功率監(jiān)控在精密內(nèi)圓磨床砂輪修整系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙飛， 李煥鋒， 沙杰， 吳劍鋒， 曹志忠

（河南工業(yè)大學(xué)，鄭州450001）

1 引言

精密內(nèi)圓磨床作為一種精密磨削設(shè)備，廣泛應(yīng)用于中小孔內(nèi)圓磨削加工。由于其砂輪轉(zhuǎn)速高、砂輪軸剛性比較差，所以容易產(chǎn)生彎曲變形與振動，導(dǎo)致砂輪工作表面磨粒會因不均勻磨損而失去正確的幾何形狀；而磨削時由于砂輪工件的接觸弧長較外圓磨削大，且冷卻液不易進(jìn)入磨削區(qū)域，容易導(dǎo)致磨削區(qū)域出現(xiàn)高溫、粘附等作用，造成磨屑不易排出，加速磨粒鈍化。因此，精密內(nèi)圓磨削過程中的砂輪修整成為內(nèi)圓磨削質(zhì)量控制的關(guān)鍵［1］，且砂輪狀態(tài)的好壞將直接決定磨削工件的質(zhì)量及效率。

目前精密內(nèi)圓磨床砂輪狀態(tài)及修整質(zhì)量主要是通過檢測修整后的砂輪性能來體現(xiàn)。砂輪修整主要是通過設(shè)計固定的修整工序和參數(shù)來實(shí)施的，而砂輪修整質(zhì)量檢測主要是針對砂輪形貌，是通過檢測修整后砂輪磨粒的均勻性、等高性及微刃性來判斷砂輪修整的好壞，但其存在滯后性，實(shí)時性差，不能及時地進(jìn)行反饋。針對精密內(nèi)圓磨削，砂輪修整精度決定磨削的高精度，因此，精密內(nèi)圓磨削中，對砂輪修整進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測顯得尤為重要。砂輪修整中的變化因素很多［2］，功率作為砂輪修整中一個重要變化因素，其變化能很好地反映砂輪的修整狀態(tài)。本文將圍繞功率在線監(jiān)控系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)來研究這個系統(tǒng)在精密內(nèi)圓磨床砂輪修整中的應(yīng)用。

2 功率在線監(jiān)控砂輪修整系統(tǒng)

2.1 功率監(jiān)控的原理

功率監(jiān)控的原理：通過電壓、電流傳感器獲取被監(jiān)控軸的電壓、電流信號，然后將測得的電壓、電流信號進(jìn)行取樣、濾波，濾波后的信號通過信號處理反饋到PLC系統(tǒng)中，作為監(jiān)控系統(tǒng)信號處理核心的PLC，根據(jù)得到的控制信號，結(jié)合被監(jiān)控軸的加工要求，一方面通過變頻器傳輸給被監(jiān)控軸，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的進(jìn)給運(yùn)動等，另一方面通過反饋實(shí)現(xiàn)機(jī)床的保護(hù)。

功率監(jiān)控系統(tǒng)以功率監(jiān)控儀為主要的監(jiān)控工具，它主要由功率傳感器（包括電流、電壓）和具有分析處理信號及反饋等功能的顯示及控制模塊組成，其原理如圖1所示。

圖1 功率監(jiān)控儀原理圖

2.2 砂輪修整系統(tǒng)

本實(shí)驗針對鄭州第二機(jī)床廠生產(chǎn)的Z2-015中小孔數(shù)控精密內(nèi)圓磨床砂輪修整系統(tǒng)展開研究。

該磨床砂輪修整系統(tǒng)是由砂輪修整器和砂輪軸的往復(fù)機(jī)構(gòu)組成。砂輪修整器是單點(diǎn)金剛石筆修整器，砂輪軸的往復(fù)機(jī)構(gòu)由電機(jī)帶動凸輪機(jī)構(gòu)組成。砂輪修整是通過金剛石筆與砂輪的修磨作用，實(shí)現(xiàn)對砂輪磨鈍磨粒及粘接劑進(jìn)行清除，達(dá)到修整目的。由于該磨床主要是針對中小孔內(nèi)圓磨削，工件磨削精度要求高，單件磨削周期短且由于砂輪接長桿較長、磨削中存在冷卻不充分、磨屑不易排出、接長桿剛性差等特性，如果不能及時發(fā)現(xiàn)砂輪磨削中的狀態(tài)，一旦砂輪出現(xiàn)問題，勢必影響到工件的磨削質(zhì)量與效率。

2.3 在線監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)精密內(nèi)圓磨床的砂輪電氣控制原理及功率在線監(jiān)控的原理可知，監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件——功率監(jiān)控儀主要是通過監(jiān)控砂輪軸的功率信號來實(shí)現(xiàn)對砂輪的監(jiān)控，如圖2為精密內(nèi)圓磨床砂輪修整系統(tǒng)監(jiān)控原理圖。

圖2 磨床修整系統(tǒng)監(jiān)控圖

由圖2可以看出，在線監(jiān)控系統(tǒng)主要由磨床的砂輪修整系統(tǒng)及功率監(jiān)控設(shè)備組成。功率傳感器將安裝在驅(qū)動砂輪軸轉(zhuǎn)動的電機(jī)上，通過監(jiān)控砂輪修整時，砂輪軸上功率的變化曲線來反映砂輪的狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)測砂輪的鈍化等情況，以便及時對砂輪進(jìn)行修整。功率監(jiān)控儀作為砂輪的在線監(jiān)控設(shè)備，在監(jiān)控砂輪修整系統(tǒng)的同時，會將采集到的信號經(jīng)由圖1的過程反饋給磨床的PLC系統(tǒng)，再經(jīng)控制電路實(shí)現(xiàn)對砂輪非正常運(yùn)行情況進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)報警、顯示等一系列功能，極大地提升了砂輪修整系統(tǒng)安全性與高效性。

在啟用功率監(jiān)控系統(tǒng)之前，需要將磨床的部分信息輸入監(jiān)控系統(tǒng)，如磨床的額定功率、信號有效時間，同時依據(jù)磨床空載時的基線及工作時的工作線，設(shè)置一些參數(shù)，如參考線及碰撞線等，用于磨削及砂輪修整過程的監(jiān)控與比較。其中參考線的設(shè)置尤為重要，它是依據(jù)基線及工作線來制定的，但根據(jù)具體情況，可以通過人機(jī)界面進(jìn)行修改，如圖3所示。

針對精密內(nèi)圓磨床砂輪修整系統(tǒng)，功率監(jiān)控系統(tǒng)的功能包括：（1）新砂輪的修磨與砂輪鈍化監(jiān)測；（2）砂輪修整中修整力的監(jiān)測；（3）砂輪修整系統(tǒng)的保護(hù)。

圖3 參數(shù)的輸入與設(shè)置界面

3 工程應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)驗針對鄭州第二機(jī)床廠生產(chǎn)的Z2-015精密內(nèi)圓磨床的修整系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用白剛玉砂輪及工件材料為45鋼、硬度為48～52HRC的液壓挺桿。

該砂輪修整系統(tǒng)是利用單點(diǎn)金剛石筆對砂輪進(jìn)行修整，在沒有功率監(jiān)控的情況下，砂輪修整不得不采取磨一次工件、修一次砂輪的模式，而這樣的修整模式相當(dāng)盲目，不僅縮短了砂輪的使用壽命，還降低了磨削效率。特別是價格昂貴的CBN砂輪?；诠β试诰€監(jiān)控砂輪修整系統(tǒng)的構(gòu)建，使砂輪修整的在線監(jiān)控與反饋?zhàn)兊煤芊奖恪?/p>

3.1 砂輪狀態(tài)在線監(jiān)控

砂輪的在線狀態(tài)監(jiān)控主要體現(xiàn)在兩方面：新砂輪的修磨狀態(tài)監(jiān)控和砂輪磨削狀態(tài)監(jiān)控。以下將針對兩種狀態(tài)進(jìn)行分析。

（1）新砂輪修磨狀態(tài)監(jiān)控：新砂輪在使用初期，由于表面高低不平、圓度不夠等特點(diǎn)，需要一個修磨過程。砂輪修磨初期，由于修整力在不同位置是不同的，因而導(dǎo)致砂輪軸的電流及功率也是不同的，因此，根據(jù)功率的變化情況就可判斷砂輪的修磨進(jìn)度。實(shí)驗通過制定修整好的參考范圍（理想狀態(tài)是恒功率變化），依據(jù)砂輪修磨功率曲線的變化與參考范圍的比較，判斷新砂輪是否修好，能否進(jìn)行磨削。

（2）砂輪磨削狀態(tài)監(jiān)控：功率監(jiān)控系統(tǒng)是通過監(jiān)控砂輪軸的電流、電壓來監(jiān)控砂輪磨削和修整的。在磨削過程中，如果砂輪出現(xiàn)阻塞、磨鈍或變形等現(xiàn)象，監(jiān)控軸上的電流將會出現(xiàn)不規(guī)則波動，相應(yīng)的功率也會出現(xiàn)明顯波動［3］。圖4是砂輪轉(zhuǎn)速為60000r/min、砂輪往復(fù)速度為60次/min、進(jìn)給量為0.1mm下的兩幅磨削過程監(jiān)控圖，圖中前一個波峰為粗磨階段，后一個波峰為精磨階段，兩波峰之間為砂輪的監(jiān)控部分，其中圖4（a）中砂輪監(jiān)控部分波動平穩(wěn)，砂輪處于正常狀態(tài)，后期精磨比較平穩(wěn)；圖4（b）為磨削一段時間后的監(jiān)測圖，圖中砂輪監(jiān)控部分波動相對較大。由圖4看出，砂輪與工件的接觸不均勻，導(dǎo)致精磨階段的功率曲線出現(xiàn)不穩(wěn)定變化，表明砂輪出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，通過監(jiān)控系統(tǒng)將控制信號反饋給PLC，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對砂輪的及時修整，以確保磨床的安全性及磨削的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 磨削過程監(jiān)控圖

實(shí)驗證明，磨削過程中，當(dāng)工件與磨削參數(shù)相同時，功率信號幅值與砂輪表面狀態(tài)有很好的對應(yīng)關(guān)系，因此，可設(shè)定合適的參考線，通過監(jiān)測功率幅值的變化來監(jiān)控砂輪的狀態(tài)［4］，進(jìn)而得出砂輪修整的最佳時機(jī)。

3.2 修整力監(jiān)測

針對中小孔精密內(nèi)圓磨床砂輪軸剛性差的特點(diǎn)，本實(shí)驗將通過分析不同修整工藝參數(shù)下修整功率與修整力的關(guān)系，來研究砂輪軸的受力情況。由于徑向力是修整中影響砂輪軸剛性的主要因素，因此徑向力的監(jiān)測與求解就顯得尤為重要。

對于單顆粒金剛石筆修整，對修整軸進(jìn)行受力分析，可將作用于砂輪軸的金剛石筆可以看做一個頂角為2θ的圓錐磨粒，通過分析可以得到單顆粒磨削力的計算公式［5］：

式中，k為與材料有關(guān)的系數(shù)；ζ取0.2～0.5；ag為平均切削深度；Am為平均斷屑面積。

由式（1）、（2）得出單顆粒磨削徑向力與切向力關(guān)系：

功率監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)測磨削及修整中軸的功率變化，從而反映砂輪的狀態(tài)，且切向力與磨削及修整功率存在式（4）的關(guān)系，因此，磨削及修整時的切向力可利用監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到的磨削及修整實(shí)時功率，通過電腦計算。

若測得砂輪軸電機(jī)的功率，通過式（4）可計算出切向力的平均值。

由于是單顆粒修整，因此修整力的求解與單顆粒磨削中磨削力的計算是一致的。由此通過式（3）、（4）就得出了影響砂輪軸剛性的修整徑向力。

不同修整參數(shù)下的實(shí)驗，徑向力是不同的，對砂輪軸剛性的影響也是不同的。因此，實(shí)驗通過監(jiān)測不同修整參數(shù)下的修整功率，利用電腦算出不同的徑向修整力，利用所得的徑向力來研究砂輪修整中砂輪軸的受力及變形情況。

3.3 砂輪修整系統(tǒng)保護(hù)

在砂輪修整中，除了鈍化、磨損以及工藝參數(shù)對砂輪的影響外，作為承載砂輪的電主軸（砂輪軸）等設(shè)備，其工作情況的在線監(jiān)控同樣不容忽視。由于功率傳感器是安裝在驅(qū)動砂輪軸的電機(jī)上，因此，監(jiān)控系統(tǒng)在監(jiān)測上述項目的同時也時刻監(jiān)控著電主軸。所以，在砂輪沒有進(jìn)行磨削、修整之前，一旦砂輪監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)功率曲線發(fā)生瞬時突變，說明電主軸等設(shè)備出現(xiàn)問題，進(jìn)而提醒技術(shù)人員要啟動緊急停車程序，以免出現(xiàn)電主軸等的不可修復(fù)性損壞［6］。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)通過在線監(jiān)控砂輪軸功率變化來反映砂輪狀態(tài)，把握砂輪修整時機(jī)，避免盲目修整帶來的浪費(fèi)及磨削效率低等問題。通過砂輪軸功率的監(jiān)測，完成了對砂輪修整力的求解，有助于研究修整工藝參數(shù)對砂輪軸剛性的影響等。通過對砂輪軸功率變化曲線的實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了對砂輪修整系統(tǒng)的保護(hù)。

［1］ 李煥鋒，孟逵，沙杰，等.精密內(nèi)圓磨床陶瓷CBN砂輪修整機(jī)理及工藝研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2010，30（4）：81-83.

［2］ 柏航州，王隆太.基于聲發(fā)射技術(shù)的磨削監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與試驗研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2008（5）：121-125.

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［4］ 劉貴杰.磨床砂輪智能監(jiān)測及修整系統(tǒng)［J］.機(jī)械制造，2002（10）：70-72.

［5］ 張建華，葛培琪，張磊.基于概率統(tǒng)計的磨削力研究［J］.中國機(jī)械工程，2007，18（20）：2399-2402.

［6］ 張翼，韓惠林，蔣治國.零功率實(shí)驗裝置測量保護(hù)系統(tǒng)［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2001，21（4）：317-319.