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(1.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jī)床都安裝了智能制造控制系統(tǒng)，有效的提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性[2]。在磨削加工過程中，減少砂輪空行程時(shí)間是提高生產(chǎn)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(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)變化，進(jìn)而使主軸電機(jī)的輸入電流也相應(yīng)變化。文中利用霍爾傳感器為感應(yīng)原件對(duì)主軸電機(jī)的輸入電流進(jìn)行檢測(cè)，通過智能制造控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸電機(jī)電流信號(hào)，建立切削力自適應(yīng)智能制造系統(tǒng)。

1消空程裝置的主要功能

目前磨床在進(jìn)行磨削加工時(shí)，根據(jù)安全操作規(guī)程，砂輪的進(jìn)給分為二個(gè)階段，第一階段為快速進(jìn)給階段，砂輪以最快的速度到達(dá)指定的安全位置；第二階段為空程進(jìn)給階段，砂輪經(jīng)過快速進(jìn)給階段后降低速度到達(dá)指定的加工位置，然后進(jìn)行磨削加工，一般此加工位置主要依靠操作工人的經(jīng)驗(yàn)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(chǎn)過程中會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)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(cè)主軸電機(jī)的輸入電流，將電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較核對(duì)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dá)安全位置，然后根據(jù)設(shè)定的位置參數(shù)以空程速度接近工件，當(dāng)砂輪接觸到工件時(shí)，主軸電機(jī)電流將發(fā)生變化，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)就會(huì)瞬間增加并且超過設(shè)定值，這時(shí)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(chǎn)過程中節(jié)約大量的時(shí)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(jī)床啟動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生負(fù)載，只有少數(shù)情況下加工負(fù)載和主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)矩處于不正常范圍，其他絕大多數(shù)情況下加工負(fù)載處于一個(gè)正常范圍內(nèi)。當(dāng)磨削砂輪接觸工件時(shí)，根據(jù)接觸面積程度，會(huì)發(fā)出不同的負(fù)載信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)接收的信號(hào)值和設(shè)定的信號(hào)值進(jìn)行比較，將會(huì)確定當(dāng)前所處的磨削狀態(tài)，并發(fā)出不同的控制信號(hào)，使磨床執(zhí)行不同的加工程序，以達(dá)到磨削加工工藝要求。消空程裝置系統(tǒng)包含一個(gè)DC24V航空電纜插頭，三個(gè)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(cè)量主軸電機(jī)電流時(shí)，我們采用霍爾電流傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，頻率頻率響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍輸出電勢(shì)的變化大，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)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(jī)床連接，同時(shí)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(fù)責(zé)信號(hào)的處理分析，將分析結(jié)果傳送給磨床的數(shù)控系統(tǒng)或PMC，從而控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)。

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(jī)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(jì)算，并由此可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

(1)

3 消空程裝置系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用

以日升3MK1412BG磨床對(duì)QJ4583.8/8軸承套圈進(jìn)行粗磨外溝加工為例，主軸電機(jī)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(jìn)行快速趨近工件，這是砂輪初時(shí)接觸到軸承套圈時(shí)，主軸電機(jī)功率突然增加到750W左右，然后逐漸降低主軸電機(jī)功率進(jìn)行粗磨，粗磨的同時(shí)電機(jī)功率呈遞增趨勢(shì)，最后進(jìn)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(shí)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(jìn)行自動(dòng)控制，當(dāng)砂輪接近工件時(shí)主軸電機(jī)功率突然增加到750W左右，然后以500W左右的功率進(jìn)行快速趨近，當(dāng)砂輪完全接觸到軸承套圈第一點(diǎn)時(shí)，智能控制系統(tǒng)就做出反應(yīng)，主軸電機(jī)功率突然增加到1200W左右時(shí)，然后以正常的磨削速度開始磨削加工，磨床開始實(shí)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(shí)現(xiàn)，當(dāng)砂輪接觸到套圈第一點(diǎn)時(shí)，智能制造系統(tǒng)的霍爾傳感器會(huì)檢測(cè)到磨削力產(chǎn)生的階躍信號(hào)，智能制造控制系統(tǒng)捕捉到這個(gè)信號(hào)后，向電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送指令，降低進(jìn)給速度進(jìn)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(jī)床中，如果不采用消空程系統(tǒng)，在公差帶范圍內(nèi)就必須采用磨削速度進(jìn)給，假設(shè)采用的磨削速度為v=60μm/min，空行程所用的最長(zhǎng)時(shí)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(shí)間。通過對(duì)QJ4583.8/8軸承粗磨外溝的加工時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，未使用消空程系統(tǒng)實(shí)際加工時(shí)間為16.89s，而使用消空程系統(tǒng)后實(shí)際加工時(shí)間降低到15.11s，節(jié)約了1.78s,加工效率提升了10%，這樣既實(shí)現(xiàn)消空程又不影響磨削加工的質(zhì)量和安全性。如圖6所示，紅色為未使用消空程系統(tǒng)，藍(lán)色為使用消空程系統(tǒng)。通過對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行對(duì)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(chǎn)品質(zhì)量對(duì)比

4 結(jié) 論

通過研究主軸電機(jī)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(jī)的電流變化與磨削力的變化是緊密相關(guān)的，通過測(cè)量主軸電機(jī)輸入電流來計(jì)算磨削速度是合理可行的，由于信號(hào)傳遞存在一定的延時(shí)性，這也為智能制造控制器的參數(shù)設(shè)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(shí)間，而且提高了機(jī)床的安全性和加工質(zhì)量的穩(wěn)定性，對(duì)不同操作人員降低了要求，這也是我國(guó)智能制造發(fā)展的必然趨勢(shì)，智能制造控制系統(tǒng)也將被廣泛的應(yīng)用到制造業(yè)。