张田龙，李洪波，雷志伟，宫 哲，李玉霞，王海艳

(河北省自动化研究所有限公司，河北 石家庄 050081)

0 引言

水准泡是测量水平度仪器的核心零件，在军事、航天、航海、工程机械、仪器仪表、精密设备等方面有着广泛的应用。水准泡分为塑料水准泡、金属水准泡和玻璃水准泡等类别，其中玻璃水准泡以其优异的耐高温和耐低温能力，大量应用于各种高端领域。由于应用领域的高标准要求，对水准泡的精度要求非常严格，人工磨削的产品品质往往难以达标，因此高精度的玻璃水准泡磨削工作只能由机械设备完成。水准泡玻璃管的材质为高硼硅(G3.3)，硬度高，脆性大，不易研磨，导致其内壁的机械化打磨普遍存在磨削效率低、破损率高、力矩不可控和磨削不均匀等问题。

1 水准泡磨削工艺要求

以精度为9′的水准泡(水准泡内部气泡的水平偏移量为2 mm时，水准泡在平台上倾斜的角度为9′±1′)的磨削工艺为例，需要在长度35 mm、内径6 mm、外径8 mm的玻璃管内壁上，磨削出一段半径为688 mm、弦长为20 mm的标准圆弧，如图1所示。由于该圆弧的半径值和弦长值差距巨大，为满足水准泡精确测量的要求，因此该圆弧磨削的精度要求必须足够高。

图1 水准泡磨削轨迹

为满足高精度磨削加工的要求，现用磨削设备采用高精度伺服电机驱动高精度双轴丝杠模组的方式进行，即X轴、Y轴两套模组在伺服驱动下完成圆弧插补规划路径，伺服控制器工作在位置控制模式。经现有磨削设备加工的玻璃管，内表面经光学检测设备检测，能够达到各项参数指标的要求。现有磨削设备虽然能够达到玻璃管内壁磨削的精度要求，但是其生产效率低、破损率高、力矩不可控等问题日益突出，尚未得到有效解决。因此，结合传统的机械研磨方式，在现有玻璃管磨削设备的基础上，将磨削力矩集成在伺服位置定位算法中，对算法进行进一步的优化，使磨削装置具备研磨力矩的实时控制和调节功能，实现研磨路径精确定位和柔性接触研磨，实现玻璃管内表面的精密高效磨削。

2 控制系统优化

2.1 现有磨削装置

现有磨削装置的机械结构如图2所示，主要由X轴丝杠模组、X轴伺服电机、Y轴丝杠模组、Y轴伺服电机、磨削电机、磨头、玻璃管夹持装置等部分组成。

图2 现有磨削装置机械结构

X轴、Y轴丝杠模组分别在X轴、Y轴伺服电机驱动下进行各自轴的平移运动；磨削电机选用集成式、一体化、机床专用的高速主轴电机，转速高，跳动小，运行稳定；磨头选用青铜浇筑工艺制作的金刚石磨头，耐磨性、耐热性良好；玻璃管夹持装置选用高精度气动夹头，精度高，夹持力度可通过调节气压控制，不易夹碎玻璃管。该磨削装置的控制器选用台达EH3系列主机，通过高速脉冲输出控制两套台达的A2高性能伺服驱动器，精确控制两套模组的运动路径，进行微小圆弧插补控制。

2.2 控制算法优化

伺服驱动器选用台达ASD-A2-0421-E，驱动器可提供位置、速度和扭矩三种基本操作模式，可使用单一控制模式，也可选用混合控制模式[1]。需要精密定位的应用场景，多采用位置控制模式，位置模式的基本控制架构如图3所示。

图3 位置模式的基本控制架构

根据磨削工艺要求，伺服驱动器选用位置控制模式[2]，使伺服驱动工作在位置环。因磨削路径为一段微小圆弧，X轴、Y轴在进行圆弧插补运动过程中，因为每一个位置的Y轴方向磨削量均不相同，如果单纯采用位置控制模式，在保证玻璃管被充分磨削完的前提下应保持X轴进给量，这样才能有效降低玻璃管的破损率，但同时磨削时间必然增加。鉴于此，在伺服位置控制模式的基础上，集成伺服电机扭矩控制，使装置在磨削过程中，根据不同程度的磨削量自动匹配最佳的进给量和进给速度，既保证了磨削的质量，还节省了磨削的时间。其中，位置模式命令由台达EH3控制器[3]通过脉冲方式实现对伺服驱动器的运动控制。伺服驱动器的参数设定如下：设定参数P1-02为10，启用驱动器扭矩限制功能，分别设定参数P1-12为10%、20%、30%和无限制，即限定伺服电机最大工作扭矩为额定扭矩的10%、20%、30%和伺服最大扭矩。试验共分为7组，每组磨削100个标准水准泡，对磨削结果进行汇总分析。水准泡的最终磨削试验效果如图4所示。

图4 水准泡磨削试验效果

2.3 试验结果

对大量被测样品进行了磨削测试，经过光学检测设备检测后，将检测数据汇总,如表1和表2所示。

表1 磨削力矩无限制时的磨削数据汇总

表2 限制磨削力矩时磨削数据汇总

通过对表1和表2的数据比较可以看出，在保证磨削精度满足使用要求的前提下：

(1) 当不设置磨削力矩限制时，装置按照位置模式的程序规划路径运行，通过设置不同的磨削时间，测试磨削破损率。可以得出，只有在磨削时间足够长的情况下，才会在一定程度上降低被磨削玻璃管的破损率，但是这样必然会造成磨削效率低下，无法满足批量生产的需求。

(2) 当设置的磨削力矩限定值大于20%时，例如30%，磨削时间为160 s，磨削效率得到提高，但是磨削破损率相应地也有所上升，说明力矩整体还是偏大；当设置的磨削力矩≤20%时，磨削破损率大幅下降，低至1%，结合打磨效率综合考虑，将磨削力矩设定为20%，耗时180 s，可实现现有磨削装置的最优运行状态。

另外，对于不同硬度、不同直径的玻璃管，可以通过试验，设定不同的力矩限制值，从而实现伺服系统的力矩可调、磨削效果也更加均匀。

3 结束语

在现有玻璃管磨削设备的基础上，对磨削力矩集成在伺服位置定位算法中，将优化后的算法进行测试，通过试验数据可以看出，现有磨削设备存在的磨削效率低、破损率高、力矩不可控、磨削不均匀得到了很好的解决，提高了玻璃管产品的稳定性和一致性，具有良好的经济效益和社会效益。