精密内圆磨床（共6篇）
精密内圆磨床 篇1
1 引言
精密内圆磨床作为一种精密磨削设备, 广泛应用于中小孔内圆磨削加工。由于其砂轮转速高、砂轮轴刚性比较差, 所以容易产生弯曲变形与振动, 导致砂轮工作表面磨粒会因不均匀磨损而失去正确的几何形状;而磨削时由于砂轮工件的接触弧长较外圆磨削大, 且冷却液不易进入磨削区域, 容易导致磨削区域出现高温、粘附等作用, 造成磨屑不易排出, 加速磨粒钝化。因此, 精密内圆磨削过程中的砂轮修整成为内圆磨削质量控制的关键[1], 且砂轮状态的好坏将直接决定磨削工件的质量及效率。
目前精密内圆磨床砂轮状态及修整质量主要是通过检测修整后的砂轮性能来体现。砂轮修整主要是通过设计固定的修整工序和参数来实施的, 而砂轮修整质量检测主要是针对砂轮形貌, 是通过检测修整后砂轮磨粒的均匀性、等高性及微刃性来判断砂轮修整的好坏, 但其存在滞后性, 实时性差, 不能及时地进行反馈。针对精密内圆磨削, 砂轮修整精度决定磨削的高精度, 因此, 精密内圆磨削中, 对砂轮修整进行实时在线监测显得尤为重要。砂轮修整中的变化因素很多[2], 功率作为砂轮修整中一个重要变化因素, 其变化能很好地反映砂轮的修整状态。本文将围绕功率在线监控系统的原理及特点来研究这个系统在精密内圆磨床砂轮修整中的应用。
2 功率在线监控砂轮修整系统
2.1 功率监控的原理
功率监控的原理:通过电压、电流传感器获取被监控轴的电压、电流信号, 然后将测得的电压、电流信号进行取样、滤波, 滤波后的信号通过信号处理反馈到PLC系统中, 作为监控系统信号处理核心的PLC, 根据得到的控制信号, 结合被监控轴的加工要求, 一方面通过变频器传输给被监控轴, 实现驱动系统的进给运动等, 另一方面通过反馈实现机床的保护。
功率监控系统以功率监控仪为主要的监控工具, 它主要由功率传感器 (包括电流、电压) 和具有分析处理信号及反馈等功能的显示及控制模块组成, 其原理如图1所示。
2.2 砂轮修整系统
本实验针对郑州第二机床厂生产的Z2-015中小孔数控精密内圆磨床砂轮修整系统展开研究。
该磨床砂轮修整系统是由砂轮修整器和砂轮轴的往复机构组成。砂轮修整器是单点金刚石笔修整器, 砂轮轴的往复机构由电机带动凸轮机构组成。砂轮修整是通过金刚石笔与砂轮的修磨作用, 实现对砂轮磨钝磨粒及粘接剂进行清除, 达到修整目的。由于该磨床主要是针对中小孔内圆磨削, 工件磨削精度要求高, 单件磨削周期短且由于砂轮接长杆较长、磨削中存在冷却不充分、磨屑不易排出、接长杆刚性差等特性, 如果不能及时发现砂轮磨削中的状态, 一旦砂轮出现问题, 势必影响到工件的磨削质量与效率。
2.3 在线监控系统构建
根据精密内圆磨床的砂轮电气控制原理及功率在线监控的原理可知, 监控系统的核心部件———功率监控仪主要是通过监控砂轮轴的功率信号来实
现对砂轮的监控, 如图2为精密内圆磨床砂轮修整系统监控原理图。
由图2可以看出, 在线监控系统主要由磨床的砂轮修整系统及功率监控设备组成。功率传感器将安装在驱动砂轮轴转动的电机上, 通过监控砂轮修整时, 砂轮轴上功率的变化曲线来反映砂轮的状态, 实时监测砂轮的钝化等情况, 以便及时对砂轮进行修整。功率监控仪作为砂轮的在线监控设备, 在监控砂轮修整系统的同时, 会将采集到的信号经由图1的过程反馈给磨床的PLC系统, 再经控制电路实现对砂轮非正常运行情况进行控制, 实现报警、显示等一系列功能, 极大地提升了砂轮修整系统安全性与高效性。
在启用功率监控系统之前, 需要将磨床的部分信息输入监控系统, 如磨床的额定功率、信号有效时间, 同时依据磨床空载时的基线及工作时的工作线, 设置一些参数, 如参考线及碰撞线等, 用于磨削及砂轮修整过程的监控与比较。其中参考线的设置尤为重要, 它是依据基线及工作线来制定的, 但根据具体情况, 可以通过人机界面进行修改, 如图3所示。
针对精密内圆磨床砂轮修整系统, 功率监控系统的功能包括: (1) 新砂轮的修磨与砂轮钝化监测; (2) 砂轮修整中修整力的监测; (3) 砂轮修整系统的保护。
3 工程应用实例
本实验针对郑州第二机床厂生产的Z2-015精密内圆磨床的修整系统进行研究, 采用白刚玉砂轮及工件材料为45钢、硬度为48~52HRC的液压挺杆。
该砂轮修整系统是利用单点金刚石笔对砂轮进行修整, 在没有功率监控的情况下, 砂轮修整不得不采取磨一次工件、修一次砂轮的模式, 而这样的修整模式相当盲目, 不仅缩短了砂轮的使用寿命, 还降低了磨削效率。特别是价格昂贵的CBN砂轮。基于功率在线监控砂轮修整系统的构建, 使砂轮修整的在线监控与反馈变得很方便。
3.1 砂轮状态在线监控
砂轮的在线状态监控主要体现在两方面:新砂轮的修磨状态监控和砂轮磨削状态监控。以下将针对两种状态进行分析。
(1) 新砂轮修磨状态监控:新砂轮在使用初期, 由于表面高低不平、圆度不够等特点, 需要一个修磨过程。砂轮修磨初期, 由于修整力在不同位置是不同的, 因而导致砂轮轴的电流及功率也是不同的, 因此, 根据功率的变化情况就可判断砂轮的修磨进度。实验通过制定修整好的参考范围 (理想状态是恒功率变化) , 依据砂轮修磨功率曲线的变化与参考范围的比较, 判断新砂轮是否修好, 能否进行磨削。
(2) 砂轮磨削状态监控:功率监控系统是通过监控砂轮轴的电流、电压来监控砂轮磨削和修整的。在磨削过程中, 如果砂轮出现阻塞、磨钝或变形等现象, 监控轴上的电流将会出现不规则波动, 相应的功率也会出现明显波动[3]。图4是砂轮转速为60000r/min、砂轮往复速度为60次/min、进给量为0.1mm下的两幅磨削过程监控图, 图中前一个波峰为粗磨阶段, 后一个波峰为精磨阶段, 两波峰之间为砂轮的监控部分, 其中图4 (a) 中砂轮监控部分波动平稳, 砂轮处于正常状态, 后期精磨比较平稳;图4 (b) 为磨削一段时间后的监测图, 图中砂轮监控部分波动相对较大。由图4看出, 砂轮与工件的接触不均匀, 导致精磨阶段的功率曲线出现不稳定变化, 表明砂轮出现异常现象, 通过监控系统将控制信号反馈给PLC, 进而实现对砂轮的及时修整, 以确保磨床的安全性及磨削的正常运转。
实验证明, 磨削过程中, 当工件与磨削参数相同时, 功率信号幅值与砂轮表面状态有很好的对应关系, 因此, 可设定合适的参考线, 通过监测功率幅值的变化来监控砂轮的状态[4], 进而得出砂轮修整的最佳时机。
3.2 修整力监测
针对中小孔精密内圆磨床砂轮轴刚性差的特点, 本实验将通过分析不同修整工艺参数下修整功率与修整力的关系, 来研究砂轮轴的受力情况。由于径向力是修整中影响砂轮轴刚性的主要因素, 因此径向力的监测与求解就显得尤为重要。
对于单颗粒金刚石笔修整, 对修整轴进行受力分析, 可将作用于砂轮轴的金刚石笔可以看做一个顶角为2θ的圆锥磨粒, 通过分析可以得到单颗粒磨削力的计算公式[5]:
式中, k为与材料有关的系数;ζ取0.2~0.5;为平均切削深度;Am为平均断屑面积。
由式 (1) 、 (2) 得出单颗粒磨削径向力与切向力关系:
功率监控系统主要监测磨削及修整中轴的功率变化, 从而反映砂轮的状态, 且切向力与磨削及修整功率存在式 (4) 的关系, 因此, 磨削及修整时的切向力可利用监控系统监测到的磨削及修整实时功率, 通过电脑计算。
若测得砂轮轴电机的功率, 通过式 (4) 可计算出切向力的平均值。
由于是单颗粒修整, 因此修整力的求解与单颗粒磨削中磨削力的计算是一致的。由此通过式 (3) 、 (4) 就得出了影响砂轮轴刚性的修整径向力。
不同修整参数下的实验, 径向力是不同的, 对砂轮轴刚性的影响也是不同的。因此, 实验通过监测不同修整参数下的修整功率, 利用电脑算出不同的径向修整力, 利用所得的径向力来研究砂轮修整中砂轮轴的受力及变形情况。
3.3 砂轮修整系统保护
在砂轮修整中, 除了钝化、磨损以及工艺参数对砂轮的影响外, 作为承载砂轮的电主轴 (砂轮轴) 等设备, 其工作情况的在线监控同样不容忽视。由于功率传感器是安装在驱动砂轮轴的电机上, 因此, 监控系统在监测上述项目的同时也时刻监控着电主轴。所以, 在砂轮没有进行磨削、修整之前, 一旦砂轮监控系统出现功率曲线发生瞬时突变, 说明电主轴等设备出现问题, 进而提醒技术人员要启动紧急停车程序, 以免出现电主轴等的不可修复性损坏[6]。
4 结语
该系统通过在线监控砂轮轴功率变化来反映砂轮状态, 把握砂轮修整时机, 避免盲目修整带来的浪费及磨削效率低等问题。通过砂轮轴功率的监测, 完成了对砂轮修整力的求解, 有助于研究修整工艺参数对砂轮轴刚性的影响等。通过对砂轮轴功率变化曲线的实时监测, 实现了对砂轮修整系统的保护。
参考文献
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[6]张翼, 韩惠林, 蒋治国.零功率实验装置测量保护系统[J].核电子学与探测技术, 2001, 21 (4) :317-319.
M224内圆磨床数控化改造 篇2
M224磨床是由液压、机械、电气联合控制的半自动内圆磨床, 具有手动、电感、塞规、定程4种测量方式, 机床的所有动作靠3个电磁阀切换液压油路实现, 电控线路是典型的继电接触控制线路。
受机床床身结构限制, 纵向工作台无法采用伺服驱动方案, 因此保持原液压驱动方案不变。对径向工作台采用伺服驱动的控制方案改造, 伺服系统具有很好的重复定位精度, 方案改变了原工作方式, 仅保留手动和定程 (半自动) 工作方式。
二、方案实施
1. PLC、人机界面选择
根据内圆磨床加工特点, 确定机床伺服系统脉冲当量为0.1m。由于M224磨床最大磨削孔径为40mm, 在磨削加工时砂轮与工件之间有超过20mm的空刀量, 为了不影响加工效率, 设计要求PLC的脉冲输出频率不低于100k Hz。经选择采用了台达EH2系列可编程序控制器, 该系列PLC内置200k Hz高速脉冲输出模块、RS485通信接口, 具有直线及圆弧插补功能, 最低脉冲输出频率为10Hz, 配合导程为5mm的滚珠丝杠, 径向工作台 (X轴) 最低运动速度为0.06mm/min, 最高运行速度为1 200mm/min, 完全满足工艺要求。
选择台达A系列5.7″单色触摸屏作为人机界面, 人机界面与PLC通过RS232接口相连, 通过触摸屏可以输入各种磨削工艺参数, 可在屏上设计触摸按键以节省PLC输入点, 可实时显示磨床的工作状态。
2. 工件主轴控制
工件轴通过1台0.55k W/1.1k W双速三相异步电动机驱动, 用两个接触器代替原万能转换开关, 在新的操纵面板上设计1个三挡位转换开关来切换高低转速。
3. 砂轮主轴控制
M224磨床使用1台3.7k W惠丰F1000-M0037T3B变频器驱动电主轴作为砂轮主轴。改造前变频器装在电器柜外面, 通过三线式端子控制变频器的启停, 通过变频器面板手动调整变频器输出频率。改造后重新设计了电器柜, 将变频器装入电器柜内部。操作者可用通信方式控制变频器启停。变频器和PLC通过RS485通信口相连, 通过人机界面输入变频器工作频率, 通过触摸屏上的触摸键控制变频器的启停, 在触摸屏上可实时显示变频器工作电流、电压、故障代码等参数。
4. 冷却泵控制
改造前M224磨床只有1个冷却泵, 冷却液经水阀后分为两路, 一路给砂轮主轴, 一路给磨削工件。由于两路共用同1个水箱, 磨削产生的铁屑混入冷却液后, 会造成水路堵塞。改造后, 取消水阀, 增加了1个冷却泵, 工件冷却水箱与砂轮主轴冷却水箱各自独立。
5. 液压系统
改造前, M224磨床是靠3个电磁阀切换油路控制杠杆、修整器、行程阀、往复油缸、进给油缸等机构来实现工作台的各种进给动作。改造后, 由于径向液压进给系统被伺服进给系统取代, 相应的取消了进给电磁阀, 而且堵住了机床配流板上进给油缸所接油路。这样处理之后, 夹具液压松紧油路受到影响而不能使用。所以, 对于使用液压夹具锁紧工件的机床必须另外加装1个电磁阀, 控制夹具的松紧。电磁阀进油孔接在机床减压阀之后, 出油孔接工件主轴箱的进油套。
6. 绝对坐标系统构成
改造后的电控系统以台达DVP-32EH00T2 PLC为控制核心, 选用三菱MR-J2S-60A伺服驱动器、三菱HC-SFS52伺服电机构成伺服驱动系统。伺服电机编码器上采用了17位绝对位置编码器, 分辨率达到131 072脉冲/r。在系统联机时, 要将PLC与伺服驱动器的电源输入设定为同时或伺服驱动器电源先启动, 以免绝对位置数据传输异常导致伺服报警。
三、结语
精密内圆磨床 篇3
1 设计原则
针对液压挺杆类零件的结构及加工特点, 对研发的内圆磨床提出如下设计原则: (1) 适应工件内柱孔磨削及内柱孔和内锥孔联合磨削要求; (2) 根据用户需求, 可用不同结构和功能配置组合机床; (3) 机床应具有满足自动生产功能的平台; (4) 机床采用封闭式布局, 保证机床整洁美观。
2 设计方案
根据机床设计原则, 内圆磨床设计采用了模块化结构, 即将内圆磨床的磨削运动分解成独立的简单运动, 对各个简单运动均用一套机械结构加以实现。此时, 当用户根据磨削需求和经济需求提出内圆磨床的配置方案时, 工厂可快速满足用户的需求。结合多年的内圆磨床生产经验, 模块化结构的内圆磨床采用了工件径向进给、砂轮轴向往复磨削的磨削方式。砂轮磨削进给由于具有快速进给和往复进给双重功能, 并且机床需考虑内柱孔磨削和内锥孔磨削双工位问题, 故砂轮磨削进给采用了双层滑台结构:下层滑台用于砂轮快速进给;上层滑台用于砂轮往复磨削进给。
由于机床定位在高精度内圆磨床, 故机床设计时, 在实现内柱孔和内锥孔磨削功能的基础上, 精度保证是首要指标。机床的高精度主要体现在工件主轴的回转精度、工件的径向进给精度、砂轮的往复进给精度、砂轮的回转精度和修整质量等诸多方面。这其中工件主轴的回转精度、砂轮的回转精度基本属于单元技术, 与其它部件关联性不大, 而工件的径向进给、砂轮的往复进给和砂轮的修整属于综合技术, 与其它部件的联系比较密切, 故在机床整机设计时应高度关注。
通过分析论证, 模块化结构高精度内圆磨床整体设计方案如图1所示。
高精度内圆磨床的各个模块划分如下:基础平台模块、工件主轴模块、工件径向进给模块、砂轮快速进给模块、砂轮往复运动模块、砂轮轴回转运动模块、砂轮修整模块、工件夹具模块、磨削冷却系统模块、机床封闭罩壳模块、机床控制系统模块等。由于机床进行了功能详细划分, 各个功能模块运动功能和运动区域限定明确, 因此各个功能模块在设计时, 各项技术指标的确定比较容易, 结构设计容易实现快速准确。
3 机床主要设计参数
(1) 内柱孔
磨削孔径范围:6~20mm;最大磨削深度:40mm;电动砂轮轴转速:60000r/min;磨削往复次数:20~120次/min;磨削往复行程:35mm。
(2) 内锥孔
磨削内锥孔角度:59°~90°;电动砂轮轴转速:60000r/min;磨削往复次数:30~180次/min;磨削往复行程:0~0.3mm。
4 典型部件设计
4.1 工件径向进给模块
工件径向进给模块为一安装在基础平台上的独立部件, 它具有一个箱式结构固定式底座, 通过采用预负荷十字交叉滚珠导轨支撑结构支撑径向进给滑台, 为适应工件内柱孔和内锥孔磨削的工位转换要求及工件径向进给具有连续微量进给功能, 工件径向进给系统采用了伺服电机直联滚珠丝杠方式驱动, 可保证工件快速实现双工位准确转换及磨削过程的连续微量进给。
4.2 工件主轴模块
液压挺杆类零件圆度和圆柱度要求高, 为保证零件的磨削高精度, 工件主轴的回转精度和精度保持性要求一定要高, 经过多年的探索, 针对不同的零件精度标准及结构尺寸, 采用了液静压工件主轴和气静压工件主轴两套方案, 对于加工精度要求在0.5μm左右圆度的工件, 采用气静压工件主轴方案;对于加工精度要求在1μm左右圆度的工件, 采用液静压工件主轴方案。为实现两套方案的快速转换, 工件主轴均采用统一外型尺寸的套筒式结构, 并采用剖分式主轴箱, 以便于主轴安装。为保证工件内孔磨削的正锥或倒锥需要, 工件主轴箱在径向进给滑台上安装时, 采用转轴结构, 可实现主轴轴线和进给轴线两垂直轴线间的角度微调。
4.3 砂轮往复运动模块
砂轮往复运动根据工件的结构尺寸, 存在往复频率变化、行程变化和位置变化问题。往复频率变化是适应工件磨削工艺的需要, 它可通过调整往复机构的驱动电机的频率实现。行程变化是适应不同的工件磨削长度的需要, 位置的变化是适应工件磨削位置和砂轮修整位置不同的需要。为实现这两种变化, 内圆磨床采用了变频调速电机通过带传动驱动曲柄滑块机构联结液压缸的结构形式, 曲柄滑块机构可实现砂轮的往复运动行程的调整, 液压缸通过活塞杆的伸缩可实现砂轮位置的调整。为实现工件内柱孔和内锥孔磨削, 机床设计时, 采用了两套砂轮往复运动机构, 分别完成内柱孔和内锥孔的磨削功能。砂轮往复运动模块具体结构见图2。
4.4 砂轮快速移动模块
砂轮快速移动模块为一安装在基础平台上的支撑部件, 它具有一个箱式结构固定式底座, 并通过采用预负荷十字交叉滚珠导轨支撑结构支撑轴向进给滑台。砂轮往复运动模块功能是实现砂轮快速移动到位的功能部件, 由于该运动为固定位置的快速移动, 移动需要是平稳定点, 故移动驱动结构可采用两种方式, 一种为伺服电机直联滚珠丝杠驱动;一种是液压缸驱动, 实际应用时, 可根据用户的需求, 采用不同的结构。
4.5 基础平台模块
内圆磨床基础平台设计主要应在高刚性设计、几何尺寸设计、工件冷却液流道设计及安装基面设计等几个方面重点关注。
(1) 高刚性设计
模块化结构的内圆磨床的基础平台与原传统结构的内圆磨床床身相比, 由于功能简化, 故结构也大为简化, 高刚性设计主要应体现在薄壁及筋板设计上, 内圆磨床基础平台承受载荷较小, 故设计主要考虑降低固有频率, 减少共振的几率。通过有限元分析, 内圆磨床基础平台薄壁及筋板设计结构如图所示3。
(2) 安装基面设计
基础平台上目前安装有工件径向进给模块和砂轮快速进给模块两大部分, 考虑到内圆磨床适用于液压挺杆类零件的磨削, 为适应零件的自动上下料和自动检测装置的安装需要及检测工艺需要, 故基础平台上共设置了5个模块的安装基面, 为便于加工和磨削冷却液流动, 安装基面采用了小凸台结构, 具体见图4。
5 结语
基于模块化结构的高精度内圆磨床的研制成功, 对于用户的个性化需求, 提供了一个快速供给平台。这也有助于我们对影响零件中小孔磨削精度的单元技术的进一步研究和实践, 为我国在零件中小孔高精度磨削机床生产领域达到世界领先水平提供了有益的探索。
摘要：针对圆度和圆柱度要求在1μm左右的内柱孔和内锥孔零件磨削, 提出了模块化结构高精度内圆磨床设计思想。通过采用一个通用化的基础平台, 根据用户的个性化需求, 配置实现内圆磨床磨削运动需要的各个独立机械模块, 实现高精度内圆磨床的快速设计与生产。
关键词：模块化,高精度内圆磨床,内柱孔内锥孔磨削
参考文献
[1]中国机械工业年鉴编辑委员会.中国机床工具工业年鉴[M].北京:机械工业出版社, 2007.
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精密内圆磨床 篇4
一、机床特点
1. 主要结构
在1台机床完成盘丝平面螺纹和内圆两道工序的磨削，主要为保证工件内圆和平面的同轴度，机床结构见图1，盘丝工件安装在主轴上，主轴左右两侧各有大、中、小三层工作行台，小行台上高速旋转砂轮磨削盘丝平面螺纹，相对主轴轴向的往复工作台上砂轮磨削盘丝内圆。机床采用两台电机分别拖动同一主轴磨削工件平面螺纹和内圆，磨削内圆时，要求主轴运行在较高额定转速下，为此主轴箱内设有转换螺纹和内圆磨削的离合装置及传动机构。
2. 平面螺纹磨削
磨削盘丝平面螺纹时，主轴调速系统采用带有速度负反馈的电磁调速电机，电气控制是继电器—接触器系统，主轴自动换向时，分度盘行程挡块碰压行程开关，继电器接通电磁阀，控制液压油路轮流推动主轴正、反转离合器，分别带动左右大行台的1根正螺旋扣和1根反螺旋扣矩形丝杠旋转，使固定在大行台底部半圆结构的矩形丝母移动，实现大行台随动主轴转向和转速，带动左右砂轮做向里或向外直线往复运动，磨削工件整个平面螺纹。
电机速度控制采用绕线式电位器，砂轮往复磨削时，1台低速永磁电机带动蜗轮减速机构传动导轮，通过摩擦胶轮，联动另1根连接电位器旋钮的导轮往复旋转，从而使电位器改变电磁调速装置给定电压。
二、存在的问题
机床磨削盘丝平面螺纹过程中，频繁出现在内、外直径范围螺纹螺距值不相等，测量发现盘丝整个螺距尺寸逐渐出现差异，有时某一段区域内螺距值明显增大。最终确认原因是主轴调速系统出现问题，加工平面螺纹，砂轮速度取决于主轴转速，要达到工件在内、外直径范围螺纹螺距均相等，主轴必须具备良好的调速性能，才能实现恒线速度磨削特性。
1. 调速系统精度低
电磁调速系统当空载或轻载(小于10%额定转矩)时，由于反馈不足，会造成失控现象，调速时，随着转速降低，电磁线圈输出功率和效率也相应按比例下降，存在转差损耗。传动机构复杂，调速响应时间长，噪声较大，而且电磁调速系统只是粗略变速，无法实现对主轴的理想调速。
2. 速度控制方式落后
电位器旋钮受控于多级机械传动，结构复杂、易松动，电位器旋转角的往复位置不一致，随着电位器滑动触点往复次数增多，将不断增加电位器转角累计误差，导致电位器旋转位置和工作台移动位置无法吻合。运行中频繁出现胶轮打滑、丢转，造成电位器滑动触片长时间停留或暂时停顿在某一位置不能调压，使主轴电磁调速电机在运行时不能调速，必然出现工件在内、外直径范围螺距尺寸不相等(外径值小，内径值大)等异常现象。
三、改造方案
1. 主要硬件
采用松下FP-XC30R型PLC，根据机床控制要求，在PLC控制单元扩展插件接口分别安装D/A输出模块和24V DC输入8点扩展模块，见表1。改用变频调速，选择台达VFD-B系列、2.2kW变频器，用D/A输出模块代替电位器调速装置，将PLC运算处理后的若干位数字量信号转换成相应的模拟量信号，经运算放大器放大输出0～+10V电压，满足变频器连续信号精确控制，实现变频电机平滑、无级调速，达到理想恒线速度磨削。采用无触点接近开关，为确保操作时人身安全，延长电器件使用寿命，按钮、方式选择开关、限位开关等的控制电源均由AC 220V改为DC 24V。
2. 主轴调速编程
编程时，在PLC相应数据寄存器设定二进制数据，并通过D/A模块输出模拟电压，进入变频器模拟口，因此计算、设定PLC数据寄存器中的数据十分重要。
(1）主要编程参数确定
(1) (工件)主轴转速。由于砂轮转速固定，其线速度不变，因此要实现恒线速度磨削平面螺蚊，需改变主轴转速。试磨削不同规格工件，在砂轮移至工件内径位置时，不断调整主轴转速，当螺纹表面质量达到最佳状态，以此时主轴转速为基点，计算砂轮位于工件外径时主轴转速，见公式1。
式中D1———工件内径，mm
D2———工件外径，mm
n1———砂轮位于工件内径时主轴转速, r/min
n2———砂轮位于工件外径时主轴转速, r/min
例如：某种规格工件，D2=203mm, D1=120mm，当表面质量到最佳状态时，n1=50r/min，则n2=(120×50)/203=30r/min。
(2) 有效磨削的直线行程。砂轮在D1～D2区间作直线往复运动磨削时，主轴转速对应在n1～n2区间变化，只要主轴转速和磨削行程按照线性变化斜率平滑调速，即可保证工件整个平面螺纹螺距值均相等，砂轮有效磨削的直线行程的计算见公式2。
式中L——砂轮有效磨削的直线行程，mm
D2、D1———同公式(1)
例如：磨削上述规格的盘丝平面螺纹时，L=(D2-D1)/2=41.5mm，主轴转速和砂轮磨削直线行程的对应关系见图2。磨削螺纹时，主轴采用2.2kW变频电机，调速范围5～50Hz，电机和主轴传动比为24∶1，主轴转速在30～50r/min时，变频电机实际转速应为720～1200r/min，这就要求变频器驱动电机，必须和输入模拟量成正比例线性关系。
(3) 确定D/A转换数据。PLC数据寄存器与变频器模拟电压关系见图3, D/A输出模块电压为1V时，指定PLC程序的数据传输指令中，十进制常数K值为400。此处变频电机转速在720～1200r/min变化，则D/A输出模块电压应在4.965～8.276V变化，K值应在1986～3310变化。编程时还应考虑主轴和砂轮在往复换向时，砂轮总直线行程要稍大于其有效磨削的直线行程，确保砂轮能够离开工件，防止损伤工件，提高磨削质量。
(2) 主轴调速的PLC程序
主轴正转, 砂轮向工件内径方向移动, 输入条件满足后, 通过定时振荡器触点输出脉冲, 经前沿微分接通触发信号, 执行16位加法运算, 将数据寄存器DT100数值和常数K17数值相加, 结果存入DT100。数据传输过程中, 特殊内部继电器触点闭合, 将DT100数值同时传输给断电保持型数据寄存器DT32710和字输出外部继电器WY11, 数据经WY11送入D/A输出模块, 指定在其CH1通道输出模拟量平滑增长。同理, 主轴反转时, 砂轮向工件外径方向移动, 数据寄存器执行16位减法计算, 实现输出模拟量平滑减速, 部分程序见图4。
(3) 流程图
根据机床工作特点, PLC程序分为平面螺纹和内圆磨削两种控制方式。设备进行螺纹磨削时, 即使将方式选择开关转换到磨内圆位置, 也为无效, 只有先停止螺纹程序, 这样可防止误操作导致砂轮在螺纹扣槽里还未退刀即直接作径向快移, 威胁人身和设备安全。
机床加工工件的直径分3种规格, 螺纹磨削不同规格工件, 主轴最高和最低速的转速比值、速度变化斜率互不相同, 因此, 为确保恒线速磨削一致性, 程序共分3种调速控制, 控制流程见图5。
HHT三头盘丝平面内圆磨床调速系统改造后, 投入生产将近一年, 机床调速精度显著提高, 彻底解决了磨削盘丝平面螺纹时螺距尺寸不均的质量问题, 降低了设备故障率, 增加了企业经济效益。
摘要：介绍HHT三头盘丝平面螺纹内圆磨床工作原理, 针对磨削平面螺纹出现的质量问题, 改造机床电气调速系统, 重点阐述PLC编程和实现方法。
精密内圆磨床 篇5
H403-MB型深孔内圆磨床主要用于磨削圆柱及圆锥形深孔, 磨削直径为100-500mm, 最大磨削深度为1000mm。为确保加工产品的磨削质量, 需用不同规格的砂轮磨削不同种类的工件。因此, 砂轮的更换及拆卸方法对于工件的磨削质量起关键性作用。
该机床自使用以来, 一直没有一个合适的拆卸砂轮的工具, 机床厂家只提供了两个铁锤, 使用起来极不方便, 而且我们发现这样拆卸不仅会影响到主轴精度, 甚至容易将砂轮砸碎。砂轮主轴端部的跳动允差为0.005mm, 主轴定心锥面的径向跳动为0.002mm, 主轴轴肩支承面的端面跳动为0.003mm, 主轴自身的精度要求相当精确。为此, 必须寻找更有效的拆卸砂轮的方法。
2 改进措施
首先, 对砂轮 (图1) 及砂轮主轴 (图2) 各部件的结构进行了分析, 在砂轮内孔有螺纹, 而在安装中没有用到;砂轮主轴前端用两对精密角接触球轴承、后端用两个精密角接触球轴承支承, 安装在套筒壳体内, 砂轮主轴左端安装有砂轮法兰盘。于是, 我们对砂轮法兰盘进行了研究试验, 看是否能从中找到一些方法, 没有成功。最后, 精心分析研究制造了一个拆卸砂轮的工具 (图3) , 将此工具拧在砂轮的螺纹孔里, 在外力的作用下转动顶丝迫使砂轮顶下主轴, 这样可以把砂轮从主轴上轻松地拆下来, 减少了操作难度, 避免影响主轴精度和损坏砂轮。采用此种方式每拆卸1件砂轮, 按原装置需要25min, 经过改进后的工具只需要10min, 提高效率60%。
3 拆卸更换砂轮时的注意事项
在机床上更换砂轮时应关闭冷却液, 空运转5min, 已除去水分后再拆卸;拆下砂轮应放置在专门辅具上, 不应乱放。砂轮更换时应注意选择符合机床规定的线速度的砂轮, 切勿随意提高砂轮的线速度;砂轮的线速度是机床加工的重要技术参数, 与传动的皮带轮直径大小有关, 应防止出错。砂轮接近工件时, 进给应平稳放慢, 严禁超速运转, 以确保安全。砂轮在高速条件下工作, 为了保证安全, 在安装使用前应仔细检验是否有裂纹或损伤等缺陷;可用木锤检查, 有破裂声的砂轮严禁使用;采用树脂和橡胶结合剂的砂轮, 存贮一年后必须经回转检验确认合格后才可使用, 砂轮应在有效期内使用 (按合格证出厂日期) 。在新砂轮安装到砂轮主轴之前, 应检查卡盘锥面接触是否符合标准要求, 若接触达不到标准规定的要求, 则应重新修整零件精度。砂轮与压紧盘接触之间需衬以1～2mm厚度的石棉橡胶板垫, 紧固螺钉应使用标准工具, 采用对角压紧方法分几次逐渐紧固;无顺序或一次紧固会使砂轮受力不均而破损, 严禁使用接长工具或敲击工具。
4 砂轮的静平衡试验
精密内圆磨床 篇6
1 机床设计参数[3]
(1)机床加工范围
工件孔磨削直径10mm~20mm,
工件孔磨削长度0~40mm。
(2)机床工作精度
加工零件:挺杆、摇臂,
中孔圆度:1μm,
中孔圆柱度:1.5μm,
表面粗糙度:0.16μm。
2 X轴进给要求及伺服系统构成
Z2-014双轴数控精密内圆磨床采用了工件主轴做径向进给,砂轮轴做轴向往复进给磨削方式。根据机床设计参数,X轴(径向进给)设计参数确定如下:
移动距离70mm,位置控制精度0.003mm,重复定位精度0.002mm,电机丝杠直联,丝杠螺距5mm,伺服电机采用中惯量电机,功率500瓦。
X、Z轴伺服控制系统示意图如图1所示[2]。机床控制系统以台达DOP-AE10THTD触摸屏为人机界面,使用台达EH2系列PLC为控制主机,该系列PLC最多可支持四轴脉冲输出,支持直线/圆弧插补运动控制功能,这样可以省略掉伺服定位单元,简化了系统结构,降低了系统成本。X轴伺服驱动器型号为MR-J2S-60A,伺服电机型号为三菱中惯量HC-SFS-52,编码器分辨率为131072脉冲/转。
人机界面在控制中的作用是:发出各种动作命令,选择轴进给数据并进行动作、数据及过程显示;PLC主机的作用是根据所开发的控制软件,协调控制动作的执行过程;如果过程中需要进行精确的X轴位置控制,PLC主机将发出带符号的定位脉冲串,经伺服驱动器和伺服电动机构成的绝对位置控制系统完成精确位置控制。
3 主要伺服定位参数选择[1]
(1)电子齿轮放大率CMX/CDV
电子齿轮放大率CMX/CDV由伺服轴需要的最高速度与伺服电机所能接受的最高脉冲序列之间的对应关系决定。本系统式中:
Δl0:每脉冲对应的进给量,本设计取0.1μm;
Pt:编码器的分辨率,本伺服系统所用编码器的分辨率为131072个脉冲/转;
N:减速比,本设计采用直联,故取1;
Pb:滚珠丝杠导程,本设计为5mm。
将数值代入上式,得:
(2)脉冲率的选择
脉冲率为PLC加到驱动单元的电机每转命令脉冲数,等于编码器的分辨率除以电子齿轮比值,计算结果为50000脉冲/转。
(3)进给率的选择
进给率为电机每转对应的X轴机械行程,由于丝杠导程为5mm,本系统进给度量以0.1μm为机械系统进给命令单位,故将进给率设置为5000μm/r。
(4)伺服系统进给速度设置
由于机床X轴行程较短,故最大进给速度按20mm/s的最高磨削进给速度进行设置,对应电气系统折合参数值为200000脉冲/s;最小点动速度按10μm/s设置,折合参数值为100脉冲/s;最小进给速度按1.0μm/s设置,折合参数值为10脉冲/s;增量速度在1.0μm/s~20mm/s之间可调整。
(5)原点复归及限位开关设置
针对该数控磨床X轴行程短、运行速度慢的特点,该系统不采用近点挡块式原点复归方式,而采用数据设定式原点复归,通过点动运行,使工件主轴移动到目标位置(即工件轴轴线和砂轮轴轴线基本重合),将该位置设为原点。X轴限位开关设置如图2所示。
(6)参数与坐标系
机床有些位置、速度参数是现场操作人员不可随意改变的重要参数,本磨床控制系统对这些参数的处理采用了两种方法,一种是在PLC程序中设置,对出厂后的机床一般不容修改;另一种允许现场技术人员适当调整,但设置了保密级别,如图3的特殊参数菜单所示。程序设计保证了只有在输入正确密码后,人机操作界面才能进入该菜单。
该菜单中有几个重要的速度值和-x、+x两个位置极限值,如设值错误会造成严重运行事故。该菜单的最后一个触摸键“X轴原点设定”是一个重要参数,当“X轴原点设定”按下后变为“取消参考点”,意味着机床坐标系的消失。
对于数控系统,现场操作还需要设置多组自动循环用(位置与速度)参数,该数控精密内圆磨床的自动循环常规参数菜单如图4所示,这些参数的设置有一部分应客户要求加设了密码,防止操作工人任意加快进给速度。
4 X轴伺服进给系统的控制方法
目前,公知的数控内圆磨床加工时都采用粗磨、修整砂、精磨的三步法进行。在粗磨和精磨时不论进给尺寸大小,机床都是按同一进给速度一次走完,其间砂轮回转速度也是固定的不可调整,而且修整砂轮时,砂轮速度与粗磨、精磨时的速度相同。以上控制方法存在以下问题和缺点:1)不能适应最佳磨削工艺的要求;2)不能解决磨削中产生热量过多而导致的工件过热烫手问题;3)不能适应不同材料的砂轮需要不同的修整转速问题;4)加工出的工件圆度、粗糙度、尺寸分散等精度指标不稳定。
为了克服传统数控磨床控制方法上的不足,本机床采用了一种新的控制方法,该控制方法采用分段磨削的方式,使磨削工艺过程最大限度的接近最佳磨削工艺曲线,使数控磨床的加工稳定性大为提高。
具体方法是:通过人机界面软件包开发适合数控磨床的用户界面,通过可编程序控制器软件包开发出各种控制程序,分别下载到人机界面和可编程序控制器后即可实现对数控磨床的各种控制。在开发可编程序控制器控制程序时,采取将一定尺寸的粗磨和精磨量分成若干段的处理方法,每一小段有自己独立的进给尺寸、进给速度和砂轮线速度,但各段尺寸相加的和等于粗磨和精磨尺寸。通过人机界面可以很方便的输入各段的进给尺寸、进给速度和变频器的工作频率,人机界面通过RS232接口自动将各种参数值写入可编程序控制器,机床运行时可编程序控制器通过RS485接口控制变频器按各段设定好的频率自动运行,可编程序控制器按照各段设定好的进给尺寸和进给速度自动发出定位脉冲串,交流伺服驱动器接收到定位脉冲后自动驱动伺服电机完成进给动作。在修整砂轮时,也可以通过人机界面设定好修整时变频器的工作频率,从而达到控制砂轮线速度的目的。在每一段进给完成之后,可以加入几秒延时时间,使工件得到充分冷却。分段进给磨削控制界面如图5所示。
5 结语
通过对伺服系统的结构设计和控制,实现了高精度数控内圆磨床磨削进给参数的可视化和可控化,保证了机床磨削精度,为基于人机界面的数控机床的控制软件开发提供了一种新思路。
参考文献
[1]李宏胜.机床数控技术及应用[M].北京:高等教育出版社,2001.
[2]常晓玲,沙杰,刘战术.开放式数控系统PMC软件的模块化结构与开发方法[J].组合机床与自动化加工技术,2003(2):62-64.