪磨損積累會使工件尺寸逐漸加大,最終工件尺寸超出允許公差值就會導致廢品的出現。

　　通過批量加工測量得到的數據,發現實際加工過程中每個工件砂輪磨損消耗量△非常小，在加工過程中設置一個經驗平均值0對砂輪磨損量予以補償,那么就可以消除砂輪磨損影響,可以較高精度地控制工件尺寸。砂輪進給距離算法程序為:

　　加工第一件:S1=S

　　加工第二件:S2=S+△

　　加工第n件:Sn=S+(n-1)△ (1≤n≤30)

　　加工第30件: S30 =S+29△

　　在控制系統中通過光柵尺的數據反饋，通過控制砂輪進給距離控制工件的厚度,那么依據上面的算法,對經驗平均值△來說其越接近實際磨損消耗值，機床加工獲得的工件的精度越高。在經驗值△一定的情況下,實際加工過程中有幾個因素會影響到砂輪實際消耗量A,主要影響因素如下:

　　工件規格不同加工表面面積不同，如φ20mm與φ32 mm對砂輪消耗量不同;

　?、谏拜喣ハ鲗硬牧现旅苄圆煌瑢е掠捕炔痪鶆?

　?、酃ぜ髁闲铚p薄厚度a值不一致。

　　以上3個因素都會導致每個工件砂輪磨損消耗量△不相同,因此較準確地測量每個工件的砂輪磨損消耗量△成為一個重要因素。通過對以上3個因素進行測定后,建立每種規格工件對應的砂輪磨損消耗量經驗值A的數據庫,并將該數據保存在控制系統中，每一批工件加工開始前依據實際情況在顯示屏操作面板上進行設置即可調用經驗值△。

　　在上述加工中砂輪磨損補償算法得到明確后,需要解決砂輪磨損累積偏差清零的問題,加工完一個區段30件后,畢竟經驗值與實際值是有偏差的,其經驗累積補償值與實際累積砂輪磨損量的偏差如何消除,只有將這個累積誤差消除,才能保證下一個30件加工批次的精度。為了消除累積誤差,我們利用對刀儀的定點信號輸出的特點,利用程序控制在每個30件加工段的開始前進行一次對刀，找到砂輪的準確的起點,對砂輪磨損消耗量累積偏差進行清零,以AB之間的距離作為砂輪進給標準行程S,加工中再次按照砂輪磨損補償算法控制砂輪進給距離,即可精確控制每個加工段各個工件的厚度尺寸。

　　三、結語

　　通過光柵尺和對刀儀的結合使用，解決了精確定位、砂輪磨損補償、累計誤差清除等幾個重要問題，實現了端面磨床的工件減薄過程，成本低，可靠性高，工件厚度自動控制，與傳統的直接檢測激光測距儀相比，具有明顯的抗振動、抗切削液干擾、成本低等優點，聲發射傳感器等方法?？稍谕惸ゴ苍O備或自動加工線上推廣應用。它可以提高設備或系統的自動化程度，提高處理效率。