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上海交通大学硕士学位论文 数控凸轮磨插补与补偿策略研究 摘要 f 凸轮轴的加工一直是制造业共同关注的话题国内学者专家就凸 轮轴的加工问题，进行了大量的研究工作并取得一定的成果。但是， 我国的总体水平与工业发达国家相比还有差距，比如在数控凸轮磨的 研究与开发方面、在曲线的加工精度和机床的工作效率方面都与工业 、 发达国家存在很大的差距。 本文介绍机械靠模凸轮轴磨床的数控化改造项目。通过项目的实 施，来进一步探讨在我国目前的凸轮轴加工水平下，如何实现我国凸 轮轴磨削的数控化。同时提出我国自行研究开发和制造数控凸轮磨床 的方向和方法。主要包括以下几方面主要内容： 1 分析国内外凸轮轴加工技术现状，结合我国的实际情况，提出 了我国目前汽车行业关于凸轮轴磨削技术升级的有效途径，指出采取 改造现有较先进的机械靠模凸轮轴磨床途径，实现凸轮轴磨削的数控 化，提高凸轮轴的加工精度； 2 介绍了机械靠模凸轮轴磨床数控化改造的关键问题：数控成形 两轴联动运动方程的建立，分析运动方程中的近似算法对凸轮廓线影 响，通过磨削仿真探讨系统补偿策略； 3 对凸轮廓线插补算法进行了介绍并提出在凸轮数控磨削中采用 三次样条曲线插补。提出了凸轮轴数控磨削中的一项关键技术，即用 i l ( a 数据列表实现凸轮廓线插补技术，从而解决了长期以来一直影响 上海交通大学硕士学位论文 我国数控凸轮轴磨床的发展和应用的问题，即机床的效率问题。( 机床 效率一直制约着我国自行研制的数控凸轮磨床的推广应用。本文提出 、 了解决办法已用于生产，实际效果显著。尸 ， 4 通过系统研究，实现了在旧机床上进行高精度凸轮加工，主要 l 采取的方法是充分分析了旧机床的机械精度对凸轮廓线的影响，然后 通过数控系统的补偿功能进行精度补偿 关键词：机械靠模凸轮轴磨削，数控凸轮磨，i i ( a “贰雒阳h “e n 咖t 【卜 g e 叼e n s a 七壬嵴h 卜干a 嘣，三次样条曲线插补，凸轮曲线精度西 补偿。 上海交通大学硕士学位论文 t h es t u d y0 fin t e r p o l a t10 na n do o m p e n s a t10 ns t r a tlg e l nc n cc a u s h a f tg r l n d i n gm a c h i n et o o l a b s t r a c t t h ec a m s h a f tm a c h i n i n gh a sa l w a y sb e e nt h ec o m m o nt o p i c a m o n gt h em a n u f a c t u r e ra n dr e s e a r c h e r d o m e s t i cs c h o l a ra n d s p e c i a l i s th a v ed o n e l o t sr e s e a r c hw o r ka n do b t a i n e d m u c h s u c c e s s ，b u tt h e r ea r en o te n o u g h w es t i1 1h a v et od om u c ht o c o n ti n u a ll yi m p r o v et h et e c h n o l o g yl e v e li nc a m s h a f tm a c h i n i n g f o re x a m p l e ，w em u s ti m p r o v et h ec a ml o b ec u r v ea c c u r a c ya n d e f f i c i e n c yo ft h em a c h i n et o o l t h i s p a p e r i n t r o d u c e sai n v e s t m e n to f 7 5 0 ，0 0 0i n r e c o n s t r u c t i n g t h em e c h a n i c a lp r o f il e f o ll o w i n gc a m s h a f t g r i n d i n g m a c hi n e w ec a nf i n dag o o dw a yt oi m p r o v et h e c a m s h a f tg r i n d i n g t e c h n o l o g yl e v e li nt h i sp a p e r a n dt h i s p a p e ra l s ot e l lu st h ed i r e c t i o na n dm e t h o do fh o wd e v e l o p i n g a n dm a n u f a c t u r i n gt h ec n cc a m s h a f tg r i n dm a c h i n et o o li nc h i n a t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra sf o l l o w i n g ： 1 i th a sa n a l y z e dt h eb a c k g r o u n do fc a m s h a f tg r i n d i n g t e c h n o l o g yo ft h ew o r l di n c l u d i n gd o m e s ti c a c c o r d i n gt h ef a c t i no u rc o u n t r yi tg i v e so u tt h a tt h ee f f i c i e n tw a yi ni m p r o v i n g c a m s h a f tg r i n d i n gt e c h n o l o g yl e v e li sr e c o n s t r u c t i n gt h e m e c h a n i c a lp r o f i l ef o l l o w i n gc a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n et o o l s ， a n dr e a l i z ec n cc o n t r o l l i n gi nt h em a c h i n e s ow ec a ni m p r o v e 上海交通大学硕士学位论文 t h ea c c u r a c yo fc a m s h a f tm a c h i n i n g 2 t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ek e yp r o b l e mi nr e c o n s t r u c t i n g t h em e c h a n i c a lc a m s h a f tg r i n d i n gt oc n cc o n t r o lc o n s t r u c t t h e k e yp r o b l e mi sh o wt og e tt h em o v e m e n tf o r m u l ao ft w om o v e m e n t a s s o c i a t e dc n cs h a f t t h i sp a p e ra n a l y z e dt h es i m p l i f i c a t i o n o ft h em o v e m e n t a s s o c i a t e df o r m u l aa n dt h ec o m p e n s a t i o n s t r a t e g yf o rt h ec u r v ea c c u r a c y 3 i n t r o d u c e ds e v e r a lc u r v ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d ，s e l e c t e d t h e3 r dd e g r e es p l i n ei n t e r p o l a t i o na st h ec s i ni n t e r p o l a t i o n c u r v e t h isp a p e ra ls og iv e s u s an e wm e t h o dt oi m p r o v et h e g r i n d i n g m a c h i n et o o le f f i c i e n c y ，t h a ti s u s i n g t h e i i 【a ( i n t e r p o l a t i o na n dc o m p e n s a t i o nw i t ht a b l e s ) t op e r m itt h e d a t ao fi n t e r p o l a t i o np o i n tb e i n gp r e p r o c e s s e d 4 t h e r ei sa n o t h e ri m p o r t a n tp o i n ti nt h i sp a p e r ，i ti st h i s p a p e rt h r o u g ht h ee r r o rs o u r c ea n a l y z i n ga n du s i n gt h e c n c c o n t r o ls y s t e mc o m p e n s a t i o nf u n c t i o nh a da v o i d e dt h eo l d m a c h i n ed e f e c ta f f e c t i n gt h ea c c u r a c yo f t h ec a ml o b ec u r v e k e yv k ) r d s ：m e c h a n i c a lp r o f i l e f o l l o w i n gc a m s h a f tg r i n d i n g ，c n c c a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n et o o l ， i k a ( i n t e r p o l a t i o na n d c o m p e n s a t i o nw i t ht a b l e s )，3 r dd e g r e e s p l i n ei n t e r p 0 1 a t i o n c u r v e ，c a ml o b ec u r v ea c c u r a c yc o m p e n s a t i o n 上海交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使嗣学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阕和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部和部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或摆 搓等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： 保密 ，在年解密后适用本授权书 不保密囡 ( 请再以上方框中打4 ) 学位论文作者签名：祷沁裰 指导教师签冬澎 疆期：加年4 月邃西日期：2 2 年4 月j 亨日 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 本章首先简要地回顾了数控技术的发展历程；然后对开放式数控技术、 数控加工技术以及数控系统插补技术的国内外研究现状作了详细分析；接下 采又介绍了国内外凸轮轴磨削技术的发展状况；最后阐述本课题的研究背景 争意义，确定了论文的主要研究内容 制造业是国民经济发展的基础产业，在工业化国家中其真实财富有6 0 8 0 是制造业创造的，随着信息化社会的到来，制造业正经历前所未有的变化。各工 业发达国家纷纷投入巨资，提出了诸如计算机集成制造( c m c 唧u t e ri n t 喀r a t e d m 融c t u r i n g ) 、精益生产( l 湖p r o d u c t i o ) 、灵捷制造( a g i l e m 锄u 龟c t u r i n g ) 、 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 、智能制造( i n t e u i g e n tm a 肌缸t u l i n g ) 等先 进的制造模式，以增强企业竞争能力。并从缩短研制生产周期t f r i l d 、提高产 品质量q ( q “i 啪、降低成本c ( c o s 0 和提高服务水平s ( s c r v c ) 四方面着手，探索 新的制造企业模式。制造业的发展需要由先进的装备来支援，国家计划发展委员 会与科技部于1 9 9 9 年7 月1 4 日颁布的当前国家优先发展的高技术产业化重点 领域指南( 目录) 中，把第八项“制造”的第一条列为：适用、先进的数控机 床与开放式数控系统( 总第1 1 2 小项) ；朱镕基总理也在2 0 0 1 年3 月5 日的九届 人大四次会议关于国民经济和社会发展第十个五年计划纲要中明确指出“振兴装 备制造业，开发制造急需的大型高效和先进的成套技术装备”。在现代制造系统 中，数控( c m p u t 盯n m e r i c mc o n t r o l ，c n c ) 技术是关键技术，它集成徽电子 技术、计算机、信息处理、自动控制、自动检测等高新技术于一体，具有高精度、 高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举 足轻重的作用。汽车行业作为国民经济的支柱产业，是技术和资金密集型产业。 随着我国加入w t o ，汽车市场国际化、需求多元化对汽车制造厂家提出了更高 的要求。高效、节能、环保是现代汽车的标志，汽车凸轮轴的加工质量直接影响 到发动机的上述三个方面的性能。先进制造设备尤其是高性能的c n c 设备在凸 轮轴加工上的应用一直是汽车行业专家倍加关注的问题。 1 1 数控技术发展的历史 1 9 4 6 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类制造了可增强和部分代 替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动 的工具相比，发生了质的飞跃，为人类进入信息社会莫定了基础。半个世纪以来， 以计算机为主导和核心的信息技术，通过媒体、通信等工具提高了人类生滔的质 量，还促进了生产力的飞速发展，开创了人类文明史、生产史的新纪元。在计算 机诞生六年后，即t 9 5 2 年，将计算机技术应用到了机床上，在美国m i t 的伺服 上海变通大学硕士学位论文 机构实验室研制出世界上第一台三坐标数控铣床。从那以后，数控技术在硬件和 软件方面都得到快速发展，并大致经历了两个阶段和六个时代。 1 1 1 n c 阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 年) 早期计算机的运算速度低，对科学计算和数据处理能力还不强，还不能适 应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计 算机作为数控系统，这被称为硬件连接数控( h a r d - w i r e dn c ) ，简称为数控 ( n c ) 。随着元器件的发展，这一阶段的数控系统历经了三个时代，即1 9 5 2 年 的第一代电子管；1 9 5 9 年的第二代晶体管；1 9 6 5 年的第三代小规 模集成电路。这一阶段的数控系统功能简单，灵活性差，设计周期长，限制了其 进一步的发展和应用。 1 1 2c n c 阶段( 1 9 7 0 年现在) 到了1 9 7 0 年，通用小型计算机已出现并成批生产。其运算速度比5 0 - , 6 0 年 代有了大幅度的提高，比专门“搭”成的专用计算机成本低、可靠性高，于是将 它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控( c n c ) 阶段( 把 计算机前面应有的“通用”两个字省略了) 。到1 9 7 1 年，美国i n t e l 公司在世 界上第一次将计算机的两个核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电 路技术集成在一快芯片上，称之为微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) ，又可称为中央处 理单元( 简称c p u ) 。 1 9 7 4 年，微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控 制一台机床能力有富裕( 故当时曾用于控制多台机床，称之群控) ，不如采用微 处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功 能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的 核心部件，故仍称为计算机数控。 到了1 9 9 0 年，p c 机( 个人计算机，国内习惯称微机) 的性能已发展到很 高的阶段，从s 位、1 6 位发展到3 2 位，可以满足作为数控系统核心部件的舞求， 而且p c 机生产批量很大，价格便宜，可靠性高，数控系统从此进入了基于p c 的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1 9 7 0 年的第四代小型计算机； 1 9 7 4 年的第五代微处理器和1 9 9 0 年的第六代基于p c ( 国外称为 p c b a s e d ) 。 必须指出，数控系统近5 0 年来经历了两个阶段六代的发展，只是发展到了 第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便( 主要 是编程困难) 等极为关键的问题。因此，即使在工业发达国家，数控机床大规模 地得到应用和普及，也是在7 0 年代末8 0 年代初以后的事。即数控技术经过了近 3 0 年的发展才走向普及应用的。 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控( 即c n c ) 了，而我国仍 习惯称数控( n c ) 。所以我们日常讲的“数控”，实质上指的是“计算机数控”。 上海交通大学硕士学位论文 1 1 3 国内数控技术的发展历程 我国从1 9 5 8 年开始研制数控机床，在消化吸收国外工业发达国家的数控系 统和伺服系统的基础上，我国的数控装备和数控技术得到了迅速的发展。目前， 我国已有数十家机床厂能够自行生产不同类型的数控机床和加工中心。经过“六 五”、“七五”、“八五”到“九五”的近2 0 年的发展，我国已基本上掌握了数控 的关键技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自 己的数控产业。“八五”攻关开发的成果：华中i 号、中华i 号、航天1 号和蓝天 i 号4 种基本系统建立了具有中国自主版权的数控技术平台。具有中国特色的经 济型数控系统经过这些年来的发展，有了较大的改观。产品的性能和可靠惟有了 较大的提高，它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚。如上海开通数控有限公 司的k t 系列数控系统和步进驱动系统、北京凯恩帝数控技术有限公司的k n d 系列数控系统、广州数控设备厂的g s k 系列数控系统等。这些产品的共陶特点 是数控功能齐全，价格低，可靠性较好。依据数控技术的作用、地位及特点，我 国在研究、发展现代制造技术，制定数控机床创新战略及目标时，明确指出集中 力量突破数控技术，并以当前的急需为突破口，同时考虑未来的发展，从我国的 实际情况出发，确定了跟踪高级型，提高经济型，重点发展普及型的发展战略。 中国偌大的经济型数控机床的市场也吸引了众多的国外厂商。近几年，s i e m e n s 公司推出8 0 2 s 数控系统，大连大森公司用o e m 方式引进了日本o h m 公司的 o n c 2 1 0 2 数控系统。 总的来说，我国的数控技术已取得了长足的进步，由“六五”期间技术引 进、散件组装：“七五”期间的消化吸收、国产化；到“八五”期间自行开发具 有自主版权的中高档数控系统，我国已经有了技术基础和一支队伍，能够逐步开 发出我国数控机床发展所需要的各种类型的数控系统。但从整体上讲，我国数控 技术水平还远远落后于国外先进水平。据统计，在i m t s 2 0 0 0 上展出的1 3 0 8 台 数控机床中，配有f a n u c 系统的有6 3 4 台，配s i e m e n s 系统的有1 2 7 台，而 配备国产数控系统的几乎没有。近几年来，虽然我国已能生产高性能的数控机床 裸机，但整机还无法占据国内市场。每年国家仍需花费大量外汇进口高档数控机 床，其主要原因是国产数控系统无论在功能、性能，还是在可靠性方面都和世界 先进水平有一定差距，发展我国的数控产业和数控技术已到了刻不容缓的时候。 2 开放式数控系统的研究现状 数控技术已经有了四十多年的历史，它的出现极大地改变了制造业的现状。 但是传统的数控系统都是封闭结构的，它们采用专门的计算机硬件系统和专门的 软件系统，数控技术全部掌握在制造商手中，对于用户来说是一个黑箱，不同厂 商的产品之间从软件、硬件直到数控编程都不兼容，使得数控系统无法使用最新 的计算机技术，其开发费用高，升级能力和可扩展能力都比较差。这些都直接限 制了数控技术的发展，为了解决上述难题，就要求数控系统走向标准化、开放化。 上海交通太学硕士学位论文 1 2 1 开放式数控系统的定义与特征 从开放式数控系统目前的研究成果看，开放式数控体系结构还没有统一、 明确的概念内涵，系统还处于百家争鸣的时代。按照i e e e 的定义，开放式数控 系统应该是具有下列特征的系统：符合系统规范的应用程序可运行在多个销售商 的不同平台上，可与其它的系统应用程序实现互操作，并且具有一致风格的交互 界面。 对于开放式数控系统，一种比较流行的观点是强调以下几个基本特征： + 可互操作性：通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块能以标 准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的互操作能 力，协调工作。 可移植性：系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模式、 控制机理，使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并 且通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供 的硬件平台之上。 档次皆宜性：c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，既可以增加硬 件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应 用。 可互补性：指构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控 制，可根据其功能、可靠性及性能要求相互替换，而不影响系统 整体的协调运行。 摩托罗拉公司一直和美国犹他州的c i n m r t e i x 公司联合开发基于标准他的、 开放体系结构的控制器。其副总裁s k s o r e m e n 为开放体系结构的控制器绘出了 更具体的定义： 它必须采用标准的计算机结构，如v m e 或i s a 总线结构，以及标准 的微处理器如m o t o r o i a 6 8 0 x o 、p o w e r p c 或i n t e lx 8 6 p e n t i u r n 系列芯片： 必须基于标准的操作系统，如d o s 、u n i x 或w l n o w sn t 等； 必须可以用标准的编程语言，如m i c r o s o f tv i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 或 x w i n d o w s m o t i f 环境下的c c + + ； 其控制软件必须是开放和可扩充的，从而让生产商和用户都可以在其 上面集成定制专门的控制算法。 通用汽车( g m ) 的制造控制部，o m a c 计划的拟订者c j y e n 则将开放 式结构简单定义为：基于p c 的用户接口加上基于s e r c o s ( s e r i a lr e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 的电机驱动接口。虽只是一家之言，但也在很大程 度上反映了工业界对开放式控制系统的要求。 1 2 2 国外研究现状 开放式数控系统的概念在8 0 年代初就已出现。早在1 9 8 1 年，美国国防部 为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开始了名为“下一代控制器 ( n g c ) ”的计划，并成立了“美国国家制造科学中心( n c m s ) ”，其主要目的 是拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范。作为n g c 的后继 工作，美国国防部启动了o a s y $ 项目，其目的是建立并安装8 套控制器，并在 上海交通大学硕士学位论文 6 种不同场所对其进行测试。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动， 其中影响较大的有欧洲o s a c a 、美国的o m a c 和日本的o s e c 等计划。 美国的汽车工业为解决自身发展过程中碰到的一系列问题，由克莱斯勒、 福特和通用三大汽车公司于1 9 9 4 年开始了一项名为“开放式、模块化体系结构 控制器( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) ”的计划。该计划的目标是降低控 铷系统的投资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提高机床利用率，提供软硬 件的“即插即用”和高效的控制器重构机制，简化新技术到原有系统的集成，从 而使系统易于更颓换代，尽快跟上新技术的发展，并适应需求的变化。其主要动 机是向供应商和技术开发团体公布控制器用户，尤其是汽车制造业的需求，从而 能在市场上购买到满足要求的产品。由于o m a c 的成员是控制器的用户而不是 开发商，这就决定了其性质和目的，从而也就决定了它产品化、实用化步伐不可 能很快。事实上美国工业界认为o m a c 只是一种概念，而不是一种控制器或标 准。o m a c 自身也意识到这一问题，它目前正逐渐与o s a c a 等计划进行联合。 1 9 9 0 年由欧共体国家的2 2 家控制器开发商、机床生产商、控制系统集成商 和科研机构联台发起o s a c a ( 自动化系统中控制的开放系统体系结构) 计划， 并于1 9 9 2 年5 月正式得到欧盟的认可，纳入欧盟e s p r j t - i i i 项目计划。这实际 上是第一阶段o s a c s i ，它于1 9 9 4 年结束，完成了o s a c a 规范和应用指南的 制定。第二期工程o s a c a - i i ( e s p r i t 9 1 1 5 ) 于1 9 9 6 年4 月结束，主要完成依 照o s a c a 规范为其系统平台开发标准、通用的软件横块和通用的o s a c a 系统 平台，建立一个五轴制造系统环境，用以调试、验证、扩展第一阶段的各种规范。 o s a c a 第三阶段为 d a so s a c a 于1 9 9 7 年1 月开始，计划历时1 8 个月，推 广o s a c a 思想及前期工作的技术成果。同时为了建立一个国际性的标准，而与 日、美的相关机构进行接触。o s a c a 的目标之一，是使自己成为自动化领域的 通用国际标准，故开始它的研究范围就涵盖了整个自动化领域，并投入了巨大的 人力、物力。 o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t6 wc o n t r o l l e r s 控制器开放系统环境) 计划 是由东芝机器公司，丰田机器厂和m a z a k 公司三家机床制造商和日本m m 、三 菱电子及s m l 信息系统公司于1 9 9 5 年共同组建的，其目的是建立一个国际性工 厂自动化( f a ) 控制设备标准。o s e c 以日本国际机器人和工厂自动化研究中心 ( l o f a ) 所提出的c n c 系统参考模型为基础，提出了一个开放体系结构，并 增加了定制和分化产品的功能。 o s e c 认为，从制造的观点看，n c 是分布式制造系统中的一个服务器。o s e c 所谓的开放式系统本身被认为是一个分布式系统，它能满足用户对制造系统不同 配置的要求，最小费用的要求和应用先进控制算法及基于p c 的标准化人机界面 的要求。o s e c 的结构虽然有它的独到之处，但到目前为止，它与其它开放系统 结构一样，也只是处于试验阶段，并未形成商业化的产品。 1 2 3 国内研究现状 通过“八五”数控科技联合攻关，我国已经开发了具有自主版权的开放式 数控系统。目前，国内已有的开放式数控系统有4 种型号，既华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型。与o s e c 计划相同，这四个品牌都采用不同的途径利 用p c 机的现有研究成果。如珠峰公司和华中理工大学，利用p c + 控制卡构成硬 件平台，开发了中华i 型和华中i 型数控系统：与此同时，航天数控集团公司利 上海交通大学硕士学位论文 用通用p c 的体系结构，设计了通用p c 机加数控通用专用模块的单机数控系统， 作为普及型推向市场，并以此为基础与通用p c 机互联构成了典型的前后台结构 的多机系统，完成了“八五”数控科技攻关任务。；蓝天是在原7 5 0 0 系统的基础 上。通过二次集成缩小化设计后与通用p c 机构成了8 5 0 0 系列的多机系统。 四大开放结构的数控系统有着各自的优点，但从数控系统的长远发展看还 有许多要改进的地方，如相互之间兼容性，对体系结构的阐述都局限于具体的现 实层面，没有提高到一种理论的抽象的层面。同时各个系统虽然模块化了，但没 有标准化、层次化，没有用到国际上新的技术，与国外相比在开发思想上还存在 一定的差距。 1 2 4 其它研究机构与项目 除了上面介绍的开放式数控系统的研究项层外，另外还有许多科研单位或 高等院校对其进行研究。如大不列颠哥伦比亚太学的a l t i n t a s 等人提出的三层结 构的开放式c n c 系统( h o a m c n c ) ，其中最高层采用一般的工控计算机，操 作系统为w 诅n t ，主要由用户接口、网络通信、与其它模块的接e 1 组成；第二层 中包括c n c 主控制器模块、自适应控制模块、刀具状况监视模块、力分析模块 以及颤振检测模块，这些模块均采用t m s 3 2 0 c 3 0 型d s p 芯片完成，其中c n c 主控制器模块主要完成实时任务管理、插补、高级控制等任务：第三层为位置控 制模块，该模块由8 0 ( 1 9 6 单片机来担任，它从c n c 主控制器模块接受位置数 据，完成位置的低级控制。加里福尼亚大学的s c h o f i e l d 和w r i g h t 完成的开放式 结构控制器m o s a i c p m 采用了基于v m e 总线的s u n 工作站，运动轴和圭轴采 用单独控制器；d a n i e l 对开放式数控系统的描述语言进行了研究；s t e p h e n 等人 则利用通用p c 机对m a z a t r o lm 3 2 三轴联动数控铣床进行改造，实现良好的人机 界面并与原有伺服系统通讯。 国内也有许多高等院校对开放式数控系统进行了研究，如西安交通太学的 帅梅等人采用多c p u 来实现五轴联动数控系统，主控机为一台工业p c 机，五 个运动轴分别由轴控单片机控制。哈尔滨工业大学的史明旭采用通用p c 机实现 面向企业网络的电火花加工机床数控系统。南京航空航天大学的叶佩青采用多处 理器模式开发了集成c a d c a m c n c 系统。北京航空航天大学的王敏等人研究 了在w i n d o w s 3 x 和w m d o w s 9 5 n t 等操作系统下，利用v i s u a lc + + 语言实现运 行于p c 机平台的开放式数控系统。上海交通大学的王涛则采用w i n d o wn r + 实 时扩展( r t x ) 形式实现了全软件化的数控系统，陈金成对基于p c 机的经济型 数控装置的开放性设计进行了研究。另外西北工业大学的叶伯生、罗建军和国防 科技大学的李圣怡也对基于p c 机的开放式数控系统进行了研究。 另外，值得一提的是最近上海交通大学和德国斯图加特大学在开发0 s a c a 计划方面签署了项目合作协议，德国斯图加特大学作为0 s a c a 协会的主席单位， 正式接收上海交通大学为0 s a c a 的中国会员。 上海交通大学硕士学位论文 1 3 凸轮磨削技术发展 1 3 1 数控加工技术的发展趋势 高性能数控技术的特点首先表现在操作简单、使用方便和维护容易等方面， 因为它是争取用户、占领市场的基础。其次表现在保证加工精度的前提下遭求最 快的加工速度，因为它是市场竞争成败的关键，也是经济效益的主要标志。另外 高性能数控技术又表现在高度的自动化，尽量减少人的参与，使人类彻底解放出 来，这是它的最终目标。总之，高性能数控系统应向体系结构的柔性化、运行的 高速高精化、加工过程的智能化、编程的自动化、过程的无人化等方面发展。 ( 1 ) 体系结构的柔性化技术：高性能c n c 系统通常具有以下功能模块： c n c 基本功能模块，伺服控制模块，主轴控制模块可编程逻辑控制模块，外 部数据输入，输出模块，自动编程模块。各模块具有相对独立性。功自b 模块化使 c n c 系统的功能配置极为方便，柔性度得到提高。另外还便于用户操作和维 护，提高其可靠性和开放性。 ( 2 ) 运行的高速、高精化技术：加工速度是衡量c n c 性能的指标之一， 通常受到机床的结构，各轴驱动系统、数控运算处理系统、夹持装置、传感器、 刀具等因素影响。c n c 系统的高速化技术主要表现在主轴高速化、进给速度高 速化、高速插补技术以及平滑加减速技术等。整个加工的高速化还包括刀具交换、 主轴正，反转和冷却控制、快速进给等辅助加工时闻的缩短。 影响数控加工精度的因素主要有三个：机床几何误差，切削力、摩擦力和 热源引起的误差以及数控系统插补、伺服控制产生的误差。前两者可以通过实验、 测试等方法加以补偿，而后者则可以通过采用先进的插补、控制算法来减少，它 可分为以下几个方面： 实时插补技术。常规的数控系统一般只支持线性插补和圆弧插补功能。 对于复杂曲线的插补，常规数控系统都需要由c a d c a m 系统将曲线按加工精 度要求分解成许多个小直线，再用线性插补方式对每个小直线段进行插补，因此 必然会产生逼近误差。为减少数控系统的插补误差，必须使数控系统具有实对曲 线插补功能。关于数控系统插补技术在国内外研究的现状将在本章第6 小节中作 介绍。 加减速控制技术。机床高速运行中，在其启动和制动时易产生振动，从 而影响加工精度。在插补前对插补切线方向的速度进行加减速，可使加减速控制 引起的形状误差减小。在插补后加减速采用改变回路增益来控制加工速度，提高 加工精度，它可通过预先读取多个程序段而自动决定是否需要加减速，从而取得 平滑的加减速控制。 伺服控制技术。采用数字交流伺服系统，可以获得较为理想的控制效果。 ( 3 ) 加工过程的智能化技术：智能化表现在数控系统的各个方面：为追 求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成：为提 高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制，机电参数的自适应运算，自 动识别负载自动选择模型，自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智 能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容， 方便系统的诊断及维惨等。如在f a n u c l 5 系列的c n c 系统中，存储有一些引 起机械故障原因的信息队及如何消除这些故障的知识，并具有推理机能象专家一 上海交通大学硕士学位论文 样，利用知识库去解决所产生的故障。 ( 4 ) 编程的自动化技术：数控编程主要朝着以下三个方面发展：第一， 向多功能方向发展。这类系统不仅能对任何平面零件进行编程，而且具有复杂曲 面编程的功能。能进行工艺和几何图形的处理，可自动确定工艺参数。系统程序 结构也实现模块化。有车削、铣削、线切割、复杂模具型腔等模块， f m 叮u c p m o d e lgm 舭就是这种编程系统。第二，采用图形编程系统。 其特点是以图形要素为输入方式，从加工零件图形的再现、走刀轨迹的生成、加 工过程的动态模拟，直到数控加工指令，都是通过屏幕菜单及交互式图形来得到 的。这种系统的图形功能强，在系统运行时，屏幕可以同时出现主视、俯视、侧 视及轴侧图，具有形象直观和高效的优点。第三，测量、编程、加工一体化。 ( 5 ) 加工过程的无人化技术：机械工业技术的急速进步，使生产自动化、 无人化成为机械制造发展的最终目标为此要求数控机床具有高度的可靠性，适 于长期无人运行，一旦发生故障可进行自诊断和自恢复并且具有自动辅助功能， 适应不同的加工环境和要求。数控加工的无人化技术主要包括： 可靠性技术。为保证高性能c n c 系统的可靠性，在设计阶段应预先确定 可靠性指标，在生产该系统的过程中模拟实际工作条件，进行检测和予以保证。 通常采用的技术有冗余技术、故障诊断技术、自动检测纠错技术、系统恢复技术、 软件可靠性技术等。 辅助功能。无人化水平的提高要求各种辅助功能达到实用化。如切削监视 功能、自动刀具半径测量、刀具破损检测功能、自动定位功能、刀具寿命管理功 能等。 适应控制。实际加工的过程是复杂多变的，加工精度不仅与伺服系统的精 度和速度有关，而且受到加工条件的影响，这些条件主要表现为刀具变形、磨损、 工件材料不一致、热变形等，为克服这些加工条件的变换，在无人化加工过程中， 适应控制是最重要的技术。 智能制造。计算机的使用是以数值计算或数据处理为基础的，从而只是取 代、加强和延伸人的部分脑力劳动，然而还有许多脑力劳动并不属于数值计算 而是逻辑推理、类比联想，甚至灵感和顿悟，特别是在制造领域中，人类专家具 有许多宝贵的知识、经验以及独特的思维方法。为使人类进一步从脑力劳动中解 放出来，且使制造水平进一步提高，采用人工智能是当今数控技术发展的重要趋 势。 ( 6 ) 操作方面的宜人化：数控机床上装备有许多测量装置，如刀具磨损、 破损的检测，机床精度及热变形的检测等，与之相适应，c n c 装置具有刀具寿 命管理、刀具长度补偿、刀尖补偿、爬行补偿等功能。这有利于提高加工效率和 精度，也有利于提高系统的可靠性。此外，数控系统还向着宜人化的方向发展。 这种系统组成灵活，为机床厂家提供了方便。 上面叙述的各条是实现高性能数控系统的关键技术，这些技术正是数控领 域的研究致力追求的目标，也是今后数控技术的发展趋势。也是凸轮轴加工技术 的发展方向。如何将高性能数控技术应用于凸轮加工，是我国汽车业必须尽快解 决的问题。 1 3 2 凸轮轴磨削国内外现状 凸轮轴的加- r l h 题一直是国内外内燃机生产厂家的一个难点问题，在数控 上海交通丈学硕士学位论文 凸轮磨削设备没有得到广泛应用以前，凸轮轴的磨削是靠机械仿形来实现对凸轮 廓线的磨削，机械靠模凸轮磨削的原理，是先制作母靠模，母靠模的制作过程是 把一根标准凸轮轴装卡在机床上，把正常磨削凸轮用的砂轮换成一个与砂轮尺寸 一样的导轮，通过标准凸轮轴与导轮之间的仿形运动，磨削机床母靠模。母靠模 加工完成以后，通过靠模仿形对凸轮轴进行磨削。这种加工存在以下几个方面的 不足： ( 1 ) 凸轮轴磨削设备由于采用的是机械靠模加工，对于不同的凸轮轴就 必须有不同的母靠模，所以设备实现柔性加工的可能性几乎不存在，这与随着汽 车工业的不断发展而形成的不断增加的凸轮轴品种的需求不相适应。 ( 2 ) 机械靠模磨削凸轮轴不能满足日益提高的凸轮廓线精度要求，在机 械靠模加工凸轮轴的设备上，尤其是凸轮轴磨床上，机械部件传动误差、砂轮磨 损、母靠模本身的误差以及靠模机构各零件磨损等方面对凸轮廓线精度的影响得 不到有效的控制。 ( 3 ) 母靠模本身制造工艺复杂，精度难以保证。母靠模制造成本高是困 扰凸轮生产厂家的另一难题。 由于机械靠模磨削凸轮存在着上述制约因素，而当今计算机技术的飞速发 展，使得数控系统的功能不断完善，数控凸轮磨床得到了开发和应用。数控凸轮 磨的开发和应用使得凸轮加工技术得到了长足的进步。 我国目前在凸轮轴磨削方面，随着我国对外开放和我国申请加入w t o 进程 的不断推进，近1 0 年取得了较大的发展，与国外先进水平的距离也在逐渐缩小。 我国凸轮磨削经历了这样的一个发展的过程，在8 0 年代以前，我国凸轮轴磨削 设备全部是机械靠模结构；8 0 年代后期到9 0 年代，随着我国汽车工业与外商合 作项目的建立，在外商投资的汽车厂采用了数控凸轮磨削技术，这些设备全部是 国外生产：到了9 0 年代中后期，我国数控技术有了进一步的发展，开始出现了 在国产机械靠模凸轮磨床上进行数控化改造的研究工作，虽然取得了一定的进 步，但改造的设备一般效率较低，不能适应大批量生产的需要。 一些工业发达的国家早在8 0 年代，就开始使用生产型数控凸轮磨床，首先 研制出数控凸轮轴磨床的是五家有代表性的公司，即德国的f o r f u a a 公司、 s c h a u d t 公司、英国的b u t l e r 公司、n c w a u 公司、美国的l a n d i s 公司、日本的 t o y o t a 公司。由于数控凸轮磨床技术含量高，所以机床售价昂贵，一般每台售价 在8 0 万美元左右，工业发达国家的数控凸轮磨床从开始使用到目前，也经历一 个不断完善不断提高的发展过程，刚开始的数控凸轮磨床其结构是以头架摆动来 实现凸轮廓线拟合的，称为摇架式，因摇架的惯量比砂轮架的惯量小，所以该种 方式生产效率较高，后来随着c b n 砂轮在工业发达国家的普遍应用，砂轮直径 和砂轮架的结构尺寸变的越来越小，数控凸轮磨床也就发展成为现在的极坐标式 结构，该方式在控制算法上比摇架式简单，故加工精度较高。 1 4 课题的提出、目的和意义 计算机技术的发展，使得数控技术有了突破性的发展，高速、高精度和系 统开放性使得数控技术的应用越来越广泛。我国数控技术通过自主开发虽然也取 得较好成果，但在凸轮轴的磨削方面到目前还没有一个好的产品，作为汽车发动 机关键零件之一的凸轮轴磨削在国内的一些汽车厂家仍然采用的是传统的机械 靠模磨削，在加工精度和柔性化方面无法满足多变的汽车市场的需求。而国外的 上海交通大学颈士学位论文 凸轮轴磨床价格昂贵。从对旧设备进行数控化改造入手研究数控凸轮磨床，我在 东风公司发动机厂开创了全国先饲。这就是我在本文要介绍的内容。 东风汽车有限公司发动机厂是一个拥有3 0 多年专业生产汽车用发动机历史 的全国著名企业，其拥有先进的加工设备，制造工艺处于全国同行前列。在计划 经济体制下。