文献综述

断续表面工件磨削加工在线测量研究

摘要：本文概述了主动量仪在磨削加工过程中的应用，包括主动量仪在国内外的发展现状，和其主要组成及工作原理。并且对两种用于测量磨削断续表面的测量装置的组成及工作原理做简单介绍。同时对一种用于磨加工断续表面测量方法进行了阐述。

关键词：磨削加工 主动量仪 断续表面

引言：磨床是金属切削行业的一个重要分支，机械零件加工精度及表面粗糙度的要求日益提高，磨削加工的地位越来越重要。其加工过程中精度的测量和控制的作用也日益凸显。随着市场对各种精密零件精度要求越来越高，加工手段在不停的更新换代，检测手段也在不断地提升；为了降低成本提高效率，主动测量仪也随之得到了广泛的应用。但主动量仪的测量精度，智能化都需要得到进一步的提高，其测量范围也需要进一步的扩大。所以对断续表面在线测量方法的探究，是未来主动量仪发展的一个重要方向。

一：主动量仪在磨削过程中的应用

1.1主动测量和主动测量技术

主动测量是指在机械加工过程中，由测量装置始终测量着工件的尺寸，并将其尺寸变化量随时传递给控制仪，再由控制仪发出信号(如粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信号)控制机床的动作。由于它能使操作人员无需停机就能测量工件，减少了劳动强度，提高了生产效率，又降低了废品率，同时加工出的工件尺寸一致性较高，特别适应于在大批量流水线作业中使用，如汽车零部件、轴承零件的加工等。

磨削加工是机械加工的主要方法之一，在多数情况下，磨削加工担负着零件精密表而的最终加工工序的任务，它的精度对机械产品的质量具有直接的影响。传统的磨削加工是由人凭经验手工操作砂轮的进给量来进行生产的，这样的产品一致性较差，质量不稳定，容易产生废品，而采用主动测量技术就能较好地解决这个问题。

主动测量技术又称生产过程中的测量，它使加工中的测量仪器与机床、刀具、工件组成一个闭环系统，测得的工件尺寸信号再作用于该工件本身，它不仅能减少工艺系统的系统误差，还能减少偶然误差。

1.2主动测量仪的组成

主动测量仪主要由测量装置、驱动装置、控制仪三部分组成。

（1）测量装置

在砂轮磨削工件的过程中，装置的两个金刚石测子始终接触工件表面，将工件直径的变化量通过测子、杠杆，使得装置中的磁芯和电感线圈的位置产生相对位移，从而将尺寸的变化转换为电感量的变化。主动测量装置俗称测头，起着把被测参数的变化量转化为测量信号的作用，它是测量仪的主体。从结构原理上可以分为单点测量装置和双点测量装置，单点测量装置可以用于端面定位或者用两个组合起来测量大的直径等；双点测量装置可以测量外径、内径、槽宽、台阶宽等。

（2）控制仪

控制仪将装置输出的电感信号经过相敏整流、放大，发出粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信号给磨床控制系统，磨床控制系统接收到信号后控制机床的进给机构，从而达到控制工件尺寸的目的。

控制仪是主动测量仪的重要部分，目前的控制仪已基本剔除了过去分离元件的电路，采用了集成电路，有些已用上了微处理机，对重复精度、长时间稳定性等性能均有极大提高。

（3）油压驱动装置

测量装置的进退由油压驱动装置来带动，工件安装好后，砂轮快速前进，同时驱动油缸也带动主动测量装置进入测量工位。磨削到尺寸后砂轮快速退回，驱动油缸带动主动测量装置退出测量工位，以便于操作者装卸工件。

油压驱动装置是主动测量装置与机床的连接部件，负责将装置进入或退出测量工位，通过对前后微调机构的调整，可以使装置的触头对准工件中心。目前的油缸有立式和卧式(根据机床的中心高来确定)。由以上三个部分组成的主动测量控制系统与机床控制系统组合就形成了磨加工过程中的主动测量。以用3个信号控制的磨削过程为例，从砂轮快速进给进入粗磨阶段，P1点是从粗磨进给向精磨进给切换的信号点，P2点是从精磨进给向无火花磨削进给切换的信号点，P3点为到尺寸退刀信号点。机床控制系统从控制仪先后接收到这三个信号分别执行不同的动作，完成一个磨削循环。对于高精度磨削加工，一般可以将加工零件的尺寸分散度控制在2～3μｍ。近年来，工艺要求尺寸精度提高的同时，还要提高形状精度，为此机床要求的控制信号点从3个增加到4个，甚至增加到5～6个点。

1.2.1主动量仪的测量控制

（1）对工件锥度的控制

在汽车零部件的磨削加工中，尤其是如凸轮轴、曲轴等具有多个轴径的工件，要求轴径尺寸一致，不能产生较大的锥度，对于这样的工件一般采用两个外径测量装置，测量两端轴径，考虑到两端的加工速度不一样，通过控制磨削周期达到对尺寸和锥度的控制。外径测量装置通过控制仪分别控制工件两端的尺寸，同时将测出的锥度值信号输出到机床控制系统，用于控制砂轮的动作，完成对工件锥度的控制。

（2）对工件椭圆的测量

目前用于测量轴类零件椭圆度的主动量仪有两类，较常见的一种是利用双点式测量装置直接测出工件的直径，通过电气演算计算出直径差，作为椭圆度的评定数值；另一种是最新推出的利用单点测量法在加工过程中检测工件的圆度(与圆度仪的半径法测量原理相同)，通过对测得数据作出相应处理后，直接读出工件的圆度值。

①常用测量椭圆度的主动量仪

②新型在线圆度测量用主动量仪

1.2.2主动量仪的运用

随着电子技术的飞速发展，以微机为标志的新技术的应用，使得主动量仪的性能和功能有了长足的进步，现代的主动量仪克服了过去只对单一尺寸、单一过程进行控制的限制，对产品检测的要求越来越严、越来越全面，在生产线上的应用也越来越广泛。对测量仪的功能、精度、稳定性等方面也提出了更高的标准，满足了人们对产品质量日益提高的要求。

(1)加工前测量

内径测量装置4通过驱动油缸8进入测量工位，对工件2进行内径测量。在砂轮进行磨削前，量仪已对毛坯件的内径尺寸进行了测量，如果毛坯件的尺寸过大或过小，控制仪将向机床发出信号，停止砂轮进给，以免事故的发生。

(2)加工中测量

这是常见的磨加工主动测量控制过程。这个过程主要是对工件尺寸进行控制。砂轮磨削工件时，随着工件尺寸的增大，控制仪根据预先设定的信号点给机床发出粗磨、精磨、光磨、

到尺寸等信号，砂轮退出，完成对工件的磨削加工过程。在本例中，一天之内大多数的工件尺寸分散度为3～5μm。

(3)加工后测量

加工后的工件进入机后测量工位，由气动测头对工件的内径尺寸进行测量，并且定期通过标准校对规进行零位自动校对，通过A/E气电转换器将信号输出到控制仪，控制仪将根据工件尺寸的大小，分成五组(+NG、+OK、OK、-OK、-NG)，同时对尺寸变化的趋势进行判断，根据尺寸变化的倾向给加工中的控制仪6发出补调信号，使其零位发生变化，控制加工过程向好的方向发展。通过这种方式，就可以使机床在长时间无人操作的情况下继续稳定地进行工作。

二、两种断续表面的测量装置

2.1 一种适用于磨削断续表面的自动测量装置

2.1.1装置的结构

该装置是由天津机床厂研制开发，安装在MB7643半自动立轴平面磨床上，具有结构简单、动作可靠的特点，精度能满足大多数工件关于断续表面测量的需要。其结构如图所示：

2.1.2工作原理

图2为该装置的结构图。同步电机6经齿轮3、 4及摩擦轮5带动输出轴1旋转，则测杆10便以0.05 rpm的转速压向工件，压力可用弹摘2调节。压力过大，测头在工件表面划出深痕，压力过小，测杆抖动，不利于测量精度。压力一般以0.1-0.2 kgf为宜，测杆的最终位里应偏向工件运动方向1.5°可用零位挡块9调整得到。整个的测量装置安放在可上下调整的支架上，将合格的工件或块规放在测杆下，使测杆接触工件时角度略大于1.5度，此时将整个测量装置固定在支架上。当工件高于预定尺寸时，工件经过测杆，测杆被抬起，摩擦轮打滑。工件过后，摩擦轮又将测杆慢速下摆。工件磨至定尺寸时，和输出轴L相连的摆杆7压向触点（I和II）8，发出讯号，进给停止。触点II和I分别由手钮来调整前后位置，以控制粗进给转精进给和工件预定尺寸的大小，可分别发出两个电信号来控制机床。

2.2对断续表面零件尺寸进行主动检验的气动量仪

2.2.1装置的工作原理

工作原理图

在测量装置的基体s上用铰链安装着二个杠杆2和4.并紧固着二个喷嘴1

和3.由自动气阀10把测且气嘴3和读数信号装置I1联结起来。同时，将等臂测且杠杆4的一端与断续表面零件5相接触。而杠杆的另一端构成喷嘴3的挡板，同样的杠杆4亦与杠杆相联。首先，杠杆2的端部作为控制喷嘴1的挡板。此杠杆2的臂比例为1:3或1:5,压缩空气通过一个稳压器后形成稳定的压力H，流向进气喷嘴7和14.然后进入测量控制系统.再经测组间隙s4和控制间隙S6进入大气。

当零件5旋转时.该零件表面的凸合将杠杆4的测头顶起，则使杠杆2向上升高.间隙2增大.此时控制室13的压力下降，气阀的薄膜片15在弹簧16压力的作用下而向上移动，这时与装置11相联结的测量气室8内的测量压力就代表零件5被加工表面的尺寸。

当杠杆测头4入凹槽时，杠杆2塞住担制喷嘴气室13内的压力升高.克服弹簧力16后使薄膜片巧下落.气阀立刻关闭.读数信号装置11的压力与刚经过的零件表面尺寸是一致的。由于不等臂杠杆2的关系甚至在测量头位移不大时.例如:下陷0.02毫米则引起控制间隙变化0.06-0.1毫米.这样则使气室13内的压力变化相当大.因而保证了单向阀稳定的工作.同时提高了仪器的动能性能:即在检验断续表面时.整个测量范围内指针无摆动现象以及减少调整基准的移动。

2.2.2工作要求和工作精度

检验断续表面零件必须保证具有高速气动系纬和高速气阀。为了得到需要的灵敏度测量和控制系统的进气喷嘴直径为1.1-1.2毫米。测量和控制室的容称是可以变化的单一参数，进气喷嘴测量喷嘴和气阀之间是固定的.气室的容积要缩小.进气喷嘴、测量喷嘴、控制喷嘴和气阀的相互位置尽量接近。BB-4114型仪器.(见图)测量室8的容积为0.6厘米气而控制室13的容积为0.9立方厘米。

气阀的结构应该保证薄膜片在无弹性变形时的自由行程不少于1毫米。此薄膜片是用TY 1687机轧成厚度为0.2毫米的带状物.该仪器内薄膜片的外径为22毫米，硬心直径为17毫米。该仪器的气阀有一个固定的反压力。此反压力是由进气喷嘴12和出气喷嘴9组成。这样，由于工作压力H的波动而引起的误差可以消除，同样进入气阀下气室的冷却液也无影响。当无反压力时工作压力会引起气阀工作点的偏移。进气喷嘴12的直径选为0.7-0.8毫米.出气喷嘴9的直径选为1.0-1.1毫米。

检验断续表面零件时.动态误差取决于凸台和表面凹槽的长度及其位移的速度。在刻度盘起始处放大比缩小10}-20}·而刻度值零点附近，放大比则缩小2-5％。此外.当检脸移动表面时会出现仪器调整基准的偏移。刻度盘为零点附近调整基准的偏移不起过5％-10％。实际上.所谓动态误差在主动检验时不会引起加工误差。因为仪器的调整是按工件转动时进行的(或者，是按工件移动进行。

因此，上述的新型仪器可对各种小距离断续表面零件进行加工中测量。

三、一种用于磨加工主动量仪的断续表面测量方法

3.1 W和P功能的引入

断续表面测量的技术难点为测头进入零件表面凹槽（例如键槽、齿轮槽）和划出凹槽时都会引起测量尺寸的突变。尺寸突变一方面会影响主动测量控制仪的测量精度，另一方面如果不进行相关的数据处理，会引起控制仪的动作误判，导致在线测量失效。

本发明针对以上问题提出两种解决可选方案，设计有两种测量断续表面的方式：分别为W功能和P功能，对于每一个测量项目W功能与P功能只能选择其中一种断续表面测量方式。

3.2 W的思想方法和特点

3.2.1 W功能的设计思想

本功能的设计思想为：一方面当测头进出凹槽时工件尺寸发生快速变化。凹槽内部的测量数据均为无效数据，对测量结果的计算产生无任何意义；另一方面，正常的磨加工在线测量（以测量外径为例）时其尺寸变化线应呈线性变化，因此可以通过差值补偿的方法将凹槽中的尺寸变化值补偿为正常加工的尺寸变化值。

3.2.2 W功能的实现方法

功能实现方法：磨加工主动测量控制仪采集尺寸信息的单位时间为2ms，每采集6次尺寸信息需要的时间为10ms（12ms），采样周期。对采集到的6次尺寸信息进行去高去低求平均，得到单次的工件尺寸变化值。因此，在加工条件不变的条件下，在经过每一个采样周期后，工件尺寸的变化量相等。传感器测得的电3R压变化线的斜率k??，其中t1为操作人员输入的设定时间，R为采样周期t1tv

内电压变化量，tv为采样周期，可通过计算可得出一定的加工条件下采样周期内工件尺寸变化量为为R'=(3 / (t1 * 10)) * tv，可以编程实现以下过程：对本次预输出的尺寸变化值和上次已输出的尺寸变化值进行比较，如果差值较R大，进行补偿，补偿值为R进行数据输出，即可实现尺寸的连续变化。

3.2.3 W功能的特点

W功能特点：这种差值补偿的方式，可以实现对断续表面“连续化”处理。用软件编程以及数据处理的方法，通过智能补偿，使断续表面的在线测量问题变得可控化，可以用测量连续表面的功能模块进行对断续表面的在线测量。

3.3 P功能设计思想、实现方法和特点

3.3.1 P功能的设计思想

本功能的设计思想为：由于在同一个磨削加工阶段中（如粗磨、精磨、光磨），工件转速、砂轮转速、测头位置恒定，测头进出凹槽的时间一定。因此，可以从

测头进入凹槽处开始，至测头划出凹槽部分结束，这一段时间得到的无意义的尺寸变化值不进行任何的处理、输出；也就是说，判定测头处于断续表面区域时，触发相应控制程序，对期间所得到的无效数据进行“舍弃”，使其影响不了测量值结果的生成以及输出。

3.3.2 P功能的实现方法

功能实现方法：通过编程软件Visual basic 6.0制作相应函数程序function-P，通过改变变量Pfun-choice的值，提供三种P功能选择模式：内部同期、外部同期、自动同期。根据加工条件不同，可选择三种数据输出类型：最大值输出、最小值输出、P-P值输出。其中最大值输出为输出采样时间内的最大值，一般用于外径测量；最小值输出为输出采样时间内的最小值，一般用于内径测量；P-P值输出为输出采样时间内最大值和最小值之间的差值，一般用于机后检验工件的圆度误差。

①内部同期：此时令变量Pfun-choice=1，操作者给定一个触发时间，每到一个出发时间，就输出一次电压值，即在给定的时间内，反复检索测量数据，找到最大值/最小值/PP值（最大差值）进行输出，其中三种输出模式可由操作人员根据加工条件进行设置。

②外部同期：此时令变量Pfun-choice=2，系统根据外部的复位信号进行采样，电压输出。每接收到一次复位信息，就进行一次测值输出。复位信号可以来自机床，也可以来自现场加工人员。

③自动同期：此时令变量Pfun-choice=3，操作者先给定自动同期的触发尺寸值tri-value。测量时，不断地将测量结果尺寸值adinput和tri-value相比较，当adinput>tri-value时，输出最大值/最小值/PP值其中之一。当adinput≤tri-value时，采集进行复位，重新开始比较。

3.3.3 P功能特点

P功能的特点：根据不同的加工条件如测内外径的不同、机前机后测量等情况，设置了多种模式供操作者选择，增加系统柔性、适应性；对测量数据进行选择性的输出，舍弃无效的测量信息，提高数据处理效率。

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