磨加工精度控制及零位测量系统

魔神

    1．引言

　　在批量磨削加工中，由于机床系统等各方面复杂因素的影响，使加工出来的零件尺寸误差具有一定的分散度，当分散度较大且超过加工允许误差时，就会出现一定数量的返修品和废品。控制加工零件的尺寸分散度可以采用不同的方法。虽然主动测量是减少磨削加工尺寸超差的一种广泛采用的手段，但由于影响加工精度的因素是多方面的，既有主动测量仪器和加工机床本身的因素，也有加工环境和条件等干扰的因素，而且测定这些因素往往又很困难，所以采用主动测量所得的结果并不十分理想，这就使主动测量在磨削加工中的应用具有一定局限性。本文介绍的磨加工精度控制及零位测量方法是在轴承套圈内孔的磨削加工过程中，将主动测量磨削加工后的轴承套圈经清洁处理后送入自动分选机进行尺寸分选和误差统计，得到一个有序离散的轴承套圈内径尺寸误差序列，利用此序列值建立一个反映系统特性的数学模型，对模型特征参数进行在线辨识，然后利用该模型预报下一个工件的尺寸误差值，并且发出误差修正控制信号反馈到主动测量系统补偿加工误差。这样就把主动测量仪与自动分选机、加工中测量与加工后测量有机结合起来组成了“零位测量系统”，从而实现了温度、变形以及动态误差的补偿，大大提高了自动测量系统的可靠性，有效地控制了轴承套圈内径的尺寸分散度，提高了加工精度。

　　2．系统的组成和工作原理

　　磨加工精度控制及零位测量系统由轴承套圈内圆磨床、内圆磨主动测量与控制装置、轴承套圈自动分选机以及由8751单片机组成的智能磨加工精度控制实时在线建模和预报控制系统组成。该系统框图如图1所示。

图1　磨加工精度控制及零位测量系统框图

　　轴承套圈内圆磨床经内圆磨主动测量与控制装置对工件进行加工，经粗磨、精磨、光磨工序后，加工出最终成品。加工后的成品经清洁和上下料机构自动传输到轴承套圈自动分选机工作台上进行测量分选，微机系统对自动分选机的测量信息进行采集和处理，实时建立磨加工精度控制模型。通过在线辨识系统特征参数以及误差分布判别和有效度判别，使模型能比较准确地反映系统特征。预报控制系统根据模型发出的下一个工件误差预报控制量经主动测控系统对磨加工系统发出控制信号，经执行机构控制砂轮的进给量，达到对加工工艺过程的最佳控制，实现零位测量。

　　3．精度控制方式与建模

　　机械加工精度控制系统属于多输入（进给量、切削速度等）、多输出（尺寸精度、形状精度等）的控制系统。如果将诸多因素一并考虑，会因为系统方程非常复杂、计算量极大而难以进行实时在线控制。如果在加工系统比较稳定的情况下采用一个固定控制模型，通过在线辨识系统特征参数，模型则能够比较准确地反映系统特征，预报控制效果较好。轴承套圈内孔磨削加工系统就属于这种情况。在磨削过程中，虽然磨削速度可以根据经验选择合适的数值，但由于噪声的干扰，工件尺寸仍经常超差。因此我们把该系统看成一个单输入（进给量）、单输出（工件尺寸精度）的控制系统，通过加工后测量获得加工误差的综合信息。根据误差测量值序列，系统模型表达式为

y（k）＋a₁y（k－1）＋…＋a_ny（k－n）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　＝b₀u（k）＋b₁u（k－1）＋…＋b_nu（k－n）＋ε（k）　　　　（1）

　　式中y（k）为系统k时刻的输出；u（k）为系统k时刻的输入；ε（k）为白噪声；a₁、a₂…a_n，b₀、b₁…b_n为模型参数。
　　由于轴承套圈内孔磨削加工的特性，系统没有输出延时，（1）式又可表示为

y（k）＝b_ou（k）＋b₁u（k－1）＋…＋b_nu（k－n）　　　　　　　　　　　
－a₁y（k－1）－…a_ny（k－n）＋ε（k）　　　　  （2）

　　为使系统输出的稳态方差为最小，将（2）式两边平方并取均值得

E［y（k）²］＝E｛［b_ou（k）＋…＋b_nu（k－n）－a₁y（k－1）－…　　　　　　　　　　
－a_ny（k－n）］｝＋2E｛ε（k）［b₀u（k）＋…＋b_nu（k－n））　　　　　
－a₁y（－1）－…－a_ny（k－n）］｝＋E［ε（k）²］　　　　　　（3）

　　由于ε（k）为白噪声，故（3）式右边第二项为零，第三项不能控制。欲使
E［y（k）²］为最小，只有令第一项为零，故整理得最小方差自校正控制模型为

　　u（k）＝［a₁y（k－1）＋…＋a_ny（k－n）－b₁u（k－1）－…－b_nu（k－n）       （4）

　　由于系统输入未知且无需已知，故不考虑系统输入，即在（4）式中令b₁＝b₂＝…＝b_n＝0，令1／b₀＝β，则轴承套圈内孔磨削加工系统的模型预报控制公式为

u（k）＝β₀［a₁y（k）＋a₂y（k－1）＋…＋a_n（k－n）］　　　　（5）

式中y（k）为K个工件误差测量值；n为模型阶数；u（k）为K个工件的预报控制量。
　　评价控制效果好坏的判别依据是轴承套圈自动分选机对加工后每一个零件尺寸误差的测量值。对于系统工作情况的综合性能评价可采用计算工程系数CP值的方法，CP值可反映误差分布中心与公差中心重合的情况，其计算公式为

　　　（6）

式中T为质量标准或允差，σ为标准差。
　　当公差范围确定后，或设定尺寸分散度指标为T值时，从加工开始到第K个工件时刻，经自动分选机分选测量和运算统计，可得到CP（K）和σ（K）值，从而可反映出这个时间区域内的尺寸分散度情况。将使用控制系统和未加控制两种情况下同一时间范围的CP计算值进行比较，即可得到控制系统的控制效果，即

　　　（7）

0＜S＜1时控制有效，否则控制无效。

　　4．电气与微机系统工作原理

　　磨加工精度控制及零位测量系统的电气与微机系统原理框图如图2所示。

图2　电气与微机系统原理框图

　　该系统以8751单片机为核心，扩展键盘及显示接口8279作为人机对话的输入通道，键入相应的命令及数据，8位LED显示器用于显示参数，反馈系统工作信息。自动分选机采用差动电感传感器对加工后的轴承套圈进行接触测量，将工件尺寸偏差转换成电信号。采用信号放大及相敏检波这种传统而有效的交流电桥测量装置，配合12bit　A／D转换器MAX180对加工后工件尺寸数据进行采集、转换。8751CPU内含4KB程序存储器，负责数据运算、加工和处理，并实时建立磨加工精度控制模型，经误差分布判别和特征参数有效度判别，发出下一个工件误差预报控制信号，经扩展D／A转换器转换，在单片机系统控制下将工件误差预报控制量输出到主动测控系统，用以调整磨加工系统的进给量。系统采用可擦除EEPROM28C64存储器的扩展单元存储需要长期保存的参数、数据、统计曲线及表格，这些保存信息还可通过键盘输入随时进行修改。微型打印机TPμP16APE用于打印数据结果、实验曲线和表格。光电双向晶闸管推动功率晶闸管实现自动分选机落料槽的开启动作，完成轴承套圈的尺寸分组。采用WATCH　DOG监控整个微机系统的运行情况，当程序因为干扰而改变PC指针时，系统立即复位并作出相应处理。

　　5．结论

　　在磨加工系统中，采用微机建模预报控制，将磨加工主动测量控制系统与机后测量装置（自动分选机）相结合，实现零位测量，大大开拓了模型控制的应用范围，有效地提高了加工精度。特别是对于影响因素较为复杂的轴承套圈内圆磨削系统，磨加工精度控制及零位测量系统实现了轴承套圈内圆磨削加工过程中进给量的预报，有效地修正了温度、砂轮及其它复杂因素对工件加工精度的影响。实验证明，磨加工精度控制及零位测量系统是控制轴承套圈内圆磨削精度的一种行之有效、精确可靠的方法。