自动测量装置在自动加工生产线上的应用

0　概　述
　　五十铃汽车传动轴三叉耳孔自动加工生产线是一条包含钻、扩、锪、粗镗、精镗、自动测量、滚挤等工艺的自动加工生产线，并配有上下料装置、前后提升装置和排屑装置等辅助设备。其工艺流程如图1所示。

　　该自动加工生产线采用可编程序控制器集中控制。PLC选用OMRON公司生产的C200H，在中央控制台上设有工况显示和测量数据显示。自动测量装置安装在C8工位上，在自动循环过程中，自动测量被加工的工件，其测量结果显示在C8工位上和中央控制台上，决定下道工序是否加工以及刀具的磨损情况。
1　测量原理
　　图2是气动量仪的气路原理图。具有恒定压力P1流量为Q1的压缩空气从锥度玻璃管的下端流入玻璃管内腔，通过浮标与玻璃管之间的间隙向上流出管外。由于间隙很小，起到节流作用，因此在浮标的上下形成压差。在此压差的作用下，浮标被托起，同时浮标与管壁的间隙随之增大，流速减小，静压力增大。当浮标静止在某一位置时，浮标上面的静压力为P2。此时由差压作用在浮标上的力刚好与浮标的重量相平衡。则：
　　（p1－p2）f＝W    （1）
　　式中：f———浮标上平面面积
　　W———浮标的重量

　　设气体是理想气体，而且流经锥度玻璃管的流速比较小，因而可以不考虑气体的可压缩性（图3所
　　示）。根据不可压缩流体的伯努利方程，并不考虑气体本身的重量，有：

　　式中：v1———Ⅰ－Ⅰ截面上的气体平均流速
　　———Ⅱ－Ⅱ截面上的气体平均流速
　　r1———Ⅰ－Ⅰ截面上的空气重度
　　r2———Ⅱ－Ⅱ截面上的空气重度
　　g———重力加速度

　　根据流体的连续性方程，流过截面Ⅰ－Ⅰ的空气与流过截面Ⅱ－Ⅱ的空气流量是相等的。即：

　　式中：Ff———浮标上平面位置截面的锥度玻璃管内腔面积
　　F1———Ⅰ－Ⅰ截面的玻璃管内腔面积

　　将（3）式代入（2）式并考虑到r1和r2相差极小，可以认为r1＝r2＝r，则可得：

　　考虑到实际的气体是具有粘性的，所以通过Ⅱ－Ⅱ截面的气体流束的实际流速v2，将小于式（4）计算所得的流速。设：

　　流过Ⅱ－Ⅱ截面的空气流束的流量Q1＝v2（Ff－f）。

　　对于量仪来说，式（5）中的g、W、f和r都可以看成是常数，即流量Q1只与c和F成函数关系。
　　流量系数c与浮标的形状和气体的雷诺数有关，若雷诺数在一定的界限以上，流量系数就与雷诺数无关了，所以流量系数可以看成一个常数，这样，流量Q1就只是截面积F的函数。
　　玻璃管的内腔是圆锥形的，设其小端直径为D1，锥度为K，则距玻璃管下端为H的截面的内腔面积为：

　　从式（6）可知：流过玻璃管的流量Q1只是浮标高度的函数。但是，我们需要通过流量的变化来测
　　量工件的尺寸的变化。
　　设喷嘴的直径为d，喷嘴与挡板之间的间隙为S，当S在一定的范围时，喷嘴挡板的流出面积F可以表示成下式：
   
　　假设气体是理想气体，气体流动是绝热的。这样，从玻璃管上端流出来的压缩空气，通过与直径为d的喷嘴挡板的流出面积等效的节流孔流入大气（图4所示）。取截面Ⅲ－Ⅲ和Ⅳ－Ⅳ。设Ⅲ－Ⅲ截面上的静压力为p3≈p2，流速为v3，Ⅳ－Ⅳ截面上的静压力为p4≈1大气压，流速为，按可压缩性流体的伯努利方程，有：

　　式中：k———空气的绝热常数，k＝1．41；
　　r0———空气的重度
　　因为流动过程是绝热的，压力和重度的关系如下式：

　　此外，根据压缩性流体的连续方程，流过截面Ⅲ－Ⅲ和Ⅳ－Ⅳ的气体的重量流量相等，即：

　　如果速度系数也为ξ，则流过Ⅳ－Ⅳ截面的气体的重量流量为：


　　如果把大气压p4看作零,p2取相对压力,则:

　　流经下班管的气体必然全部通过喷嘴流入大气,所以:Q1=Q
　　即：
　　式（11）是表达浮标的位置H与喷嘴挡板之间隙的函数。说明了当喷嘴挡板之间的间隙改变时，就将引起浮标位置H的变化。反之，从浮标的位置就能知道喷嘴挡板之间的间隙值。这就是浮标式气动量仪测量工件的工作原理。
　　从式（11）可以看到，当玻璃管内腔成圆锥形时，H与S的关系是非线性的。实际上p2的值也不是一个常数，它也随S值的变化而稍有变化。当玻璃管的内腔按圆锥形和二次曲线型的复合形状设计，这样才能保证H和S之间的线性关系。
　　2　测量仪器的组成
　　图5是测量仪器组成的方框图。首先，将喷嘴来的气动信号经过气电转换器转换为电气信号，便于处理。然后将电气信号放大、整理，送入模数转换器（A／D）中，进行转换成数字量，再将数字量送入单片计算机进行处理。测量喷嘴安装在移动滑台上，当测量喷嘴到达测量位置时，测量位置到控制开关闭合，同时，上位计算机（OMRONPLC）通过RS－232通讯口向下位计算机（测量装置）发出控制命令，动测量。由于自动加工生产线的加工节拍为4～5分钟，而测量工位从测量移动滑台的原位到达测量位置并进行测量，再返回到测量原位，仅需要15～20秒时间。为了减少测量误差，上位计算机发出测量命令开始，测量装置重复10次测量，将所得到的测量结果进行算术平均后，作为本次测量结果，在测量装置的显示窗口中显示，并通过通讯口发回上位计算机。根据测量结果判断下道工序是否进行加工。如果测量结果在工件的允许误差范围以内，则下道加工工序———滚挤加工进行。如果测量结果在工件的允许误差范围以外，则下道工序———滚挤加工（C7工位）不进行加工，且用声光进行报警，提醒操作人员进行处理。