（机械制造及其自动化专业论文）数控凸轮轴磨床变速磨削机理、控制软件及试验研究.pdf

摘要 本论文在介绍所研究的数控凸轮轴磨床的总体结构和数控系统的工作原理等内容的 基础上，通过对已研制的数控凸轮轴磨床试验装置进行了进一步改进，设计安装了尾架顶 尖液压系统，改善了机床的刚度并提高了工件夹紧度，基本满足了进行磨削加工的要求。 其次，建立了基于恒磨除率变速磨削的数学模型。在原有的数控软件基础上，增加了 变速磨削加工设计的d p r a m 采集与显示，编写了基于恒磨除率的变速磨削加工程序，并 在试验装置上继续了调试和加工试验，分析了影响磨削加工质量的因素。 最后，本论文还根据一般数控加工中心的操作规程对本数控凸轮轴磨床的数控系统软 件进行了完善与改进，使其功能不断齐全。对前期工作进行中存在的问题进行了分析和总 结，探讨了下一步研究的方向，为后续的工作提供了借鉴意义。 关键字：数控凸轮轴磨床；变速磨削；恒磨除率；液压项尖 a b s t r a c t t h ep a p e rp r e s e n t e di n t r o d u c e st h ec o n t e n to fr e f e r r a lc e n t e rn u m e r i c a lc o n t r o lc a m s h a f t g r i n d i n gm a c h i n es t r u c t u r ea n dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mo p e r a t i n gp r i n c i p l e s o nt h eb a s i s ，t h e c n cc a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n ew a sd e s i g n e db yr e d e s i g n i n gt h ec y l i n d r i c a lg r i n d i n gm a c h i n e ， i n c l u d i n gt h ed e s i g na n di n s t a l l m e n to f t h eh y d r a u l i cc e n t e ro nt a f l s t o c ko ft h eg r i n d i n gm a c h i n e t h i sh a si m p r o v e dt h er i g i d i t yo ft h ec a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n ea n dt h ec l a m p i n gs t r e n g t h i t m e e t st h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n tb a s i c a l l y s e c o n d l y , t h em a t hm o d e lo fv a r i a b l es p e e dg r i n d i n go fc a m s h a f tw a se s t a b l i s h e db a s e do n c o n s t a n tr e m o v a lr a t e t h em e t h o do fs h o w i n ga n dg a t h e r i n gd a t ab yd p r a ma n dt h es o f t w a r e o fv a r i a b l es p e e dg r i n d i n go fc a m s h a f tb a s e do i lc o n s t a n tr e m o v a lr a t ei sa d d e db a s e do i lt h e f o r m e rs o f t w a r eo ft h ec n cc a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n e t h ec a m s h a f tg r i n d i n ge x p e r i m e n th a s c a r d e do n ，a n dt h er e s u l t sh a sb e e na n a l y z e d f i n a l l y , t h ep a p e rh a sa l s op e r f e c t e da n di m p r o v e dt h ep r o c e s s i n gs o f t w a r eo ft h ec n c c a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n ea c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o n a lp r o c e d u r eo ft h eg e n e r a lc n c m a c h i n i n gc o i l t e r , c o m p l e t e dt h ef u n c t i o no ft h es o f t w a r e t h ec a m s h a f tg r i n d i n ge x p e r i m e n th a s c a r d e do n b ya n a l y z i n gt h er e s u l t s ，t h ep r e v i o u sw o r kh a sp r o v e da n ds u m m a r i z e d ，a n do f f e r e d t h em e a n i n go fu s i n gf o rr e f e r g n c ef o rf o l l o w - u pw o r k k e yw o r d s ：c n cc a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n e ；v a r i a b l e - r o t a t i o n a ls p e e dg r i n d i n g ；c o n s t a n t r e m o v a tr a t eo fg r i n d i n g , h y d r a u l i cc e n t e r 一 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：三称叉震 2 0 0 6 年2 月2 7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：彳毅尾 一 训石年，月廖日 第1 章概述 1 1 课题背景及选题意义”1 汽车工业是世界上许多发达国家的支柱性产业之一。随着我国综合国力的 逐渐增强，我国的汽车工业尤其是轿车工业得到了极大的发展，产品品种增长 迅速、质量稳步上升、国产化程度显著提高。可以说，凸轮轴作为汽车核心部 件发动机的关键元件，其国产化的水平直接关系到整个行业的国产化水平， 也就直接关系到我国汽车行业的发展和市场竞争力“1 。 目前，我国仿形加工、数控加工两种加工方法并存。我国普通的平面凸轮 中小批生产的众多，甚至还存在带凹弧的凸轮，从生产成本和加工精度来说， 这些凸轮采用c n c 数控凸轮磨床磨削是最理想的。 传统的靠模法仿形磨削凸轮存在以下缺陷”1 ： ( 1 ) 恒速旋转，凸轮轮廓表面各点的进给速度变化很大，会造成较大的波纹 和烧伤等表面缺陷； ( 2 ) 产品改进或换型时，需要重新设计和制造母靠模和工作靠模，生产准备 周期长，柔性较差，且靠模精度直接影响工件的磨削精度； ( 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 ) 砂轮线速度低，修正工具和工艺落后，造成机床磨削效率低，影响生产 率的提高。 国外一些工业发达国家从8 0 年代开始，逐渐应用靠模或无靠模数控凸轮轴 磨床来满足生产要求。但是，由于数控凸轮轴磨床技术含量高，目前仅有少数 几个国家能够掌握这项技术，故机床售价昂贵。国内已在研制c n c 数控无靠模 凸轮轴磨床，但要达到一定加工水平并能用于大批量生产，还有很多问题需要 解决。国内已用于生产的这类机床几乎都是进口的，如德国s c h a u d t 、 f d i h u 小a 等厂产品。 因此，有必要研制出我国自己的无靠模数控凸轮轴磨床，重点是凸轮轴磨 床数控系统，以满足国民经济发展的需要。本课题是国家教育部基金项目，其 目的就是跟踪国外凸轮轴磨削技术，从国情出发，深入探索无靠模数控凸轮轴 概述 磨床的国产化技术，充分利用计算机技术和人工智能技术，使数控凸轮轴磨床 的数控系统向智能化、开放化方向上发展，从而达到振兴本国制造工业的目的。 制造业是整个国家的命脉，而智能制造技术是面向2 1 世纪的制造技术，是 整个制造业的发展趋势，目前很多国家已经制定了智能制造技术及系统的发展 研究计划，我国在这方面起步相对比较晚，现在已经在很多关键技术上落后于 其他先进国家，所以着力于发展我国的智能制造技术是当务之急。智能制造技 术是制造技术、自动化技术、系统工程与人工智能等学科相互渗透、相互交织 而形成的一门综合技术，近年来，各国积极开展智能制造的研究开发工作，并 把研究重点放在两个：一是智能制造理论与系统设计技术，主要包括：智能制 造的概念体系、智能制造系统的体系结构、开发环境、设计方法以及各种评价 技术等。二是智能制造技术与系统，包括智能设计、生产经营的智能决策、生 产过程的智能规划、调度与控制、智能质量控制、底层智能制造执行单元以及 实现“智能化孤岛”集成等技术，以及一些面向特定应用的智能制造系统，如 生产经营决策支持系统、智能控制系统、智能机器人、智能数控机床、自动引 导车等。 该课题就是根据我国的国情，利用先进的计算机技术和人工智能技术，结 合模糊控制、自适应控制、神经网络、专家系统等先进理论，探索出数控凸轮 轴磨床的理论模型和智能控制方法，为凸轮轴磨床的国产化打下基础，同时为 进一步探讨智能加工理论实际应用意义提供参考。 1 2 数控凸轮轴磨床及凸轮轴磨削加工的国内外发展状况 在数控机床尤其是在数控凸轮轴磨床方面的研究，国外已经处于领先地位， 国外的数控凸轮轴磨床都具有先进的数控系统及软件，采用闭环、半闭环、开 一半闭环混合控制，伺服电机驱动，多轴联动，自动补偿曲线精度以及砂轮动 平衡等。国外的数控凸轮轴磨床的发展趋势是高精度和高效率。著名的凸轮轴 制造公司有德国的k o p p 公司、j l n 邺m r 公司、s c h a u d t m i k r o s a b w f 公 司以及美国的l a n d i s 公司和日本的n g t 公司等。s c h a u d tm i k r o s a b w f 公司生产的c f 6 1 c b n 数控凸轮轴磨床采用了大小两个砂轮来进行粗加工和精 加工，同时该磨床配备了s i e m e n ss i n u m e r i k8 4 0 c 数控系统和s i e m e n s s i n u m e r i k6 1 1 d 驱动器 5 1 。2 0 0 0 年美国l a n d i s 公司推出了新一代的l t - 1 c n c 凸轮轴磨床，该磨床可以采用直径为3 5 0 r a m 、2 5 0 m m 、1 0 0 m m 或8 0 m m 的c b n 砂轮，在采用直径为3 5 0 r a m 的c b n 砂轮进行磨削加工时，其切削速度达到了 2 2 0 0 m s 。关于j u n k e r 公司j u c a m 5 0 0 2 机床的相关介绍，其相关参数如表1 - i 所示 6 1 。由此可见国外生产的凸轮轴磨床可以采用不同的直径和宽度的c b n 砂 轮进行凸轮轴上不同部位的磨削加工，尤其是采用恒线速和高速磨削加工，极 大提高了凸轮轴的磨削加工精度和加工效率。 表1 - 1j u n k e r 公司j u m c a m 5 0 0 2 机床相关参数 w o r kp i e c ec i r c u m f e r e n t i a ld i a m e t e r ：m mm a x 2 5 0 c l a m p i n gl e n g t h ： i n t o1 1 0 0 c a mc o n t o u r ：p r o g r a m m a b l e c n c c o n t r o l l e da x e s g r i n d i n gw h e e la d v a n c e ：x a x i s t o n g i t u d i n a it a b l em o v e m e n t ：z - a x i s w o r kp i e c er o t a t i o n ：c - a x i s g r i n d i n gw h e e l sg r i n d i n gm e t h o d ：h i g h - s p e e dg r i n d i n g abrasive：cbn g r i n d i n gw h e e l ： o n ew h e e lo ras e to fw h e e l s g r i n d i n gw h e e l ： fm nm a x 4 5 0 g r i n d i n gw h e e lw i d t h ： m l nv a r i a b l e b a l a n c i n g ( o p t i o n ) ： a u t o m a t i c e l e c t r o n i c g r i n d i n gs p i n d l e j u k o m e th i g h s p e e d g r i n d i n gs p i n d l e ： m a x 2 w i t hp a t e n t e d3 - p o i l a t6 x i u s y s t e m d r i v ep o w e r ：v a r i a b l e w b r k h e a dj u k o m e tw o r kp i e c e s p i n d l e ：w i t hp a t e n t e d3 - p o i n t f i x t u r es y s t e m c l a m p i n gc h u n k ：d e p e n d i n go nt h ew o r kp i e c e 隧l s t o c k a x i a l l ya d j u s t a b l e ： f o rs e t t i n gd i f f e r e n tw o r kp i e c e l e n g t h s t a i l s t o o ks l e e v e ：l i v e c l a m p i n gp r e s s u r e ：h y d r a u l i c ，v a r i a b l es e t t i n g 国内的数控凸轮轴磨床的水平和国外的相比差距比较大，尤其是数控技术 与数控系统方面的差距比较大，国内的运动控制卡基本可以实现运动功能的控 制，但是控制的精度不如国外的控制精度高，所以国内一些厂家生产的数控凸 轮轴磨床基本上都是采用的国外的先进的运动控制卡和伺服系统。目前国内厂 家和研究单位采用极坐标成形方式设计凸轮轴磨床，例如上海机床厂引进美国 l a n d i s 技术开发了数控凸轮轴磨床；汉江机床厂开发的m k 8 3 1 2 数控凸轮轴磨 床，其升程偏差在如0 2 r a m ，表面粗糙度r a 0 3 2 u r n ，填补了国内在这一领域内 的空白。湖大海捷制造技术有限公司在2 0 0 0 年成功研制了我国第一台c n c 全 3 数控凸轮轴磨床- - c n c 8 3 1 2 全数控高速凸轮轴磨床，该磨床采用德国西门子公 司8 4 0 c 数控系统和6 1 1 d 数字式交流伺服驱动系统，采用了四点恒速控制实现 恒速磨削，可以自动实现磨削循环和加工任意形状的凸轮轮廓磨削轨迹控制。 该磨床能迅速适应加工对象的变换，大大缩短凸轮生产准备周期，完全解决了 靠模型凸轮轴磨床加工产品更新准备时间长，凸轮轮廓加工精度难以提高的弱 点，目前该产品已经开始实现产业化，并已经设计开发了m x b s 8 3 1 2 a 微机控 制高速强力凸轮轴磨床和m k s 8 3 1 2 数控高速凸轮轴磨床，具体介绍了该公司 的拳头产品m x b s 8 3 1 2 a 微机控制高速强力凸轮轴磨床，表1 2 是其主要参数 介绍 7 1 。北京航空航天大学机电学院的科研组，通过与北京第二机床厂合作， 利用现有的专用数控系统，开发了数控凸轮轴磨床加工软件，取得了一定的成 果。 表1 - 2m x b s 8 3 1 2 a 微机控制高速强力凸轮轴磨床参数 主要技术规格最大可磨削工件长度( 中心距) ：8 5 0 m m 可磨工件直径：2 0 - 1 2 0 m m 工件最大提升量：2 0 m m 工件最大重量：7 0 k g 砂轮架 砂轮尺寸( 夕h 径宽度x ，z 圣) ：6 0 0 x 2 0 4 0 x 3 0 5 n u n 砂轮线速度：印，5 0 m s 砂轮修整最低速度：0 1m r a i n 砂轮自动修整及补偿量：0 0 1 - 0 2 0 m m 头架顶尖锥度：莫氏4 # 主轴转速：8 ，1 2 5 ，1 6 ，2 0 ，2 5 ，3 1 ，4 0 ，6 2 r p m 电机 砂轮架用：6 5 8 k w 头架用：1 0 1 3 k w 液压系统用：1 1 k w 涡旋分离器用：1 7 k w 静压轴承供油系统用：0 6 k w 自磨靠模装置用：1 s k w 机床外形尺寸和重量 外形尺寸( 长宽高) ：3 7 5 0 x 1 7 0 0 x 1 7 0 0 m m 重量：约5 0 0 0 k g 附件砂轮外圆修整器1 套、冷却液涡旋一磁性分离器1 套、静 压轴承供油系统1 套、随机工具全套、自磨靠模装置1 套 1 3 课题内容 通过x , j ：l t ；京天纬油泵油嘴有限公司的实地调研，通过与北京吉普汽车有限 公司和北京元茂兴控制设备技术有限责任公司等单位的交流，以及通过查阅大 4 概述 量的国内外相关文献资料，获得了大量的资料，并且根据国内外的发展情况， 确定了以p m a c 卡为运动控制核心的汽车发动机凸轮轴磨削加工和开放式数控 凸轮轴磨削加工软件编制及完善为主要的研究内容。课题的目标要求是在课题 组的研究基础上实现开放式数控软件对不同凸轮轮廓的处理、x - c 两轴联动、 智能化加工控制、实时加工数据的d p r a m 采集与显示、凸轮的变速磨削加工 等功能，并在实现这些功能的数控凸轮轴磨床上进行了调试、研究和磨削加工 试验。在课题组的前一段时间的研究基础上，本论文作了进一步的研究，主要 的内容如下： 1 在介绍前期研究的数控凸轮轴磨床的机床结构和数控系统的工作原理 等内容的基础上，通过对已研制的数控凸轮轴磨床试验装置进行了进一步改进， 设计安装了尾架顶尖液压系统，改善了机床工艺系统的刚度并提高了工件夹紧 度，基本满足了进行磨削加工的要求。 2 建立了基于恒磨除率变速磨削的数学模型，在原有的数控软件基础上， 采用实时加工数据的d p r a m 采集与显示，编写了基于恒磨除率的变速磨削加 工程序，并在试验装置上进行了调试和加工试验，分析了影响磨削加工质量的 因素。 3 本论文还根据一般数控加工中心的操作规程对本数控凸轮轴磨床的数 控系统软件进行了完善与改进，使其功能不断齐全。对前期工作进行中存在的 问题进行了分析和总结，探讨了下一步研究的方向，为后续的工作提供了借鉴 意义。 5 数控凸轮轴磨床总体方案及原理介绍 第2 章数控凸轮轴磨床总体方案及原理介绍 2 1 机床的相关设计参数 2 1 1 机床的加工参数及精度 1 工件最大长度 2 工件最大直径 3 工件最小直径 4 工件最大升程 5 工件最大重量 6 加工效率 7 升程误差 8 相邻误差 9 基圆径向跳动量 1 0 相位误差 1 1 表面粗糙度 2 1 2 机床主要技术指标 砂轮架： 工件头架( c 轴) ： 砂轮架移动( ) ( 轴) ： 1 0 0 0 ( m m ) 1 2 5 ( m m ) 2 0 2 0 ( 咖) 2 5 o 【曲 9 0 ( s 根) - - 2 0 q m ) ( 注：升程偏差变动量) 2 5 以m d e g ) 2 0 “m ) 5 ( 分) 如o 4 m ) 砂轮电主轴 砂轮最大转速 最大磨削线速度 c b n 砂轮直径 c 轴转速 c 轴扭矩 工件头架电机功率 电机额定转矩 导轨行程 7 删) 6 0 0 0 ( r p m ) 9 0 ( m s ) ( c b n 砂轮1 4 5 ( n 咖) ( 普通砂轮) 5 0 0 ( r a m ) 0 2 4 0 ( r p m ) 5 7 科m ) 1 0 ) 1 5 0 0 ( r p m ) 1 2 0 ( m m ) 数控凸轮轴磨床总体方案及原理介绍 工作台移动( z 轴) ： 控制系统： 测力系统： 润滑冷却： x 轴伺服电机功率 x 轴最大进给速度 z 轴伺服电机功率 z 轴最大快进速度 z 轴颤动频率 1 5 ( k w ) 6 ( m m i n ) 1 5 ( k w ) 2 0 ( m r a i n ) 2 ( h z ) 工控机、基于p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i s c o n t r o l l e r ) 的数控系统、变频器等 外圆磨削测力仪s d c c g 2 一套 独立冷却、润滑 以上为设计的数控凸轮轴磨床试验装置的主要设计参数，在目前试验研究 阶段，将一台m 1 3 1 普通外圆磨床改造设计为无靠模数控凸轮轴磨床试验装置， 该试验装置的总体结构设计见下节。 2 2 机床的总体结构及原理 2 2 1 机床的总体结构 本数控凸轮轴磨床采用两坐标联动实现凸轮轮廓的磨削，以p m a c 卡为主 要运动控制核心，控制x 轴砂轮架前后往复移动和c 轴工件主轴旋转运动以及 z 轴工作台左右移动实现凸轮轴的自动磨削加工循环和砂轮的自动修整。c b n 砂轮由电主轴驱动，x 轴、c 轴与z 轴由交流伺服电机驱动。通过控制砂轮进 给来控制磨削进给量，通过z 轴移动依次磨削凸轮轴上的各个凸轮。通过动平 衡仪实现c b n 砂轮的动平衡，提高了磨削加工的精度。机床立体示意图如图 2 1 所示。 图2 1 数控凸轮轴磨床立体示意图 7 数控凸轮轴磨床总体方案及原理介绍 2 2 2 机床主要零部件 1 。砂轮架部件 为了满足数控凸轮轴试验装置的设计要求，对普通外圆磨床的x 轴砂轮架 部件进行改造，并重新设计制造了x 轴砂轮架部件，图2 2 是改造后的砂轮架 部件的导轨面实物图。 图2 2 砂轮架导轨面实物图 c b n 是一种超硬磨料，与金刚石相比，对铁素材料表现出更大的惰性。使 用c b n 砂轮的主要目的在于改善磨削质量和提高磨削效率。c b n 砂轮使用寿 命长，耐磨削，延长了砂轮的修整时间间隔，达到高效率化，c b n 砂轮磨削线 速度可达3 0 0 m s ，为高速磨削创造了条件，本机床设计最高速度为9 0 m s 。 2 电主轴部件 c b n 砂轮主轴系统采用的是电主轴部件。电主轴部件是现在数控机床普遍 采用的高速、高精度的主轴部件，其将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组 件的内部，实现机床主轴系统的“零传动”，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、 动态特性好并可在一定程度上改善机床的动平衡，避免振动和噪声等优点。该 试验装置使用的电主轴型号是由洛阳轴研科技股份有限公司生产的 2 2 0 w m 0 6 一y h 电主轴，其实物图如图2 3 所示，是一种磨削外径的专用高精度 电主轴，该类电主轴主要适用于各种金属工件的精密磨削，其主要参数如下所 示： i ) 转速：3 0 0 0 r r a i n ( m a x6 0 0 0 r r a i n ) 2 ) 频率：1 0 0 i - i z ( m a x2 0 0 h z ) 3 ) 功率：7 k w 8 数控凸轮轴磨床总体方案及原理介绍 4 ) 电压：3 5 0 v ( m a x3 5 0 v ) 5 ) 电流：1 4 a 6 )相数：3 相 7 ) 润滑方式：油脂 8 ) 冷却方式：水( 油) 冷却 9 )旋向： 伸轴端看顺时针方向 图2 3 电主轴 3 x 轴滚珠丝杠 x 轴砂轮架部件移动采用预紧滚子导轨，由交流伺服电机通过联轴器直接 驱动滚珠丝杠螺母副使砂轮架沿x 轴方向作横向进给运动。 4 工件主轴( c 轴) 工件主轴由交流伺服电机通过同步齿型带传递到工件主轴，带动凸轮轴沿 c 轴方向旋转，满足实现工件主轴的实时调速的要求。 5 工作台( z 轴) 工作台导轨采用v 型和矩形组合贴塑导轨。工作台的移动由交流伺服电机 驱动丝杠螺母副使工作台沿z 轴运动及在0 - 2 r a m 的高频小振幅抖动，完成整个 凸轮轴的磨削加工。 6 尾座和砂轮修整器 修整器安装在尾座轴上，当加工凸轮轴时，尾座电机静止，当修整砂轮时， 砂轮架先后退一定距离，以防砂轮干涉工件于尾架，然后金刚石修整滚轮由于 工作台的移动而移到砂轮处，砂轮再移近修整轮，尾座上的电机启动，驱动修 整滚轮修整砂轮。同时，尾座轴可以伸缩，使得顶尖可以在液压缸的推动下顶 紧凸轮轴，其顶紧力可由液压缸控制。 2 2 3 数控系统工作原理 数控系统硬件部分主要由工控机、控制元件p m a c 卡、伺服电机、执行元 9 数控凸轮轴磨床总体方案及原理介绍 件以及全闭环和半闭环检测元件组成，其结构原理如图2 4 所示。 图2 4 数控系统结构原理图 运动指令执行流程如下：工控机与运动控制元件p m a c 卡互相传递信息， 由运动控制元件指令伺服电机驱动执行元件完成运动，在每个伺服周期由执行 元件上的检测元件反馈回实际运动位置，再由运动控制元件加以比较修正。 2 3 凸轮联动模型 。 2 3 1x c 轴联动数学模型 将凸轮实际轮廓上任意一点o ，y ) 转化为对应的极坐标点( p ，妒) 的计算公 式为： 舻= a r c t g ( y ，x ) ； o , y o ) 石+ a r c t g ( y x ) ；( x 0 ) ( 2 1 ) 扫+ a r c t g o 工) ；g ) 0 ，y o ) 口2 ；g 一0 ，y 0 ) 3 口2 ； = o , y ，llj、j 数控凸轮轴磨床变速控制软件设计 根据数控系统的功能将数控系统软件划分为几个功能模块，如下： 1 ) 凸轮轴数据输入模块该模块实现了凸轮轴参数数据的输入，加工代码 的生成，以及查看加工速度变化图形、凸轮轮廓图形等功能。 手动模块该模块完成x 轴、c 轴的正转、反转、回原点等手动指令 功能。 3 ) 状态显示模块该模块以图形的方式显示x 轴、c 轴的位置、速度、 跟随误差等信息，可以随时观察x 轴和c 轴的各种信息。 4 ) 加工模块该模块实现了选择加工程序、加工方法以及加工过程控制等 功能。 5 ) 系统参数设置模块该模块实现了砂轮参数设置、p m a c 卡参数设置、 电主轴变频器参数设置等功能。 系统仿真模块该模块实现了砂轮反转仿真、加工过程仿真、凸轮轮廓 仿真以及轮廓比较功能。 力其他辅助模块该模块实现了软件帮助、f n n c 训练等功能。 4 2 数控系统软件变速控制的实现 该数控系统软件是基于w i n d o w s 的友好界面和强大功能基础，采用了当今 流行的面向对象的编程思想，利用m i c r o s o f t 的专业开发工具v i s u a lc + + 6 0 作 为开发平台，结合d e l t a t a u 公司提供的p m a c 卡通讯驱动函数库p c o m m 3 2 作 为系统与p m a c 卡通讯的桥梁，同时结合p m a c 卡配套软件p e w i n 3 2 作为执 行软件来为该系统的运行和维护提供支持。从系统的工作机理可知，p c 机应用 软件的主要任务是作为整个系统的后台管理，调度程序完成系统实时性不强的 任务，而对于插补计算、位置计算、伺服环更新等要求较强实时性的任务则均 由p m a c 卡完成。基于这一设计思想，结合当前课题的实际进展情况，在前几 届研究生开发的基础上实现变速磨削控制：主要的工作包括根据变速模型编写 变速磨削控制程序，对操作界面进行进一步的完善和调整，实现加工参数设置 与加工数据图形化显示、工件参数设置、变速磨削加工过程控制等功能1 1 3 l 。 4 2 1p c o n m 3 2 双端口r a m 函数库【1 4 1 p g t h c 的o p t i o n 2 提供了个8 k 1 6 位的r a m ，允许p m a c 和p c 机之间共享 一块快速内存，实现数据的快速传递。在凸轮轴的加工过程中需要在实时状态 下快速的大量的位置数据信息的下载，同时又需要重复的快速的从p m a c 中读取 各电机的状态信息。电机的状态信息数据可以不停的更新并被p l c 程序或自动 1 9 数控凸轮轴磨床变速控制软件设计 的写入双端口r a m 中，如果不使用双端口r a m ，这些数据必须使用p a m c 的在线 命令通过p c 总线来存取，由于使用双端口r a m 存取不需要经过通讯口发送命令 和等待响应时间，所以要快的多。双端口r a m 可以实现很多功能具体如下： 1 ) 双端口r a m 控制面板功能( 从主机到p a m c ) 2 ) 双端口r a i 伺服数据报告功能( 从p a m c 到主机) 3 ) 双端口r a m 后台定点数据报告功能( 从p m a c 到主机) 4 ) 双端口r a m 后台变量数据报告功能( 从p a m c 到主机) 5 ) 双端口r a ma s c i i 通讯缓冲区( 双向) 6 ) 双端口r a m 二进制旋转程序缓冲区( 从主机到p a m c ) 7 ) 双端口r a m 数据采集缓冲区( p m a c 到主机) 8 ) 双端口r a m a s c i i 命令功能( 从主机到p m a c ) p c o m m 3 2 支持对双端口r a m 的所有操作，在此基础上建立了一个类c d p r a m ， 该类封装了对双端口r a m 的操作的功能函数。下面主要介绍双端口r a m 后台定 点数据报告功能函数。 1 ) b o o lp m a c d p r r e a l t i m e ( d w o r dd w d e v i c e ，u i n tp e r i o d ，i n to n _ o f f ) 该函数开启或关闭p m a c 卡自动将定点数据写入双端口r a m 功能，p e r i o d 参 数设置双端口r a m 中数据的刷新周期。 2 ) v o i dp m a c d p r s e t m o t o r s ( d w o r dd w d e v i c e ，u i n tn ) 该函数设置p m a c 卡向双端口r a m 中写入几个电机的相关数据，参数n 表示 将l n 个电机的相关数据写入双端口r a m 中。 3 ) v o i dp m a c d p r s e t h o s t b u s y b i t ( d w o r dd w d e v i c e ，i n to n o f f ) 4 ) i n tp m a c d p r g e t h o s t b u s y b i t ( d w o r dd w d e v i c e ) 5 ) i n tp m a c d p r g e t p m a c b u s y b i t ( d w o r dd w d e v i c e ) 6 ) 上面的三个函数联合使用确保主机和p m a c 卡之间的正常数据通讯。 7 ) d o u b l ep m a c d p r g e t c o m m a n d e d p o s ( d w o r dd w d e v i c e ，i n tm o t o r ，d o u b l e u i n t s ) 8 ) 该函数返回指定电机的命令指令位置。 9 ) d o u b l ep m a c d p r p o s t i o n ( d w o r dd w d e v i c e ，i n ti ，d o u b l eu n i t s ) 1 0 )该函数返回指定电机的实际位置。 1 1 ) d o u b l ep m a c d p r f o l l o w e r r o r ( d w o r dd w d e v i c e ，i n tm o t o r 。d o u b l e u n i t s ) 1 2 )该函数返回指定电机的跟随误差。 数控凸轮轴磨床变速控制软件设计 1 3 ) d o u b l ep m a c d p r g e t v e l ( d w o r dd w d e v i c e ，i n tm o t o r ，d o u b l eu n i t s ) 该函数返回指定电机的速度值。 4 2 2 实现变速控制的相关m f c 类库 该数控系统软件是在v i s u a lc + + 6 0 开发平台上，利用v i s u a lc + + 6 0 的m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) 类库开发的单文档应用程序。v i s u a lc + + 6 0 对w i n d o w sa p i 函数库进行了封装，形成了m f c 类库。该数控系统软件用 到的主要m f c 类库以及在m f c 基础上派生的类包括：c m a i n f r a m e 类、c p m a c v i e w 类、c j o g 类、c x c p o s 类、c f n n 类、c f n n t r a i n 类、c c o n t r o l p a n e l 类、c l o a d s c b 类、c c a m a r g 类、c c a m s h a f t 类、c c a m i d 类、c m a n u i n f o 类、c w h e e l a r g d l g 类、 c d p r a m 类、c l p l o t 类、c l i s t 类。利用m f c 类库就可以开发出适合各种要求的 应用程序来。这里对实现变速控制的相关m f c 类库以及在m f c 基础上派生的类 给予简单介绍： 夺c m a i n f r a m e 类 该类是应用程序的主框架类，用于构造整个应用程序的主体框架，以及相 应的消息出理函数。其中的o n c r e a t e c l i e n t 0 函数在程序启动时自动调用，用 以构建客户区内的各个功能模块。 夺c p m a c v i e w 类 该类是应用程序自动创建的视图类，负责管理所有与视图有关的工作，包 括图形的绘制、放大与缩小、清屏，以及图形仿真等。 夺c c o n t r o l p a n e l 类 该类从c f o r m v i e w 中派生，是辅助模块之一，主要包括数据处理、图形显 示、系统设置等多种操作。通过该类，实现了将系统各种常用的功能放置与人 机界面上，极大的方便了用户快速进行各种操作。 夺c l o a d s c b 类 该类从c d i a l o g 类中派生，用于处理各种升程表参数，包括升程表的创建、 转化、存储、错误检查等。用户可以直接在该类中输入凸轮轴升程表的升程数 据，也可以先创建升程表的文本文件，再在该类中加载，设定后系统将自动将 所有数据转换成统一的格式保存到文件( 木1 f t ) 中。 夺c c a m a r g 类 该类从c d i a l o g 类中派生，用于处理各种凸轮的参数，包括基圆半径、升 程表类型、从动件类型以及各种加工数据，设定后系统将自动将所有数据转换 数控凸轮轴磨床变速控制软件设计 成统一的格式保存到文件( 木c a m ) 中。 冷c c a m s h a f t 类 该类从c d i a l o g 类中派生，用于构建整个凸轮轴的尺寸参数，包括凸轮个 数、相隔距离、相隔角度等多种参数，设定后系统将自动将所有数据转换成统 一的格式保存到文件( $ c s f ) 中。 夺c c a m i d 类 该类从c d i a l o g 类中派生，负责加工文件的数据处理。主要的数据计算、 转化等工作都在该类中进行，并得到最后用于凸轮轴加工的加工数据文件 ( 丰s c ) 。 令c m a n u l n f o 类 该类从c f o r m v i e w 类中派生，负责实际加工模块，主要包括查找加工代码、 加工算法的选择以及加工过程的控制等，也是系统与p m a c 通讯的重要模块之 一。 夺c w h e e l a r g d l g 类 该类从c d i a l o g 类中派生，用于设定系统缺省的砂轮参数，包括砂轮材料、 砂轮半径、宽度、砂轮修整参数，设定后系统将自动将所有数据转换成统一的 格式保存到文件( 术g w p ) 中。 4 2 3 变速控制程序及加工代码 根据第三章中建立的变速磨削模型公式( 3 1 1 ) 编写凸轮轴磨削加工程序， 实现恒磨除率变速磨削。使用v c + + 6 0 编写加工代码时将凸轮磨削加工的速度 写入速度文件，生成磨削加工代码时读取该文件中的速度，采用分段速度控制 方法，生成变速磨削加工代码，部分程序如下： f i l e + f p h i _ r u o , * f c u v , + i j i n g v ； f l o a t + c u v , * j i n g v ； c u v = n e w f l o a t n n u m ； j i n g v = n e wf l o a t n n u m ； f p h i _ m o ：f o p e n ( s t r w o r k p a t h + ”w + ”p h i _ m o t x t ”，”w ”) ； f c u v = f o p e n ( s t r w o r k p a t h + ”+ f i c s u d u t x t i i1 1 w ”) ； t 5 i n g v = f o p e n ( s t r w o r k p a t h + ”+ f i j s u d u t x t ”，”w ”) ； f p r i n t f ( f p h i _ n l o , d ”，n n u m ) ； 数控凸轮轴磨床变速控制软件设计 f p r i n t f ( f c u v , ”d ”，n n u m ) ； f p r i n t f ( f j i n g v , ”d ”，n n u m ) ； f l o a t + m l = n e wf l o a t n + 1 ； f l o a t4 m 2 = n e wf l o a t n + 1 ； c u b s p l 2 ( p h i ，r u o , n ，& m 1 【0 】 & m 2 【0 】，o ，0 ) ； f o r ( i n td = 0 ；d n n u m ；d + + ) f o r ( i = 0 ；i = i n t ( n n u m a b s o f t d a t a f s t a r t a n g l e ) l f t d a t a f a n g l e i n t e r v a l ) ) f p r i n f f ( f c u v , ”衄 , ( p h i a e i + 1 8 0 + 3 6 0 ) ，c u v 【d 】) ； f p r i n t f ( o i n 毋, , ”f 恤”，q h i d 】p i + 1 8 0 + 3 6 0 ) , j i n g v d ) ； ) e l s e f p r i n t f ( f c u v , ”爪衄 , ( p h i d p i + 1 8 0 ) ，c u v 【d 】) ； f p r i n t f ( i m g v , ”f 恼 , ( p h i d p 1 4 1 8 , j i n g v d ) ； ) f p r i n t f ( f p h ir u o , f t f m ”，p h i 【d 】，m o 【d 】) ； 数控凸轮轴磨床变速控制软件设计 ) f e l o s e f f r h i _ r u o ) ； f c l o s e ( f c u v ) ；