固体声监控系统在曲轴磨床上的应用

摘

要：论述了固体声监控系统在磨削工件和砂轮修整中的作用。加工时，通过分析固体声曲线，可以了解磨削状态，有效提高产品质量；在砂轮修整时，观察砂轮修整的固体声曲线的接触点，可以优化金刚滚轮的损耗比参数，减少砂轮修整报警故障。关键词：砂轮修整；损耗比；固体声；监控系统0

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Dittel-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数控系统，采用双通道控制双砂轮电主轴的结构。固体声DittelAE6000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。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1.0

μm，增大抽检频次到10件/次，到100件时变成14.0

μm（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。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，limit2”，磨削初始，固体声陡然升起，随后固体声曲线平滑波动。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limit2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。2.4

解决方案调整AE监控的参数，根据试验将limit2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limit2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。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档主轴颈和4档连杆颈，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。3.1.1

Stage1和Stage2搜寻砂轮（Set1，limit1）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Stage1安全结束后，进入快速搜寻过程，直至固体声信号超越“Set1，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Stage1和Stage2所示。3.1.2

Stage3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limit2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limit2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。3.1.3

Stage4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。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[7]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。（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Δd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