賈英鋒，鄭 鵬，張琳娜

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)精密零器件加工過(guò)程的控制與檢測(cè)的高精度、智能化要求越來(lái)越高。磨加工主動(dòng)測(cè)量?jī)x是一種能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)工件尺寸[1-4]。通過(guò)測(cè)量值與設(shè)定信號(hào)點(diǎn)值的比較判斷，對(duì)機(jī)床發(fā)出動(dòng)作指令進(jìn)而控制磨削加工進(jìn)程的儀器。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)、半自動(dòng)磨床，如圖1所示。主動(dòng)測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)測(cè)量，極大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和提高自動(dòng)化程度。同時(shí)，也可有效提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，降低廢品率[5]。

磨削加工過(guò)程中，為了在保證工件表面質(zhì)量的前提下提高加工效率，一般采用“粗磨—精磨—光磨”的三級(jí)加工模式，如圖2所示，或者“粗磨—精磨—半精磨—光磨”四級(jí)加工模式。

圖1 磨加工主動(dòng)量?jī)x工作示意圖Fig.1 Diagram of Grinding Active Measuring Instrument

圖中：P1、P2、P3、P4—主動(dòng)測(cè)量控制器信號(hào)設(shè)定點(diǎn)；S1—S2—粗磨階段；S2—S3—精磨階段；S3—S4—光磨階段。當(dāng)主動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)頭測(cè)得值（濾波后平均值）到達(dá)信號(hào)點(diǎn)預(yù)設(shè)值時(shí)，控制機(jī)床砂輪的進(jìn)給與否、進(jìn)給速度等動(dòng)作。P4點(diǎn)—加工到尺寸信號(hào)點(diǎn)，當(dāng)磨削加工至測(cè)頭測(cè)得值為P4點(diǎn)信號(hào)值時(shí)，砂輪退出，磨削進(jìn)程結(jié)束。

圖2 磨加工主動(dòng)量?jī)x“粗磨—精磨—光磨”模式Fig．2 "Rough Grinding，F(xiàn)ine Grinding and Buffing"Mode of Grinding Active Measuring Instrument

在實(shí)際生產(chǎn)中，主動(dòng)測(cè)量?jī)x控制磨削進(jìn)程下的工件最終尺寸值與信號(hào)點(diǎn)設(shè)定值往往有一定的偏差，如外圓磨削時(shí)，最終值一般會(huì)大于信號(hào)點(diǎn)設(shè)定值。目前，在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于這種信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定偏差，一般需要定時(shí)或者定量地對(duì)工件抽檢和測(cè)量，然后通過(guò)主動(dòng)測(cè)量?jī)x設(shè)定補(bǔ)調(diào)值來(lái)修正測(cè)量結(jié)果。但依然容易在修正前出現(xiàn)廢品，重要的是不能滿足大批量、流水線生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化要求。

為提高磨加工主動(dòng)測(cè)量控制下的磨削精度和加工效率，提高主動(dòng)測(cè)量?jī)x的智能化程度，解決磨加工主動(dòng)測(cè)量下工件尺寸值與設(shè)定值存在一定偏差的問(wèn)題。結(jié)合磨削過(guò)程的誤差來(lái)源分析，對(duì)磨加工主動(dòng)測(cè)量信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定展開(kāi)研究。

2 到尺寸的誤差分析

加工過(guò)程的信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定是測(cè)頭測(cè)得值與信號(hào)點(diǎn)預(yù)設(shè)值的對(duì)比，當(dāng)二者相等時(shí)，控制器發(fā)出指令控制機(jī)床動(dòng)作，如砂輪退出。信號(hào)點(diǎn)值磨加工主動(dòng)測(cè)量?jī)x預(yù)設(shè)的定值。理想條件下，測(cè)頭測(cè)得值為測(cè)頭接觸點(diǎn)到工件旋轉(zhuǎn)中心O的距離，即接觸點(diǎn)半徑值。通過(guò)測(cè)頭采集到的數(shù)據(jù)，傳到控制儀中的是電壓量。需要將測(cè)得的電壓值轉(zhuǎn)換成工件尺寸值[6]。轉(zhuǎn)換計(jì)算公式如下：

RealSize=（RealDY-ZeroDY）*Ratio

式中：RealSize—轉(zhuǎn)換后的尺寸值；RealDY—測(cè)量電壓；ZeroDY—

零位電壓；Ratio—轉(zhuǎn)換倍率。

半徑值的測(cè)量精度由主動(dòng)測(cè)量?jī)x的儀器精度來(lái)保證，半徑值的測(cè)量誤差屬于系統(tǒng)誤差，此項(xiàng)系統(tǒng)誤差一般通過(guò)測(cè)量前控制器的零位標(biāo)定和倍率校對(duì)來(lái)減弱或消除。同時(shí)，控制器軟件程序中的數(shù)據(jù)預(yù)處理（如求平均、去極值等）也可進(jìn)一步消除系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量值的影響。

由于受溫度、磨削速度、毛坯余量、冷卻液以及機(jī)床精度和振動(dòng)等因素的影響，加工后的零件尺寸有一定的分散性[7]。這種尺寸的分散性具體表現(xiàn)為工件的圓度誤差。測(cè)頭測(cè)得值會(huì)由于圓度誤差的存在而存在跳動(dòng)，這種測(cè)量值的跳動(dòng)是由系統(tǒng)誤差和工件圓度誤差共同作用影響的?？紤]到系統(tǒng)誤差不是該文討論和研究的重點(diǎn)，且通過(guò)零位標(biāo)定和倍率校對(duì)后誤差極小。實(shí)際生產(chǎn)中，儀器的示值誤差極小[8]（-50～+50）μm范圍內(nèi)，大小在（±0．1）μm之內(nèi)）。故該文著重分析圓度誤差對(duì)信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定的影響。

3 信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定

以外圓磨削為例，磨加工主動(dòng)測(cè)量控制磨削進(jìn)程時(shí)，工件尺寸不斷減小。光磨階段，砂輪停止進(jìn)給，修正工件圓度，主動(dòng)測(cè)量控制器實(shí)時(shí)判斷工件尺寸是否到達(dá)預(yù)設(shè)值，直至工件尺寸光磨至信號(hào)點(diǎn)P4。一旦信號(hào)點(diǎn)到尺寸即對(duì)機(jī)床發(fā)出指令砂輪退出，磨削結(jié)束。信號(hào)點(diǎn)到尺寸程序判斷流程，如圖3所示。

圖3 信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定流程Fig．3 Signal Point Size Determination Process

由流程圖3可以看出，控制器一旦得到測(cè)量值等于P4信號(hào)點(diǎn)預(yù)設(shè)值時(shí)，砂輪即退出。信號(hào)點(diǎn)到尺寸時(shí)加工狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 信號(hào)點(diǎn)到尺寸時(shí)工件輪廓Fig．4 The Workpiece Profile when the Signal Points to the Size

圖中：1—砂輪輪廓；2—光磨階段到尺寸時(shí)工件輪廓；3—到尺寸時(shí)以測(cè)頭測(cè)得值為半徑所做的圓。

信號(hào)點(diǎn)到尺寸時(shí)測(cè)頭測(cè)得點(diǎn)半徑值R實(shí)際上是工件圓周半徑值r的極小值：R=minr

對(duì)于主動(dòng)量?jī)x控制器來(lái)說(shuō)，信號(hào)點(diǎn)到尺寸時(shí)得到的理想工件輪廓為虛線3，但由于圓度誤差的存在，實(shí)際輪廓為實(shí)線2，且實(shí)線2的最小半徑值為虛線3的半徑值。

3.1 基于圓度誤差的到尺寸判定

通過(guò)以上對(duì)控制器信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定流程和到尺寸時(shí)工件輪廓狀態(tài)的分析，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)點(diǎn)到尺寸的合理判定，考慮工件圓度誤差的影響，提出基于圓度誤差的信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定修正方法如下。

設(shè)到尺寸時(shí)工件圓度誤差為Y，信號(hào)點(diǎn)預(yù)設(shè)值為D，則修正后的信號(hào)點(diǎn)預(yù)設(shè)值為：

D′=D-Y/2（外圓磨削時(shí)）

同理：D′=D+Y/2（（內(nèi)圓磨削時(shí)）

這種信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定方法適用于有在線圓度評(píng)定功能的主動(dòng)測(cè)量?jī)x。

3.2 基于平均處理法的到尺寸判定

目前，市場(chǎng)上的磨加工主動(dòng)測(cè)量?jī)x并不是都具有在線圓度評(píng)定功能，對(duì)于無(wú)法實(shí)時(shí)獲得圓度誤差值的主動(dòng)量?jī)x可以對(duì)測(cè)頭測(cè)量值做平均處理。這里的“平均處理”與數(shù)據(jù)采樣預(yù)處理中的“求平均”不同。數(shù)據(jù)采樣預(yù)處理的“求平均”一般是將測(cè)頭剛剛測(cè)得的4-6個(gè)值求平均[9]。將其均值作為示值，目的是為了消除系統(tǒng)誤差等隨機(jī)誤差的影響。到尺寸判定的“平均處理”是考慮到無(wú)法獲得圓度誤差值。用測(cè)量值的平均值作為實(shí)際輪廓的最小二乘擬合圓半徑值[10]。所以為了能夠在最大程度地接近最小二乘擬合半徑值，此處的“平均處理”基數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于（4～6），一般希望采用工件一個(gè)圓周的采樣點(diǎn)值。平均處理的信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定不改變信號(hào)點(diǎn)預(yù)設(shè)值，而是修正原先的信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定流程，修正后的信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定流程，如圖5所示。

圖5 基于平均處理法的信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定流程Fig．5 Signal Point to Dimension Determination Process Based on Average Processing Method

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)機(jī)床采用MGB1320E高精度半自動(dòng)外圓磨床，如圖6所示。磨削工件材料為45鋼，磨削外圓直徑為24mm，外圓軸向尺寸為30mm；砂輪材質(zhì)為棕剛玉，直徑400mm，厚度32mm，最高線速度35m/s；磨削液使用濃度為4%的乳化液；磨削方式為外圓切入磨削。

圖6 磨削實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig．6 Grinding Experiment Equipment

實(shí)驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證兩種修正后的信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定方法是否能夠有效減弱或消除工件圓度誤差對(duì)信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定的影響。故實(shí)驗(yàn)安排的變動(dòng)參數(shù)為光磨階段的砂輪線速度和光磨余量，以便獲得不同的圓度誤差值，兩個(gè)變動(dòng)參數(shù)分別設(shè)定三個(gè)水平變量，如表1所示。共計(jì)32=9組。

表1 工藝參數(shù)水平表Tab.1 Process Parameter Level Table

每組工藝參數(shù)安排，用磨加工主動(dòng)測(cè)量控制器分別采用無(wú)任何修正處理、基于圓度誤差修正和平均處理的三種信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定方法做三次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄磨削結(jié)束時(shí)的工件圓度誤差值A(chǔ)、三種信號(hào)點(diǎn)到尺寸判定方法得到的工件一周測(cè)量值平均值（作為工件公稱尺寸值）與信號(hào)點(diǎn)預(yù)定值的偏差B、C、D以的值（A、B、C、D的單位均為μm），結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental Result

5 結(jié)論

為解決磨加工主動(dòng)測(cè)量控制儀控制下的磨削進(jìn)程信號(hào)點(diǎn)到尺寸時(shí)的尺寸偏差問(wèn)題，通過(guò)對(duì)到尺寸時(shí)測(cè)量值誤差來(lái)源的分析，得出影響到尺寸判定產(chǎn)生偏差的主要原因是由于工件圓度誤差的存在；并在此基礎(chǔ)上提出了基于圓度誤差的到尺寸判定方法和平均處理到尺寸判定方法?；趫A度誤差的修正方法和平均處理的修正方法使到尺寸判定偏差絕對(duì)值由修正前的最大值1．8μm，均值 1．41μm 降到修正后最大不超過(guò) 0．5μm，均值不超過(guò)0．06μm，證明了基于圓度誤差和平均處理的到尺寸判定的合理性和可行性。相比于傳統(tǒng)的抽檢工件尺寸變化，手動(dòng)設(shè)置補(bǔ)調(diào)值的解決信號(hào)點(diǎn)到尺寸偏差問(wèn)題，該研究對(duì)于提高大批量產(chǎn)品流水線式生產(chǎn)的生成效率、提高磨加工主動(dòng)測(cè)量?jī)x的智能化水平有重要意義。