CN116847949A - 磨削装置 - Google Patents

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CN116847949A CN202280013798.6A CN202280013798A CN116847949A CN 116847949 A CN116847949 A CN 116847949A CN 202280013798 A CN202280013798 A CN 202280013798A CN 116847949 A CN116847949 A CN 116847949A
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角野佑树
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Abstract

磨削装置(1)包括：具有使磨削材料(5)旋转的电动机的磨削材料驱动部(6)；通过使磨削材料(5)和工件(20)相对移动而使磨削材料(5)与工件(20)接触的工作台驱动部(8)；检测磨削材料(5)与工件(20)接触时产生的声发射的AE传感器(10)；以及通过控制工作台驱动部(8)来控制磨削材料(5)相对于工件(20)的切入速度的控制装置(50)。控制装置(50)使用AE传感器(10)的输出及磨削材料驱动部(6)的电动机电流控制切入速度。

Description

磨削装置
技术领域
本发明涉及通过使旋转的磨削材料(磨削研石等)与工件接触来磨削工件的磨削装置。
背景技术
作为使旋转的磨削材料与工件接触来磨削工件的技术，以往已知有基于使磨削材料旋转的电动机的电流(磨削动力)来判定磨削材料与工件有无接触，并根据其结果来控制磨削材料相对于工件的切入速度的技术。具体而言，在检测出上述接触之前，将切入速度设为比较高的值，使磨削材料与工件尽早接触。另一方面，在检测到上述接触后，将切入速度切换为比较低的值，抑制磨削材料的劣化或工件的磨削烧伤等不良情况。由此，能够在缩短整体的加工时间的同时适当地进行磨削加工。
在磨削材料与工件的接触引起的磨削负载的变化与使磨削材料旋转的电动机的电流(磨削动力)的变化之间，存在时间滞后。因此，如果根据电动机的电流控制切入速度，则相对于磨削材料实际与工件接触的定时，切换切入速度的定时可能会相当延迟。
作为其对策，例如在专利第6492613号公报(专利文献1)中公开了具备检测磨削材料与工件接触时产生的声发射(Acoustic Emission，以下也称为“AE”)的AE传感器的磨削装置。该磨削装置基于对磨削负载的变动具有较高灵敏度的AE传感器的输出信号，对磨削材料的切入速度进行反馈控制。因此，与基于电动机的功率对磨削材料的切入速度进行反馈控制的情况相比，提高了相对于磨削负载的变动的切入速度的控制的追随性。其结果是，能够抑制相对于实际磨削材料与工件接触的定时，磨削材料的切入速度的切换定时延迟的情况。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第6492613号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
对于磨削负载的变动有较高灵敏度的AE传感器检测研磨材料与工件极微小接触的状态。因此，如专利第6492613号公报所公开的磨削装置那样，若仅根据AE传感器的输出信号控制磨削材料的切入速度，则切入速度会比需要更早地切换为较低的值，担心不能充分地得到整体的加工时间的缩短效果。
本公开是为了解决上述问题而提出的，其目的在于在适当地进行磨削加工的同时，更适当地缩短整体的加工时间。
解决技术问题的技术方案
本公开所涉及的磨削装置包括：具有使磨削材料旋转的电动机的旋转装置；通过使磨削材料与工件相对移动而使磨削材料与工件接触的移动装置；检测磨削材料与工件接触时产生的声发射的AE传感器；通过控制移动装置来控制磨削材料相对于工件的切入速度的控制装置。控制装置使用AE传感器的输出及电动机的输出来控制切入速度。
发明效果
根据本公开，使用AE传感器的输出和电动机的输出双方，能够在适当的定时以两个阶段切换磨削材料的切入速度。由此，能够在适当地进行磨削加工的同时，更适当地缩短整体的加工时间。
附图说明
图1是表示磨削装置的简要结构的图。
图2是表示从图1所示的箭头A的方向观察磨削装置的状态的图。
图3是控制装置的控制框图。
图4是表示磨削加工中的电动机电流及AE波的变化情况的一个示例的图。
图5是表示切入量N与加工时间的关系的图。
图6是表示控制装置在控制磨削材料的切入速度时进行的处理顺序的一个示例的流程图。
图7是表示在磨削材料与工件接触前由AE传感器检测出的AE波的频率特性的一个示例的图。
图8是表示在磨削材料与工件接触时由AE传感器检测出的AE波的频率特性的一个示例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。另外，在以下附图中，对于相同或相当的部分标注相同的参照标号，不重复其说明。
(结构)
图1是表示本实施方式所涉及的磨削装置1的简要结构的图。图2是表示从图1所示的箭头A的方向观察磨削装置1的状态的图。
在图1中，工件20和工件保持部2由沿着与X轴方向和Y轴方向平行的面的剖视图表示。Y轴方向是沿着磨削材料5的旋转轴的方向，X轴方向是沿着磨削材料5相对于工件20的传送方向(切入方向)的方向，Z轴方向是与X轴方向及Y轴方向成直角的方向。在图2中，省略了工件保持部2、磨削材料驱动部6、可动工作台7、工作台驱动部8、旋转部9以及控制装置50的图示。
磨削装置1包括工件保持部2、支承台3、4、磨削材料5、磨削材料驱动部6、可动工作台7、工作台驱动部8、旋转部9、AE传感器10、控制装置50。
工件保持部2保持作为磨削对象的工件20。工件保持部2例如通过利用电磁力等磁力吸附固定在工件20上，从而能够保持工件20。工件保持部2例如可以是背衬板。
支承台3安装在支承台4的侧面(Y轴正方向的端面)。支承台3具有用于在两个位置支承工件20的外周的定位支承部3a、3b。定位支承部3a、3b例如可以是蹄脚。图1、2所示的工件20是具有圆筒形状的构件(例如轴承的外轮或内轮等)。支承台3、4的原材料是钢。支承台3、4的原材料也可以是钢以外的金属。
磨削材料驱动部6包括以与Y轴方向平行的轴为旋转轴使磨削材料5旋转的电动机。磨削材料驱动部6是本公开的“旋转装置”的一个示例。磨削材料5例如可以是磨削研石。
在磨削材料驱动部6包括电流传感器16。电流传感器16检测使磨削材料5旋转的电动机的电流(以下简称为“电动机电流”)，将表示检测结果的信号输出到控制装置50。
磨削材料驱动部6被固定在至少能够沿X轴方向移动的可动工作台7上。可动工作台7例如可以是交叉滑动。
工作台驱动部8通过使可动工作台7沿X轴方向移动，使工件20和磨削材料5相对移动，使旋转的磨削材料5的外周与工件20接触。可动工作台7及工作台驱动部8是使磨削材料5相对于工件20在切入方向(X轴方向)上相对移动的装置，是本公开的“移动装置”的一个示例。在图1中例示了使磨削材料5沿X轴方向移动的结构，但移动装置只要使磨削材料5及工件20的至少一方沿X轴方向移动即可，例如也可以使工件20沿X轴方向移动。
旋转部9通过将与Y轴方向平行的轴作为旋转轴使工件保持部2及工件20旋转，来变更工件20的与磨削材料5的接触部位、即工件20的磨削位置。
AE传感器10检测研磨材料5与工件20接触时产生的声发射。AE传感器10固定在支承台4的上表面(Z轴正方向的端面)。通过将AE传感器10固定在支承台4上，能够检测从工件20在支承台3、4上传播的声发射。
在以钢为原材料的支承台3、4上传播的AE波(纵波)的速度约为5900m/s，为高速，从磨削材料5与工件20的接触部产生的AE波在支承台3、4上传播而到达AE传感器10的时间为非常短的时间(例如约0.05ms)，因此，AE传感器10的安装位置可以不是直接支承工件20的支承台3，而是作为对支承台3进行支承的基座构件的支承台4。
控制装置50例如由包含CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)、ROM(Read Only Memory：只读存储器)和RAM(Random Access Memory：随机访问存储器)等存储器的电子电路实现。
控制装置50控制基于旋转部9的工件20的旋转速度。
控制装置50根据AE传感器10的输出信号和电流传感器16的输出信号，控制工作台驱动部8以切换磨削材料5相对于工件20的切入速度。
在本说明书中，“切入速度”表示用磨削材料5切削工件20的传送运动的传送速度。在本实施方式中，切入速度是工作台驱动部8的磨削材料5在X轴方向的移动速度。
图3是控制装置50的功能框图。控制装置50包含切入速度控制部53、AE放大器54、第一接触检测部55和第二接触检测部56。
切入速度控制部53通过控制工作台驱动部8，控制磨削材料5相对于工件20的切入速度。关于切入速度的控制方法将在后面详细叙述。
AE放大器54是具有对于由AE传感器10检测出的AE波信号仅使特定频域的信号通过的带通滤波器的设备。通过适当地设置带通滤波器，可以从由AE传感器10检测到的AE波信号中去除噪声的影响。
第一接触检测部55根据通过AE放大器54后的AE波信号，检测磨削材料5与工件20的接触。具体而言，第一接触检测部55在通过AE放大器54后的AE波的强度超过预先确定的AE阈值的情况下，检测磨削材料5与工件20接触的情况。以下，将由第一接触检测部55检测出的接触也称为“基于AE的接触检测”。
第二接触检测部56根据由电流传感器16检测出的电动机电流，检测磨削材料5与工件20的接触。具体地说，第二接触检测部56在电动机电流超过预先确定的动力阈值的情况下，检测磨削材料5与工件20接触的情况。以下，将由第二接触检测部56检测出的接触也称为“基于磨削动力的接触检测”。基于磨削动力的接触检测不一定限定于使用由电流传感器16检测出的电动机电流进行。例如，也可以代替由电流传感器16检测出的电动机电流，使用磨削材料旋转速度控制部生成的电动机电流的指令值，进行基于磨削动力的接触检测。
切入速度控制部53根据第一接触检测部55的检测结果(基于AE的接触检测的结果)和第二接触检测部56的检测结果(基于磨削动力的接触检测的结果)，控制磨削材料5相对于工件20的切入速度。
(切入速度控制)
为了在缩短整体的加工时间的同时适当地进行磨削加工，优选在检测出磨削材料5与工件20的接触之前将切入速度设为比较高的值，并且在检测出磨削材料5与工件20的接触之后将切入速度切换为比较低的值。
但是，在磨削材料5与工件20的接触引起的磨削负载的变化与电动机电流(磨削动力)的变化之间存在时间滞后。因此，如果在基于磨削动力的接触检测定时将磨削材料5的切入速度切换为低值，则相对于磨削材料5实际与工件20接触的定时，将切入速度切换为低值的定时延迟很多。其结果，即使在磨削材料5与工件20接触之后，在一段时间内，磨削材料5的切入速度也维持在较高的值。由此，成为磨削材料5深深地切入工件20的状态，产生磨削材料5的表面的形状崩塌或工件20的磨削烧伤等不良情况。另外，作为磨削材料5的切入速度较高的情况下的其他问题，由于存在于磨削材料5与工件20之间的磨削液的卷入，磨削动力的上升幅度变大，实际上，尽管磨削材料5与工件20不接触，但也有可能误检测为接触。因此，假设仅基于磨削动力的接触检测结果来降低磨削材料5的切入速度时，切换前的切入速度被限制为能够正常地接触检测出磨削材料5与工件20的接触的程度的速度。
另一方面，对于磨削负载的变动有较高灵敏度的AE传感器10检测研磨材料5与工件20极微小接触的状态。因此，如果在基于AE的接触检测定时将磨削材料5的切入速度切换为较低的值，则切入速度会比需要更早地切换为较低的值，担心不能充分地得到整体的加工时间的缩短效果。
因此，本实施方式所涉及的切入速度控制部53使用基于磨削动力的接触检测以及基于AE的接触检测双方的结果，在适当的定时以两个阶段切换磨削材料5的切入速度。由此，能够在适当地进行磨削加工的同时，更适当地缩短整体的加工时间。
图4是表示磨削加工中的电动机电流(磨削动力)及AE波的变化的情况的一个示例的图。在图4中，检测到AE波的强度超过AE阈值的时刻t 1是基于AE的接触检测定时。检测出磨削动力的强度超过动力阈值的时刻t2是基于磨削动力的接触检测定时。
如上所述，基于磨削动力的接触检测定时(时刻t2)有比实际的接触定时延迟的倾向。另一方面，AE传感器10对磨削负载的变动的灵敏度高，因此基于AE的接触检测定时与实际的接触定时大致一致。其结果，如图4所示，基于AE的接触检测定时(时刻t 1)比基于磨削动力的接触检测定时(时刻t2)早。
利用这一点，在本实施方式中，在基于AE的接触检测定时(时刻t 1)之前，将切入速度设为比较大的第一切入速度V1。然后，在基于AE的接触检测定时(时刻t1)，将切入速度从第一切入速度V1切换为比第一切入速度V1要小的第二切入速度V2。然后，在基于磨削动力的接触检测定时(时刻t2)，将切入速度从第二切入速度V2切换为比第二切入速度V2要小的粗传送速度(第三切入速度)V3。
第一切入速度V1例如可以设定为粗传送速度V3的7倍左右。第二切入速度V2例如可以设定为粗传送速度V3的3倍左右。
图5是表示从磨削材料5的初始位置起的X轴方向的移动量(以下也称为“切入量”)N与加工时间的关系的图。在图5中，示出了在切入量N达到规定值N0之前，不假定磨削材料5与工件20接触，因此将切入速度设定为比第一切入速度V1要大的初始速度V0的示例。在切入量N达到规定值N0的时刻t0，切入速度从初始速度V0切换为第一切入速度V1。
如果在此后的时刻t1进行基于AE的接触检测，则切入速度从第一切入速度V1切换为比第一切入速度V1小的第二切入速度V2。这样，在第一阶段的切换中，使用对磨削负载的变动的灵敏度高的AE传感器10的输出信号。其结果，提高了对磨削负载的变动的切入速度的控制的追随性，负载变动大的磨削中的切入速度的控制变得容易。
如果在此后的时刻t2进行基于磨削动力的接触检测，则切入速度从第二切入速度V2切换为比第二切入速度V2小的粗传送速度V3。由此，在本实施方式中，初始速度V0和粗传送速度V3之间的切入速度按照第一切入速度V1、第二切入速度V2的顺序以2个阶段进行切换。由此，能够缩短从初始速度V0切换到粗传送速度V3为止的时间，并且能够抑制磨削材料5的表面的形状崩塌或工件20的磨削烧伤等不良情况。
即，假设将初始速度V0与粗传送速度V3间的切入速度固定在比第二切入速度V2大的第一切入速度V1，在基于磨削动力的接触检测定时切换为粗传送速度V3，则能够缩短整体的加工时间，但与以往相同，即使在磨削材料5与工件20接触后，在一段时间内，由于磨削材料5的切入速度维持在比较高的第一切入速度V1，因此有时会产生磨削材料5及工件20的劣化(磨削材料5的表面的形状崩塌或工件20的磨削烧伤等)。另外，作为另一个问题，也可能产生由磨削液的卷入引起的误检测问题。与此相对，在本实施方式中，在磨削材料5与工件20接触后，磨削材料5的切入速度切换为比第一切入速度V1小的第二切入速度V2，因此，能够不易产生磨削材料5及工件20的劣化。进而，也不易产生由磨削液的卷入引起的误检测。
另外，假设将初始速度V0与粗传送速度V3间的切入速度固定为比第一切入速度V1小的第二切入速度V2，在基于磨削动力的接触检测定时切换为粗传送速度V3，虽然不容易产生由上述磨削材料5及工件20的劣化或磨削液的卷入引起的误检测，但整体的加工时间变长。与此相对，在本实施方式中，在进行基于AE的接触检测之前，磨削材料5的切入速度设为比第二切入速度V2大的第一切入速度V1。由此，能够在抑制磨削材料5及工件20的劣化的同时适当地缩短整体的加工时间。
图6是表示控制装置50在控制磨削材料5的切入速度时进行的处理顺序的一个示例的流程图。
控制装置50在切入量N(从磨削材料5的初始位置开始的X轴方向的移动量)达到规定值N0之前，使切入速度为初始速度V0(步骤S10)。对于切入量N是否达到了规定值N0，例如也可以根据使磨削材料5以初始速度V0移动的时间是否达到了预定的值来判定。另外，在能够使用编码器等测定切入量N的情况下，也可以判定切入量N的测定值是否达到了规定值N0。
当切入量N达到规定值N0时，控制装置50将切入速度从初始速度V0切换为比初始速度V0小的第一切入速度V1(步骤S12)。第一切入速度V1如上所述，例如可以设定为粗传送速度V3的7倍左右。
接着，控制装置50判定是否基于AE检测到接触(步骤S13)。在未基于AE检测到接触的情况下(在步骤S13中为“否”)，控制装置50使处理返回到步骤S12，将切入速度维持在第一切入速度V1。
在基于AE检测到接触的情况下(在步骤S13中为“是”)，控制装置50将切入速度从第一切入速度V1切换为比第一切入速度V1小的第二切入速度V2(步骤S14)。第二切入速度V2如上所述，例如可以设定为粗传送速度V3的3倍左右。
接着，控制装置50判定是否基于磨削动力检测到接触(步骤S15)。在未基于磨削动力检测到接触的情况下(步骤S15中为“否”)，控制装置50使处理返回到步骤S14，将切入速度维持在第二切入速度V2。
在基于磨削动力检测到接触的情况下(在步骤S15中为“是”)，控制装置50将切入速度从第二切入速度V2切换为比第二切入速度V2小的粗传送速度V3(步骤S16)。
如上所述，本实施方式的切入速度控制部53使用基于磨削动力的接触检测以及基于AE的接触检测双方的结果，在适当的定时以两个阶段切换磨削材料5的切入速度。由此，能够在适当地进行磨削加工的同时，更适当地缩短整体的加工时间。
(AE放大器54的通过频带)
本实施方式所涉及的磨削装置1包括AE放大器54(带通滤波器)，该AE放大器54对于由AE传感器10检测出的AE波信号，仅使特定的通过频带的信号通过。通过频带根据工件20与磨削材料5接触前后的频率波形设定为最佳区域。
图7是表示在磨削材料5与工件20接触前由AE传感器10检测出的AE波的频率特性的一个示例的图。在图7及后述的图8中，横轴表示AE波的频率(单位：kHz)，纵轴表示AE波的强度(大小)。例如，图7和后述的图8所示的频率特性可以通过对由AE传感器10检测到的AE波信号进行快速傅立叶变换来获得。
在磨削材料5与工件20接触之前，如图7所示，在100kHz以下的频带中，包含因磨削液的卷入、以及蹄脚(定位支承部3a、3b)与工件20的接触等而产生的噪声分量。
图8是表示在磨削材料5与工件20接触时由AE传感器10检测出的AE波的频率特性的一个示例的图。通常，由金属材料产生的AE频率为100kHz～300kHz左右。在本实施方式所涉及的磨削装置1中对淬火钢进行磨削加工时的AE频率如图8所示为约150kHz左右。
因此，在本实施方式所涉及的磨削装置1中，为了确保S/N(信号/噪声比)，AE放大器54的通过频带能够避免噪声分量(磨削液的卷入引起的噪声、蹄脚与工件20的接触等)的影响较大的100kHz以下的频带，并且设定在包含磨削材料5与工件20接触时的AE频率150kHz的110kHz～400kHz的频带。通过设定具有这样的通过频带的AE放大器54(带通滤波器)，能够通过AE高精度地检测磨削材料5与工件20的接触。
如上所述，本实施方式所涉及的磨削装置1包括：具有使磨削材料5旋转的电动机的磨削材料驱动部6(旋转装置)；通过使磨削材料5和工件20相对移动而使磨削材料5与工件20接触的工作台驱动部8(移动装置)；检测磨削材料5与工件20接触时产生的声发射的AE传感器10；以及通过控制工作台驱动部8来控制磨削材料5相对于工件20的切入速度的控制装置50。
控制装置50使用AE传感器10的输出及磨削材料驱动部6的电动机电流控制切入速度。具体而言，控制装置50执行基于AE传感器10的输出检测磨削材料5与工件20的接触的处理(第一处理)和基于电动机电流检测磨削材料5与工件20的接触的处理(第二处理)。而且，控制装置50在基于第一处理检测出接触之前将切入速度设为第一切入速度V1，从基于第一处理检测出接触到基于第二处理检测出接触为止将切入速度设为比第一切入速度V1小的第二切入速度V2，在基于第二处理检测到接触后，将切入速度设为比第二切入速度V2小的粗传送速度V3。由此，初始速度V0和粗传送速度V3之间的切入速度按照第一切入速度V1、第二切入速度V2的顺序以2个阶段进行切换。因此，与初始速度V0和粗传送速度V3之间的切入速度固定在第一切入速度V1或第二切入速度V2的情况相比，能够适当缩短整体的加工时间，并且能够适当地抑制磨削材料5及工件20的劣化。
进而，本实施方式所涉及的磨削装置1包括能够避免噪声分量的影响大的100kHz以下的频带、并且将包含磨削材料5与工件20接触时的AE频率150kHz的110kHz～400kHz的频带作为通过频率区域的AE放大器54(带通滤波器)。控制装置50基于通过AE放大器54后的AE波执行上述第一处理(基于AE的接触检测处理)。因此，能够通过AE高精度地检测磨削材料5与工件20的接触。
＜变形例＞
在上述实施方式中，AE传感器10被固定在支承台4的上表面(Z轴正方向的端面)，但AE传感器10的设置场所并不限定于此。例如，也可以在支承台3的定位支承部3a、3b之间配置AE传感器10。
为了迅速且正确地检测磨削材料5与工件20接触时的AE波，AE传感器10的设置场所希望满足以下条件1～4。
(条件1)AE传感器10的设置场所接近磨削材料5与工件20的接触点。
这是因为AE波在其性质上接近声波，并且随着距离的远离而衰减。
(条件2)介于磨削材料5与工件20的接触点到AE传感器10之间的部件数量少。
这是因为AE波有可能从部件之间的间隙扩散到空气中并衰减。
(条件3)AE传感器10的安装面用钢平滑。
这是为了防止AE波从AE传感器10的安装面的间隙向空气中扩散。
(条件4)AE传感器10的设置场所远离干扰(噪声)因素。
为了使干扰的影响最小化，优选远离磨削用冷却剂大量飞散的场所、接近高速旋转的机械的场所、接近发出电子噪声的部件(高频逆变器等)的场所。
本次公开的实施方式的所有内容应当被认为是用于例示而非用于限制。应当认为本公开的范围并不由上述实施方式的说明来表示，而是由权利要求来表示，包含与权利要求同等的意义及范围内的所有变化。
标号说明
1磨削装置，2工件保持部，3、4支承台，3a、3b定位支承部，5磨削材料，6磨削材料驱动部，7可动工作台，8工作台驱动部，9旋转部，10AE传感器，16电流传感器，20工件，50控制装置，53切入速度控制部，54放大器，55第一接触检测部，56第二接触检测部。

Claims (4)

1.一种磨削装置，其特征在于，包括：
具有使磨削材料旋转的电动机的旋转装置；
通过使所述磨削材料和工件相对移动，使所述磨削材料与所述工件接触的移动装置；
检测在所述磨削材料与所述工件接触时产生的声发射的AE传感器；以及
通过控制所述移动装置来控制所述磨削材料相对于所述工件的切入速度的控制装置，
所述控制装置使用所述AE传感器的输出及所述电动机的输出来控制所述切入速度。
2.如权利要求1所述的磨削装置，其特征在于，
所述磨削装置执行根据所述AE传感器的输出，检测所述磨削材料与所述工件的接触的第一处理，
并执行根据所述电动机的输出，检测所述磨削材料与所述工件的接触的第二处理，
在基于所述第一处理检测出接触之前，将所述切入速度设为第一速度，
从基于所述第一处理检测出接触到基于所述第二处理检测出接触为止，将所述切入速度设为比所述第一速度小的第二速度，
在基于所述第二处理检测出接触之后，将所述切入速度设为比所述第二速度小的第三速度。
3.如权利要求2所述的磨削装置，其特征在于，
所述控制装置包括对于所述AE传感器的输出仅使特定的频域的信号通过的带通滤波器，
所述控制装置基于通过所述带通滤波器后的所述AE传感器的输出执行所述第一处理。
4.如权利要求2或3所述的磨削装置，其特征在于，
所述磨削装置包括检测所述电动机的电流的电流传感器，
所述控制装置基于由所述电流传感器检测出的所述电动机的电流执行所述第二处理。
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