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(duì)工件表面進(jìn)行磨削加工的精密機(jī)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(jìn)行高效率的磨削^[2]_,，在汽車制造業(yè),、機(jī)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(jī)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(dòng)化方向的發(fā)展,，自動(dòng)測(cè)量裝置應(yīng)用到了磨床上,，并在機(jī)械加工中扮演了重要的作用^[6]_。量儀是用來在機(jī)械加工過程中,，對(duì)工件的尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線測(cè)量,，將測(cè)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(dòng)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(hào)。它擺脫了對(duì)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(jī)械式,、光學(xué)式,、超聲波式、電子式和氣動(dòng)式等?，F(xiàn)有的機(jī)械加工在線測(cè)量方法大多用于為實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)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(dòng)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外圓磨加工的主動(dòng)在線測(cè)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(shí)時(shí)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(diǎn)的方法，從而提高多段磨削精度,，同時(shí)降低了成本,。

坐標(biāo)原點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)補(bǔ)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(tái)上的金剛筆,、工件和徑向量儀測(cè)頭,，固定在砂輪架上的成型砂輪和端面量儀測(cè)頭。磨床的坐標(biāo)系可以分為機(jī)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(diǎn)(通常取左下角)為砂輪坐標(biāo)系原點(diǎn)，如圖1所示,，o_w即為砂輪坐標(biāo)系原點(diǎn),，當(dāng)金剛筆尖運(yùn)動(dòng)到o_w點(diǎn)時(shí)，機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)值即為砂輪坐標(biāo)系原點(diǎn)在機(jī)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(diǎn)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(diǎn),，在機(jī)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(diǎn)b₀,b₁,…,b₇描述,，其中b₅為新的砂輪坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)，在機(jī)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)到工件坐標(biāo)原點(diǎn)o_p點(diǎn)，此時(shí)機(jī)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(diǎn)在機(jī)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)到工件坐標(biāo)原點(diǎn)o_p點(diǎn)時(shí),，機(jī)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(diǎn)在機(jī)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(diǎn)o_w在工件坐標(biāo)系x_po_pz_p中運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，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(diǎn)和砂輪修整原點(diǎn)，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(diǎn)補(bǔ)償方式的改進(jìn)

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(duì)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(duì)準(zhǔn)b段，沿x軸負(fù)方向行走到工件坐標(biāo)位置x_b,。對(duì)大多數(shù)中低檔磨床而言,，精度只能保持在幾個(gè)絲的水平。

為了提高精度,，可以在安裝徑向量儀實(shí)時(shí)監(jiān)控磨削過程,，這樣可以把磨削尺寸精度提高到微米級(jí)。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(diǎn),，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(duì)a段進(jìn)行磨削時(shí)，實(shí)時(shí)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(hào),，砂輪停止進(jìn)給。此時(shí),，工件的真實(shí)尺寸為xa,，而此時(shí)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(diǎn),，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(diǎn)調(diào)整前,，砂輪x坐標(biāo)位置為xa`,，工件坐標(biāo)原點(diǎn)為xp，此時(shí)砂輪在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為xa`+xp,；工件坐標(biāo)原點(diǎn)調(diào)整后,，砂輪x坐標(biāo)位置為xa，工件坐標(biāo)原點(diǎn)為xp`,，此時(shí)砂輪在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為xa+xp`,。由于工件坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)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(duì)b段進(jìn)行磨削,，到達(dá)工件坐標(biāo)系x坐標(biāo)位置xb,。整個(gè)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(diǎn)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(diǎn)

結(jié)論

1)傳統(tǒng)的基于砂輪修整量進(jìn)行工件坐標(biāo)原點(diǎn)補(bǔ)償,，有可能因?yàn)榻饎偣P的磨損,、機(jī)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(bǔ)償不準(zhǔn),。一個(gè)普遍的現(xiàn)象是,，每次修整砂輪之后，磨削的第一個(gè)工件,，尺寸總是偏大或者偏小,。通過徑向量儀對(duì)工件坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整后，砂輪在a段對(duì)工件坐標(biāo)原點(diǎn)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(duì)b段和其它段進(jìn)行磨削加工,，如同對(duì)砂輪行走的精確性做了一次實(shí)時(shí)校正,，可以有效地消除砂輪鋒利程度、機(jī)床熱效應(yīng),、金剛筆磨損等原因引起的補(bǔ)償誤差,。

2)可以采用工件坐標(biāo)原點(diǎn)雙補(bǔ)償?shù)姆椒āＪ紫仍谏拜喰拚?，即?duì)工件坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償,；然后，令砂輪對(duì)裝有量儀的a段進(jìn)行磨削,，根據(jù)磨削的結(jié)果,，再次調(diào)整工件坐標(biāo)原點(diǎn)。

3)也可以取消砂輪修整后的工件坐標(biāo)原點(diǎn)補(bǔ)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(diǎn)細(xì)微的差別在對(duì)a段進(jìn)行磨削之后,，就不存在了,。

4)無論工件坐標(biāo)原點(diǎn)采用什么方法補(bǔ)償,，砂輪修整原點(diǎn)的補(bǔ)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(diǎn)與砂輪實(shí)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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