基于在線測量系統(tǒng)的轉軸精密磨削加工

張 濤，李東亞，宋思明

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南洛陽 471003）

0 前言

高速電主軸是現(xiàn)代數(shù)控機床和加工中心的重要部件，它是將電機轉子直接熱裝于高精度的轉軸零件上，定子熱裝于殼體冷卻套上，組裝相關零件形成一個完整的主軸單元，通過驅動電源直接驅動主軸進行工作，實現(xiàn)了電機、主軸的一體化功能[1]。高速電主軸性能的高低直接影響著高速高精度加工機床的整體發(fā)展，因此對其精密零件的尺寸及幾何精度等方面的要求也相應提高了很多[2-3]。

磨加工在線測量系統(tǒng)的產生促進了半自動、自動磨床的發(fā)展，它由振動儀、定位儀和主動測量儀組成，可以通過定位儀、振動儀與主動測量儀測量所得的信號向數(shù)控系統(tǒng)反饋，實現(xiàn)閉環(huán)控制，保證機床各加工動作的完成，最終保證零件加工尺寸，在線測量系統(tǒng)是磨床精密磨削的關鍵[4-5]。本文運用在線測量系統(tǒng)，編寫轉軸的具體磨加工程序，與傳統(tǒng)加工方式對比獲得了更高的產品精度和工效。

1 電主軸結構及在線測量系統(tǒng)介紹

1.1 電主軸結構

電主軸結構見圖1所示，其中轉軸作為電主軸的重要零件，其在運行中需要承受由軸承熱膨脹和離心力等因素所造成的負荷變化，因此對其軸頸的尺寸公差、錐度和粗糙度，軸肩的粗糙度、垂直度要求很高。因此研究轉軸的精密加工方法至關重要。

圖1 電主軸結構圖

1.2 應用環(huán)境

本公司所使用的M1432B普通萬能磨床采用往復磨削方式，需磨削停止后才能測量工件尺寸，再反復進行尺寸補償直至加工完成。這種工作方式磨削出的零件精度一致性差，每個零件往往需要多次加工，操作人員勞動強度高，工效難以提升。

現(xiàn)公司引進了G32A斜進式數(shù)控磨床，該軸頸磨床采用X、Z雙數(shù)控進給軸，其中X軸為斜軸，與Z軸成60°夾角，用于實現(xiàn)數(shù)控磨床的斜進式數(shù)控加工，其特點是同時磨削軸頸軸肩處，能保證兩者之間的尺寸精度和垂直度，且軸肩處磨削效果好、粗糙度低，有良好的清根效果，而該機床所具有的在線測量系統(tǒng)，更是加工精度、安全和效率的保證。

1.3 在線測量系統(tǒng)組成

G32A數(shù)控磨床在線測量系統(tǒng)包括定位儀、振動儀和主動測量儀。

（1）定位儀采用意大利馬波斯彎頭定位儀（簡稱端測），用于對工件水平方向進行定位，以保證工件水平方面的尺寸，是機床實現(xiàn)批量生產的根本。

（2）振動儀采用馬波斯E20N振動儀，用于實時測量加工過程中的振動水平，再通過儀表顯示出來，供操作人員時時監(jiān)控，并可在振動超過設定值的時候實現(xiàn)自動退刀，提高加工過程的安全性。

（3）主動測量儀則采用馬波斯E9，它主要由測量裝置、驅動裝置和主動測量控制系統(tǒng)三部分組成。其中主動測量控制系統(tǒng)是核心；測量裝置采用雙臂式結構，利用差動式電感位移傳感器進行測量；驅動裝置采用油缸驅動，其結構原理如圖2所示。

圖2 磨加工主動測量儀工作原理圖

主動測量儀是整個在線測量系統(tǒng)的核心，用于測量軸頸尺寸，并根據(jù)測量尺寸時刻向主動測量儀傳遞電信號，數(shù)控系統(tǒng)接收到信號后根據(jù)監(jiān)測項目進行運算獲得磨削當前狀況，并以此來判斷工件尺寸狀態(tài)，通過控制磨削進給速度最終保證軸頸的圓度、錐度和尺寸等，主動測量控制器則將加工尺寸測量結果或判斷結果以合適方式顯示，用于人機交互[6]。

2 加工程序編寫及加工過程介紹

G32A數(shù)控磨床采用的數(shù)控系統(tǒng)為FANUC se?ries Oi Mate-TD系統(tǒng)，它主要通過宏程序編寫用戶加工程序[7]。宏程序是通過數(shù)學計算或邏輯運算，以變量的不斷變化進行編程，程序簡潔且邏輯性強。但是宏程序的編寫需要掌握較多數(shù)控知識，對編程人員和操作人員的要求較高。而將主程序和宏程序結合起來使用，把宏程序作為子程序，在主程序中以各種方式調用宏程序，使編程和加工調試方便快捷，能降低編程人員和操作人員的工作難度。

2.1 主程序和宏程序編寫

G32A斜進式數(shù)控磨床在使用在線測量系統(tǒng)時常用來精磨直徑為8～80 mm的轉軸零件，這里以磨削直徑50 mm轉軸為例，編寫主程序O0001和加工宏程序O9100如下所示，其中砂輪在程序中的刀具號為T01。

O0001（主程序）

N1 M96 P9000（緊急回退程序）

N2 M98 P9010（砂輪轉速判定）

N3 G54

N4 G98

N5 G65 P9020 K20.（每20件自動修整砂輪）

N6 G65 P9030 U[#601+10.]X#601 Z#602（端測定位）

N7 G55

N8 M03 S150.（工件軸旋轉）

N9 T0101（砂輪補償開啟）

N10 G65 P9100 X50.U0.10 W0.10 H0.12 D0.01 I0.05 J0.04 A0.25 B0.15 C0.10 E0.04 F0.02 S1.（調用加工宏程序）

N11 M05（工件軸旋轉）

N12 M09（切削液關）

N13 G00 X300.Z50.（快速退刀）

N14 T0100（砂輪補償關閉）

N15 M30（主程序結束）

O9100（加工宏程序）

N1 M17（外徑測量儀退出）

N2#21=ABS[#21]+ABS[#24]

#4=ABS[#24]+ABS[#4]+ABS[#5]

#5=ABS[#24]+ABS[#5]

N3 G98

N4 M08（切削液開）

N5 G00 Z[#23+0.5]X#500F3500.

N6 G01 X[#21+0.8]F3500.

X[#21+0.6]Z[#23+0.3]F100.

X[#21+0.4]Z[#23+0.1]F50.

Z#23 F3.

N7 M16（外徑測量儀進入）

N8 M20（間隙消除開啟）

N9 G04 X0.5

N10 G31 P4 X#21 F3.（間隙消除進給速度）

N11 M21（間隙消除關閉）

N12 G01 X#4 W-#11 F#1（粗磨進給速度）

N13 M15（呼叫外徑測量程序）

N14 G04 X1.

N15 G01 X#5 W-#7 F#2（精磨進給速度）

N30(P1)G31 P1 X[#24-0.2]F#3(P1進給速度)

N40(P2)G31 P2 X[#24-0.2]F#8(P2進給速度)

N50(P3)G31 P3 X[#24-0.2]F#9(P3進給速度)

N16 M17(外徑測量儀退出)

N17 G04 X#19（光磨時間）

N18 G01 U3.W1.F200.

N19 G01 X#500 F3500.（返回初始位置）

N20 M99（程序結束，返回主程序）

2.2 子程序調用指令

G65、M96、M98均為調用子程序，三者有區(qū)別：G65可指定參數(shù)且修改方便，在O0001中分別調用了O9020、O9030和O9100三個宏程序，其中O9020通過更改參數(shù)K即可設定加工多少件修砂輪，O9030中參數(shù)#601和#602表示端測坐標位置，而加工程序O9100只需更改工件外徑尺寸參數(shù)X和總磨量U等參數(shù)即可加工不同零件；M98不能指定參數(shù)，但可以指定順序號，在這里調用程序O9010目的是調整砂輪轉速保證線速度恒定；M96為子程序待機插入，在程序運行中當有相應信號輸入時，當前程序中止運行，轉為運行M96調用的子程序，此處調用緊急回退程序O9000。

2.3 G31跳轉指令

G31是與外部設備一起應用的，當無外部信號時，G31同G01直線插補功能相同，當有外部信號時輸入時，當前程序段停止，開始執(zhí)行下一程序段。在O9100中N10段程序表示砂輪以3 mm/min的速度消除間隙，當CNC系統(tǒng)檢測到主軸負載有輕微變化時，間隙消除關閉，程序跳轉至N12開始以粗磨進給速度開始磨削，該段程序目的是以較快速度消除間隙，節(jié)省加工時間。程序段N30、N40、N50則表示測量儀在測量尺寸到達設定值時，進給速度分別跳轉至P1、P2、P3進給速度。

2.4 宏變量的使用

宏程序中使用的宏變量包括局部變量和公共變量。公共變量可在宏程序中的任意位置使用，其變量號為#100～#199與#500～#999，其中#500～#999為保持型公共變量其特點是關機不清零。而#100～#199的公共變量以及局部變量在關機后會清零，每次調用程序都需要重新賦值。局部變量為#1～#33，它常用于主程序以G65調用宏程序時以參數(shù)的形式進行設定，常用的局部變量見表1所示。

表1 常用局部變量號對應地址

O9100程序中#500表示砂輪設定安全位置，X表示外徑終磨尺寸，U表示外徑總磨量，W表示端面起始位置，H表示端面粗磨量，D表示端面精磨量，I表示外徑粗磨量，J表示外徑精磨量，A表示粗磨進刀速度，B表示精磨進刀速度，C表示P1進給速度，E表示P2進給速度，F(xiàn)表示P3進給速度，S表示外徑光磨時間。

2.5 加工過程介紹

整個加工過程包括砂輪修整、端測定位、主動測量儀設定以及工件磨削循環(huán)。

（1）砂輪修整是加工精度的保證，在首次加工之前，由于砂輪表面狀況不明，應先修整砂輪。當砂輪磨削一定數(shù)量的轉軸后，砂輪表面需要重新修整，每次加工程序都會自動判斷是否到達修整砂輪的加工次數(shù)，若達到則修整砂輪。修整結束后系統(tǒng)會根據(jù)程序把修整量補償?shù)焦ぜ鴺讼岛蜕拜喿鴺讼邓硎镜奈恢米兞坷铩?/p>

（2）端測定位：在機械坐標系下通過工件位置預先設定端測位置，其X軸、Z軸位置信息分別存儲在共變量#601和#602之中，每次加工時系統(tǒng)讀取該位置信息即可對工件進行定位。

（3）主動測量儀設定：采用標準件對主動測量儀進行設定，調整量儀上下兩測臂使其綜合讀數(shù)為零，調整完畢后放置上待加工件，此時用主動測量儀測量的讀數(shù)即為該工件的磨削余量。根據(jù)磨削余量設定P1、P2跳轉點，P3為零點。一般將P2設為0.01 mm，P1設為0.03 mm。

（4）工件磨削循環(huán)：當定位完成后，砂輪向轉軸待磨位置進給，期間速度依次減慢直到設定位置，之后砂輪以3 mm/min的速度消除間隙，接著主動測量儀前進至軸頸處開始測量，之后X軸、Z軸以粗磨削進給速度和精磨削進給速度通過直線插補同時磨削轉軸軸肩和軸頸處。當軸肩處磨量磨削完畢后，磨削進給速度由精磨進給速度降為P1進給速度，開始單獨磨削軸頸處。隨著磨量逐漸減小，當測量儀感應到設定的P1點后(P1燈亮)，磨削進給速度降為P2進給速度，并以此速度繼續(xù)進給，直到測量儀感應到設定的P2點(P2燈亮)，磨削進給速度降為P3進給速度，并以此速度繼續(xù)進給，直到測量儀感應到設定的P3點(P3燈亮)，之后光磨一定時間后達到最終尺寸，之后量儀退出，X軸以快速退刀速度返回初始位置，加工完成。

3 加工結果對比

本公司轉軸精磨加工采用先試磨出合格的首件，將其作為標準件為接下來的加工提供尺寸參考。這里以磨削直徑為50 mm轉軸軸頸和軸肩處為例，磨削余量為0.1 mm左右，其中軸頸最終尺寸要求為49.995 mm～50 mm之間，錐度≤2μm，圓度≤2μm，粗糙度≤0.4μm；軸肩處要求粗糙度≤0.4μm，與軸頸的垂直度≤5μm。

該批轉軸零件共100根，采用的標準件直徑為49.998 mm。用G32A數(shù)控磨床運行程序O0001結合在線測量系統(tǒng)磨削其中40根，使用M1432B萬能磨床磨削40根，在不使用測量儀時使用G32A數(shù)控磨床加工10根，半自動磨床因為進給時有輕微的沖擊，一般不用來進行精磨加工，這里也加工10根來做對比，實際加工結果見表2所示。

加工結果表明M1432B萬能磨床和半自動磨床加工次數(shù)最多，一個零件需反復加工4～6次，操作人員還需停機測量，加工時間長，精度統(tǒng)一性差，都有較多不合格品產生。而G32A數(shù)控磨床在不使用測量儀的情況下，每件零件也需反復加工2～3次，精度分散范圍也比使用測量儀加工時大。

表2 加工結果對比

當使用在線測量系統(tǒng)時，僅需運行一次程序即可完成零件加工，加工效率高；40件已加工零件精度分散范圍在2μm以內，各項要求均在公差范圍內，精度一致性很好；特別是對軸肩處的磨削效果好，比手動磨床“靠磨”所得表面粗糙度很大的提升；操作人員只需更改個別參數(shù)即可加工不同零件，操作簡單、易學，工作強度低。

4 結論

將主程序和宏程序結合起來編制加工程序，運用在線測量系統(tǒng)進行轉軸精密加工，相比其他加工方式優(yōu)勢明顯，能夠節(jié)省大量時間和勞動力，降低了加工成本，提高了產品合格率、工件精度和尺寸一致性，特別適用于大規(guī)模生產?，F(xiàn)公司對成批次的轉軸零件全部采用在線測量系統(tǒng)進行數(shù)控加工，產品質量和加工效率都有了明顯提高，收到了良好的經濟效益。

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