（机械制造及其自动化专业论文）切点跟踪磨削法磨削理论及若干关键技术研究.pdf

p5 1 4 3 5 6 切点跟踪磨削法磨削理论及若干关键技术研究 摘要 本论文针对曲轴类零件的现有磨削加工方法中存在的定位误差大、加工效率 低、设备投资多、厂房投入大、调整时间长、表面质量难以保证等缺陷，研究了 一种新型高效的磨削原理切点跟踪磨削法来一次装夹依次磨出曲轴的主轴颈 和连杆颈，对于切点跟踪磨削理论和保证实现该磨削原理的若干关键技术作了初 步的探讨。论文首先通过对切点跟踪磨削运动开展理论分析，建立了恒磨除率磨 削条件下切点跟踪磨削法的运动模型，得出了运动误差的变化规律及其数控补偿 的方法；其次针对切点跟踪磨削运动时曲轴旋转与砂轮往复直线跟踪运动联动所 形成的特殊曲线的数控插补，研究了专门的插补算法及相应的控制策略：然后， 对切点跟踪磨削过程中由于磨削过程中曲轴刚性的不足而产生的工件刚度误差及 其补偿方法进行了详细的分析，同时讨论了砂轮半径变化、砂轮中心安装高度、 磨削力、连杆颈磨削加工尺寸与计算数控程序时的尺寸不一致等对加工精度的影 响规律；在上述理论分析的基础上，对切点跟踪磨削原理开展了试验研究，对切 点跟踪磨削的运动方式进行了验证，在试验用磨床上实际加工出了曲轴的连杆颈。 同时测量分析了不同角度上的曲轴刚度大小及其分布规律。最后，在上述理论分 析与试验研究的基础上，对切点跟踪磨削运动状态和加工过程的分析进行了初步 的计算机仿真研究。 关键词：曲轴切点跟踪磨削关键技术数学模型 塑堕查兰! ! 堕型堕丝苎旦垫些堡圭堂竺兰些笙兰塑兰 s t u d i e so nt h e o r ya n dk e yt e c h n i q u e so f t a n g e n t i a lp o i n tt r a c i n gg r i n d i n g a b s tr a o t c o n v e n t i o n a l l y , c r a n k s h a f t s h a v et ob e g r o u n du s i n g s e v e r a l p o s i t i o n i n ga n dc l a m p i n go p e r a t i o n sb e c a u s e o ft h ed i f f e r e n c e si na x e s o r i e n t a t i o n so ft h ej o u r n a la n dt h ec r a n k p i n i nt h i so p e r a t i o n ，t h e r ea r e m a n yp r o b l e m s s u c ha s r e l a t i v e l y e x c e s s i v ee r r o r so fp o s i t i o n i n ga n d c l a m p i n g ，l o wp r o d u c t i v i t y , l a r g ei n v e s t m e n t o f e q u i p m e n t a n d w o r k s h o p s ， l o n gp e r i o di nt h ea d j u s t m e n to f t h em a c h i n et o o la n df i x t u r e sa n dp o o r s u r f a c ef i n i s ho ft h eg r o u n dp a r te r e t oh e l pw i t hc o n q u e r i n gt h e s e m e n t i o n e d s h o r t c o m i n g s ，an e wg r i n d i n gp r i n c i p l e n a m e dg r i n d i n go f t r a c i n gt a n g e n tp o i n ti ss t u d i e d ，w h i c ha l l o w sb o t hc r a n k p i n a n d j o u r n a lo f t h ec r a n k s h a f tt ob e g r o u n d i n o n l y o n e p o s i t i o n i n g a n d c l a m p i n g o p e r a t i o n t h e o r y o fg r i n d i n go ft r a c i n gt a n g e n tp o i n ta n ds o m ek e y t e c h n i q u e s i nt h er e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h i sn e wm e t h o da r e f o c u s e do n a tf i r s t ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo fm o t i o ni nt h eg r i n d i n go f t r a c i n gt a n g e n tp o i n ti se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f c o n s t a n t r e m o v a lr a t eo fg r i n d i n gb a s e do nt h ea n a l y s e so ft h eg r i n d i n gm o t i o n t a k i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t i o nm o d e li n t oc a r e f u l l yc o n s i d e r e d ， t h ev a r i a t i o nl a wo ft h em a c h i n i n ge r r o rc a u s e d b yt a n g e n t i a lp o i n tt r a c i n g a n di t sn cc o m p e n s a t i o nm e t h o d sa r e p r e s e n t e d s e c o n d l y , t h e n c i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m so ft h es p e c i a lc u r v e ，w h i c hi s f o r m e db yt h e r o t a t i o n a lm o t i o no f c r a n k s h a f ta n dt o a n d - - f r om o t i o n o f g r i n d i n gw h e e li n t h e g r i n d i n g o fc r a n k p i n ，a n dac o r r e s p o n d i n g c o n t r o l l i n gs t r a t e g y o f i n t e r p o l a t i o na r es t u d i e d t h e n ，t h es t i f f n e s s e r r o rc a u s e db yt h ee l a s t i c i t y d i s p l a c e m e n to f c r a n k s h a f tb e c a u s eo fi t s p o o rr i g i d i t ya n dt h eg r i n d i n g f o r c e se t ca n dt h ee r r o rc o m p e n s a t i o nm e t h o da r ep r e l i m i n a r ya n a l y z e d ，a t t h es a m e t i m e ，f a c t o r sw h i c hm a y c a u s et h em a c h i n i n ge r r o ri nt h e p r o c e s s u 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 摘要 o fg r i n d i n g ，s u c ha st h ev a r i a t i o no fd i a m e t e r so fg r i n d i n gw h e e l ，t h e d e v i a t i o no ft h e h e i g h t b e t w e e nt h ec e n t e ro fg r i n d i n gw h e e la n dt h e r o t a t i o n a lc e n t e ro f c r a n k s h a f t ，g r i n d i n gf o r c e s ，t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h e r e a lr a d i u so f c r a n k p i na n dt h eo n eu s e dt oc a l c u l a t et h em o t i o nd a t af o r c n c ，a r e t o o ki n t oa c c o u n tf o rt h ee r r o ra n a l y s e s b a s e do nt h e s ea n a l y s e s ， e x p e r i m e n t a ls t u d yi sc a r r i e do u t t h ec o r r e c t n e s so f t h em o t i o nm o d e li s v e r i f i e db yt h er e a l i z a t i o no ft h i sn e wp r i n c i p l ef o r g r i n d i n go ft r a c i n g t a n g e n tp o i n to n t h eg r i n d i n gm a c h i n et 0 0 1 t h es t i f f n e s so fc r a n k s h a f ti s m e a s u r e da n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d f i n a l l y , b a s e do nt h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sm e n t i o n e da b o v e ，p r e l i m i n a r yr e s e a r c h e so nt h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n c o n c e r n i n g t h em o t i o ns t a t ea n d m a c h i n i n gp r o c e s so f g r i n d i n gt a n g e n t i a lp o i n tt r a c i n g a r ec a r r i e do u t k e y w o r d s ： c r a n k s h a f t ，t a n g e n t i a lp o i n t t r a c i n g ，g r i n d i n g ，k e y t e c h n i q u e s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l m 切点跟踪磨削法磨削理论及若干关键技术研究 ( 详细摘要) 研究生罗红平 指导教师周志雄教授 中文摘要( 略) a b s t r a c t ( 略) 论文中所用主要符号的说明( 略) 第一章绪论 针对现有的曲轴磨削加工方法偏心夹具夹持磨削法需两次定位，在两台不同的 磨床( 主轴颈磨床和连杆颈磨床) 上分别加工而存在的定位误差大、加工效率低、设备 投资大、厂房投入大、调整时间长、表面质量难以保证、加工柔性不高等缺点，提出研 究采用一种新型高效的曲轴磨削加工原理切点跟踪磨削法来一次装夹依次磨削曲 轴的主轴颈和连杆颈。该方法通过采用计算机数控( c n c ) 技术，根据建立的连杆颈磨削 运动的数学模型来控制砂轮横向往复运动( x 轴) 和工件回转运动( c 轴) 的联动插补，以保 证连杆颈的磨削精度和表面质量。本章首先比较了上述两种曲轴的磨削加工方法的特点， 简要地介绍了国内外对该磨削方法的研究状况。同时对该磨削方法研究中需要解决的关 键技术作了总体上的概述。 第二章切点跟踪磨削运动模型及运动误差分析 采用切点跟踪磨削法磨削曲轴的连杆轴颈，首先要建立恰当的磨削加工运动的数学 模型，通过数学模型控制砂轮相对于连杆轴颈的“跟踪+ 进给”运动，来保证曲轴磨削 的高精度和良好的表面质量。本章首先通过对曲轴作恒转速运动时磨削特点的分析结论， 提出了磨削时应使曲轴变速转动的结论，并建立了恒磨除率磨削条件下的切点跟踪磨削 运动数学模型。然后根据通过坐标转换将切点跟踪磨削转化成为按普通外圆磨削状态来 研究的思路，推导得出了磨削点的法向合成速度计算式，并以此详细分析了由于切点跟 踪运动而引起的运动误差。 第三章切点跟踪磨削数控插补算法及控制策略 插补技术作为计算机数控技术的一个核心模块，是切点跟踪磨削法研究的重要方面 之一。在参考大量文献的基础上，本章提出了两种适用于切点跟踪磨削加工曲轴连杆颈 的专用数控插补算法及相应的控制策略。针对小偏心距的连杆颈磨削加工，研究了逐点 比较插补算法；对于较大偏心连杆颈加工，提出采用特殊的时间分割插补算法。同时分 析了这两种算法的插补误差。最后简要地介绍了一种采用双缓冲前后台通信实时控制方 式的高速插补控制策略。 第四章切点跟踪磨削中的误差分析与补偿 本章对切点跟踪磨削过程中的曲轴刚度误差及其补偿方法和因砂轮半径变化所引起 的加工误差、砂轮中心高度安装误差引起的加工误差、磨削力对加工精度的影响规律、 连杆颈计算尺寸与实际加工尺寸不一致引起的加工误差等进行了详细的分析，建立了曲 轴的刚度误差补偿模型。同时简要地介绍了一种较为简便地测量和计算各个方向上曲轴 刚度的方法，对磨削过程中磨削力的测量原理也进行了简要的阐述。 第五章切点跟踪磨削法的试验研究 本章通过将经过机械结构改造后的c n c 8 3 12 全数控凸轮轴磨床用于曲轴连杆颈的 切点跟踪磨削，实际加工出了连杆轴颈，磨削后的连杆颈表面质量良好，无明显的波纹 和烧伤现象，这就表明：利用切点跟踪磨削法通过一次装夹依次磨削曲轴的主轴颈和连 杆颈是切实可行的，我们所建立的切点跟踪磨削运动模型是正确可靠的。同时设计了实 验装置，对曲轴位于不同转角处的刚度和磨削过程中磨削力进行实际测量，为后续研究 中对曲轴的刚度误差进行补偿提供了可靠的实验数据。 第六章磨削过程的计算机仿真与分析 本章通过建立磨削运动的模拟仿真、加工误差分析( 运动误差分析、刚度误差计算 与分析) 、插补算法仿真等模块，对切点跟踪磨削法进行了初步的计算机仿真与辅助分析。 同时针对试验用c n c 8 3 1 2 磨床的专用数控系统所需的数据文件，编写了自动计算生成程 序，为在该磨床上进行的实际加工和将来的生产应用提供准确可靠的数据。 第七章全文总结与研究展望( 略) 致谢( 略) 参考文献( 略) 附录a 曲轴刚度误差补偿所测量的原始数据( 略) 附录bc n c 8 3 1 2 专用数控系统数据文件格式( 略) 塑塑查兰! ! 堡塑兰丝茎皂垫些堡主堂焦兰些笙苎望墨翌堕型薹墅堂垫! ! ! 堕 论文中所用主要符号的说明 以当量磨削厚度比值 “。当量磨削厚度 d 。磨削深度 b 曲轴连杆颈中心线至主轴颈中心线的 偏心距( m m ) p 由砂轮半径变化引起的最大加工允许 误差 连杆颈上磨削点的速度 以口) 曲轴的旋转角速度( r a d s ) x 吨轮中心在坐标系x o yf 的向坐 标 实际加工对刀时砂轮中一c , - b 曲轴同 转中心的初始距离 ，。时间分割插补法中的各个节点之间 以连杆颈转角9 为1 8 0 。时的砂轮 的插补误差 r 磨削力的比值 只法向磨削力 一曲轴的测试刚度 k 。曲轴的法向刚度 k 。连杆颈速度变量 聆。磨削过程中曲轴的平均转速( r r a i n ) 砂轮半径( r a m ) r 。曲轴连杆颈半径( m m ) j 0 连杆颈磨削加工尺寸与运动计算尺 寸不一致时加工的连杆颈半径 矗+ 7 1 插补中断周期( m s ) v ，磨削横向进给速度 v ，按普通外圆磨削状态分析的磨削点 处的磨削进给速度 v 。按普通外圆磨削状态分析的磨削点 处的相对磨削速度 v 。砂轮上磨削点的水平移动速度 v 。砂轮上磨削点的垂直移动速度 v 。砂轮磨削线速度( m s ) v ，砂轮水平跟踪运动的速度( m m s ) i v 中心为坐标零点的砂轮中心位黄坐 标 x 磨削点( 切点) 在坐标系x o yf 的x 向坐标 匕磨削点的y 向坐标 n 磨削合力与法向磨削力方向的夹角 口一一连杆颈中心和砂轮中心连线与砂轮 水平运动方向的夹角( 锐角) v 啻削点与曲轴回转中心的连线和连杆 颈中心与砂轮中心连线之间的夹角 口磨削点磨削连杆颈弧段对应的角度 口曲轴的转角 占逐点比较插补时的插补逼近误差 4 待磨加工余量 由砂轮半径变化引起的连杆颈加工 误差 幽砂轮中心安装高度误差，当砂轮中 心比头尾架中心低时为正 h ( 口) 磨削时曲轴的法向变形量 f , r ( 口) 磨削时曲轴的切向变形量 湖南人学机械制造及其自动化顾l 学位毕业论文 第一章绪论 第一章绪论 磨削是用带有磨粒的工具来对工件进行加工的方法川。它作为一种重要的精 加工方法，在机械制造业中占有极其重要的地位。据1 9 9 7 年欧洲机床展览会 ( e m o ) 的调查数据表明，2 5 的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术， 车削只占2 3 ，铣削占2 2 ，其它占8 ；而磨床在企业中占机床的比例高达4 2 ， 车床占2 3 ，铣床占2 2 ，钻床占1 4 f 2 】【3 1 。在我国，磨床的拥有量也已经占到了 金属切削机床总拥有量的1 3 左右【3 】。因此，磨削技术与磨削加工设备一直是倍 受人们研究的重要课题。 磨削同其它的加工方法相比，具有加工精度高、获得的表面质量好等优点， 所以磨削通常作为加工质量要求高的零件的终精加工手段。但普通的磨削方法也 同时存在着效率低、使用价格昂贵等不足之处，这极大地阻碍了磨削的发展，限 制了磨削的应用范围。长期以来，磨削都被人们普遍视作是一种和低效率联系在 一起的精加工手段1 4 j 。随着科学技术的进步和相关领域的进展，各种新的磨削原 理与方法层出不穷，磨削在提高加工效率和精度、拓展其加工应用的范围等方面 也取得了长足的进步。精密磨削、超精密磨削等技术使磨削加工的精度向亚微米、 纳米级方向发展；各种高效磨削技术，如：高速磨削( 砂轮线速度4 5 v 。 1 5 0 m s ， 现在普遍认为应在l o o m s 以上) 、超高速磨削( v 。1 5 0 m s ) 、缓进给磨削、高 效深切磨削( h e d g ) 、砂带磨削、快速短行程磨削、高速重负荷磨削等，大大提 高了磨削的金属切除率、扩大了磨削加工的适用范围；超硬磨料磨具的新技术如： 人造金刚石磨料，比如p c d ( 人造聚晶金刚石) 和近年来出现的c v d ( 化学气相沉 积金刚石膜) 砂轮、s g ( 陶瓷氧化铝) 磨料砂轮和c b n ( 立方氮化硼) 砂轮的应 用，小接触面积磨削【2 】( 如：快速点磨削法) 的研究与进展，在减小磨削力、提高加 ：【精度、延长砂轮修整周期等方面，发挥着越来越重要的作用。在科技进步的今 天，磨削早己不仅仅是终精小余量加工的一种主要手段，而且已经可以与切削铣 削等方法一样以高效率的加工方式直接将经精铸精锻后的毛坯加工成工件成品； 磨削加工的设备也具有越来越高的柔性，磨削工艺正朝着工序集中的方向发展， 这就能有效的降低磨削的成本，提高应用磨削的经济性。而且对于某些新一代材 料( 如陶瓷材料、陶瓷合金、复合材料、晶须加强材料、高温超耐热合金材料等) 而言，只能采用磨削加工【5j 。因此，磨削加工已经成为现代机械零件加工中一项 不可缺少的重要加工方法，而那些能够提高磨削的精度和效率、降低磨削加工成 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第一章绪论 本的工序集中式的柔性磨削加工新工艺新方法也就自然成为当今磨削技术发展的 重要方向。 本章针对传统的曲轴磨削方法的一些缺点，提出了一种新型工序集中式的曲 轴磨削方法切点跟踪磨削法的基本原理；简单的介绍了国内外对这种磨削方 法的研究情况；概述了研究切点跟踪磨削原理时所应注意的主要关键技术问题。 另外，也说明了本论文的主要研究内容和课题来源及意义。 1 1 曲轴磨削加工的方法 随着我国加入w t o ，我国与国外的经济技术合作日益密切，这对我们振兴民 族产业，加快技术进步的步伐等创造了前所未有的良机：但同时国际间的竞争也 将日益激烈，科技界和产业界面临着来自各方面的种种挑战。汽车作为工业化国 家的重要支柱产业之一，其发展质量和水平很大程度上代表了一个国家工业发达 的程度。汽车工业的发展对发动机及其零部件的性能、技术水平、质量和产量等 方面提出了许多新的要求。从技术上看，对产品的质量和生产效率的要求越来越 高，生产企业必须能够根据瞬息即变的市场需求及时高效地生产出高质量的产品。 这就要求机械加工设备具有相应的高质量、高效率、高柔性和低成本等特点。 曲轴是汽车发动机和其它内燃机上的关键零件，需求量大，种类众多，要求 的加工精度高。其加工精度对发动机的性能起着决定性的作用，因此曲轴的加工 质量和加工效率直接影响到汽车产品的质量和汽车工业的发展。由于磨削较一般 的切削加工更易保证工件的加工精度，获得良好的表面质量和相对更紧密的公差 带，因此通常都将磨削作为曲轴零件终加工工序，精磨后的精度一般作为曲轴的 最终工作精度，曲轴的磨削加工是保证曲轴质量的关键之一。由于磨削相对其他 加工来说价格高，且加工效率相对较低，因此，磨削加工效率的提高也很大程度 上决定了整个曲轴的加工成本和效率。 曲轴工件形状复杂、刚性差，磨削加工时的误差来源甚多，精度不易保证， 但其加工精度要求又很高，因此，长期以来，曲轴的磨削加工一直是汽车内燃机 制造业的难点【6 】。如何提高曲轴磨削加工的精度、降低曲轴的磨削加工成本、提 高加工的柔性，是人们关注的重要课题。 1 1 1 偏心夹具夹持磨削法 曲轴的加工精度要求随着汽车行业的发展和汽车性能要求的提高而越来越严 2 湖南入学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第一章结论 格。根据l9 9 6 年的资料，当时国内内燃机对曲轴精度的要求是：主轴颈、连杆颈 的圆度为0 0 0 5 r a m ，圆柱度为0 0 0 6 m m ，表面粗糙度r a 为0 4 0 2 9 m ，尺寸公差在 0 0 2 2 m m 以内7 1 。现在，曲轴的设计圆度误差的精度要求已达3 i m 甚至更高f 8 】。 这些对曲轴越来越高的形状、尺寸精度和表面质量的要求对曲轴的磨削方法与工 艺提出了新的挑战和需求。 按目前普遍运行的工艺方案，曲轴的磨削加工采用分两道工序、在两种不同 的磨床( 主轴颈磨床和连杆颈磨床) 上分别对曲轴的主轴颈和连杆轴颈进行磨削。 即加工连杆颈时，以主轴颈定位，连杆颈轴心线为回转中心，在连杆颈磨床上磨 削；加工主轴颈时，以中心孔定位，主轴颈中心线为回转中心，在主轴颈磨床上 磨削，由此来保证曲轴的磨削精度和表面质量。图1 1 是种半自动曲轴磨床( 磨 削连杆颈) 的加工原理示意图【9 】。 1 平衡块2 头架3 卡盘4 砂轮5 砂轮架 卜工件7 尾座8 工作台卜床身 图1 1m b 8 2 4 0 型半自动曲轴磨床示意圈 该连杆颈磨床采用在头架、尾座上安装各有可调整径向偏心的卡盘来夹持工 件，以使被磨曲轴连杆颈中心和旋转中心一致；由于工件在旋转时质量分布不均， 为了保证旋转时工件的平衡，在头架、尾座旋转体上安装有平衡块；工作台上安 装有中心架，以加强磨削过程中工件的刚性，减少受力变形对加工精度带来的影 响。国内的曲轴生产厂家大都采用此类方法磨削曲轴的连杆轴颈。 现有的这种曲轴的磨削方式存在着如下缺陷2 】【1 0 1 ： l 、工件需两次定位，存在着两次定位的误差；2 、需在两道工序上加工( 主 轴颈的磨削和连杆颈的磨削) ，进行两次装夹，因此辅助时间长，加工效率低；3 、 每根曲轴的主轴颈和连杆颈需在两台磨床上加工( 即主轴颈磨床及连杆颈磨床) ， 因此设备投资很大，一台国产该类磨床要2 0 0 多万元，而进口一台这类磨床要上 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文 第一章绪论 千万元，因此，生产厂家投入很大：4 、每台磨床占地面积较大，多一台磨床，占 地面积扩大一倍，故厂家对厂房的投入也增加一倍；5 、加工的零件品种更换困难， ；需更换夹头，并花费大量调整时间，因此夹具费用较大且加工柔性不高。 综上所述，现有的这类偏心夹具夹持的曲轴磨削方式难以适应当今曲轴的高 精度高柔性加工要求，因此，有必要研究一种新的磨削原理和方法来取代现有的 磨削方法，以克服上述缺陷。 1 1 2 切点跟踪磨削法 切点跟踪磨削法是近年来随着磨削技术和数控技术( 特别是伺服驱动和控制 技术) 等的发展而出现的一种新型工序集中式的曲轴类零件的磨削加工方法。该 磨削方法提出以曲轴的主轴颈定位，以主轴颈中心连线为回转中心，一次装夹依 次磨出主轴颈和连杆颈。其中主轴颈的磨削方式与现有的主轴颈磨床上磨削主轴 颈的方式相同；而磨削连杆轴颈的实现方式为：通过采用计算机数控( c n c ) 技术， 根据建立的连杆轴颈磨削运动的数学模型，控制砂轮的横向进给( x 轴) 和工件回 转运动( c 轴) 联动插补，以保证连杆颈的磨削精度和表面质量。若无特殊说明， 本文中所提到的切点跟踪磨削均指对曲轴连杆颈的磨削加工。由于在整个曲轴的 磨削过程中，数控插补所控制的轴( x 轴和c 轴) 的运动轨迹是连续的，因此， 有的文献也称这种磨削加工方法为曲轴的连续轨迹数控磨削( c o n t i n u o u sp a t h c o n t r o l l e dg r i n d i n go f c r a n k s h a f t s ) f 2 l 【1 ”。 切点跟踪磨削法是高性能的数控系统及控制技术等在曲轴工件的高精度、高 柔性磨削加工中与精密机械技术、磨削加工工艺等交叉、综合应用的产物。它克 服了现有曲轴类零件磨削方式的缺点，即：不需两次定位，只需台磨床，一次 装夹( 对于不同的连杆颈，只需转过相应的角度以保持每次磨削的起始位置一致) 的条件下就能依次完成对主轴颈和连杆颈的磨削，因此，容易保证加工精度，大 大减少了辅助时间，对设备、厂房的投资也可大大减小【1 0 】。同时又由于采用全数 控磨削的加工方式，在对不同型号的曲轴( 不同的几何尺寸和曲拐分布方位及曲 拐数) 进行磨削时，不必另外设计制造相应的偏心夹具就可以很方便地通过重新 设定相应的几何参数，由建立的切点跟踪磨削加工运动的数学模型计算生成新的 数控加工代码，实现曲轴的高柔性磨削加工。 切点跟踪磨削法具有高精度、高柔性、高效率的特点，代表了当今曲轴磨削 加工方法的发展方向。图1 2 为德国s c h a u d t 公司生产的高速曲轴磨床( 型号 4 塑堕查兰塑塑型堕墨茎鱼垫些堡竺兰垡兰些堡苎! 生! 壹垒 c r 4 1 c b n ) 。该磨床是采用切点跟踪磨削方法进行磨削加工的。在加工连杆轴颈 时，由x 和c 轴联动插补，大幅度地缩短了切削时间、并把辅助时间降至最低程 度，效率很高，加工后曲轴的圆度误差精度接近1l a m 【8 】。 图1 - 2c r 4 1 c b n 高速曲轴磨床 1 2 切点跟踪磨削法的国内外研究状况 切点跟踪磨削法是一种新型的曲轴类异型零件的磨削方法，其磨削原理和具 体实现方式等方面的研究工作引起了国内外科技工作者的重视，相关公司和研究 机构开展了一系列的探索与实践。国外对该磨削方法进行了深入的研究，并在最 近几年取得了突破性的成果，如：美国l a n d i s 公司成功地采用c b n 砂轮和直线 电机伺服驱动以及d s p 处理器等技术实现了曲轴的切点跟踪磨削加工，其开发出 的c n c 曲轴磨床( 如：3 l c n c 曲轴销磨床【l2 】) 在保持曲轴的几何公差方面大大 优于普通方法，磨削后连杆颈的圆度精度高达l 2u m 【1 孤、德国s c h a u d t 公司生产 的高速曲轴磨床( 型号c r 4 1 c b n ) 【8 j 和勇克公司( j u n k e r ) 生产的j u c r a n k 5 0 0 2 曲轴磨床也都是采用这种磨削原理来对曲轴进行加工的；美国的纳克索斯 ( n a x o s u n i o n ) 在c i m t 9 5 上展出了实现该磨削原理的曲轴磨床加工录像【1 4 1 。 但总体来说，所能查阅到的资料却几乎都是只限于对切点跟踪磨削法原理性的摘 要和简述，而对该方法的具体实现方式和其中所涉关键技术作专门叙述的文献则 较难找到。为此，国内针对具体实现该方法的一些关键技术问题开展了些相似 的研究工作，如：华中理工大学对采用该磨削方法的c b n 磨削c n c 系统的关键 技术进行了研究【1 5 】【1 6 】【1 7 1 1 1 引，着重对切点跟踪磨削时砂轮对特殊曲线的高精度大行 湖南人学机械制造及其自动化硕j 学位毕业论文 第一章绪论 程跟踪的控制问题进行设计，提出了开放式磨削c n c 系统的体系结构 1 5 1 ；清华 ：k 学在研究微位移椭圆活塞数控车削系统时也是采用刀具往复跟踪椭圆零件型线 的加工方式，并且提出了许多可以为切点跟踪磨削法所参考与借鉴的控制方案与 算法【2 0 1 1 2 l j 【2 2 l 。这些研究工作为我们对该磨削方法的磨削机理等进行深入系统的 研究提供了有益的研究思路。 1 3 切点跟踪磨削原理研究的关键技术概述 切点跟踪磨削法作为一种全新的曲轴类异型零件( 几何中心与回转中心不重 合、且相差较大的零件) 的磨削加工方法，对其磨削原理的研究主要包括如下三 个方面：第一个方面是如何实现磨削过程中砂轮的高频率大行程的磨削轨迹运动。 第二个方面是研究如何采取措施保证大行程高频率跟踪磨削的尺寸精度和形位精 度的问题，即如何保证砂轮准确地跟踪相应曲线的问题。第三方面是在实现了切 点跟踪磨削方法后研究如何选用合理恰当的磨削参数来保证磨削的表面质量和较 高的磨削效率的问题。这三个方面的研究概括起来，主要包括：切点跟踪磨削运 动模型的研究、曲轴的动静态特性的研究、磨床数控系统及伺服进给系统的研究 ( 尤其是对特定的插补算法和控制策略的研究) 、专用数控机床机械结构优化设计 的研究、相关数控机床精度强化措施的研究( 各种误差补偿方法的研究) 、测试原 理与技术的研究( 测试切点跟踪磨削过程中的磨削力和磨削后工件表面的圆度、粗 糙度等的大小，以便探索它们的变化规律) 、磨削参数的优化选择以及磨削过程的 计算机仿真与分析的研究等。 上述各项问题的研究所涉及的学科技术范围比较广泛，鉴于笔者的水平、研 究条件和时间等的限制，本论文不可能对这些关键技术均作详细深入的论述。因 此，本节将对上述这些问题做一个总体上的概述，以期能为对该方法的进一步研 究和实际生产应用提供一些有益的借鉴与研究参考思路。同时也对在论文后续章 节中进行详细阐述的部分作个简要的介绍。 l 、切点跟踪磨削运动模型的研究 对切点跟踪磨削运动模型的研究主要应考虑满足以下几个方面的要求：( 1 ) 所建立的运动数学模型要具备工程上实现的可能性。如：不能出现跟踪时砂轮的 位移和速度曲线的尖点，即速度、加速度不可能无限大；( 2 ) 运动要能够以比较 容易的方式得以实现，如：要求砂轮运动时的速度和加速度变化平缓，易于实现 6 湖南大学机械制造及其自动化硕上学位毕业论文 第一章绪论 准确的跟踪运动；( 3 ) 要保证能够获得较高的磨削精度和良好的磨削质量，同时 磨削应具有较高的生产效率和经济性。 本文的第二章按照恒磨除率磨削的原则建立了切点跟踪磨削的运动模型，此 运动模型计算方便准确，所建立的运动方式跟踪起来比较容易，理论上工件表面 的磨削质量比恒转速磨削获得的磨削表面质量高，满足工程实际要求。 2 、伺服控制系统及控制方法的研究 曲轴连杆颈中心至主轴颈中心的偏心较大( 通常3 0 多m m ) ，所以砂轮水平 跟踪的行程比较大：而生产加工时为保证一定的磨削效率又要求曲轴以较高的转 速运动来进行磨削，因此，砂轮对曲轴进行跟踪磨削时所作的往复直线运动将是 高速度和高频率的；切点跟踪磨削时伺服系统在跟踪特定输入曲线的过程中即使 出现了很小的相位误差也会引起磨削加工精度的很大变化。这就对伺服系统的性 能提出了较高的要求：l 、要求伺服系统对特殊曲线运动的输入具有良好的动态响 应能力和跟踪精度，即伺服系统应具有较高的响应速度和分辨率；2 、伺服系统要 适应比较大的行程要求，以满足曲轴切点跟踪磨削加工的要求：3 、要求伺服控制 系统能够采取适当的控制方法消除具有定负载的伺服系统的惯性对跟踪速度和 精度的不良影响。要研究选用恰当的伺服系统以及相应的控制方法来实现砂轮的 快速高精度跟踪运动。 国内外对类似的问题作过较多的研究【1 5 】【1 7 】【1 9 】【2 0 】【2 1 1 1 2 2 1 1 2 3 】：华中理工大学在对 “曲轴及非圆柱类零件c b n 高速磨削控制系统建模、动特性和控制策略的研究” 和“立方氮化硼高效数控凸轮轴磨床”项目进行研究时对加工非圆柱表面回转体 零件的磨削c n c 系统作了详细深入的分析，提出采用直线伺服系统实现砂轮的 往复快速跟踪运动和基于p c 平台的开放式c n c 系统硬件和软件系统，并对采用 直线电机的直线伺服系统的动态模型和砂轮跟踪的控制算法进行了研究，提出了 两轴联动的耦合数学模型和砂轮跟踪自适应预测控制算法【”】。清华大学在研究高 频响、高精度伺服控制系统时提出了一种基于被控对象试验频响数据的有限项频 率特性序列模型及其前馈跟踪控制方法 2 2 】。因此，本文不再对这些内容进行详细 的阐述，仅从试验上对于采用交流伺服电机的砂轮跟踪伺服系统实现切点跟踪磨 削运动的可行性方面进行了验证。 3 、专用数控插补算法及其控制策略的研究 对于曲轴的切点跟踪磨削来说，砂轮中心的跟踪曲线是一条关于曲轴转角的 余弦曲线加上一复杂分量组成的特殊运动曲线( 详见本文第二章) ，若采用普通的 7 湖南大学机械制造及其自动化硕，1 ：学位毕业论文 第一章绪论 数控插补算法来对此类曲线进行插补运算，不能满足插补的高速度和高精度要求； 必须研究采用特殊的曲线插补算法及相应的控制方式来保证插补的精度和速度。 文献1 2 4 3 11 有关的数控插补算法的研究为切点跟踪磨削法的特殊插补算法 研究提供了很好的研究思路。在参考这些文献的基础上，本文的第三章对采用切 点跟踪磨削法磨削曲轴连杆颈的数控插补算法和控制策略进行了专门的研究。在 建立的切点跟踪磨削运动数学模型的基础上，介绍了逐点比较插补法和一种基于 插补精度的特殊时间分割插补算法以及双缓冲前后台通信的实时控制策略。 4 、曲轴静动态特性的研究 曲轴作为切点跟踪磨肖f j 力口工的对象，其静动态特性对加工精度有很大的影响。 首先，由于曲轴工件的刚性比较差，并且其刚性在不同的方向各不相同，在磨削 过程中受磨削力的作用会在不同的方向上产生复杂的弹性变形，从而对加工精度 带来不利的影响。因此，有必要对曲轴的静态特性进行深入的分析与研究，找到 其变化规律，并采取一定的措施减小或消除这种不利的影响。本文的第四章对由 于曲轴的这种特性导致的曲轴刚度误差进行了理论分析，并提出一种误差的数控 补偿方法来减小因曲轴的静刚度特性对加工精度的影响。其次，磨削过程中曲轴 旋转时的动态特性( 如固有频率和振型等) 对加工精度也有比较大的影响，应尽 量减小或避免这种振动带来的不良影响。为避免共振，磨削加工时应使曲轴、砂 轮主轴和工作台的固有频率和水平振型错开。限于篇幅和时间，本文未对曲轴的 动态特性作更详细的讨论。 如果对不同几何尺寸形状和材料的曲轴进行了大量的动静态实验后，就能借 助有限元等理论分析的途径找到不同的曲轴几何尺寸影响切点跟踪磨削精度和磨 削质量的一般规律，进而为对这种新的磨削方法的有效仿真提供充分的实验数据 和理论基础。 5 、磨削参数的优化研究 磨削参数在很大程度上影响着被加工工件的表面质量和加工效率。对磨削参 数进行优化，可以在保证一定的磨削效率的前提下获得良好的工件表面质量。因 此，磨削参数的优化选取是切点跟踪磨削方法的研究中的重要方面。针对根据工 厂经验选定的重要磨削工艺参数的取值范围，通过试验来进行研究，以获得综合 磨削效果最佳为目标的最优磨削参数，是该方法能否得以应用于实际生产的重要 决定因素之一，这也是本课题的后续研究中要思考解决的问题。 8 湖南大学机械制造及其自动化硕。学位毕业论文 第一章绪论 6 、磨削过程的模拟与仿真研究 对切点跟踪磨削的运动状态进行计算机模拟与仿真以及对磨削过程中相关问 题的计算机辅助分析，是切点跟踪磨削原理研究的重要内容。本论文的第六章主 要从以下几个方面对切点跟踪磨削法的计算机仿真研究进行了尝试：首先，对切 点跟踪磨削运动的状态进行了计算机仿真，这就可以不用在磨床上进行实际的磨 削实验就能在计算机上非常直观地检查运动状态的正确性( 如：是否存在运动干 涉等) ，避免了某些不必要错误的产生。其次，根据所建立的误差分析模型，开发 了相应的切点跟踪磨削法误差分析模块( 如对运动误差、数控插补误差、曲轴的 弹性变形引起的误差等的分析) ，简化了重复烦琐的计算过程，提高了分析的可靠 性和速度；再次，针对相应的数控系统开发了专用的数控程序自动生成模块，通 过相关磨削参数的输入值和误差分析结果，来生成相应的数控程序控制磨床的运 动，实现切点跟踪磨削。 7 、磨床其它相关技术的应用研究 磨床的其它相关技术也是切点跟踪磨削法研究中不可或缺的重要方面，如： 为使加工时被夹持工件具有高的旋转精度而必须保证头尾架保持较高的同步回转 精度的电机直接驱动技术、为保证磨床具有高的静、动刚度和良好抗振性能的机 械结构优化设计技术、砂轮的制造与平衡技术、磁悬浮轴承技术、高速电主轴技 术、液体动静压轴承技术、直线导轨技术以及相关测试技术、磨削过程的误差分 析与补偿技术等。切点跟踪磨削方法的加工精度和磨削的可靠性离不开上述相关 技术的发展与应用。 1 4 本研究的内容、意义及课题来源 本论文的研究工作是国家自然科学基金资助项目“切点跟踪磨削新原理的研 究”( 5 9 9 7 5 0 2 8 ) 的一部分内容。 该课题针对现有加工曲轴类异型零件存在的问题，深入系统地研究一种新型 的曲轴磨削方法切点跟踪磨削法来磨削曲轴的主轴颈与连杆颈。课题的研究 内容包括：切点跟踪磨削法的运动状态、切点跟踪磨削法磨削后工件的尺寸精度 和形状精度、切点跟踪磨削法磨削后工件的表面质量如粗糙度和波纹度、研究切 点跟踪磨削时磨削力的状况等，通过建立相应的数学模型，对磨削力、尺寸精度、 形状精度、表面粗糙度、波纹度等进行实验测量、计算机仿真和磨削参数的优化， 9 湖南大学机械制造及其自动化硕上学位毕业论文 第一章绪论 研究切点跟踪磨削机理，最终建立起可以借鉴的较成熟的切点跟踪磨削方法及较 完善的理论”。 切点跟踪磨自法作为一种全新的工序集中式的曲轴磨削方法，比传统的曲轴 磨削方法更易保证加工精度，减少辅助时间，降低对设备、厂房的投资。开展对 该方法的研究工作，能为今后开发设计相应的磨床设备提供可靠的理论根据，同 时也为加工类似的零件提供借鉴和参考，这对于促进我国汽车工业及机械制造业 的发展和制造加工水平的提高，提高我国机械加工设备的国际竞争力，跟踪国际 先进技术水平等，具有十分重要的理论意义和较大的实用价值。 我校周志雄教授、孙宗禹教授、宓海青高工等人在国家自然科学基金的资助 下，已对该方法开展了全面的研究工作，并已经取得了定的研究成果。本文作 ：苦在他们的指导下，进行了一些尝试性的初步研究工作，内容包括：建立切点跟 踪磨削法的运动数学模型；对该方法的加工精度进行分析，探索提高精度的措施； 研究适用于切点跟踪磨削的磨床结构和驱动方法；探索相应的插补算法与控制策 略；改造实验用磨床，对切点跟踪磨削的磨削力、尺寸精度、形状精度、表面粗 糙度等进行实验测量和试验中可能出现的多项误差进行理论分析，探索减少实际 加工误差的途径；对切点跟踪磨削法的运动状态和精度分析进行计算机仿真研究， 同时开发数控磨床专用数控数据生成程序。本论文就是这些研究工作的总结。 ( 2 ) ( 3 ) 1 5 本章小结 简要叙述了曲轴的两种磨削方法以及国内外对于切点跟踪磨削法的研究 状况。 概要叙述了切点跟踪磨削法研究中的关键技术问题。 说明了课题的来源和意义，概括了本论文研究的主要内容。 1 0 湖南大学机械制造及其自动化硕士学位毕业论文第二章切点跟踪磨削运动模型及运动误差分析 第二章切点跟踪磨削运动模型及运动误差分析 采用切点跟踪磨削法磨削曲轴的连杆轴颈，首先要建立恰当的磨削加工运动 的数学模型，通过数学模型控制砂轮相对于连杆轴颈的“跟踪+ 进给”运动，从 而保证磨削精度和表面质量，达到曲轴磨削的高精度和高柔性加工要求。 本章通过对切点跟踪磨削运动特点的分析，得出了磨削时应使曲轴做变转