在線測量與聲發射監控在數控磨床上的應用

元 煒

（上海機床廠有限公司 上海 200093）

1 引言

在傳統的機械加工中，操作者的操作技能、經驗在控制加工質量的過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驅動的“無人化時代”的到來，以及產品質量要求的不斷提高，機械加工的精度、穩定性和可靠性需達到一定的程度才能滿足現代化制造工藝。同時數控磨床的廣泛使用，弱化了操作者的技能，而對加工設備提出了更高的要求，因此國內外都開展了磨削過程化工藝的研究，其中包括：

（1）在線測量。零件測量對整個過程提供零件質量檢查、加工過程優化和后續生產過程具有重要意義。零件測量又可分為在線測量與離線測量兩種方式，其中離線測量是指零件加工后搬運到指定地點通過固定的測量設備所進行的測量。離線測量由于加工和測量不是同步進行的，增加了搬運、重復裝夾等操作[1]。相對于離線測量而言，在線測量可以在磨削過程中做到實時監測，適用情況更廣、生產效率更高。磨床在線測量時，通過不同磨削階段的控制進行進給速度的優化，使得尺寸控制和加工循環都能達到最佳效果，是實際生產測量中測量技術的發展趨勢之一。

（2）聲發射監控。聲發射是指材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象。在任何磨削或修整的過程中，都會產生噪音，其絕大多數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生的噪音主要由低頻組成。因此，磨削噪音和機床運行時的噪音就能根據頻率段的不同而區分開來[2]。正因為有著這樣的特質，利用儀器檢測、記錄、分析其聲發射信號，就能很好地監控砂輪與工件的接觸狀態，提高加工效率與安全性。

（3）砂輪動平衡。在磨床主軸轉速不斷提高成為趨勢的同時以及實現工件卓越表面加工質量的能力需求背景下，對因機械部件和旋轉砂輪的不平衡而產生的振動進行有效控制，自然而然是十分必要的，從而引入了砂輪主動平衡系統，該系統能有效地監控由振動傳感器（加速度傳感器）發出的信號，并改變內置砝碼的位置，以最大程度減少殘余振動。

對于以往的數控磨床來說，實現以上三種功能有著各自的硬件設備，為了能更好地解決各自硬件設備與數控系統信號交互帶來的操作和成本問題，本文采用了多功能電子量儀系統，通過Profibus-DP與數控系統進行通訊，整合了在線測量、聲發射監控和砂輪動平衡功能于一體，用于數控磨床加工過程的控制，來優化加工循環和加工質量。

2 應用方案的建立

2.1 在線測量

多功能電子量儀系統的在線測量是一種主動比較式測量監控方式，即在工件加工的同時，測量裝置始終監測著被測工件的尺寸變化，持續的磨削數據能用作調節和控制整個加工循環根據已設定的粗磨、精磨、光磨以及零位信號，從而使得機床在不同加工階段使用不同的砂輪轉速或進給速度等磨削工藝狀態，形成相對完整的閉環控制，從而獲得加工工件的表面質量。由測量儀實時實現精密的尺寸控制，達到加工循環時間的最佳效果。

2.2 聲發射監控

使用AE聲發射信號（Acoustic Emission）系統可用做提高磨削效率的消空程與保證磨削安全的防碰撞，其整體結構如圖1所示。

圖1 聲發射監控結構示意圖

（1）消空程：在傳統磨削過程中，只能依靠經驗而在砂輪接觸到工件前降低快速進給速度至磨削進給速度。由于沒有科學的檢測依據，為了安全起見，往往在砂輪和工件發生接觸還有較大距離的地方就切換成低速進給的磨削進給速度，勢必造成很多非加工狀態的空程，影響了生產效率。

配置AE聲發射傳感器，讓其采集砂輪趨近時的聲發射信號，來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開始后，開啟消空程指令，砂輪或修整器按設定快速趨近“工件/砂輪”表面，一旦接觸到“砂輪/修整器”，聲納信號就會瞬間增加并超過預先設定的閥值，對數控系統發出消空程完畢的信號，使得數控系統瞬間降低“砂輪/修整器”的進給，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：磨削加工過程中，由于編程失誤、操作失誤及加工工件在上道工序時存在的偏差，時常導致磨具的碰撞。啟用防碰撞功能后，就能在不失去磨削效率的同時，保證機床的安全。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。在磨削加工時監控聲納，當實時接收到的聲納信號高于正常磨削的數據時，一個“超出碰撞極限”的信號就會輸出給數控系統，數控系統使機床做出快速回退或緊急停止的動作，避免了砂輪主軸、工件和機床其他部件的損壞。

2.3 砂輪動平衡

在主軸砂輪側內部安裝平衡砝碼，主軸的另一端安裝轉速傳感器采集主軸轉速信號，主軸箱附近安裝振動傳感器采用振動信息，砂輪運轉時通過分析，再將控制指令給平衡電機，平衡電機按指令進行不同角度的旋轉，實現砂輪的動態平衡。

2.4 三種硬件設備的通訊方案

現場設備的通訊在很大程度上取決于選擇了哪種傳輸技術，且單一的傳輸技術不可能滿足所有的要求，這里使用Profibus-DP協議中的RS485傳輸技術，實現在線測量、聲發射監控和砂輪動平衡功能的多功能電子量儀系統與數控磨床之間的通訊，其系統設計更加方便，組態、調試也更容易，且有著便于擴展與信息集成的特點。

在圖2所示的加工流程圖中，融入多功能電子量儀系統的在線測量、聲發射監控和砂輪動平衡功能，與數控系統建立緊密的閉環控制，使得整個加工流程的可控性與效率得到進一步的提升。

圖2 加工流程圖

3 通訊接口和信號處理

3.1 通訊接口

多功能電子量儀系統與數控通訊采用的Profibus-DP接口，使用9針D型連接器，分別提供一組輸出DC24V，一組數據接收與傳輸正負極，一組終端電阻DC5V和一組中繼器控制信號以及一個屏蔽/保護地的信號。

3.2 信號處理

根據量儀系統的放大器，針對在線測量系統、聲發射監控均需定義量儀自動/手動狀態、測量項目與測量循環的信號。

對于數控系統輸入側需定義的信號為：在線測量收到到位信號，粗磨、精磨、光磨、零位信號，聲發射監控的消空程信號和防碰撞信號。

對于數控系統輸出側需定義的信號為：測量儀自動信號，在線測量請求信號，在線測量測爪氣收張信號、砂輪動平衡使能信號、消空程使能、防碰撞使能和聲發射監控啟動信號。

4 軟件組態、PLC編程原理及在線測量加工程序

4.1 組態設置

在量儀系統的顯示面板上設定現場總線Profibus-DP地址為26，并且通過西門子Step7 PLC編程軟件將該組件添加至通訊組態中，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 數控系統與測量系統的組態

4.2 PLC編程原理

4.2.1 工作模態的切換

由于多功能電子量儀系統在其自動模式下才能進行各功能的工作，所以在整個加工循環前，首先得處理工作模態信號（Q61.0和Q69.0），即當操作者將機床的工作模態切換至自動時，量儀系統也將切換成該模態，且得到量儀系統的反饋信號（I60.0）。

4.2.2 在線測量

(1)測量循環前：在磨削加工伊始，測爪與其推動油缸均在非測量位置，量儀根據不同的加工程序選擇相應的加工循環（Q60.4）,當磨削狀態由消空程階段轉到在線測量階段時，數控系統向量儀發出測爪收張請求（Q61.3）,測爪張開至預設范圍后，量儀將測爪收張信號（I60.4）反饋至數控系統，量儀油缸攜測爪進至工件表面，等待測量循環開始。

(2)測量循環：數控系統檢測出測爪已經在測量位置后，向量儀發出測量請求（Q61.3）,測量循環即開始。隨著加工工件的尺寸不斷減小，達到量儀設定的粗磨發訊點（I61.4）、精磨發訊點（I61.5）和光磨發訊點（I61.6）后，信號送至數控系統的PLC-NC板載交互信號（DB10.DBX1.0-DB10.DBX1.2）中，從而激活數控系統的刪除余程的功能，將加工程序跳轉至所對應的下一階段；當加工工件的尺寸到達量儀所設定的零位信號（I61.7）時，也將信號轉換成 PLC-NC板載交互信號（DB10.DBX1.3），得到信號的數控系統將測爪油缸退出，測量循環結束，該磨削加工完成。

4.2.3 聲發射監控

(1)檢測循環前：在磨削加工前，需根據不同的磨削程序選擇不同的消空程、防碰撞檢測循環（Q68.4）。

(2)檢測循環中：使用消空程功能，激活其控制使能（Q69.6）,由數控系統發出對量儀的消空程循環開始（Q69.3）后，進入消空程階段，砂輪快速趨近工件表面。當傳遞至聲發射傳感器的聲納信號高于預設值時，量儀反饋至數控系統的消空程信號（I70.3）由高電平轉換為低電平，數控系統將加工狀態由消空程轉至在線測量階段；同樣在使用防碰撞功能時，在激活其對應的控制使能（Q69.2）和循環請求（Q69.3）后，在任何時候只要有著高于預設碰撞信號的聲納由傳感器傳送量儀系統后，都會有一個碰撞反饋信號（I70.4），該信號由高電頻轉換為低電頻并傳送至數控系統，從而使得數控系統做 出砂輪緊急后退的動作。

4.3 在線測量的加工程序

在數控加工程序中，$A_IN[1]- $A_IN[4]分別對應的 NC板載信號 DB10.DBX1.0- DB10.DBX1.3；DELDTG為刪除余程指令，具體如下：

5 應用方案的實施

這里以兩臺外圓磨床進行比較，其中一臺是數控外圓磨床并帶有多功能電子量儀系統，而另一臺則是普通的外圓磨床，使用這兩臺機床分別加工了20件同規格零件，測試結果如表1所示。

表1 數控外圓磨床與普通外圓磨床加工測試結果

從加工精度上來說：數控外圓磨床由于使用了測量儀的在線測量功能，實現了加工的全閉環控制，其尺寸誤差控制在0.003 mm以內，而普通外圓磨床只能控制在0.01 mm。

從加工時間上來說：數控外圓磨床使用了量儀的聲發射監控的消空程、防碰撞模塊，使其砂輪能夠快速趨近工件表面，并且在線測量系統能夠自動檢測工件相對尺寸，進而將每個工件的加工時間控制在 1 min，而普通外圓磨床由于需要人為參與到工件的檢測中，有著重復進刀、退刀的加工步驟，其每個工件的加工時間平均要花5 min。

表面質量上：數控外圓磨床的砂輪主軸采用了量儀系統的砂輪動平衡模塊，降低了由于砂輪主軸不平衡對加工工件表面質量的影響，工件表面粗糙度能達到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：由于數控外圓磨床使用了多功能電子量儀系統及數控系統，能夠做到在一次編程、量儀調整后，批量磨削加工，將加工精度完全交給機床本身，可以實現一人多機的操作模式，而普通外圓磨床需要人工干預加工精度，只能采用專人操作的工作方式。

綜上所述，具有多功能電子量儀系統的數控磨床不管在加工精度、效率、質量上都遠勝于普通磨床，而在人力資源上能為使用者節約不少的成本。

6 結語

伴隨著自動化技術的發展，對機床的穩定性能、可靠性以及加工效率要求越來越高。通過多功能電子量儀系統在數控磨床上的使用，以Profibus現場總線建立測量儀與數控系統之間的通訊，運用其在線測量功能保證加工精度，砂輪動平衡功能解決了砂輪主軸振動對加工表面質量的影響以及聲發射監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化。