数控深孔内圆磨床测量监控加工一体化装置及控制系统的制作方法

本发明涉及一种数控深孔内圆磨床测量监控加工一体化装置及控制系统，属于数控磨床设备和测量监控装置技术领域。

背景技术：

现有技术中，采用普通手动式深孔磨床和普通数控深孔磨床进行大深径比复杂型腔内孔加工时，采用反复测量和磨削的方式，手工测量、砂轮对刀和加工误差修正等完全依赖于操作者的经验。

现有加工方式的缺点在于：精确性和可靠性差、费时费力，存在加工精度和表面质量一致性差，加工效率低、劳动强度大及成品率低等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种数控深孔内圆磨床测量监控加工一体化装置及控制系统，结构简单、紧凑、加工制造方便，能够保证深孔测量和砂轮对刀的精确性和可靠性，提高深孔测量和加工效率及加工过程可控性，实现大深径比复杂型腔内孔高质高效精密磨削加工。

按照本发明提供的技术方案，一种数控深孔内圆磨床测量监控加工一体化装置，特征是：包括数控磨床主机和深孔尺寸和形状在位测量装置；所述数控磨床主机的床身上端面设置X轴进给系统和Z轴进给系统；所述Z轴进给系统包括Z轴导轨、滑动设置于Z轴导轨上的工作台、以及驱动工作台沿Z轴导轨滑动的Z轴驱动装置，在工作台上安装床头箱和用于支撑工件的中心架和砂轮修整器，床头箱上设置用于夹持工件的卡盘和工件电机；所述X轴进给系统包括与Z轴导轨垂直设置的X轴导轨、滑动设置于X轴导轨上的主轴箱安装座、以及驱动主轴箱安装座沿X轴导轨滑动的X轴驱动装置；在所述主轴箱安装座上安装砂轮主轴箱，在砂轮主轴箱的动力输出端连接磨杆，磨杆端部设置砂轮。

进一步的，所述深孔尺寸和形状在位测量装置包括测杆、X轴光栅尺和Z轴光栅尺，X轴光栅尺设置于主轴箱安装座上，Z轴光栅尺设置于工作台上；所述测杆安装在主轴箱安装座上，测杆与磨杆的轴线平行并位于同一水平面内，在测杆的头部设置三根在180°范围内均布分布的测针，测针的轴线水平放置，测针的端部设置测头。

进一步的，在所述工作台的两端和主轴箱安装座的两端分别设置限位开关。

进一步的，在所述工件上方设置用于检测工件与砂轮接触及磨削过程中声发射信号变化的声发射监控装置。

所述数控深孔内圆磨床测量监控加工一体化控制系统，其特征是：包括数控系统和数控磨床主机，数控系统包括运动控制卡和数据采集卡；所述运动控制卡连接信号分配转接模块，信号分配转接模块连接信号转接板，信号转接板的输出端连接X轴伺服驱动器、Z轴伺服驱动器和工件轴电机变频器，X轴伺服驱动器的输出端连接X轴进给电机，Z轴伺服驱动器连接Z轴进给电机，工件轴电机变频器连接工件电机；限位开关、测杆和声发射监控装置的信号输出端连接标准输入信号转接板的输入端，标准输入信号转接板的输出端连接信号分配转接模块。

进一步的，所述数控系统包括通讯接口，通讯接口与变频器连接，变频器连接砂轮主轴电机。

进一步的，所述声发射监控装置通过通讯接口连接数控系统。

进一步的，所述X轴进给电机和Z轴进给电机上分别设置X轴进给电机编码器和Z轴进给电机编码器X轴进给电机编码器连接X轴伺服驱动器，Z轴编码器连接Z轴伺服驱动器。

进一步的，所述数控系统包括人机交互设备。

进一步的，所述信号分配转接模块连接手脉。

本发明所述数控深孔内圆磨床测量监控加工一体化装置及控制系统，在数控深孔磨床的基础上，集成深孔在位测量系统以及实时监控系统，在磨削前后对深孔尺寸和形状进行在位测量，在磨削过程中对砂轮接触状态和磨削状态进行实时监控，保证深孔测量和砂轮对刀的精确性和可靠性差；本发明将机床的精密加工与在线测控结合，替代了部分三坐标检测功能，提高深孔测量和加工效率及加工工程可控性，实现大深径比复杂型腔内孔高质高效精密磨削加工。

附图说明

图1为本发明所述数控深孔内圆磨床测量监控加工一体化装置的示意图。

图2为本发明所述数控深孔内圆磨床测量监控加工一体化控制系统的框图。

图3为工件深孔直径测量示意图。

图4为工件深孔直径测量参数示意图。

图5为工件深孔台阶面测量示意图。

图6为工件过渡圆弧测量示意图。

图7为工件过渡圆弧测量结果示意图。

图中标号：数控磨床主机1、床身11、X轴进给系统12、Z轴进给系统13、床头箱14、中心架15、卡盘16、砂轮修整器17、测杆18、X轴光栅尺19、Z轴光栅尺20、X轴导轨121、主轴箱安装座122、砂轮主轴箱123、磨杆124、砂轮125、Z轴导轨131、工作台132、测针181、工件2、数控系统200、运动控制卡201、数据采集卡202、通讯接口203、人机交互设备204、信号分配转接模块205、标准输入信号转接板206、信号转接板207、X轴伺服驱动器208、Z轴伺服驱动器209、工件轴电机变频器210、X轴进给电机211、Z轴进给电机212、工件电机213、X轴进给电机编码器214、Z轴进给电机编码器215、限位开关216、声发射监控装置217、手脉218、变频器219、砂轮主轴电机220、通用输入/输出信号转接板221、操作台面板222。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1所示：本发明所述数控深孔内圆磨床测量监控加工一体化装置，包括数控磨床主机1和深孔尺寸和形状在位测量装置，数控磨床主机1的床身11采用“T”形布局卧式结构，床身11的上端面设置X轴进给系统12和Z轴进给系统13；所述Z轴进给系统13包括Z轴导轨131、滑动设置于Z轴导轨131上的工作台132、以及驱动工作台132沿Z轴导轨131滑动的Z轴驱动装置；在所述工作台132上安装床头箱14和用于支撑工件2的中心架15和砂轮修整器17，床头箱14上设置用于夹持工件2的卡盘16；所述X轴进给系统12包括与Z轴导轨131垂直设置的X轴导轨121、滑动设置于X轴导轨121上的主轴箱安装座122、以及驱动主轴箱安装座122沿X轴导轨121滑动的X轴驱动装置；在所述主轴箱安装座122上安装砂轮主轴箱123，在砂轮主轴箱123的动力输出端连接磨杆124，磨杆124端部设置砂轮125。

所述Z轴驱动装置采用Z轴伺服驱动器209和Z轴进给电机212；所述X轴驱动装置采用X轴伺服驱动器208和X轴进给电机211；所述砂轮主轴箱123中设置砂轮主轴电机220；所述床头箱14中设置工件电机213。

本发明所述数控磨床主机1能够实现大深径比复杂型腔内孔圆柱面、台阶面和圆弧面等特征表面的磨削。主要功能有以下几种：（1）深孔圆柱面磨削：采用砂轮磨削运动、工件旋转进给运动、砂轮沿X轴分步进给和Z轴往复运动的方式进行；（2）深孔台阶过渡圆弧面磨削：利用有端面圆弧的砂轮成型，采用砂轮磨削运动、工件旋转进给运动、砂轮沿X轴分步进给和沿Z轴定程运动的方式进行；（3）深孔较大半径圆弧面磨削：利用有端面圆弧的砂轮成型，采用砂轮磨削运动、工件旋转进给运动以及X轴和Z轴插补运动方式进行。

在所述工作台132的两端和主轴箱安装座122的两端分别设置限位开关216。

在所述工件2上方设置用于检测工件与砂轮接触及磨削过程中声发射信号变化的声发射监控装置217。

所述深孔尺寸和形状在位测量装置包括测杆18、X轴光栅尺19和Z轴光栅尺20；测杆18安装在主轴箱安装座122上；X轴光栅尺19设置于主轴箱安装座122上，用于精确测量磨杆124的移动距离；Z轴光栅尺20设置于工作台132上，用于精确测量工件2的移动距离；如图3、图5、图6所示，所述测杆18与磨杆124的轴线平行并位于同一水平面内，在测杆18的头部设置三根在180°范围内均布分布的测针181，测针181的轴线水平放置，测针181的端部设置测头；所述测杆18的工作原理类似三坐标测量机，测杆18通过数控磨床主机1进行X轴和Z轴的测量运动，使测针181端部的测头移动到加工工件表面的待测点上，当测头接触工件并发出采点信号时，由控制系统采集当前数控磨床主机1的X轴和Z轴相对于磨床原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理，得到被测点的测量信息，并通过多点测量数据处理和计算，实现对磨削前后工件深孔的尺寸和形状以及磨削后深孔的形状等形位误差的在位测量，分析磨削余量和加工误差，确定磨削余量分配和加工误差修正策略，为工艺参数选择和自动化数控磨削提供依据。

如图2所示，本发明所述数控深孔内圆磨床测量监控加工一体化控制系统，包括数控系统200和数控磨床主机1，数控系统200包括运动控制卡201、数据采集卡202、通讯接口203和人机交互设备204，人机交互设备204可以采用触摸屏。所述数据采集卡202连接通用输入/输出信号转接板221，通用输入/输出信号转接板221连接操作台面板222。工作时，数据采集卡用于采集加工工件的尺寸和形状参数，与磨削过程中运动控制卡201实时监测的工件尺寸和形状参数进行比较，以对磨杆、工件的进给距离进行控制。

所述运动控制卡201连接信号分配转接模块205，信号分配转接模块205连接信号转接板207和手脉218，信号转接板207的输出端连接X轴伺服驱动器208、Z轴伺服驱动器209和工件轴电机变频器210，X轴伺服驱动器208的输出端连接用于控制磨杆124进行X轴进给的X轴进给电机211，Z轴伺服驱动器209连接用于控制工件2进行Z轴进给的Z轴进给电机212，工件轴电机变频器210连接用于控制工件转动的工件电机213，X轴进给电机211和Z轴进给电机212上分别设置X轴进给电机编码器214和Z轴进给电机编码器215，X轴进给电机编码器214连接X轴伺服驱动器208，Z轴编码器215连接Z轴伺服驱动器209。所述限位开关216、测杆18和声发射监控装置217的信号输出端连接标准输入信号转接板206的输入端，标准输入信号转接板206的输出端连接信号分配转接模块205。

所述数控系统200的通讯接口203与变频器219连接，变频器219连接砂轮主轴电机220。

所述声发射监控装置217通过通讯接口203连接数控系统200。

本发明所述数控深孔内圆磨床测量监控加工一体化控制系统主要功能有以下几种：（1）系统运动控制；（2）测量数据采集、数据处理、存储与显示；（3）磨削过程监控与显示；（4）数控加工代码自动生成与执行；（5）操作提示和报警。

本发明所述的测量功能主要包括：（1）磨削前深孔的孔径、台阶深度和过渡圆弧半径等尺寸的自动测量；（2）磨削后深孔的孔径、台阶深度和过渡圆弧半径等尺寸的自动测量；（3）磨削后的深孔的圆度、圆柱度、同轴度和圆弧形状等形位误差的测量；（4）测量数据采集、存储、处理及显示。

孔径测量的原理如图3所示，测量孔径时，控制Z轴运动使测针移动到孔径测量的位置，控制X轴进给单元移动，测针一个测头接触到孔一侧表面，记录X轴光栅尺的当前值X1，然后控制X轴进给单元向相反方向移动，另一测头接触到孔另一侧表面，记录X轴光栅尺的当前值X2，再根据测量前事先标定出的两测头端部距离L，计算出孔径值D，即D=|X1-X2|+L，图4中x=|X1-X2|。

台阶深度测量原理如图5所示，控制Z轴和X轴运动，使测针测头移动至孔口的基准端面，与端面接触触发，记录Z轴光栅的当前值Z1，然后控制Z轴和X轴运动，使测头移动至被测台阶面，与台阶面接触触发，记录Z轴光栅的当前值Z2，计算出被测台阶面的深度H，即H=|Z1-Z2|。

圆弧测量原理如图6、图7所示，测量圆弧时，控制Z轴运动是测针移动到圆弧测量的起始位置，控制X轴和Z轴进给单元按照理论过渡圆弧做插补运动，使测针测头与圆弧面接触触发，同时记录X轴光栅的当前值X1和Z轴光栅的当前值Z1，重复控制X轴和Z轴进给单元移动，依次记录一系列X轴光栅的当前值Xn和Z轴光栅的当前值Zn，将（X1,Z1）~（Xn,Zn）拟合出测量曲线，再根据测针球径值，计算出圆弧值R。如图7所示，图7中A为测针181端部的测头，PP’为法线方向，B为测头A与工件圆弧面的接触点，C为测头A的球心轨迹，D为圆弧表面轮廓。

砂轮自动对刀和磨削状态监控原理：材料快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射（Acoustic Emission, 简称AE）。声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几赫兹的次声频、20 Hz～20kHz的声频到数兆赫兹的超声波。声发射信号的幅度变化范围也很大，从微观位错运动到M量级的地震波。但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号的技术称为声发射技术。

磨削过程是一个很复杂的过程，磨削区具有相当高的变形率和摩擦磨损以及相变、冲击、砂粒的崩碎、切削液的冲击等现象，这些都是强烈的声发射源。砂轮与工件弹性接触、砂轮粘接剂破裂、砂轮磨粒崩碎、砂轮磨粒与工件摩擦、工件表面裂纹过程等均可发射出弹性波。AE信号与工件材料、磨削条件、砂轮表面的状态等因素都有着密切的关系。这些因素的改变必然会引起声发射信号的幅值、频谱等方面发生变化。利用这一特点，可以通过检测声发射信号的变化，实现与工件接触状态及磨削状态的监测。砂轮自动对刀和磨削状态监控系统由声发射传感器，磨床X轴和Z轴光栅尺以及计算机数据采集与处理系统组成。声发射传感器安装及声发射监控系统如图所示。系统工作原理是：通过磨床控制系统进行X轴和Z轴的对刀运动和磨削加工运动，进行砂轮对刀和磨削状态监控。在砂轮对刀时，利用声发射传感器监测砂轮与零件加工表面接触时的信号，记录当前X轴和Z轴光栅读数值，确定砂轮与零件的相对位置坐标；在砂轮磨削过程中，利用声发射传感器实时监测声发射信号，并对信号进行实时分析和特征提取，判断砂轮与台阶面接触状态及砂轮磨损状态等，进行砂轮进给控制和砂轮修整提示；此外，通过声发射信号对砂轮对刀和进给过程的意外碰撞进行警示。

本发明针对套筒类零件深孔的结构特点和加工要求，按照测量监控加工一体化数控深孔磨削技术，磨床采用磨杆、测杆同机布置的方式，在磨头主轴箱上加装测杆，在工件工作台上加装声发射监控装置，并在磨床数控系统基础上，集成位测量系统以及实时监控系统。本发明具有结构简单，紧凑，加工制造成本较低且较易实施，性能又稳定、精度高、使用寿命长等特点，既保证了高效率，又保证了高精度和灵活多功能性。