数控平面磨床砂轮磨损动态补偿方法的研究与应用

蒋贵珍，朱新泉

（1.桂林桂北机器有限责任公司，广西 桂林541003；2.桂林新全数控有限公司，广西 桂林541004）

数控平面磨床[1]是机械加工中不可或缺的精密加工机床。随着技术的进步和发展，人们对数控平面磨床的需求在快速增长。与其它数控机床相比，数控平面磨床的发展相对滞后，主要原因是其单机效率增幅不是很大，没有数控车床或铣床明显。影响数控平面磨床效率的主要因素是磨床刀具即砂轮的磨损太快。在大磨削量的加工中，砂轮磨损会产生很大的尺寸误差。为减少砂轮磨损引起的误差，一般会采取减小横向断续进给量及垂直进给量的方法提高磨削精度，这在很大程度限制了数控平面磨床的发展和应用。

1 技术原理

数控平面磨床中解决砂轮磨损的办法是对砂轮磨损进行补偿——调整砂轮的半径参数，在线测量并实时调整砂轮半径参数即砂轮半径动态补偿。砂轮动态补偿有两种常见方法：一是测量工件加工后的实际尺寸与理论尺寸之差来调整砂轮半径参数；另一种直接测量砂轮半径值以调整砂轮半径参数。工件磨削时砂轮处于高速旋转状态，加上工件待加工面的不规则性、工况环境及加工区域的空间限制等因素，很难在线测量工件或砂轮，以上两种补偿方法都不太适用。至今尚无一款数控平面磨床标配有砂轮在线动态补偿功能，而是只针对某特定工件配置相应的在线补偿功能，且价格昂贵。

本文所述项目采用了一种与现有技术不同的砂轮磨损在线补偿方法，其主要原理是对引起砂轮磨损的主要因素进行测量，间接计算出砂轮磨损量。将这种补偿方法应用到精密数控平面磨床，可显著提高加工效率及批量零件的加工精度。

影响数控平面磨床砂轮磨损率的因素很多，决定砂轮磨损的因素是能量。能量与砂轮磨损量是否具有线性关系，或者在什么条件下成线性关系，如何表达其它次要因素的影响，是需解决的主要关键技术问题。

2 砂轮修整及砂轮磨损补偿

现以数控系统操作界面为例，对砂轮修整及砂轮磨损动态补偿[2]方法进行分析。

新砂轮安装后，须进行二次静平衡。即在机床附件——砂轮平衡架进行第一次静平衡，然后对砂轮进行修整，砂轮修整后再放置于砂轮平衡架进行第二次静平衡。砂轮修整时，打开数控系统，在【工作选择】界面，轻触砂轮修整键，出现图1所示【砂轮修整】画面。

图1 砂轮修整

砂轮修整分为手动修整和自动修整。新安装的砂轮应采用手动修整方式进行修整；选用自动修整砂轮时可轻触自动参数键设置相关修整参数。砂轮修整后还需修改相应的砂轮半径值。

2.1 砂轮手动修整

在图1所示的【砂轮修整】画面，轻触手动修整键，工作台移动到最右端，将工作台或砂轮移动至修整器附近。轻触手动进给键，打开如图2所示【手动进给修整量】画面。

图2 砂轮手动进给修整量

采用“单步”或“手轮”方式，可对砂轮进行手动修整。砂轮修整好后，轻触退出键，从【手动进给修整量】画面回到【砂轮修整】画面，轻触返回原地键，砂轮垂直上升回到修整前位置，工作台或磨头体也前后横向移动回到修整前位置。

2.2 砂轮自动修整及补偿

2.2.1 砂轮自动修整数据

在图1所示的【砂轮修整】画面，轻触自动参数键，打开如图3所示【砂轮修整数据】画面，轻触各窗口可输入新数据。

图3 砂轮修整数据

Z正程返回坐标数值是修整砂轮时Z轴（机床前后横向）的上限位置坐标值，砂轮内侧无法修整时，应加大该数值；Z负程返回坐标数值是修整砂轮时Z轴的下限位置坐标值，砂轮外侧无法修整时，应减小该数值；Z修整速度数值是砂轮修整时Z轴的移动速度，砂轮修整后若表面粗糙度不合适可修改该数值。以上3个参数在自动运行程序中也有效。

因砂轮磨损补偿或手动微量调整补偿，砂轮半径值变小，但大于砂轮半径值之处可能有残余部分存在。修整大于砂轮半径值的这些残余部分的进给量与砂轮正常修整时的进给量可能不一样，残部进给量数据就是修整这些残余部分的进给量。残余部分的修整次数，由砂轮磨损补偿总量和残部进给量数值决定。

砂轮正常修整的进给量由新部进给量数值给定；砂轮正常修整的进给次数，由新部进给次数数值给定；砂轮修整后，可能还需要无进给修整，即光修。无进给修整次数，由光修次数数值给定。

砂轮磨损率数值是砂轮磨损动态补偿的一个参数，与【常用参数】中的49.砂轮磨损能耗参数配合使用。磨削过程中砂轮自身会磨损变小，影响工件的尺寸精度及大平面磨削时的平面度，砂轮适当补偿可减少这些因素产生的误差，但过度补偿会适得其反。

2.2.2 砂轮自动修整

在图1所示的【砂轮修整】画面，轻触自动修整键，置于工作台上的砂轮修整器金刚笔将自动移动至砂轮下面，按设定的砂轮修整参数自动修整砂轮，修整完成后自动返回到修整前的位置。若需中途停止修整，轻触返回原地键。另按控制盘上的[暂停]按钮可以中止修整过程，但不会返回到修整前的位置。

2.2.3 砂轮半径值的修改

在图1所示的【砂轮修整】画面，轻触修改砂轮半径键，弹出如图4所示的输入数据窗口。轻触“R值”右侧的数据框，直接输入实测砂轮的半径值；或轻触“修正量”右侧的数据框，输入砂轮半径的误差值（负数表示砂轮半径减少）。按确认键退出。

图4 砂轮半径修改参数

2.3 砂轮半径磨损补偿特点

通过测量工件磨削过程中的耗电量和砂轮磨损经验值，实时在线实现砂轮磨损补偿。如：磨削程序G98可设定砂轮磨削过程中动态补偿率参数。该参数的含义是：在某种磨削环境下，对应特定的砂轮半径和砂轮厚度，每消耗指定的磨损能耗（49号参数设定值），砂轮所产生的磨损量。在常用参数页中可通过设定49号参数值实现该功能，如图5所示。

图5 常用参数

现以数控程序G98和49号参数设定方法为例加以说明。工件总磨削量为0.55 mm，设定粗磨0.5，精磨0.05.首先取G98的参数为0，编程磨削，这时实际粗磨只磨除0.41 mm，系统显示消耗电能500瓦时，即500瓦时电能砂轮自身磨损了0.09 mm.相当于每消耗10000瓦秒的电能，砂轮磨损0.5μm.根据以上经验结果，把49号参数取10 000（瓦秒），对于粗磨G98的P参数设为0.5μm.再按同样方式和尺寸要求编程磨削0.5 mm，实际磨削结果约为0.49 mm.这表明经砂轮补偿后，因砂轮磨损导致的工件加工误差减少了约90%.这样与预留的精磨量0.05 mm十分接近。工件再经砂轮修整精磨后，就很容易达到所要求的尺寸精度。

3 推广应用前景

该砂轮补偿技术操作简便，增效明显，因系统仅增加了主电机功率测量变送器，成本极低。与其他通过在线测量得到的数据最后反馈给系统从而对工件磨削量进行动态补偿的方法相比，该技术成本低，生产效率高，是一项实用性较强的技术，值得推广和应用。采用该补偿技术的数控系统现已成功应用于我公司精密数控平面磨床系列产品上。

4 结束语

具有砂轮半径磨损动态补偿功能的数控平面磨床数控系统的开发，是基于用户操作经验及磨削工艺参数的数据积累。由于积累的试验数据还是离散的，这些数据所应符合的条件在系统中还须进一步界定，以方便用户使用。这对今后研发其他高效数控平面磨床具有参考作用。