CN108818310B - 一种微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法，包括步骤：①装夹好电极和金刚石砂轮等构成放电回路，且工作站与电源和数控机床控制器通讯；②根据脉冲放电参数反馈控制机床运动参数和电源参数，控制放电电流和电压且计算砂轮旋转圈数；③根据砂轮及脉冲放电等参数确定切削刃最大修平面积及最大有效砂轮旋转圈数后，通过统计的砂轮旋转圈数在线精准控制磨粒切削刃修平面积；④当统计的砂轮旋转圈数达到目标值后，计算修平微磨粒的切削刃修平面积和出刃高度，机床停止工作。本发明只需通过在位修平系统反馈的砂轮旋转圈数等参数即可在线精准控制微磨粒的修平效果，能获得不同大小的切削刃修平面积，以满足不同的加工质量需求。

Description

一种微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法
技术领域
本发明涉及金刚石砂轮的微磨粒修平技术领域，具体涉及一种微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法。
背景技术
精密磨削中的工件表面质量取决于金刚石微磨粒的出刃形貌和分布状况。目前，采用机械对磨、电火花接触放电、激光等修整技术可控制金刚石微磨粒的出刃形貌，解决了微磨粒的出刃和等齐性问题。然而，由于微尺度金刚石磨粒出刃形貌的提取和分析通常依赖于扫描电子显微镜、白光干涉仪等精密检测仪器，在砂轮修整中，尚未解决微磨粒出刃参数在线评价问题。
为解决该问题，“一种砂轮微放电修锐修整的在线监控装置”，【专利号：ZL201511010161.X，授权日期：2017.10.20】专利中公开了修锐修齐的砂轮微磨粒出刃参数在线评价方法，其原理是：通过机器视觉拍摄微磨粒的出刃三维图像，再借助图像处理软件提取其形貌特征值并转换成数字信息，而且，将提取的出刃参数与参考值进行比较，根据比较结果和实时获取的脉冲放电参数，利用数控机床控制系统自适应调节电源参数及机床运动参数，以实现砂轮微磨粒的在线修锐修整。然而，该技术存在以下不足：
1.机器人视觉系统成本昂贵，且在砂轮放电修整过程中，为了防止切屑、电火花飞溅而对CCD摄像头造成损坏，必须采取防护措施；
2.检测方法存在较大的局限性，必须在砂轮静止状态下才能进行检测，且检测效果受磨粒尺寸的影响，难以实现对微尺度磨粒修平参数的实时监控；
3.CCD摄像头所采集的微磨粒形貌均为二维图像，且因微磨粒的透光性易产生图像失真，这些因素都会对后续数据处理造成影响，使提取的磨粒形貌特征值存在较大的误差。
此外，“砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法”，【专利号：CN201710823408.2，申请日期：2017.09.13】专利中公开了微磨粒修平过程中的脉冲放电参数和机床运动参数控制方法，其原理是：根据放电间隙和切屑扬起高度关系建立的磨粒出刃高度模型，通过在位调节机床运动参数的方式将放电电压控制在19～23V范围内，以实现微磨粒切削刃的石墨化修平，而且，通过追踪脉冲放电参数和机床运动参数可预测磨粒出刃高度和砂轮有效磨粒数，为实现智能修平创造有利条件。然而，该技术也存在以下不足：
1.上述技术的着重点在于如何解决微磨粒切削刃石墨化修平效率问题，虽然涉及到脉冲放电修整参数和机床运动参数的在线监控方法，但尚未解决在线监控系统搭建问题；
2.预测的磨粒出刃高度和砂轮有效磨粒数只能反映出微磨粒的出刃状态，但未能对其修平形貌特征进行在线精准监控；
3.在修平过程中，仅将磨粒出刃高度和砂轮有效磨粒数作为衡量微磨粒修平效果的指标，未能体现其修平形貌在实际加工中的应用价值，尤其是粗金刚石磨粒，且难以满足修平时间控制要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法，该方法无需采用机器人视觉技术，修平过程中只需将工作站与数控机床的控制器和电源通讯，通过系统反馈的砂轮旋转圈数、脉冲放电参数和机床运动参数即可在线精准控制微磨粒的修平效果，其工作原理是：修整过程中砂轮工作面上凸起的微磨粒切削刃每旋转一圈与电极接触一次，进而在磨削力、磨削热和电火花放电瞬时高温的共同作用下(即机械热化学效应)逐渐被修平，其去除量与磨粒尺寸、脉冲放电参数和机床运动参数相关，利用微磨粒修平前后的相似性，通过调节砂轮旋转圈数可实现磨粒切削刃修平面积的在线精准控制。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
①数控机床上装夹好电极和待修平的金刚石砂轮，以正极性方式将金刚石砂轮(+)、电极(-)、电源、电压/电流传感器、数据采集卡连接构成放电回路，且工作站与电源和数控机床的控制器通讯；
②在位修平过程中，设定砂轮参数、砂轮旋转圈数目标值和规划砂轮路径，根据采集的脉冲放电参数分别通过机床-PC在线监控软件和电源-PC在线监控软件反馈控制机床运动参数和电源参数，将放电电流和放电电压分别控制在3～6A和低于电源开路电压2～5V范围内，且利用机床运动参数计算砂轮旋转圈数；
③从专家数据库1中选取对应砂轮参数、脉冲放电参数和机床运动参数下的切削刃最大修平面积及其最大有效砂轮旋转圈数后，通过统计的砂轮旋转圈数在线精准控制修平微磨粒的切削刃修平面积；
④将统计的砂轮旋转圈数与设定的目标值比较，待达到目标值后，利用砂轮旋转圈数、脉冲放电参数和机床运动参数计算修平微磨粒的切削刃修平面积和出刃高度，同时工作站向机床-PC在线监控软件发送停机指令，机床停止工作。
通过砂轮旋转圈数在线精准控制微磨粒切削刃修平面积的前提是需将放电电流和放电电压分别控制在3～6A和低于电源开路电压2～5V范围内，这是为了使微磨粒获得良好的石墨化去除效率，还可防止放电过程中大量的熔融物附着在砂轮结合剂表面。
砂轮目数、脉冲放电参数和机床运动参数等因素直接影响磨粒切削刃的石墨化去除效率。在位修平过程中，由于脉冲放电参数和机床运动参数通常被控制在特定范围内，切削刃最大修平面积和最大有效砂轮旋转圈数主要取决于砂轮目数，而不同的砂轮目数又对应于不同的脉冲放电参数和机床运动参数控制范围。因此，前期需获得大量的实验数据并通过神经网络、深度学习等方式建立专家数据库，以实现不同目数的微磨粒修平参数在线精准控制。
作为一种优选方案，在步骤②中，所述机床运动参数和电源参数的反馈控制方式为：优先调节砂轮转速或/和工作台进给速度，其次调节限流值，再次调节开路电压，若仍无法满足控制要求，最后调节切削深度并重新规划砂轮路径。
进一步地，在调节机床运动参数或/和电源参数阶段中：当放电电流小于3A或/和放电电压低于电源开路电压5V时，增大砂轮转速或/和限流值，减小工作台进给速度或/和开路电压或/和切削深度；当放电电流大于6A或/和放电电压大于电源开路电压2V时，减小砂轮转速或/和限流值，增大工作台进给速度或/和开路电压或/和切削深度。其中，砂轮转速为1500～3000rpm，工作台进给速度为20～200mm/min，切削深度为1～3μm，开路电压为15～30V，限流值为0.1～2A。
采用这种优选方案进行调节的原因在于：在位修平过程中，脉冲放电参数随着放电间隙(负载电阻)的增大而增大，且放电间隙与机床运动参数、磨粒出刃高度相关。根据电源的恒压恒流转换工作原理，通过调节机床运动参数尤其是砂轮转速和工作台进给速度来控制放电间隙可产生良好的电火花放电，进而使微磨粒在不脱落的前提下对其切削刃进行石墨化去除。而调节电源参数可增大/减小放电能量，但不影响放电间隙的形成。此外，因切削深度只能通过导入的机床运动程序确定，在调节切削深度后，需重新规划砂轮路径。
进一步地，在步骤③中，所述目标值根据工件实际使用需求通过专家数据库中的加工质量等级确定。
进一步地，所述机床-PC在线监控软件和电源-PC在线监控软件包括手动控制和远程控制功能，其中，所述远程控制功能的数据读取和传输方式为：实时或每间隔1～5分钟间隙性地读取传输。
进一步地，所述机床-PC在线监控软件包括主轴倍率和进给倍率的调节功能，且当读取到停机指令时，将砂轮和电极分离并各自减速至零；所述电源-PC在线监控软件包括开路电压、限流值、占空比和频率的调节功能。
进一步地，所述电源为直流电源，所述电极为铁基电极；所述电压传感器和电流传感器分别为高频响应电压传感器和高频响应电流传感器；所述金刚石砂轮粒度为#24～#240。
进一步地，步骤④中，所述利用砂轮旋转圈数、脉冲放电参数和机床运动参数计算修平微磨粒的切削刃修平面积和出刃高度具体包括步骤：
计算修平微磨粒的出刃高度Hc：
Figure BDA0001703777730000051
式中，a、b和c为与电源参数和电极材料相关的系数，Uc为放电电压；Ic为放电电流，d为与切屑长度相关的系数，D为砂轮直径，N为砂轮转速，vf为工作台进给速度，ap为切削深度；
计算修平微磨粒的切削刃修平面积sc (k)：
Figure BDA0001703777730000052
式中，scmax为切削刃最大修平面积，nmax为最大有效砂轮旋转圈数，k为统计的在位修平过程中的砂轮旋转圈数，sct为修平前的微磨粒切削刃面积，初始状态下，sct≤1000μm2。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1.无需采用机器人视觉技术，只需通过在位修平系统反馈的砂轮旋转圈数、脉冲放电参数和机床运动参数即可在线评价修平微磨粒的修平面积和出刃高度，避免复杂繁琐的检测和数据处理过程，为实现微尺度磨粒修平的智能化控制提供理论和技术支撑。
2.由于修平过程中的砂轮旋转圈数可灵活调节，因此只需通过控制砂轮旋转圈数即可获得不同大小的切削刃修平面积，这种调节方式灵活、方便，可实时调节以满足不同零件的加工质量需求。
3.系统的稳定性不受电火花放电、熔融切削飞溅等外在因素的影响，且开发成本低，操作简便，还可应用于精密磨削/放电磨削加工的工艺参数在线控制。
附图说明
图1为微尺度磨粒在位修平系统示意图。
图2为微尺度磨粒修平参数的在线精准控制流程图。
图3为微尺度磨粒在位修平的多变量反馈控制流程图。
图4(a)为切削刃单层修平面积计算模型图。
图4(b)为切削刃单层去除高度计算模型图。
图5(a)为微磨粒修平过程中采用电火花+电弧放电修平时的脉冲放电波形追踪及对应的切屑电镜图。
图5(b)为微磨粒修平过程中采用电火花放电修平时的的脉冲放电波形追踪及对应的切屑电镜图。
图6(a)为磨粒a在不同修平参数下的微磨粒形貌电镜图。
图6(b)为磨粒b在不同修平参数下的微磨粒形貌电镜图。
图7为切削刃修平面积与工件表面粗糙度的关系图。
图8(a)为磨粒a的切削刃修平面积随砂轮旋转圈数的变化图。
图8(b)为磨粒b的切削刃修平面积随砂轮旋转圈数的变化图。
图9为磨粒a和磨粒b的切削刃单层去除高度随砂轮旋转圈数的变化图。
图中所示：1-专家数据库；2-电源-PC在线监控软件；3-电源；4-电压传感器；5-电流传感器；6-数控机床；7-电极；8-金刚石砂轮；9-数控机床控制器；10-机床-PC在线监控软件；11-数据采集卡；12-工作站。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
参见图1～9，以#46金刚石砂轮修平为例，详细说明本发明的微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法的工作原理，进而验证本发明的技术效果。
微尺度磨粒的在位修平系统如图1所示，在数控机床6上装夹好电极7和待修平的金刚石砂轮8，以正极性方式将金刚石砂轮8(+)、电极7(-)、电源3、电压/电流传感器4/5、数据采集卡11连接构成放电回路；在工作站12上安装专家数据库1，并分别通过电源-PC在线监控软件2和机床-PC在线监控软件10与电源3和数控机床的控制器9进行通讯。
其中，电源-PC在线监控软件2和机床-PC在线监控软件10可实时或每间隔1～5分钟间隙地读取在指定路径下由工作站12生成的数据文件并分别传输至电源3和数控机床控制器9，进而调节电源的开路电压、限流值、占空比和频率以及机床的主轴倍率(砂轮转速)和进给倍率(工作台进给速度)；数据采集卡11可在线采集由电压传感器4与电流传感器5发出的脉冲放电信号，并将数据传输至工作站12。此外，专家数据库1中不同砂轮参数对应的脉冲放电参数、切削刃最大修平面积、最大有效砂轮旋转圈数等经验数据可用于微磨粒修平参数的在线精准控制，这些数据首先通过前期实验获得，当积累足够多的实验数据后，再借助神经网络、深度学习等方式对其进行训练，以满足不同微尺度磨粒修平参数的在线精准控制需求。
图2为微尺度磨粒修平参数的在线精准控制流程，具体步骤说明如下：
①微磨粒修平前，在工作站12上输入砂轮直径、目数和浓度等砂轮参数，根据实际零件的加工需求设定加工质量等级以通过专家数据库1确定砂轮旋转圈数目标值nk，而且根据专家数据库1中相应的经验数据初步设定电源参数(开路电压Ei，限流值Ii)、机床运动参数(砂轮转速N，工作台进给速度vf，切削深度ap)并规划砂轮路径。
②进行微磨粒的在位修平，根据采集的脉冲放电参数(放电电压Uc，放电电流Ic)分别通过机床-PC在线监控软件10和电源-PC在线监控软件2反馈控制机床运动参数和电源参数，将放电电流和放电电压分别控制在3～6A和低于电源开路电压2～5V范围内以获得良好的微磨粒切削刃石墨化去除效率。
③在位修平过程中，为对微磨粒修平参数进行在线精准控制，从专家数据库1中选取对应砂轮参数、脉冲放电参数和机床运动参数下的切削刃最大修平面积scmax及其最大有效砂轮旋转圈数nmax，实时统计砂轮旋转圈数k并与确定的目标值nk进行比较。
④当统计的砂轮旋转圈数k大于目标值nk时，利用砂轮旋转圈数k、脉冲放电参数(Uc和Ic)以及机床运动参数(N，vf和ap)，根据建立的切削刃单层修平面积模型和磨粒出刃高度模型计算修平微磨粒的修平面积和出刃高度。而且，工作站12向机床-PC在线监控软件10发送停机指令，当数控机床控制器9读取到停机指令时，将金刚石砂轮8和电极7分离并各自减速至零。
图3为微尺度磨粒在位修平反馈控制流程，具体步骤说明如下：
①微磨粒在位修平过程中，数据采集卡11间歇性地采集由电压传感器4与电流传感器5发出的脉冲放电信号，工作站12通过数据处理获得放电电压Uc和放电电流Ic后，判断其是否分别在3～6A和低于电源开路电压2～5V范围内。若满足，继续进行在位修平，否则，对脉冲放电参数进行反馈控制。
②在反馈控制阶段，优先考虑调节机床运动参数中的砂轮转速N或/和工作台进给速度vf，其次考虑调节限流值Ii，再次考虑调节开路电压Ei，若仍无法满足控制要求，最后考虑调节切削深度ap。其中，参数调节的步长设定包括砂轮转速N为100～200rpm/次，工作台进给速度vf为100～200mm/min/次，切削深度ap为1μm/次，限流值Ii为0.1～0.2A/次，开路电压Ei为2～5V/次。
③当开路电压为15≤Ei≤30V时，判断砂轮转速N和工作台进给速度vf是否在1500≤N≤3000rpm和20≤vf≤200mm/min范围内。若满足，调节机床运动参数(N和vf)，否则，调节电源参数(Ei和Ii)。
④在调节机床运动参数(N和vf)阶段，判断放电电流和放电电压是否为Ic≤3A和Uc≤Ei-5V，若满足，增大砂轮转速N或/和减小工作台进给速度vf，否则，减小砂轮转速N或/和增大工作台进给速度vf。
⑤在调节电源参数(Ei和Ii)阶段，当Ic≤3A和Uc≤Ei-5V时，判断限流值是否为Ii≤2A，若满足，增大限流值Ii，否则，减小开路电压Ei；当Ic≥6A和Uc≥Ei-2V时，判断限流值是否为Ii≥0.1A，若满足，减小限流值Ii，否则，增大开路电压Ei。
⑥在调节机床运动参数(N和vf)和电源参数(Ei和Ii)后，若仍无法满足控制要求，最后考虑调节切削深度ap，即当开路电压为Ei≤15V或Ei≥30V时，判断放电电流和放电电压是否为Ic≤3A和Uc≤Ei-5V，若满足，减小切削深度ap，否则，增大切削深度ap。此外，在调节切削深度时，需完成单次切削深度下的砂轮路径后再重新规划路径。
实验结论表明，在砂轮微磨粒修平过程中，减小砂轮转速或增大工作台进给速度和切削深度均可减小扬起切屑与砂轮结合剂之间形成的放电间隙，且切削深度的影响程度远大于砂轮转速和工作台进给速度，其中，切削深度每增加1μm可降低脉冲放电电压1～1.5V，且易使切屑堆积在放电间隙中而发生脉冲电弧放电；根据电源的恒压恒流转换原理，调节限流值Ii和开路电压Ei均可改变放电能量，这将直接影响砂轮结合剂的去除效率，而且限流值Ii作为恒压恒流模式转换的临界值，直接影响电源的能量利用率。因此，采用上述方案进行调节。
关于在位修平过程中通过系统反馈的砂轮旋转圈数、脉冲放电参数和机床运动参数是否可在线精准控制微磨粒的修平效果，可通过理论验证。
在位修平过程中，金刚石砂轮8对电极7起磨削作用，使扬起的切屑与砂轮结合剂表面之间形成放电间隙，并在由电源3输出的开路电压Ei下产生脉冲电火花放电。而且，磨粒出刃高度近似为放电间隙和切屑扬起高度之和。其中，放电间隙与脉冲放电参数(Uc和Ic)相关，切屑扬起高度与切屑长度成正比，且受机床运动参数(砂轮转速N，工作台进给速度vf，切削深度ap)影响。因此，磨粒出刃高度Hc：
Figure BDA0001703777730000101
式中，a、b和c为与电源参数和电极材料相关的系数，d为与切屑长度相关的系数，D为砂轮直径。
切削刃单层去除高度及其修平面积计算模型如图4(a)、4(b)所示，在位修平过程中，修平前后微磨粒切削刃的轮廓具有相似性，假设某一时段内的微磨粒切削刃单层去除体积为定值，该定值与砂轮目数、脉冲放电参数等因素相关。因此，切削刃单层去除高度hn (k)及其修平面积sc (k)分别为：
Figure BDA0001703777730000111
Figure BDA0001703777730000112
式中，ht为磨粒的总去除高度，sct为修平前的微磨粒切削刃面积，初始状态下，sct≤1000μm2。
综上所述，若已知对应砂轮参数、脉冲放电参数和机床运动参数下的切削刃最大修平面积scmax及其最大有效砂轮旋转圈数nmax后，通过统计在位修平过程中的砂轮旋转圈数k，根据式(1)和(3)即可计算出微磨粒的修平面积和出刃高度。此外，统计砂轮旋转圈数k时需考虑砂轮路径、机床运动参数的影响。
需强调的是，微尺度磨粒的检测及其形貌特征参数提取通常依赖于如白光干涉、超景深等精密的检测仪器，即使借助机器人视觉系统也难以实现微磨粒修平的在线监控，而本发明所述的技术也不是现有技术的简单叠加，其本质区别在于通过砂轮旋转圈数、脉冲放电参数和机床运动参数对微磨粒修平参数进行在线精准控制，这不是本领域中的基础常识。而且，由于微磨粒修平参数评价方式及其理论依据的不同，本领域技术人员即使结合本领域的基本常识和有限次的实验，也无法建立与本发明所述技术相关的专家数据库。
下面通过实施例说明本发明中对脉冲放电参数和机床运动参数进行反馈控制的必要性以及专家数据库中加工质量等级、切削刃最大修平面积scmax、最大有效砂轮旋转圈数nmax等参数的获取方法。
实施例1
在微磨粒的修平实验中，将#46金刚石砂轮(直径D＝150mm，青铜结合剂)与铁电极(45钢)固定在数控机床上(SMART 818)，以正极性方式与石墨电刷、示波器(DS1102E)、直流电源(DCS80)、电压和电流传感器(RP1000D和RP1001C)连接构成放电回路。为产生不同的电火花放电，以开路电压Ei＝25V，限流值Ii＝0.1A，砂轮转速N＝2400rpm，工作台进给速度vf＝80mm/min，轴向进给△z＝1mm，切削深度ap＝1和5μm进行实验，每组修平时间为20小时。
微磨粒修平过程中的脉冲放电波形追踪及切屑如图5(a)、5(b)所示，根据电源的恒压恒流转换原理，在修平过程中随着切削深度ap的增大，电火花放电会逐渐向电火花+电弧放电转换。其中，电火花+电弧放电的放电电压Uc幅值小于18V且不稳定，易下降至4V以下，而放电电流Ic的频率大于400Hz，但幅值小于3A；电火花放电的放电电压Uc和放电电流Ic幅值始终大于20V和3A，而放电电流I的频率小于100Hz。此外，与电火花+电弧放电比较，电火花放电修平所产生的切屑中掺杂了大量的球状熔融物。
不同修平参数下的微磨粒形貌如图6(a)、6(b)所示，在电火花+电弧放电下，微磨粒的修整面变化不明显，其单层去除高度约为3.2pm/r，修平效率为3390μm3/min；在电火花放电下，砂轮上的微磨粒以5520μm3/min的效率被快速修平，其单层去除高度可达4.1pm/r。因此，电火花放电下的磨粒a和b的修平面积比电火花+电弧放电下的增大了118％和34％，进而使磨粒等齐性σ提高了26％。
图5和6说明了电火花+电弧放电释放的热量远小于电火花放电，而且获得良好的微磨粒切削刃石墨化去除效率的必要条件是切削刃吸收足够多的热量。因此，在位修平过程中有必要对脉冲放电参数和机床运动参数进行反馈控制，以产生稳定的电火花放电，即将放电电流和放电电压分别控制在3～6A和低于电源开路电压2～5V范围内。
此外，根据上述的实验数据，可确定式(1)中的四个系数a、b、c和d，所以具体的磨粒出刃高度计算公式为：
Figure BDA0001703777730000131
需说明的是，当电源型号、电极和砂轮结合成分剂等条件发生变化时，磨粒出刃高度模型中的系数也会发生变化，但结构形式不变，即式(4)仅作为本发明中的一个例子。
切削刃修平面积与工件表面粗糙度的关系如图7所示，以D-star模具钢的磨削加工为例，工件表面粗糙度Ra随着修平面积sc的增大而减小，与修锐对比，修平后的切削刃修平面积可达27690μm2，进而使工件表面粗糙度提高了63％，说明修平后的微磨粒因其刚度系数大，修平面光滑平整，出刃高且等齐性好，可用于难切削材料的精密加工。因此，通过修平面积与表面粗糙度的关系，可进一步地划分出模具钢的加工质量等级，并确定不同加工质量等级下所对应的修平面积。例如，加工质量等级3(粗加工)—sc＝0，即修锐；加工质量等级2(半精加工)—sc＝12000μm2；加工质量等级1(精加工)—sc＝20000μm2。
下面通过另一个实施例说明本发明的专家数据库中切削刃最大修平面积scmax和最大有效砂轮旋转圈数nmax的获取方法。
实施例2
类似地，将#46金刚石砂轮(直径D＝150mm，青铜结合剂)与铁电极(45钢)固定在数控机床上(SMART 818)，以正极性方式与石墨电刷、示波器(DS1102E)、直流电源(DCS80)、电压和电流传感器(RP1000D和RP1001C)连接构成放电回路，以开路电压E＝25V，砂轮转速N＝2400rpm，切削深度ap＝1μm(电火花放电)，轴向进给△z＝1mm进行实验。为了将放电电流和电压分别控制在3～6A和19～23V范围内，在位修平过程中调节工作台进给速度vf(初始值vf＝80mm/min)或限流值(初始值Ii＝0.1A)，且规定旋转圈数每达到1.26×106次后对砂轮截块上的微磨粒形貌进行检测。
如图8(a)、8(b)所示，切削刃修平面积sc随砂轮旋转圈数k的增大而逐渐增大，但当k＞5.04×106次后，磨粒a和磨粒b的切削刃修平面积分别稳定在31000μm2和13700μm2。此外，根据式(2)可计算出每个修平阶段下的微磨粒单层去除高度hn，其变化规律如图9所示：随着砂轮旋转圈数的增大，磨粒a和磨粒b的单层去除高度hn(加权平均值)分别从15.8pm/r和14.5pm/r减小至2.7pm/r和1.5pm/r，并最终趋近于0。这说明在微磨粒逐渐被修平的过程中，由于其刚度系数的增大和切削刃表层温升的急剧下降，进而导致石墨化去除效率的减小。
根据图8和9中的分析，当砂轮旋转圈数k＞5.04×106时，切削刃修平面积不再发生变化。然而，由于在3.78×106＜k＜5.04×106下的平均单层去除高度仅为2.1pm/r，从效率和成本方面考虑均与实际生产需求不相符。因此，确定#46金刚石砂轮在脉冲放电参数Ic＝3～6A和Uc＝19～23V下的切削刃最大修平面积scmax和最大有效砂轮旋转圈数nmax分别为scmax＝21600μm2和nmax＝3.78×106。在确定切削刃最大修平面积scmax和最大有效砂轮旋转圈数nmax后，还可通过式(3)进一步得出不同加工等级(切削刃修平面积sc)所对应的砂轮旋转圈数目标值nk。而且，根据上述实施例1和2可进一步确定#46微磨粒在位修平中设定的初始机床运动参数和电源参数分别为：N＝2400rpm，vf＝80mm/min，ap＝1μm，Ei＝25V，Ii＝0.1A以及砂轮路径中的△z＝1mm。
综上所述，采用上述方法对微尺度磨粒修平参数进行在线精准控制，不仅可简化微磨粒修平参数的提取及分析过程，而且通过灵活调节砂轮旋转圈数来获得不同大小的切削刃修平面积，可满足不同零件的加工质量需求。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
①数控机床(6)上装夹好电极(7)和待修平的金刚石砂轮(8)，以正极性方式将金刚石砂轮(8)、电极(7)、电源(3)、电压传感器(4)、电流传感器(5)、数据采集卡(11)连接构成放电回路，且工作站(12)与电源(3)和数控机床的控制器(9)通讯；
②在位修平过程中，设定砂轮参数、砂轮旋转圈数目标值和规划砂轮路径，根据采集的脉冲放电参数分别通过机床-PC在线监控软件(10)和电源-PC在线监控软件(2)反馈控制机床运动参数和电源参数，将放电电流和放电电压分别控制在3～6A和低于电源开路电压2～5V范围内，且利用机床运动参数计算砂轮旋转圈数；
③从专家数据库(1)中选取对应砂轮参数、脉冲放电参数和机床运动参数下的切削刃最大修平面积及其最大有效砂轮旋转圈数后，通过统计的砂轮旋转圈数在线精准控制修平微磨粒的切削刃修平面积；
④将统计的砂轮旋转圈数与设定的目标值比较，待达到目标值后，利用砂轮旋转圈数、脉冲放电参数和机床运动参数计算修平微磨粒的切削刃修平面积和出刃高度，同时工作站(12)向机床-PC在线监控软件(10)发送停机指令，机床停止工作。
2.根据权利要求1所述的微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法，其特征在于，在步骤②中，所述机床运动参数和电源参数的反馈控制方式为：先调节砂轮转速或/和工作台进给速度，其次调节限流值，再次调节开路电压，若仍无法满足控制要求，最后调节切削深度并重新规划砂轮路径。
3.根据权利要求2所述的微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法，其特征在于，在调节机床运动参数或/和电源参数阶段中：当放电电流小于3A或/和放电电压低于电源开路电压5V时，增大砂轮转速或/和限流值，减小工作台进给速度或/和开路电压或/和切削深度；当放电电流大于6A或/和放电电压大于电源开路电压2V时，减小砂轮转速或/和限流值，增大工作台进给速度或/和开路电压或/和切削深度。
4.根据权利要求2所述的微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法，其特征在于，所述的砂轮转速为1500～3000rpm，工作台进给速度为20～200mm/min，切削深度为1～3μm，开路电压为15～30V，限流值为0.1～2A。
5.根据权利要求1所述的微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法，其特征在于，在步骤②中，所述目标值根据工件实际使用需求通过专家数据库(1)中的加工质量等级确定。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法，其特征在于，所述机床-PC在线监控软件(10)和电源-PC在线监控软件(2)包括手动控制和远程控制功能，其中，所述远程控制功能的数据读取和传输方式为：实时或每间隔1～5分钟间隙地读取传输。
7.根据权利要求6所述的微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法，其特征在于，所述机床-PC在线监控软件(10)包括主轴倍率和进给倍率的调节功能，且当读取到停机指令时，将砂轮和电极分离并各自减速至零；所述电源-PC在线监控软件(2)包括开路电压、限流值、占空比和频率的调节功能。
8.根据权利要求1所述的微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法，其特征在于：所述电源(3)为直流电源，所述电极(7)为铁基电极，所述电压传感器(4)和电流传感器(5)分别为高频响应电压传感器和高频响应电流传感器，所述金刚石砂轮(8)粒度为#24～#240。
9.根据权利要求1所述的微尺度磨粒修平参数的在线精准控制方法，其特征在于：步骤④中，所述利用砂轮旋转圈数、脉冲放电参数和机床运动参数计算修平微磨粒的切削刃修平面积和出刃高度具体包括步骤：
计算修平微磨粒的出刃高度Hc：
Figure FDA0002273832180000031
式中，a、b和c为与电源参数和电极材料相关的系数，Uc为放电电压；Ic为放电电流，d为与切屑长度相关的系数，D为砂轮直径，N为砂轮转速，vf为工作台进给速度，ap为切削深度；
计算修平微磨粒的切削刃修平面积sc (k)：
Figure FDA0002273832180000032
式中，scmax为切削刃最大修平面积，nmax为最大有效砂轮旋转圈数，k为统计的在位修平过程中的砂轮旋转圈数，sct为修平前的微磨粒切削刃面积，初始状态下，sct≤1000μm2。
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