智能制造时代的水射流切割 第四部分 传感器技术

 如果将运动控制器和软件（系列文章第一第二篇）与人脑进行比较，将五轴运动系统（第三篇）与人的手脚进行比较，那么本文将讨论的内容可以与人的感官（如眼睛和耳朵）进行比较。如果没有眼睛和耳朵，人类将不能从事任何工作，伤害近在眼前也无法觉察。如果我们想让我们的机器足够聪明，在不需要或只需要最少人工干预的情况下独立工作，机器就需要配备传感器技术。因此，本文将探讨传感器技术在智能水射流切割机上的应用。

在切割航空发动机部件（如图1所示）时，我们学到了一个深刻的教训。这个工件的材料非常昂贵，工件报废是无法承受的。每个零件的总加工时间约为33小时的切割时间加上2-3天的设置时间，如果是定制的生产机器，设置时间可以大大缩短。在前几个零件的切割过程中，出现了以下问题。

首先，我们没有一个合适的方法来准确地找到工件的方位。加工之前的工件是一个带有定位销孔的圆盘。我们不得不通过试切的方法来找到工件的方位，非常耗时，而且不准确。

切割时水花四溅，机器上到处都是水和磨料，还有水雾。磨料供给系统利用喷嘴产生的真空吸入磨料。不幸的是，水雾被吸入磨料供给系统，导致切割过程中磨料停止供给。当操作人员发现并停止机器时已经为时太晚，工件报废了。

操作员没有注意到磨料罐中的磨料不足，如果不是因为他及时关停机器，几乎又造成零件报废。 

操作员没有注意到切割头的行进路径中有一个柱销，直到发生碰撞，导致工件报废。

从这个代价高昂的教训中，我们认识到我们的机器操作太过依赖操作员的经验和持续的注意力。对于如此长时间的切割作业，有如此多的潜在问题区域，工件报废是一个大概率事件。因此，我们必须寻求采用传感器技术，更多地依靠自动传感器技术和数控系统来完成关键的加工作业。

图1航空发动机零件的切割

在当今的智能水射流切割机中使用了几种传感器技术，我将依次进行介绍。

1.机器定位传感器技术

机器位置通常由伺服电机的编码器感应识别。编码器分为旋转编码器和线性编码器。旋转编码器（如图1（a））将角位移转换成电信号，也称为码盘。大多数水射流切割机使用配备旋转编码器的伺服电机，通过滚珠丝杠或齿轮/齿条或其他传动系统，将旋转运动转换为线性运动。由于旋转编码器无法感知传动系统的误差，机器的直线位置精度主要取决于传动系统的精度。精密研磨滚珠丝杠会比轧制滚珠丝杠具有更高的线性定位精度。线性编码器将线位移转换成电信号，又称栅尺。由于不依赖于传动系统的精度，采用线性编码器的直线定位精度比采用旋转编码器的精度高。栅尺分为磁栅尺（如图1（b））和光栅尺（如图1（c））。与光学版本相比，磁栅尺精度和成本较低，适用于较长行程。在过去的十年里，市场上出现了使用磁栅尺和旋转伺服电机的水切割机。近年来，在一些高精度的水射流切割机上使用了光栅尺和直线电机。

 根据工作原理，编码器可分为增量式和绝对式。增量式编码器将位移转换为周期性电信号，再将电信号转换为计数脉冲。机器位置由参考机器绝对原点的脉冲计数确定。如果机器在运动过程中断电，机器位置将丢失，机器需要回到绝对原点以重新建立其位置。对于绝对式编码器，每个位置对应一个特定的数字编码，因此机器位置总是已知的。如果机器在运动过程中断电，机器位置将不会丢失，无需重新让机器归零。

2.工件XY定位传感器技术

当工件被放置在机床上时，机床控制系统需要识别工件的位置并将其与数控程序相关联。如果你只想在一大块材料上任意地方切割一个小零件，你可以把机器移动到你想开始切割的地方，数控程序将以当前机床位置（无论是否准确）作为路径原点，在那里启动切割程序。这在水射流切割中很常见。但是，如果你要在一块大板上切割一个整个版面的图案，就必须辨识到板的边缘，这样整个图案才能在板的边缘以内完整地切割出来。有时工件板料又大又重，一旦放在机器上，就几乎不可能移动。如果板材边缘与机器XY轴不平行，旋转切割程序比旋转材料要容易得多。

在某些应用中，水射流切割只是多个加工工序之一。利用一定的定位特征可以解决多个加工工序的定位问题。例如，图2中所示的零件使用两个定位销孔（用黄色箭头标出）进行定位。这时需要使用某种定位装置来识别这些定位特征。

图2带有定位销孔的水切割工件

有几种定位装置可用于定位工件的位置。最简单的是一种精密激光笔测边仪，如图3所示。它被固定在切割头上，替代砂管进行安装。它在工件上产生一个大小可调的激光光斑。您可以移动机器，使激光光斑位于工件边缘，然后记录当前机床位置。在直边上记录两个点可以确定该直边方向。两条直边可以定义一个角。在一个弧上记录三个点就可以找到它的中心。激光测边仪的精度一般在0.05-0.10mm之间。如果激光测边仪与喷嘴的安装高度不同，使用激光测边仪时需要上下移动Z轴，这样的话Z轴与XY平面的垂直度误差会增大定位误差。

图3激光测边仪

要提高定位精度，可以采用光学定位仪。它使用一个高分辨率的工业相机（比如500-1000万像素）和适当的照明设备。类似十字准线的软件工具可以用来捕捉软件屏幕上工件边缘的点，其精度一般在0.02-0.05mm之间。

对于在精度和速度上有更高标准的电子元件的水射流切割应用，可以使用更高分辨率（以较小的视野范围为代价）的CCD（电荷耦合器件）相机（如图4所示）以及相应的控制软件。工件位置可被快速自动确定。其精度可达0.005-0.02mm。在确定了工件的位置之后，自动对切割程序进行移动和旋转处理便可。

图4 CCD自动定位仪

3.工件高度跟踪传感器技术

尽管大多数水射流切割应用是在平板材料上进行二维切割，但由于以下原因，工件的上表面并不总是在XY平面上：材料可能不平整；切割过程中材料内部应力的释放导致材料翘曲；材料支撑面可能不与XY平面平行。上述任何一种情况都可能导致切割过程中喷嘴和工件之间的工作距离发生变化。其后果可能是：（1）在穿孔过程中，喷嘴因太靠近工件而堵塞；（2）砂管因触碰工件而折断；（3）由于工作距离过大，导致射流扩散并导致能量密度和精度降低，从而导致切割精度降低；（4） 由于工作距离与使用摆动头时所需的理论值不同，导致切割精度降低。因此，有必要跟踪工作距离的变化并使其相对恒定。通常的做法是使用喷嘴高度跟踪仪，如图5所示。高度跟踪装置的足部是弹簧加载的，以保持与工件表面的接触。工件表面的高度变化将由装置内的位移传感器感应。位移模拟信号将被发送到运动控制器，控制器驱动Z轴上下移动，以保持喷嘴和工件之间的恒定工作距离。原理很简单。然而，最大的挑战来自它的可靠性。高度跟踪仪工作在有水和磨料以及有高速磨料水射流反溅的环境中。该装置需要密封，以防水和磨料侵入，并避免其受到高速磨料水射流反溅的磨损。碎屑和小零件可能会倾翻成为跟踪仪的“绊脚石”；工件材料上的孔可能成为跟踪仪的陷阱；如果水箱里装满了废磨料，那么废磨料可能会在工件表面形成硬化层，从而“误导”跟踪仪。我们采取了以下措施克服这些障碍：跟踪仪的足部是环绕喷嘴的一个环，此环可将沉积的磨料（如果存在的话）推开；为了防止跟踪仪跌落“悬崖”或逼上“陡峭”，跟踪仪只允许对10度或更小的坡度做出响应；为了避免跟踪仪与夹具或倾翻零件或废料相撞，跟踪仪在快进时将采用抬头快进模式（上移-快进-下移）。

图5喷嘴高度跟踪仪

4.机器碰撞传感器技术

大多数水射流切割应用于加工小批量零件。一天有好几个加工作业是很正常的；切割程序经常需要更换；工件夹具通常是临时设置的；变形的工件和倾翻的废料或小零件可能会卡住喷嘴。所有这些都增加了水射流切割时发生碰撞的风险。碰撞的后果可能是砂管折断、工件报废甚至永久性机器损坏。碰撞传感器可用于避免这些损坏。

对于配备有摆动头的机器（如图5所示），可监控A轴和B轴伺服电机的扭矩输出，以检测碰撞。一旦扭矩达到一定限度，数控系统将立即停止机器。对于两轴或三轴机床，可以使用如图6所示的碰撞检测装置。碰撞检测装置一旦发生碰撞，立即向CNC控制器发送开关信号，停止机器。

图6 碰撞检测装置

5.机器故障传感器技术

机器监控系统用于监测机器的状态。所有伺服电机的状态由运动控制器监控。高压泵的水压由高压传感器监测（如图7），当压力高于或低于一定范围时，会触发报警。加压磨料罐内的磨料料位由接近开关监控，当料位低于该开关时，开关将被激活。气压由一个气压开关监控，当气压降至某一水平以下时，该开关将被触发。当磨料低料位开关被触发时，控制器屏幕上将显示警告，黄色警告灯将点亮，但允许机器继续切割操作。操作员可以选择添加更多磨料或在到达适当位置时停止机器。当触发任何其他传感器警报时，机器将立即停止，操作员或维修人员可以检查机器，解决问题，然后在中断点继续切割。

图7高压传感器

6.切割过程传感器技术

根据文献[1]和[2]的研究结果，利用真空传感器监测磨料水射流的状态是可行的，如图8所示。

图8带真空传感器的喷嘴监测装置[1]

图9显示了不同射流条件下的真空信号。磨料水射流切割在正常条件下启动时，其真空信号可以作为监测的基准。如果用图9中的红色区域作为真空信号的监测范围，则真空信号可用于检测以下问题：

l砂管堵塞

l无磨料

l磨料供给管路堵塞

l无切割（无射流）

如果用图9中的黄色区域作为真空信号的监测范围，真空信号也可以用来检测水喷嘴破损和砂管折断的情况。但是，由于真空信号的稳定性不够好，黄区可能过小，容易出现误触发。因此，不建议使用黄色区域作为真空信号的监测范围。

图9用真空传感器检测磨料水射流状况

我的目标是有一天水射流切割机成为传统数控机床的一员，用户无需关注太多的参数和烦琐的操作，就能准确、高效、可靠地生产零件。随着数控技术和现代传感器技术的进步，我们离这个目标又近了一步。但是该目标还没有实现。我们需要整个水切割行业认同这一目标，开发更多的传感器技术，更重要的是，使水切割机建造得更加可靠、准确和高效。

作者再次真诚地欢迎反馈、更正和讨论。可以通过我的电子邮件地址向我发送反馈：zengjiyue@lionstek.com。

参考文献：

[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.