數(shù)控平面磨床砂輪磨損動態(tài)補償方法的研究與應(yīng)用

蔣貴珍，朱新泉

（1.桂林桂北機器有限責(zé)任公司，廣西 桂林541003；2.桂林新全數(shù)控有限公司，廣西 桂林541004）

數(shù)控平面磨床[1]是機械加工中不可或缺的精密加工機床。隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，人們對數(shù)控平面磨床的需求在快速增長。與其它數(shù)控機床相比，數(shù)控平面磨床的發(fā)展相對滯后，主要原因是其單機效率增幅不是很大，沒有數(shù)控車床或銑床明顯。影響數(shù)控平面磨床效率的主要因素是磨床刀具即砂輪的磨損太快。在大磨削量的加工中，砂輪磨損會產(chǎn)生很大的尺寸誤差。為減少砂輪磨損引起的誤差，一般會采取減小橫向斷續(xù)進(jìn)給量及垂直進(jìn)給量的方法提高磨削精度，這在很大程度限制了數(shù)控平面磨床的發(fā)展和應(yīng)用。

1 技術(shù)原理

數(shù)控平面磨床中解決砂輪磨損的辦法是對砂輪磨損進(jìn)行補償——調(diào)整砂輪的半徑參數(shù)，在線測量并實時調(diào)整砂輪半徑參數(shù)即砂輪半徑動態(tài)補償。砂輪動態(tài)補償有兩種常見方法：一是測量工件加工后的實際尺寸與理論尺寸之差來調(diào)整砂輪半徑參數(shù)；另一種直接測量砂輪半徑值以調(diào)整砂輪半徑參數(shù)。工件磨削時砂輪處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，加上工件待加工面的不規(guī)則性、工況環(huán)境及加工區(qū)域的空間限制等因素，很難在線測量工件或砂輪，以上兩種補償方法都不太適用。至今尚無一款數(shù)控平面磨床標(biāo)配有砂輪在線動態(tài)補償功能，而是只針對某特定工件配置相應(yīng)的在線補償功能，且價格昂貴。

本文所述項目采用了一種與現(xiàn)有技術(shù)不同的砂輪磨損在線補償方法，其主要原理是對引起砂輪磨損的主要因素進(jìn)行測量，間接計算出砂輪磨損量。將這種補償方法應(yīng)用到精密數(shù)控平面磨床，可顯著提高加工效率及批量零件的加工精度。

影響數(shù)控平面磨床砂輪磨損率的因素很多，決定砂輪磨損的因素是能量。能量與砂輪磨損量是否具有線性關(guān)系，或者在什么條件下成線性關(guān)系，如何表達(dá)其它次要因素的影響，是需解決的主要關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 砂輪修整及砂輪磨損補償

現(xiàn)以數(shù)控系統(tǒng)操作界面為例，對砂輪修整及砂輪磨損動態(tài)補償[2]方法進(jìn)行分析。

新砂輪安裝后，須進(jìn)行二次靜平衡。即在機床附件——砂輪平衡架進(jìn)行第一次靜平衡，然后對砂輪進(jìn)行修整，砂輪修整后再放置于砂輪平衡架進(jìn)行第二次靜平衡。砂輪修整時，打開數(shù)控系統(tǒng)，在【工作選擇】界面，輕觸砂輪修整鍵，出現(xiàn)圖1所示【砂輪修整】畫面。

圖1 砂輪修整

砂輪修整分為手動修整和自動修整。新安裝的砂輪應(yīng)采用手動修整方式進(jìn)行修整；選用自動修整砂輪時可輕觸自動參數(shù)鍵設(shè)置相關(guān)修整參數(shù)。砂輪修整后還需修改相應(yīng)的砂輪半徑值。

2.1 砂輪手動修整

在圖1所示的【砂輪修整】畫面，輕觸手動修整鍵，工作臺移動到最右端，將工作臺或砂輪移動至修整器附近。輕觸手動進(jìn)給鍵，打開如圖2所示【手動進(jìn)給修整量】畫面。

圖2 砂輪手動進(jìn)給修整量

采用“單步”或“手輪”方式，可對砂輪進(jìn)行手動修整。砂輪修整好后，輕觸退出鍵，從【手動進(jìn)給修整量】畫面回到【砂輪修整】畫面，輕觸返回原地鍵，砂輪垂直上升回到修整前位置，工作臺或磨頭體也前后橫向移動回到修整前位置。

2.2 砂輪自動修整及補償

2.2.1 砂輪自動修整數(shù)據(jù)

在圖1所示的【砂輪修整】畫面，輕觸自動參數(shù)鍵，打開如圖3所示【砂輪修整數(shù)據(jù)】畫面，輕觸各窗口可輸入新數(shù)據(jù)。

圖3 砂輪修整數(shù)據(jù)

Z正程返回坐標(biāo)數(shù)值是修整砂輪時Z軸（機床前后橫向）的上限位置坐標(biāo)值，砂輪內(nèi)側(cè)無法修整時，應(yīng)加大該數(shù)值；Z負(fù)程返回坐標(biāo)數(shù)值是修整砂輪時Z軸的下限位置坐標(biāo)值，砂輪外側(cè)無法修整時，應(yīng)減小該數(shù)值；Z修整速度數(shù)值是砂輪修整時Z軸的移動速度，砂輪修整后若表面粗糙度不合適可修改該數(shù)值。以上3個參數(shù)在自動運行程序中也有效。

因砂輪磨損補償或手動微量調(diào)整補償，砂輪半徑值變小，但大于砂輪半徑值之處可能有殘余部分存在。修整大于砂輪半徑值的這些殘余部分的進(jìn)給量與砂輪正常修整時的進(jìn)給量可能不一樣，殘部進(jìn)給量數(shù)據(jù)就是修整這些殘余部分的進(jìn)給量。殘余部分的修整次數(shù)，由砂輪磨損補償總量和殘部進(jìn)給量數(shù)值決定。

砂輪正常修整的進(jìn)給量由新部進(jìn)給量數(shù)值給定；砂輪正常修整的進(jìn)給次數(shù)，由新部進(jìn)給次數(shù)數(shù)值給定；砂輪修整后，可能還需要無進(jìn)給修整，即光修。無進(jìn)給修整次數(shù)，由光修次數(shù)數(shù)值給定。

砂輪磨損率數(shù)值是砂輪磨損動態(tài)補償?shù)囊粋€參數(shù)，與【常用參數(shù)】中的49.砂輪磨損能耗參數(shù)配合使用。磨削過程中砂輪自身會磨損變小，影響工件的尺寸精度及大平面磨削時的平面度，砂輪適當(dāng)補償可減少這些因素產(chǎn)生的誤差，但過度補償會適得其反。

2.2.2 砂輪自動修整

在圖1所示的【砂輪修整】畫面，輕觸自動修整鍵，置于工作臺上的砂輪修整器金剛筆將自動移動至砂輪下面，按設(shè)定的砂輪修整參數(shù)自動修整砂輪，修整完成后自動返回到修整前的位置。若需中途停止修整，輕觸返回原地鍵。另按控制盤上的[暫停]按鈕可以中止修整過程，但不會返回到修整前的位置。

2.2.3 砂輪半徑值的修改

在圖1所示的【砂輪修整】畫面，輕觸修改砂輪半徑鍵，彈出如圖4所示的輸入數(shù)據(jù)窗口。輕觸“R值”右側(cè)的數(shù)據(jù)框，直接輸入實測砂輪的半徑值；或輕觸“修正量”右側(cè)的數(shù)據(jù)框，輸入砂輪半徑的誤差值（負(fù)數(shù)表示砂輪半徑減少）。按確認(rèn)鍵退出。

圖4 砂輪半徑修改參數(shù)

2.3 砂輪半徑磨損補償特點

通過測量工件磨削過程中的耗電量和砂輪磨損經(jīng)驗值，實時在線實現(xiàn)砂輪磨損補償。如：磨削程序G98可設(shè)定砂輪磨削過程中動態(tài)補償率參數(shù)。該參數(shù)的含義是：在某種磨削環(huán)境下，對應(yīng)特定的砂輪半徑和砂輪厚度，每消耗指定的磨損能耗（49號參數(shù)設(shè)定值），砂輪所產(chǎn)生的磨損量。在常用參數(shù)頁中可通過設(shè)定49號參數(shù)值實現(xiàn)該功能，如圖5所示。

圖5 常用參數(shù)

現(xiàn)以數(shù)控程序G98和49號參數(shù)設(shè)定方法為例加以說明。工件總磨削量為0.55 mm，設(shè)定粗磨0.5，精磨0.05.首先取G98的參數(shù)為0，編程磨削，這時實際粗磨只磨除0.41 mm，系統(tǒng)顯示消耗電能500瓦時，即500瓦時電能砂輪自身磨損了0.09 mm.相當(dāng)于每消耗10000瓦秒的電能，砂輪磨損0.5μm.根據(jù)以上經(jīng)驗結(jié)果，把49號參數(shù)取10 000（瓦秒），對于粗磨G98的P參數(shù)設(shè)為0.5μm.再按同樣方式和尺寸要求編程磨削0.5 mm，實際磨削結(jié)果約為0.49 mm.這表明經(jīng)砂輪補償后，因砂輪磨損導(dǎo)致的工件加工誤差減少了約90%.這樣與預(yù)留的精磨量0.05 mm十分接近。工件再經(jīng)砂輪修整精磨后，就很容易達(dá)到所要求的尺寸精度。

3 推廣應(yīng)用前景

該砂輪補償技術(shù)操作簡便，增效明顯，因系統(tǒng)僅增加了主電機功率測量變送器，成本極低。與其他通過在線測量得到的數(shù)據(jù)最后反饋給系統(tǒng)從而對工件磨削量進(jìn)行動態(tài)補償?shù)姆椒ㄏ啾?，該技術(shù)成本低，生產(chǎn)效率高，是一項實用性較強的技術(shù)，值得推廣和應(yīng)用。采用該補償技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于我公司精密數(shù)控平面磨床系列產(chǎn)品上。

4 結(jié)束語

具有砂輪半徑磨損動態(tài)補償功能的數(shù)控平面磨床數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，是基于用戶操作經(jīng)驗及磨削工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)積累。由于積累的試驗數(shù)據(jù)還是離散的，這些數(shù)據(jù)所應(yīng)符合的條件在系統(tǒng)中還須進(jìn)一步界定，以方便用戶使用。這對今后研發(fā)其他高效數(shù)控平面磨床具有參考作用。