高硬度回轉球面精密磨削系統的數字控制技術*

柴運東 許黎明② 李冬冬 許開州 胡德金

(①上海交通大學機械與動力工程學院，上海200030;②重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶400044)

在煤液化、核能發電等領域，球閥的應用十分廣泛。為了滿足惡劣工況條件下耐高溫、耐高壓、抗熱沖擊等要求，通常在球閥關閉件球體上噴涂WC-Co等高硬度涂層材料，同時為了防止閥門內泄，對球體的形狀精度要求較高，一般來說對于直徑400 mm的球體形狀誤差應≤8 μm。上述技術要求給大面積涂層球面高精度加工制造提出了新的課題。

加工高硬度涂層材料的方法通常有車削、磨削、研磨和拋光等機械加工技術，也有電火花加工、激光等特種加工技術。國內學者采用超聲振動的方法車削等離子涂層取得了一定的效果［1-2］。文獻［3］和［4］在陶瓷涂層精密磨削機理方面進行了深入地研究。在高硬度涂層材料加工方法中，使用金剛石砂輪進行磨削應用最為廣泛，占所用加工方法的80%［5］。

目前針對高硬度涂層的磨削研究大多局限在平面磨削，而對曲面磨削尤其是球面高硬度涂層磨削的研究方興未艾。在磨削高硬度涂層球面時出現了一系列新的問題，如磨削效率較低，磨削比能高，磨削力對加工影響非常大，涂層表面完整性要求高等，同時伴隨有一些特有的工藝現象，如磨削力隨球體表面粗糙度值減小而增大對磨削效率產生影響等。實踐證明采用傳統磨削方式在這些問題上難有大的突破。

本文介紹了自主研發的高硬度球面加工用數控精密球面磨床的加工原理，重點分析了磨削系統的數字控制技術，討論了高硬度回轉球面精密磨削系統的數控軟件設計方法，闡述了數控軟件的程序結構設計要點、磨削過程適應控制和磨削參數動態優化等關鍵技術。

1 MD6040型數控精密球面磨床

MD6040型數控精密球面磨床的基本結構原理如圖1所示。加工時，工件在工件主軸的帶動下做回轉運動，回轉工作臺帶動磨頭繞回轉中心旋轉，機械上保證了兩個回轉運動的軸心線相交，從而實現球面成形切削運動。該球面磨床具有以下特點:

(1)機床加工精度高 可以實現工件主軸的回轉軸線、尾座頂尖的回轉軸線、回轉工作臺的回轉軸線、磨頭回轉軸線在空間相交于一點，從原理上保證了加工球體的形狀精度。

(2)球體工件裝夾工位可以檢測和調整 通過調整工件的工位，使球體的球心和“四心合一”點重合，保證了球體的形狀精度。

(3)加工的柔性好 回轉工作臺可以±30°擺動，可以加工直徑80～400 mm的球體。

(4)操作直觀方便 機床采用人機交互編程方式，操作員只需要在操作面板上輸入和設置好相應的參數就可以進行加工，同時加工狀態實時監控。

(5)機床電氣電路可靠、維護方便 采用上下位機分層控制結構，機床整體的電氣電路簡便可靠。

2 專用數控軟件的設計

數控精密球面磨床控制系統采用上下位機分層控制結構，下位機PLC控制器是數控軟件的主要載體，完成磨頭進給軸、工作臺回轉軸、主軸和尾座進給的實時插補和運動控制、工件和砂輪的速度控制、報警等功能，上位機基于工控計算機，完成磨削過程狀態數據采集分析和處理、參數設置和狀態監視等功能。上下位機通過高速以太網完成數據通訊。

2.1 精密球面磨削下位機控制程序結構

數控程序結構上分為主程序和子程序，各個功能通過主程序調用子程序來實現。球面磨削的操作模式分為回零、手動、手輪、自動加工模式，每種模式設計相應的子程序，具有程序結構清晰、CPU執行周期短、響應速度快等特點。程序結構如圖2所示。

工作臺的回轉進給和砂輪軸的徑向進給運動是實現球面磨削的主要進給方式，可分別在手動進給程序和自動進給程序中完成。

通過手動或自動控制主軸和尾座的同步進給，可以實現磨削球的手動對中，加上輔助測量裝置則可以實現自動對中功能。報警程序統一管理報警信息和報警指示燈的狀態，對控制器、驅動器等系統硬件狀態及時作出報警提示。

2.2 上位機程序設計

上位機首先承擔人機交互的任務，實現加工狀態監視、加工參數設置等功能。同時，由于球面磨削中磨削力、砂輪磨損等因素對球面磨削質量的影響很大，為了在保證磨削質量尤其是球度和表面質量的前提下提高磨削效率，需要對磨削過程的狀態數據進行采集、分析和處理。球面磨削上位機程序結構見圖3，數據采集主要包括磨削力的在線間接測量、磨頭振動信號的實時采集，數據分析和處理由上位機軟件完成，功能模塊包括磨削載荷的異常識別、磨削振動的異常識別及磨削參數的動態優化。這里磨削參數主要指磨削深度和工作臺進給速度，動態優化指磨削參數根據異常識別結果自適應調整以滿足加工質量和效率的要求。

3 磨削過程的自動控制

自動加工是控制軟件的重要組成部分，工件裝夾調整完成、加工參數設置完畢、回轉工作臺回零后，就可以進行自動加工。要滿足球面精密加工的精度和加工效率，需要自動加工工序能夠穩定可靠地工作。

自動加工開始時，磨頭工作臺首先快速接近工件，快接觸工件時，回轉工作臺按照設定的角度進行回轉進給，同時磨頭工作臺每轉做徑向直線進給，進給初始值均按設定值進行。

粗磨階段，目標是去除大部分磨削余量，提高加工效率，對表面粗糙度要求不高，但需要控制球面的形狀精度，并能有效地抑制砂輪的過度磨損。因此，在磨削初始參數擇優選定后，還需要在磨削過程中實時監視磨削狀態，通過對磨削電流和磨頭架振動的測量和分析，對載荷異常和振動異常狀態作出識別，并在工作臺不同的回轉區域分階段調整切削深度和工作臺進給速度，以兼顧磨削效率和磨削精度的要求，保持磨削比處于粗磨最佳范圍，同時防止砂輪的過度磨損。

精磨階段，目標是保證加工表面質量和加工精度。因此，在精磨工藝參數初始值選定后，在磨削過程中，仍然需要實時監視磨削狀態，尤其要防止由于磨削載荷異常導致的砂輪對工件表面的劃傷等問題的發生，策略上通過對磨削電流等狀態信號的采集和分析，采用單變量轉矩適應控制，實時對磨削深度進行動態微調，而回轉進給速度在每轉中保持恒定，以保證磨削表面質量。

在正常情況下停止加工，磨頭工作臺首先緩慢退出安全區域，再停止其他動作。

4 結語

本文介紹了自主研發的用于加工高硬度回轉球面的專用數控精密磨床數字控制技術的特點，闡述了數控軟件的結構和設計要點，磨削過程的自動控制方法。數控球面磨床已用于實際生產加工，結果表明，工件的形狀精度和表面質量滿足了實際工程需要。

［1］吳志遠，劉貴民，田欣利，等.超音速振動車削加工等離子噴涂Al2O3+13%TO2陶瓷涂層［J］.新技術新工藝，2003(6):13-14.

［2］李伯民，趙波.現代磨削技術［M］.北京:機械工業出版社，2003.

［3］Zhang B，Howes T D.Material-removal mechanisms in grinding ceramics［J］.Annals of the CIRP，1994，43(1):305-308.

［4］鄧朝輝，張壁.臥矩臺精密平面磨削納米結構WC/12Co涂層材料去除機理［J］.南京航空航天大學學報，2005，11(37).

［5］沈劍云.結構陶瓷磨削機理與熱特性分析［D］.天津:天津大學，2003.