電水壺數字化拋光機床數據自動采集建模及優化

吳昌林，翟金良

(華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢430074)

0 前言

伴隨著白色家電的普及，電熱水壺以其加熱快、安全、衛生和壽命長等優點在市場上得到了良好的反響，市場規模不斷的擴大。目前電水壺的拋光加工主要采用人工拋磨的方式，拋磨過程中重金屬粉塵和尖銳的拋磨聲會對人體健康產生嚴重的影響。另外隨著人工成本的提高，企業也急需一種綠色環保、安全高效的自動化拋光設備［1］。

為解決以上問題，設計研究了一臺具備自動采集水壺表面數據、自動拋磨的數字式拋光機。該機器在完全密封的環境內工作，可解決粉塵和噪聲對工人健康的影響。本機器數據采集有兩種工作模式：人工采集和自動采集。由于水壺廠每隔一段時間就要更換一個水壺壺型，因此水壺表面數據的快速準確采集就顯得格外重要。為了提高機器的快速適應性，詳細分析了水壺表面數據采集的原理。通過和人工采集的數據進行對比，來驗證自動采集數據的準確性。

1 流水式電水壺拋光機的簡介

1.1 機械部分

該機床采用6工位模式進行拋磨，可同時進行粗拋、半粗拋、中拋、粗精拋、半精拋以及精拋，經過上述6道工序，水壺即可從毛坯加工為成品，可極大地提高拋磨的效率，降低生產成本。該機采用3軸聯動的方案，每軸的運動由步進電動機實現控制。各軸具體作用如下：

x軸：實現磨輪的徑向進給，進給的范圍為80－120mm。

y軸：實現磨輪的軸向進給，進給范圍為180－320mm。

c軸：實現水壺在x－y平面上的轉動，以保證水壺與磨頭的邊線始終相切，提高加工品質，轉動的角度為20°～35°。

機床另一個主要的機構為水壺取放機構，通過前端吸盤把水壺從一個工位取下，通過縱向氣缸移至下個工位，再通過橫向氣缸把水壺安裝在這個工位上，實現了水壺工件在不同工位之間的移動，避免了人工安裝水壺，實現了從毛坯到成品的目標。

該機床的每個軸既可單獨運動，也可3軸聯動，這樣既可以滿足人工數據采集，也可實現數據的自動采集。然后把采集的數據放入數據表中，通過調取數據表即可實現對水壺的拋磨，

1.2 控制部分

流水式電水壺拋光機的控制方案采用兩級控制，上位機由PC機負責，主要負責數據處理、人機對話、信息傳送等。下位機由運動控制卡負責，通過扭矩傳感器實現對水壺與磨頭之間的壓力實時檢測，其主要負責步進電動機的控制、輸入輸出信號的接收與發送，通過PCI總線與上位機進行通訊。

2 電水壺外表面數據的采集

2.1 電水壺外表面數據人工采集

由于人工采集模式有較大的自由度，在小批量試生產過程中，可采用人工采集模式，以便快速測試拋磨效果，驗證拋磨工藝是否合理，為接下來的大批量自動采集做準備。在采集的過程中，需要保證水壺的外輪廓始終與磨頭的外邊緣相切。水壺與磨頭之間的壓力需控制在50kg左右，這個可根據數顯式壓力傳感器讀出［2］。

人工采集的具體流程：

1)初始化數控機床，使得機床每個軸返回到加工原點，為采集做準備。在程序上預設所需的壓力范圍，裝夾工件，準備開始采集。

2)根據壺型外輪廓，粗略確定每個軸每次所需走的范圍，從水壺頂部進行采集。采集的規律是：手工啟動c軸，工件旋轉一定角度后停止，程序自動記錄下發給電動機的脈沖數C1。為了保證磨頭的外輪廓與旋轉后的水壺外表面相切，手工啟動x軸和y軸。相切后即可停止x軸和y軸，程序自動記錄下發給兩個電動機的脈沖數X1和Y1。在采集過程中，如果磨頭與水壺之間的壓力超過了預設值，機器會發生報警聲，此時需調整x軸，以減小兩者之間的壓力值，相應的程序自動調整對應的脈沖數X1，然后再依次啟動c軸、x軸和y軸，分別記錄下脈沖數C2、X2和Y2，直到采集到水壺的底部，記錄下脈沖數Cn、Xn和Yn，將這n組數據導入到Access數據表中，即完成了對該壺型的數據采集。

3)將數據表導入到程序中，機床可根據數據表中的脈沖數自動完成對水壺的加工，通過觀察加工的效果，可以進一步優化數據表，來提高加工品質。

以上是手工采集的基本過程，在小批量試生產中，手工采集有比較明顯的優勢。但是由于手工采集的數據跟操作者有很大的關系，不同的操作者采集的數據有很大的差別，且手工采集效率比較低。在大批量生產時，為了提高生產效率，穩定拋磨品質，需要實現水壺的自動化采集。

2.2 電水壺外表面數據自動采集

數據的自動采集需要進行以下的準備工作：初始化機床，選取合理的加工工件坐標系、然后根據所要掃描物體的外輪廓設置掃描基準包括基準面、基準軸等，預設壓力傳感器壓力范圍，即可進行數據采集。數據自動采集仍需保證水壺的外輪廓始終與磨頭的外邊緣相切，在采集過程中通過壓力傳感器實時檢測磨頭與水壺之間的壓力，保證兩者之間的壓力趨近于恒定，以保證水壺表面加工品質的穩定性［3-4］。

電水壺外表面一般是由直線和圓弧構成的，如圖1所示，在自動采集過程中分為兩類模型進行采集：直線段和圓弧。

圖1 常見水壺外表面輪廓形狀

a)電水壺直線段數據自動采集

圖2 直線型水壺加工示意圖

直線段水壺在采集過程中是最為簡單的一種，如圖2所示。在對圓弧型進行采集時，需要輸入已知條件：圓弧的起始點(x1，y1)和終止點(x2，y2)，水壺邊緣直線與x軸夾角為α。在采集時，將c軸旋轉α，水壺母線與x軸垂直，與磨頭母線平行。在加工過程中，通過x軸運動，使得磨頭邊線與水壺母線接觸，然后只需y軸運動即可完成對水壺的拋磨。在加工初始位置切點坐標為(x0，y0)，加工完畢位置切點的坐標為(x1，y1)。相鄰兩個拋磨點之間y方向的差：

式中：m——水壺表面數據采集點數。

水壺表面數據采集點數m越大，自動采集點就越多，采集數據經插補后更加接近水壺輪廓，加工品質就越高。但是m值太大，拋磨一個水壺所需時間就更多，效率降低［5］。一般m值取15 ～20。

b)電水壺圓弧段數據自動采集

圖3 圓弧型水壺加工示意圖

圓弧型水壺進行采集的示意圖如圖3。在對圓弧型進行采集時，需要輸入已知條件：圓心初始坐標(相對于旋轉軸c)(a0，b0)、初始加工位置夾角α，加工完畢位置夾角β。在加工的過程中，由于磨頭邊線始終與水壺母線相切，而磨頭邊線始終平行于y軸，故圓心y坐標始終等于切點的y坐標。取出水壺輪廓線一段圓弧來進行分析，如圖4。圓心距離回轉中心為l0，切點坐標為(x0，y0)，夾角為 δ0。下一個切點的坐標為(x1，y1)，圓心坐標為(a1，b1)夾角為 δ1。

圖4 微圓弧分析

如圖4所示，切點到圓心的距離始終為圓弧半徑r，切點y坐標等于圓心y坐標。有：

由此可以推出：

在微圓弧分析中建立了Δx、Δy與Δδ的關系，通過下面的式(3)，將δ細分即可求出從一個切點移動至下個切點在x方向、y方向所需移動的距離［6］。然后根據機械結構，譬如滾珠絲杠的導程、步進電動機的步距角、傳動比等將求出的Δx、Δy和Δδ轉化為步進電動機所需的脈沖數，再將這些脈沖數存入Access數據表。之后再進行下一個切點數據的采集，共計采集n組數據，將其全部存入Access數據表中，即完成了對此水壺的自動采集。

相鄰兩個切點之間c軸旋轉角度：

式中：m——水壺表面數據采集點數。

水壺表面數據采集點數m值越大，每次c軸旋轉的角度越小，自動采集的數據更加接近于實際的水壺輪廓線。和直線型水壺輪廓一樣，m值也不能過大，否則會降低采集的效率，且采集的品質沒有顯著的提高，因此m值控制在15～20即可。至此，完成了對直線型壺型和圓弧型壺型的自動化采集，采集后的數據全部存在數據表中，只需調取這些數據表，就可以自動拋磨水壺。在拋磨的過程中，通過壓力傳感器來檢測水壺與磨頭之間的壓力，如果反饋信息發現壓力值過大，通過減小x軸的脈沖數自動調節壓力值。反之，增大x軸的脈沖數來增大壓力值，最終確保壓力值的穩定。

3 試驗與結果分析

3.1 試驗過程與結果

對于經驗豐富的拋磨工人，由于其可根據自己的經驗，在采集過程中不斷調整水壺與磨頭之間的接觸關系，其采集的數據一般比自動采集更為準確。為了驗證電水壺外表面數據自動采集的可靠性，在某公司進行了現場試驗，將自動采集的數據與工人采集的數據進行對比。試驗使用的電水壺樣品材料為304不銹鋼，壺型分為直線型和圓弧型。直線型水壺厚度0.5mm，水壺底部直徑120mm，水壺頂部直徑80mm。圓弧型水壺厚度為0.5mm，水壺底部直徑為160mm，水壺頂部直徑為100mm。拋磨用的磨頭直徑為150mm，磨頭自轉速度為2840r/min，水壺自轉速度為35r/min。該電水壺自動拋磨機床中，磨頭進給x軸是最重要的進給運動。水壺與磨頭之間的壓力穩定度主要取決于x軸的進給精度，其直接影響產品的拋磨品質。因此在拋磨實驗中對于兩種壺型主要分析了x軸在不同采集模式下脈沖數的誤差，并統計了10次試驗的壓力值，用來試驗兩種模式下拋磨壓力的穩定性［7-8］，結果如圖5所示。

圖5 試驗數據統計

3.2 結果分析

a)通過分析圖5(a)可見，自動采集脈沖數和人工采集脈沖數最大誤差在第8步，誤差為153個脈沖，誤差率為2%。人工采集的總脈沖數為99555個脈沖，自動采集總脈沖數為98746個脈沖，誤差率為0.008%。

b)通過分析圖5(b)可見，自動采集壓力值平均值為50.04，離散度為 0.224，人工采集壓力平均值為 50.07，離散度為0.276，說明自動采集壓力比人工采集壓力更為穩定，反應在加工品質上，水壺表面整體拋磨比較均勻，避免了水壺局部拋磨嚴重，可局部沒有拋磨到。

c)通過對比兩圖可見，不論是人工采集數據還是自動采集數據，壓力值都無法保證絕對的恒定，這是由于磨頭是彈性體，材質的不均勻性以及水壺毛坯不規則，都導致了壓力的波動［9］。試驗表明，只要壓力值波動控制在5%左右，在水壺拋磨表面不會留下明顯的差別。可采取以下方法減小壓力值的波動：

1)提高機械部分的剛度，尤其是磨頭旋轉機構，可以減小機器震動對磨頭與水壺接觸壓力的影響。

2)對磨頭進行動平衡校核，可以減少磨頭的動不平衡對壓力的影響。

3)提高系統反饋的靈敏度。由于水壺是薄壁件，每個水壺毛坯不可能完全相同，因此在拋磨過程中，反饋系統尤其關鍵，通過實時檢測兩者之間的壓力值，系統根據反饋的壓力值來做相應的反應，可依次來減小壓力值的波動區間。

由此證明，電水壺外表數據自動采集能夠適應電水壺加工的實際要求。

4 結論

首先針對電水壺拋光機數據自動采集進行了分析，然后通過與人工采集對比，試驗了該方法能夠滿足現實生產的需要，并可以提高生產效率，在壓力穩定性方面比人工采集更為穩定，顯示了該方法的優勢。

［1］吳昌林，范青榮，耿金龍，等.不銹鋼電水壺曲面機械拋光方法研究［J］.機械設計與制造：2010(12).

［2］何洋.基于加工誤差的輪毅數字化拋光軌跡生成研究［J］.華中科技大學，2007.

［3］陳國金，王召鵬.數控設備數據采集方法研究［J］.機電工程，2009(05).

［4］韓興國.數控機床運行狀態數據采集及數據處理技術研究［J］.裝備制造技術，2012(06).

［5］干蜀毅.切削力數據采集時間間隔的自動調整［J］.機械與電子，1994(03).

［6］ZHANG Hua WU Zheng－guang ZHANG Wei－wei：［J］.AN APPLICATION OF LABVIEW ON AUTOMATIC DATA ACQUISITION AND CONTROL IN GEOTECHNICAL LABORATORY TESTS：Microcomputer Information，2009：16.

［7］陳建業，許飛云，胡建中，等.機械設備數據采集與狀態監測系統的研制［J］.可編程控制器與工廠自動化.

［8］WU Xiong bin 1，XU Ji sheng 1，MA Shu ying 1，TIAN Mao 1，YU Shen bing 1，YEH K C 2，TSAI W H 3，LIN K H 4 1：［J］.Automatic Data Acquisition System and Reconstruction Algorithm for Computerized Ionospheric Tomography，Wuhan University Journal of Natural Sciences，1999：02。

［9］吳昌林，范青榮，耿金龍，等.不銹鋼電水壺曲面機械拋光方法研究［J］.機械設計與制造：2010(12).