基于磨削防碰撞系統的研究

張本松，陳曉雨，王仕雄，郭 丹

(宣城職業技術學院，安徽宣城242000)

隨著先進制造技術上和自動化技術的發展，對磨削加工的安全性和生產效率提出了更高的要求，在傳統的磨削加工中，主要依靠操作工人的經驗來進行零件的加工，有時由于安全意識不強和操作不夠規范，磨削砂輪在軸承套圈磨削過程容易與零件或機床部件就會發生碰撞[1]。以軸承套圈磨削加工為例，在不改變磨床任何配置的情況下，加裝聲發射傳感器，在加工過程中，當實時功率超過防碰撞閾值后，智能中央控制器會發出一個觸發信號給磨床，機床進給回撤，上下料的擋料機構氣缸立即動作，通道打開，該料圈落入下方的紅色警示料盒，機床發出聲光報警停機，避免碰撞發生。

1 防碰撞系統工作原理

防碰撞系統由聲發射傳感器、智能中央控制器、防碰撞人機界面系統和聲光報警器構成，如圖1所示。聲發射傳感器安裝在磨床主軸上，對磨床主軸在不同加工階段的主軸電機功率變化進行采集，將采集到的功率變化信號通過光纜傳送給智能中央控制器，由智能中央控制器對信號進行分析和處理，將處理后的信號通過航空插頭傳送給數控系統、PLC和防碰撞人機界面系統，控制機床進給、主軸電機和上下料的擋料機構的動作，同時發出聲光報警。

圖1 防碰撞系統結構圖

圖2 防碰撞系統信號值

聲發射傳感器監測砂輪的實時變化信號，砂輪與工件接觸主要由彈性接觸、砂輪黏結劑破裂、砂輪磨粒崩碎、砂輪磨粒與工件摩擦、摩擦磨損以及工件表面裂紋等發射出彈性波，可用于監測砂輪與工件表面接觸狀態[2]。聲發射傳感器工作有效頻率在10KHZ～10MHZ。磨床運行時產生的噪音一般都處于低頻范圍，磨床在磨削加工中產生的噪音一般都處于超聲波范圍[3]，通過聲發射傳感器可以區分磨床磨削加工過程中正常磨削頻率和碰撞瞬時頻率，如圖2所示。磨床對軸承套圈進行磨削加工時，首先砂輪以一定速度接近軸承套圈，當砂輪第一次接觸到軸承套圈時，聲發射傳感器就會將監測到的頻率信號發送給智能中央控制器，智能中央控制器與防碰撞系統設定的頻率值進行對比，當瞬時頻率信號超過防碰撞閾值后，防碰撞人機界面系統就會發出聲光報警，同時向智能中央控制器反饋信號，根據反饋信號，智能中央控制器會向磨床發出進給回撤命令，上下料的擋料氣缸立即動作，通道打開，套圈就會落入下方的紅色警示料盒，磨床報警并停機，有效地的防止碰撞事故的發生。

2 防碰撞系統實際應用

以無錫機床廠3MZ143A磨床加裝防碰撞系統為例，在磨床磨削加工前，對防碰撞人機界面系統進行進行系統配置，如圖3所示，需對基礎功率、觸發功率百分比、極限功率、觸發方式、快趨余量、快趨速度、粗磨余量和粗磨速度等參數進行設定，如表1所示。

表1 防碰撞系統參數

防碰撞人機界面系統主界面主要有運行狀態顯示功能、系統參數配置功能、機床功率修正功能、實時數據監測功能和數據查看功能?；A功率為磨床主軸砂輪空轉狀態下的功率，一般防碰撞人機界面系統是通過磨床空轉5S后將智能中央控制器采集到的功率信號記憶下來作為基礎功率[4]，這樣獲得的基礎功率設置比較準確。

圖3 系統配置

圖4 上下料的擋料機構

磨床磨削主軸的功率為：

P=kpFtvs

(1-1)

式中，P為磨床主軸的功率；kp為磨床主軸砂輪功率系數，其數值由磨削條件來決定；Ft為切向的磨削力；vs為磨床主軸砂輪的線速度。

極限功率是磨床主軸砂輪在負載的情況下最大功率，當聲發射傳感器監測到的功率大于或等于防碰撞系統設定的極限功率時，智能中央控制器就會給磨床發出停機指令，防碰撞人機界面系統給聲光報警發出報警，同時磨床的上下料的擋料機構根據I/O處發出的24V低電平觸發信號后，擋料氣缸立即動作，通道打開，料圈落入下方的紅色警示料盒(如圖4所示)，待確定磨床主軸砂輪的狀態后，按循環啟動按鈕后擋料就會自動復位。使用防碰撞系統后軸承套圈加工時間節省了1.78S，加工效率提高了10%，產品加工精度也提高了0.3mm。

結語

通過對3MZ143A磨床加裝防碰撞系統，利用聲發射傳感器在線監測磨床空運行和磨削加工狀態下的頻率變化，智能中央控制器對監測到頻率信號與防碰撞人機界面系統設定的參數進行比較，判斷磨床是否處于碰撞狀態，可大幅度提升磨床加工的安全性和穩定性，保證了產品的加工質量，降低設備改造的成本，防碰撞系統將被軸承行業普遍應用和推廣。