智能制造時代的水射流切割 第四部分 傳感器技術

 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的情況下獨立工作，機器就需要配備傳感器技術。因此，本文將探討傳感器技術在智能水射流切割機上的應用。

在切割航空發(fā)動機部件（如圖1所示）時，我們學到了一個深刻的教訓。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天的設置時間，如果是定制的生產(chǎn)機器，設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)，導致切割過程中磨料停止供給。當操作人員發(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，導致工件報廢。

從這個代價高昂的教訓中，我們認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，更多地依靠自動傳感器技術和數(shù)控系統(tǒng)來完成關鍵的加工作業(yè)。

圖1航空發(fā)動機零件的切割

在當今的智能水射流切割機中使用了幾種傳感器技術，我將依次進行介紹。

1.機器定位傳感器技術

機器位置通常由伺服電機的編碼器感應識別。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

當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援斍皺C床位置（無論是否準確）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?shù)恼彰髟O備。類似十字準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準的電子元件的水射流切割應用，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

盡管大多數(shù)水射流切割應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)部應力的釋放導致材料翹曲；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，導致射流擴散并導致能量密度和精度降低，從而導致切割精度降低；（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。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”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；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

大多數(shù)水射流切割應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)送開關信號，停止機器。

圖6 碰撞檢測裝置

5.機器故障傳感器技術

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監(jiān)控，當料位低于該開關時，開關將被激活。氣壓由一個氣壓開關監(jiān)控，當氣壓降至某一水平以下時，該開關將被觸發(fā)。當磨料低料位開關被觸發(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位置時停止機器。當觸發(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

根據(jù)文獻[1]和[2]的研究結果，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。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，用戶無需關注太多的參數(shù)和煩瑣的操作，就能準確、高效、可靠地生產(chǎn)零件。隨著數(shù)控技術和現(xiàn)代傳感器技術的進步，我們離這個目標又近了一步。但是該目標還沒有實現(xiàn)。我們需要整個水切割行業(yè)認同這一目標，開發(fā)更多的傳感器技術，更重要的是，使水切割機建造得更加可靠、準確和高效。

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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.