基于磨削防碰撞系統(tǒng)的研究

張本松，陳曉雨，王仕雄，郭 丹

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽宣城242000)

隨著先進(jìn)制造技術(shù)上和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)磨削加工的安全性和生產(chǎn)效率提出了更高的要求，在傳統(tǒng)的磨削加工中，主要依靠操作工人的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行零件的加工，有時(shí)由于安全意識(shí)不強(qiáng)和操作不夠規(guī)范，磨削砂輪在軸承套圈磨削過程容易與零件或機(jī)床部件就會(huì)發(fā)生碰撞[1]。以軸承套圈磨削加工為例，在不改變磨床任何配置的情況下，加裝聲發(fā)射傳感器，在加工過程中，當(dāng)實(shí)時(shí)功率超過防碰撞閾值后，智能中央控制器會(huì)發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給磨床，機(jī)床進(jìn)給回撤，上下料的擋料機(jī)構(gòu)氣缸立即動(dòng)作，通道打開，該料圈落入下方的紅色警示料盒，機(jī)床發(fā)出聲光報(bào)警停機(jī)，避免碰撞發(fā)生。

1 防碰撞系統(tǒng)工作原理

防碰撞系統(tǒng)由聲發(fā)射傳感器、智能中央控制器、防碰撞人機(jī)界面系統(tǒng)和聲光報(bào)警器構(gòu)成，如圖1所示。聲發(fā)射傳感器安裝在磨床主軸上，對(duì)磨床主軸在不同加工階段的主軸電機(jī)功率變化進(jìn)行采集，將采集到的功率變化信號(hào)通過光纜傳送給智能中央控制器，由智能中央控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，將處理后的信號(hào)通過航空插頭傳送給數(shù)控系統(tǒng)、PLC和防碰撞人機(jī)界面系統(tǒng)，控制機(jī)床進(jìn)給、主軸電機(jī)和上下料的擋料機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

圖1 防碰撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 防碰撞系統(tǒng)信號(hào)值

聲發(fā)射傳感器監(jiān)測砂輪的實(shí)時(shí)變化信號(hào)，砂輪與工件接觸主要由彈性接觸、砂輪黏結(jié)劑破裂、砂輪磨粒崩碎、砂輪磨粒與工件摩擦、摩擦磨損以及工件表面裂紋等發(fā)射出彈性波，可用于監(jiān)測砂輪與工件表面接觸狀態(tài)[2]。聲發(fā)射傳感器工作有效頻率在10KHZ～10MHZ。磨床運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音一般都處于低頻范圍，磨床在磨削加工中產(chǎn)生的噪音一般都處于超聲波范圍[3]，通過聲發(fā)射傳感器可以區(qū)分磨床磨削加工過程中正常磨削頻率和碰撞瞬時(shí)頻率，如圖2所示。磨床對(duì)軸承套圈進(jìn)行磨削加工時(shí)，首先砂輪以一定速度接近軸承套圈，當(dāng)砂輪第一次接觸到軸承套圈時(shí)，聲發(fā)射傳感器就會(huì)將監(jiān)測到的頻率信號(hào)發(fā)送給智能中央控制器，智能中央控制器與防碰撞系統(tǒng)設(shè)定的頻率值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)瞬時(shí)頻率信號(hào)超過防碰撞閾值后，防碰撞人機(jī)界面系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)向智能中央控制器反饋信號(hào)，根據(jù)反饋信號(hào)，智能中央控制器會(huì)向磨床發(fā)出進(jìn)給回撤命令，上下料的擋料氣缸立即動(dòng)作，通道打開，套圈就會(huì)落入下方的紅色警示料盒，磨床報(bào)警并停機(jī)，有效地的防止碰撞事故的發(fā)生。

2 防碰撞系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

以無錫機(jī)床廠3MZ143A磨床加裝防碰撞系統(tǒng)為例，在磨床磨削加工前，對(duì)防碰撞人機(jī)界面系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)行系統(tǒng)配置，如圖3所示，需對(duì)基礎(chǔ)功率、觸發(fā)功率百分比、極限功率、觸發(fā)方式、快趨余量、快趨速度、粗磨余量和粗磨速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如表1所示。

表1 防碰撞系統(tǒng)參數(shù)

防碰撞人機(jī)界面系統(tǒng)主界面主要有運(yùn)行狀態(tài)顯示功能、系統(tǒng)參數(shù)配置功能、機(jī)床功率修正功能、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能和數(shù)據(jù)查看功能?；A(chǔ)功率為磨床主軸砂輪空轉(zhuǎn)狀態(tài)下的功率，一般防碰撞人機(jī)界面系統(tǒng)是通過磨床空轉(zhuǎn)5S后將智能中央控制器采集到的功率信號(hào)記憶下來作為基礎(chǔ)功率[4]，這樣獲得的基礎(chǔ)功率設(shè)置比較準(zhǔn)確。

圖3 系統(tǒng)配置

圖4 上下料的擋料機(jī)構(gòu)

磨床磨削主軸的功率為：

P=kpFtvs

(1-1)

式中，P為磨床主軸的功率；kp為磨床主軸砂輪功率系數(shù)，其數(shù)值由磨削條件來決定；Ft為切向的磨削力；vs為磨床主軸砂輪的線速度。

極限功率是磨床主軸砂輪在負(fù)載的情況下最大功率，當(dāng)聲發(fā)射傳感器監(jiān)測到的功率大于或等于防碰撞系統(tǒng)設(shè)定的極限功率時(shí)，智能中央控制器就會(huì)給磨床發(fā)出停機(jī)指令，防碰撞人機(jī)界面系統(tǒng)給聲光報(bào)警發(fā)出報(bào)警，同時(shí)磨床的上下料的擋料機(jī)構(gòu)根據(jù)I/O處發(fā)出的24V低電平觸發(fā)信號(hào)后，擋料氣缸立即動(dòng)作，通道打開，料圈落入下方的紅色警示料盒(如圖4所示)，待確定磨床主軸砂輪的狀態(tài)后，按循環(huán)啟動(dòng)按鈕后擋料就會(huì)自動(dòng)復(fù)位。使用防碰撞系統(tǒng)后軸承套圈加工時(shí)間節(jié)省了1.78S，加工效率提高了10%，產(chǎn)品加工精度也提高了0.3mm。

結(jié)語

通過對(duì)3MZ143A磨床加裝防碰撞系統(tǒng)，利用聲發(fā)射傳感器在線監(jiān)測磨床空運(yùn)行和磨削加工狀態(tài)下的頻率變化，智能中央控制器對(duì)監(jiān)測到頻率信號(hào)與防碰撞人機(jī)界面系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，判斷磨床是否處于碰撞狀態(tài)，可大幅度提升磨床加工的安全性和穩(wěn)定性，保證了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低設(shè)備改造的成本，防碰撞系統(tǒng)將被軸承行業(yè)普遍應(yīng)用和推廣。