大型船用龍門數控珩磨機短行程加工的研究與應用

王平江，林靈，劉繼蕾，王信，陳吉紅

(華中科技大學機械科學與工程學院 國家數控系統工程技術研究中心，湖北武漢430074)

0 前言

珩磨機 (Honingmachine)，是一種利用珩磨頭對缸體內壁進行磨削精加工的專用機床［1］，主要用于對車用、船用發動機油缸內壁、軸承及液壓油缸等內孔類零件的精加工［2-3］。其中，大孔徑數控珩磨技術是大型船用發動機生產中必不可少的關鍵技術之一，發動機油缸內壁的加工精度由加工的大型珩磨機的精度決定，而油缸的精度直接決定著船用發動機的效率和使用壽命。相比國外，目前，國內大孔徑數控珩磨技術還比較落后，技術水平還停留在單進給控制、無自測功能等普通珩磨機方面。根據市場對于大孔徑、深孔徑零件的加工精度和加工效率的要求，對大孔徑珩磨加工的“龍門數控深孔雙進給自測珩磨機床”的需求迫在眉睫［4-6］。文中探討了在華中HNC-8的數控系統平臺上，開發具有集自動測量、雙進給、高速短行程及珩磨壓力自動控制等功能的珩磨機專用數控系統的方法，重點分析了自動測量、數據分析以及加工等過程中G代碼解釋器、插補器背景程序以及PLC間信息雙向傳遞的技術難點。

1 數控珩磨機床的加工工藝

1.1 數控珩磨機床機械結構

珩磨機床的機械結構如圖1所示。

圖1 數控珩磨機機械結構圖

所研究的珩磨機為C軸、Z軸及X軸的三軸伺服控制的數控機床。X軸為工作臺運動軸，有兩個特殊位置，分別為下料工位和工作工位;C軸為伺服主軸電機，控制珩磨頭的旋轉速度;Z軸為伺服液壓缸，控制主軸箱 (珩磨頭)的上下運動。

1.2 數控珩磨機的控制要求分析

珩磨加工主要是通過珩磨頭上的油石與待加工零件之間的螺旋狀相對運動實現表面的磨削加工，在待加工零件上磨出規定的表面粗糙度與特定形狀的網紋。加工工件的孔徑在全長不同位置處有不一樣的尺寸偏差，甚至會出現不同程度的局部過大或過小。當出現局部過大時，該工件視為廢品。為了提高工件的加工效率，需要珩磨機能根據加工工件的具體情況進行加工。文中采用的是具有粗、精珩磨條雙進給的珩磨機。粗珩加工主要使工件達到要求的尺寸精度，精珩加工主要使工件達到要求的表面粗糙度［7-8］。

根據珩磨機的加工工藝要求，采用的珩磨機加工流程圖如圖2所示，采用集在線測量功能的長短行程組合加工的加工模式。當工件內孔徑尺寸均勻時，采用長行程加工。當工件全長上出現某些局部區間內徑小于規定值時，則在這些局部區域采用高速短行程珩磨加工，直到內孔全長上尺寸基本一致，再開始進行長行程珩磨加工。長、短行程加工方式的決定及其組合，是通過圖2中的模塊2對全程上采集的工件內孔徑進行分析而確定的。工件內孔徑的采集由圖2中在線測量模塊1完成。這種長、短行程合理組合的加工方式，將大大提高工件的加工效率、尺寸精度及表面粗糙度。

圖2 具有在線測量功能的數控珩磨機長短行程組合加工的流程圖

文中所述的加工控制功能是基于華中HNC-8的數控系統二次開發平臺開發的。如圖2所示，珩磨機加工主要包括4個功能模塊:模塊1在線測量、模塊2數據分析、模塊3短行程加工及模塊4長行程加工。這些功能模塊在HNC-8上需要G代碼解釋器、插補器、PLC以及背景程序的相互配合、協調來實現。其中運行在解釋器中的G代碼程序實現珩磨加工的流程控制;PLC程序實現珩磨壓力輸出控制以及珩磨頭粗、精珩磨條的雙進給切換控制等;插補器實現運動控制及孔徑的采樣;背景程序完成采樣通道的配置、采樣數據的處理、處理后數據的分析。如圖3所示，由于G代碼解釋器 (以下簡稱G代碼)、插補器、PLC以及背景程序處于4個不同的線程，因此在珩磨加工中必須在4個線程中建立良好的信息交互渠道來保證控制的同步關系及加工工藝參數的傳遞。文中采用的方法是:在G代碼中實現整個珩磨加工的主流程控制，即圖2的加工流程圖可以理解為是整體加工的G代碼流程圖;當需要插補器、PLC或背景程序完成相應的工作時，由G代碼向插補器、PLC及背景程序發出工作命令，同時PLC或背景程序向G代碼解釋器反饋工作完成情況及加工參數的信息。下面分別通過在線測量、數據分析、短行程加工 (由于長行程加工和短行程加工在技術實現上的關鍵技術點類似，因此以短行程加工為代表介紹)中所涉及的關鍵技術，闡述集成化的珩磨加工的原理。

2 數控珩磨機加工過程中的關鍵技術

如圖3所示，在一定的時間片內，可以將G代碼、PLC、插補器以及背景程序看成是在4個線程中并行運行的，因此珩磨機的復雜的流程控制的關鍵技術之一是如何實現4個線程之間的信息交互及同步。在HNC-8數控系統的二次開發平臺上，G代碼、PLC程序、背景程序是用戶可以進行修改的。華中八型提供了特殊的用戶宏變量，這些用戶宏變量能在G代碼和背景程序中讀寫。因此可通這種過宏變量實現G代碼與背景程序間的命令、數據的發送和接收，實現信息的交互。在G代碼中可通過自定義M代碼向PLC發送命令，并可以通過華中八型的專用宏變量完成G代碼與PLC之間的數據交互。PLC程序與插補器的數據交互可通過已定義的F、G寄存器進行。同時，背景程序通過二次開發的API接口函數可以讀到F、G寄存器的值，因此背景程序也可以得到插補器的狀態。通過上述方法，即可以實現4個線程之間的信息交互及同步控制關系。

圖3 華中HNC-8數控系統并行運行的泳道圖

2.1 數控珩磨機的在線測量技術

2.1.1 在線測量模塊中的信息交互技術

實現采樣功能需要在G代碼、插補器、PLC和背景程序這4個線程中完成相應工作，包括:通過運行在G代碼解釋器中的G代碼指令實現采樣功能的過程控制;在每個插補周期，插補器按照插補算法向伺服發送指令完成各軸的運動控制，以及在插補器的采樣通道中完成采樣功能;通過PLC令采樣開始或停止;在采樣開始前，定義的特殊G代碼指令令背景程序進行采樣通道的配置以及在插補器采樣過程中，在背景程序中完成啟動測頭模擬量向數值孔徑變換及繪制孔徑實測圖的功能。在G代碼中調度插補器、PLC和背景程序完成相應的工作。根據G代碼、插補器、PLC和背景程序4個線程的信息交互特點，設計的采樣模塊的流程控制如圖4所示。當G代碼流程控制需要背景程序采樣準備時，G代碼可以直接向背景程序發送命令，然后等待背景程序完成命令執行的信息;當需要插補器開始采樣時，G代碼先向PLC發送開始采樣的命令，當PLC接到該命令后，便向插補器發送命令，讓插補器開始采樣。當PLC接收到插補器已經開始采樣的信息后，便向G代碼反饋開始采樣命令完成的信息。

圖4 G代碼程序、插補器、PLC及背景程序的在線測量模塊中的信息交互

2.1.2 在線測量模塊的實現

G代碼中實現在線測量的難點主要為如何向插補器、PLC及背景程序發出指定的工作命令，并能夠接收背景程序和PLC反饋的工作完成的信號，實現各線程間的同步工作。

(1)G代碼調度背景程序技術

華中八型提供了5 000個用戶宏變量 (范圍為#50000～#54999，且為全局宏變量)供用戶使用。該范圍的用戶宏變量可直接用于G代碼程序的編寫以及背景程序的讀寫。用戶宏變量可在G代碼程序中進行賦值、條件判斷及表達式計算等。同時背景程序中可通過API接口函數讀寫該段用戶宏變量的值。因此G代碼或背景程序可通過用戶宏變量來發送或反饋信息，這樣就可以利用該段宏變量建立G代碼與背景程序之間同步及信息傳遞的橋梁。本文，圖4中，背景程序的采樣準備模塊與G代碼流程控制之間的同步，是利用用戶宏變量#50052來實現。在G代碼采樣子程序初始化中將#50052的初始值賦為0，標志新的一輪采樣開始。華中八型G代碼有超前解釋的功能，目前，可以超前解釋3 000行。為了避免由于超前解釋，在執行#50052的賦值語句后，后面的G代碼程序對#50052的賦值而覆蓋掉當前對#50052的賦值，在#50052初始化賦值之后，加入G08的指令，以阻止G代碼的超前解釋功能。在G代碼中將#50052值賦為1，向背景程序發出采樣準備的命令，然后G代碼程序等待采樣準備完成的反饋信息。當背景程序檢測到#50052的值為1時，便進行采樣準備所涉及的一系列的工作。采樣準備完成后，背景程序將#50052的值賦為2，向G代碼反饋采樣準備已經完成的信息。當G代碼的while條件判斷#50052的值為2成立時，立即跳出while循環。G代碼便繼續執行新的指令程序段，這個新的指令就是令珩磨頭由初始位置向下運動。

(2)G代碼調度PLC的技術

G代碼可通過M代碼調度PLC的工作，對于非標準的M功能，可以采用自定義M指令的方式實現。M代碼除具有段前執行、段后執行的屬性外，還具有是否需要反饋確認的屬性。文中采樣模塊采用的自定義M代碼有M82、M83，分別代表打開采樣功能和停止采樣功能。M82為段前執行、M83為段后執行，都具有反饋確認的屬性。采樣模塊的G代碼流程如圖5所示。

圖5 采樣G代碼的設計流程圖

2.1.3 在線測量模塊中自定義采樣M代碼在PLC中的實現

在線測量模塊中，需要通過PLC實現NC系統開始采樣和停止采樣的功能。在華中八型中，插補器通過檢測寄存器G2960.12、G2960.13的值來決定是否開始采樣或停止采樣。G2960.12為1時，表示PLC向插補器發出開始采樣命令;G2960.13為1時，表示PLC向插補器發出停止采樣命令。文中采用自定義M代碼M82、M83實現由G代碼程序使插補器開始采樣和停止采樣的功能。M82、M83在PLC中的具體實現如圖6所示。圖6中MGET和MACK是華中八型PLC提供的功能模塊。該功能模塊需要輸入兩個參數，第一個參數表示通道號;第二個參數表示M代碼的編號。圖5梯形圖中，第一行當G代碼中執行M82時，PLC中M代碼編號為82的MGET為真，輸出R290.0為1;第二行，R290.0為1，則置位G2960.12和復位G2960.13;第三行，F2960.12為1時，表示插補器已經開始采樣，則PLC向G代碼反饋信息，表示M82執行完畢。此時，G代碼便可繼續執行下一個G代碼指令。

圖6 M82、M83在PLC中的具體實現

2.2 在線測量與數據分析

2.2.1 在線測量模塊中數據采集與處理

數控珩磨機通過在線測量獲得加工工件不同位置處的孔徑大小。NC系統開始采樣后，氣動測量儀隨著珩磨頭從上采樣點運動到下采樣點的過程中按照采樣配置進行采樣。在這段時間里，插補器每隔一個采樣周期，采集3個氣動測量儀的信號 (經過模數變換)到指定的采樣通道中。為在全長上進行采樣，并分析全長上的孔徑分布，開通了四路采樣通道，一路采樣通道記錄由Z軸編碼器反饋的當前直徑測量的Z軸絕對位置值，另外三路采樣通道分別記錄氣動測量儀的反饋值，然后計算在各個Z軸位置處孔徑值。

數控珩磨機用氣動測量儀檢測孔徑大小原理，如圖7所示。圖7中，△ABC的外接圓表示在某軸截面處，加工工件的內孔。P為測量儀中心的位置，在測量儀上有3個氣動測頭，夾角互為120°。這3個測頭分別得到PA、PB、PC的長，對應圖7中的a、b、c。氣動量儀將a、b、c轉換為電壓值，經過華中八型HIO-1000模擬量輸入輸出模塊接入數控系統。電壓值在數控系統中A/D轉換為數字量值，放入指定寄存器中。一般情況下，長度值、電壓值、數字量值的對應表如表1所示。

圖7 工件加工孔徑氣動矢徑采樣及工件內徑計算圖

表1 在線測量長度值、電壓值、數字量值對應表

當插補器開始采樣后，采樣通道中每隔一個采樣周期將獲得一組由氣動測量儀和Z軸編碼器反饋的數據。背景程序則在每個刷新周期 (一般為采樣周期的整數倍)取出本刷新周期4個采樣通道中所有新采集的數組。然后對每一組數據進行處理，計算出每一個采樣時刻下Z軸位置所對應的孔徑。

對于每一組數據的處理方法是:將由氣動測量儀反饋的3個數字量值按照表1進行線性插值，得到3個測頭與加工孔壁的距離a、b、c。

在△PAB中，根據余弦定理得a'

同理得 b'、c'為

在△PAB中，根據正弦定理得△PAB的面積S△PAB

同理得 S△PAC、S△PBC為

則△ABC的面積S△ABC為

根據三角形正弦定理，

2R＝a'/sin∠BPC

可推導出三角形面積S△ABC、三邊a'、b'、c'與外接圓直徑D的關系為

根據公式 (1)、(2)、(3)、(4)、(5)可得孔的直徑D為

2.2.2 G代碼程序與背景程序的數據分析模塊的信息交互

由于背景程序用C語言編寫，具有強大的數據計算能力，因此數控珩磨機的缸徑數據分析模塊由背景程序完成。則在背景程序與G代碼程序之間存在信息交互的需求，其信息交互關系如圖8所示。文中采用用戶宏變量#50051實現數據分析模塊中G代碼程序與背景程序間的信息交互。采樣結束后，G代碼將#50051賦值為1，向背景程序發出數據分析開始的命令，然后G代碼進入while循環，等待數據分析完成。背景程序檢測到#50051值為1后，開始對已采樣的數據進行分析。分析完成后，背景程序將#50051賦值為2，向G代碼反饋數據分析完成信息。G代碼檢測到#50051值為2后，跳出while循環。如此信息的交互表明本次數據分析模塊調用結束，下一步進入G代碼程序中的珩磨加工模塊。

圖8 G代碼程序與背景程序的數據分析模塊中的信息交互

2.2.3 孔徑采樣數據的圖形化表達及分析處理

在線測量模塊對采樣數據處理后可獲得加工工件不同位置處的孔徑大小，如圖9所示，曲線部分表示加工工件內孔孔徑隨Z軸位置的值，本例中加工工件有兩處不符合要求孔徑段，分別為①、②。

圖9 基于測量數據的加工工件孔徑分析圖

背景程序中的數據分析模塊需要進行以下幾個方面的分析:(1)加工工件是否出現局部過大或過小;(2)每一段局部過小段的范圍、最小直徑以及最小直徑處的Z軸位置;(3)當只有局部過小段，且段數小于6時，根據每一段局部過小段的具體情況，按照一定的算法，分析出本段的加工參數，如珩磨方式 (粗珩或精珩)、珩磨壓力和珩磨時間等;(4)當工件沒有局部過大和過小段，或局部過小段太多時，根據工件內徑整體情況分析出整個工件的加工參數。數據分析的結果記錄在用戶宏變量中，如表2所示。值得注意的是，每一次數據分析前，需要將表2中的用戶宏變量全部賦值為0。

表2 用戶宏變量記錄數據分析結果

2.3 數控珩磨機的短行程加工控制技術

2.3.1 短行程加工模塊G代碼程序設計

如表2所示，根據數據分析的結果，當#50052的值為2時，采用短行程加工。短行程加工的G代碼設計流程圖如圖10所示。短行程G代碼根據記錄短行程加工段數的用戶宏變量#50053，依次判斷是否需要執行本段的加工模塊。

圖10 短行程G代碼程序流程圖

由于每一個加工段的加工參數不一定相同，因此每一個加工段單獨使用一個加工模塊進行加工。在加工模塊中，插補器實現珩磨頭的軸向運動控制，PLC實現珩磨條的進給控制、珩磨壓力輸出控制以及珩磨時間的控制，G代碼實現整個過程控制。數據分析后，用戶宏變量記錄數據分析的結果。G代碼可以直接讀取用戶宏變量的值，但是PLC不能直接讀取宏變量的值。因此需要在G代碼中傳遞當前段的加工參數到PLC，以便PLC中進行諸如珩磨壓力、時間等的控制。短行程加工G代碼程序中某單段加工模塊的設計流程圖如圖11所示，在G代碼中可以通過自定義M代碼向PLC發送珩磨前準備以及珩磨后復位的命令。具體方法在上文已經提及過。但是需要解決如何通過G代碼傳遞加工參數到PLC以及PLC如何傳遞珩磨時間到的信息到G代碼。

圖11 G代碼短行程加工單段加工模塊控制流程

2.3.2 短行程加工中PLC和G代碼的信息交互

單段短行程加工模塊中，需要從G代碼中傳遞本段的加工參數到PLC，同時PLC要傳遞珩磨時間是否到的信息到G代碼。如圖12所示，華中八型具有PLC與G代碼信息交互接口的宏變量#1190和#1191。#1190在G代碼中可讀，#1191在G代碼中可讀寫。這兩個宏變量在PLC中對應的寄存器，分別是F2604與G2584，所謂對應關系是指在數控系統軟件中宏變量和寄存器使用的是同一個內存存儲地址。因此#1191與F2604的值相同，#1190與G2584的值相同。

圖12 PLC和G代碼專用交互接口

當G代碼和PLC需要進行數據交換時就可用到這兩個宏變量。當G代碼向PLC中傳遞數據時，先將數據賦值給#1191，然后在PLC中讀取F2604的值，便能在PLC中獲取到G代碼傳遞給PLC的值。同理當PLC傳遞數據給G代碼時，先將數據傳遞給G2584，然后在G代碼中讀取當前的#1190的值，便能在G代碼中獲得PLC傳遞給G代碼的數據。

(1)G代碼程序向PLC傳遞信息

G代碼傳遞數據給PLC采用如圖13所示的方法。該圖是將短行程加工模塊1的珩磨壓力值通過G代碼傳遞給PLC，然后在PLC中將該數據放到對應的儲存珩磨壓力值的R寄存器中，然后再向G代碼發回應答信息，表示本次數據傳遞成功。數據分析完成后，#50058記錄了短行程加工模塊1的珩磨壓力值，首先將需要傳遞的值 (比如#50058)放入宏變量#1191中，然后通過自定義M代碼M50通知PLC從F2604中取數據，由M50告知PLC當前F2604中的數據類型。PLC獲取命令后，將數據取出，放到指定的R寄存器中。G08為阻止G代碼解釋器超前解釋的指令，其功能為當G08前面一行的G代碼程序執行完畢后，解釋器才向下面移動。避免由于超前解釋而改變將宏變量#1191的值。

圖13 G代碼傳遞數據給PLC信息交互圖

(2)PLC傳遞數據給G代碼

PLC傳遞數據給G代碼，也需要考慮如何告訴G代碼當前宏變量#1190中的數據類型。如圖11中，G代碼需要獲得單段加工珩磨“時間到”的信息。本文采用的方法如圖14所示。首先通過自定義M代碼M54，告訴PLC當前G代碼需要獲得珩磨時間是否到的信息，此時PLC會讀取指定定時器的狀態，當定時器時間到時，將寄存器G2584的第0位賦為1，否則，仍未0。此時G代碼再去讀#1191中的值，便能獲得PLC傳遞過來的數值，若為1表明珩磨時間都，為0表明珩磨時間未到。值得注意的是，由于只有一個數據傳遞通道，所以在每次傳遞數據之前，需要對通道中的數據進行復位。

圖14 PLC與G代碼信息交互原理

2.3.3 短行程加工自定義M代碼的使用

通過前面兩小節對短行程加工流程圖的設計，以及對PLC和G代碼間數據交互的具體分析可知，可制定短行程加工中的自定義M代碼表，如表3所示。

表3 短行程加工模塊中的自定義M代碼表

3 結論

詳細介紹了基于華中HNC-8數控系統二次開發平臺開發全自動珩磨數控系統的技術，如圖15所示。該專用數控系統通過氣動測量儀對工件全長上的孔徑進行在線測量，通過對測量數據的分析與處理，得到珩磨機的加工方式以及加工參數等加工信息。根據這些加工信息，通過G代碼、PLC、插補器和背景程序的相互配合，實現了珩磨機加工的全自動控制。所開發的珩磨專用數控系統，提高了珩磨的尺寸精度和表面粗糙度，同時長、短行程合理組合的加工方式，也大大提高了珩磨機的加工效率。

圖15 珩磨機現場圖

［1］張云電.現代珩磨技術［M］.北京:科技出版社，2007:1-33.

［2］鮑興鵬.珩磨機床的應用與發展［J］.世界制造技術與裝備市場，2012(5):64-68.

［3］倪健，吳世友.珩磨技術及其在機械加工中的應用［J］.裝備制造技術，2012(1):158-171.

［4］楊維平.大型臥式珩磨裝置的研制［J］.科學之友，2012(17):39-40.

［5］雷竹峰.深孔珩磨的試驗與研究［J］.煤礦機械，2012，33(7):125-126.

［6］ ZHAO Jiali，CHEN Shanshan，HU Chibing，et al.On the Basis of Fuzzy and PID double Control of Honing Machine Reciprocating Motion［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，105-107:423-428.

［7］HEIBY P.Electrohydraulic Oscillating Drive in a Honing Machine［J］.Oelhydraulik und Pneumatik，1985，8(29):597-602.

［8］CHENGGuangzhen，CHEN Xuqin.Special Honing Machine for Cylinder Internal Hole［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，101-102:33-36.