基于电涡流传感器的全闭环锯片磨床数控系统开发

由于本系统的测量值是锯片表面到测量头的距 而并非锯片的厚度， 因此， 必须建立测量值与锯片 离， 厚度之间的尺寸链关系， 以及通过测量值来控制磨削
Design and Research 工序类型的一系列基准。 根据锯片磨削有粗、 精和光 磨三道工序， 本系统建立了标准锯片控制基准 H S 、 光 磨工序控制基准 H g 和精磨工序控制基准 H j ， 如图 1 所 示。它们分别对应于标准锯片厚度、 进入光磨工序锯 片的理论厚度和进入精磨工序锯片的理论厚度时测量 系统的理论测量值。 标准锯片控制基准 H S 是通过事 先加工一个满足尺寸要求的标准锯片， 对其进行在线 根据 H S 和用户所设定的 测量而获得的测量值。这样， 各工序加工余量， 软件磨削控制器便可自动计算出光 磨工序控制基准 H g 和精磨工序控制基准 H j （ 各控制基 准间尺寸关系如图 1 所 示 ） 。 在 磨 削 加 工 控 制 过 程 中， 通过将测量值与各控制基准相对比较 ， 便可间接获 得锯片厚度值和确定磨削工序类型 。
* 次磨削循环的理论磨削量 Δ Z （ 即 G 代码 Z 轴指令值） 和确定磨削速度； 最后， 将本次判断和计算信息传递给
G 代码， 最终通过 G 代码程序实现对磨削过程的直接 控制。 1. 2 1. 2. 1 全闭环锯片磨削的控制策略 全闭环锯片磨削机床系统结构
全闭环锯片磨削机床系统是在华中数控世纪星 18i 数控锯片磨床基础上， 通过增设基于电涡流位移传 感器的测量系统而构成的， 系统结构如图 2 所示。 测 量系统由量程为 0 ～ 4 mm 的电涡流位移传感器和采 样模块组成， 实现对锯片表面与传感器测量头之间距 离的在线测量。传感器输出的正比于距离值的电压信 经采样模块首先转换为 12 位数字量 （ 测量灵敏度 号， 约为： 0. 001 mm / 位 ） ， 再转换为数控系统 PLC 的 I / O 接口能识别的开关量信号。 在每一次测量期间， 数控 对 I / O 接口的测量值 系统的 PLC 以 8 ms 的执行周期， 进行 150 次采样。150 个数据反馈到数控系统后， 经 滤波处理和数据转换， 获得实际锯片厚度值。 1. 2. 2 全闭环锯片磨削的控制策略 全闭环锯片磨削系统对磨削加工过程的控制选择 G 代码程序控制方式。不过， 由于在磨削加工过程中， 磨削工序类型、 加工参数和磨削工艺流程， 均由锯片厚
A Full － closed Loop CNC System of Saw Grinding Based on Eddy Current Sensor
SUN Ying
①②
，WANG Pingjiang ① ，LI Jiajia ① ，TANG Xiaoqi ①
（ ①Machinery College，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074 ，CHN； ②Sichuan Vocational and Technical College of Communications，Chengdu 611130 ，CHN） Abstract： In this paper a CNC system of saw grinding machine based on eddy current sensor is introduced in detail ，through real － time online measuring thickness of the saw ，and feedbacking to the CNC system，so as to realize full － closed loop control of grinding process. Within the linear range of the sensor，the developed system can automatically adapts to different processing conditions and requirements via simple parameters settings. It possesses the advantages of high accuracy，high efficiency，easy operation，high stability，and has wide application prospect in surface grinding. Keywords： Grinding Control； Eddy Current Sensor； Grinding Wheel Wear； Temperature Drift； Dynamic Compensation 在锯片磨削过程中， 由于机床自身运动误差和砂 导致数控系统的指令磨削量与实际磨削量出 轮磨损， 现较大偏差（ 严重时实际磨削量几乎仅为指令磨削量 从而造成锯片厚度难以控制， 生产率低等现 的一半） ， 象。一般的数控锯片磨床采用刀具半径固定补偿的方 式， 对磨削误差 （ 主要是砂轮磨损量 ） 进行补偿； 但由 于砂轮磨损量受磨削参数、 锯片材质和砂轮材质等诸 ， ， 多因素的影响 因此 很难达到磨削误差精确补偿的目 的， 致使锯片磨削尺寸精度难以控制 、 生产率较低等问 题至今无法得到根本解决。本文针对原数控锯片磨床 的缺点与不足， 探讨了在华中数控世纪星 18i 数控系 统的基础上， 通过增设锯片厚度实时在线自动测量功 能， 数控系统根据测量值与理论值的关系 ， 确定磨削误 差， 并在磨削过程中进行误差实时补偿 ， 从而实现对锯 片磨削过程全闭环控制的方法。
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Design and Research 据锯片厚度的测量值， 计算本次磨削循环产生的磨削 误差， 以磨削误差实时补偿原则， 确定下一个磨削循环 的加工参数， 随后继续进行磨削循环加工； 当锯片厚度 测量值≤进入精磨的理论厚度或进入光磨的理论厚度 时， 分别进入精磨工序的磨削循环加工或光磨工序的 磨削循环加工； 当锯片厚度测量值与锯片标准厚度之 差在允许的公差范围内时， 整个磨削循环加工结束， 砂 磨削加工过程结束。 对于同 轮快速返回到起刀点 P0 ， 批量锯片的磨削加工， 将新锯片毛坯安装好后， 不作任 何调整， 只需按下循环启动键， 则系统完成自动加工。
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而标准的 G 代码程序不具备从 度的测量值实时决定， 数控系统外部 I / O 接口获取测量数据的能力， 为此， 必 须对数控装置的系统软件进行相应的开发 ， 创建一个 软件磨削控制器。软件磨削控制器主要实现对来自数 控系统外部 I / O 接口的测量数据的采样计算， 并将计 算信息实时传递给 G 代码程序， 从而实现由锯片厚度 测量值实时控制磨削加工过程的控制思想 。 由此可 全闭环锯片磨削加工的控制策略是利用 G 代码程 见， 序和软件磨削控制器相互协调运行， 共同完成对磨削 G 代码程序与软件磨削 加工过程的控制。 本系统中， 控制器的执行采用并行运行方式， 其控制的主要原理 是： 每当 G 代码程序执行到特定位置时， 如图中砂轮 由 X 轴从中心向外退回到与传感器测量头安装位置 A 点对称的 B 点位置时（ 图 1 ） ， 由 G 代码程序激活软件 磨削控制器， 再由软件磨削控制器启动测量系统 ， 对锯 。 片厚度进行采样计算 磨削控制器根据本次测量值， 进行一系列的判断， 如毛坯是否满足正常磨削条件、 磨 削加工是否结束等； 若加工尚未结束， 则确定下一次磨 削循环的磨削工序类型， 并通过前后两次磨削循环后 确定本次磨削循环的实际磨削量 Δ ′Z ， 按式 的测量值， （ 1 ） 计算出本次磨削循环的磨削误差 δ Z 和砂轮的磨 损量 Δ R ； 并以误差实时补偿原则， 按式（ 2 ） 计算出下一
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基于电涡流传感器的全闭环锯片磨床数控系统开发
孙 莹 ①② 王平江 ① 李佳佳 ① 唐小琦 ①
（ ①华中科技大学机械学院国家数控系统工程技术研究中心 ， 湖北 武汉 430074 ； ②四川省交通职业技术学院， 四川 成都 611130 ） 摘 要： 详细介绍了在锯片磨床控制系统中采用电涡流传感器 ， 实时在线测量锯片厚度， 并反馈给数控系统， 从而实现磨削过程全闭环控制的方法 。所开发的全闭环数控磨削系统可在传感器线性范围内 ， 通过 简单的参数设置， 自动适应不同加工条件和要求， 具有高精度、 高效率、 操作简单、 稳定性好等特点， 在平面磨削加工中具有广阔的应用前景 。 关键词： 磨削控制 电涡流传感器 砂轮磨损 温度漂移 动态补偿
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Design and Research 对锯片厚度进行采样计算， 并将信息传递给 G 代码程 序。除此之外， 当锯片厚度满足尺寸要求时， 任务 2 中 还应按式（ 3 ） 计算出砂轮回到起刀点 P0 时其中心的坐 标值 Z （ N + 1） P0 （ 由于砂轮磨损， 此值与磨削前的坐标值 不相等） ； 同时及时保存此时锯片厚度的测量值 H Nend 和砂轮中心的 Z 轴坐标值 Z Nend ， 用于在下一个锯片磨 削加工时， 软件磨削控制器在任务 1 中， 按式 （ 4 ） 进行 毛坯磨削起始点坐标值 Z （ N + 1） P1 的计算。这样， 便实现 了无需作任何调整就能自动完成批量生产的要求 。任 务 2 控制流程如图 5 所示。
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全闭环锯片磨削的控制技术
全闭环锯片磨削的加工工艺 在实际加工中， 锯片磨削分为粗磨、 精磨和光磨三
道磨削工序， 用户可以通过人机界面， 设置各工序的磨 削余量、 进给量和磨削速度等参数。 全闭环锯片磨削 磨削前砂轮处于起刀点 P0 的位 工艺流程如图 1 所示， 置； 磨削加工开始， 首先完成毛坯厚度的测量， 判断是 否满足正常磨削条件 （ 即毛坯厚度应不超过规定公差 范围） ， 若满足条件， 则计算出砂轮在磨削初始点 P1 时 以及第一次进行磨削的砂轮理 其中心的坐标值 Z P1 ， 论进给量和磨削速度， 反之， 产生报警信息并退出加 工。当毛坯测量完成， 且满足正常磨削条件时， 砂轮从 起刀点 P0 快速运动到磨削初始点 P1 ， 开始磨削循环加 工。一个磨削循环的路径为： Z 轴进给 → X 轴由外向 中心进给→Z 轴进给→X 轴由中心向外退出。 每完成 一个磨削循环， 系统便对锯片厚度进行一次测量。 根