固体声监控系统在曲轴磨床上的应用

孙兰芳　王磊

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

中图分类号：TG659  文献标志码：A  文章編号：1671-0797（2023）09-0055-05

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.016

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-System 6000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FANUC 31i-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Dittel AE6000[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ID Senser（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0.5～1 mm。

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0.023 mm，接近公差上限，平面度要求是0～0.025 mm。

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[4]下降，需要研究磨削过程[5]。

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[6]，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106.45 mm到106 mm，磨削行程是0.45 mm。如果加工余量大于0.45 mm，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0.7 mm。

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50 mm/min降低到磨削速度3.5 mm/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6 s/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0.45 mm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。

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”，表示已經接触到金刚滚轮，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，计算出金刚滚轮与砂轮修整时总消耗量Δd总和。

通过公式计算损耗比：

Δd金刚=d1-d2

Δd总和=（m/x）×p

R=Δd金刚/Δd总和

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。

[参考文献]

[1] FANUC Series 31i-MODEL B PROGRAMMING MANUAL B-

64513EN/01[Z].

[2] Dittel-System AE6000磨削过程监控模块安装和操作手册[Z]，2007.

[3] 邹黎，黄远.固体声在砂轮磨削及修整中的应用[J].汽车实用技术，2018（12）：121-123.

[4] 梅益铭.单磨粒磨削中的磨粒磨损过程及磨损状态监测方法研究[D].杭州：浙江大学，2017.

[5] 刘贵杰，巩亚东，王宛山.磨削质量在线监测方法研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2004（5）：24-27.

[6] 姜晨，李郝林，麦云飞.基于声发射信号的外圆切入磨削去除率监测[J].中国机械工程，2013，24（22）：2992-2996.

[7] 许勇军，何邦贵.基于AE的砂轮智能修整技术研究[J].微计算机信息，2012，28（4）：46-48.

收稿日期：2023-02-15

作者简介：孙兰芳（1980—），女，江苏泰州人，硕士，高级工程师，主要从事电气技术支持工作。