在线测量与声发射监控在数控磨床上的应用

元 炜

（上海机床厂有限公司 上海 200093）

1 引言

在传统的机械加工中，操作者的操作技能、经验在控制加工质量的过程和安全性中起到了决定性的作用。随着人力成本的提升和人口老龄化趋势驱动的“无人化时代”的到来，以及产品质量要求的不断提高，机械加工的精度、稳定性和可靠性需达到一定的程度才能满足现代化制造工艺。同时数控磨床的广泛使用，弱化了操作者的技能，而对加工设备提出了更高的要求，因此国内外都开展了磨削过程化工艺的研究，其中包括：

（1）在线测量。零件测量对整个过程提供零件质量检查、加工过程优化和后续生产过程具有重要意义。零件测量又可分为在线测量与离线测量两种方式，其中离线测量是指零件加工后搬运到指定地点通过固定的测量设备所进行的测量。离线测量由于加工和测量不是同步进行的，增加了搬运、重复装夹等操作[1]。相对于离线测量而言，在线测量可以在磨削过程中做到实时监测，适用情况更广、生产效率更高。磨床在线测量时，通过不同磨削阶段的控制进行进给速度的优化，使得尺寸控制和加工循环都能达到最佳效果，是实际生产测量中测量技术的发展趋势之一。

（2）声发射监控。声发射是指材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象。在任何磨削或修整的过程中，都会产生噪音，其绝大多数的频率处于超声波范围；而其他器件，诸如轴承与液压部件等所产生的噪音主要由低频组成。因此，磨削噪音和机床运行时的噪音就能根据频率段的不同而区分开来[2]。正因为有着这样的特质，利用仪器检测、记录、分析其声发射信号，就能很好地监控砂轮与工件的接触状态，提高加工效率与安全性。

（3）砂轮动平衡。在磨床主轴转速不断提高成为趋势的同时以及实现工件卓越表面加工质量的能力需求背景下，对因机械部件和旋转砂轮的不平衡而产生的振动进行有效控制，自然而然是十分必要的，从而引入了砂轮主动平衡系统，该系统能有效地监控由振动传感器（加速度传感器）发出的信号，并改变内置砝码的位置，以最大程度减少残余振动。

对于以往的数控磨床来说，实现以上三种功能有着各自的硬件设备，为了能更好地解决各自硬件设备与数控系统信号交互带来的操作和成本问题，本文采用了多功能电子量仪系统，通过Profibus-DP与数控系统进行通讯，整合了在线测量、声发射监控和砂轮动平衡功能于一体，用于数控磨床加工过程的控制，来优化加工循环和加工质量。

2 应用方案的建立

2.1 在线测量

多功能电子量仪系统的在线测量是一种主动比较式测量监控方式，即在工件加工的同时，测量装置始终监测着被测工件的尺寸变化，持续的磨削数据能用作调节和控制整个加工循环根据已设定的粗磨、精磨、光磨以及零位信号，从而使得机床在不同加工阶段使用不同的砂轮转速或进给速度等磨削工艺状态，形成相对完整的闭环控制，从而获得加工工件的表面质量。由测量仪实时实现精密的尺寸控制，达到加工循环时间的最佳效果。

2.2 声发射监控

使用AE声发射信号（Acoustic Emission）系统可用做提高磨削效率的消空程与保证磨削安全的防碰撞，其整体结构如图1所示。

图1 声发射监控结构示意图

（1）消空程：在传统磨削过程中，只能依靠经验而在砂轮接触到工件前降低快速进给速度至磨削进给速度。由于没有科学的检测依据，为了安全起见，往往在砂轮和工件发生接触还有较大距离的地方就切换成低速进给的磨削进给速度，势必造成很多非加工状态的空程，影响了生产效率。

配置AE声发射传感器，让其采集砂轮趋近时的声发射信号，来判断砂轮与工件之间的空程间隙大小。在每次磨削或修整循环开始后，开启消空程指令，砂轮或修整器按设定快速趋近“工件/砂轮”表面，一旦接触到“砂轮/修整器”，声纳信号就会瞬间增加并超过预先设定的阀值，对数控系统发出消空程完毕的信号，使得数控系统瞬间降低“砂轮/修整器”的进给，从快速消空程速度降低到安全的“磨削/修整”速度，提高了磨削效率。

（2）防碰撞：磨削加工过程中，由于编程失误、操作失误及加工工件在上道工序时存在的偏差，时常导致磨具的碰撞。启用防碰撞功能后，就能在不失去磨削效率的同时，保证机床的安全。与消空程一样，在正常磨削启用前，采集正常磨削加工的声纳信号。在磨削加工时监控声纳，当实时接收到的声纳信号高于正常磨削的数据时，一个“超出碰撞极限”的信号就会输出给数控系统，数控系统使机床做出快速回退或紧急停止的动作，避免了砂轮主轴、工件和机床其他部件的损坏。

2.3 砂轮动平衡

在主轴砂轮侧内部安装平衡砝码，主轴的另一端安装转速传感器采集主轴转速信号，主轴箱附近安装振动传感器采用振动信息，砂轮运转时通过分析，再将控制指令给平衡电机，平衡电机按指令进行不同角度的旋转，实现砂轮的动态平衡。

2.4 三种硬件设备的通讯方案

现场设备的通讯在很大程度上取决于选择了哪种传输技术，且单一的传输技术不可能满足所有的要求，这里使用Profibus-DP协议中的RS485传输技术，实现在线测量、声发射监控和砂轮动平衡功能的多功能电子量仪系统与数控磨床之间的通讯，其系统设计更加方便，组态、调试也更容易，且有着便于扩展与信息集成的特点。

在图2所示的加工流程图中，融入多功能电子量仪系统的在线测量、声发射监控和砂轮动平衡功能，与数控系统建立紧密的闭环控制，使得整个加工流程的可控性与效率得到进一步的提升。

图2 加工流程图

3 通讯接口和信号处理

3.1 通讯接口

多功能电子量仪系统与数控通讯采用的Profibus-DP接口，使用9针D型连接器，分别提供一组输出DC24V，一组数据接收与传输正负极，一组终端电阻DC5V和一组中继器控制信号以及一个屏蔽/保护地的信号。

3.2 信号处理

根据量仪系统的放大器，针对在线测量系统、声发射监控均需定义量仪自动/手动状态、测量项目与测量循环的信号。

对于数控系统输入侧需定义的信号为：在线测量收到到位信号，粗磨、精磨、光磨、零位信号，声发射监控的消空程信号和防碰撞信号。

对于数控系统输出侧需定义的信号为：测量仪自动信号，在线测量请求信号，在线测量测爪气收张信号、砂轮动平衡使能信号、消空程使能、防碰撞使能和声发射监控启动信号。

4 软件组态、PLC编程原理及在线测量加工程序

4.1 组态设置

在量仪系统的显示面板上设定现场总线Profibus-DP地址为26，并且通过西门子Step7 PLC编程软件将该组件添加至通讯组态中，定义其槽 1的输入地址为IB60-IB73、输出地址为QB60-QB73，如图3所示。

图3 数控系统与测量系统的组态

4.2 PLC编程原理

4.2.1 工作模态的切换

由于多功能电子量仪系统在其自动模式下才能进行各功能的工作，所以在整个加工循环前，首先得处理工作模态信号（Q61.0和Q69.0），即当操作者将机床的工作模态切换至自动时，量仪系统也将切换成该模态，且得到量仪系统的反馈信号（I60.0）。

4.2.2 在线测量

(1)测量循环前：在磨削加工伊始，测爪与其推动油缸均在非测量位置，量仪根据不同的加工程序选择相应的加工循环（Q60.4）,当磨削状态由消空程阶段转到在线测量阶段时，数控系统向量仪发出测爪收张请求（Q61.3）,测爪张开至预设范围后，量仪将测爪收张信号（I60.4）反馈至数控系统，量仪油缸携测爪进至工件表面，等待测量循环开始。

(2)测量循环：数控系统检测出测爪已经在测量位置后，向量仪发出测量请求（Q61.3）,测量循环即开始。随着加工工件的尺寸不断减小，达到量仪设定的粗磨发讯点（I61.4）、精磨发讯点（I61.5）和光磨发讯点（I61.6）后，信号送至数控系统的PLC-NC板载交互信号（DB10.DBX1.0-DB10.DBX1.2）中，从而激活数控系统的删除余程的功能，将加工程序跳转至所对应的下一阶段；当加工工件的尺寸到达量仪所设定的零位信号（I61.7）时，也将信号转换成 PLC-NC板载交互信号（DB10.DBX1.3），得到信号的数控系统将测爪油缸退出，测量循环结束，该磨削加工完成。

4.2.3 声发射监控

(1)检测循环前：在磨削加工前，需根据不同的磨削程序选择不同的消空程、防碰撞检测循环（Q68.4）。

(2)检测循环中：使用消空程功能，激活其控制使能（Q69.6）,由数控系统发出对量仪的消空程循环开始（Q69.3）后，进入消空程阶段，砂轮快速趋近工件表面。当传递至声发射传感器的声纳信号高于预设值时，量仪反馈至数控系统的消空程信号（I70.3）由高电平转换为低电平，数控系统将加工状态由消空程转至在线测量阶段；同样在使用防碰撞功能时，在激活其对应的控制使能（Q69.2）和循环请求（Q69.3）后，在任何时候只要有着高于预设碰撞信号的声纳由传感器传送量仪系统后，都会有一个碰撞反馈信号（I70.4），该信号由高电频转换为低电频并传送至数控系统，从而使得数控系统做 出砂轮紧急后退的动作。

4.3 在线测量的加工程序

在数控加工程序中，$A_IN[1]- $A_IN[4]分别对应的 NC板载信号 DB10.DBX1.0- DB10.DBX1.3；DELDTG为删除余程指令，具体如下：

5 应用方案的实施

这里以两台外圆磨床进行比较，其中一台是数控外圆磨床并带有多功能电子量仪系统，而另一台则是普通的外圆磨床，使用这两台机床分别加工了20件同规格零件，测试结果如表1所示。

表1 数控外圆磨床与普通外圆磨床加工测试结果

从加工精度上来说：数控外圆磨床由于使用了测量仪的在线测量功能，实现了加工的全闭环控制，其尺寸误差控制在0.003 mm以内，而普通外圆磨床只能控制在0.01 mm。

从加工时间上来说：数控外圆磨床使用了量仪的声发射监控的消空程、防碰撞模块，使其砂轮能够快速趋近工件表面，并且在线测量系统能够自动检测工件相对尺寸，进而将每个工件的加工时间控制在 1 min，而普通外圆磨床由于需要人为参与到工件的检测中，有着重复进刀、退刀的加工步骤，其每个工件的加工时间平均要花5 min。

表面质量上：数控外圆磨床的砂轮主轴采用了量仪系统的砂轮动平衡模块，降低了由于砂轮主轴不平衡对加工工件表面质量的影响，工件表面粗糙度能达到Ra0.4，而普通外圆磨床加工工件表面粗糙度普遍在Ra0.8左右。

人力成本：由于数控外圆磨床使用了多功能电子量仪系统及数控系统，能够做到在一次编程、量仪调整后，批量磨削加工，将加工精度完全交给机床本身，可以实现一人多机的操作模式，而普通外圆磨床需要人工干预加工精度，只能采用专人操作的工作方式。

综上所述，具有多功能电子量仪系统的数控磨床不管在加工精度、效率、质量上都远胜于普通磨床，而在人力资源上能为使用者节约不少的成本。

6 结语

伴随着自动化技术的发展，对机床的稳定性能、可靠性以及加工效率要求越来越高。通过多功能电子量仪系统在数控磨床上的使用，以Profibus现场总线建立测量仪与数控系统之间的通讯，运用其在线测量功能保证加工精度，砂轮动平衡功能解决了砂轮主轴振动对加工表面质量的影响以及声发射监控功能在保证磨削效率的情况下安全性得到了保障，使得磨削加工更为合理和优化。