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The Study on a Method of Automatically Inspecting the Initial Contact of the Grinding Wheel and the Work-piece for the Ultra-precision Surface Gr inding Machine
Ge Genyan Li Shenyi
（NUDT）
Xu Yahui Wu Minggen
（CPEI）
Abstract：The paper introduces a method of automatically ins pecting the initial contact of the grinding wheel and the work-piece method by inspecting the load moment output of the frequency converter,with a steady accu racy of 0.5μm.
Key words：ultra-precision surface grinding machine，inspec ting the initial contact of the grinding wheel and the work-piece，moment inspe cting，the frequency converter，spindle
传统的磨削对刀主要采用听磨削声音、看磨削火花等手工方法，这些方法存在效率低、对刀 精度依赖于操作者的经验与熟练程度等缺点。自动对刀对磨削加工，尤其在超精密磨削加工 中，快速准确地检测出砂轮和工件的初始接触时间，对于控制工件尺寸精度、提高加工效率 、保护砂轮和工件表面都有重要意义。目前应用于工程实际的磨削自动对刀方法主要有检测 砂轮与工件接触瞬间主轴电机功率(扭矩)、负载电流变化以及采用专门的对刀仪等。
直接测量主轴电机功率方法具有信号采集简便、检测装置易于安 装、可避免切削环境(切 削液、切 屑、振动等)因素干扰等优点，是目前应用较为广泛的1种检测方法。其主要缺点是 该方法受电网电压不稳定、电磁噪声干扰及负载本身变化等的影响较大，使得该方法灵敏度 较低，目前采用这种方法的对刀精度为5～10μm左右。
采用专门对刀仪的方法目前主要可以进行刀具磨损量和尺寸精度的检测和补偿，其精度可达 5～10μm。但这种方法需要专门装置，只能进行间断在位测量，因此无法及时发现刀具的急 剧磨损或破损。
采用声发射检测和振动加速度变化的方法也开始应用于磨削对刀，但这些方法还不够成熟， 可靠性
尚有待提高，目前处于实验研究或完善阶段。
在“大型CNC超精密平面磨床”研制项目中，要求实现1μm乃至更高精度、稳定可靠的自动 对刀，这样就需要寻找高精度的检测手段并研究相应的信号处理方法。
自动对刀方法及实验研究
图1所示为超精密平面磨床主轴系统简图，这里主轴驱动采用了FRENIC 5000G9S变频调速器 ，由于超精密平面磨床的主轴电机和砂轮轴都进行了精化及动平衡实验并采用了气浮轴承 支撑，因此，主轴系统本身负载波动的影响非常小，另外在超精密加工环境下，电网及外界 电磁干扰等影响也很小，这样对磨削液、磨屑等干扰不敏感的测量主轴电机功率(力矩、电 流)变化的方法就可能得到高精度对刀结果。
图1 超精密平面磨床主轴系统简图 1. 利用变频调速器获得力矩信号 |
图2 变频调速器原理简图 2. 磨削自动对刀原理 |
图3 自动对刀示意图 这种方法直接利用变频调速器内部电路的力矩值作为对刀测量信号，这样就不需要专门的力 矩测量传感器，节省了硬件，另一方面采用这种方法最大限度地减少了传感器测量噪声和其 它外界噪声的影响，保证信号的高精度和对刀系统的可靠与稳定。 |
图4 不同接触状况的力矩信号 1. 尖峰脉冲对力矩信号的影响及其处理方法 |
图5 信号时间漂移曲线 由于机电系统随温度、工作时间及其它外界环境的影响而造成测量力矩信号不停发生缓慢的变化(如图5所示)，这将影响对刀精度，采用合适时间常数的低通滤波器可以消除该因素的影响。 |
图6 对刀信号处理方法
结 语
利用变频调速器获得力矩信号并采用上述处理方法消除各种噪声干扰的影响，本文得到了稳定可靠的高精度平面磨削对刀结果。该方法应用于大型超精密CNC平面磨床，获得了满意的 结果。本文介绍的方法同样适用于其它加工机床，还可用于机床加工状况监测。
葛根焰（国防科技大学电子工程系 410073）
李圣怡（国防科技大学电子工程系 410073）
徐亚辉（中国航空精密机械研究所 100076）
吴明根（中国航空精密机械研究所 100076）
参考文献
1，韩世强，钟庆.数控导轨磨床对刀和磨削循环自动化.制造技术与机床，1997,4
2，穆玉海等.砂轮与工件初始接触的声发射检测及高精度对刀仪的开发.机械工艺师，1996, 8
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