本發(fā)明涉及一種數(shù)控深孔內(nèi)圓磨床測量監(jiān)控加工一體化裝置及控制系統(tǒng)，屬于數(shù)控磨床設(shè)備和測量監(jiān)控裝置技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，采用普通手動式深孔磨床和普通數(shù)控深孔磨床進行大深徑比復雜型腔內(nèi)孔加工時，采用反復測量和磨削的方式，手工測量、砂輪對刀和加工誤差修正等完全依賴于操作者的經(jīng)驗。

現(xiàn)有加工方式的缺點在于：精確性和可靠性差、費時費力，存在加工精度和表面質(zhì)量一致性差，加工效率低、勞動強度大及成品率低等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種數(shù)控深孔內(nèi)圓磨床測量監(jiān)控加工一體化裝置及控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、加工制造方便，能夠保證深孔測量和砂輪對刀的精確性和可靠性，提高深孔測量和加工效率及加工過程可控性，實現(xiàn)大深徑比復雜型腔內(nèi)孔高質(zhì)高效精密磨削加工。

按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種數(shù)控深孔內(nèi)圓磨床測量監(jiān)控加工一體化裝置，特征是：包括數(shù)控磨床主機和深孔尺寸和形狀在位測量裝置；所述數(shù)控磨床主機的床身上端面設(shè)置X軸進給系統(tǒng)和Z軸進給系統(tǒng)；所述Z軸進給系統(tǒng)包括Z軸導軌、滑動設(shè)置于Z軸導軌上的工作臺、以及驅(qū)動工作臺沿Z軸導軌滑動的Z軸驅(qū)動裝置，在工作臺上安裝床頭箱和用于支撐工件的中心架和砂輪修整器，床頭箱上設(shè)置用于夾持工件的卡盤和工件電機；所述X軸進給系統(tǒng)包括與Z軸導軌垂直設(shè)置的X軸導軌、滑動設(shè)置于X軸導軌上的主軸箱安裝座、以及驅(qū)動主軸箱安裝座沿X軸導軌滑動的X軸驅(qū)動裝置；在所述主軸箱安裝座上安裝砂輪主軸箱，在砂輪主軸箱的動力輸出端連接磨桿，磨桿端部設(shè)置砂輪。

進一步的，所述深孔尺寸和形狀在位測量裝置包括測桿、X軸光柵尺和Z軸光柵尺，X軸光柵尺設(shè)置于主軸箱安裝座上，Z軸光柵尺設(shè)置于工作臺上；所述測桿安裝在主軸箱安裝座上，測桿與磨桿的軸線平行并位于同一水平面內(nèi)，在測桿的頭部設(shè)置三根在180°范圍內(nèi)均布分布的測針，測針的軸線水平放置，測針的端部設(shè)置測頭。

進一步的，在所述工作臺的兩端和主軸箱安裝座的兩端分別設(shè)置限位開關(guān)。

進一步的，在所述工件上方設(shè)置用于檢測工件與砂輪接觸及磨削過程中聲發(fā)射信號變化的聲發(fā)射監(jiān)控裝置。

所述數(shù)控深孔內(nèi)圓磨床測量監(jiān)控加工一體化控制系統(tǒng)，其特征是：包括數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控磨床主機，數(shù)控系統(tǒng)包括運動控制卡和數(shù)據(jù)采集卡；所述運動控制卡連接信號分配轉(zhuǎn)接模塊，信號分配轉(zhuǎn)接模塊連接信號轉(zhuǎn)接板，信號轉(zhuǎn)接板的輸出端連接X軸伺服驅(qū)動器、Z軸伺服驅(qū)動器和工件軸電機變頻器，X軸伺服驅(qū)動器的輸出端連接X軸進給電機，Z軸伺服驅(qū)動器連接Z軸進給電機，工件軸電機變頻器連接工件電機；限位開關(guān)、測桿和聲發(fā)射監(jiān)控裝置的信號輸出端連接標準輸入信號轉(zhuǎn)接板的輸入端，標準輸入信號轉(zhuǎn)接板的輸出端連接信號分配轉(zhuǎn)接模塊。

進一步的，所述數(shù)控系統(tǒng)包括通訊接口，通訊接口與變頻器連接，變頻器連接砂輪主軸電機。

進一步的，所述聲發(fā)射監(jiān)控裝置通過通訊接口連接數(shù)控系統(tǒng)。

進一步的，所述X軸進給電機和Z軸進給電機上分別設(shè)置X軸進給電機編碼器和Z軸進給電機編碼器X軸進給電機編碼器連接X軸伺服驅(qū)動器，Z軸編碼器連接Z軸伺服驅(qū)動器。

進一步的，所述數(shù)控系統(tǒng)包括人機交互設(shè)備。

進一步的，所述信號分配轉(zhuǎn)接模塊連接手脈。

本發(fā)明所述數(shù)控深孔內(nèi)圓磨床測量監(jiān)控加工一體化裝置及控制系統(tǒng)，在數(shù)控深孔磨床的基礎(chǔ)上，集成深孔在位測量系統(tǒng)以及實時監(jiān)控系統(tǒng)，在磨削前后對深孔尺寸和形狀進行在位測量，在磨削過程中對砂輪接觸狀態(tài)和磨削狀態(tài)進行實時監(jiān)控，保證深孔測量和砂輪對刀的精確性和可靠性差；本發(fā)明將機床的精密加工與在線測控結(jié)合，替代了部分三坐標檢測功能，提高深孔測量和加工效率及加工工程可控性，實現(xiàn)大深徑比復雜型腔內(nèi)孔高質(zhì)高效精密磨削加工。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述數(shù)控深孔內(nèi)圓磨床測量監(jiān)控加工一體化裝置的示意圖。

圖2為本發(fā)明所述數(shù)控深孔內(nèi)圓磨床測量監(jiān)控加工一體化控制系統(tǒng)的框圖。

圖3為工件深孔直徑測量示意圖。

圖4為工件深孔直徑測量參數(shù)示意圖。

圖5為工件深孔臺階面測量示意圖。

圖6為工件過渡圓弧測量示意圖。

圖7為工件過渡圓弧測量結(jié)果示意圖。

圖中標號：數(shù)控磨床主機1、床身11、X軸進給系統(tǒng)12、Z軸進給系統(tǒng)13、床頭箱14、中心架15、卡盤16、砂輪修整器17、測桿18、X軸光柵尺19、Z軸光柵尺20、X軸導軌121、主軸箱安裝座122、砂輪主軸箱123、磨桿124、砂輪125、Z軸導軌131、工作臺132、測針181、工件2、數(shù)控系統(tǒng)200、運動控制卡201、數(shù)據(jù)采集卡202、通訊接口203、人機交互設(shè)備204、信號分配轉(zhuǎn)接模塊205、標準輸入信號轉(zhuǎn)接板206、信號轉(zhuǎn)接板207、X軸伺服驅(qū)動器208、Z軸伺服驅(qū)動器209、工件軸電機變頻器210、X軸進給電機211、Z軸進給電機212、工件電機213、X軸進給電機編碼器214、Z軸進給電機編碼器215、限位開關(guān)216、聲發(fā)射監(jiān)控裝置217、手脈218、變頻器219、砂輪主軸電機220、通用輸入/輸出信號轉(zhuǎn)接板221、操作臺面板222。

具體實施方式

下面結(jié)合具體附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示：本發(fā)明所述數(shù)控深孔內(nèi)圓磨床測量監(jiān)控加工一體化裝置，包括數(shù)控磨床主機1和深孔尺寸和形狀在位測量裝置，數(shù)控磨床主機1的床身11采用“T”形布局臥式結(jié)構(gòu)，床身11的上端面設(shè)置X軸進給系統(tǒng)12和Z軸進給系統(tǒng)13；所述Z軸進給系統(tǒng)13包括Z軸導軌131、滑動設(shè)置于Z軸導軌131上的工作臺132、以及驅(qū)動工作臺132沿Z軸導軌131滑動的Z軸驅(qū)動裝置；在所述工作臺132上安裝床頭箱14和用于支撐工件2的中心架15和砂輪修整器17，床頭箱14上設(shè)置用于夾持工件2的卡盤16；所述X軸進給系統(tǒng)12包括與Z軸導軌131垂直設(shè)置的X軸導軌121、滑動設(shè)置于X軸導軌121上的主軸箱安裝座122、以及驅(qū)動主軸箱安裝座122沿X軸導軌121滑動的X軸驅(qū)動裝置；在所述主軸箱安裝座122上安裝砂輪主軸箱123，在砂輪主軸箱123的動力輸出端連接磨桿124，磨桿124端部設(shè)置砂輪125。

所述Z軸驅(qū)動裝置采用Z軸伺服驅(qū)動器209和Z軸進給電機212；所述X軸驅(qū)動裝置采用X軸伺服驅(qū)動器208和X軸進給電機211；所述砂輪主軸箱123中設(shè)置砂輪主軸電機220；所述床頭箱14中設(shè)置工件電機213。

本發(fā)明所述數(shù)控磨床主機1能夠?qū)崿F(xiàn)大深徑比復雜型腔內(nèi)孔圓柱面、臺階面和圓弧面等特征表面的磨削。主要功能有以下幾種：（1）深孔圓柱面磨削：采用砂輪磨削運動、工件旋轉(zhuǎn)進給運動、砂輪沿X軸分步進給和Z軸往復運動的方式進行；（2）深孔臺階過渡圓弧面磨削：利用有端面圓弧的砂輪成型，采用砂輪磨削運動、工件旋轉(zhuǎn)進給運動、砂輪沿X軸分步進給和沿Z軸定程運動的方式進行；（3）深孔較大半徑圓弧面磨削：利用有端面圓弧的砂輪成型，采用砂輪磨削運動、工件旋轉(zhuǎn)進給運動以及X軸和Z軸插補運動方式進行。

在所述工作臺132的兩端和主軸箱安裝座122的兩端分別設(shè)置限位開關(guān)216。

在所述工件2上方設(shè)置用于檢測工件與砂輪接觸及磨削過程中聲發(fā)射信號變化的聲發(fā)射監(jiān)控裝置217。

所述深孔尺寸和形狀在位測量裝置包括測桿18、X軸光柵尺19和Z軸光柵尺20；測桿18安裝在主軸箱安裝座122上；X軸光柵尺19設(shè)置于主軸箱安裝座122上，用于精確測量磨桿124的移動距離；Z軸光柵尺20設(shè)置于工作臺132上，用于精確測量工件2的移動距離；如圖3、圖5、圖6所示，所述測桿18與磨桿124的軸線平行并位于同一水平面內(nèi)，在測桿18的頭部設(shè)置三根在180°范圍內(nèi)均布分布的測針181，測針181的軸線水平放置，測針181的端部設(shè)置測頭；所述測桿18的工作原理類似三坐標測量機，測桿18通過數(shù)控磨床主機1進行X軸和Z軸的測量運動，使測針181端部的測頭移動到加工工件表面的待測點上，當測頭接觸工件并發(fā)出采點信號時，由控制系統(tǒng)采集當前數(shù)控磨床主機1的X軸和Z軸相對于磨床原點的坐標值，再由計算機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理，得到被測點的測量信息，并通過多點測量數(shù)據(jù)處理和計算，實現(xiàn)對磨削前后工件深孔的尺寸和形狀以及磨削后深孔的形狀等形位誤差的在位測量，分析磨削余量和加工誤差，確定磨削余量分配和加工誤差修正策略，為工藝參數(shù)選擇和自動化數(shù)控磨削提供依據(jù)。

如圖2所示，本發(fā)明所述數(shù)控深孔內(nèi)圓磨床測量監(jiān)控加工一體化控制系統(tǒng)，包括數(shù)控系統(tǒng)200和數(shù)控磨床主機1，數(shù)控系統(tǒng)200包括運動控制卡201、數(shù)據(jù)采集卡202、通訊接口203和人機交互設(shè)備204，人機交互設(shè)備204可以采用觸摸屏。所述數(shù)據(jù)采集卡202連接通用輸入/輸出信號轉(zhuǎn)接板221，通用輸入/輸出信號轉(zhuǎn)接板221連接操作臺面板222。工作時，數(shù)據(jù)采集卡用于采集加工工件的尺寸和形狀參數(shù)，與磨削過程中運動控制卡201實時監(jiān)測的工件尺寸和形狀參數(shù)進行比較，以對磨桿、工件的進給距離進行控制。

所述運動控制卡201連接信號分配轉(zhuǎn)接模塊205，信號分配轉(zhuǎn)接模塊205連接信號轉(zhuǎn)接板207和手脈218，信號轉(zhuǎn)接板207的輸出端連接X軸伺服驅(qū)動器208、Z軸伺服驅(qū)動器209和工件軸電機變頻器210，X軸伺服驅(qū)動器208的輸出端連接用于控制磨桿124進行X軸進給的X軸進給電機211，Z軸伺服驅(qū)動器209連接用于控制工件2進行Z軸進給的Z軸進給電機212，工件軸電機變頻器210連接用于控制工件轉(zhuǎn)動的工件電機213，X軸進給電機211和Z軸進給電機212上分別設(shè)置X軸進給電機編碼器214和Z軸進給電機編碼器215，X軸進給電機編碼器214連接X軸伺服驅(qū)動器208，Z軸編碼器215連接Z軸伺服驅(qū)動器209。所述限位開關(guān)216、測桿18和聲發(fā)射監(jiān)控裝置217的信號輸出端連接標準輸入信號轉(zhuǎn)接板206的輸入端，標準輸入信號轉(zhuǎn)接板206的輸出端連接信號分配轉(zhuǎn)接模塊205。

所述數(shù)控系統(tǒng)200的通訊接口203與變頻器219連接，變頻器219連接砂輪主軸電機220。

所述聲發(fā)射監(jiān)控裝置217通過通訊接口203連接數(shù)控系統(tǒng)200。

本發(fā)明所述數(shù)控深孔內(nèi)圓磨床測量監(jiān)控加工一體化控制系統(tǒng)主要功能有以下幾種：（1）系統(tǒng)運動控制；（2）測量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、存儲與顯示；（3）磨削過程監(jiān)控與顯示；（4）數(shù)控加工代碼自動生成與執(zhí)行；（5）操作提示和報警。

本發(fā)明所述的測量功能主要包括：（1）磨削前深孔的孔徑、臺階深度和過渡圓弧半徑等尺寸的自動測量；（2）磨削后深孔的孔徑、臺階深度和過渡圓弧半徑等尺寸的自動測量；（3）磨削后的深孔的圓度、圓柱度、同軸度和圓弧形狀等形位誤差的測量；（4）測量數(shù)據(jù)采集、存儲、處理及顯示。

孔徑測量的原理如圖3所示，測量孔徑時，控制Z軸運動使測針移動到孔徑測量的位置，控制X軸進給單元移動，測針一個測頭接觸到孔一側(cè)表面，記錄X軸光柵尺的當前值X1，然后控制X軸進給單元向相反方向移動，另一測頭接觸到孔另一側(cè)表面，記錄X軸光柵尺的當前值X2，再根據(jù)測量前事先標定出的兩測頭端部距離L，計算出孔徑值D，即D=|X1-X2|+L，圖4中x=|X1-X2|。

臺階深度測量原理如圖5所示，控制Z軸和X軸運動，使測針測頭移動至孔口的基準端面，與端面接觸觸發(fā)，記錄Z軸光柵的當前值Z1，然后控制Z軸和X軸運動，使測頭移動至被測臺階面，與臺階面接觸觸發(fā)，記錄Z軸光柵的當前值Z2，計算出被測臺階面的深度H，即H=|Z1-Z2|。

圓弧測量原理如圖6、圖7所示，測量圓弧時，控制Z軸運動是測針移動到圓弧測量的起始位置，控制X軸和Z軸進給單元按照理論過渡圓弧做插補運動，使測針測頭與圓弧面接觸觸發(fā)，同時記錄X軸光柵的當前值X1和Z軸光柵的當前值Z1，重復控制X軸和Z軸進給單元移動，依次記錄一系列X軸光柵的當前值Xn和Z軸光柵的當前值Zn，將（X1,Z1）~（Xn,Zn）擬合出測量曲線，再根據(jù)測針球徑值，計算出圓弧值R。如圖7所示，圖7中A為測針181端部的測頭，PP’為法線方向，B為測頭A與工件圓弧面的接觸點，C為測頭A的球心軌跡，D為圓弧表面輪廓。

砂輪自動對刀和磨削狀態(tài)監(jiān)控原理：材料快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（Acoustic Emission, 簡稱AE）。聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，各種材料聲發(fā)射信號的頻率范圍很寬，從幾赫茲的次聲頻、20 Hz～20kHz的聲頻到數(shù)兆赫茲的超聲波。聲發(fā)射信號的幅度變化范圍也很大，從微觀位錯運動到M量級的地震波。但許多材料的聲發(fā)射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要借助靈敏的電子儀器才能檢測出來。用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。

磨削過程是一個很復雜的過程，磨削區(qū)具有相當高的變形率和摩擦磨損以及相變、沖擊、砂粒的崩碎、切削液的沖擊等現(xiàn)象，這些都是強烈的聲發(fā)射源。砂輪與工件彈性接觸、砂輪粘接劑破裂、砂輪磨粒崩碎、砂輪磨粒與工件摩擦、工件表面裂紋過程等均可發(fā)射出彈性波。AE信號與工件材料、磨削條件、砂輪表面的狀態(tài)等因素都有著密切的關(guān)系。這些因素的改變必然會引起聲發(fā)射信號的幅值、頻譜等方面發(fā)生變化。利用這一特點，可以通過檢測聲發(fā)射信號的變化，實現(xiàn)與工件接觸狀態(tài)及磨削狀態(tài)的監(jiān)測。砂輪自動對刀和磨削狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由聲發(fā)射傳感器，磨床X軸和Z軸光柵尺以及計算機數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。聲發(fā)射傳感器安裝及聲發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)如圖所示。系統(tǒng)工作原理是：通過磨床控制系統(tǒng)進行X軸和Z軸的對刀運動和磨削加工運動，進行砂輪對刀和磨削狀態(tài)監(jiān)控。在砂輪對刀時，利用聲發(fā)射傳感器監(jiān)測砂輪與零件加工表面接觸時的信號，記錄當前X軸和Z軸光柵讀數(shù)值，確定砂輪與零件的相對位置坐標；在砂輪磨削過程中，利用聲發(fā)射傳感器實時監(jiān)測聲發(fā)射信號，并對信號進行實時分析和特征提取，判斷砂輪與臺階面接觸狀態(tài)及砂輪磨損狀態(tài)等，進行砂輪進給控制和砂輪修整提示；此外，通過聲發(fā)射信號對砂輪對刀和進給過程的意外碰撞進行警示。

本發(fā)明針對套筒類零件深孔的結(jié)構(gòu)特點和加工要求，按照測量監(jiān)控加工一體化數(shù)控深孔磨削技術(shù)，磨床采用磨桿、測桿同機布置的方式，在磨頭主軸箱上加裝測桿，在工件工作臺上加裝聲發(fā)射監(jiān)控裝置，并在磨床數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，集成位測量系統(tǒng)以及實時監(jiān)控系統(tǒng)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，加工制造成本較低且較易實施，性能又穩(wěn)定、精度高、使用壽命長等特點，既保證了高效率，又保證了高精度和靈活多功能性。