邢康林，沙 杰，趙海豹，吳劍鋒

(河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450007)

0 引言

磨削加工作為機(jī)械加工的一個(gè)重要手段，廣泛應(yīng)用于零件的精密加工。其中，零件中小孔磨削因其存在加工過程條件惡劣、機(jī)理復(fù)雜、磨削發(fā)熱量大等問題，制約著中小孔內(nèi)圓磨削質(zhì)量和效率的提高［1］。現(xiàn)在，國內(nèi)的數(shù)控精密內(nèi)圓磨床作為零件中小孔磨削的關(guān)鍵設(shè)備，普遍采用的磨削工件質(zhì)量評(píng)價(jià)方法是建立在機(jī)后測(cè)量的基礎(chǔ)上，缺乏對(duì)磨削過程的動(dòng)態(tài)了解，不能做到根據(jù)加工過程穩(wěn)定與否動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)床，提高磨削加工質(zhì)量及效率。鑒于此磨削監(jiān)控反饋系統(tǒng)的構(gòu)建尤為必要。

1 中小孔磨削特點(diǎn)

中小孔類零件磨削加工，在加工質(zhì)量上，對(duì)工件的圓度、表面粗糙度要求較高。以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)上的液壓挺桿類零件內(nèi)孔加工為例，其加工精度為：內(nèi)孔圓度≤1.2μm，表面粗糙度≤0.2μm［2］。在加工過程上，由于中小孔類零件的尺寸限制，磨削條件存在以下問題：①磨削加工條件惡劣，由于砂輪與工件的接觸空間狹小，極易出現(xiàn)發(fā)熱量大、冷卻條件差、工件容易產(chǎn)生熱變形的問題。②磨削精度低。磨削采用的砂輪直徑小且砂輪軸細(xì)長(zhǎng)，導(dǎo)致砂輪軸剛性差，易彎曲變形，出現(xiàn)圓柱度誤差。③生產(chǎn)率較低。由于中小孔類磨床砂輪存在有效層少、冷卻不足的缺陷，常導(dǎo)致砂輪磨耗快、易堵塞，故砂輪需常修整或更換。在加工工藝上，為克服加工過程中的缺陷，完成加工所需精度。生產(chǎn)加工過程中，一般采用減小磨削深度、增加光磨次數(shù)、定件修整砂輪、粗精磨結(jié)合的方法加以解決。

2 磨削監(jiān)控反饋系統(tǒng)的構(gòu)建

鑒于中小孔磨削的特點(diǎn)，從提高磨削質(zhì)量和磨削效率出發(fā)，建立磨削監(jiān)控反饋系統(tǒng)。系統(tǒng)的構(gòu)建必須要注意以下環(huán)節(jié)即信號(hào)的獲取、信號(hào)的采集、信號(hào)的分析與識(shí)別、反饋控制。本文以中小孔磨削高精度Z2-015型數(shù)控內(nèi)圓磨床為研究平臺(tái)，探討了磨削監(jiān)控反饋系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用。

2.1 中小孔磨削監(jiān)控反饋系統(tǒng)組成

中小孔磨削監(jiān)控反饋系統(tǒng)主要有信號(hào)采集模塊、信號(hào)分析處理模塊、磨床控制模塊、機(jī)械執(zhí)行模塊組成。其中信號(hào)采集模塊主要有AE傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡組成;信號(hào)分析處理模塊是建立Labview軟件的基礎(chǔ)上，利用該軟件提供的豐富的信號(hào)處理工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的高、低通濾波，進(jìn)而獲得準(zhǔn)確信號(hào);磨床控制模塊主要有PLC、人機(jī)界面等組成;機(jī)械執(zhí)行模塊主要有X、Z軸伺服電機(jī)、滾珠絲杠、伺服放大器等組成。詳細(xì)監(jiān)控反饋系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 中小孔內(nèi)圓磨削監(jiān)控反饋系統(tǒng)流程圖

針對(duì)磨削監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建，在原有研究平臺(tái)的基礎(chǔ)上，選擇信號(hào)的選取、采集、分析識(shí)別、反饋控制等部分做了詳細(xì)介紹。

2.2 信號(hào)的獲取

選擇適宜的監(jiān)控對(duì)象與監(jiān)控信號(hào)，是構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，磨削過程信息的獲得主要有磨削力檢測(cè)法、磨削功率檢測(cè)法、AE聲發(fā)射法等［3-5］。磨削力檢測(cè)信號(hào)易獲取、反應(yīng)快;功率檢測(cè)以磨頭電主軸實(shí)時(shí)功率為監(jiān)測(cè)對(duì)象，可以避免磨削中振動(dòng)、切削液等因素干擾，具有成本低、易使用的特點(diǎn);而AE聲發(fā)射法具有探測(cè)頻帶寬、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作，使用穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。對(duì)于中小孔磨削加工而言，首先，受限于加工空間，磨削測(cè)力裝置安裝困難。其次，由于中小孔精密磨削單次磨削余量小，消耗功率少，故要求功率檢測(cè)傳感器有較高的分辨率。而AE聲發(fā)射法接收磨削過程中砂輪與工件因相互作用而產(chǎn)生的彈性波，該方法不受加工環(huán)境影響，故可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)中小孔磨削過程的監(jiān)控［10］。

2.3 信號(hào)的采集

一個(gè)典型的信號(hào)采集模塊主要有傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集三部分組成。傳感器的主要作用是檢測(cè)出監(jiān)測(cè)對(duì)象的變化，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào);信號(hào)調(diào)理部分的主要作用在于將待測(cè)信號(hào)通過放大、濾波等操作轉(zhuǎn)換成采集設(shè)備能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)及隔離，避免高壓損壞數(shù)據(jù)采集卡;數(shù)據(jù)采集部分是把信號(hào)調(diào)理后的模擬信號(hào)，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換等操作傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行分析與識(shí)別。

以Z2-015數(shù)控精密內(nèi)圓磨床磨削監(jiān)控反饋系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用AE聲發(fā)射法獲得磨削過程信息。在選用AE傳感器時(shí)必須兼顧頻率寬度、諧振頻率、靈敏度等參數(shù)。利用全頻傳感器與RIGOL數(shù)字示波器在機(jī)床平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試(如圖2所示)，經(jīng)過時(shí)頻域分析，可以得到AE信號(hào)頻率測(cè)試結(jié)果(如圖3所示)，從而獲得中小孔磨削時(shí)的最高頻率、有效信號(hào)頻段等信息，進(jìn)而確定在數(shù)控精密內(nèi)圓磨床上的AE信號(hào)的頻寬。

圖2 測(cè)試儀器及安裝圖

圖3 AE信號(hào)諧振頻率測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過實(shí)際測(cè)定，得到了在Z2-015數(shù)控精密內(nèi)圓磨床上的AE信號(hào)最高頻率約為460KHZ，有效信號(hào)頻段為100～400KHZ，其中0～100KHZ頻段為機(jī)床背景噪聲區(qū)域［8，10］。故本系統(tǒng)采用PXR15聲發(fā)射傳感器，其諧振頻率為300kHz，頻率寬度為80kHz～400kHz，靈敏度為60dB，輸出電壓值一般為微伏級(jí)別。對(duì)于聲發(fā)射系統(tǒng)而言，前置放大器占有重要位置，其主要作用在于提高信噪比，保證高增益和低噪聲;抑制高電壓，抗擊電壓沖擊。在中小孔磨削中，經(jīng)過頻譜分析發(fā)現(xiàn)，通常存在著較高的機(jī)械噪聲(低于50KHZ)、液體噪聲(在80～800KHZ)。因此，抗干擾及抑制噪聲能力也必不可少。本系統(tǒng)選用的是PXPAⅣ聲發(fā)射寬帶前置放大器，其帶寬在15KHZ到1.5MHZ之間;增益為40bB，噪聲為2.8μVRMS。

在對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行選型時(shí)，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)，在采集聲發(fā)射信號(hào)時(shí)，某一時(shí)間段的信號(hào)的丟失，可能會(huì)出現(xiàn)重要識(shí)別信息的丟失，造成控制上重要判據(jù)的失效，進(jìn)而失去監(jiān)控的意義。因此，必須重點(diǎn)考慮以下指標(biāo)：①最大采樣率，即單位時(shí)間內(nèi)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)大小，最大采樣率越高則采集信號(hào)的失真率越低，但設(shè)備成本也會(huì)大幅提高。故應(yīng)根據(jù)信號(hào)頻率選擇最大采樣速度。在Z2-015數(shù)控精密內(nèi)圓磨床上應(yīng)用SAEC1聲發(fā)射儀進(jìn)行加工試驗(yàn)時(shí)，得到磨削加工中的聲發(fā)射信號(hào)的有效頻率為400KHZ左右，根據(jù)采樣定理，當(dāng)采樣頻率≥信號(hào)最大頻率的2倍時(shí)，采樣數(shù)字信號(hào)可以保留原始信號(hào)信息。故在數(shù)據(jù)采集卡選型時(shí)，必須保證最大采樣率≥1MSPS。②采樣精度?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)采集卡的采樣精度一般為12、14、16bit，以10V的量程為例，各采樣精度產(chǎn)生的測(cè)量誤差分別為2.44mv、0.6mv、0.15mv。根據(jù)檢測(cè)需要及成本兩方面考慮，構(gòu)建系統(tǒng)采用16bit的采樣精度。③通道數(shù)。主要包括兩類，即輸入通道和輸出通道(模擬、數(shù)字)。實(shí)際應(yīng)用中，輸入通道數(shù)常根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)使用傳感器的多少加以判斷;輸出通道數(shù)常根據(jù)控制對(duì)象的多少選取。本監(jiān)控系統(tǒng)用以監(jiān)控磨削過程及砂輪修整過程，故應(yīng)用兩輸入通道;輸出調(diào)節(jié)機(jī)床X軸及Z軸運(yùn)動(dòng)，故應(yīng)用兩輸出通道。④通訊方式。現(xiàn)有板卡的通訊方式主要有：USB、PCI、PXI等?？紤]到傳輸速度問題，為獲取豐富聲發(fā)射信號(hào)，選用PCI通訊方式。⑤其他參數(shù)，同步與否、緩存類型、觸發(fā)類型及量程等。綜上所述，本監(jiān)控系統(tǒng)選用NI-PCI6250型數(shù)據(jù)采集卡，該卡直接支持虛擬儀器Labview軟件，具有使用簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)。

2.4 信號(hào)的分析及識(shí)別

經(jīng)過數(shù)據(jù)采集的信號(hào)，包含了加工過程的具體信息。如何建立信號(hào)與加工過程的聯(lián)系，是監(jiān)控系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題。因此，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和識(shí)別。

中小孔磨削監(jiān)控反饋系統(tǒng)建立在Labview軟件的平臺(tái)上，利用Labview軟件強(qiáng)大地測(cè)試、測(cè)量及控制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削過程的動(dòng)態(tài)調(diào)整。本系統(tǒng)采用AE聲發(fā)射法，得到的AE信號(hào)屬于連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)，在中小孔磨削過程中，常伴有多種干擾噪聲，如磨床自身機(jī)械噪聲、控制系統(tǒng)電磁信號(hào)噪聲等，因此，該監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采取了時(shí)域分析、頻域分析相結(jié)合的分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削過程的動(dòng)態(tài)分析。

對(duì)于AE信號(hào)的識(shí)別，是建立在對(duì)信號(hào)的時(shí)域及頻域分析的基礎(chǔ)上的。在時(shí)域領(lǐng)域，主要有均值、方差、陡度、傾斜度、均方根等方法，其分別反映了AE信號(hào)的靜態(tài)分量變化、動(dòng)態(tài)變量變化、信號(hào)幅值分布的集中程度及對(duì)稱度、能量變化。在頻域領(lǐng)域，主要有應(yīng)用AE信號(hào)功率譜分析，用以識(shí)別砂輪狀態(tài)以及修整滾輪的狀態(tài)。比較并參照相關(guān)文獻(xiàn)，有不少學(xué)者選擇振鈴計(jì)數(shù)或者均方根電壓(RMS)雙特征來反映磨削過程［3，9］，均取得良好效果。

2.5 反饋控制

反饋對(duì)象的選取建立在對(duì)監(jiān)控過程詳細(xì)了解的基礎(chǔ)上。必須了解監(jiān)控對(duì)象的影響因素，進(jìn)而建立監(jiān)控對(duì)象與反饋對(duì)象之間的邏輯關(guān)系。以中小孔磨削加工過程為例，影響磨削的主要因素有：砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速、砂輪修整質(zhì)量、工件進(jìn)給速度、磨削深度、往復(fù)進(jìn)給速度等［1］。本監(jiān)控系統(tǒng)選取X軸及Z軸伺服系統(tǒng)為反饋控制對(duì)象，通過調(diào)節(jié)磨削深度及工件進(jìn)給速度大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)中小孔磨削過程的反饋調(diào)節(jié)。

3 監(jiān)控反饋系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用概述

中小孔磨削監(jiān)控反饋系統(tǒng)的建立目的在于提高磨削質(zhì)量以及磨削效率。在實(shí)際應(yīng)用過程中，主要通過實(shí)現(xiàn)磨削自動(dòng)對(duì)刀、磨削過程砂輪狀態(tài)識(shí)別、砂輪修整狀態(tài)識(shí)別、突發(fā)故障識(shí)別等功能加以實(shí)現(xiàn)［4-8］。其功能如下表1所示。

表1 磨削監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用簡(jiǎn)表

3.2 磨削自動(dòng)對(duì)刀應(yīng)用研究

現(xiàn)有中小孔磨削機(jī)床多采用手動(dòng)對(duì)刀方式，在機(jī)床X軸伺服系統(tǒng)以空程速度快速運(yùn)動(dòng)到安全位置后，轉(zhuǎn)為以磨削速度手動(dòng)進(jìn)給，通過砂輪與工件有無火花的形式，判斷對(duì)刀過程是否完成。

為減小對(duì)刀時(shí)間，提高對(duì)刀效率，以Z2-015數(shù)控精密內(nèi)圓磨床為例，介紹磨削自動(dòng)對(duì)刀功能。該磨床采用“人機(jī)界面+PLC+伺服系統(tǒng)”的控制模式，在該機(jī)床原有程序的基礎(chǔ)上，結(jié)合磨削自動(dòng)對(duì)刀功能，插接磨削自動(dòng)對(duì)刀控制邏輯及相應(yīng)PLC控制程序。磨削自動(dòng)對(duì)刀的控制邏輯如圖4所示，PLC的部分變量規(guī)劃如表2所示，對(duì)于PLC程序的編寫主要采用了梯形圖的方法，部分程序如圖5所示。

表2 Z2-015數(shù)控精密內(nèi)圓磨床PLC部分變量規(guī)劃表

圖4 磨削自動(dòng)對(duì)刀控制邏輯示意圖

圖5 磨削自動(dòng)對(duì)刀部分PLC程序圖

將編寫的PLC程序輸入到磨床數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行，機(jī)床在獲得磨削監(jiān)控反饋系統(tǒng)的對(duì)刀觸發(fā)信號(hào)之后，可以實(shí)現(xiàn)磨床相關(guān)控制部件的運(yùn)動(dòng)。能夠縮短磨床空程運(yùn)動(dòng)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

本文闡述了中小孔精密磨削過程監(jiān)控反饋系統(tǒng)的組成關(guān)鍵，并探討了其主要應(yīng)用功能。針對(duì)磨削自動(dòng)對(duì)刀功能的應(yīng)用，結(jié)合中小孔磨削工藝，對(duì)監(jiān)控反饋系統(tǒng)的對(duì)刀控制流程及PLC程序編制做了重點(diǎn)說明。該程序經(jīng)過磨床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了磨床相關(guān)控制部件的既定運(yùn)動(dòng)，提高了磨削效率。

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