（机械电子工程专业论文）凸轮轴磨削数控技术的研究.pdf

大连理二 大学硕士学位论文 摘要 国内广泛使用摇摆式凸轮轴靠模磨床加工凸轮轴工件，其采用的靠模仿形加工方法 存在加工精度低、靠模加工困难、工序复杂等缺点。为了提高产品的竞争力满足新产 品发展的要求，提出了对摇摆式凸轮轴磨床进行数控化改造的技术方案，并进行了凸轮 轴数控磨削加- f 系统及仿真系统的研制。通过研究凸轮轴廓形型线磨削的包络加工原 理，建立了凸轮轴数控磨削两轴联动几何关系数学模型和以凸轮矢角。为参变量的变转 速数学模型。分析了砂轮半径r 偏差、主轴旋转控制角中偏差及摇架摆杆控制角1 1 偏差 对凸轮轴制造误差的影响。解决了工件交转速控制，砂轮半径磨损补偿，多约束凸轮型 线插补算法，w i n d o w s 操作系统平台下硬件实时钟中断的实现，数字伺服的位置控制及 相关电路的实现等关键性问题。凸轮轴数据库的开发和建立，解决了凸轮轴廓形结构特 征数据管理繁琐且容易出错的问题。通过仿真试验以及仿真结果的分析，确定了实施数 控系统改造的关键数据。运用凸轮插补计算与伺服控制相分离、双缓冲区前后台实时通 讯的技术，虚拟设备驱动程序( v x d ) 技术，进行了凸轮轴数控磨削系统的软硬件结构 开发，实现了凸轮轴磨削的数字化控制。 最后通过两轴控制驱动实验表明，凸轮轴数控化磨削改造方案正确可行，系统运行 正常，实时钟中断能够满足插补、位置控制的实时性要求，工作状况良好，适于进行摇 摆式凸轮轴靠模磨床的数控化改造。 关键词：凸轮轴；磨削；数控；仿真 凸轮轴磨削数控技术的研究 s t u d y o nc n c t e c h n o l o g y f o rc a m s h a f t g r i n d i n g a b s t r a c t s w i n g - b e a mc a m s h a f t sg r i n d i n gi sg e r a i l yu s e df o rc a m s h a f tm a n u f a c t u r i n ga n dt h e m e t h o do f p r o f i l em o d e l i n gh a sb e e np r o v e d t ob ew e a ki nm a n u f a c t u r i n gi nm a n y a s p e c t s s u c ha sl o w - p r e c i s i o n , d i f f i c u l t yi np r o f i l em o d e l i n gm a n u f a c t u r i n ga n dc o m p l e xp r o c e d u r e ， e t c i no r d e rt oi m p r o v et h ec o m p e t i t i v ea b i l i t ya n dm e e tt h ef l e wr e q u i r e m e n t so f t h e p r o d u c t ， a n i m p r o v e d n e ws c h e m ef o rn c g r i n d e rf o rc a m - s h a f tp r o c e s s i n g i sp r o p o s e d ，t h er e s e a r c ho f t h ec a m s h a f t sg r m d i n gs y s t e mo f n cg r i n d e r ，t h e r e f o r e ，h a sb e e nc a r r i e do u ta n d as i m u l a t i o n s y s t e m h a sa l s ob e e n a c c o m p l i s h e d n d s t h e s i sd e s c r i b e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r k o ft h i ss y s t e m ，姆r i z e da sf o l l o w s ：( 1 ) g e o m e t r i ca n dk i n e m a t i c a lm o d e l i n ga sw e l la s s h t i b l a t i o no ft h e2 - a x i s g r i n d e r a r e i m p l e m e n t e d ，p r o v i d i n g n e c e s s a r y d a t af o rt h e d e v e l o p m e n to ft h es y s t e m ；( 2 ) b a s e do nt h ee n v e l o p et h e o r yo f t h ec a mp r o f i l e ，s p e e d v a r i a t i o n c o n t r o l ，c o m p e n s a t i o no f 蓼抽d i n gw h e e l ，a n d m u l t i - c o n m x 血e di n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m a r ep r o p o s e d ；( 3 ) an u m b e ro ff a c t o r s i n f l u e n c i n g t h ec a m - s h a rp r e c i s i o na r e a n a l y z e d i n c l u d i n gd e v i a t i o no f 雠c o n t r o l l i n ga n g l e s o f t h e s p i n d l e a n dt h a to f t h er o c k - a r m ； h 1c i r c m t sf o rs e r v o c o n t r o la n dp o s i t i o n c o n t r o la r ei m p l e m e n t e d ，w i t hr e a l - t i m eh a r d w a r e i n t e r r u p ti n1 l 砖w 缅d o w se n v i r o n m e n t ；( 5 ) t oa d m i n i s t r a t et h ed a t ao f t h ec a m - s h a f tp r o f i l e f e a t u r e se f f e c t i v e l y ，d a t a b a s ei sa c c o m p l i s h e d ；( 6 ) n u m e r i cc o n t r o lo f t h e c a m s h a f tg r i n d e ri s i m p l e m e n t e db yu s i n gc 锄i n t e r p o l a t i o nc o m p u t a t i o n ，p h a s es e p a r a t e d s e r v o - c o n t r o l ，f r o n t - a n d - b a c ks t a g er e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n , a n d v i r t u a ld e v i c e d r i v i n gt e c h n i q u e c o n n o la n d d r i v i n ge x p e r i m e n t d e m o u s t m t e st h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo f c a m s h a f t g r i n d e rs y s t e md e s i g n e d i t i sf e a s i b l ef o rm em o d e r n i z a t i o no f t h i sk i n d o f m a c h i n e k e yw o r d s ：c a m s h a f t s ；g r i n d i n g ；n u m e r i c c o n t r o l ；s i m u l a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景 凸轮轴是高速精密传动机构的核心部件，是柴油机、汽油机等机械产品中大量使用 的关键部件。其凸轮轮廓加工质量直接影响设备的使用性能。 目前凸轮轴的磨削加工方法主要有三种：靠模仿形加工，n c 控制的靠模磨削加 工，c n c 控制的无靠模磨削如工。靠模仿形加工与n c 控制的靠模磨削加工及c n c 控制 的无靠模磨削加工相比，具有磨床结构简单，工作可靠，适用于大批量的工业生产，企 业投资低等优势。国内众多机械制造企业如机床厂、油泵油嘴厂、机车厂等企业，由于 受技术水平、设备条件及资金等条件的限制，普遍采用靠模凸轮磨床完成凸轮型线的磨 削加工。这种采用靠模仿型磨削加工，人工修研加工凸轮的传统方法存在着以下加工质 量问题和缺陷： 1 产品质量不高。由于工件恒速旋转，凸轮轮廓表面各点的磨削速度变化较大，造 成较大的磨削升程误差、波纹和烧伤等表面缺陷。 2 产品改型时，需重新设计、制造靠模，不但需反复修正靠模，并且靠模的安装和 调整十分困难，造成生产准备周期长，柔性差；并且靠模制造精度、安装误差、磨削过 程中的磨损直接影响工件加工精度。 3 当砂轮磨损后，凸轮的升程值随砂轮的直径变化而变化，产生误差。 4 工人劳动强度大。 这些因素使设备利用率下降，生产成本提高，企业不能快速地响应市场，严重地影 响工厂的经济效益。可见采用靠模仿形磨削的加工工艺已不能适应市场变化对产品质量 和加工周期的要求。 随着生产的发展和工艺水平的提高，数控设备在汽车、机械、国防等行业中应用范 围越来越广泛。数控机床的使用，圆满地解决了生产效率与灵活性之间的矛盾，实现了 自动化生产，为产品更新提供了非常方便的手段 1 。 采用数控技术代替传统的靠模技术，开发一种适合凸轮轴加工的全数控磨床已成必 然趋势。从我国的情况来看，国内汽车、拖拉机、轴承、工具、航空、机床等行业迫切 需求更高精度、更高效率的数控凸轮、凸轮轴磨削机床。反观国外，工业发达国家逐渐 应用数控凸轮轴磨床来满足生产要求。数控凸轮轴磨床生产率高，加工精度高，能消除 凸轮轴磨削数控技术的研究 加工裂痕和烧伤现象，质量稳定，废品率明显下降。但由于目前仅有少数几个国家掌握 这项技术，故机床售价昂贵，国内企业般无法承受。 因此，有必要从我国目前的经济实力出发，立足于我国现有的制造生产水平，针对 现有广泛使用的靠模凸轮轴磨床进行数控化改造，通过对国外先进数控凸轮轴磨削设备 加以研究，吸收其先进的设计经验，研制出我国自己的数控凸轮轴磨床，重点是凸轮轴 磨床数控系统，以满足国民经济发展的需要。本课题正是在这种背景下提出来的，并被 列为大连市科技攻关计划项目之一。 1 2 凸轮轴数控磨削的方式 基于汽车发动机对高功率，高反应速度和低燃料消耗的要求，凸轮轴廓形曲线要求 改为图1 1 所示的切线形或凸线形，同时要求升程越来越大、凸轮廓形更为精确。 o o 1 切线凸轮 2 凸面凸轮 图1 1 凸轮廓形的变化 f i g i 1 c h a n g eo ft h ec p r o f i l e 传统的靠模仿型磨削加工方法已无法满足新产品发展的要求。因此，世界各国的机 床设计者和凸轮轴加工工艺人员对影响凸轮加工质量和效率各方面的因素进行广泛的研 究和探索，开发出了数控凸轮轴磨床。 1 2 1n o 控制的靠模凸轮轴磨床 n c 控制的靠模凸轮轴磨床，凸轮轮廓的成形仍为机械靠模式，但其它运动为数字 程序控制。一般采用工件变转速磨削、双靠模仿形、杯形金刚石滚轮连续修整工艺，从 而降低了凸轮磨削的升程误差和表面粗糙度，提高了生产效率。 1 工件变转速磨削的实现 2 大连理工大学硕士学位论文 凸轮磨削的过程中，由于凸轮的特殊形状，使得非基圆型线上磨削点的线速度，在 各点都不相等。在磨削点的线速度大的部位，金属切除率大，使得该部位产生的磨削 热、磨削力、磨削变形均大于金属切除率小的部位，形成过多金属残留，影响加工质 量。磨削点的线速度的变化是造成工件误差的主要原因之，要想消除磨削点线速度变 化造成的工件误差，必须在磨削过程中控制工件的转速，使磨削点的线速度成为一恒量 或分区段成为恒量。根据普通凸轮轴磨床的磨削特性及误差产生规律，分段地改变凸轮 表面磨削点的线速度，使凸轮表面各磨削点的线速度变化较小，达至q 降低磨削升程误差 的目的。 2 激靠模仿形 凸轮轴磨床磨削凸轮时，砂轮直径的大小会影响凸轮的升程曲线的精度。采用双 靠模仿形磨削，在整个砂轮使用范围内使用两套靠模，首先使用靠模1 ，进行仿形磨 削：当砂轮半径减小至一定范围时，采用靠模2 进行仿形磨削。这样，因为砂轮直径变 化对凸轮升程误差的影响比普通单靠模凸轮轴磨床所产生的凸轮升程误差要小倍多。 3 砂轮连续修整工艺 位于砂轮上方的杯形金刚石滚轮由交流电机驱动旋转，迸给由n c 控制，步迸电机 执行。在加工过程中进行砂轮修整，可以将加工时间大大缩短，由n c 控制砂轮进给、 修整和补偿，使得磨削中砂轮始终里露出锐利的切削刃，使得凸轮表面粗糙度降低并保 持一致。同时，凸轮轴表面烧伤及波纹等问题可得到有效地控制。 4 工作台摇架采用双弹簧结构 在粗磨时双弹簧张紧，糟磨和无火花磨时其中一根弹簧自动卸荷，以提高凸轮的仿 形精度。此外，用多个三点闭式结构的中心架作辅助支承以提高凸轮轴的刚性。 l r 2 2c n c 控制的凸轮轴磨床 c n c 控制的无靠模凸轮轴磨床，采用计算机自动编程的方式，在输入模块中采用人 机对话的形式，输入凸轮轴种类、凸轮几何参数、加工工艺参数等相关数据。系统自动 完成凸轮廓形曲线方程的样条拟合及升程列表点的插值密化工作。通过数控装置和伺服 控制系统，完成磨削加工。系统内可存储几十种凸轮加工数据以供随时调用。目前采用 的c n c 控制的凸轮轮廓形成运动形式，主要有三种： 1 采用与传统凸轮轴靠模磨削机床相似的摇摆运动方式，产生凸轮廓形。 工件安装在摇架机构上，摇架机构豹摇摆运动，由伺服电机通过滚珠丝杠带动产 生，凸轮廓形由摆动( b 轴) 和工件主轴旋转( c 轴) ，两轴联动产生。如图1 2 所示。 3 一 凸轮轴磨削数控技术的研究 图1 2 摇摆法加工凸轮轴示意图 f i g i 2 s k e t c ho f 刚喈b e mc a m s h a f t s 鲥r i d i n g 图i 3 坐标联动法加工凸轮轴示意图 f i g 1 3 s k e t c ho f c o o r d i n a t el i n k a g ec a m s h a f t sm i n d i n g 2 工件旋转( c 轴) 与砂轮往复进给( x 轴) ，坐标联动的运动方式，见图1 3 。 3 工件主轴旋转( c 轴) 与砂轮水平移动( x 轴) ，上下移动( y 轴) ，三坐标联动的切点 跟踪法。此法加工精度高，且可加工凹形凸轮，但结构比较复杂。 c n c 控制的凸轮轴磨床除了具有n c 控制磨床的工件变转速、砂轮高速磨削及金剐 石滚轮连续修整工艺等特性外，还有以下性能： 1 c n c 程序控制仿形加工，不再需要设计和制造靠模，因而机床具有较好的柔性， 可满足产品改进、换型以及多品种生产的需要。 2 砂轮采用自动平衡装置，当砂轮磨损后，自动进行加工程序的修正，减小凸轮升 程误差。 3 机床操作者可根据所加工凸轮轴的检测结果，修改机床加工程序以保证升程误差 在允差范围内。 1 _ 3 国内外凸轮轴数控磨削设备介绍 1 3 1 国外c n c 凸轮轴磨床发展简述 在汽车、内燃机行业中，凸轮轴磨削加工随着数控技术的应用与发展将日趋高技 术。世界各国的机床设计研究者和凸轮轴加工工艺人员对影响凸轮的加工质量和效率方 面的因素进行了广泛的研究和探索。特别是八十年代以来，数控技术在磨床上的广泛应 用，推动了“无母凸轮式”凸轮磨床的发展。国外许多机床厂和研究单位相继研制和开 发了c n c 控制的无靠模凸轮轴数控磨床 2 。 在国外，尤其是发达国家如德国、美国、日本和英国在c n c 控制的无靠模凸轮轴磨 削方面的研究迅速发展。这一时期典型的机型见表1 1 。 4 大连理工大学硕士学位论文 表1 1 凸轮轴c n c 磨床产品 英国 b u t l e rn e w a ll 公司c a m t r o n i c 型c n c 磨床 日本水口制作所l g c 一6 0 0 型c n c 磨床 日本n i p p e i 公司3 l 型c n c 磨床 德国s c h a u d t 公司c f 5 型c n c 磨床 德国f o r t u n a 公司f n 3 型c n c 磨床 德国f o r t u n a 公司f n 3c n c 凸轮轴磨床的最大顶尖距可达1 0 0 0 m m ，最大工件直径达 到中2 0 0 m m 。c n c 系统控制三轴运动，分别为工件回转( c 轴) 、砂轮架进给运动( x 轴) 和工件轴向移动( z 轴) 。凸轮廓型由c x 复合运动产生；砂轮架滑台采用预加载的滚子 导轨和滚珠丝杠，进给运动由伺服电机驱动，速度为0 o l 1 0 0 0 0 m m m i n ，分辨率为 0 0 0 0 2 腓n 。工件以不同的速度旋转，在整个凸轮轮廓上切削量几乎不变，当转速高于 8 0 0 r m i n 时，通过备用回路进行循环润滑。砂轮线速度为3 0 m s 、4 5 m s 、6 0 m s ，由频 率发生器保挣叵速，具有自动修整、自动平衡、自动补偿功b p _ , e 3 。 加工时，首先在编程计算机上运行f o r t u n a 凸轮软件f m 4 ，采用菜单应答方式人机对 话，输入凸轮种类、升程、加工余量、各凸轮夹角、位置等凸轮轴有关数据，由计算机 自动编程，存储在软盘上。然后将加工程序转入c n c 控制系统，进行加工。磨削微型汽 车二缸发动机凸轮轴技术指标如下： r a ：0 2 o 3 um ： 升程偏差变动量：0 0 0 2 5 m m 1 。； 升程偏差： 加工时间： 0 0 2 m ； 2 8 食| 侮， 日本水口制作所开发的l g c 一6 0 0 型联机c n c 控制凸轮轴磨床，通过主计算机控制两 套数控装置进行磨削，分别控制砂轮架的往复进给运动( x i 轴) 、主轴( c 轴) 、工作 台横移( z 轴) 、砂轮的切入运动( x 2 轴) 。该机床在结构上把砂轮架的往复进给运动 ( x i 轴) 与砂轮的切入运动( x 2 轴) 分开。主要考虑到使用一个电机控制，当工件和砂 轮的直径变化范围较大时，砂轮架的运动行程增大，砂轮架驱动丝杠较长，刚性下降， 在高速运动中砂轮架的响应变差，造成凸轮廓形精度下降。采用分离结构对于砂轮架的 往复进给运动使用高响应伺服机构和短行程、刚性好的大直径丝杠，与静压导轨相结 合，使砂轮架的随动性好。砂轮切入运动用一套数控系统控制，其余三轴使用另一套数 控系统，这样凸轮轮廓运动轨迹控制与由磨削条件所决定的切入控制完全分离，便于生 成数控m i 程序。 5 凸轮轴磨削数控技术的研究 英国n a n d e s 公司的c n c 凸轮轴磨床的砂轮纵向往复进给运动( x 轴) 、工件回转运 动( c 轴) 、工作台横向移动( z 轴) 都由数控控制。砂轮架在x 轴的进给采用无爬行的 预紧滚珠导轨，工作台z 轴的横移采用表面涂塑料的导轨，同时采用精密滚珠丝杠及高 分辨率的位移测量装复，使得x 轴和z 轴导轨获得很高的位置精度和重复精度，以及高 刚性、低摩擦系数、良好的减震性能。各轴驱动采用直流伺服电机，频率发生器能在砂 轮直径变化时保持圆周速度不变。该机床具有多处理机数控系统，包括c n c 控制系统、 可编程控制器p l c 、群控系统d n c 连接装置。软件完成计算、加工程序生成，并在砂轮半 径每减小5 m m 时对加工程序自动修正。c n c 系统完成数据运算、信号处理、加工控制及通 讯。该机床加工一根四缸凸轮轴需六分钟。 上述磨床集精密、柔性、高效于一身，使凸轮轴磨削加工提高到一个新水平。 1 3 2 国内c n c 凸轮轴磨床发展简述 在国外凸轮轴磨削技术的研究飞速发展的同一时期，国内一些机床厂和研究单位， 对数控凸轮轴磨床与磨削进行了研究和探索，并取得了一定的成果。 湖南大学机电工厂1 9 8 0 年研制出简易数控凸轮轴磨床m x b s 8 3 1 2 。与合作单位进行 了冷激合金铸铁的凸轮轴磨削试验( 砂轮线速度6 0 m s ) ，主要指标如下： 1 在直径余量为3 3 5 m 的情况下，磨一根凸轮轴( 1 2 片凸轮和1 片偏心轮) 机 动时间为6 6 5 h 。 2 表面粗糙度r a 可达1 6um ，磨削振纹不明显。 3 基圆尺寸公差可控制在0 1 5 m m 以内。 1 9 8 4 年该厂与一汽合作，研制成功数控双靠模凸轮轴磨床m k s 8 3 1 2 提高了国产凸 轮轴磨床加工精度，接近8 0 年代国外同类产品水平。主要特点如下： 1 采用四坐标运动( 工件转动、工作台移动、砂轮架进给、修整器修整与补偿) ， 交流伺服系统实现了工件四点恒线速磨削。 2 采用金刚石滚轮修整和双循环磨削新工艺。 3 减小顶尖中心至摇架台面中心距离，使摇架的摆动惯量得以减小。 4 床身台面导轨和砂轮进给导轨采用贴塑导轨，提高了导轨的耐磨性和抗震性。 江苏省计算机技术研究所和镇江船用柴油机厂研制的微机数控系统采用0 4 0 0 0 a 微 机通过伺服系统控制三个步进电机，驱动头架旋转、砂轮进退、工件位移，用于加工带 凹弧的凸轮轴。但是该机床对零点、砂轮修整均靠人工完成，效率低，加工一根三缸凸 轮轴约需7 8 h ，并且只适用于船用柴油机凸轮轴的加工。 6 大连理工大学硕士学位论文 陕西汉江螺纹磨床研究所研制出三坐标联动的切点跟踪法磨削凸轮轴，采用t p 8 6 一 a 型1 6 位单板机并配键盘输入的显示器，使用三坐标的环形分配器分别控制步进电机 的经济型数控系统。原理上具有独创性，这种方法磨削点使凸轮和砂轮相切的一点，当 砂轮直径发生变化时，其磨削点不发生变化，所以砂轮直径变化不影响其中心运动轨 迹。但是磨削凸轮的轮廓和尺寸精度受到限制，效率也较低。 二汽技术装备部于1 9 9 0 年在利用湖南大学机电工厂生产的m x b s 8 3 1 2 简易数控凸轮 轴磨床的基础上，对机械部分作部分改造，对数控系统重新设计。系统采用了计算机两 级控制方式，上位微机( c p u8 0 8 8 + 8 0 8 7 ) 实现对凸轮型线数学模型的计算机处理以及 数据的交换，并且对各自含有下位微机m c s - 5 1 单片微处理机的伺服电机控制系统和步 进电机控制系统进行控制，实现了c n c 控制的无靠磨凸轮轴磨削，用于新产品的开发和 试验的凸轮轴磨削。该机床的工件最高转速仅3 r 向i n ，磨削控制精度5 p i l l ，升程偏 差为0 o l m 左右，加工一件六缸凸轮轴约需4 5 h 。 国内c n c 控制凸轮轴磨床的研究开发进展缓慢，与国外的差距较大。一般都存在着 效率低、通用性差以及精度受限等问题，仅能用于单件小批量的生产，不能满足汽车、 内燃机等行业生产发展的需要。 1 3 3 凸轮轴数控磨削设备的最新进展 在1 9 9 5 年的中国国际机床展览会上。国外厂商为适应中国汽车工业发展的需求， 有目的地展出了多种凸轮轴磨床产品，如德国的j u n k e r 公司、意大利的s a i m p 公司、 n s k o p p 公司、日本的n i p p e i 公司、南斯拉夫的k i k i n d a 公司。 其中j u n k e r 公司展出了最新开发的j u c a m s 0 0 2 型高速凸轮轴磨床，它采用了几项 专利技术引起广泛关注。专利之一，采用立方氮化硼( c b n ) 梳形砂轮，使得砂轮与工件 的接触长度减少，同时改善冷却状况 4 。使机床在高速运动下不仅可切入磨削，也可 进行左右摆动磨削，即“点磨法”，可以磨削各种不同的凸轮轴轮廓，这种新的磨削 方法更经济，效率、精度更高。第二项专利是：砂轮轴和工件轴采用了带三点夹紧的 j u k k o m e t 主轴，具有刚性好，精度高的优点。该机床在磨削一根六缸凸轮轴时，工件 最高转速可达3 0 0 0 0 r m i n ，砂轮线速度1 2 5 m s ，只需一分钟即可完成n i 。其数控装 置是与f a n u c 共同研制的，可提供高度灵活的软硬件，理想的半自动和全自动上下料系 统，它是当代高水平凸轮轴磨床的代表。 在该展览会上，同时还展出了长春第一机床厂生产的m k 8 3 2 0 数控凸轮轴磨床、 上海机床厂采用美国l a n d i s 技术生产的3 l 数控凸轮轴磨床。 一7 凸轮轴磨削数控技术的研究 综合起来，国内外凸轮轴数控磨削技术的发展趋势是 5 ，6 ： 1 采用基于i p c 的c n c 控制 2 利用计算机图形、图象技术，进行动态仿真 3 采用c b n ( 立方氮化硼) 砂轮，进行高速磨削 4 。采用新的设计、工艺手段保证高速加工的进行 1 4 论文的主要工作 本课题是大连市科技计划项目凸轮轴型线数控磨削加工技术研究的一部分， 针对传统的靠模凸轮、凸轮轴加工方法存在的模型2 n t 困难、加工精度低、工序复 杂，以及不能满足新产品发展的要求等缺点，对摇摆式靠模凸轮轴磨床加工盘形凸轮 轴的磨削机理、磨削加工过程进行了研究；通过生产实际调研，确定了摇摆式凸轮轴 磨床数控化加工的机械结构改造方案；建立了两轴联动的运动关系数学模型，设计了 相应的插补算法和仿真算法；并以工业p c 作为数控系统的控制核心，采用全数字交流 伺服系统作为驱动装置，构建了凸轮轴数控磨削系统的硬件结构平台：以w i n d o w s 操 作系统作为凸轮轴数控磨削系统的软件支撑平台，开发出了一套凸轮轴数控磨削系统 软件，基本上完成了传统的靠模凸轮轴磨床的数控化改造工作；最后进行了数控系统 的调试，并进行了相关的实验验证。 以上为作者所做的主要工作，本论文将从以下几个方面进行阐述： 1 摇摆式凸轮轴数控磨削系统的总体方案研究，包括靠模磨床的结构改造方案及 轮廓磨削运动的实现，两轴联动运动关系数学模型的建立与插补算法的研究，系统的 软、硬件结构组成及其特点。 2 凸轮轴磨削数字化控制技术研究，包括基于i p c 的开放式数控系统的特点，伺 服系统的选择与闭环位置控制方式。全数字交流伺服的控制技术与接口电路，驱动脉 冲的产生与控制技术研究、脉冲个数的补偿与圆整，内置p l c 实现机床的顺序动作控 制，前后台结构的数控软件，w i n d o w s 操作系统下实时中断的实现。 3 凸轮轴相关特征数据的描述即相应数据库的设计实现及管理。通过对凸轮的数 控插补算法和加工误差仿真算法的研究，开发了凸轮轴数控磨削过程仿真系统。 4 伺服驱动的准确性与可靠性的实验验证。 8 一 大连理： 大学硕士学位论文 2 摇摆式凸轮轴靠模磨床数控化总体方案 汉江机床厂生产的m b 8 3 1 2 型半自动摇摆式凸轮轴靠模磨床是生产专供汽车、拖拉 机、内燃机等所使用的凸轮轴。该机床具有自动磨削循环，砂轮架进给、退回，工作台 横移，头架分度均自动完成，能将凸轮轴上所有凸轮循序磨出。该磨床装有砂轮修整 器，能自动进刀与补偿；附带反靠装置，用于加工工作靠模 7 】。机床的结构简图见图 2 1 ，主要规格与参数见表2 1 。 1 主轴屯机2 靠模3 ，主轴夹盘4 砂轮架6 摇架7 尾架8 导轮 图2 1m b 8 3 1 2 凸轮轴磨床简图 f i g 2 1 s k e t c ho fm b 8 3 1 2c a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n e 表2 1 磨床的规格与主要参数 t a b 2 1 s t a n d a r da n dm a i np a r a m e t e ro fg r i n d i n gm a c h i n e s 磨削直径范围 曲2 0 仍1 2 0 最大提升量 1 5m 皿 最大磨削长度 1 0 0 0h i m 中心高 9 7 5m m 头架主轴转速 51 02 03 0 4 06 0r m i n 最大口6 0 0 x ( 2 0 3 2 ) 曲3 0 5 砂轮尺寸 最小 i z l5 0 0 x ( 2 0 3 2 ) x 口3 0 5 手轮每格进给量 0 0 0 5m m 当主轴回转时，同轴安装的靠模、工件一起作等速回转。在弹簧拉力的作用下，固 定安装的导轮与靠模始终保持接触，靠模回转时由于受到导轮的作用同时作摇摆运动， 9 - 凸轮轴磨削数控技术的研究 带动摇架一起摆动。这样安装在摇架上的工件同时作回转和摇摆运动，于是砂轮依次占 据凸轮廓型曲线的包络位置，从而完成凸轮廓型的磨削。 对于m b 8 3 1 2 摇摆式凸轮轴靠模磨床的数控化改造，凸轮廓型的砂轮包络磨削可以 采用两种运动方式： 1 采用与靠模机床相同的摇摆运动形式，工件在回转的同时作摇摆运动，数控系统 控制主轴和摇架两轴联动； 2 采用主轴回转和砂轮往复进退的坐标联动的方式，数控系统控制主轴回转和砂轮 架的直线往复运动，目前国内外生产的凸轮轴c n c 磨床普遍采用这种运动方式。 从运动控制来看，坐标联动的方式较之予摇摆式更容易实现，并且其运动数学模型 也比较简单。但是该方式机床的结构要做很大的改动，原机床的床头箱、砂轮架、摇架 和安装其上的尾架都要拆除，并且重新设计安装尾架，液压、冷却和润滑都要重新设 计。这样设备改造的投资加大，也造成很大的浪费。而采用摇摆式，机床结构无需改 动，只要增加产生摇摆运动的滚珠丝杠和滑动机构即可，主轴电机安装在床头箱内的摇 架上，原有液压、冷却和润滑都保留使用，节约了改造资金，性能价格比较高。 鉴于以上原因，本论文采用摇摆联动控制方式对原机床进行数控化改造。数控磨床 是机、电、液一体的机床，各部分相互配合，完成加工循环动作。根据其结构和功能可 以划分为二部分：机械结构部分和数控系统部分。 2 1 机械结构设计与研究 采用c n c 控制磨削凸轮轴时，机械结构是影响加工精度的关键因素，因此在数控化 的改造过程中，采用合理机械结构就显得尤为重要。 在对机床进行数控化的实际改造过程中，本着节约资金、对原机床改动量尽量少的 原则，结合原机床的实际特点，论文提出了两种改造方案 8 ，9 ，其结构示意图如图 2 2 和图2 3 。 在方案一和方案二的结构中，凸轮轴磨削的廓形创成运动都是由装于摇架上的主轴 电机带动工件旋转和摇架机构的摇摆运动复合产生。 方案一结构中，滑块5 可沿摇杆7 方向自由运动，连杆4 两端都安装有滚动副，丝 杠两端固定。当电机1 带动滚珠丝杠旋转时，丝杠螺母3 作沿丝杠主轴方向的往复运 动。通过螺母3 上的滚动副和滑块5 上的滚动副，带动滑块5 沿摇杆上下运动，从而实 现摇杆的来回摆动。 - 1 0 大连理工大学硕士学位论文 方案二结构中，套筒4 可沿滚动导轨自由运动，当电机1 带动滚珠丝杠旋转时，丝 杠螺母3 带动套筒4 作沿丝杠主轴方向的往复运动。通过套筒4 推动滚动轴承5 ，实现 摇杆的来回摆动。 下面是两种机械结构改造方案的比较： 图2 2 机械结构方案一 f i g 2 2 m e c h a n i c a l s t r u c t u r es c h e m en o 1 卜摇架电机2 一演珠丝杠 4 一套筒5 一轴承6 一凸轮工 图2 3 机械结构方案二 f i g 2 3 m e c h a n i c a l s t r u c t u r es c h e m en o 2 ，、一 。 、 凸轮轴磨自q 数控技术的研究 1 结构方面的比较 方案一的实施，螺母和滑块机构安在床头箱内，必需在原机床的床头箱两端为滚珠 丝杠提供支撑，除安装、调整不便进行外，机床的改动比较大，实施比较困难。 方案二中，在床头箱的外侧安装一个底板，滚珠丝杠及滑块安在底板上，原有的机 床机构几乎不必做改动，且原有的弹簧和支架完全可以保留使用。 2 误差的分析比较 方案中主要存在的误差环节有丝杠螺距误差、摇杆支承滚动副误差、丝杠螺 母上的滚动副误差、摇杆滑块与摇杆的间隙、滑块上滚动副误差、连杆的几何变形 等。这些误差均能传递到凸轮轴廓形型线加工精度上来； 方案二中主要存在的误差环节有丝杠螺距误差、摆杆支承滚动副误差和摇杆顶 端轴承滚动副误差，较之方案i 误差环节要少的多，而且摇杆顶端滚动副产生的误 差容易克服。 3 受力状况 方案中，受凸轮轴磨削力及摇杆的往复运动的影响，使连杆4 受到往复变化 的动载荷，致使连杆产生不规则的几何变形。同时，滚珠丝杠除了受到轴向力之 外，也受到径向力的作用使滚珠丝杠产生连续不规则的几何变形( 上下挠动) ，这 不但影响凸轮轴加工精度，而且容易减低滚珠丝杠的工作寿命。 方案- e ，在磨削力作用下，空心套筒顶端面一直只受到垂直于套筒顶端面的 作用力，套筒顶端面不易变形，滚珠丝杠也只受到轴向力的作用，尽管丝杠一端处 于悬空状态，但由于丝杠另一端有滚动导轨支撑，而且螺母在丝杠上的滑动行程较 短，实际丝杠总长也较短，轴向变形很小，较之方案1 加工精度更容易保证，滚珠 丝杠的寿命也大大延长。 通过两种方案的比较分析，在结构改造、误差环节、受力状况方面进行比较表明， 方案二比方案一有明显的优越性。本课题选择了方案二的机床结构改造方案。 2 2 摇摆式凸轮轴磨削机理数学建模 传统靠模仿型凸轮轴磨削是等速旋转的，而凸轮形状是一个非圆形的轮廓，因此， 磨削时凸轮表面上( 除基圆外) 与砂轮相接触点的移动速度( 简称为磨削点线速度) 是 不均匀的。凸轮轴的磨削实质上是控制主轴转角主轴转角卿摇杆摆角曲q 加工过程， 由图2 4 表示了磨削机理的几何关系。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 为提高凸轮型面的磨削质量，改变磨削过程中的工件转速来实现磨削点的恒线速磨 削，是一种行之有效的技术途径。以下讨论了一种实现凸轮轴变转速精密磨削的分析方 法，建立了以凸轮矢角口为参变量的数学模型 1 0 。 。卜潦t jl p fj 。、斗，71 n 。兰 b 二：二二j 上 图2 。4 为摇摆式凸轮轴磨削原理图。4 为砂轮中心，口为凸轮基圆中心，口为摇架 中心，取摇架中心口为坐标原点，研石e 为工件动坐标系。o 踢与z 轴的夹角以濠 示，工件动坐标系的转动角以婊示，工件曲线的参量以口表示。设砂轮半径为尼摆 杆长为厶砂轮中心a 的定坐标为a ( a ，助，b 为凸轮和砂轮的磨削接触点。加工过程 中口点的坐标为o j ( x o j ，肋) 。设凸轮型线方程为以凸轮矢角口为参变量的参数方程： 摩端 形线参数方程在占点的导数为 y l 。= y ：( 印x ：( 口) 由微分概念可知。曲线在某点的法线斜率为： 所以 t g ( 五) = - i y i 口 留 ) = 一x ：( 臼) 一( 曰) - 1 3 凸轮轴磨削数控技术的研究 式中x 为口点法线d - r l 的斜角。 当砂轮外圆与凸轮在b 点相切时，砂轮轴中心爿必然位于占点法线n i l 上，所以刀 具中心a 点坐标的轨迹方程为： 式中 f x i ( 护) = x i ( 目) + r c o s ( ；o 【h ( 口) = m ( 口) + r s i n ( z ) c o s 。丽嘏丽s i n 2 丽斋赢 综上得刀具轴中心a 关于参变量口的轨迹参数方程组 式中 葺一(目)2而(口)+月了盂ifl翥l耘i、l 【，川tl ，、l ，j 脚渤础丽糯 工：( 0 ) = d x ，( o ) d o y ：( 0 ) = d y l ( o ) d o ( 2 ) 工件的动坐标0 ，石e 与定坐标口r 的坐标转换关系为： ； = ；三 + ：；- 。s 。i 。n 妒o 。 y x l 。 ( 3 ) 由式( 2 ) 知一点的动坐标为a ( x ，y 。 ) ，而其定坐标为a ( a ，功，可得： 口一lc o s ( 妒) 2x c o s ( p ) 一y l s i n ( p ( 4 ) ib ls i n ( y ) = z l s i n ( 9 ) + y 1 月c o s ( 9 ) 1 4 大连理工大学硕士学位论文 设 p ? ( p ) = x + y 乙 解方程组( 4 ) 则可得以下结果： s i n ( 妒+ 占) = i l 学 s t n ( 伊+ j + 盯) = 兰曼等 式中 ( 5 ) ( 6 ) j = a r c t g ( a b )盯= a r c t g ( y l d z 1 ) 上述( 5 ) 、( 6 ) 两方程为数控磨削两轴联动几何关系数学模型。 对于任何一种凸轮，其形状函数是一定的，以sf 口j 表示，砂轮磨削到凸轮轮廓 面上的b 点时，磨削点在凸轮表面移动的微小弧长用出表示，则磨削点的线速度 为： = 掣= 警筹塑d t d td 8d 毋 其中嵋的方向沿磨削点口的切线方向。 掣= 丽 其中p 为凸轮轮廓点上的矢径，a p a o 为凸轮轮廓表面各点矢径对矢角目的一阶微 分。 2 警5 丽v b 万d r p 由( 5 ) 式和( 6 ) 式可知： d 妒一p ) 鱼2 产一p 。i 刚+ 心二! ：鲤0 一塑 。d o 一 2 c o s ( 妒+ 艿+ 仃皿向2 p ) d o 1 5 ( 9 ) 凸轮轴磨削数控技术的研究 其中 综上可得： q = 厉丽丽 1 塑：塑堡( 苎4 兰! 2 d 8d 8 蒯訾一h 姚呼叫掣缸 = 厉砑丽n 。 2 c o s ( p + 6 + o 、r p 1 2 华d 9( 1 0 ) 式中是根据实际的磨削状况设定的磨削点线速度。 由( 1 0 ) 、( 1 1 ) 两方程得到了以凸轮矢角8 为参变量的变转速数学模型。 2 3 摇摆式数控磨削系统控制原理及组成 凸轮轴数控磨床的控制系统与机械部分相互配合，由控制系统按照加工程序中所设 定的指令动作顺序，控制机械系统执行相应的动作，完成机床电器设计中的机床逻辑控 制和数控插补运算，按照数据文件中的指令脉冲分配，控制主轴、摆杆的联动 8 ，9 。 按照功能的不同，可以把控制系统划分为机床电气部分和数控系统两部分。机床电 气部分包括强电电路的设计、电源、保护和输出的执行等。数控系统主要由硬件、软件 i 工业强制札c 上i 苴札， 王 li 虻职删 j 己 l 蓐啐a ，o 卡 瓣神卡 l抽入输出咐十啦i 电踌 r i1 。上1 ，l l 光嗝 if 塑l | 维堕堕 嗣i 袅单晃| | 俺l 臣元 图2 5 系统硬件结构框图 f i g , 2 5 s y s t e mc h a r t o f t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n 1 6 一 大连理工大学硕士学位论文 两部分组成。 2 3 1 系统的硬件部分 系统的硬传结构框图如图2 5 所示。硬件部分的控制核心为工业p c 机，用以实现 系统应用软件、硬件驱动软件的开发、伺服驱动信号处理、按钮面板状态信号读入以及 机床侧开关量输入输出信号处理等功能f 11 ，1 2 】。其主要硬件组成为： l 伺服系统 伺服系统接受上位p c 发出的指令脉冲信号，然后并将编码器反馈的实际位置与指 令位置迸行偏差比较，经过放大后的偏差输出驱动电机旋转。 2 脉冲发生器 脉冲发生器按照插补运算能结果，在中断璃期内产生相应频率改脉冲并对脉冲个数 准确计数，发送到伺服系统。脉冲发生器是集成了可编程计数器，定时器8 2 5 4 的专用芯 片，通过上位p c 机设置控制字、分频数和脉冲个数。它的优点是计数利用外部器件， 不占用c p u 的时间，提高了c p u 的利用率。 3 机床侧开关量输入输出信号接口 凸轮轴磨床除主轴旋转、摇杆摆动外，还有砂轮进退等一系列动作。在机床动作过 程中，是有相应的位置开关输入信号、电磁阀和接触嚣输出控制信号来实现的。另外， 还有机床回零开关，及其它一些用于实现逻辑控制或故障诊断控制的信号开关量，因此 需要设计可靠的机床侧开关量输入输出信号接口，开关量输入输出信号经由数字粥i 卡 与高上位机相联系，并通过用软件逻辑来取代原系统中开关量控制的p l c 功能。为了 保证控制系统的可靠性和抗干扰性，采用光耦隔离技术进行隔离同时采用继电器输出 信号来驱动机床逻辑动作，实现强弱电转换及隔离。提高系统稳定性和抗干扰性 1 3 1 a 系统的试验装置见附录a 。 2 3 2 系统的软件部分 在当今的计算机控制领域中，控制软件是否基于w i d o w s 平台已经成为是否具有竞 争力的重要标准之一。目前基于w i n d o w s 平台的相关产品已经占据市场份额的9 0 a 而w i n d o w s 操作系统凭借其出色韵多任务、图形用户接岛( g u i ) 、性自鲁优越的硬件兼 容性以及卓越的3 2 位软件环境等性能已经越来越广泛地被应用于工业控制，成为实现 实时控制的优秀平台 1 4 卜 1 7 凸轮轴磨削数控技术的研究 摇摆式凸轮轴数控磨削系统的软件开发平台为w i n d o w s9 8 操作系统，为了充分利 用3 2 位c p u 和操作系统的处理能力，选择m i c r o s o t tv i s u a lc + + 6