圆筒砂轮磨损量自动测量与补偿装置设计

磨床在磨削过程中，砂轮不可避免地会产生磨损。砂轮磨损后，不但会影响加工精度 ，也会恶化加工条件。为了保证加工精度 ，研究者需要及时地对砂轮的磨损量进行检测和补偿。但由于砂轮的磨损量小 ，磨损不均匀，受砂轮表面磨粒的非均匀分布及堵塞的影响，砂轮磨损量的高精度测量困难重重。常用的砂轮磨损量检测方法有滚动复印法、触针法、光截法 、光反射法、光电自动测量法 、电镜观察法 、激光功率谱测量法、计算机像处理法等 。滚动复印法测量效率低，需要人工操作分析，不能用于自动测量；光截法主要用于观察磨粒形状及其变动情况，电镜观察法便于对磨削磨损部位 、形式及其机理进行微观研究 ，光反射法主要用于磨损面积率测量，以上3种方法均用于砂轮磨损特征研究 ，使用条件要求高，不适合加工现场；激光功率谱法可以用于在线检测砂轮工作表面的磨料棱面磨损宽度 、磨耗面积及磨粒切刃数 ，声检测法主要用于砂轮磨钝判断，均不能检测出砂轮径向或轴向磨损量；光电自动测量法可以用于实现对砂收稿日期：2012-09-04作者简介：汤漾平(1954-)，男，湖南湘潭人，教授，硕士生导师，主要从事机电-体化方面的研究.E-mail：typ2913###163.coin机 电 工 程 第30卷2 测量系统腺理图件进行数据分析，计算砂轮磨损量和直线度误差，决定是否进行砂轮磨损补偿和补偿加工。

3.1 测量装置机械结构部分龙门磨床的主运动轴有3个：工作台的运动轴 ，磨头的上下进给运动 z轴和磨头在横梁上的运动y轴 ，示意图如图3所示，各轴独立运动。磨损量测量装置装在立式龙门磨床的磨头上。为避免加装测量装置后磨头的重心偏置，影响加工精度，本研究在磨头的另-侧(测量装置对立面)添加配重。激光探头位置的微调整由伺服机构实现，伺服机构由AC伺服电机、同步带减速机构、高精度滚珠丝杠螺母副和光栅尺组成 ，激光探头紧固在直线滚珠轴承的动滑块上，其位置由光栅尺反馈给数控系统完成闭环控制，实现高精度定位。测量时，龙门磨床 z轴位置不变，定位装置驱动激光传感器到达设定位置，然后根据规划轨迹驱动工作台带动工件运动，同时传感器对加工表面进行测量，测量完成后激光探头复位，磨床继续补偿加工或下-步加工。

图3 立式龙门磨床不意图此外，在测量过程中本研究需要对工件上的磨削液和磨屑进行清理，同时为防止加工中的磨削液和磨屑污染测头，在激光探头的前屏板上，开有检测光束和压缩空气的专用孔道。

3.2 测量装置硬件电路设计立式龙门磨床采用工业PC内藏CNC的开放式数控系统n ，系统硬件设计是在工业PC机的扩展槽中插入运动控制卡，运动控制卡负责整个系统的实时运动控制。运动控制卡型号为固高GTS-800-PV-PCI型1 ，可以同时进行 8个轴的闭环控制，其中-个位置控制通道用于控制测量装置传感器的精确定位。测量装置控制通道硬件接线图主要部分如图4所示：运动控制卡获得光栅尺反馈的位移脉冲信号，形成全闭环，完成精确的位置控制。

控制轴接口CN624V电源地 D1伺服报警 ALM伺服使能 SON方向控制脉冲 DIR2-GND位置控制脉冲 PUL2DGND DvCcAUⅥ RESETENABI.EB. BC- C5V GNDDAC ( IDIR DⅡ己-GND PULSEPULSB. GNDGND21 5 v电源地DⅡ PUL2-图4 运动控制卡测量装置控制通道硬件电路原理图本研究选用贝特威PO-10型高精度激光位移传感器n ，该传感器能在恶劣条件下工作，不受被测物颜色影响。本研究采用了高分辨率的CCD线性相机和DSP数字信号处理器，将测量信号转化为单-的数字信号进行传输和处理，测量范围为51 mm～61 mm，分辨率为0.2 Ixm，重复精度为4.5 m，线性度为7 Ixm，测量频率最大为4 kHz。其输出接口为串口RS485或模拟量输出4 mA 20 mA，采用串口RS485输出时可直接与PC相连。该装置中传感器采用 RS485输出，经RS485转 RS232拈直接与工控机相连，将采集数据实时传输采输给工控机，由测量软件进行处理。

3.3 测量装置软件功能设计在位测量装置作为龙门立式平面磨床的-个辅助装置，其功能是对已加工表面进行在位测量，获得磨削平面的尺寸误差和直线度误差，并评价加工结果，为补偿加工提供测量数据支持。因此测量装置软件的功能包括：测量轨迹规划、工件运动控制、传感器精确定位控制 、数据采集、采集数据显示、数据处理、输出砂轮磨损量和磨削平面直线度、测量装置状态监测。程序工作流程图如图5所示。

测量轨迹规划功能是指从数控加工代码中获得工件的起始加工位置和终止加工位置；工件运动控制功能是指控制测量时工件的移动速度，以控制单位长度内的采样点数；传感器精确定位控制功能是指使传感器准确进入设定位置；数据采集、数据处理与显示是指输出砂轮磨损量和加工结果 ，为补偿加工提供数据；状态监控功能包括激光探头的工作状态监测 、伺服驱动器的工作状态监i贝0和气阀的工作状态监测。

青 目j j 黼 脯晡故 尺尺尺服 栅栅栅R伺 兆光光.第3期 汤漾平 ，等：圆筒砂轮磨损量 自动测量与补偿装置设计 ·295 ·图5 程序工作流程图4 测量装置误差分析4.1 测量原理误差无论采用哪种加工方法，都存在加工误差，如机床运动误差、工具形状误差、加工力和热变形误差等，加工误差是多种原因综合导致的，刀具磨损是导致加工误差的-个因素，因此该装置通过测量加工误差的方法获得砂轮磨损量时存在测量原理误差n 。

- 方面，在不考虑其他因素时，由于砂轮磨损的增加、砂轮磨削力的变化，砂轮的弹性变形量发生变化 。而初始磨削时砂轮的弹性变形量大于退出磨削时的弹性变形量，导致测得的已加工表面的Z向尺寸变动量大于实际砂轮磨损量。另-方面，在位测量多用于超精密加工，不考虑刀具的磨损。而该装置用于测量由刀具磨损导致的加工误差，适用于刀具磨损是产生加工误差的主要因素的诚，对由其他因素导致的加工误差没有识别能力，存在测量盲区。但是测量装置实现了对直线度误差的测量，可以评定加工结果。测量原理误差可以通过实验来测得。

4.2 测量装置误差该测量装置由机械装置、传感器、硬件电路、软件程序组成。机械装置产生的误差主要包括磨床 轴导轨在垂直面上的直线度误差 △ 、测量装置精密定位机构的定位误差 △：和传感器固定误差 △ ；传感器本身存在测量误差△ ，软件程序存在运算舍人误差△ 。硬件电路负责传输信 号和控制 ，没有误差 ；已知 A 10m/250 mm ，A2±1 ixm ，△3±1 Ixm ，△44.5 Ixm ，△5±0.001% 。

5 结束语本研究在 自研的龙门立式导轨磨床上使用了磨损量自动测量装置，该装置使得砂轮磨损量测量精度达到0.009 mm，直线度测量精度0.008 mm/100 mm。

基于在位测量原理 ，该测量装置对已加工表面进行 自动测量，在提高精度的同时，保证了加工效率，适用于刀具磨损为加工误差主要因素的诚。该测量装置可以为砂轮磨损补偿提供测量数据 ，通过获取已加工表面直线度误差评定加工精度，在提高磨削精度和磨削效率上有实际应用价值。