在鋸片磨削過程中，由于機床自身運動誤差和砂輪磨損，導致數控系統的指令磨削量與實際磨削量出現較大偏差(嚴重時實際磨削量幾乎僅為指令磨削量的一半)，從而造成鋸片厚度難以控制，生產率低等現象。一般的數控鋸片磨床采用刀具半徑固定補償的方式，對磨削誤差(主要是砂輪磨損量)進行補償;但由于砂輪磨損量受磨削參數、鋸片材質和砂輪材質等諸多因素的影響，因此，很難達到磨削誤差精確補償的目的，致使鋸片磨削尺寸精度難以控制、生產率較低等問題至今無法得到根本解決。本文針對原數控鋸片磨床的缺點與不足，探討了在華中數控世紀星18i數控系統的基礎上，通過增設鋸片厚度實時在線自動測量功能，數控系統根據測量值與理論值的關系，確定磨削誤差，并在磨削過程中進行誤差實時補償，從而實現對鋸片磨削過程全閉環控制的方法。

1 全閉環鋸片磨削的控制技術

　　1.1 全閉環鋸片磨削的加工工藝

　　在實際加工中，鋸片磨削分為粗磨、精磨和光磨三道磨削工序，用戶可以通過人機界面，設置各工序的磨削余量、進給量和磨削速度等參數。全閉環鋸片磨削工藝流程如圖1所示，磨削前砂輪處于起刀點P0的位置;磨削加工開始，首先完成毛坯厚度的測量，判斷是否滿足正常磨削條件(即毛坯厚度應不超過規定公差范圍)，若滿足條件，則計算出砂輪在磨削初始點P1時其中心的坐標值ZP1，以及第一次進行磨削的砂輪理論進給量和磨削速度，反之，產生報警信息并退出加工。當毛坯測量完成，且滿足正常磨削條件時，砂輪從起刀點P0快速運動到磨削初始點P1，開始磨削循環加工。一個磨削循環的路徑為:Z軸進給→X軸由外向中心進給→Z軸進給→X軸由中心向外退出。每完成一個磨削循環，系統便對鋸片厚度進行一次測量。根據鋸片厚度的測量值，計算本次磨削循環產生的磨削誤差，以磨削誤差實時補償原則，確定下一個磨削循環的加工參數，隨后繼續進行磨削循環加工;當鋸片厚度測量值≤進入精磨的理論厚度或進入光磨的理論厚度時，分別進入精磨工序的磨削循環加工或光磨工序的磨削循環加工;當鋸片厚度測量值與鋸片標準厚度之差在允許的公差范圍內時，整個磨削循環加工結束，砂輪快速返回到起刀點P0，磨削加工過程結束。對于同批量鋸片的磨削加工，將新鋸片毛坯安裝好后，不作任何調整，只需按下循環啟動鍵，則系統完成自動加工。

　　1.2 全閉環鋸片磨削的控制策略

　　1.2.1 全閉環鋸片磨削機床系統結構

　　全閉環鋸片磨削機床系統是在華中數控世紀星18i數控鋸片磨床基礎上，通過增設基于電渦流位移傳感器的測量系統而構成的，系統結構如圖2所示。測量系統由量程為0～4mm的電渦流位移傳感器和采樣模塊組成，實現對鋸片表面與傳感器測量頭之間距離的在線測量。傳感器輸出的正比于距離值的電壓信號，經采樣模塊首先轉換為12位數字量(測量靈敏度約為:0.001mm/位)，再轉換為數控系統PLC的I/O接口能識別的開關量信號。在每一次測量期間，數控系統的PLC以8ms的執行周期，對I/O接口的測量值進行150次采樣。150個數據反饋到數控系統后，經濾波處理和數據轉換，獲得實際鋸片厚度值。

　　1.2.2 全閉環鋸片磨削的控制策略

　　全閉環鋸片磨削系統對磨削加工過程的控制選擇G代碼程序控制方式。不過，由于在磨削加工過程中，磨削工序類型、加工參數和磨削工藝流程，均由鋸片厚度的測量值實時決定，而標準的G代碼程序不具備從數控系統外部I/O接口獲取測量數據的能力，為此，必須對數控裝置的系統軟件進行相應的開發，創建一個軟件磨削控制器。軟件磨削控制器主要實現對來自數控系統外部I/O接口的測量數據的采樣計算，并將計算信息實時傳遞給G代碼程序，從而實現由鋸片厚度測量值實時控制磨削加工過程的控制思想。由此可見，全閉環鋸片磨削加工的控制策略是利用G代碼程序和軟件磨削控制器相互協調運行，共同完成對磨削加工過程的控制。本系統中，G代碼程序與軟件磨削控制器的執行采用并行運行方式，其控制的主要原理是:每當G代碼程序執行到特定位置時，如圖中砂輪由X軸從中心向外退回到與傳感器測量頭安裝位置A點對稱的B點位置時(圖1)，由G代碼程序激活軟件磨削控制器，再由軟件磨削控制器啟動測量系統，對鋸片厚度進行采樣計算。磨削控制器根據本次測量值，進行一系列的判斷，如毛坯是否滿足正常磨削條件、磨削加工是否結束等;若加工尚未結束，則確定下一次磨削循環的磨削工序類型，并通過前后兩次磨削循環后的測量值，確定本次磨削循環的實際磨削量Δ′Z，按式(1)計算出本次磨削循環的磨削誤差δZ和砂輪的磨損量ΔR;并以誤差實時補償原則，按式(2)計算出下一次磨削循環的理論磨削量Δ*Z(即G代碼Z軸指令值)和確定磨削速度;最后，將本次判斷和計算信息傳遞給G代碼，最終通過G代碼程序實現對磨削過程的直接控制。

　　由于本系統通過實時測量能反映砂輪Z軸實際進給值的實際磨削量Δ′Z，并對砂輪Z軸理論進給量Δ*Z進行實時修正，直到砂輪實際Z軸總進給量等于理論總進給量時，才結束磨削加工。因此，實現了砂輪Z軸的全閉環控制，確保了鋸片厚度的加工精度。同時，由于砂輪磨損量的實時補償，減少了磨削循環次數，提高了生產效率。

　　1.3 全閉環鋸片磨削加工的控制流程

　　為了便于控制，本系統將全閉環磨削過程分為三個控制工藝階段，一是砂輪從起刀點P0快速、準確地運動到磨削初始點P1;二是砂輪以相同的路徑進行粗磨、精磨和光磨的磨削循環加工;三是砂輪快速、準確地回到起刀點P0。在設計G代碼程序的流程時，除實現以上三個工藝階段的運動控制外，同時考慮到節約系統資源，軟件磨削控制器只在執行到特定G代碼時才被創建并激活，以執行相應的任務，因此，G代碼程序還承擔控制軟件磨削控制器的任務。綜合考慮，本系統的G代碼程序流程如圖3所示。

　　同樣，由于G代碼程序的執行流程和指令值取決于軟件磨削控制器實時采樣計算結果，因此，軟件磨削控制器反過來又要控制G代碼程序。考慮到在不同的磨削控制工藝階段，軟件磨削控制器所完成的功能不同，將其劃分為兩個任務。任務1主要完成第一個控制工藝階段中的功能，即對鋸片毛坯厚度的采樣計算和判斷，并將計算信息傳遞給G代碼程序。任務1控制流程如圖4所示。任務2主要完成第二個和第三個控制工藝階段中的功能，即在磨削循環過程中每次對鋸片厚度進行采樣計算，并將信息傳遞給G代碼程序。除此之外，當鋸片厚度滿足尺寸要求時，任務2中還應按式(3)計算出砂輪回到起刀點P0時其中心的坐標值Z(N+1)P0(由于砂輪磨損，此值與磨削前的坐標值不相等);同時及時保存此時鋸片厚度的測量值HNend和砂輪中心的Z軸坐標值ZNend，用于在下一個鋸片磨削加工時，軟件磨削控制器在任務1中，按式(4)進行毛坯磨削起始點坐標值Z(N+1)P1的計算。這樣，便實現了無需作任何調整就能自動完成批量生產的要求。任務2控制流程如圖5所示。

　　1.4 全閉環鋸片磨削控制基準的建立

　　由于本系統的測量值是鋸片表面到測量頭的距離，而并非鋸片的厚度，因此，必須建立測量值與鋸片厚度之間的尺寸鏈關系，以及通過測量值來控制磨削工序類型的一系列基準。根據鋸片磨削有粗、精和光磨三道工序，本系統建立了標準鋸片控制基準HS、光磨工序控制基準Hg和精磨工序控制基準Hj，如圖1所示。它們分別對應于標準鋸片厚度、進入光磨工序鋸片的理論厚度和進入精磨工序鋸片的理論厚度時測量系統的理論測量值。標準鋸片控制基準HS是通過事先加工一個滿足尺寸要求的標準鋸片，對其進行在線測量而獲得的測量值。這樣，根據HS和用戶所設定的各工序加工余量，軟件磨削控制器便可自動計算出光磨工序控制基準Hg和精磨工序控制基準Hj(各控制基準間尺寸關系如圖1所示)。在磨削加工控制過程中，通過將測量值與各控制基準相對比較，便可間接獲得鋸片厚度值和確定磨削工序類型。

2 關鍵技術問題及解決方案

　　2.1 G代碼程序與磨削控制器之間的協調控制機制

　　在采用G代碼程序和軟件磨削控制器共同協調實現控制的策略上，如何建立起兩者相互之間的協調控制機制，是本系統開發中所要解決的主要問題。本系統的G代碼程序采用宏變量編程的循環體系結構，G代碼程序結構如圖6所示。其中，G代碼程序對軟件磨削控制器的控制，采用了通過開發具有特殊功能的M代碼的方式來實現。如特殊功能代碼M103，實現了由G代碼程序控制軟件磨削控制器任務1的功能。其原理是:當數控系統的解釋器解釋到M103時，由PLC程序將全局變量R［294］置1，與此同時，軟件磨削控制器檢測到R［294］為1時，則執行任務1的功能。而軟件磨削控制器對G代碼程序的控制，是通過實時修改G代碼程序中的宏變量指令值來實現的。G代碼程序中設置的宏變量，有的可控制G代碼程序的執行流程，有的本身就是運動指令值。這樣，軟件磨削控制器在修改宏變量時，便實現了對G代碼程序執行流程的控制，以及對加工參數的調整。如宏變量#119，為磨削完成標志宏變量指令，當軟件磨削控制器測量到鋸片厚度值與鋸片標準厚度之差在公差允許范圍時，則實時修改#119的值為零，與此同時，當G代碼執行到由#119的值為條件判斷磨削加工循環是否結束的程序段時，由于#119已為零，則自動退出磨削循環加工，實現了磨削流程的控制。又如宏變量#115，為磨削初始點坐標值ZP1宏變量，此值由軟件磨削控制器執行任務1后計算并修改。

　　2.2 磨削控制器對G代碼程序的實時控制技術

　　在磨削循環過程中，如何實現軟件磨削控制器對G代碼程序控制的實時性，是本系統開發中所要解決的又一關鍵問題。如圖6所示，當G代碼在執行程序段N120時，由于解釋器超前解釋的特性，可能已完成了對程序段N160或其以后程序段的解釋工作，這樣就會將諸如#115、#119等宏變量的當前值讀入緩沖區(此值一經讀入便無法修改)，而這些當前值并非磨削控制器執行完任務1后決定的值，從而失去了由外部信息對G代碼程序控制的實時性。為此，本系統開發了能禁止解釋器超前解釋功能的特殊代碼M17。在G代碼程序中，可在由測量結果決定的宏變量值的程序段之前，加入M17代碼，如圖6所示。當數控系統解釋器解釋到M17代碼時，便停止超前解釋工作，這樣就可保證解釋器所解釋的后面程序段中的宏變量，是由前面軟件磨削控制器根據測量計算而決定和實時修改的值，實現了真正意義上的全閉環實時控制。

　　2.3 材料與溫度漂移解決方案

　　電渦流位移傳感器具有感應結果受材料與溫度影響的缺點。本系統開發了相應的校正與補償環節，以及時消除材料與溫度帶來的不良影響。對不同材料的鋸片，本系統提供靈活、方便的在線傳感器線性標定功能。標定方法為:將要標定的鋸片磨削出兩個光整表面，在所開發的傳感器線性標定界面中，通過按鍵分別獲得傳感器對兩個表面距離的感應值(此值為傳感器感應電壓經A/D轉換后的數字量)，同時由用戶輸入兩個表面厚度的差值，系統便可自動計算出此材料的線性比例系數。

　　由于標準鋸片控制基準HS是在隨機溫度下的測量值，因此，當加工溫度變化而引起傳感器感應電壓產生漂移而使測量值變化時，若控制基準HS仍保持不變，勢必會導致軟件磨削控制器產生控制誤差。為此，設計與研究DesignandResearch本系統提供靈活的溫度補償功能，即提供控制基準HS的值可實時修調功能。修調方法為:在定期對磨削后的鋸片進行檢測時，一般為3～4h檢測一次，根據鋸片厚度的偏移量，在控制基準HS中及時引入一個反向的溫度修調值。由于通過對控制基準HS進行有效的溫度補償，從而消除了環境溫度對本系統控制精度的不良影響，確保了鋸片的尺寸精度。

3 加工數據與結果分析

　　應用全閉環鋸片磨床進行磨削加工試驗，鋸片厚度測量值如表1所示。最大厚度誤差不超過±0.015mm，滿足鋸片厚度尺寸精度±0.05mm的控制要求。

　　表1鋸片磨削厚度測量值

　　原開環控制數控磨削:單件雙面磨削時間約2min。每磨削鋸片約5～7個后，須離線測量鋸片厚度，憑經驗修改砂輪磨損補償值或G代碼程序。在參數修改后，需對所加工的第一個鋸片進行厚度檢測，調整補償參數。為此，需占用5～10min加工時間。由于調整不及時或不準確，廢品率為2%～3%。

　　全閉環控制數控磨削:單件雙面磨削時間約2min，每工作3～4h后，才需要對鋸片厚度進行離線測量。如果需要才進行相應的鋸片控制基準HS的修調，否則繼續磨削加工。這種修調，主要是解決環境溫度變化所引起的測量、加工誤差。采用這種方法后，生產效率提高了30%，且有效地避免了廢品的出現。

4 結語

　　基于電渦流傳感器的全閉環鋸片磨削數控系統，通過對鋸片磨削厚度的在線實時測量，隨時進行砂輪磨損補償和準確地控制G代碼程序的執行流程及有關參數，實現了磨削過程的全閉環控制。本文開發的數控系統，一者提高了磨削的精度和穩定性，二者提高了磨削效率和成品率，三者可實現在上一個鋸片加工的基礎上，無需對砂輪位置進行任何調整，就可以完成同規格鋸片的批量加工。