滚动轴承磨床主传动系统的技术改造

　　摘　要：分析了某轴承磨床存在的加工质量问题，介绍了磨床的无级调速改造和磨削恒定线速度控制的方法。
　　关键词：磨床改造；磨削速度；控制；设计
　　1　磨床的无级调速改造
　　某厂用于生产滚动轴承内圈和挡边的磨削机床M 2200Z已使用多年，存在的主要问题有：（1）被磨削的轴承内圈直径按5 mm差值系列变化，需提供多种转速，而砂轮主轴的传动系统使用的是机械齿轮变速箱，有级变速，使工件无法获得Z佳切削线速度；即使是加工同种工件，当工件材质、热处理硬度不同时，磨削转速也无法得到相应调整；（2）磨削控制系统未采用闭环控制，砂轮的转速无法满足线速度恒定的工艺要求；（3）工件表面粗糙度不稳定，工序尺寸分散；（4）砂轮磨损及修整量与工件磨削进给补偿间规律难以掌握；（5）无自动上下料装置，控制和操作方式落后，柔性差。
　　针对上述问题，结合同类先进磨削设备的传动和控制系统，拟对原机床的机械和电气部分进行改造。
　　1.1 机械部分改造
　　为实现主轴转速连续可调，对主轴传动系统及相关机构的改造方案为：
　　（1）拆除主传动传动链中原用于工件变速的齿轮减速箱，采用PLC控制的交流变频调速器，以实现无级变速。
　　（2）拆除原来用于砂轮变速的多级带传动装置，安装中频变频调速主轴装置，使砂轮主轴获得所需转速。
　　（3）拆除原手动调节的砂轮修整机构，设计并安装适应PLC控制的角度修整机构。原砂轮修整为手动调节，完全凭看火花等经验进行，调整时间长，效率低，对这部分改造为采用PLC控制，提高机床的自动化水平。
　　（4）将原有的工作台由液压和手动砂轮进给机构改造成由先进的数控伺服电机驱动。
　　（5）将原机床手工上下料方式改为自动检测、机械手上下料。
　　1.2 电气控制部分改造
　　由于采用PLC、变频调速器、电机主轴、伺服驱动器等装置，机床电气控制系统做了大幅度的改造，改造后的电气控制系统硬件组成见图1。其控制功能主要有：砂轮主轴、工件主轴变频调速系统；伺服驱动工件进给系统；挡边磨削工艺过程控制工艺流程见图2；机床润滑、冷却、过滤电机控制；机械手自动上下料与检测机构；砂轮修整器液压进给及人机界面控制等。改造后的系统提高了机床的效率和自动化水平。
　　2　砂轮的恒线速度控制
　　2.1 控制原理
　　采用PLC控制的变频调速后，可根据工件所需Z佳切削线速度设定相应的工件和砂轮转速。砂轮主轴变频调速系统的闭环控制需增加砂轮直径检测机构、砂轮修整器进给直线位移传感器等装置，在工件磨削过程中，砂轮不断磨损以及修整器修整，使砂轮直径减小，线速度不能保持恒定，由此产生的砂轮线速度损失，使工件表面磨削质量不稳定，而系统硬件无法解决，只能用软件进行补偿。根据砂轮半径与转速（频率）的关系式计算砂轮直径的减小量△d与所要提升的频率（转速）△f 输入PLC控制器，由D/F模块传递给变频器进行调速。
　　2.2 控制手段
　　磨床控制系统的操作控制面板部分采用可编程终端（Programm able Terminal-PT），用ADP3工具软件开发具有触摸功能的图形化界面，对磨床进行监控和操作，如工艺流程、磨削进度显示，工艺参数设置，键盘模拟、数据存储、显示等。加工中砂轮直径实际减小值无法测定，只能根据经验由操作面板进行参数化设定。编制PT的参数设置屏并分配PLC相应的字地址，由触摸按钮输入△d1、△d2。根据砂轮直径与频率间的关系及磨损量经验修正值，建立砂轮直径减小量△d（△d=△d1+△d2）与提升频率△f的关系表格， 并存储在DM区。操作者查表输入△f，通过串行通讯口RS-232将数据传给PLC，PLC内部系统编程，程序将提升频率的信息由D/A模块传递给变频器进行调速，使砂轮转速随着砂轮的半径减小而增大，从而实现砂轮恒线速度控制，保证了在轴承内圈挡边磨削加工过程中工件表面粗糙度等级的稳定。
　　变频调速控制方式在轴承加工行业中已应用多年，可编程终端是新一代人机界面，具有较强的显示和通讯等功能，利用PLC较强的控制功能，使磨床砂轮线速度基本保持恒定。