基于SINUMERIK 840D系統(tǒng)蝸桿砂輪磨齒機自動對刀技術(shù)研究

劉海寧，李小寧，李光華，于瑞榮

(1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094;2.南京二機齒輪機床有限公司，江蘇南京211103)

磨齒是現(xiàn)有齒輪加工精度最高的一種方法。數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機的加工原理跟滾齒加工相同，相當(dāng)于一對圓柱螺旋齒輪嚙合。加工過程中，砂輪每轉(zhuǎn)過一周，齒輪轉(zhuǎn)過一齒［1］。

磨削齒輪過程的對刀相對于其他加工方法 (車削，銑削，平面磨削)較為復(fù)雜，對刀過程是齒輪與砂輪的嚙合過程，要避免砂輪的頂牙與齒輪的輪齒發(fā)生碰撞，同時為了提高加工精度，砂輪與齒槽的兩側(cè)齒面要實現(xiàn)平衡接觸，避免產(chǎn)生對齒槽兩側(cè)齒面磨削的不平衡。傳統(tǒng)采用人工對刀的方法進行對刀調(diào)整，工人通過觀察磨削過程中齒槽兩側(cè)產(chǎn)生火花的情況，判斷是否完成了對刀，或者采用簡單的嚙合方法進行人工判斷［2］。人工對刀的方法效率低下，對刀過程需要4～5次的調(diào)整，每次更換工件后都需要重新對刀;加工工件的一致性不好，過于依賴工人的經(jīng)驗，最重要的是對刀精度不高，使加工齒輪的精度不高，一般只有7級精度。針對上述的問題，作者提出了相應(yīng)的解決方案。產(chǎn)生塑性和彈性變形，而塑性變形產(chǎn)生的塑性功的釋放使磨削過程中能產(chǎn)生聲發(fā)射信號。因此，可以采取檢測AE聲發(fā)射信號的方法判斷砂輪與工件是否磨削接觸［2－5］。

自動精對刀的整體思路是:數(shù)控系統(tǒng)自動尋找工件某個齒槽兩側(cè)的邊界并記錄位置，最后計算得出精確中點位置，即進給加工起始點。該自動精確對刀方法采用檢測磨削過程中產(chǎn)生的AE聲發(fā)射信號作為反饋信號。當(dāng)砂輪距工件1.5 μm左右時，可以觀察到聲發(fā)射信號，當(dāng)砂輪繼續(xù)接近工件時，聲發(fā)射信號幅度不斷增加，直到砂輪與工件接觸，AE信號幅度增加最大［2，6－8］。磨削加工過程中可以根據(jù) AE 信號電壓值VAE判斷砂輪與齒輪是否產(chǎn)生接觸。精確對刀系統(tǒng)的組成如圖1所示。

1 自動對刀系統(tǒng)組成

在砂輪磨削工件的過程中，既有摩擦又有磨損，還存在砂輪的磨料顆粒受力后崩落和擠壓現(xiàn)象，金屬

圖1 自動對刀系統(tǒng)組成

自動對刀系統(tǒng)由5個部分組成:AE信號傳感器、電控箱、SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)、輸入輸出及顯示界面和主軸伺服電機。

AE信號的檢測采用AE聲發(fā)射傳感器。AE聲發(fā)射傳感器是一種采用壓電晶體作為換能原件進行信號檢測的傳感器，壓電晶體通過與聲波的振動耦合將聲波的機械振動轉(zhuǎn)換為電信號。

AE聲發(fā)射聲信號傳感器和電控箱共同組成自動對刀的自平衡調(diào)整模塊，AE聲信號傳感器負(fù)責(zé)信號的采集，電控箱對AE信號進行濾波和信號放大后對信號做出相應(yīng)的判斷和比較，并將分析結(jié)果輸出給數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)控制主軸伺服電機的運動與停止，使刀具移動到正確的位置，最終達(dá)到平衡調(diào)整的目的。AE聲發(fā)射傳感器和電控箱均采用德國MPM公司的產(chǎn)品。

2 自動對刀原理

磨削過程是一個瞬態(tài)變化的過程，瞬態(tài)摩擦功率表達(dá)式為:

式中:F(t)為摩擦表面間摩擦力瞬時值;v(t)為摩擦表面相對運動的速度瞬時值。

信號的均方根值A(chǔ)rms可以表示為單位時間內(nèi)聲發(fā)射信號能量的大小，即:

式中:η(t)為轉(zhuǎn)換系數(shù)。Arms(t)可以反映出砂輪與工件表面之間的接觸程度，其值越大，表明接觸越深，因此可以根據(jù)AE聲發(fā)射信號電壓值的變化判斷接觸以及接觸程度，從而進行相應(yīng)的程序執(zhí)行和操作［9］。

該精對刀方法是在SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)自動記錄坐標(biāo)功能上實現(xiàn)的。由自動對刀模塊實現(xiàn)信號的處理與判斷，并輸出信號給數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)電機主軸的控制和坐標(biāo)的記錄。信號的傳遞過程如圖1所示。

判斷砂輪與齒輪是否接觸是由電控箱完成的，可以通過數(shù)控系統(tǒng)和輸入設(shè)備給電控箱設(shè)置一個閾值VLimit，作為比較閾值。當(dāng)砂輪與工件接觸產(chǎn)生的磨削信號電壓值超過了設(shè)定的閾值VLimit，則認(rèn)為砂輪與齒輪已經(jīng)接觸，此時電控箱的輸出信號由高電平變成低電平，數(shù)控系統(tǒng)接收到低電平時，執(zhí)行程序，砂輪主軸停止并記錄坐標(biāo)值。信號處理時序圖如圖2所示。

圖2 電控箱信號處理時序圖

當(dāng)Vout=1時，主軸保持原來設(shè)定的轉(zhuǎn)速和方向轉(zhuǎn)動;當(dāng)Vout=0時，主軸停止轉(zhuǎn)動并記錄主軸所處位置的坐標(biāo)值。從反饋信號的角度來說，要實現(xiàn)對齒槽兩側(cè)齒面的磨削平衡，在接觸檢測的過程中，要滿足同樣的接觸檢測條件，使兩個齒面磨削產(chǎn)生相同的電壓，即:

所以在VLimit的設(shè)定過程中，只需要同一個閾值VLimit便可。

精確對刀的原理如圖3所示，裝夾工件后，刀架主軸開始轉(zhuǎn)動，工件主軸跟隨刀架主軸轉(zhuǎn)動，由編程控制刀架主軸沿y軸負(fù)方向移動。未產(chǎn)生AE信號的時候，數(shù)控系統(tǒng)接收高電平，當(dāng)磨削接觸產(chǎn)生AE信號VAE＞VLimit時，電控箱輸出信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，?shù)控系統(tǒng)接收到24 V低電平的時候，主軸刪除剩余行程，并記錄此時刀架主軸的坐標(biāo) (x0，y1)，然后刀架主軸沿y軸正方向移動;同樣當(dāng)VAE＞VLimit時，數(shù)控系統(tǒng)重復(fù)上述步驟記錄坐標(biāo) (x0，y2)，此時數(shù)控系統(tǒng)記錄齒槽的兩側(cè)邊界，由此可以確定中點位置［10］。數(shù)控系統(tǒng)計算出砂輪進給起始點的坐標(biāo)(X0，Y0):

圖3 自動對刀原理圖

3 西門子840D高級編程實現(xiàn)

用于信號處理和分析的電控箱與數(shù)控系統(tǒng)連接，反饋給數(shù)控系統(tǒng)高低電平信號，最終完成精對刀過程的是數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)二次開發(fā)編寫的程序，結(jié)合接收到的高低電平信號進行程序的執(zhí)行。根據(jù)精對刀方法所編寫的程序部分如下:

4 實驗及檢測結(jié)果

實驗以加工斜齒圓柱齒輪為例，數(shù)控磨齒機采用德國MPM公司的Series 300電控箱進行信號的處理和判別，并將分析結(jié)果送入數(shù)控系統(tǒng)進行對機床主軸運動和停止的間接控制。磨削斜齒圓柱齒輪的的齒數(shù)Z=34，模數(shù)m=2.5 mm，壓力角 α=20°00'00″，齒輪螺旋角β=20°00'00″，電控箱中電壓閾值VLimit=8 V，即當(dāng)磨削試接觸產(chǎn)生的電壓信號超過8 V時，電控箱輸出高電平給數(shù)控系統(tǒng)。磨削試接觸產(chǎn)生的信號如圖4所示。

圖4 磨削試接觸信號

加工結(jié)束后，需對工件進行質(zhì)量檢測，所用的檢測工具為KLINGELNBERG P65高自動化齒輪檢驗測量中心。所加工斜齒輪的檢測結(jié)果如表1，2所示。

表1 斜齒輪齒形誤差檢測參數(shù)及基準(zhǔn)值

表2 斜齒輪齒形誤差檢測實際誤差值E及精度等級Q

由表2可知，加工的斜齒輪的綜合精度等級達(dá)到4級。

5 結(jié)束語

采用檢測磨削接觸AE聲發(fā)射信號的方法進行數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機的自動精對刀，該精確對刀調(diào)整方法已經(jīng)在西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)，并且適合蝶形砂輪磨齒和單片錐面砂輪磨齒等加工方法。由于AE信號對工件與砂輪是否接觸反應(yīng)敏感，該檢測方法靈敏度高、反應(yīng)速度快，采用自動對中精確對刀方法加工的工件精度高，工作效率高，實現(xiàn)了自動化的精確對刀過程，解決了磨削齒面不平衡的問題，使磨床加工精度由過去的7級提高到4級，個別工件甚至達(dá)到3級精度，對刀時間由過去的3～4 min減少到1 min，顯著提高了加工精度和效率。

【1】鄭文緯，吳克監(jiān)．機械原理［M］．北京:高等教育出版社，1997．

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【3】徐春廣，王信義，楊大勇，等．磨削過程聲發(fā)射信號傳播特性研究［J］．北京理工大學(xué)學(xué)報，1998，18(4):415－419．

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