1 引言

      磨加工主动测量技术有效地解决了传统磨削加工存在产品一致性较差、质量不稳定、加工效率低的问题[1-3]。磨加工主动测量仪是一种在线测量零件并能控制磨削进程的设备，广泛应用于自动、半自动磨床。在磨削工作过程中主动测量仪始终进行在线零件尺寸测量，并将其尺寸变化量随时传递给控制器，再由控制设备发出信号控制磨床的动作，实现工件的自动磨削。磨加工在线测量控制过程，如图1 所示[4]。

      磨削加工的对象大多为连续表面特征的回转类型零件，但也常会遇到具有断续表面特征的零件，比如：花键、齿轮、带键（轮毂）槽的轴（孔）等，对这类零件进行在线磨加工过程中，当遇到凹槽部位时，测量装置的测头进出凹槽时测得尺寸会发生突变，测量值的突变一方面会影响主动测量仪的测量精度，另一方面会引起主动测量仪的误判，导致磨削加工过程的中断。

      现有磨加工主动测量仪对于测量断续表面零件的处理方法。

      多采用硬件电路处理方式，需要操作人员手工设置。由于实际加工零件表面特征的复杂性和多样性，其功能实现受到了限制。因此，有必要研究断续表面测量的实时数据软件处理的方法，在保证测量的精度和效率的基础上，提高测量的灵活性和可操作性。

      为实现具有断续特征零件的在线连续测量，根据不同的零件断续特征表面、加工条件、触发控制方式等情况，提出了断续修正法和同期特征补偿法两种方法。通过两种方法的选择和参数设定进行测量数据的自动处理，在断续测量阶段，舍弃无效的测量信息，自动完成补偿或修正，从而实现具有断续表面特征零件磨削加工中的在线测量。可有效提高磨床对特殊几何特征零件加工的柔性、适应性，并能保证磨削加工中在线测量的准确性和可靠性。

      2 磨加工主动测量技术

      主动测量是加工过程中的一种自动测量，也称在线测量。主动测量分为加工中主动测量和加工后主动测量两种。前者是指在加工的同时测量工件的尺寸等，并立即按测量所得信息调整加工条件，以保证不断加工出合格工件；加工后主动测量是指紧接在加工工序完毕后，在（或不在）加工设备上全部或抽样测量有关几何参数，并立即按测量所得信息调整加工条件，以不断加工出合格工件。 

      磨加工主动测量仪主要包括测量装置、控制器和驱动装置。主动测量仪对磨削过程进行主动实时测量，其采用的是比较式的测量监控方法。在磨削加工过程中，测量装置始终监测着工件的尺寸变化，并实时将数据传递给量仪[7-8]。控制器将根据操作人员设定的信号点值和工件实际尺寸值实时判断加工状况，当实际尺寸值和给定的信号点值相符时，测量控制器就会发出信号给机床PLC 控制系统，机床随即进行相应的动作，如改变砂轮转速和进给速度等，从而改变加工状态，形成完整的闭环控制，如图2 所示。机床进给速度在不同阶段的优化，使加工的表面质量、紧密的尺寸控制及加工循环时间达到最佳效果。

      3 断续表面在线测量方法

      针对磨削具有断续表面特征的零件过程中，测量装置测量值的突变会影响主动测量仪的测量精度，引起控制仪的动作误判等问题，提出具有断续表面的回转类零件磨削加工中的在线测量方法。在磨削加工中，控制程序调用相应的参数，当测量装置测头进出零件表面凹槽时，对突变的测量值进行相应的数据修正及补偿处理，处理方法可根据零件几何特征及功能要求选择断续修正法和同期特征补偿法，从而实现在断续表面零件加工中测量的连续性。在线测量数据处理流程，如图3 所示。

      3.1 断续修正法

      断续修正法为根据每一个采样周期后零件尺寸的磨削变化量均等，将零件尺寸变化量与理论切削量进行对比，当测量装置测头进出键槽引起尺寸突变时，将该尺寸变化量直接修正为理论尺寸变化量输出。当测头进出凹槽时，零件尺寸发生快速变化，凹槽内部的测量数据均为无效数据，对测量结果的计算无任何意义，如图4 所示。正常的磨加工在线测量（以测量外径为例）时其尺寸变化线应呈线性递减变化，因此，可以通过差值补偿的方法将凹槽中的尺寸变化值修正为正常加工零件的尺寸变化值，如图5 所示。

      在线测量过程中，一般测量装置连续采集n 次数据并进行平均滤波后，作为一次测量结果输出，设定采集n 次数据所需时间tv为一个采样周期。在磨削加工状态及条件不变的情况下，一个采样周期工件尺寸变化值应为Δd，对应测量装置电压值变化为Δuv，即在经过每一个采样周期后，零件尺寸的变化量相等。测量装置测得的电压变化线的斜率为

      3.2 同期特征补偿法

      同期特征补偿法根据触发方式不同可分为：内部同期、自动同期、外部同期三种模式。同时，根据功能要求的不同，每种模式下可选择三种数据输出类型：最大值输出、最小值输出和P-P 值输出，其中最大值输出为同期内的最大值，一般用于外径测量；最小值输出为同期的最小值，一般用于内径测量；P-P 值输出为输出同期内最大值和最小值之间的差值，一般用于机后检验工件的形状误差。

      设判断触发方式控制变量为Pfun_choice，若Pfun_choice=1， 则为内部同期； 若Pfun_choice =2， 则为自动同期；若Pfun_choice=3，则为外部同期。当操作者选择内部同期时需要设定触发时间Tri_time；选择自动同期时需要给定触发尺寸值tri_value；选择外部同期时，触发脉冲序列由磨床控制系统发出；数据输出类型控制变量为Pvalue_choice。

      （1）内部同期。当采用内部同期时，根据触发时间Tri-time的设定，要求触发时间大于测头进出凹槽所用时间。如图6 所示。在该触发时间段内进行测量数据的对比，搜索测量数据的特征值，由功能要求选择特征值之一进行补偿替代作为测量结果输出。当Pvalue_choice=1 时，输出特征值最大值；当Pvalue_choice=2 时，输出特征值最小值，当Pvalue_choice=3，用于检验工件的形状误差输出特征值的P-P 值；触发周期的过程控制由触发时间Tri_time 每次减少一个采样周期实现。 

      （2）自动同期。当采用自动同期时，设定触发尺寸，将当前的测得尺寸值adinput 和触发尺寸tri_value 进行比较，当adinput>tri_value 时，在该期间对比搜索特征值，并根据功能要求选择Pvalue_choice 值进行测量结果输出。当adinput≤tri_value 时，触发采集复位，重新开始搜索测量数据的新特征值，但此时输出的为采集复位前的值。触发尺寸值一般设定为-50μm，自动同期中凹槽的位置应作为一个复位点，达到复位点，将特征值清零，重新开始搜索特征值，如图7 所示。该触发方式更适合于凹槽数较多的零件。

      （3）外部同期。当采用外部同期时，接收外部机床触发脉冲信号，如图8 所示。两个触发脉冲上升沿之间的间隔为脉冲触发周期T，在该周期内则进行测量数据的对比，搜索特征值，并根据Pvalue_choice 值的设定在第二个脉冲上升沿处进行相应特征值的输出，否则，不进行任何操作，如此反复循环执行。

      4 断续表面测量实验与分析

      在磨加工主动测量仪软件系统二次开发的基础上，对具有断续表面的零件进行了测量实验。实验装置如图9 所示。针对该待加工工件凹槽具有周期性分布的特点，在主动测量仪的设置界面中选择同期特征补偿法。状态参数及信号控制点设定，如表1 所示。

      根据各个磨削阶段（包括粗磨、半精磨、精磨、光磨、到尺寸）状态参数及特征参数的设定，在实际零件自动磨削过程中，主动测量仪记录了各个阶段的零件尺寸变化的曲线图，如图10 所示。可见，加工状态曲线光顺，并能够真实反应出不同的磨削状态，所以采用文中提出的方法对具有断续表面特征零件的在线测量是可行、有效的。通过进一步对具有其它断续特征的零件分别应用断续修正法或同期特征补偿法进行在线测量，实验结果均证明了提出方法的正确性。

      5 结论

      通过在磨削加工前根据回转类零件具有断续表面特征及磨削加工状态设定相应的参数，并将参数保存在数据库中，当测量装置的测头进出零件表面凹槽时，可根据待加工的回转类零件上的凹槽是否是周期性分布在零件的周面上而选择断续修正法和同期特征补偿法，对突变的测量尺寸值进行自动的数据修正及补偿处理，从而实现在磨削具有断续表面特征零件的过程中，避免了测量控制仪的动作误判及磨加工中断等问题。研究成果提高了磨床对特殊几何特征零件加工的适应性和灵活性，对完善磨加工主动测量仪的功能提供了技术支持。