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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
编辑:深圳市米朗科技有限公司   时间:2017-03-27

在锯片磨削过程中,由于机床自身运动误差和砂轮磨损,导致数控系统的指令磨削量与实际磨削量出现较大偏差(严重时实际磨削量几乎仅为指令磨削量的一半),从而造成锯片厚度难以控制,生产率低等现象。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。

1 全闭环锯片磨削的控制技术

  1.1 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。全闭环锯片磨削工艺流程如图1所示,磨削前砂轮处于起刀点P0的位置;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时其中心的坐标值ZP1,以及第一次进行磨削的砂轮理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,砂轮快速返回到起刀点P0,磨削加工过程结束。对于同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。


  1.2 全闭环锯片磨削的控制策略

  1.2.1 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0~4mm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号,经采样模块首先转换为12位数字量(测量灵敏度约为:0.001mm/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,数控系统的PLC以8ms的执行周期,对I/O接口的测量值进行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,均由锯片厚度的测量值实时决定,而标准的G代码程序不具备从数控系统外部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。由此可见,全闭环锯片磨削加工的控制策略是利用G代码程序和软件磨削控制器相互协调运行,共同完成对磨削加工过程的控制。本系统中,G代码程序与软件磨削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的测量值,确定本次磨削循环的实际磨削量Δ′Z,按式(1)计算出本次磨削循环的磨削误差δZ和砂轮的磨损量ΔR;并以误差实时补偿原则,按式(2)计算出下一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。

  由于本系统通过实时测量能反映砂轮Z轴实际进给值的实际磨削量Δ′Z,并对砂轮Z轴理论进给量Δ*Z进行实时修正,直到砂轮实际Z轴总进给量等于理论总进给量时,才结束磨削加工。因此,实现了砂轮Z轴的全闭环控制,确保了锯片厚度的加工精度。同时,由于砂轮磨损量的实时补偿,减少了磨削循环次数,提高了生产效率。



  1.3 全闭环锯片磨削加工的控制流程

  为了便于控制,本系统将全闭环磨削过程分为三个控制工艺阶段,一是砂轮从起刀点P0快速、准确地运动到磨削初始点P1;二是砂轮以相同的路径进行粗磨、精磨和光磨的磨削循环加工;三是砂轮快速、准确地回到起刀点P0。在设计G代码程序的流程时,除实现以上三个工艺阶段的运动控制外,同时考虑到节约系统资源,软件磨削控制器只在执行到特定G代码时才被创建并激活,以执行相应的任务,因此,G代码程序还承担控制软件磨削控制器的任务。综合考虑,本系统的G代码程序流程如图3所示。


  同样,由于G代码程序的执行流程和指令值取决于软件磨削控制器实时采样计算结果,因此,软件磨削控制器反过来又要控制G代码程序。考虑到在不同的磨削控制工艺阶段,软件磨削控制器所完成的功能不同,将其划分为两个任务。任务1主要完成第一个控制工艺阶段中的功能,即对锯片毛坯厚度的采样计算和判断,并将计算信息传递给G代码程序。任务1控制流程如图4所示。任务2主要完成第二个和第三个控制工艺阶段中的功能,即在磨削循环过程中每次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HNend和砂轮中心的Z轴坐标值ZNend,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。 


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