固体声监控系统在曲轴磨床上的应用

引言

曲轴生产线精加工工艺一般采用磨削加工,磨削加工能保证加工尺寸和几何公差,且质量稳定。我公司曲轴精加工使用德国进口的高端CBN数控磨床,采用Ditte1-system6000固体声监控系统及传感器监控磨削加工和砂轮修整过程,若有异常,则触发相关的报警及停止方式,提高了加工的安全性和工件的磨削质量。

1固体声监控系统

1.1监控原理

曲轴精加工高端数控磨床使用的是FANUC31i-B5[1]数控系统,采用双通道控制双砂轮电主轴的结构。固体声Ditte1AE6000[2]通过Profibus-DP总线连接到数控系统,AE6000固体声监控模块每个砂轮主轴使用一个通过AE6000的#21接口连接到固体声传感器。固体声传感器[3]选用内置在砂轮主轴动平衡器内的IDsenser(图1),通过非接触式发送器和接收器进行信号与数据的传输,发送器和接收器的间隙是0.5~1mm。

图1 内置式固体声传感器

1.2固体声参数设置及界面显示

本机床开发了2个通道的程序,每个通道开发了4个set参数(表1),每个set设置4个Limit限值。固体声监控曲线通过工控机的屏幕显示,通常嵌入在加工界面HMI的底部(图2)。

2磨削加工

使用数控止推面端面外圆磨床加工曲轴凸台外圆、法兰外圆和端面、止推面,通道1"砂轮1"加工止推面,通道2使用成型"砂轮2"加工凸轮外圆、法兰外圆和端面(图3)。

2.1法兰端面平面度接近公差上限

操作工在抽检(抽检频次是50件/次)时发现曲轴法兰端面的平面度为0.023mm,接近公差上限,平面度要求是0~0.025mm。统计砂轮在一个修整周期(250件/次)的加工,跟踪加工状况:首件平面度为1.0um,增大抽检频次到10件/次,到100件时变成14.0um(图4),平面度逐渐变大,有超公差的趋势,磨削质量下降,需要研究磨削过程。

图4 平面度检测结果

2.2加工时固体声监控曲线

加工时,观察固体声监控曲线(图5),其使用的参数是"Set10,1imit2",磨削初始,固体声陡然升起,随后固体声曲线平滑波动。

图5 固体声监控曲线图

按照监控曲线分析,磨削初始时固体声陡然上升,可能在快进时已经接触到工件,然后才进入磨削状态,但该过程监控曲线未超1imit2限值,机床未触发报警。若在快进行程就已经接触到工件,属加工异常,则需调整设置固体声参数,使固体声监控及时报警,触发停止响应,安全退出。

2.3程序轨迹及加工参数

从加工轨迹图来分析(图6),纵坐标是x轴方向(显示半径),横坐标是Z轴方向,加工法兰端面由Z轴决定加工尺寸。

由表2可知,法兰端面的磨削过程是从"点2"到"点5",Z轴坐标106.45mm到106mm,磨削行程是0.45mm。如果加工余量大于0.45mm,那么砂轮就会在"点2"前即在快进时接触到工件。

根据以上分析,跟踪加工测量一批工件,检查加工余量(表3),余量不均,最大达到0.7mm。

说明初始接触是在快进的时候,因快进的冲击,导致"砂轮2"外轮廓受损,并逐渐恶化脱粒(图7)。法兰端面与凸台的交界附近因砂轮脱粒没有加工完整,残余堆积,造成平面度越来越差。

图7 砂轮受损示意图

2.4解决方案

调整AE监控的参数,根据试验将1imit2限值由50%调整到30%,确保加工异常时,机床报警安全停止,但不能解决加工的实际问题。

根据前面分析,因快进冲击,导致砂轮受损脱粒,造成平面度超差,解决方案如下:

方案一:从NC程序出发,将快进的速度从50mm/min降低到磨削速度3.5mm/min,以磨削的速度走完快进的行程,即使快进行程中接触到工件,对砂轮也没有冲击,保证砂轮的完好性,确保法兰端面平面度加工良好,但这会使加工节拍延长6s/件,不满足节拍需求,只能作为临时措施。

方案二:通过工艺控制前道工序的加工余量在0.45mm以内,快进不接触,砂轮不受损,就不会产生加工隐患,这也是比较合适的方法。

采用以上两种方案,工件加工时的固体声监控曲线(图8)波动平缓,并且1imit2限值已经修改成30%,有效监控固体声曲线,在砂轮的一个修整周期内,法兰端面平面度加工良好。

图8 加工固体声监控曲线图

3砂轮修整

数控轴颈磨床双砂轮电主轴结构,加工曲轴的5挡主轴颈和4挡连杆颈,陶瓷CBN砂轮使用金刚滚轮进行磨削修整,如图9所示。

3.1砂轮修整过程

砂轮修整分成4个过程(图10):stage1碰撞循环、stage2接触循环、stage3精确循环、stage4精修循环。

图9 修整示意图

图10 砂轮修整过程

3.1.1stage1和stage2搜寻砂轮(set1,1imit1)

stage1:碰撞循环,砂轮在x轴方向上,从理论的安全距离向前第一次慢速搜寻,此过程要求不能接触到金刚滚轮,否则报警退出。

Stage2:接触循环,在stagel安全结束后,进入快速搜寻过程,直至固体声信号超越"Setl,Limit1",表示已经接触到金刚滚轮,并记录"接触点"的坐标,结束搜寻。

固体声监控曲线如图11中Stagel和Stage2所示。

3.1.2stage3精确循环

使用固体声参数"Set4,Limit2"监控砂轮的修整过程,在程序中设定n次精确修整循环,即在n次循环内固体声监控曲线全轨迹超越1imit2值,表明砂轮轮廓修整好,否则"BM2231:轮廓未能修复"报警退回。

"BM2232固体声信号不足"如图12所示,"BM2231:轮廓未能修复"报警退回。

若未在砂轮修整接触区域的空行程上,监控图形(直线段)也在1imit2上面,则机床"BM2233固体声信号持续过强",如图13所示,"BM2231:轮廓未能修复"报警退回。轮廓未能修复,先检查机床,机床无异常,校对实际的接触坐标,然后再检查固体声监控设置参数。按照实际调整参数噪声放大系数或限值比例,也可配合起来调整。

3.1.3Stage4精修循环

Stage3完成后转入Stage4,在Stage4中不监控固体声曲线,通过设定循环次数(本机设定2次)来结束修整过程,如图11中Stage4所示。

图11 砂轮修整监控总图

对于修整砂轮从Stage1至Stage4的完整过程,固体声监控曲线如图11所示。

3.2修整过程中的问题及解决

3.2.1砂轮修整报警

基于砂轮修整技术的研究统计修整过程,大多数的故障报警发生在Stage1至Stage2搜寻砂轮过程中,报警类型有两类:BM0362修整位置修改过大,BM0363运行到修整位置—尺寸过大。

图12 固体声信号不足

图13 固体声信号持续过强

(1)BM0362报警。

从"安全位置"搜索到达"理论接触点",未接触,再向前搜索到允许的"最大变化值",还未接触到金刚滚轮则报警,砂轮不退回,虽然修整未成功,但未接触,相对安全。造成此现象的原因是金刚滚轮直径实际值小,理论值大,需将金刚滚轮的损耗比减小到合适的参数,使得实际值与理论值接近。

(2)BM0363报警。

从"安全位置"向前搜索,还未到达"理论接触点",已经接触到金刚滚轮,机床报警,砂轮退回。此现象有碰撞风险,发生的原因是金刚滚轮直径实际值大,理论值小,需将金刚滚轮的损耗比提高到合适的参数,使得实际值与理论值相符,降低修整时的碰撞风险。

3.2.2问题解决

在stage1至stage2搜寻砂轮过程中,无论是BM0362报警还是BM0363报警,其根本原因都是金刚滚轮的实际损耗比R与理论设置值不相符。理论设置值初始是经验值,需要经过长期的数据积累才能修正准确。

跟踪金刚滚轮一个使用周期发现,金刚滚轮的消耗周期可能需加工十几万个工件,周期比较长,不能及时修正损耗比。

定期用数显卡尺测量跟踪记录金刚滚轮的直径d1、d2,计算金刚滚轮实际消耗量Ad金刚。通过修整频次x件/次,每次的修整量p,加工工件m件,计算出金刚滚轮与砂轮修整时总消耗量Ad总和。

通过公式计算损耗比:

修改NC程序中的损耗比R,跟踪砂轮修整的状态,不断修正损耗比R参数,直至符合实际的消耗,不再报警。

4结语

固体声监控在数控磨床上的应用,提升了磨床的加工安全性和质量稳定性,并且对数控磨床实现智能化起到了重要作用。