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

磨床是利用磨具對工件表面進行磨削加工的精密機床^[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，也能進行高效率的磨削^[2]_，在汽車制造業(yè)、機床制造、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、無心磨床、非圓磨削機床、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)向自動化方向的發(fā)展，自動測量裝置應(yīng)用到了磨床上，并在機械加工中扮演了重要的作用^[6]_。量儀是用來在機械加工過程中，對工件的尺寸進行實時的在線測量，將測得的參數(shù)傳遞給控制裝置，然后控制裝置根據(jù)得到的數(shù)據(jù)自動的調(diào)整加工過程，向磨床發(fā)出粗磨、精磨、光磨和到尺寸的控制信號。它擺脫了對操作人員的依賴，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，量儀種類繁多，根據(jù)量儀中傳感器的種類劃分^[12]有：機械式、光學(xué)式、超聲波式、電子式和氣動式等?，F(xiàn)有的機械加工在線測量方法大多用于為實時誤差補償提供反饋信息^[13]_。

在外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)中常采用徑向量儀主動測量技術(shù)，實現(xiàn)外圓磨加工的主動在線測量^[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，可以在安裝徑向量儀實時監(jiān)控磨削過程，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儀。因此，本文提出一種通過徑向量儀調(diào)整工件坐標(biāo)原點的方法，從而提高多段磨削精度，同時降低了成本。

坐標(biāo)原點與坐標(biāo)原點補償

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上的金剛筆、工件和徑向量儀測頭，固定在砂輪架上的成型砂輪和端面量儀測頭。磨床的坐標(biāo)系可以分為機床坐標(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(通常取左下角)為砂輪坐標(biāo)系原點，如圖1所示，o_w即為砂輪坐標(biāo)系原點，當(dāng)金剛筆尖運動到o_w點時，機床坐標(biāo)系的坐標(biāo)值即為砂輪坐標(biāo)系原點在機床坐標(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，在機床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值記為(x_wa，z_wa)。砂輪經(jīng)過修整后，砂輪形狀輪廓由一系列點b₀,b₁,…,b₇描述，其中b₅為新的砂輪坐標(biāo)系坐標(biāo)原點，在機床坐標(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點運動到工件坐標(biāo)原點o_p點，此時機床坐標(biāo)系顯示的坐標(biāo)值即為當(dāng)前工件坐標(biāo)系坐標(biāo)原點在機床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，記為(x_pa，z_pa)。砂輪經(jīng)過修整后，當(dāng)b₅點運動到工件坐標(biāo)原點o_p點時，機床坐標(biāo)系顯示的坐標(biāo)值即為當(dāng)前工件坐標(biāo)系坐標(biāo)原點在機床坐標(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

砂輪磨削工件的過程可以理解為砂輪原點o_w在工件坐標(biāo)系x_po_pz_p中運動，所以，工件坐標(biāo)系坐標(biāo)方向如圖1所示。而砂輪修整的過程則可以理解為金剛筆在砂輪坐標(biāo)系x_wo_wz_w中運動，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，磨削加工的過程可以在工件坐標(biāo)系中用g代碼語言描述，砂輪修整的過程，可以在砂輪坐標(biāo)系中用g代碼語言描述。砂輪修整后，調(diào)整工件坐標(biāo)原點和砂輪修整原點，而描述磨削加工和描述砂輪修整g代碼語言都可以保持不變。從而便于理解，也簡化了編程。

多段磨削方式下工件坐標(biāo)原點補償方式的改進

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。在沒有徑向量儀的情況下，砂輪在工件坐標(biāo)系中，對準(zhǔn)a段，沿x軸負(fù)方向行走到工件坐標(biāo)位置x_a；砂輪對準(zhǔn)b段，沿x軸負(fù)方向行走到工件坐標(biāo)位置x_b。對大多數(shù)中低檔磨床而言，精度只能保持在幾個絲的水平。

為了提高精度，可以在安裝徑向量儀實時監(jiān)控磨削過程，這樣可以把磨削尺寸精度提高到微米級。由于成本的考慮，很難在需要磨削的每一段都安裝徑向量儀。為此，提出一種通過徑向量儀調(diào)整工件坐標(biāo)原點，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段安裝徑向量儀，在砂輪對a段進行磨削時，實時監(jiān)控a段工件尺寸。一旦徑向量儀給出相應(yīng)的尺寸信號，砂輪停止進給。此時，工件的真實尺寸為xa，而此時砂輪在工件坐標(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，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)原點調(diào)整前，砂輪x坐標(biāo)位置為xa`，工件坐標(biāo)原點為xp，此時砂輪在機床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為xa`+xp；工件坐標(biāo)原點調(diào)整后，砂輪x坐標(biāo)位置為xa，工件坐標(biāo)原點為xp`，此時砂輪在機床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為xa+xp`。由于工件坐標(biāo)原點調(diào)整前后，砂輪位置并沒有變化，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b段進行磨削，到達(dá)工件坐標(biāo)系x坐標(biāo)位置xb。整個磨削過程完畢。

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)原點的調(diào)整

圖3 多段磨削下通過徑向量儀調(diào)整工件坐標(biāo)原點

結(jié)論

1)傳統(tǒng)的基于砂輪修整量進行工件坐標(biāo)原點補償，有可能因為金剛筆的磨損、機床床身的熱效應(yīng)、新修整的砂輪的過于鋒利等原因?qū)е卵a償不準(zhǔn)。一個普遍的現(xiàn)象是，每次修整砂輪之后，磨削的第一個工件，尺寸總是偏大或者偏小。通過徑向量儀對工件坐標(biāo)原點進行調(diào)整后，砂輪在a段對工件坐標(biāo)原點的位置與預(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b段和其它段進行磨削加工，如同對砂輪行走的精確性做了一次實時校正，可以有效地消除砂輪鋒利程度、機床熱效應(yīng)、金剛筆磨損等原因引起的補償誤差。

2)可以采用工件坐標(biāo)原點雙補償?shù)姆椒?。首先在砂輪修整后，即對工件坐?biāo)原點進行補償；然后，令砂輪對裝有量儀的a段進行磨削，根據(jù)磨削的結(jié)果，再次調(diào)整工件坐標(biāo)原點。

3)也可以取消砂輪修整后的工件坐標(biāo)原點補償。這樣做的效果是，由于砂輪修整后，砂輪半徑比原來減少了δx。平均來說，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，這點細(xì)微的差別在對a段進行磨削之后，就不存在了。

4)無論工件坐標(biāo)原點采用什么方法補償，砂輪修整原點的補償仍然應(yīng)該是每修整一次，就調(diào)整一次，修整多少，就調(diào)整多少。砂輪修整原點與砂輪實際尺寸位置一致。

作者簡介

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)。

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