功率监控在精密内圆磨床砂轮修整系统中的应用

2013-03-25赵飞李焕锋沙杰吴剑锋曹志忠

机械工程师 2013年1期

赵飞，李焕锋，沙杰，吴剑锋，曹志忠

（河南工业大学，郑州450001）

1 引言

精密内圆磨床作为一种精密磨削设备，广泛应用于中小孔内圆磨削加工。由于其砂轮转速高、砂轮轴刚性比较差，所以容易产生弯曲变形与振动，导致砂轮工作表面磨粒会因不均匀磨损而失去正确的几何形状；而磨削时由于砂轮工件的接触弧长较外圆磨削大，且冷却液不易进入磨削区域，容易导致磨削区域出现高温、粘附等作用，造成磨屑不易排出，加速磨粒钝化。因此，精密内圆磨削过程中的砂轮修整成为内圆磨削质量控制的关键［1］，且砂轮状态的好坏将直接决定磨削工件的质量及效率。

目前精密内圆磨床砂轮状态及修整质量主要是通过检测修整后的砂轮性能来体现。砂轮修整主要是通过设计固定的修整工序和参数来实施的，而砂轮修整质量检测主要是针对砂轮形貌，是通过检测修整后砂轮磨粒的均匀性、等高性及微刃性来判断砂轮修整的好坏，但其存在滞后性，实时性差，不能及时地进行反馈。针对精密内圆磨削，砂轮修整精度决定磨削的高精度，因此，精密内圆磨削中，对砂轮修整进行实时在线监测显得尤为重要。砂轮修整中的变化因素很多［2］，功率作为砂轮修整中一个重要变化因素，其变化能很好地反映砂轮的修整状态。本文将围绕功率在线监控系统的原理及特点来研究这个系统在精密内圆磨床砂轮修整中的应用。

2 功率在线监控砂轮修整系统

2.1 功率监控的原理

功率监控的原理：通过电压、电流传感器获取被监控轴的电压、电流信号，然后将测得的电压、电流信号进行取样、滤波，滤波后的信号通过信号处理反馈到PLC系统中，作为监控系统信号处理核心的PLC，根据得到的控制信号，结合被监控轴的加工要求，一方面通过变频器传输给被监控轴，实现驱动系统的进给运动等，另一方面通过反馈实现机床的保护。

功率监控系统以功率监控仪为主要的监控工具，它主要由功率传感器（包括电流、电压）和具有分析处理信号及反馈等功能的显示及控制模块组成，其原理如图1所示。

图1 功率监控仪原理图

2.2 砂轮修整系统

本实验针对郑州第二机床厂生产的Z2-015中小孔数控精密内圆磨床砂轮修整系统展开研究。

该磨床砂轮修整系统是由砂轮修整器和砂轮轴的往复机构组成。砂轮修整器是单点金刚石笔修整器，砂轮轴的往复机构由电机带动凸轮机构组成。砂轮修整是通过金刚石笔与砂轮的修磨作用，实现对砂轮磨钝磨粒及粘接剂进行清除，达到修整目的。由于该磨床主要是针对中小孔内圆磨削，工件磨削精度要求高，单件磨削周期短且由于砂轮接长杆较长、磨削中存在冷却不充分、磨屑不易排出、接长杆刚性差等特性，如果不能及时发现砂轮磨削中的状态，一旦砂轮出现问题，势必影响到工件的磨削质量与效率。

2.3 在线监控系统构建

根据精密内圆磨床的砂轮电气控制原理及功率在线监控的原理可知，监控系统的核心部件——功率监控仪主要是通过监控砂轮轴的功率信号来实现对砂轮的监控，如图2为精密内圆磨床砂轮修整系统监控原理图。

图2 磨床修整系统监控图

由图2可以看出，在线监控系统主要由磨床的砂轮修整系统及功率监控设备组成。功率传感器将安装在驱动砂轮轴转动的电机上，通过监控砂轮修整时，砂轮轴上功率的变化曲线来反映砂轮的状态，实时监测砂轮的钝化等情况，以便及时对砂轮进行修整。功率监控仪作为砂轮的在线监控设备，在监控砂轮修整系统的同时，会将采集到的信号经由图1的过程反馈给磨床的PLC系统，再经控制电路实现对砂轮非正常运行情况进行控制，实现报警、显示等一系列功能，极大地提升了砂轮修整系统安全性与高效性。

在启用功率监控系统之前，需要将磨床的部分信息输入监控系统，如磨床的额定功率、信号有效时间，同时依据磨床空载时的基线及工作时的工作线，设置一些参数，如参考线及碰撞线等，用于磨削及砂轮修整过程的监控与比较。其中参考线的设置尤为重要，它是依据基线及工作线来制定的，但根据具体情况，可以通过人机界面进行修改，如图3所示。

针对精密内圆磨床砂轮修整系统，功率监控系统的功能包括：（1）新砂轮的修磨与砂轮钝化监测；（2）砂轮修整中修整力的监测；（3）砂轮修整系统的保护。

图3 参数的输入与设置界面

3 工程应用实例

本实验针对郑州第二机床厂生产的Z2-015精密内圆磨床的修整系统进行研究，采用白刚玉砂轮及工件材料为45钢、硬度为48～52HRC的液压挺杆。

该砂轮修整系统是利用单点金刚石笔对砂轮进行修整，在没有功率监控的情况下，砂轮修整不得不采取磨一次工件、修一次砂轮的模式，而这样的修整模式相当盲目，不仅缩短了砂轮的使用寿命，还降低了磨削效率。特别是价格昂贵的CBN砂轮。基于功率在线监控砂轮修整系统的构建，使砂轮修整的在线监控与反馈变得很方便。

3.1 砂轮状态在线监控

砂轮的在线状态监控主要体现在两方面：新砂轮的修磨状态监控和砂轮磨削状态监控。以下将针对两种状态进行分析。

（1）新砂轮修磨状态监控：新砂轮在使用初期，由于表面高低不平、圆度不够等特点，需要一个修磨过程。砂轮修磨初期，由于修整力在不同位置是不同的，因而导致砂轮轴的电流及功率也是不同的，因此，根据功率的变化情况就可判断砂轮的修磨进度。实验通过制定修整好的参考范围（理想状态是恒功率变化），依据砂轮修磨功率曲线的变化与参考范围的比较，判断新砂轮是否修好，能否进行磨削。

（2）砂轮磨削状态监控：功率监控系统是通过监控砂轮轴的电流、电压来监控砂轮磨削和修整的。在磨削过程中，如果砂轮出现阻塞、磨钝或变形等现象，监控轴上的电流将会出现不规则波动，相应的功率也会出现明显波动［3］。图4是砂轮转速为60000r/min、砂轮往复速度为60次/min、进给量为0.1mm下的两幅磨削过程监控图，图中前一个波峰为粗磨阶段，后一个波峰为精磨阶段，两波峰之间为砂轮的监控部分，其中图4（a）中砂轮监控部分波动平稳，砂轮处于正常状态，后期精磨比较平稳；图4（b）为磨削一段时间后的监测图，图中砂轮监控部分波动相对较大。由图4看出，砂轮与工件的接触不均匀，导致精磨阶段的功率曲线出现不稳定变化，表明砂轮出现异常现象，通过监控系统将控制信号反馈给PLC，进而实现对砂轮的及时修整，以确保磨床的安全性及磨削的正常运转。

图4 磨削过程监控图

实验证明，磨削过程中，当工件与磨削参数相同时，功率信号幅值与砂轮表面状态有很好的对应关系，因此，可设定合适的参考线，通过监测功率幅值的变化来监控砂轮的状态［4］，进而得出砂轮修整的最佳时机。

3.2 修整力监测

针对中小孔精密内圆磨床砂轮轴刚性差的特点，本实验将通过分析不同修整工艺参数下修整功率与修整力的关系，来研究砂轮轴的受力情况。由于径向力是修整中影响砂轮轴刚性的主要因素，因此径向力的监测与求解就显得尤为重要。

对于单颗粒金刚石笔修整，对修整轴进行受力分析，可将作用于砂轮轴的金刚石笔可以看做一个顶角为2θ的圆锥磨粒，通过分析可以得到单颗粒磨削力的计算公式［5］：

式中，k为与材料有关的系数；ζ取0.2～0.5；ag为平均切削深度；Am为平均断屑面积。

由式（1）、（2）得出单颗粒磨削径向力与切向力关系：

功率监控系统主要监测磨削及修整中轴的功率变化，从而反映砂轮的状态，且切向力与磨削及修整功率存在式（4）的关系，因此，磨削及修整时的切向力可利用监控系统监测到的磨削及修整实时功率，通过电脑计算。

若测得砂轮轴电机的功率，通过式（4）可计算出切向力的平均值。

由于是单颗粒修整，因此修整力的求解与单颗粒磨削中磨削力的计算是一致的。由此通过式（3）、（4）就得出了影响砂轮轴刚性的修整径向力。

不同修整参数下的实验，径向力是不同的，对砂轮轴刚性的影响也是不同的。因此，实验通过监测不同修整参数下的修整功率，利用电脑算出不同的径向修整力，利用所得的径向力来研究砂轮修整中砂轮轴的受力及变形情况。

3.3 砂轮修整系统保护

在砂轮修整中，除了钝化、磨损以及工艺参数对砂轮的影响外，作为承载砂轮的电主轴（砂轮轴）等设备，其工作情况的在线监控同样不容忽视。由于功率传感器是安装在驱动砂轮轴的电机上，因此，监控系统在监测上述项目的同时也时刻监控着电主轴。所以，在砂轮没有进行磨削、修整之前，一旦砂轮监控系统出现功率曲线发生瞬时突变，说明电主轴等设备出现问题，进而提醒技术人员要启动紧急停车程序，以免出现电主轴等的不可修复性损坏［6］。