基于电动机功率的磨削烧伤在线检测方法.pdf

精密制造与自动化
2011年第2期
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制造业信息化
基于电动机功率的磨削烧伤在线检测方法
董新峰马燕玲2
(1.上海理工大学机械工程学院上海200093
2.上海大学机电工程及自动化学院上海200090
摘要对磨削温度在线检测进行了总结,分析了各自的特点。结合电机学与物理学中的知识,说明根据电动机功
率检測鞜削温度的可行性。这种检测方式更加方便,只要检测电动的功率就能预测磨削区的温度,可以避免烧伤
现象。当电动机的功率变高时《磨判区温度变高),只要调整磨削参数使对应的电动机功率变低,就可使磨削区的
温度降低。这种方法检测方便,适用于数控机床的适时控制,具有很大的现实意义
关键词磨削温度电动机功率烧伤在线检测
磨削加工是一种重要的加工工艺,它被广泛应变换( short time Fourier transforms STFT))来
用于高精度低表面粗糙度工件的加工过程中。与其提取烧伤时的特征信号。由于生产现场有许多的噪
他加工工艺相比,磨削加工切除单位体积材料时需声源,因此其测量信号会包含一些不稳定因素。
要非常高的能量输入,这些能量几乎全部转化为热四、电流检测(功率检测)这种检测方法,国内没
量集中在磨削区内,导致磨削区的温度升高。当磨有这方面的论文资料,没有说明它的根源,本文结
削温度较高时,会使零件表层金相组织发生变化,甚合电机学与功率平衡定理,来推导这种方法的可行
至出现磨削烧伤。磨削温度的升高对工件表面质性。这种电流检测(功率检测)方法更有利于工作
量及工具的使用性能都有极大的影响。因此在线检场所的在线测量。下面来推导这种测试方法
测温度推测磨削区温度避免烧伤是很重要的。
目前关于磨削温度在线检测这方面的论文主要1外圆磨床示意图
有以下几种:一、热电偶测温法,这种方法是通过
外圆磨床示意图如图1所示,其磨削方式是外
破坏工件和砂轮的完整性来进行在线测量。由于其圆复磨削方式
属于直接测量所以在试验中常采用这种方法,但是
在大批量的工业生产中不是经常采用。二、红外
辐射测温法,它是根据物体受热温度越高,能量辐射
砂轮
工件
越强烈,通过测量辐射的强度来对物体的温度进行
预测。但是同时也受其他物质辐射的干扰,在生产
现场这样多辐射源的场合也不宜适用。与热电偶测
温法相比,红外光纤测温法灵敏度更高,响应速度更
决。近年来,红外辐射测温法在国外磨削测试特别是
图1外圆磨床示意图
陶瓷磨削温度的测量中得到了应用。三、声发射信
号的方法,声发射( Acoustic Emission,简称AE)是
在图1中,F为工件对砂轮的反作用力,N
材料局部区域中应变能的快速释放而产生的瞬态高Fn为工件对砂轮的法向力,N;F2为工件对砂轮
频弹性应力波。磨削加工过程中产生的AE信号被的进给力,N
证明包含着砂轮和工件的表面状况的丰富信息。
砂轮用三相交流电动机(三相异步电动机,伺服
般是要通过一定的算法(如神经网络,快速傅里叶电动机,同步电动机根据不同的要求而定,但它们计
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算功率的方式是大同小异的)带动,工件有主轴带磨削热的是切向磨削力和砂轮转速的乘积但是
动,主轴也是用三相交流电机带动.
1.1功率流程图
电机总输入功率
异步电动机是机电能量转换装置,电动机正常
工作时,从电网吸收总的电功率也就是它的总输入
电机的输出功率
功率
PI=micos
切向磨削力Fs
砂轮转速
这部分功率大部分
转变成磨削热
式(1)中,m是定子相数,U是定子的相电压,Ⅰ是
定子的相电流,P是定子的功率因数。转子的输出功
图3功率流程
率如图2所示。
业生产中我们所关心的是磨削参数在什么
Pot Peu2
样的参数下不发生烧伤,在这个前提下去提高生产
效率,进一步分析可以发现磨削参数与切向磨削力
和砂轮转速是有密切关系的.卧式磨床的磨削参数
包括砂轮的磨削速度ν、砂轮的进给量f,磨削深度
ap、主轴速度vw4个因素。当砂轮的磨削速度
主轴速度w,砂轮的进给量∫不变时,磨削深度cp增
图2?转子的输出功率
加时会使磨削力增大,这时相当于电动机负载增大,
会使电动机的输出功率P2增大,根据电动机学的基
在图2中,P2是负载作用于电动机转子上本原理会使电动机的输入功率Pl增加,由于磨削热
时,转子输出的功率。在PI~P2之间功率的是一的功率为P=FXw,磨削力的增加会使磨削热的功率
些热损耗。
增加相应的磨削热也增加这里需要说明因为进给量∫
在图1中,砂轮顺时针磨削工件,同时工件也顺的增加虽然会使切向磨削力有所增加,但是它对进
时针转动.工件反作用于砂轮的总磨削力可以分为给力F2的增加影响更大,并且当磨削深度较少,而进
切向力F。法向力Fa,还有一个平行于砂轮主轴的进给速度很快时,这是利用散热的,这是因为在热源
给力Fo理论上径向力和进给力不消耗功率,但实际定的情况下,进给速度的增加会使散热变快,这是有
上由于这两个力产生的作用于主轴的摩擦力会消耗利的.但是太快会使表面粗糙度上升,因此要根据要
部分功率,这分部功率与切向力产生的功率相比求选择.当其它条件不变时,砂轮的磨削速度增大,电
很小,并且消耗的这部分功率主要转化为主轴的摩动机的输出功率增加,磨削热也增加.如图4所示。
擦热。在进给量不大的情况下,对砂轮电动机的输
入功率影响不大,它们对磨削区磨削热的贡献不大。
输出功率大部分
相当于负载
转变成磨削热
根据功率平衡关系得到电动机的输出功率P2,主要
切向削力Fs
电动机输
有切削磨削力F和砂轮转速v的乘积来合成,并且
削深度p
率P2
根据电机的
电动机的输出功率P2儿乎全部转化为磨削热,
功率平衡
因此磨削热的功率可表示为P=F。w也就是砂轮电
机的输出功率,它们95%以上转化切削热,其他转化
砂轮转速
电动机输
率P
为工件表面的变形,转化的热量传向切屑、砂轮、
工件、磨削液以及空气中.整个功率流程如图3所
图4影响磨削热的各个因素
1.2影响磨削热的因素
当磨削深度小时,提高工件的旋转速度会使磨
黁削热的功率为P=Fsw,因此从宏观上看影响
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