功率監控在精密內圓磨床砂輪修整系統中的應用

趙飛， 李煥鋒， 沙杰， 吳劍鋒， 曹志忠

（河南工業大學，鄭州450001）

1 引言

精密內圓磨床作為一種精密磨削設備，廣泛應用于中小孔內圓磨削加工。由于其砂輪轉速高、砂輪軸剛性比較差，所以容易產生彎曲變形與振動，導致砂輪工作表面磨粒會因不均勻磨損而失去正確的幾何形狀；而磨削時由于砂輪工件的接觸弧長較外圓磨削大，且冷卻液不易進入磨削區域，容易導致磨削區域出現高溫、粘附等作用，造成磨屑不易排出，加速磨粒鈍化。因此，精密內圓磨削過程中的砂輪修整成為內圓磨削質量控制的關鍵［1］，且砂輪狀態的好壞將直接決定磨削工件的質量及效率。

目前精密內圓磨床砂輪狀態及修整質量主要是通過檢測修整后的砂輪性能來體現。砂輪修整主要是通過設計固定的修整工序和參數來實施的，而砂輪修整質量檢測主要是針對砂輪形貌，是通過檢測修整后砂輪磨粒的均勻性、等高性及微刃性來判斷砂輪修整的好壞，但其存在滯后性，實時性差，不能及時地進行反饋。針對精密內圓磨削，砂輪修整精度決定磨削的高精度，因此，精密內圓磨削中，對砂輪修整進行實時在線監測顯得尤為重要。砂輪修整中的變化因素很多［2］，功率作為砂輪修整中一個重要變化因素，其變化能很好地反映砂輪的修整狀態。本文將圍繞功率在線監控系統的原理及特點來研究這個系統在精密內圓磨床砂輪修整中的應用。

2 功率在線監控砂輪修整系統

2.1 功率監控的原理

功率監控的原理：通過電壓、電流傳感器獲取被監控軸的電壓、電流信號，然后將測得的電壓、電流信號進行取樣、濾波，濾波后的信號通過信號處理反饋到PLC系統中，作為監控系統信號處理核心的PLC，根據得到的控制信號，結合被監控軸的加工要求，一方面通過變頻器傳輸給被監控軸，實現驅動系統的進給運動等，另一方面通過反饋實現機床的保護。

功率監控系統以功率監控儀為主要的監控工具，它主要由功率傳感器（包括電流、電壓）和具有分析處理信號及反饋等功能的顯示及控制模塊組成，其原理如圖1所示。

圖1 功率監控儀原理圖

2.2 砂輪修整系統

本實驗針對鄭州第二機床廠生產的Z2-015中小孔數控精密內圓磨床砂輪修整系統展開研究。

該磨床砂輪修整系統是由砂輪修整器和砂輪軸的往復機構組成。砂輪修整器是單點金剛石筆修整器，砂輪軸的往復機構由電機帶動凸輪機構組成。砂輪修整是通過金剛石筆與砂輪的修磨作用，實現對砂輪磨鈍磨粒及粘接劑進行清除，達到修整目的。由于該磨床主要是針對中小孔內圓磨削，工件磨削精度要求高，單件磨削周期短且由于砂輪接長桿較長、磨削中存在冷卻不充分、磨屑不易排出、接長桿剛性差等特性，如果不能及時發現砂輪磨削中的狀態，一旦砂輪出現問題，勢必影響到工件的磨削質量與效率。

2.3 在線監控系統構建

根據精密內圓磨床的砂輪電氣控制原理及功率在線監控的原理可知，監控系統的核心部件——功率監控儀主要是通過監控砂輪軸的功率信號來實現對砂輪的監控，如圖2為精密內圓磨床砂輪修整系統監控原理圖。

圖2 磨床修整系統監控圖

由圖2可以看出，在線監控系統主要由磨床的砂輪修整系統及功率監控設備組成。功率傳感器將安裝在驅動砂輪軸轉動的電機上，通過監控砂輪修整時，砂輪軸上功率的變化曲線來反映砂輪的狀態，實時監測砂輪的鈍化等情況，以便及時對砂輪進行修整。功率監控儀作為砂輪的在線監控設備，在監控砂輪修整系統的同時，會將采集到的信號經由圖1的過程反饋給磨床的PLC系統，再經控制電路實現對砂輪非正常運行情況進行控制，實現報警、顯示等一系列功能，極大地提升了砂輪修整系統安全性與高效性。

在啟用功率監控系統之前，需要將磨床的部分信息輸入監控系統，如磨床的額定功率、信號有效時間，同時依據磨床空載時的基線及工作時的工作線，設置一些參數，如參考線及碰撞線等，用于磨削及砂輪修整過程的監控與比較。其中參考線的設置尤為重要，它是依據基線及工作線來制定的，但根據具體情況，可以通過人機界面進行修改，如圖3所示。

針對精密內圓磨床砂輪修整系統，功率監控系統的功能包括：（1）新砂輪的修磨與砂輪鈍化監測；（2）砂輪修整中修整力的監測；（3）砂輪修整系統的保護。

圖3 參數的輸入與設置界面

3 工程應用實例

本實驗針對鄭州第二機床廠生產的Z2-015精密內圓磨床的修整系統進行研究，采用白剛玉砂輪及工件材料為45鋼、硬度為48～52HRC的液壓挺桿。

該砂輪修整系統是利用單點金剛石筆對砂輪進行修整，在沒有功率監控的情況下，砂輪修整不得不采取磨一次工件、修一次砂輪的模式，而這樣的修整模式相當盲目，不僅縮短了砂輪的使用壽命，還降低了磨削效率。特別是價格昂貴的CBN砂輪。基于功率在線監控砂輪修整系統的構建，使砂輪修整的在線監控與反饋變得很方便。

3.1 砂輪狀態在線監控

砂輪的在線狀態監控主要體現在兩方面：新砂輪的修磨狀態監控和砂輪磨削狀態監控。以下將針對兩種狀態進行分析。

（1）新砂輪修磨狀態監控：新砂輪在使用初期，由于表面高低不平、圓度不夠等特點，需要一個修磨過程。砂輪修磨初期，由于修整力在不同位置是不同的，因而導致砂輪軸的電流及功率也是不同的，因此，根據功率的變化情況就可判斷砂輪的修磨進度。實驗通過制定修整好的參考范圍（理想狀態是恒功率變化），依據砂輪修磨功率曲線的變化與參考范圍的比較，判斷新砂輪是否修好，能否進行磨削。

（2）砂輪磨削狀態監控：功率監控系統是通過監控砂輪軸的電流、電壓來監控砂輪磨削和修整的。在磨削過程中，如果砂輪出現阻塞、磨鈍或變形等現象，監控軸上的電流將會出現不規則波動，相應的功率也會出現明顯波動［3］。圖4是砂輪轉速為60000r/min、砂輪往復速度為60次/min、進給量為0.1mm下的兩幅磨削過程監控圖，圖中前一個波峰為粗磨階段，后一個波峰為精磨階段，兩波峰之間為砂輪的監控部分，其中圖4（a）中砂輪監控部分波動平穩，砂輪處于正常狀態，后期精磨比較平穩；圖4（b）為磨削一段時間后的監測圖，圖中砂輪監控部分波動相對較大。由圖4看出，砂輪與工件的接觸不均勻，導致精磨階段的功率曲線出現不穩定變化，表明砂輪出現異常現象，通過監控系統將控制信號反饋給PLC，進而實現對砂輪的及時修整，以確保磨床的安全性及磨削的正常運轉。

圖4 磨削過程監控圖

實驗證明，磨削過程中，當工件與磨削參數相同時，功率信號幅值與砂輪表面狀態有很好的對應關系，因此，可設定合適的參考線，通過監測功率幅值的變化來監控砂輪的狀態［4］，進而得出砂輪修整的最佳時機。

3.2 修整力監測

針對中小孔精密內圓磨床砂輪軸剛性差的特點，本實驗將通過分析不同修整工藝參數下修整功率與修整力的關系，來研究砂輪軸的受力情況。由于徑向力是修整中影響砂輪軸剛性的主要因素，因此徑向力的監測與求解就顯得尤為重要。

對于單顆粒金剛石筆修整，對修整軸進行受力分析，可將作用于砂輪軸的金剛石筆可以看做一個頂角為2θ的圓錐磨粒，通過分析可以得到單顆粒磨削力的計算公式［5］：

式中，k為與材料有關的系數；ζ取0.2～0.5；ag為平均切削深度；Am為平均斷屑面積。

由式（1）、（2）得出單顆粒磨削徑向力與切向力關系：

功率監控系統主要監測磨削及修整中軸的功率變化，從而反映砂輪的狀態，且切向力與磨削及修整功率存在式（4）的關系，因此，磨削及修整時的切向力可利用監控系統監測到的磨削及修整實時功率，通過電腦計算。

若測得砂輪軸電機的功率，通過式（4）可計算出切向力的平均值。

由于是單顆粒修整，因此修整力的求解與單顆粒磨削中磨削力的計算是一致的。由此通過式（3）、（4）就得出了影響砂輪軸剛性的修整徑向力。

不同修整參數下的實驗，徑向力是不同的，對砂輪軸剛性的影響也是不同的。因此，實驗通過監測不同修整參數下的修整功率，利用電腦算出不同的徑向修整力，利用所得的徑向力來研究砂輪修整中砂輪軸的受力及變形情況。

3.3 砂輪修整系統保護

在砂輪修整中，除了鈍化、磨損以及工藝參數對砂輪的影響外，作為承載砂輪的電主軸（砂輪軸）等設備，其工作情況的在線監控同樣不容忽視。由于功率傳感器是安裝在驅動砂輪軸的電機上，因此，監控系統在監測上述項目的同時也時刻監控著電主軸。所以，在砂輪沒有進行磨削、修整之前，一旦砂輪監控系統出現功率曲線發生瞬時突變，說明電主軸等設備出現問題，進而提醒技術人員要啟動緊急停車程序，以免出現電主軸等的不可修復性損壞［6］。

4 結語

該系統通過在線監控砂輪軸功率變化來反映砂輪狀態，把握砂輪修整時機，避免盲目修整帶來的浪費及磨削效率低等問題。通過砂輪軸功率的監測，完成了對砂輪修整力的求解，有助于研究修整工藝參數對砂輪軸剛性的影響等。通過對砂輪軸功率變化曲線的實時監測，實現了對砂輪修整系統的保護。

［1］ 李煥鋒，孟逵，沙杰，等.精密內圓磨床陶瓷CBN砂輪修整機理及工藝研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2010，30（4）：81-83.

［2］ 柏航州，王隆太.基于聲發射技術的磨削監控系統開發與試驗研究［J］.現代制造工程，2008（5）：121-125.

［3］ 歐陽惠斌.基于功率變化的刀具破損監測系統［J］.儀表技術，2003（2）：20-21.

［4］ 劉貴杰.磨床砂輪智能監測及修整系統［J］.機械制造，2002（10）：70-72.

［5］ 張建華，葛培琪，張磊.基于概率統計的磨削力研究［J］.中國機械工程，2007，18（20）：2399-2402.

［6］ 張翼，韓惠林，蔣治國.零功率實驗裝置測量保護系統［J］.核電子學與探測技術，2001，21（4）：317-319.