基于主軸電流信號的消空程測量方法研究①

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(1.宣城職業(yè)技術學院，安徽 宣城 242000;2.寧波慈興軸承有限公司，浙江 寧波 315301)

0 引 言

目前很多機床都安裝了智能制造控制系統(tǒng)，有效的提高了生產效率和生產安全性[2]。在磨削加工過程中，減少砂輪空行程時間是提高生產效率主要手段之一。通過在磨削加工過程中發(fā)現(xiàn)砂輪的切削力不斷發(fā)生變化，主軸電機輸出的轉矩也相應變化，進而使主軸電機的輸入電流也相應變化。文中利用霍爾傳感器為感應原件對主軸電機的輸入電流進行檢測，通過智能制造控制單元實時監(jiān)測主軸電機電流信號，建立切削力自適應智能制造系統(tǒng)。

1消空程裝置的主要功能

目前磨床在進行磨削加工時，根據(jù)安全操作規(guī)程，砂輪的進給分為二個階段，第一階段為快速進給階段，砂輪以最快的速度到達指定的安全位置；第二階段為空程進給階段，砂輪經過快速進給階段后降低速度到達指定的加工位置，然后進行磨削加工，一般此加工位置主要依靠操作工人的經驗來確定，具有很大的差異性和不穩(wěn)定性。在指定加工位置后一般以磨削加工速度接近工件，所以在大批量生產過程中會浪費大量的時間。

如圖1,在安裝智能制造控制器后，通過霍爾傳感器監(jiān)測主軸電機的輸入電流，將電信號進行轉換，通過計算機進行比較核對，從而達到實時監(jiān)測砂輪和工件的切削力變化。智能制造控制器將控制砂輪以最的速度到達安全位置，然后根據(jù)設定的位置參數(shù)以空程速度接近工件，當砂輪接觸到工件時，主軸電機電流將發(fā)生變化，轉換后的電信號就會瞬間增加并且超過設定值，這時智能制造控制器立即將空行程速度逐漸降低到磨削加工速度，這樣在大批量生產過程中節(jié)約大量的時間。

圖1 消空程示意圖

2 消空程裝置系統(tǒng)的原理和組成

在磨削過程中，機床啟動就會產生負載，只有少數(shù)情況下加工負載和主軸電機的轉矩處于不正常范圍，其他絕大多數(shù)情況下加工負載處于一個正常范圍內。當磨削砂輪接觸工件時，根據(jù)接觸面積程度，會發(fā)出不同的負載信號，系統(tǒng)會根據(jù)接收的信號值和設定的信號值進行比較，將會確定當前所處的磨削狀態(tài)，并發(fā)出不同的控制信號，使磨床執(zhí)行不同的加工程序，以達到磨削加工工藝要求。消空程裝置系統(tǒng)包含一個DC24V航空電纜插頭，三個電流輸入、電壓輸出航空電纜插頭，如圖2。

圖2 消空程裝置系統(tǒng)的組成

在測量主軸電機電流時，我們采用霍爾電流傳感器，其結構簡單，體積小，頻率頻率響應寬，動態(tài)范圍輸出電勢的變化大，使用壽命長等特點，因此得到了廣泛的應用[3]，霍爾電流傳感器的互感器線圈與智能制造控制器IMC的I/O板的輸入端子連接，I/O板的輸出端子與機床連接，同時變頻器的輸出電壓與I/O板的輸入端子連接，如圖3所示。用霍爾元件的電流傳感器將接收到的傳送給智能制造控制器IMC，而智能制造控制系統(tǒng)負責信號的處理分析，將分析結果傳送給磨床的數(shù)控系統(tǒng)或PMC，從而控制機床的運動。

圖3 智能制造控制器I/O板連接圖

在穩(wěn)定狀態(tài)下，變頻器輸入到主軸交流伺服電機的等效直流電流[4]，即霍爾電流傳感器的互感器線圈接收到的電流，采用式1-1計算，并由此可以計算出電機的轉矩。

(1)

3 消空程裝置系統(tǒng)在實際中的應用

以日升3MK1412BG磨床對QJ4583.8/8軸承套圈進行粗磨外溝加工為例，主軸電機開始以290W左右的功率使砂輪快速的接近工件，未使用消空程系統(tǒng)只能通過人工來進行快速趨近工件，這是砂輪初時接觸到軸承套圈時，主軸電機功率突然增加到750W左右，然后逐漸降低主軸電機功率進行粗磨，粗磨的同時電機功率呈遞增趨勢，最后進行精磨，如圖4所示。

圖4 未使用消空程系統(tǒng)

圖5 使用消空程系統(tǒng)

圖6 實際使用效果圖

使用消空程系統(tǒng)是通過智能制造控制器IMC進行自動控制，當砂輪接近工件時主軸電機功率突然增加到750W左右，然后以500W左右的功率進行快速趨近，當砂輪完全接觸到軸承套圈第一點時，智能控制系統(tǒng)就做出反應，主軸電機功率突然增加到1200W左右時，然后以正常的磨削速度開始磨削加工，磨床開始實際的粗磨和精磨，如圖5所示。數(shù)控系統(tǒng)依托智能制造系統(tǒng)實現(xiàn)，當砂輪接觸到套圈第一點時，智能制造系統(tǒng)的霍爾傳感器會檢測到磨削力產生的階躍信號，智能制造控制系統(tǒng)捕捉到這個信號后，向電機驅動系統(tǒng)發(fā)送指令，降低進給速度進行磨削加工。

以制造QJ4583.8/8軸承套圈為例，粗磨外溝前厚度公差為±30μm，在數(shù)控機床中，如果不采用消空程系統(tǒng)，在公差帶范圍內就必須采用磨削速度進給，假設采用的磨削速度為v=60μm/min，空行程所用的最長時間為：

t=S/v=60/60=1min

若采用消空程系統(tǒng)則可以明顯減少空行程時間。通過對QJ4583.8/8軸承粗磨外溝的加工時間進行統(tǒng)計，未使用消空程系統(tǒng)實際加工時間為16.89s，而使用消空程系統(tǒng)后實際加工時間降低到15.11s，節(jié)約了1.78s,加工效率提升了10%，這樣既實現(xiàn)消空程又不影響磨削加工的質量和安全性。如圖6所示，紅色為未使用消空程系統(tǒng)，藍色為使用消空程系統(tǒng)。通過對產品質量進行對比發(fā)現(xiàn)，使用消空程系統(tǒng)后QJ4583.8/8軸承套圈的輪廓度-1精度提高了0.26μm，輪廓度-1精度提高了0.32μm，曲率-1降低了0.0136m，曲率-1降低了0.0008μm，如表1所示。

表1 產品質量對比

4 結 論

通過研究主軸電機電流與磨削力變化的情況后發(fā)現(xiàn)：在磨削過程中主軸電機的電流變化與磨削力的變化是緊密相關的，通過測量主軸電機輸入電流來計算磨削速度是合理可行的，由于信號傳遞存在一定的延時性，這也為智能制造控制器的參數(shù)設定提供了重要的依據(jù)。在日升3MK1412BG磨床中采用消空程系統(tǒng)，不僅提高了加工效率，縮短了加工時間，而且提高了機床的安全性和加工質量的穩(wěn)定性，對不同操作人員降低了要求，這也是我國智能制造發(fā)展的必然趨勢，智能制造控制系統(tǒng)也將被廣泛的應用到制造業(yè)。