基于智能系統(tǒng)磨削力測量的方法研究①

張本松，陳曉雨，謝志超，柯 珂，廖德偉，曾 磊

(1.宣城職業(yè)技術(shù)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

隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，對產(chǎn)品表面質(zhì)量和精度都提出了更高的要求，一般磨削是機械加工最后一道工序，特別是在加工回轉(zhuǎn)類零件——軸承，軸承套圈磨削是在軸承車削后經(jīng)熱處理的工序，可細分為磨削加工、超精研磨加工兩道工序[1]，在磨削加工、超精研磨加工過程中，要求磨床主軸轉(zhuǎn)速高，磨削加工精度高，從而提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，降低軸承在運動過程中的振動和噪音，滿足客戶的需要。在磨削加工、超精研磨加工過程中采用消空程智能系統(tǒng)可以減少加工時間，提高軸承套圈的基本尺寸、輪廓度和曲率[1]。

1 消空程智能系統(tǒng)工作原理

在磨削加工過程中，消空程是磨削過程監(jiān)控的一個難點[3]。磨削加工主要分為三個階段：第一階段是磨削砂輪以一定速度接近工件；第二階段是磨削砂輪對工件進行切入磨削；第三階段是磨削砂輪加工完工件后安全返回安全點。在生產(chǎn)過程中，第一階段主要靠操作工人的技術(shù)水平來調(diào)整進給速度，所以同樣的距離用時存在很大的差異，往往會浪費大量的時間。

為節(jié)約第一階段和第三階段的時間，提高生產(chǎn)效率，在生產(chǎn)過程中搭建了一套消空程智能系統(tǒng)[4]，分析軸承套圈磨削加工過程，如圖1所示，利用霍爾傳感器在線檢測軸承內(nèi)圈精磨溝道加工過程功率信號、位移信號，對采集到的各種信號進行A/D轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)接嬎銠C進行對比校對，實現(xiàn)間接測量砂輪與工件之間的磨削力信號。

本次研究所使用的機床型號為無錫藍馬機床廠3MZ311軸承內(nèi)圈自動超精機床，采用切入式磨削，磨床砂輪轉(zhuǎn)速為2750r/min，工件頻率在10～20Hz。在軸承內(nèi)圈自動超精機床上加裝智能制造控制器，利用功率傳感器和電流傳感器檢測軸承內(nèi)圈精磨溝道加工過程中磨床主軸電機功率信號的變化，經(jīng)放大電流、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波處理后，智能制造控制器收到信號后，將分析磨床主軸電機功率信號的變化的情況，其磨床主軸電機瞬時功率采用公式(1)進行計算。軸承內(nèi)圈精磨溝道加工過程中的位移變化是通過位移傳感器進行在線監(jiān)測，將檢測的結(jié)果傳送給智能制造控制。智能制造控制器根據(jù)磨床主軸電機功率的變化信號和位移傳感器監(jiān)測的信號來進行分析處理，從而控制軸承內(nèi)圈自動超精機床的運動，如圖2。

圖1 智能制造控制器信號連接圖

圖2 智能制造控制器結(jié)構(gòu)圖

(1)

式中，P為磨床主軸電機瞬時功率，u1，u2，u3為電路各項電壓的瞬時值，i1，i2，i3為電路各項電流的瞬時值。

2 消空程智能系統(tǒng)磨削力的測量

本文以無錫藍馬機床廠3MZ311軸承內(nèi)圈自動超精機床精磨內(nèi)圈溝道為例，軸承內(nèi)圈溝道精磨主要分為粗磨和精磨兩個階段。一種是通過技術(shù)工人手動控制機床進給裝置快速接近軸承內(nèi)圈，觀察砂輪和軸承內(nèi)圈的相對位置，逐漸減少兩者的距離，軸承內(nèi)圈與砂輪接觸開始軸承內(nèi)圈溝道精磨中的第一個階段粗磨，這時磨床主軸電機瞬時功率會增大，當軸承內(nèi)圈溝道精磨開始第二個階段精磨時機床功率相對穩(wěn)定，如圖3所示。另一種是使用消空程智能系統(tǒng)，在軸承內(nèi)圈溝道磨削過程中，機床啟動會產(chǎn)生負載，一般情況下都處于一個正常的變化范圍，當磨床砂輪與軸承內(nèi)圈溝道接觸時，因為軸承內(nèi)圈溝道與砂輪接觸面大小不一樣，負載信號變化就不相同，利用消空程智能系統(tǒng)收集到的信號值與設(shè)定值相比較，系統(tǒng)將會確定砂輪和軸承內(nèi)圈溝道當前所處的磨削狀態(tài)，并發(fā)出不同的控制信號，使機床執(zhí)行不同的加工程序，以滿足磨削加工工藝過程需要，如圖4所示。由圖3分析出未使用消空程系統(tǒng)磨床主軸電機功率在快跳階段由3000W降低到1375W，快趨階段由1375W降低到1000W，軸承內(nèi)圈溝道精磨由1000W降到600W；由圖4分析出使用消空程系統(tǒng)磨床主軸電機功率在快跳階段由3000W降低到2100W，快趨階段由2100W降低到1800W，軸承內(nèi)圈溝道精磨由1800W降到1500W，使用消空程智能系統(tǒng)能夠使磨床主軸電機保持一定高速，有利于提高軸承內(nèi)圈溝道的表面粗糙度和加工效率。

圖3 未使用消空程智能系統(tǒng)

圖4 使用消空程智能系統(tǒng)

圖5 平均效率提升13%

圖6 平均效率提升15%

通過在某公司軸承內(nèi)圈溝道精磨生產(chǎn)線上應用消空程智能系統(tǒng)的磨削加工和傳統(tǒng)的磨削加工進行對比，對磨床在純加工時間19s以內(nèi)生產(chǎn)的軸承內(nèi)圈進行了統(tǒng)計，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用消空程智能系統(tǒng)的磨床平均生產(chǎn)效率提高了13%至15%，如圖5、6所示。

根據(jù)內(nèi)圈精磨溝道加工的要求，對軸承內(nèi)圈溝道直徑(di)、橢圓度(Vdip)、側(cè)擺(Si)、壁厚差(Ki)、溝位、溝道曲率(R)、粗糙度(Ra)、燒傷等檢測，具體檢測項目要求、檢測儀器量具及型號如表1所示。

表1 內(nèi)圈精磨溝道檢測項目及要求

通過檢測儀器量具D022、H902、專用刮色鋼球和對照標準件對內(nèi)圈精磨溝道進行了檢測，根據(jù)檢測結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，使用消空程智能系統(tǒng)相對于未使用消空程智能系統(tǒng)的軸承內(nèi)圈的橢圓度(Vdip)精度提高了0.0005μm，壁厚差(Ki)降低了0.001μm，溝道曲率(R)降低了0.0008μm，粗糙度(Ra)降低了0.003μm。

消空程智能系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)主要調(diào)整快趨余量、粗磨余量、快趨速度和粗磨速度，一般調(diào)整前后快趨、粗磨兩者余量相加與原來保持不變，其中快趨余量將增大，保證工件與砂輪在快趨階段接觸，快趨速度將降低，保證磨削加工安全，不發(fā)生碰撞，如表2所示。

表2 消空程智能系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

3 結(jié) 語

以軸承內(nèi)圈溝道精磨加工為研究對象，在不改變磨床任何配置下，安裝消空程智能系統(tǒng)，通過功率傳感器和電流傳感器檢測磨床加工過程中主軸瞬時功率變化，位移傳感器檢測磨床加工過程中砂輪的移動量，消空程智能系統(tǒng)對兩者檢測數(shù)據(jù)進行分析處理，實時的調(diào)整機床的進給速度和機床主軸功率，這樣可以減少軸承磨削加工空程，提高產(chǎn)品加工效率10%以上，同時也大大提高了機床的安全性和穩(wěn)定性，不同技術(shù)的操作人員也可保證穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)企業(yè)智能制造發(fā)展的需要，消空程智能系統(tǒng)將會被大多數(shù)企業(yè)所采納。