摘要：补偿量的变化仅对粗磨时砂轮磨具的弹性变形有影响，而在精磨时，仅仅是对砂轮磨具的锋利程度的影响，而对这二者的影响都是极小的。本文主要从精密磨削传动误差及其补偿技术进行分析。
关键词：精密磨削传动误差补偿
磨床是金属类产品精加工过程中的首选设备。而磨削加工中，砂轮的磨损状态是影响磨削质量的一个主要因素。砂轮在磨削过程中，磨粒逐渐磨钝而影响到切削性能，若继续磨削，就会增加砂轮与工件之间的摩擦而造成发热，磨削质量将显著下降。究其主要原因为磨粒钝化、砂轮表面被堵及砂轮外形失真所致。因此实时检测砂轮状态，并及时进行修整对保证磨削质量意义重大。
1、磨削过程的物理模型
在金属磨削过程中，摩擦起着重要的作用。对于摩擦的分析应考虑到下列因素的影响：砂轮与工件接触表面的性质、接触表面的冶金及化学方面的性能、接触温度、载荷类型、应变速度和磨削液等。图1-1为磨削过程的示意图，系统刚度Vs所表示的简单弹簧缓冲系统代表磨削过程中个物体的弹性变形。定位于系统一端的磨粒绕着系统另一端的固定中心旋转。
由机床磨削用量决定的实际切削刃是由一已知微小半径的圆球来代表的，而且每个磨粒可能有几个切削刃。一般切削刃廓形的曲率半径受修正条件的限制，对于给定的砂轮，其曲率半径可以测得。这就是磨削过程的物理模型。
根据上述物理模型，磨削过程存在三个阶段：
(1) 第一阶段为滑擦阶段，该阶段内切削刃与工件表面开始接触，工件系统仅发生弹性变形。随着切削刃切过工件表面，进一步发生变形，因而法向力稳定地上升，摩擦力及切向力同时稳定增加。该阶段，磨粒微刃不起切削作用，只在表面滑擦。
(2) 第二阶段为耕犁阶段，在滑擦阶段，摩擦逐渐加剧，越来越多的能量转化为热。当金属被加热到临界点，逐步增加的法向力超过了随温度上升而下降的材补偿量的变化仅对粗磨时砂轮磨具的弹性变形有影响，而在精磨时，仅仅是对砂轮磨具的锋利程度的影响，而对这二者的影响都是极小的。△t内，切刃在xy平面的x方向移动。当切刃切入塑性区，最终导致应力的增加，一直达到工件材料的最大剪切能为止(即平面应力状态中τmax = K时)。这样最终导致材料的局部僵化，一旦这层金属上升到材料的临界应力，就出现再次的剪切，当切削厚度达到i}界值时，被磨粒推挤的金属材料明显地滑移而形成切屑。
2、修整导程L和补偿量C的关系
现就内圆磨床在磨削加工时，砂轮磨具补偿量的变化对磨削尺寸精度和使用寿命的影响作以下的分析；在砂轮修整器在修整砂轮磨具时，砂轮磨具作高速旋转，修整器作直线移动，这相当十金刚石砂轮修正器像是一把车刀，砂轮磨具相当十一个被切削工件，修整运动可看作是在车床上的车削螺纹的过程，修整深度看作螺纹的螺牙深度，修整的导程看作是螺纹导程(或螺距)。修整导程L是指砂轮磨具每转一周，修正器尖端沿磨具轴线的移动量。即：
式中：V修为修整时工作台移动速度(mm/min)； n修为砂轮转速(r/ min)；修整深度为C，C = C-e。其中；e—砂轮在磨削时的损耗(半径方向)；C—补偿量。下面对其进行分析；假定磨具尖端的角度为90°，且很锋利，这样L和C的关系有下述三种情况如下：
(1)当L> 2 C时；修正器尖端在砂轮磨具上只修出一条螺距为L的圆周槽。砂轮磨具被修整后，表而存在的修整残余高度为C，其高度并没有因修整的影响而发生改变，故此条件下磨轮磨具的修正起不到完全修整的作用。
(2)当L=2 C时；砂轮磨具表面呈一个完整的螺纹线，其螺牙尖角若仍假定为90°，此时，砂轮磨具修整后的残余高度等于螺纹牙尖高，为H= L/2= C。此条件下磨轮磨具的修正使其径向尺寸减小。
(3)当L <2 C 时；砂轮磨具的表面呈一个完整的螺纹，其牙尖角为90°，而此时修整后，残余高度等于螺纹的牙尖高。而此时，有
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根据上述分析，可见磨具的修整导程对于砂轮表而的残余高度有着决定性的影响。在定程磨削时，假定磨具的修整导程较大，即L> 2 C时，那么C变化时(由于C或e的变化)，砂轮磨具的残余高度H也随着C的变化而发生变化，此时ΔH=ΔC，此量直接带入精磨磨削工序，从而影响磨削工件的尺寸精度。若采用较慢的修整速度即L≤2 C，这样就修出了一个完整的螺纹，此时尽管C发生变化，即有ΔH=0。在这种情况下，补偿量C和砂轮磨损量e的变化对定程尺寸的影响基木上可以消除了。
3、密磨削的传动误差及补偿技术
传动误差主要指传动链的制造精度与传动间隙。采用数控系统软件误差补偿方法，可以在机床的机械部分不作任何改进的情况下，使其总体精度显著提高。精度软件误差补偿技术对提高数控机床的精度有两方面的意义：一是与制造精度的提高相结合，使数控机床的总体精度上升一个台阶；二是在实施机床数控化改造时，以软件误差补偿实现廉价的机床精度升级。
精密磨削加工时，砂轮和工件间的相对运动关系决定了磨床的加工精度，影响加工误差的主要因素有两个方面：一方面是磨床、夹具和砂轮组成的系统本身的误差；另一方面是磨削过程中出现的负载和各种干扰，包括力变形、热变形、振动、磨损等所引起的误差。这两方面的因素使砂轮与工件间的相对运动精度受到影响，造成磨削误差。
3.1 隙误差补偿原理
齿隙补偿又称反向间隙补偿。机械传动链在改变转向(如工作台改变移动方向，旋转轴改变转向)时，由于齿隙的存在，会引起伺服电机在无工作台的实际移动的情况下空走，又称失动。在半闭环系统中，这种齿隙误差对于机床加工精度具有很大的影响，必须加以补偿。CNC系统是在位控程序计算反馈位置的过程中加入齿隙补偿以求得实际反馈位置增量。测定各坐标轴的齿隙值为机床基本参数，以伺服分辨率为单位输入内存。每当检测到坐标轴改变方向时，自动将齿隙补偿值加到由反馈元件检测到的反馈位置中，以补偿因齿隙引起的失动。
3.2 间距螺距误差补偿
所谓等间距指的是补偿点间的距离相等。等间距螺距误差补偿选取机床参考点作为补偿的基础点，机床参考点由反馈系统提供的相应基准脉冲来选择，具有很高的准确度，是机床的基本参数之一。在实现软件补偿之前，必须测得各补偿点的反馈增量修正值(以伺服分辨率为单位存入表中)，较高精度的CNC系统一般采用激光干涉仪测量的实际位置与发送的指令位置相比较得到相应补偿点的反馈增量修正值。
螺距误差补偿程度一般包含在位控程序中。在控制系统算出工作台当前位置的绝对坐标时，调用螺距误差补偿程序，实现反馈增量的补偿及位置的补偿。由于等间距螺距误差补偿各坐标轴的补偿点数及补偿点间距是一定的，通过给补偿点编号，能很方便地用软件实现。但这样的补偿，由于补偿点位置定得过死而缺少柔性，要想获得满足机床工作实际需要的补偿，最好是使用螺距误差补偿法，即不等间距的螺距误差补偿法。采用反向间隙补偿和等间距的螺距误差补偿后，机床的精度明显提高，运动精度可由140μm提高到40μm以内。
4、砂轮磨损检测与修整
磨削加工中，不仅磨粒的尺寸、形状和分布对加工过程有影响，而且砂轮的气孔状况也对磨削质量起着重要的作用。当气孔被严重堵塞时，砂轮磨损会加剧，不仅会严重影响到磨削质量，还会使砂轮的使用寿命提早结束。而不论加工条件选择得如何合理，要完全防止堵塞依然是目前技术处理上的一个瓶颈。为降低磨削加工中的废品率，就需要在磨削加工过程中对砂轮实施在线检测技术，使质量问题能在制造的早期阶段得到发现和处理。
4.1 触式砂轮磨损检测方法
在磨削加工中，砂轮的磨损状态是砂轮磨削性能好坏的重要指标之一，它影响着磨削加工的生产效率和加工质量。砂轮在磨削过程中，磨粒逐渐磨钝而失去切削能力，若继续磨削，就会增加砂轮与工件之间的摩擦而发热，磨削质量将显著下降。这主要是由于磨粒的钝化、砂轮表面被堵以及砂轮外形失真所致。利用激光功率谱的检测、CCD的动态监控和应用粗糙集理论建立专家知识库等在线监测技术，可解决常规检测问题。但由于磨削加工中磨屑、切削液等因素的影响，信号检测容易失真，而且投入较大，实际应用和维护有很大难度。
检测原理如检测砂轮时，砂轮首先移动到某一固定点(可以设为第二参考点)，在砂轮转动的情况下，传感器沿轨道在A到B点间往复移动，检测到的最大与最小信号值之差即为砂轮修整量。把经过处理的信号值输入单片机，从而控制砂轮修整量。
4.2 轮修整
轴承磨削砂轮轮廓是较为简单和常用的方法。砂轮修整轨迹简单，控制方便，故常采用金刚石轮修整法。砂轮修整时，除旋转外，X，Z轴做圆弧插补移动，修整器(金刚石轮)只做旋转运动。当检测结束后，修整轮移动到修整位置，按检测到的最大误差自动分步进给至修整位置，砂轮按预定的修整轨迹往复运动多次，实现砂轮修整。
为了实现砂轮的自动检测与修整，改造中采用AT89C51型单片机，采用可伸缩电阻式传感器，实现修整量控制，并通过单片机控制步进电动机实现修整量进给。
4.2.1 单片机功能健、行程开关介绍
键盘可输入进给步数，3个数码管显示输入进给的步数。A为输入步数功能键；B键为输入步数后确定键；C、D为点动进给和快速进给键；E、F为点动后退和连续后退键。8155命令口地址4100H；PA口地址4001H； PB口地址4002H； PC口地址4003H；A/D地址7FFFHo， SQ1为接触式测量探头到位开关，SQ2为测量探头后退到位行程开关，SQ3为修整轮进给到位行程开关，SQ4为修整轮后退到位行程开关，STOP为停止开关。PA0、PA1、 PA2为工具进给步进电极控制；PA3、PA4为测试探头直流电极正反转；PA5使工具砂轮转动。
4.2.2 砂轮修整过程
当砂轮需要检测时，通过调用子程序，砂轮运动到修整位置，接触式测量探头接近砂轮，到位后由SQ1发出信号，修整轮开始接近砂轮，到位后由SQ3发出信号，修整轮开始做匀速进给、砂轮开始沿“砂轮修整轨迹”做圆弧插补运动，修整轮移动完修整量后，砂轮再沿“砂轮修整轨迹”往复一次，结束修整，修整轮后退，到位后由SQ4发出信号，修整结束返回主程序。
4.2.3 手动修整过程：
(1)可以按下点动进给成连续进给到达SQ3位置停止。
(2)根据砂轮的缺陷，确定进给的步数，并输入键盘，显示器可以显示出步数，按下确认键修整砂轮和砂轮启动。进给步进电机开始进给，直至进给完所给定的步数为止。
(3)可以点动后退，退出修整；或点动进给，进一步修整。
