磨加工主動量儀移動測量功能的技術(shù)研究

高　方，張琳娜，鄭　鵬，徐金虎

(鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院，河南鄭州　450001)

0　引言

磨加工主動量儀是用于磨床上的在線測量設(shè)備，其采用的是比較式的測量監(jiān)控方法，即在機械加工過程中，測量裝置始終監(jiān)測著工件的尺寸變化，并實時將數(shù)據(jù)傳遞給控制儀，控制儀根據(jù)已設(shè)定好的參數(shù)(粗磨、精磨、光磨、到尺寸等)發(fā)出信號給磨床控制系統(tǒng)，機床隨即進(jìn)行相應(yīng)的動作，形成完整的閉環(huán)控制，從而提高磨削的精度[1-2]。

在磨削加工中經(jīng)常會遇到多臺階的軸類零件，這類零件不僅要求各個臺階外圓的尺寸誤差小，而且常常對各臺階軸的同軸度有較高要求，工藝上總是希望在一次安裝中磨削完畢，所以這就要求主動量儀要具備完善的移動測量功能[3]。但是國內(nèi)的產(chǎn)品在移動測量功能上存在著可移動尺寸小、精度不高的缺陷，有的甚至沒有移動測量功能，因此開發(fā)一種具有可靠的移動測量功能的主動量儀對階梯軸類零件加工精度和效率的提高具有重要意義[4]。

1　主動量儀移動測量功能原理及方案

在原有主動量儀產(chǎn)品和技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了以移動測量電路和軟件控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的基準(zhǔn)自動切換多臺階尺寸測量技術(shù)，該技術(shù)使主動量儀具有完善的移動測量功能。

1．1移動測量原理

磨床對階梯軸類零件進(jìn)行磨削加工時，在磨削加工前要先安裝標(biāo)準(zhǔn)校對規(guī)，對階梯軸的每個臺階的測頭零位和傳感器測頭的倍率進(jìn)行調(diào)整，并將每個臺階的零位電壓和倍率值存放入后臺數(shù)據(jù)庫中，在磨削加工時從后臺數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應(yīng)臺階的零位電壓和倍率值，以便完成測頭在對每個臺階測量時的自動調(diào)零。

1．2移動測量功能的實現(xiàn)方案

主動量儀實現(xiàn)移動測量功能的關(guān)鍵技術(shù)是移動測量電路板的設(shè)計和軟件控制程序設(shè)計，圖1為主動量儀系統(tǒng)框圖，由圖1可知，移動測量電路板與調(diào)理電路板和I/O板卡相互連接。工件尺寸參數(shù)的變化量經(jīng)電感式傳感器測頭轉(zhuǎn)化為電感的變化量輸送到調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓值，測得的電壓值要傳送到2個地方，一個是到工控主板的后臺運行程序，在程序中經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理，在人機界面中顯示出來；另一個是到移動測量電路板中，該電路板能夠根據(jù)預(yù)先存放在后臺數(shù)據(jù)庫中的每個臺階的調(diào)零電壓對測量階梯軸臺階的電壓值進(jìn)行自動調(diào)零，再把調(diào)零后的值返回到信號調(diào)理電路中，然后傳送給工控主板用于控制信號輸出和人機界面的顯示[5-6]。

圖1　主動量儀系統(tǒng)框

2　移動測量功能的硬件電路設(shè)計

主動量儀移動測量電路板主要有2個組成部分：數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路和運放電路，二者和調(diào)理電路、I/O板卡等之間的關(guān)系如圖2所示。測頭電感量經(jīng)調(diào)理電路得到電壓值，一方面?zhèn)魉徒o移動測量電路中的運放電路作為反相輸入信號，另一方面?zhèn)魉徒o工控主板里的后臺運行程序進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)處理，由工控主板上的I/O板卡傳送給D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬電壓值作為運放電路的正相輸入信號[7-9]；兩信號經(jīng)運放處理后返回調(diào)理處理電路，從而完成一個臺階測頭的調(diào)零。

圖2　移動測量功能電路設(shè)計圖

2．1數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路主要由雙12位數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路組成，其主要電路原理圖如圖3所示。數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片的部分端口和I/O板卡的部分端口相連接，控制程序可以通過控制I/O板卡上端口的高低電平從而控制數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片相應(yīng)端口的高低電平，從而實現(xiàn)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換。

圖3　數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換電路圖

數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片有2個模擬量輸出OUTA和OUTB，Vrefa和Vrefb為兩個基準(zhǔn)電壓，均為2．7 V，由調(diào)理電路提供；數(shù)字量是12位的二進(jìn)制數(shù)VInput，由I/O板卡向數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片傳送，故可知式(1)即數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換公式：

(1)

式中：VOutput為輸出的模擬量電壓。

I/O板卡分低四位、中四位、高四位共3次將其傳送給數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片的DB0～DB3端口，而低、中、高位依次傳送的順序是由A0，A1兩個端口的輸入控制的。

總的來說，后臺程序通過控制I/O板卡的相應(yīng)端口進(jìn)而控制數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片的A0，A1兩個端口使12位的二進(jìn)制數(shù)傳送到數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片中，然后通過控制A2端口確定模擬量輸出的端口(具體見表1)，從而將模擬值傳輸?shù)较乱徊竭M(jìn)行運算。

表1　數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片輸出模擬量控制表

2．2運放電路的設(shè)計

該部分電路主要由J-FET雙運算放大器TL082和四元組單刀雙擲模擬開關(guān)MAX333CPP以及一些外圍電路組成，如圖4所示。MAX333CPP模擬開關(guān)部分端口和I/O板卡部分端口相連接，后臺程序可通過控制I/O板卡的相應(yīng)端口控制模擬開關(guān)MAX333CPP中的正向調(diào)零開關(guān)和負(fù)向調(diào)零開關(guān)的斷開和閉合，這兩種開關(guān)必定有一個斷開有一個閉合。

圖4　運放電路原理圖

TL082能同時對2組數(shù)據(jù)進(jìn)行運算放大處理，在電路中正向輸入端、負(fù)相輸入端的連接方法不同時，輸出端的輸出值也會不同，TL082輸出端共有3種輸出結(jié)果：放大運算、反向運算和減法運算。由于要進(jìn)行調(diào)零處理的測頭測量值有正負(fù)之分，所以后臺控制程序就會通過控制MAX333CPP模擬開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行不同的操作。當(dāng)測頭測量值為正值時，正向調(diào)零開關(guān)閉合，調(diào)零補償電壓先放大運算后與測頭測量值進(jìn)行減法運算，結(jié)果經(jīng)一次反向處理后輸出到調(diào)理電路中；當(dāng)測頭測量值為負(fù)值時，測頭測量值先反向處理，后與放大處理后的零位補償電壓進(jìn)行減法運算，結(jié)果直接輸出到調(diào)理電路中。

3　軟件設(shè)計

軟件程序設(shè)計是為數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路提供12位的二進(jìn)制數(shù)，并且將二進(jìn)制數(shù)按一定順序提供給數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片，以便進(jìn)行數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換。由于主動量儀后臺運行程序是用VB 6．0完成的，故該部分程序也選用該語言進(jìn)行軟件設(shè)計。程序設(shè)計主要包括2個部分：I/O板卡程序設(shè)計和數(shù)/模轉(zhuǎn)換程序設(shè)計，程序流程圖如圖5所示。

3．1I/O板卡程序設(shè)計

程序設(shè)計中首先對I/O板卡進(jìn)行配置，然后對I/O板卡要用到端口的定義和初始化，使后臺程序能對I/O板卡的端口進(jìn)行置0或置1的操作，從而能把二進(jìn)制形式的零位補償電壓傳送到I/O板卡為后面數(shù)/模轉(zhuǎn)換程序設(shè)計提供前提。

3．2數(shù)/模轉(zhuǎn)換程序設(shè)計

該部分程序就是設(shè)計時序，程序能夠按一定順序通過控制I/O板卡相應(yīng)端口從而對數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片相應(yīng)端口進(jìn)行控制。首先對數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片各個端口初始化，其次是使數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)入寫操作狀態(tài)，然后是對數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片分別寫入12位二進(jìn)制的零位補償電壓的低四位、中四位和高四位。這就完成一個二進(jìn)制數(shù)的向數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片傳輸?shù)倪^程，然后進(jìn)入到下一個數(shù)據(jù)的傳遞形成一個循環(huán)。

圖5　程序流程圖

4　試驗與分析

以具有3個臺階的階梯軸為例，對其磨削加工過程進(jìn)行試驗與分析。主動量儀的人機交互界面是用組態(tài)王(KingView)設(shè)計的，后臺的軟件控制程序是VB6．0編寫的，二者之間的數(shù)據(jù)傳遞主要是通過配方管理系統(tǒng)。

在磨削加工前裝入標(biāo)準(zhǔn)校對規(guī)，通過移動測量人機交互界面進(jìn)行各個臺階的零位電壓和倍率的調(diào)整，得到的數(shù)據(jù)被存放在配方中，如表2所示。然后設(shè)定各個臺階磨削過程中的信號點如表3所示，每個臺階都有SZ0～SZ4共5個信號點，信號點中的數(shù)字是加工余量的尺寸，用來控制加工進(jìn)程分別是粗磨、半精磨、精磨、光磨、到尺寸，然后裝入待加工件進(jìn)行磨削加工，記錄下每個臺階的加工軌跡如圖6所示，從圖6可以看出，各個臺階的磨削完成時的加工余量并不是預(yù)先設(shè)定的到尺寸值，而是與各個臺階的零位尺寸相符合(零位尺寸=零位電壓×測頭倍率)。故可得出結(jié)論：基準(zhǔn)自動切換多臺階尺寸測量技術(shù)能實現(xiàn)移動測量功能。

表2　每個臺階的零位電壓和倍率

表3　每個臺階的信號點設(shè)定　μm

(a)臺階1

(b)臺階2

(c)臺階3

5　結(jié)束語

基于基準(zhǔn)自動切換多臺階尺寸測量技術(shù)，利用軟硬件結(jié)合的方法，使磨加工主動量儀具備了移動測量功能，填補了國內(nèi)主動量儀在移動測量功能在尺寸可變化范圍小、測量精度低和需要停機才能完成調(diào)零等方面的不足。目前，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在本院所開發(fā)的一款新型磨加工主動量儀上，已經(jīng)進(jìn)行了試驗，在對階梯軸磨削加工時，新型主動量儀一次安裝無需停機就能完成所有臺階的在線測量和監(jiān)控。因此，該技術(shù)對提高磨削加工多臺階軸類工件的工作效率和加工的精度和主動量儀的研究和開發(fā)有重要的意義，并具有廣闊的應(yīng)用前景。

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