數控平面磨床砂輪磨損動態補償方法的研究與應用

蔣貴珍，朱新泉

（1.桂林桂北機器有限責任公司，廣西 桂林541003；2.桂林新全數控有限公司，廣西 桂林541004）

數控平面磨床[1]是機械加工中不可或缺的精密加工機床。隨著技術的進步和發展，人們對數控平面磨床的需求在快速增長。與其它數控機床相比，數控平面磨床的發展相對滯后，主要原因是其單機效率增幅不是很大，沒有數控車床或銑床明顯。影響數控平面磨床效率的主要因素是磨床刀具即砂輪的磨損太快。在大磨削量的加工中，砂輪磨損會產生很大的尺寸誤差。為減少砂輪磨損引起的誤差，一般會采取減小橫向斷續進給量及垂直進給量的方法提高磨削精度，這在很大程度限制了數控平面磨床的發展和應用。

1 技術原理

數控平面磨床中解決砂輪磨損的辦法是對砂輪磨損進行補償——調整砂輪的半徑參數，在線測量并實時調整砂輪半徑參數即砂輪半徑動態補償。砂輪動態補償有兩種常見方法：一是測量工件加工后的實際尺寸與理論尺寸之差來調整砂輪半徑參數；另一種直接測量砂輪半徑值以調整砂輪半徑參數。工件磨削時砂輪處于高速旋轉狀態，加上工件待加工面的不規則性、工況環境及加工區域的空間限制等因素，很難在線測量工件或砂輪，以上兩種補償方法都不太適用。至今尚無一款數控平面磨床標配有砂輪在線動態補償功能，而是只針對某特定工件配置相應的在線補償功能，且價格昂貴。

本文所述項目采用了一種與現有技術不同的砂輪磨損在線補償方法，其主要原理是對引起砂輪磨損的主要因素進行測量，間接計算出砂輪磨損量。將這種補償方法應用到精密數控平面磨床，可顯著提高加工效率及批量零件的加工精度。

影響數控平面磨床砂輪磨損率的因素很多，決定砂輪磨損的因素是能量。能量與砂輪磨損量是否具有線性關系，或者在什么條件下成線性關系，如何表達其它次要因素的影響，是需解決的主要關鍵技術問題。

2 砂輪修整及砂輪磨損補償

現以數控系統操作界面為例，對砂輪修整及砂輪磨損動態補償[2]方法進行分析。

新砂輪安裝后，須進行二次靜平衡。即在機床附件——砂輪平衡架進行第一次靜平衡，然后對砂輪進行修整，砂輪修整后再放置于砂輪平衡架進行第二次靜平衡。砂輪修整時，打開數控系統，在【工作選擇】界面，輕觸砂輪修整鍵，出現圖1所示【砂輪修整】畫面。

圖1 砂輪修整

砂輪修整分為手動修整和自動修整。新安裝的砂輪應采用手動修整方式進行修整；選用自動修整砂輪時可輕觸自動參數鍵設置相關修整參數。砂輪修整后還需修改相應的砂輪半徑值。

2.1 砂輪手動修整

在圖1所示的【砂輪修整】畫面，輕觸手動修整鍵，工作臺移動到最右端，將工作臺或砂輪移動至修整器附近。輕觸手動進給鍵，打開如圖2所示【手動進給修整量】畫面。

圖2 砂輪手動進給修整量

采用“單步”或“手輪”方式，可對砂輪進行手動修整。砂輪修整好后，輕觸退出鍵，從【手動進給修整量】畫面回到【砂輪修整】畫面，輕觸返回原地鍵，砂輪垂直上升回到修整前位置，工作臺或磨頭體也前后橫向移動回到修整前位置。

2.2 砂輪自動修整及補償

2.2.1 砂輪自動修整數據

在圖1所示的【砂輪修整】畫面，輕觸自動參數鍵，打開如圖3所示【砂輪修整數據】畫面，輕觸各窗口可輸入新數據。

圖3 砂輪修整數據

Z正程返回坐標數值是修整砂輪時Z軸（機床前后橫向）的上限位置坐標值，砂輪內側無法修整時，應加大該數值；Z負程返回坐標數值是修整砂輪時Z軸的下限位置坐標值，砂輪外側無法修整時，應減小該數值；Z修整速度數值是砂輪修整時Z軸的移動速度，砂輪修整后若表面粗糙度不合適可修改該數值。以上3個參數在自動運行程序中也有效。

因砂輪磨損補償或手動微量調整補償，砂輪半徑值變小，但大于砂輪半徑值之處可能有殘余部分存在。修整大于砂輪半徑值的這些殘余部分的進給量與砂輪正常修整時的進給量可能不一樣，殘部進給量數據就是修整這些殘余部分的進給量。殘余部分的修整次數，由砂輪磨損補償總量和殘部進給量數值決定。

砂輪正常修整的進給量由新部進給量數值給定；砂輪正常修整的進給次數，由新部進給次數數值給定；砂輪修整后，可能還需要無進給修整，即光修。無進給修整次數，由光修次數數值給定。

砂輪磨損率數值是砂輪磨損動態補償的一個參數，與【常用參數】中的49.砂輪磨損能耗參數配合使用。磨削過程中砂輪自身會磨損變小，影響工件的尺寸精度及大平面磨削時的平面度，砂輪適當補償可減少這些因素產生的誤差，但過度補償會適得其反。

2.2.2 砂輪自動修整

在圖1所示的【砂輪修整】畫面，輕觸自動修整鍵，置于工作臺上的砂輪修整器金剛筆將自動移動至砂輪下面，按設定的砂輪修整參數自動修整砂輪，修整完成后自動返回到修整前的位置。若需中途停止修整，輕觸返回原地鍵。另按控制盤上的[暫停]按鈕可以中止修整過程，但不會返回到修整前的位置。

2.2.3 砂輪半徑值的修改

在圖1所示的【砂輪修整】畫面，輕觸修改砂輪半徑鍵，彈出如圖4所示的輸入數據窗口。輕觸“R值”右側的數據框，直接輸入實測砂輪的半徑值；或輕觸“修正量”右側的數據框，輸入砂輪半徑的誤差值（負數表示砂輪半徑減少）。按確認鍵退出。

圖4 砂輪半徑修改參數

2.3 砂輪半徑磨損補償特點

通過測量工件磨削過程中的耗電量和砂輪磨損經驗值，實時在線實現砂輪磨損補償。如：磨削程序G98可設定砂輪磨削過程中動態補償率參數。該參數的含義是：在某種磨削環境下，對應特定的砂輪半徑和砂輪厚度，每消耗指定的磨損能耗（49號參數設定值），砂輪所產生的磨損量。在常用參數頁中可通過設定49號參數值實現該功能，如圖5所示。

圖5 常用參數

現以數控程序G98和49號參數設定方法為例加以說明。工件總磨削量為0.55 mm，設定粗磨0.5，精磨0.05.首先取G98的參數為0，編程磨削，這時實際粗磨只磨除0.41 mm，系統顯示消耗電能500瓦時，即500瓦時電能砂輪自身磨損了0.09 mm.相當于每消耗10000瓦秒的電能，砂輪磨損0.5μm.根據以上經驗結果，把49號參數取10 000（瓦秒），對于粗磨G98的P參數設為0.5μm.再按同樣方式和尺寸要求編程磨削0.5 mm，實際磨削結果約為0.49 mm.這表明經砂輪補償后，因砂輪磨損導致的工件加工誤差減少了約90%.這樣與預留的精磨量0.05 mm十分接近。工件再經砂輪修整精磨后，就很容易達到所要求的尺寸精度。

3 推廣應用前景

該砂輪補償技術操作簡便，增效明顯，因系統僅增加了主電機功率測量變送器，成本極低。與其他通過在線測量得到的數據最后反饋給系統從而對工件磨削量進行動態補償的方法相比，該技術成本低，生產效率高，是一項實用性較強的技術，值得推廣和應用。采用該補償技術的數控系統現已成功應用于我公司精密數控平面磨床系列產品上。

4 結束語

具有砂輪半徑磨損動態補償功能的數控平面磨床數控系統的開發，是基于用戶操作經驗及磨削工藝參數的數據積累。由于積累的試驗數據還是離散的，這些數據所應符合的條件在系統中還須進一步界定，以方便用戶使用。這對今后研發其他高效數控平面磨床具有參考作用。