恒力磨削技术报告

恒力磨削关键技术的研究与应用上海理工大学机械工程学院李郝林教授2006年5月1主要内容恒力磨削研究概况恒力磨削中声发射（AE）信号处理方法的研究进一步的研究工作—磨削质量在线监测与智能 控制方法的研究数控磨床砂轮磨损量测量及其误差补偿其它项目研究概况2恒力磨削研究概况恒力磨削是一种先进的高精度磨削方法，它通过控制磨削力，保证砂轮与工件的均匀接触，从而磨削出高精度的平面与曲线。由于高精度加工中，加工工艺参数如切削力、切削进给量与传统加工相比要小很多，传统的磨削力监测方法难于满足恒力磨削技术的需要，有效地监控磨削力对于保证磨削精度将起到关键作用。3从理论上分析，监测砂轮与工件接触的最直接方法，应该是两者之间的相对磨削压力，但难于直接测量这个力，声发射信号为间接监测磨削压力提供了手段。声发射技术是一种新的磨削过程监控新技术，目前已广泛用于磨削过程监控的研究领域。切削过程中的声发射是重要的切削现象之一，所谓声发射现象是固体材料由于结构变化引起应变能的快速释放而产生的弹性波，简称AE（AcousticEmission）。在磨4削加工中，当磨削加工处于一种稳定状态时，AE信号并不发生变化，只有当磨削状态发生变化时，声发射信号才随之发生变化。国外有关文献的研究表明，利用声发射信号可以快速可靠地监控磨削力的变化。

声发射监控技术的突出特点是灵敏度很高，文献研究表明，对于切削力的测量可达0.1N。利用声发射传感器灵敏度高的特点，美国许密特工业公司生产出了声发射控制仪，该仪器对于砂轮碰撞安全检测，反应时间可达0.1ms。5通过磨削力的监控可以实现三方面的目的：一是发现磨削过程的问题，如砂轮磨损、烧伤等现象的发生；二是优化磨削过程参数，达到高精度磨削的目的。通过磨削力信号，可以定量地掌握磨削进给量等加工信息，从而可以实现磨削过程的优化控制；三是建立磨削过程控制参数的数据库。6恒力磨削中声发射（AE）信号处理方法的研究在磨削过程监测过程中，基于声发射信号的特征提取与信号处理有其特殊的困难。由于声发射测量信号与磨削材料、磨削工件尺寸、磨削工艺参数等有关，对于每一实际加工情况，其信号的频率都不一样，而实际中又不可能对每一种零件或砂轮尺寸进行研究，确定其滤波器的参数、频域分析范围以及状态识别的决策阈值等。因此，关于声发射信号处理方法的研究是决定该项技术能否实用化的关键。7上海理工大学在恒力磨削研究方面主要做了以下一些工作；

1声发射传感器适当的安装位置

2关于实验数据样本容量的选取

3特征参数与磨削力映射关系的验证

4关于误判率和判断时间以及采样频率有关问题 的研究

5砂轮磨损测量与补偿的应用研究进一步还将研究轧辊磨削技术以及智能磨削技术的实现等问题。8声发射的信噪比取决于传感器的位置，为了确定好的监测效果，必须考虑合适的传感器安装位置。声发射传感器安装位置的确定9三条曲线上的三个点分别是磨削深度1u，2u，3u时的状态。

在位置3所采集的声发射信号变化明显，实际采集效果较好。最终确定将传感器置于尾架顶针（即位置3）上。10关于声发射信号干扰问题的研究和处理磨床加工过程中的声发射信号主要来自于砂轮与工件表面的挤压和摩擦所造成的高频振动。干扰信号包括磨削液，机床本身的振动等。我们对加工过程中磨削液对声发射信号的影响进行了分析研究。

11实验结果表明，磨削液在调节大小的前后，系统所采集到的信号基本不变，这表明磨削液产生的低频信号能量有限，不足以影响声发射信号特征参数值的计算。12磨削试验加工实景图13另外，在待加工状态下，系统的固有频率基本集中在30～40KHz，且特征参数值很小，要将y轴放大10倍才能观察到幅值，因此，待加工时背景噪音对加工时的信号采集影响很小。14特征参数与磨削力映射关系验证磨削圆柱零件外圆，磨削深度分别为1，2，3，4，5um，计算特征参数值。可以看出在磨削深度（磨削力）增大的同时，特征参数有相应的变化，图中三条曲线为不同样本容量下计算出的映射关系，基本上都能反映出这一规律。15误判率和判断时间的关系根据多个特征参数值进行判断，会使误判概率大大降低，但同时带来了一个问题，就是判断时间要相应的增加。单个样本

两个样本

三个样本

16实验结果表明，利用两个特征参数进行计算，在30个数据中，出现一次误判，误判概率3%；利用三个特征参数进行计算，在30个数据中，没有出现误判。但是利用两个特征参数进行计算做一次判断耗时2.6*2=5.2ms（以10MHz采样频率计）；利用三个特征参数进行计算做一次判断耗时2.6*3=7.8ms。由此得出误判率与判断时间成反比例函数关系。17进一步的研究工作——

磨削质量在线监测与智能控制方法的研究在磨削过程中，加工参数的选择对于磨削质量有着很大的影响。而加工参数的选择往往取决于经验，特别是对于高精度零件的加工，需要通过大量的实际试验才能确定合适的加工参数。而通过声发射技术的研究，可以根据声发射信号定量地监测磨削过程，实时地掌握磨削进给量、磨削工件的粗糙度等，这就为进一步开展磨削过程智能控制方法的研究奠定了基础。18数控磨床砂轮磨损量测量及其误差补偿19将声发射传感器安装在砂轮架上，金刚笔作为砂轮定位的基准，安装在磨床床身的某一位置。当需要测量砂轮的磨损量时，砂轮靠近金刚笔，声发射信号增强，经过声发射控制机的滤波和阈值计算，判定信号超过某个预先设定的阈值时，由声发射控制机向数控系统的PLC发出开关量信号。20所采用的声发射控制仪2122其它机械项目研究概况零件的在线测量与砂轮修正磨床传动链误差检测系统虚拟技术在机床设计制造方面的应用数控激光切割机优化排料系统开发23零件的在线测量与砂轮修正

实现齿形误差在线测量存在的问题有两个，一是测量的起始点不能准确确定，二是分度误差造成的测量位置不确定。理论轨迹测头轨迹测量值di24252627282930上海机床厂有限公司中心架的设计1、参数化设计对于某一特定中心高的中心架，根据支撑角度的不同形成系列，适应不同的工况。简化设计。与水平夹角变小与水平夹角增加与垂直夹角增加参照312、优化设计对于某一中心高的中心架，磨削不同直径的工件，原来采用不同的机架，保证刚度。现拟采用相同机架，不同长度的支撑替代，根据加工零件的圆度、圆柱度误差要求，采用优化设计的方法，决定支撑的直径，连接方法。32中心架零件受力应力分布图33中心架零件受力应变图（一）34中心架零件受力应变图（二）35机床主轴的减震设计内圆磨具的几何构造3637改造前方案一方案二1.二段;2.圆锥状1.加粗;2.圆柱状二段改进设计方案38改进前的静变形方案一方案二Y方向是切削产生的变形84μｍ⇒27μｍ28

μｍZ方向是重力产生的变形71μｍ⇒50μｍ

42

μｍ改进前方案一方案二改进设计方案静变形的仿真结果39方案二改进前方案一改进设计方案固有频率的仿真结果40改进前方案一方案二

75Hz

⇒89Hz

⇒

99Hz

机床的主要激振源为砂轮转动引起的振动，砂轮转速为2200rpm

⇒36.66Hz显然，固有频率离激振源的频率越远越好。可见，改进方案有效的改善了机床的振动情况。41自动排料用户只需选择排料零件的种类、数量，及钢板尺寸等数据，系统会自动把零件按照从大到小顺序自动排放到钢板上，并直观显示出排料结果。42任意零件的排料43排料任务表为实现自动排料，需在任务表中选择要进行排料零件的图形文件，以及排料的数量。当板排满了零件后，任务表会显示已排零件和未排零件数量。44钢板尺寸设置设置钢板的长度、宽度和厚度，同时设置零件排料的间隙45余料的使用如果排样完成后板材有大量剩余，可以把余料保存起来，下次排料时继续使用排料完成后显示余料轨迹使用余料进行排料结果46输出零件的最优