利用PLC实现外圆磨削圆度误差在线测量

　　1 引言

　　圆度误差是机械零部件的一项重要参数,在外圆磨削过程中,如果能对工件圆度误差进行在线测量,然后将圆度误差数据反馈给机床的控制系统,就可以在工件加工过程中直接控制其精度,获得高质量的产品,实现无废品生产。同时也可以减少一些辅助时间,达到提高生产率的目的。所谓在线测量就是为了达到要求的精度在机床上甚至加工过程中进行的测量,这种测量不影响加工或者影响很小。但在圆度误差的在线测量中,由于机床主轴旋转误差是影响圆度误差测量的主要因素,大部分测量都要进行主轴误差的分离。

　　由于传统的误差分离方法在计算时要做富氏变换,这就影响计算速度而很难进行实时测量。国内有关学者对于实时分离轴系回转误差做了许多研究。例如两测头同方位同步采样分离径向回转误差,但这种方法也只能分离纯径向误差,不能分离角运动误差,因此只能用于角运动误差很小的轴系[4]。再例如北京工业大学研究的三测头同方位同步测量实时分离轴系回转误差的方法[5],虽可在一次测量过程中可全面而又实时地分离轴系径向及角运动误差,但需要将三个标准的玻璃安装在装置上,且安装精度要求很高。本文介绍了又一种适用于圆度误差在线测量的方法,即利用球顶尖装卡工件实现圆度误差在线测量。

　　2 球顶尖

　　在传统的外圆磨削和测量中,利用圆锥形顶尖来支承工件。在这种情况下,中心孔的同轴度误差和几何形状误差会影响加工和测量精度。如果用同样精度而又廉价的钢球(球度一般小于0.2μm)代替圆锥顶尖,上述同轴度及几何形状误差将不影响磨削表面的圆度。这种球顶尖将有助于改善外圆磨削中的加工精度及测量精度。而且使用传统的圆锥顶尖,一般情况下中心孔较小,因为这有利于顶尖和中心孔之间的快速磨合,但使用球顶尖则无需考虑磨合问题。对于球顶尖来说,钢球的大小直接影响工件的支承刚度及加工时的温度。尺寸大的钢球对工件的支承刚度大,但加工温度高,工件速度要调得低一些。由于工件圆周速度V在磨削过程中很重要,有其最佳值,所以一旦确定就不再改变,即工件的切向速度保持为常数。而且,球顶尖与支架之间的滑动速度V’也须保持不变,根据V与V’的关系V=VrcosA/R,如图1所示,必须使r与R保持一定的比例关系。具体的比例与V和V’的值有关,推荐R/r=7~9[6]。

　　3 磨削加工及测量装置

　　本套设备是在普通车床的基础上进行改造的。采用钢球作为球顶尖,用粘接剂固结在工件中心孔中,工件和钢球支承于机床主轴及尾架上,如图2所示。为了适合于频繁起停的高速运动,采用电主轴系统并用变频器作为调速装置。工件的转速由另一变频器调节。控制系统以现今工业上应用较多的PLC作为机床的控制系统,其型号为日本松下电工FP2系列,包括电源、CPU、位控单元、I/O单元、A/D、D/A单元,主要应用PLC的控制功能,数据采集、存储与处理功能以及编程调试功能。传感器采用非接触式电子式传感器。