智能制造時代的水射流切割 第四部分 傳感器技術(shù)

 如果將運動控制器和軟件（系列文章第一第二篇）與人腦進行比較，將五軸運動系統(tǒng)（第三篇）與人的手腳進行比較，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)的情況下獨立工作，機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上的應(yīng)用。

在切割航空發(fā)動機部件（如圖1所示）時，我們學(xué)到了一個深刻的教訓(xùn)。這個工件的材料非常昂貴，工件報廢是無法承受的。每個零件的總加工時間約為33小時的切割時間加上2-3天的設(shè)置時間，如果是定制的生產(chǎn)機器，設(shè)置時間可以大大縮短。在前幾個零件的切割過程中，出現(xiàn)了以下問題。

首先，我們沒有一個合適的方法來準(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，而且不準(zhǔn)確。

切割時水花四濺，機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)并停止機器時已經(jīng)為時太晚，工件報廢了。

操作員沒有注意到磨料罐中的磨料不足，如果不是因為他及時關(guān)停機器，幾乎又造成零件報廢。 

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

從這個代價高昂的教訓(xùn)中，我們認(rèn)識到我們的機器操作太過依賴操作員的經(jīng)驗和持續(xù)的注意力。對于如此長時間的切割作業(yè)，有如此多的潛在問題區(qū)域，工件報廢是一個大概率事件。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)動機零件的切割

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

1.機器定位傳感器技術(shù)

機器位置通常由伺服電機的編碼器感應(yīng)識別。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，也稱為碼盤。大多數(shù)水射流切割機使用配備旋轉(zhuǎn)編碼器的伺服電機，通過滾珠絲杠或齒輪/齒條或其他傳動系統(tǒng)，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為線性運動。由于旋轉(zhuǎn)編碼器無法感知傳動系統(tǒng)的誤差，機器的直線位置精度主要取決于傳動系統(tǒng)的精度。精密研磨滾珠絲杠會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，又稱柵尺。由于不依賴于傳動系統(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)伺服電機的水切割機。近年來，在一些高精度的水射流切割機上使用了光柵尺和直線電機。

 根據(jù)工作原理，編碼器可分為增量式和絕對式。增量式編碼器將位移轉(zhuǎn)換為周期性電信號，再將電信號轉(zhuǎn)換為計數(shù)脈沖。機器位置由參考機器絕對原點的脈沖計數(shù)確定。如果機器在運動過程中斷電，機器位置將丟失，機器需要回到絕對原點以重新建立其位置。對于絕對式編碼器，每個位置對應(yīng)一個特定的數(shù)字編碼，因此機器位置總是已知的。如果機器在運動過程中斷電，機器位置將不會丟失，無需重新讓機器歸零。

2.工件XY定位傳感器技術(shù)

當(dāng)工件被放置在機床上時，機床控制系統(tǒng)需要識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小零件，你可以把機器移動到你想開始切割的地方，數(shù)控程序?qū)⒁援?dāng)前機床位置（無論是否準(zhǔn)確）作為路徑原點，在那里啟動切割程序。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整個版面的圖案，就必須辨識到板的邊緣，這樣整個圖案才能在板的邊緣以內(nèi)完整地切割出來。有時工件板料又大又重，一旦放在機器上，就幾乎不可能移動。如果板材邊緣與機器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加工工序之一。利用一定的定位特征可以解決多個加工工序的定位問題。例如，圖2中所示的零件使用兩個定位銷孔（用黃色箭頭標(biāo)出）進行定位。這時需要使用某種定位裝置來識別這些定位特征。

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，替代砂管進行安裝。它在工件上產(chǎn)生一個大小可調(diào)的激光光斑。您可以移動機器，使激光光斑位于工件邊緣，然后記錄當(dāng)前機床位置。在直邊上記錄兩個點可以確定該直邊方向。兩條直邊可以定義一個角。在一個弧上記錄三個點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，使用激光測邊儀時需要上下移動Z軸，這樣的話Z軸與XY平面的垂直度誤差會增大定位誤差。

圖3激光測邊儀

要提高定位精度，可以采用光學(xué)定位儀。它使用一個高分辨率的工業(yè)相機（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，其精度一般在0.02-0.05mm之間。

對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）的CCD（電荷耦合器件）相機（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確定。其精度可達0.005-0.02mm。在確定了工件的位置之后，自動對切割程序進行移動和旋轉(zhuǎn)處理便可。

圖4 CCD自動定位儀

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頭時所需的理論值不同，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)。位移模擬信號將被發(fā)送到運動控制器，控制器驅(qū)動Z軸上下移動，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，跟蹤儀在快進時將采用抬頭快進模式（上移-快進-下移）。

圖5噴嘴高度跟蹤儀

4.機器碰撞傳感器技術(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設(shè)置的；變形的工件和傾翻的廢料或小零件可能會卡住噴嘴。所有這些都增加了水射流切割時發(fā)生碰撞的風(fēng)險。碰撞的后果可能是砂管折斷、工件報廢甚至永久性機器損壞。碰撞傳感器可用于避免這些損壞。

對于配備有擺動頭的機器（如圖5所示），可監(jiān)控A軸和B軸伺服電機的扭矩輸出，以檢測碰撞。一旦扭矩達到一定限度，數(shù)控系統(tǒng)將立即停止機器。對于兩軸或三軸機床，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，停止機器。

圖6 碰撞檢測裝置

5.機器故障傳感器技術(shù)

機器監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)測機器的狀態(tài)。所有伺服電機的狀態(tài)由運動控制器監(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，會觸發(fā)報警。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，開關(guān)將被激活。氣壓由一個氣壓開關(guān)監(jiān)控，當(dāng)氣壓降至某一水平以下時，該開關(guān)將被觸發(fā)。當(dāng)磨料低料位開關(guān)被觸發(fā)時，控制器屏幕上將顯示警告，黃色警告燈將點亮，但允許機器繼續(xù)切割操作。操作員可以選擇添加更多磨料或在到達適當(dāng)位置時停止機器。當(dāng)觸發(fā)任何其他傳感器警報時，機器將立即停止，操作員或維修人員可以檢查機器，解決問題，然后在中斷點繼續(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[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。磨料水射流切割在正常條件下啟動時，其真空信號可以作為監(jiān)測的基準(zhǔn)。如果用圖9中的紅色區(qū)域作為真空信號的監(jiān)測范圍，則真空信號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)域作為真空信號的監(jiān)測范圍，真空信號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成為傳統(tǒng)數(shù)控機床的一員，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)的進步，我們離這個目標(biāo)又近了一步。但是該目標(biāo)還沒有實現(xiàn)。我們需要整個水切割行業(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，使水切割機建造得更加可靠、準(zhǔn)確和高效。

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參考文獻：

[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.