智能制造時(shí)代的水射流切割 第四部分 傳感器技術(shù)

 如果將運(yùn)動(dòng)控制器和軟件（系列文章第一第二篇）與人腦進(jìn)行比較，將五軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（第三篇）與人的手腳進(jìn)行比較，那么本文將討論的內(nèi)容可以與人的感官（如眼睛和耳朵）進(jìn)行比較。如果沒有眼睛和耳朵，人類將不能從事任何工作，傷害近在眼前也無法覺察。如果我們想讓我們的機(jī)器足夠聰明，在不需要或只需要最少人工干預(yù)的情況下獨(dú)立工作，機(jī)器就需要配備傳感器技術(shù)。因此，本文將探討傳感器技術(shù)在智能水射流切割機(jī)上的應(yīng)用。

在切割航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件（如圖1所示）時(shí)，我們學(xué)到了一個(gè)深刻的教訓(xùn)。這個(gè)工件的材料非常昂貴，工件報(bào)廢是無法承受的。每個(gè)零件的總加工時(shí)間約為33小時(shí)的切割時(shí)間加上2-3天的設(shè)置時(shí)間，如果是定制的生產(chǎn)機(jī)器，設(shè)置時(shí)間可以大大縮短。在前幾個(gè)零件的切割過程中，出現(xiàn)了以下問題。

首先，我們沒有一個(gè)合適的方法來準(zhǔn)確地找到工件的方位。加工之前的工件是一個(gè)帶有定位銷孔的圓盤。我們不得不通過試切的方法來找到工件的方位，非常耗時(shí)，而且不準(zhǔn)確。

切割時(shí)水花四濺，機(jī)器上到處都是水和磨料，還有水霧。磨料供給系統(tǒng)利用噴嘴產(chǎn)生的真空吸入磨料。不幸的是，水霧被吸入磨料供給系統(tǒng)，導(dǎo)致切割過程中磨料停止供給。當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)并停止機(jī)器時(shí)已經(jīng)為時(shí)太晚，工件報(bào)廢了。

操作員沒有注意到磨料罐中的磨料不足，如果不是因?yàn)樗皶r(shí)關(guān)停機(jī)器，幾乎又造成零件報(bào)廢。 

操作員沒有注意到切割頭的行進(jìn)路徑中有一個(gè)柱銷，直到發(fā)生碰撞，導(dǎo)致工件報(bào)廢。

從這個(gè)代價(jià)高昂的教訓(xùn)中，我們認(rèn)識(shí)到我們的機(jī)器操作太過依賴操作員的經(jīng)驗(yàn)和持續(xù)的注意力。對(duì)于如此長時(shí)間的切割作業(yè)，有如此多的潛在問題區(qū)域，工件報(bào)廢是一個(gè)大概率事件。因此，我們必須尋求采用傳感器技術(shù)，更多地依靠自動(dòng)傳感器技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)來完成關(guān)鍵的加工作業(yè)。

圖1航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的切割

在當(dāng)今的智能水射流切割機(jī)中使用了幾種傳感器技術(shù)，我將依次進(jìn)行介紹。

1.機(jī)器定位傳感器技術(shù)

機(jī)器位置通常由伺服電機(jī)的編碼器感應(yīng)識(shí)別。編碼器分為旋轉(zhuǎn)編碼器和線性編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器（如圖1（a））將角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，也稱為碼盤。大多數(shù)水射流切割機(jī)使用配備旋轉(zhuǎn)編碼器的伺服電機(jī)，通過滾珠絲杠或齒輪/齒條或其他傳動(dòng)系統(tǒng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)。由于旋轉(zhuǎn)編碼器無法感知傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差，機(jī)器的直線位置精度主要取決于傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。精密研磨滾珠絲杠會(huì)比軋制滾珠絲杠具有更高的線性定位精度。線性編碼器將線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，又稱柵尺。由于不依賴于傳動(dòng)系統(tǒng)的精度，采用線性編碼器的直線定位精度比采用旋轉(zhuǎn)編碼器的精度高。柵尺分為磁柵尺（如圖1（b））和光柵尺（如圖1（c））。與光學(xué)版本相比，磁柵尺精度和成本較低，適用于較長行程。在過去的十年里，市場上出現(xiàn)了使用磁柵尺和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的水切割機(jī)。近年來，在一些高精度的水射流切割機(jī)上使用了光柵尺和直線電機(jī)。

 根據(jù)工作原理，編碼器可分為增量式和絕對(duì)式。增量式編碼器將位移轉(zhuǎn)換為周期性電信號(hào)，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖。機(jī)器位置由參考機(jī)器絕對(duì)原點(diǎn)的脈沖計(jì)數(shù)確定。如果機(jī)器在運(yùn)動(dòng)過程中斷電，機(jī)器位置將丟失，機(jī)器需要回到絕對(duì)原點(diǎn)以重新建立其位置。對(duì)于絕對(duì)式編碼器，每個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的數(shù)字編碼，因此機(jī)器位置總是已知的。如果機(jī)器在運(yùn)動(dòng)過程中斷電，機(jī)器位置將不會(huì)丟失，無需重新讓機(jī)器歸零。

2.工件XY定位傳感器技術(shù)

當(dāng)工件被放置在機(jī)床上時(shí)，機(jī)床控制系統(tǒng)需要識(shí)別工件的位置并將其與數(shù)控程序相關(guān)聯(lián)。如果你只想在一大塊材料上任意地方切割一個(gè)小零件，你可以把機(jī)器移動(dòng)到你想開始切割的地方，數(shù)控程序?qū)⒁援?dāng)前機(jī)床位置（無論是否準(zhǔn)確）作為路徑原點(diǎn)，在那里啟動(dòng)切割程序。這在水射流切割中很常見。但是，如果你要在一塊大板上切割一個(gè)整個(gè)版面的圖案，就必須辨識(shí)到板的邊緣，這樣整個(gè)圖案才能在板的邊緣以內(nèi)完整地切割出來。有時(shí)工件板料又大又重，一旦放在機(jī)器上，就幾乎不可能移動(dòng)。如果板材邊緣與機(jī)器XY軸不平行，旋轉(zhuǎn)切割程序比旋轉(zhuǎn)材料要容易得多。

在某些應(yīng)用中，水射流切割只是多個(gè)加工工序之一。利用一定的定位特征可以解決多個(gè)加工工序的定位問題。例如，圖2中所示的零件使用兩個(gè)定位銷孔（用黃色箭頭標(biāo)出）進(jìn)行定位。這時(shí)需要使用某種定位裝置來識(shí)別這些定位特征。

圖2帶有定位銷孔的水切割工件

有幾種定位裝置可用于定位工件的位置。最簡單的是一種精密激光筆測邊儀，如圖3所示。它被固定在切割頭上，替代砂管進(jìn)行安裝。它在工件上產(chǎn)生一個(gè)大小可調(diào)的激光光斑。您可以移動(dòng)機(jī)器，使激光光斑位于工件邊緣，然后記錄當(dāng)前機(jī)床位置。在直邊上記錄兩個(gè)點(diǎn)可以確定該直邊方向。兩條直邊可以定義一個(gè)角。在一個(gè)弧上記錄三個(gè)點(diǎn)就可以找到它的中心。激光測邊儀的精度一般在0.05-0.10mm之間。如果激光測邊儀與噴嘴的安裝高度不同，使用激光測邊儀時(shí)需要上下移動(dòng)Z軸，這樣的話Z軸與XY平面的垂直度誤差會(huì)增大定位誤差。

圖3激光測邊儀

要提高定位精度，可以采用光學(xué)定位儀。它使用一個(gè)高分辨率的工業(yè)相機(jī)（比如500-1000萬像素）和適當(dāng)?shù)恼彰髟O(shè)備。類似十字準(zhǔn)線的軟件工具可以用來捕捉軟件屏幕上工件邊緣的點(diǎn)，其精度一般在0.02-0.05mm之間。

對(duì)于在精度和速度上有更高標(biāo)準(zhǔn)的電子元件的水射流切割應(yīng)用，可以使用更高分辨率（以較小的視野范圍為代價(jià)）的CCD（電荷耦合器件）相機(jī)（如圖4所示）以及相應(yīng)的控制軟件。工件位置可被快速自動(dòng)確定。其精度可達(dá)0.005-0.02mm。在確定了工件的位置之后，自動(dòng)對(duì)切割程序進(jìn)行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)處理便可。

圖4 CCD自動(dòng)定位儀

3.工件高度跟蹤傳感器技術(shù)

盡管大多數(shù)水射流切割應(yīng)用是在平板材料上進(jìn)行二維切割，但由于以下原因，工件的上表面并不總是在XY平面上：材料可能不平整；切割過程中材料內(nèi)部應(yīng)力的釋放導(dǎo)致材料翹曲；材料支撐面可能不與XY平面平行。上述任何一種情況都可能導(dǎo)致切割過程中噴嘴和工件之間的工作距離發(fā)生變化。其后果可能是：（1）在穿孔過程中，噴嘴因太靠近工件而堵塞；（2）砂管因觸碰工件而折斷；（3）由于工作距離過大，導(dǎo)致射流擴(kuò)散并導(dǎo)致能量密度和精度降低，從而導(dǎo)致切割精度降低；（4） 由于工作距離與使用擺動(dòng)頭時(shí)所需的理論值不同，導(dǎo)致切割精度降低。因此，有必要跟蹤工作距離的變化并使其相對(duì)恒定。通常的做法是使用噴嘴高度跟蹤儀，如圖5所示。高度跟蹤裝置的足部是彈簧加載的，以保持與工件表面的接觸。工件表面的高度變化將由裝置內(nèi)的位移傳感器感應(yīng)。位移模擬信號(hào)將被發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制器，控制器驅(qū)動(dòng)Z軸上下移動(dòng)，以保持噴嘴和工件之間的恒定工作距離。原理很簡單。然而，最大的挑戰(zhàn)來自它的可靠性。高度跟蹤儀工作在有水和磨料以及有高速磨料水射流反濺的環(huán)境中。該裝置需要密封，以防水和磨料侵入，并避免其受到高速磨料水射流反濺的磨損。碎屑和小零件可能會(huì)傾翻成為跟蹤儀的“絆腳石”；工件材料上的孔可能成為跟蹤儀的陷阱；如果水箱里裝滿了廢磨料，那么廢磨料可能會(huì)在工件表面形成硬化層，從而“誤導(dǎo)”跟蹤儀。我們采取了以下措施克服這些障礙：跟蹤儀的足部是環(huán)繞噴嘴的一個(gè)環(huán)，此環(huán)可將沉積的磨料（如果存在的話）推開；為了防止跟蹤儀跌落“懸崖”或逼上“陡峭”，跟蹤儀只允許對(duì)10度或更小的坡度做出響應(yīng)；為了避免跟蹤儀與夾具或傾翻零件或廢料相撞，跟蹤儀在快進(jìn)時(shí)將采用抬頭快進(jìn)模式（上移-快進(jìn)-下移）。

圖5噴嘴高度跟蹤儀

4.機(jī)器碰撞傳感器技術(shù)

大多數(shù)水射流切割應(yīng)用于加工小批量零件。一天有好幾個(gè)加工作業(yè)是很正常的；切割程序經(jīng)常需要更換；工件夾具通常是臨時(shí)設(shè)置的；變形的工件和傾翻的廢料或小零件可能會(huì)卡住噴嘴。所有這些都增加了水射流切割時(shí)發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。碰撞的后果可能是砂管折斷、工件報(bào)廢甚至永久性機(jī)器損壞。碰撞傳感器可用于避免這些損壞。

對(duì)于配備有擺動(dòng)頭的機(jī)器（如圖5所示），可監(jiān)控A軸和B軸伺服電機(jī)的扭矩輸出，以檢測碰撞。一旦扭矩達(dá)到一定限度，數(shù)控系統(tǒng)將立即停止機(jī)器。對(duì)于兩軸或三軸機(jī)床，可以使用如圖6所示的碰撞檢測裝置。碰撞檢測裝置一旦發(fā)生碰撞，立即向CNC控制器發(fā)送開關(guān)信號(hào)，停止機(jī)器。

圖6 碰撞檢測裝置

5.機(jī)器故障傳感器技術(shù)

機(jī)器監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)測機(jī)器的狀態(tài)。所有伺服電機(jī)的狀態(tài)由運(yùn)動(dòng)控制器監(jiān)控。高壓泵的水壓由高壓傳感器監(jiān)測（如圖7），當(dāng)壓力高于或低于一定范圍時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警。加壓磨料罐內(nèi)的磨料料位由接近開關(guān)監(jiān)控，當(dāng)料位低于該開關(guān)時(shí)，開關(guān)將被激活。氣壓由一個(gè)氣壓開關(guān)監(jiān)控，當(dāng)氣壓降至某一水平以下時(shí)，該開關(guān)將被觸發(fā)。當(dāng)磨料低料位開關(guān)被觸發(fā)時(shí)，控制器屏幕上將顯示警告，黃色警告燈將點(diǎn)亮，但允許機(jī)器繼續(xù)切割操作。操作員可以選擇添加更多磨料或在到達(dá)適當(dāng)位置時(shí)停止機(jī)器。當(dāng)觸發(fā)任何其他傳感器警報(bào)時(shí)，機(jī)器將立即停止，操作員或維修人員可以檢查機(jī)器，解決問題，然后在中斷點(diǎn)繼續(xù)切割。

圖7高壓傳感器

6.切割過程傳感器技術(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]和[2]的研究結(jié)果，利用真空傳感器監(jiān)測磨料水射流的狀態(tài)是可行的，如圖8所示。

圖8帶真空傳感器的噴嘴監(jiān)測裝置[1]

圖9顯示了不同射流條件下的真空信號(hào)。磨料水射流切割在正常條件下啟動(dòng)時(shí)，其真空信號(hào)可以作為監(jiān)測的基準(zhǔn)。如果用圖9中的紅色區(qū)域作為真空信號(hào)的監(jiān)測范圍，則真空信號(hào)可用于檢測以下問題：

l砂管堵塞

l無磨料

l磨料供給管路堵塞

l無切割（無射流）

如果用圖9中的黃色區(qū)域作為真空信號(hào)的監(jiān)測范圍，真空信號(hào)也可以用來檢測水噴嘴破損和砂管折斷的情況。但是，由于真空信號(hào)的穩(wěn)定性不夠好，黃區(qū)可能過小，容易出現(xiàn)誤觸發(fā)。因此，不建議使用黃色區(qū)域作為真空信號(hào)的監(jiān)測范圍。

圖9用真空傳感器檢測磨料水射流狀況

我的目標(biāo)是有一天水射流切割機(jī)成為傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的一員，用戶無需關(guān)注太多的參數(shù)和煩瑣的操作，就能準(zhǔn)確、高效、可靠地生產(chǎn)零件。隨著數(shù)控技術(shù)和現(xiàn)代傳感器技術(shù)的進(jìn)步，我們離這個(gè)目標(biāo)又近了一步。但是該目標(biāo)還沒有實(shí)現(xiàn)。我們需要整個(gè)水切割行業(yè)認(rèn)同這一目標(biāo)，開發(fā)更多的傳感器技術(shù)，更重要的是，使水切割機(jī)建造得更加可靠、準(zhǔn)確和高效。

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參考文獻(xiàn)：

[1] J. Zeng and J. P. Munoz, “Feasibility of Monitoring Abrasive Waterjet Conditions by Means of A Vacuum Sensor”, Proceedings of the 12^th International Conference on Jet Cutting Technology, Rouen, France, Oct 25-27, 1994.

[2] J. Zeng and J. P. Munoz, “Adaptive Process Control system”, US Patent No. 5854744, 1998.