CN104476398B - 数控卧轴平面磨床砂轮磨损动态补偿方法 - Google Patents

Abstract

数控卧轴平面磨床砂轮磨损动态补偿方法，涉及数控机床技术领域，具体涉及数控卧轴平面磨床砂轮磨损动态补偿技术。本发明通过测量主轴(磨头)电机用于磨削的有功功率，间接计算出砂轮的磨损量，实现数控卧轴平面磨床砂轮磨损动态补偿。本发明还提出了一种实现数控卧轴平面磨床砂轮磨损动态补偿的计算方法。本发明所述的砂轮动态补偿方法的优点：1)不受工件形状等影响，没有局限性。2)数控***只需新增加主轴电机有功功率变送器及数字化传输装置，新增的硬件成本很少。3)可大幅提高数控平面磨床的加工效率。

Description

数控卧轴平面磨床砂轮磨损动态补偿方法

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，具体讲涉及数控卧轴平面磨床砂轮磨损动态补偿技术。

背景技术

卧轴平面磨床的砂轮在加工过程中砂轮半径会渐渐变小，引起的误差渐渐变大。当磨除量较大时，一个(批)工件没加工完，砂轮半径磨损产生的误差已远远超过工件允差。磨削出来的零件不仅高度不合格，平面度也不合格，常出现中间高两侧低的弧面形状。现实中(手动磨床和无砂轮磨损动态补偿功能的数控磨床)解决这个问题的方法是采用远小于1/2个砂轮宽度的断续进给量，利用靠近砂轮两侧的圆柱面磨削，保持砂轮中间部位磨损少，利用砂轮中间部位控制工件尺寸。砂轮磨削面渐渐由圆柱形变成了腰鼓形。当砂轮变成了腰鼓形后中间部位也会较快磨损，这时就需修整一次砂轮，使砂轮磨削面成为圆柱面。很明显这种加工方法会大大增加磨削往复次数，降低加工效率，还会白白修整掉很多砂轮。

数控卧轴平面磨床Y轴控制砂轮吃刀量。一般Y轴加工程序坐标值

Y_程＝Y_机+Y_机零-R_砂

式中：

Y_程为Y轴加工程序坐标值

Y_机为Y轴机械坐标值

Y_机零为Y轴机械零点坐标值

R_砂为砂轮半径标称值

Y轴加工程序坐标实际值

Y_程实＝Y_机+Y_机零-R_砂实

式中：

Y_程实为Y轴加工程序坐标实际值

Y_机为Y轴机械坐标值

Y_机零为Y轴机械零点坐标值

R_砂实为砂轮半径实际值

Y_程和Y_程实关系可表达为

ΔY_R＝Y_程-Y_程实

ΔY_R是因砂轮磨损Y轴程序坐标值与程序坐标实际值的误差值。

R_砂和R_砂实关系可表达为

ΔR＝R_砂-R_砂实

ΔR是因磨损砂轮半径标称值与砂轮半径实际值的误差值。

所以

Y_程＝(Y_机+ΔY_R)+Y_机零-(R_砂-ΔR)

显然

ΔY_R＝-ΔR

所以

Y_程＝(Y_机-ΔR)+Y_机零-(R_砂-ΔR)

当砂轮发生磨损后，要保持程序坐标值Y_程不变，且程序坐标实际值Y_程实与之一致，可以用原砂轮半径减去砂轮磨损量，同时Y轴机械坐标以砂轮的磨损量负向移动。

砂轮磨损动态补偿有两类方法。一类是测量砂轮的半径值(即砂轮半径标称值R砂)或半径磨损量(即ΔR)，输入新测量的砂轮半径值替换上次砂轮半径值或用上次砂轮半径值减去半径磨损量(ΔR)修改砂轮半径值，并用砂轮半径磨损量为负增量修正砂轮的Y轴机械坐标位置。另一类是测量加工工件尺寸(即Y轴加工程序坐标实际值Y_程实)或工件的误差(即ΔY_R)，用上次砂轮半径值加上工件的误差(ΔY_R)修改砂轮半径参数，并用工件误差为增量修正砂轮的Y轴机械坐标位置。

要动态实时修正砂轮半径参数和位置，静态测量显然是低效的，没有实用价值的。由于砂轮自身的特点和旋转状态，加工过程中砂轮表面不能提供洁净、安全、可靠的测量点，不论是接触方式还是非接触方式测量砂轮半径都很难。由于平面磨床的往复式加工方式、工件不规则性、大量的磨屑和磨削液，加工过程中工件表面不能提供连续的、洁净的、始终在磨削后的测量点，动态测量工件很难。所以现有的动态过程自动测量装置在通用数控卧轴平面磨床应用很少。不能实现砂轮磨损动态补偿，就降低了数控平面磨床的加工效率和效益，就不能充分发挥数控技术的优势。

发明内容

本发明所述的砂轮动态补偿方法原理是：砂轮磨削工件时同时消耗砂轮自身，在相同的条件下，磨除量和砂轮消耗量的比是不变的，磨除量与能耗的比也不变。砂轮消耗量与能耗成正比关系。计算出能耗就能间接计算出砂轮半径的磨损量，就能实现砂轮磨损补偿。

本发明所述的砂轮磨损动态补偿方法：每隔单位时间(很小)就测量一次主轴(磨头)电机当前有功功率值，按下列公式计算砂轮半径磨损量，用砂轮半径磨损量对砂轮半径参数进行修正，同时用砂轮半径磨损量调整Y轴机械坐标值Y_机，使加工程序坐标数值保持不变，且使加工程序坐标实际值与之一致。

1)计算砂轮半径磨损量公式

ΔR_n＝k*∑M_ni/R_n-1 (1)

n＝1，2，3......，

i＝1，2，3......，n改变时i＝1，

式中：

n为实施补偿的周期序号，当未实施补偿的累积磨损量大于等于Y轴最小进给量ΔV_min时就实施一次补偿，

i为一个补偿周期中测量主轴电机功耗P_ni的序号，

k为砂轮半径磨损系数，

R_n-1为第n-1周期补偿后的砂轮半径值，

R_n-1＝R_n-2-δR_n-1

式中：

δR_n-1为第n-1次已实施的砂轮半径补偿量

向下取整的运算符号

ΔV_min＞0

ΔV_min为机床Y轴的最小进给量

S_n-2为第n-2周期不能完全实施补偿的剩余量，

S_n-2＝ΔR_n-2+S_n-3-δR_n-2

M_ni为第ni次检测到用于磨削的主轴电机的有功功率，

M_ni＝(P_ni-P₀) P_ni＞P0

M_ni＝0 P_ni≤P₀

P_ni为第ni次测量的主轴电机有功功率值，

P₀为主轴电机空载实测有功功率值；

砂轮磨损系数k是用户按实际情况设置的参数。系数k与磨床主轴电机转速、功率、数控***的测量精度、间隔时间，与砂轮型号、牌号、批号、宽度及工件材质、形状，与进给量、吃刀量、磨削速度，等多方面因素有关。所以系数k的变化范围较宽。显而易见，砂轮厚度与单位磨损量的功耗成正比关系，为方便操作，可以令

k＝S/A (2)

A为砂轮厚度，为机床用户参数，用户可按砂轮规格设定，但不可编程设定。S为用户可编程参数，随工艺改变。

为规范可编程参数的变化范围，还可进一步令：

S＝K*B (3)

B为机床用户参数，用户可按机床实际状况设定，K为用户可编程参数，设计数控***时规定它在一定的范围内设定，例如0-1000。

当系数k为零时，砂轮磨损补偿为零。与没有补偿功能的状态一样。

2)计算第n周期砂轮半径动态补偿增量δRn

式中：

S_n-1为第n-1周期不能完全实施补偿的剩余量

ΔV_min为机床Y轴的最小进给量；

3)如图1所示，数控***至少包含主控制器3，包含控制Y轴数字伺服定位的伺服电机7和伺服驱动器6，包含测量主轴(磨头)电机有功功率的变送器1和把有功功率转换为数字信号输入到主控制器的模数转换设备2。

4)如图1所示，主轴(磨头)电机5供电回路4上装有功功率变送器1，实时测量电机的有功功率，经过模数转换传送至数控***的主控制器3。

5)主控制器累积每次测量主轴(磨头)电机的有功功率，按上述公式计算出砂轮磨损动态补偿增量δR_n。当δR_n值大于等于Y轴最小进给量时，就发出指令控制Y轴数字伺服定位的伺服驱动器和伺服电机执行修正主轴的Y轴机械坐标位置，同时修改砂轮半径参数使Y轴程序坐标值不变。暂存不足Y轴最小进给量的余数用于下一次计算，清空有功功率的累计数，从新开始累积，准备下一次计算与补偿。

本发明所述的砂轮补偿方法好处：

1)不受工件形状等影响，没有局限性。

2)数控***只需新增加主轴电机有功功率变送器及数字化传输装置，新增的硬件成本很少。

3)可大幅提高数控平面磨床的加工效率。

本发明的不足之处与解决办法。

1.系数k需要随加工工艺、砂轮材质、工件材质等调整。解决办法：通过数控***操作方法设计，采用试加工后，静态测量误差，输入误差量，让***自动计算并修正系数k，可以简化系数k计算问题。系数k设计成可编程参数，在用户程序中设定，通常规范地加工，一种工件会指定使用某种砂轮，这样加工对象(材质、形状)、砂轮性能、工艺各种因素就可统一在用户程序中了。用户程序调试好后，下次再加工这种零件，只要选择相配的砂轮和用户程序就可以了，很方便。

2.补偿方法本身不能提供坐标参数或砂轮半径参数，会积累误差。解决办法：通

过适时修整砂轮来提供精确的砂轮参数，消除积累误差，保证加工精度。

附图说明

附图1为数控卧轴平面磨床砂轮磨损动态补偿功能的硬件方框图

附图1中标记含意：

1——有功功率的变送器

2——模数转换传送设备

3——数控***主控制器

4——主轴电机供电回路

5——主轴电机

6——Y轴伺服驱动器

7——伺服电机

8——砂轮

9——工件

10——丝杠

11——丝杠螺母

12——主轴

具体实施方式

下面用一个实施例对本发明内容作进一步说明。

一种常见数控卧轴矩台平面磨床，砂轮垂直移动轴是Y轴，Y轴由伺服电机7经减速器控制滚珠丝杆10转动，滚珠丝杆驱动丝杆螺母11及与螺母连接的砂轮支承机构上下移动；工作台横向移动轴是Z轴，Z轴由伺服电机经减速器控制滚珠丝杆转动，滚珠丝杆驱动丝杆螺母及与螺母连接的滑座移动，滑座支承工作台作横向移动；工作台纵向移动轴是X轴，X轴由液压缸的推杆推动在滑座上的工作台纵向移动；主轴(磨头)电机为固定速度的异步电机5与主轴12连接，砂轮8固定在主轴12上；用触摸屏和PLC组成的平面磨床数控***的主控制器3；冷却液由异步电机驱动的液泵提供；工件9固定在工作台上，可由电磁吸盘吸附(铁质工件)，也可由机械工装夹持。

在上述常见的数控卧轴矩台平面磨床基础上增加以下部分：在PLC上扩展一个模数转换模块2，在异步电机5的供电回路4上串接有功功率变送器1，有功功率变送器1的0-10V电压信号送到模数转换模块2，主控制器3的PLC就可以直接读取模数转换模块2中有功功率变送器1的0-10V的数字信号(14Bit＝16383)。

设它的相关技术指标为：Y轴的最小步距为1μm，砂轮半径单位1μm，砂轮宽度单位1μm，异步电机5的功率为18kW，有功功率变送器1的0-10V对应有功功率为0-100kW，磨床X轴的最大磨削速度为20M/min，为了保证磨削5mm长工件能辨别到功率信号，读取有功功率信号的间隔时间取10mS。可编程系数设定范围为0-1000。计算系数k、S、K和B的方法如下：

如果在砂轮宽度为40mm，砂轮半径为180mm时，当砂轮半径磨损12μm，累积用于磨削某一种工件的功率值为36000W。根据式(1)得到

12μm＝k*36000W/180000μm

k＝60

根据式(2)得到

60＝S/40000μm

S＝2400000

根据式(3)

2400000＝K*B

假设上述磨损与能耗比率最大可能性为其2倍，即可取K为500，所以

B＝2400000/500

B＝4800

如果数控***设计成为系数k由砂轮厚度A、机床用户参数B和用户可编程参数K决定，那么，这时要设定机床参数：砂轮厚度参数A为40.000mm，机床用户参数B为4800，加工该工件的用户可编程参数K为500。参数K根据实际工作中产生的误差进一步调整修正，使得加工误差在允差以内。如果K参数调整到1000，仍不能消除误差，就可适当增加参数B。如果K参数要很小(300以下)才能消除误差，就可适当减小参数B，使得K参数在300-1000间调整能满足要求。

Claims (1)

1.数控卧轴平面磨床砂轮磨损动态补偿方法，其特征是：

1)每隔单位时间就测量一次输入主轴电机的有功功率P_ni，当P_ni＜P₀时，取P_ni＝P₀；

2)根据下列公式计算第n周期砂轮半径磨损量ΔR_n

ΔR_n＝K*B/A*∑(P_ni-P₀)/R_n-1

n＝1，2，3......，

i＝1，2，3......，n改变时i＝1，

式中：

n为实施补偿的周期序号，当未实施补偿的累积磨损量大于等于Y轴最小进给量ΔV_min时就实施一次补偿，

i为一个补偿周期中测量主轴电机的有功功率P_ni的序号，

K为用户可编程参数，

R_n-1为第n-1周期补偿后的砂轮半径值，

B为机床用户参数，A为砂轮厚度，P₀为主轴电机空载有功功率；

3)计算第n周期砂轮半径动态补偿量δR_n

式中：

S_n-1为第n-1周期不能完全实施补偿的剩余量

ΔV_min为机床Y轴的最小进给量；

4)用砂轮半径动态补偿量δR_n立即修正砂轮半径参数，第n周期补偿后的砂轮半径R_nR_n＝R_n-1-δR_n；

5)以砂轮半径动态补偿量δRn为增量负向驱动Y轴，调正砂轮位置。