固體聲監(jiān)控系統(tǒng)在曲軸磨床上的應(yīng)用

孫蘭芳　王磊

摘 要：論述了固體聲監(jiān)控系統(tǒng)在磨削工件和砂輪修整中的作用。加工時(shí)，通過分析固體聲曲線，可以了解磨削狀態(tài)，有效提高產(chǎn)品質(zhì)量；在砂輪修整時(shí)，觀察砂輪修整的固體聲曲線的接觸點(diǎn)，可以優(yōu)化金剛滾輪的損耗比參數(shù)，減少砂輪修整報(bào)警故障。

關(guān)鍵詞：砂輪修整；損耗比；固體聲；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TG659? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）09-0055-05

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.016

0? ? 引言

曲軸生產(chǎn)線精加工工藝一般采用磨削加工，磨削加工能保證加工尺寸和幾何公差，且質(zhì)量穩(wěn)定。我公司曲軸精加工使用德國進(jìn)口的高端CBN數(shù)控磨床，采用Dittel-System 6000固體聲監(jiān)控系統(tǒng)及傳感器監(jiān)控磨削加工和砂輪修整過程，若有異常，則觸發(fā)相關(guān)的報(bào)警及停止方式，提高了加工的安全性和工件的磨削質(zhì)量。

1? ? 固體聲監(jiān)控系統(tǒng)

1.1? ? 監(jiān)控原理

曲軸精加工高端數(shù)控磨床使用的是FANUC 31i-B5[1]數(shù)控系統(tǒng)，采用雙通道控制雙砂輪電主軸的結(jié)構(gòu)。固體聲Dittel AE6000[2]通過Profibus-DP總線連接到數(shù)控系統(tǒng)，AE6000固體聲監(jiān)控模塊每個(gè)砂輪主軸使用一個(gè)通過AE6000的#21接口連接到固體聲傳感器。固體聲傳感器[3]選用內(nèi)置在砂輪主軸動(dòng)平衡器內(nèi)的ID Senser（圖1），通過非接觸式發(fā)送器和接收器進(jìn)行信號(hào)與數(shù)據(jù)的傳輸，發(fā)送器和接收器的間隙是0.5～1 mm。

1.2? ? 固體聲參數(shù)設(shè)置及界面顯示

本機(jī)床開發(fā)了2個(gè)通道的程序，每個(gè)通道開發(fā)了4個(gè)Set參數(shù)（表1），每個(gè)Set設(shè)置4個(gè)Limit限值。固體聲監(jiān)控曲線通過工控機(jī)的屏幕顯示，通常嵌入在加工界面HMI的底部（圖2）。

2? ? 磨削加工

使用數(shù)控止推面端面外圓磨床加工曲軸凸臺(tái)外圓、法蘭外圓和端面、止推面，通道1“砂輪1”加工止推面，通道2使用成型“砂輪2”加工凸輪外圓、法蘭外圓和端面（圖3）。

2.1? ? 法蘭端面平面度接近公差上限

操作工在抽檢（抽檢頻次是50件/次）時(shí)發(fā)現(xiàn)曲軸法蘭端面的平面度為0.023 mm，接近公差上限，平面度要求是0～0.025 mm。

統(tǒng)計(jì)砂輪在一個(gè)修整周期（250件/次）的加工，跟蹤加工狀況：首件平面度為1.0 μm，增大抽檢頻次到10件/次，到100件時(shí)變成14.0 μm（圖4），平面度逐漸變大，有超公差的趨勢(shì)，磨削質(zhì)量[4]下降，需要研究磨削過程[5]。

2.2? ? 加工時(shí)固體聲監(jiān)控曲線

加工時(shí)，觀察固體聲監(jiān)控曲線（圖5），其使用的參數(shù)是“Set10，limit2”，磨削初始，固體聲陡然升起，隨后固體聲曲線平滑波動(dòng)。

按照監(jiān)控曲線分析[6]，磨削初始時(shí)固體聲陡然上升，可能在快進(jìn)時(shí)已經(jīng)接觸到工件，然后才進(jìn)入磨削狀態(tài)，但該過程監(jiān)控曲線未超limit2限值，機(jī)床未觸發(fā)報(bào)警。若在快進(jìn)行程就已經(jīng)接觸到工件，屬加工異常，則需調(diào)整設(shè)置固體聲參數(shù)，使固體聲監(jiān)控及時(shí)報(bào)警，觸發(fā)停止響應(yīng)，安全退出。

2.3? ? 程序軌跡及加工參數(shù)

從加工軌跡圖來分析（圖6），縱坐標(biāo)是X軸方向（顯示半徑），橫坐標(biāo)是Z軸方向，加工法蘭端面由Z軸決定加工尺寸。

由表2可知，法蘭端面的磨削過程是從“點(diǎn)2”到“點(diǎn)5”，Z軸坐標(biāo)106.45 mm到106 mm，磨削行程是0.45 mm。如果加工余量大于0.45 mm，那么砂輪就會(huì)在“點(diǎn)2”前即在快進(jìn)時(shí)接觸到工件。

根據(jù)以上分析，跟蹤加工測(cè)量一批工件，檢查加工余量（表3），余量不均，最大達(dá)到0.7 mm。

說明初始接觸是在快進(jìn)的時(shí)候，因快進(jìn)的沖擊，導(dǎo)致“砂輪2”外輪廓受損，并逐漸惡化脫粒（圖7）。法蘭端面與凸臺(tái)的交界附近因砂輪脫粒沒有加工完整，殘余堆積，造成平面度越來越差。

2.4? ? 解決方案

調(diào)整AE監(jiān)控的參數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)將limit2限值由50%調(diào)整到30%，確保加工異常時(shí)，機(jī)床報(bào)警安全停止，但不能解決加工的實(shí)際問題。

根據(jù)前面分析，因快進(jìn)沖擊，導(dǎo)致砂輪受損脫粒，造成平面度超差，解決方案如下：

方案一：從NC程序出發(fā)，將快進(jìn)的速度從50 mm/min降低到磨削速度3.5 mm/min，以磨削的速度走完快進(jìn)的行程，即使快進(jìn)行程中接觸到工件，對(duì)砂輪也沒有沖擊，保證砂輪的完好性，確保法蘭端面平面度加工良好，但這會(huì)使加工節(jié)拍延長6 s/件，不滿足節(jié)拍需求，只能作為臨時(shí)措施。

方案二：通過工藝控制前道工序的加工余量在0.45 mm以內(nèi)，快進(jìn)不接觸，砂輪不受損，就不會(huì)產(chǎn)生加工隱患，這也是比較合適的方法。

采用以上兩種方案，工件加工時(shí)的固體聲監(jiān)控曲線（圖8）波動(dòng)平緩，并且limit2限值已經(jīng)修改成30%，有效監(jiān)控固體聲曲線，在砂輪的一個(gè)修整周期內(nèi)，法蘭端面平面度加工良好。

3? ? 砂輪修整

數(shù)控軸頸磨床雙砂輪電主軸結(jié)構(gòu)，加工曲軸的5擋主軸頸和4擋連桿頸，陶瓷CBN砂輪使用金剛滾輪進(jìn)行磨削修整，如圖9所示。

3.1? ? 砂輪修整過程

砂輪修整分成4個(gè)過程（圖10）：Stage1碰撞循環(huán)、Stage2接觸循環(huán)、Stage3精確循環(huán)、Stage4精修循環(huán)。

3.1.1? ? Stage1和Stage2搜尋砂輪（Set1，limit1）

Stage1：碰撞循環(huán)，砂輪在X軸方向上，從理論的安全距離向前第一次慢速搜尋，此過程要求不能接觸到金剛滾輪，否則報(bào)警退出。

Stage2：接觸循環(huán)，在Stage1安全結(jié)束后，進(jìn)入快速搜尋過程，直至固體聲信號(hào)超越“Set1，Limit1”，表示已經(jīng)接觸到金剛滾輪，并記錄“接觸點(diǎn)”的坐標(biāo)，結(jié)束搜尋。

固體聲監(jiān)控曲線如圖11中Stage1和Stage2所示。

3.1.2? ? Stage3精確循環(huán)

使用固體聲參數(shù)“Set4，Limit2”監(jiān)控砂輪的修整過程，在程序中設(shè)定n次精確修整循環(huán)，即在n次循環(huán)內(nèi)固體聲監(jiān)控曲線全軌跡超越limit2值，表明砂輪輪廓修整好，否則“BM2231：輪廓未能修復(fù)”報(bào)警退回。

“BM2232固體聲信號(hào)不足”如圖12所示，“BM2231：輪廓未能修復(fù)”報(bào)警退回。

若未在砂輪修整接觸區(qū)域的空行程上，監(jiān)控圖形（直線段）也在limit2上面，則機(jī)床“BM2233固體聲信號(hào)持續(xù)過強(qiáng)”，如圖13所示，“BM2231：輪廓未能修復(fù)”報(bào)警退回。輪廓未能修復(fù)，先檢查機(jī)床，機(jī)床無異常，校對(duì)實(shí)際的接觸坐標(biāo)，然后再檢查固體聲監(jiān)控設(shè)置參數(shù)。按照實(shí)際調(diào)整參數(shù)——噪聲放大系數(shù)或限值比例，也可配合起來調(diào)整。

3.1.3? ? Stage4精修循環(huán)

Stage3完成后轉(zhuǎn)入Stage4，在Stage4中不監(jiān)控固體聲曲線，通過設(shè)定循環(huán)次數(shù)（本機(jī)設(shè)定2次）來結(jié)束修整過程，如圖11中Stage4所示。

對(duì)于修整砂輪從Stage1至Stage4的完整過程，固體聲監(jiān)控曲線如圖11所示。

3.2? ? 修整過程中的問題及解決

3.2.1? ? 砂輪修整報(bào)警

基于砂輪修整技術(shù)的研究[7]統(tǒng)計(jì)修整過程，大多數(shù)的故障報(bào)警發(fā)生在Stage1至Stage2搜尋砂輪過程中，報(bào)警類型有兩類：BM0362修整位置修改過大，BM0363運(yùn)行到修整位置——尺寸過大。

（1）BM0362報(bào)警。

從“安全位置”搜索到達(dá)“理論接觸點(diǎn)”，未接觸，再向前搜索到允許的“最大變化值”，還未接觸到金剛滾輪則報(bào)警，砂輪不退回，雖然修整未成功，但未接觸，相對(duì)安全。造成此現(xiàn)象的原因是金剛滾輪直徑實(shí)際值小，理論值大，需將金剛滾輪的損耗比減小到合適的參數(shù)，使得實(shí)際值與理論值接近。

（2）BM0363報(bào)警。

從“安全位置”向前搜索，還未到達(dá)“理論接觸點(diǎn)”，已經(jīng)接觸到金剛滾輪，機(jī)床報(bào)警，砂輪退回。此現(xiàn)象有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生的原因是金剛滾輪直徑實(shí)際值大，理論值小，需將金剛滾輪的損耗比提高到合適的參數(shù)，使得實(shí)際值與理論值相符，降低修整時(shí)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2? ? 問題解決

在Stage1至Stage2搜尋砂輪過程中，無論是BM0362報(bào)警還是BM0363報(bào)警，其根本原因都是金剛滾輪的實(shí)際損耗比R與理論設(shè)置值不相符。理論設(shè)置值初始是經(jīng)驗(yàn)值，需要經(jīng)過長期的數(shù)據(jù)積累才能修正準(zhǔn)確。

跟蹤金剛滾輪一個(gè)使用周期發(fā)現(xiàn)，金剛滾輪的消耗周期可能需加工十幾萬個(gè)工件，周期比較長，不能及時(shí)修正損耗比。

定期用數(shù)顯卡尺測(cè)量跟蹤記錄金剛滾輪的直徑d1、d2，計(jì)算金剛滾輪實(shí)際消耗量Δd金剛。通過修整頻次x件/次，每次的修整量p，加工工件m件，計(jì)算出金剛滾輪與砂輪修整時(shí)總消耗量Δd總和。

通過公式計(jì)算損耗比：

Δd金剛=d1-d2

Δd總和=（m/x）×p

R=Δd金剛/Δd總和

修改NC程序中的損耗比R，跟蹤砂輪修整的狀態(tài)，不斷修正損耗比R參數(shù)，直至符合實(shí)際的消耗，不再報(bào)警。

4? ? 結(jié)語

固體聲監(jiān)控在數(shù)控磨床上的應(yīng)用，提升了磨床的加工安全性和質(zhì)量穩(wěn)定性，并且對(duì)數(shù)控磨床實(shí)現(xiàn)智能化起到了重要作用。

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收稿日期：2023-02-15

作者簡(jiǎn)介：孫蘭芳（1980—），女，江蘇泰州人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電氣技術(shù)支持工作。