高硬度回轉(zhuǎn)球面精密磨削系統(tǒng)的數(shù)字控制技術(shù)*

柴運(yùn)東 許黎明② 李冬冬 許開州 胡德金

(①上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200030;②重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點實驗室，重慶400044)

在煤液化、核能發(fā)電等領(lǐng)域，球閥的應(yīng)用十分廣泛。為了滿足惡劣工況條件下耐高溫、耐高壓、抗熱沖擊等要求，通常在球閥關(guān)閉件球體上噴涂WC-Co等高硬度涂層材料，同時為了防止閥門內(nèi)泄，對球體的形狀精度要求較高，一般來說對于直徑400 mm的球體形狀誤差應(yīng)≤8 μm。上述技術(shù)要求給大面積涂層球面高精度加工制造提出了新的課題。

加工高硬度涂層材料的方法通常有車削、磨削、研磨和拋光等機(jī)械加工技術(shù)，也有電火花加工、激光等特種加工技術(shù)。國內(nèi)學(xué)者采用超聲振動的方法車削等離子涂層取得了一定的效果［1-2］。文獻(xiàn)［3］和［4］在陶瓷涂層精密磨削機(jī)理方面進(jìn)行了深入地研究。在高硬度涂層材料加工方法中，使用金剛石砂輪進(jìn)行磨削應(yīng)用最為廣泛，占所用加工方法的80%［5］。

目前針對高硬度涂層的磨削研究大多局限在平面磨削，而對曲面磨削尤其是球面高硬度涂層磨削的研究方興未艾。在磨削高硬度涂層球面時出現(xiàn)了一系列新的問題，如磨削效率較低，磨削比能高，磨削力對加工影響非常大，涂層表面完整性要求高等，同時伴隨有一些特有的工藝現(xiàn)象，如磨削力隨球體表面粗糙度值減小而增大對磨削效率產(chǎn)生影響等。實踐證明采用傳統(tǒng)磨削方式在這些問題上難有大的突破。

本文介紹了自主研發(fā)的高硬度球面加工用數(shù)控精密球面磨床的加工原理，重點分析了磨削系統(tǒng)的數(shù)字控制技術(shù)，討論了高硬度回轉(zhuǎn)球面精密磨削系統(tǒng)的數(shù)控軟件設(shè)計方法，闡述了數(shù)控軟件的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計要點、磨削過程適應(yīng)控制和磨削參數(shù)動態(tài)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)。

1 MD6040型數(shù)控精密球面磨床

MD6040型數(shù)控精密球面磨床的基本結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。加工時，工件在工件主軸的帶動下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)工作臺帶動磨頭繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，機(jī)械上保證了兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動的軸心線相交，從而實現(xiàn)球面成形切削運(yùn)動。該球面磨床具有以下特點:

(1)機(jī)床加工精度高 可以實現(xiàn)工件主軸的回轉(zhuǎn)軸線、尾座頂尖的回轉(zhuǎn)軸線、回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)軸線、磨頭回轉(zhuǎn)軸線在空間相交于一點，從原理上保證了加工球體的形狀精度。

(2)球體工件裝夾工位可以檢測和調(diào)整 通過調(diào)整工件的工位，使球體的球心和“四心合一”點重合，保證了球體的形狀精度。

(3)加工的柔性好 回轉(zhuǎn)工作臺可以±30°擺動，可以加工直徑80～400 mm的球體。

(4)操作直觀方便 機(jī)床采用人機(jī)交互編程方式，操作員只需要在操作面板上輸入和設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)就可以進(jìn)行加工，同時加工狀態(tài)實時監(jiān)控。

(5)機(jī)床電氣電路可靠、維護(hù)方便 采用上下位機(jī)分層控制結(jié)構(gòu)，機(jī)床整體的電氣電路簡便可靠。

2 專用數(shù)控軟件的設(shè)計

數(shù)控精密球面磨床控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)分層控制結(jié)構(gòu)，下位機(jī)PLC控制器是數(shù)控軟件的主要載體，完成磨頭進(jìn)給軸、工作臺回轉(zhuǎn)軸、主軸和尾座進(jìn)給的實時插補(bǔ)和運(yùn)動控制、工件和砂輪的速度控制、報警等功能，上位機(jī)基于工控計算機(jī)，完成磨削過程狀態(tài)數(shù)據(jù)采集分析和處理、參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)視等功能。上下位機(jī)通過高速以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)通訊。

2.1 精密球面磨削下位機(jī)控制程序結(jié)構(gòu)

數(shù)控程序結(jié)構(gòu)上分為主程序和子程序，各個功能通過主程序調(diào)用子程序來實現(xiàn)。球面磨削的操作模式分為回零、手動、手輪、自動加工模式，每種模式設(shè)計相應(yīng)的子程序，具有程序結(jié)構(gòu)清晰、CPU執(zhí)行周期短、響應(yīng)速度快等特點。程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

工作臺的回轉(zhuǎn)進(jìn)給和砂輪軸的徑向進(jìn)給運(yùn)動是實現(xiàn)球面磨削的主要進(jìn)給方式，可分別在手動進(jìn)給程序和自動進(jìn)給程序中完成。

通過手動或自動控制主軸和尾座的同步進(jìn)給，可以實現(xiàn)磨削球的手動對中，加上輔助測量裝置則可以實現(xiàn)自動對中功能。報警程序統(tǒng)一管理報警信息和報警指示燈的狀態(tài)，對控制器、驅(qū)動器等系統(tǒng)硬件狀態(tài)及時作出報警提示。

2.2 上位機(jī)程序設(shè)計

上位機(jī)首先承擔(dān)人機(jī)交互的任務(wù)，實現(xiàn)加工狀態(tài)監(jiān)視、加工參數(shù)設(shè)置等功能。同時，由于球面磨削中磨削力、砂輪磨損等因素對球面磨削質(zhì)量的影響很大，為了在保證磨削質(zhì)量尤其是球度和表面質(zhì)量的前提下提高磨削效率，需要對磨削過程的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和處理。球面磨削上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)見圖3，數(shù)據(jù)采集主要包括磨削力的在線間接測量、磨頭振動信號的實時采集，數(shù)據(jù)分析和處理由上位機(jī)軟件完成，功能模塊包括磨削載荷的異常識別、磨削振動的異常識別及磨削參數(shù)的動態(tài)優(yōu)化。這里磨削參數(shù)主要指磨削深度和工作臺進(jìn)給速度，動態(tài)優(yōu)化指磨削參數(shù)根據(jù)異常識別結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整以滿足加工質(zhì)量和效率的要求。

3 磨削過程的自動控制

自動加工是控制軟件的重要組成部分，工件裝夾調(diào)整完成、加工參數(shù)設(shè)置完畢、回轉(zhuǎn)工作臺回零后，就可以進(jìn)行自動加工。要滿足球面精密加工的精度和加工效率，需要自動加工工序能夠穩(wěn)定可靠地工作。

自動加工開始時，磨頭工作臺首先快速接近工件，快接觸工件時，回轉(zhuǎn)工作臺按照設(shè)定的角度進(jìn)行回轉(zhuǎn)進(jìn)給，同時磨頭工作臺每轉(zhuǎn)做徑向直線進(jìn)給，進(jìn)給初始值均按設(shè)定值進(jìn)行。

粗磨階段，目標(biāo)是去除大部分磨削余量，提高加工效率，對表面粗糙度要求不高，但需要控制球面的形狀精度，并能有效地抑制砂輪的過度磨損。因此，在磨削初始參數(shù)擇優(yōu)選定后，還需要在磨削過程中實時監(jiān)視磨削狀態(tài)，通過對磨削電流和磨頭架振動的測量和分析，對載荷異常和振動異常狀態(tài)作出識別，并在工作臺不同的回轉(zhuǎn)區(qū)域分階段調(diào)整切削深度和工作臺進(jìn)給速度，以兼顧磨削效率和磨削精度的要求，保持磨削比處于粗磨最佳范圍，同時防止砂輪的過度磨損。

精磨階段，目標(biāo)是保證加工表面質(zhì)量和加工精度。因此，在精磨工藝參數(shù)初始值選定后，在磨削過程中，仍然需要實時監(jiān)視磨削狀態(tài)，尤其要防止由于磨削載荷異常導(dǎo)致的砂輪對工件表面的劃傷等問題的發(fā)生，策略上通過對磨削電流等狀態(tài)信號的采集和分析，采用單變量轉(zhuǎn)矩適應(yīng)控制，實時對磨削深度進(jìn)行動態(tài)微調(diào)，而回轉(zhuǎn)進(jìn)給速度在每轉(zhuǎn)中保持恒定，以保證磨削表面質(zhì)量。

在正常情況下停止加工，磨頭工作臺首先緩慢退出安全區(qū)域，再停止其他動作。

4 結(jié)語

本文介紹了自主研發(fā)的用于加工高硬度回轉(zhuǎn)球面的專用數(shù)控精密磨床數(shù)字控制技術(shù)的特點，闡述了數(shù)控軟件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計要點，磨削過程的自動控制方法。數(shù)控球面磨床已用于實際生產(chǎn)加工，結(jié)果表明，工件的形狀精度和表面質(zhì)量滿足了實際工程需要。

［1］吳志遠(yuǎn)，劉貴民，田欣利，等.超音速振動車削加工等離子噴涂Al2O3+13%TO2陶瓷涂層［J］.新技術(shù)新工藝，2003(6):13-14.

［2］李伯民，趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］Zhang B，Howes T D.Material-removal mechanisms in grinding ceramics［J］.Annals of the CIRP，1994，43(1):305-308.

［4］鄧朝輝，張壁.臥矩臺精密平面磨削納米結(jié)構(gòu)WC/12Co涂層材料去除機(jī)理［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2005，11(37).

［5］沈劍云.結(jié)構(gòu)陶瓷磨削機(jī)理與熱特性分析［D］.天津:天津大學(xué)，2003.