基于SINUMERIK 840D系統蝸桿砂輪磨齒機自動對刀技術研究

劉海寧，李小寧，李光華，于瑞榮

(1.南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094;2.南京二機齒輪機床有限公司，江蘇南京211103)

磨齒是現有齒輪加工精度最高的一種方法。數控蝸桿砂輪磨齒機的加工原理跟滾齒加工相同，相當于一對圓柱螺旋齒輪嚙合。加工過程中，砂輪每轉過一周，齒輪轉過一齒［1］。

磨削齒輪過程的對刀相對于其他加工方法 (車削，銑削，平面磨削)較為復雜，對刀過程是齒輪與砂輪的嚙合過程，要避免砂輪的頂牙與齒輪的輪齒發生碰撞，同時為了提高加工精度，砂輪與齒槽的兩側齒面要實現平衡接觸，避免產生對齒槽兩側齒面磨削的不平衡。傳統采用人工對刀的方法進行對刀調整，工人通過觀察磨削過程中齒槽兩側產生火花的情況，判斷是否完成了對刀，或者采用簡單的嚙合方法進行人工判斷［2］。人工對刀的方法效率低下，對刀過程需要4～5次的調整，每次更換工件后都需要重新對刀;加工工件的一致性不好，過于依賴工人的經驗，最重要的是對刀精度不高，使加工齒輪的精度不高，一般只有7級精度。針對上述的問題，作者提出了相應的解決方案。產生塑性和彈性變形，而塑性變形產生的塑性功的釋放使磨削過程中能產生聲發射信號。因此，可以采取檢測AE聲發射信號的方法判斷砂輪與工件是否磨削接觸［2－5］。

自動精對刀的整體思路是:數控系統自動尋找工件某個齒槽兩側的邊界并記錄位置，最后計算得出精確中點位置，即進給加工起始點。該自動精確對刀方法采用檢測磨削過程中產生的AE聲發射信號作為反饋信號。當砂輪距工件1.5 μm左右時，可以觀察到聲發射信號，當砂輪繼續接近工件時，聲發射信號幅度不斷增加，直到砂輪與工件接觸，AE信號幅度增加最大［2，6－8］。磨削加工過程中可以根據 AE 信號電壓值VAE判斷砂輪與齒輪是否產生接觸。精確對刀系統的組成如圖1所示。

1 自動對刀系統組成

在砂輪磨削工件的過程中，既有摩擦又有磨損，還存在砂輪的磨料顆粒受力后崩落和擠壓現象，金屬

圖1 自動對刀系統組成

自動對刀系統由5個部分組成:AE信號傳感器、電控箱、SINUMERIK 840D數控系統、輸入輸出及顯示界面和主軸伺服電機。

AE信號的檢測采用AE聲發射傳感器。AE聲發射傳感器是一種采用壓電晶體作為換能原件進行信號檢測的傳感器，壓電晶體通過與聲波的振動耦合將聲波的機械振動轉換為電信號。

AE聲發射聲信號傳感器和電控箱共同組成自動對刀的自平衡調整模塊，AE聲信號傳感器負責信號的采集，電控箱對AE信號進行濾波和信號放大后對信號做出相應的判斷和比較，并將分析結果輸出給數控系統，由數控系統控制主軸伺服電機的運動與停止，使刀具移動到正確的位置，最終達到平衡調整的目的。AE聲發射傳感器和電控箱均采用德國MPM公司的產品。

2 自動對刀原理

磨削過程是一個瞬態變化的過程，瞬態摩擦功率表達式為:

式中:F(t)為摩擦表面間摩擦力瞬時值;v(t)為摩擦表面相對運動的速度瞬時值。

信號的均方根值Arms可以表示為單位時間內聲發射信號能量的大小，即:

式中:η(t)為轉換系數。Arms(t)可以反映出砂輪與工件表面之間的接觸程度，其值越大，表明接觸越深，因此可以根據AE聲發射信號電壓值的變化判斷接觸以及接觸程度，從而進行相應的程序執行和操作［9］。

該精對刀方法是在SINUMERIK 840D數控系統自動記錄坐標功能上實現的。由自動對刀模塊實現信號的處理與判斷，并輸出信號給數控系統，實現電機主軸的控制和坐標的記錄。信號的傳遞過程如圖1所示。

判斷砂輪與齒輪是否接觸是由電控箱完成的，可以通過數控系統和輸入設備給電控箱設置一個閾值VLimit，作為比較閾值。當砂輪與工件接觸產生的磨削信號電壓值超過了設定的閾值VLimit，則認為砂輪與齒輪已經接觸，此時電控箱的輸出信號由高電平變成低電平，數控系統接收到低電平時，執行程序，砂輪主軸停止并記錄坐標值。信號處理時序圖如圖2所示。

圖2 電控箱信號處理時序圖

當Vout=1時，主軸保持原來設定的轉速和方向轉動;當Vout=0時，主軸停止轉動并記錄主軸所處位置的坐標值。從反饋信號的角度來說，要實現對齒槽兩側齒面的磨削平衡，在接觸檢測的過程中，要滿足同樣的接觸檢測條件，使兩個齒面磨削產生相同的電壓，即:

所以在VLimit的設定過程中，只需要同一個閾值VLimit便可。

精確對刀的原理如圖3所示，裝夾工件后，刀架主軸開始轉動，工件主軸跟隨刀架主軸轉動，由編程控制刀架主軸沿y軸負方向移動。未產生AE信號的時候，數控系統接收高電平，當磨削接觸產生AE信號VAE＞VLimit時，電控箱輸出信號由高電平變為低電平，數控系統接收到24 V低電平的時候，主軸刪除剩余行程，并記錄此時刀架主軸的坐標 (x0，y1)，然后刀架主軸沿y軸正方向移動;同樣當VAE＞VLimit時，數控系統重復上述步驟記錄坐標 (x0，y2)，此時數控系統記錄齒槽的兩側邊界，由此可以確定中點位置［10］。數控系統計算出砂輪進給起始點的坐標(X0，Y0):

圖3 自動對刀原理圖

3 西門子840D高級編程實現

用于信號處理和分析的電控箱與數控系統連接，反饋給數控系統高低電平信號，最終完成精對刀過程的是數控系統。數控系統根據二次開發編寫的程序，結合接收到的高低電平信號進行程序的執行。根據精對刀方法所編寫的程序部分如下:

4 實驗及檢測結果

實驗以加工斜齒圓柱齒輪為例，數控磨齒機采用德國MPM公司的Series 300電控箱進行信號的處理和判別，并將分析結果送入數控系統進行對機床主軸運動和停止的間接控制。磨削斜齒圓柱齒輪的的齒數Z=34，模數m=2.5 mm，壓力角 α=20°00'00″，齒輪螺旋角β=20°00'00″，電控箱中電壓閾值VLimit=8 V，即當磨削試接觸產生的電壓信號超過8 V時，電控箱輸出高電平給數控系統。磨削試接觸產生的信號如圖4所示。

圖4 磨削試接觸信號

加工結束后，需對工件進行質量檢測，所用的檢測工具為KLINGELNBERG P65高自動化齒輪檢驗測量中心。所加工斜齒輪的檢測結果如表1，2所示。

表1 斜齒輪齒形誤差檢測參數及基準值

表2 斜齒輪齒形誤差檢測實際誤差值E及精度等級Q

由表2可知，加工的斜齒輪的綜合精度等級達到4級。

5 結束語

采用檢測磨削接觸AE聲發射信號的方法進行數控蝸桿砂輪磨齒機的自動精對刀，該精確對刀調整方法已經在西門子SINUMERIK 840D數控系統實現，并且適合蝶形砂輪磨齒和單片錐面砂輪磨齒等加工方法。由于AE信號對工件與砂輪是否接觸反應敏感，該檢測方法靈敏度高、反應速度快，采用自動對中精確對刀方法加工的工件精度高，工作效率高，實現了自動化的精確對刀過程，解決了磨削齒面不平衡的問題，使磨床加工精度由過去的7級提高到4級，個別工件甚至達到3級精度，對刀時間由過去的3～4 min減少到1 min，顯著提高了加工精度和效率。

【1】鄭文緯，吳克監．機械原理［M］．北京:高等教育出版社，1997．

【2】穆玉海，張國雄，袁哲俊．高精度磨削加工用聲發射對刀儀的研制［J］．天津大學學報，1996，29(6):981 －986．

【3】徐春廣，王信義，楊大勇，等．磨削過程聲發射信號傳播特性研究［J］．北京理工大學學報，1998，18(4):415－419．

【4】穆玉海，張國雄，袁哲俊．砂輪與工件接觸的聲發射檢測及高精度對刀儀的開發［J］．天津大學學報，1996，29(6):981－986．

【5】袁振明．聲發射技術及其應用［M］．北京:機械工業出版社，1985．

【6】鞏亞東，王宛山．聲發射磨削接觸檢測系統的研制［J］．東北大學學報，1997，18(6):667 －690．

【7】劉貴杰，鞏亞東，王宛山．磨削過程在線檢測系統［J］．機床與液壓，2002(4):18－19．

【8】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．

【9】BONESS R J．Measurments of Wear and Acoustic Emission From Fuel-wetted［J］．Wear，1993，162/163/164:703 －708．

【10】張國輝，彭寧．AE(聲發射)技術在成型砂輪磨齒機上的應用［J］．機械工程師，2011(10):145－146．