（机械制造及其自动化专业论文）数控凸轮轴磨床实验装置及加工试验研究.pdf

摘要 摘要 本论文所研究的内容是整个研究课题的一部分，为了保证研究内容的连续性、完整性 和系统性，首先从当前数控凸轮轴磨床、凸轮轴磨削加工的国内外发展状况和智能制造技 术的发展状况出发，结合具体的数控凸轮轴磨床的设计要求，简单介绍了以前所研究的内 容，包括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。 在此基础上，通过对普通外圆磨床的改造设计了一台数控凸轮轴磨床实验装置，主要 包括安装电主轴、c b n 砂轮和在线动平衡装置以及磨削力测量系统等关键部件。通过进行 砂轮动平衡，伺服系统p i d 参数的调整、进行实际的磨削加工等大量实验验证了凸轮轮廓 数学模型的正确性，c b n 砂轮的动平衡效果、电主轴振动情况以及砂轮架的振动情况满足 设计要求，在课题组研究的基础上，进一步完善了模糊神经网络自适应控制软件代码；在 试验获取大量磨削力数据的基础上，讨论了用m a t l a b 建立磨削力预测模型的方法。 在实验的基础上，分析了影响凸轮廓形精度的因素，指出了机床尾座、工件支撑架、 砂轮的修整效果对凸轮廓形精度产生了重要影响，以后需要对其做改进。 通过试验，指出了应用模糊神经网络控制时，存在从采集数据到返回到p m a c 卡的时 间滞后问题，有待以后进一步研究解决。 作为课题阶段性的总结，本论文还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；p m a c ；神经网络；c b n 砂轮：电主轴；磨削力 a b s l r a c t a b s t r a c t a sap a r to ft h ew h o l er e s e a r c hs u b j e c t ，i no r d e rt o k e e pt h ec o n t i n u i t y , i n t e g r a l i t ya n d s y s t e m a t i z a t i o no ft h er e s e a r c hc o n t e n t s ，t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n ts t a t eo f c n cc a m s h a f t g 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 ga n di n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g ya r ed e s c r i b e da tt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t o fc n cc a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n e ，s o m er e s e a r c hr e s u l t sa r ed e s c r i b e db r i e f l y , i n c l u d i n gt h e w h o l es t r u c t u r ea n dt h ec n c s y s t e mo ft h ec a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n e o nt h eb a s i s ，t h ec 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 d b yr e d e s i g n i n gt h e c y l i n d r i c a lg r i n d i n gm a c h i n e ，m a i n l yi n c l u d i n gt h ei n s t a l l m e n to ft h em o t o r i z e ds p i n d l e ，c b n g r i n d i n gw h e e la n dt h es b sd y n a m i cb a l a n c es y s t e m ，a n dt h eg r i n d i n gf o r c er e a l - t i m e m e a s u r e m e n ts y s t e m b ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，th a sp r o v e dt h a tt h em o d a lo fc a n li s r i g h t ，a n dt h ec b ng r i n d i n gw h e e ld y n a m i cb a l a n c er e s u l t ，t h ep r e c i s i o no fm o t o r i z e ds p i n d l e a n dt h er i g i d i t yo ft h eg r i n d i n gw h e e ls h a f ta r ep r o v e d o nt h eb a s i s ，i nt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e n e wt y p ei n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o d f u z z yp r e d i c t i v ec o n t r o lw h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g eo f f u z z yc o n t r o la n dp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 b ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sa m e t h o dt od o p eo u tt h eg r i n d i n gf o r c e a st h es u m m a r yw i t hp h a s e ds u b j e c t ，t h i sp 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 e p r o c e s s i n gs o f t w a r e o ft h ec n cc a m s h a f t g 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 l p r o c e d u r eo ft h eg e n e r a lc n cm a c h i n i n gc e n 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 e c a m s h a f tg r i n d i n ge x p e r i m e n th a sc 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 s p r o v e da n ds u m m a r i z e d ，a n do f f e r e dt h em e a n i n go fu s i n gf o rr e f e r e n c ef o rf o l l o w - u pw o r k k e yw o r d s ：c n c c a m s h a f tg r i n d i n gm a c h i n e ；n e u r a ln e t w o r k ；p m a c ；c b nw h e e l ；g r i n d i n g f o r c e h 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：王本眭 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：王本丛 2 0 c o 年弓月j 5 日 概述 第1 章概述 1 1 课题背景及来源 物质生产始终是人类社会生存发展的基础，直接创造财富的制造业依然是 国民经济最重要的支柱产业。高度发达的制造业和先进的制造技术成为衡量一 个国家综合经济实力和科技水平的重要标志，是一个国家在竞争激烈的国际市 场获胜的关键因素。经过1 0 年的发展，我国制造业工业增加值的世界排名位次 明显提升，2 0 0 0 年我国制造业的工业增加值已跃居世界第3 位，把法国和意大利 及英国远远地甩在了后边，仅次于美国和日本，制造业增加值达到了3 7 2 8 3 6 亿 美元，增长了2 2 倍，发展的成绩是显著的。但是，也应该清醒地看到，虽然我 国制造业名列世界第3 位，但总体规模仅相当于美国的1 4 ，日本的1 3 ，差距还 是很明显的【q 。作为先进生产力代表，国家核心竞争力关键是装备制造业，在我 们国家只占2 6 ，比发达国家低1 0 个百分点左右。我们进口的产品占外贸出口 总额将近一半左右，集成电路9 5 要进口，轿车制造装备、数控机床、纺织机 械7 0 依赖进口。近些年中国政府非常重视制造业的发展，努力发挥中国各方 面的优势，将中国建为世界加工中心。汽车工业作为很多发达国家的支柱产业， 其发展带动了国家经济的各个方面的快速发展，尤其是制造业的发展，随着我 国综合国力的增强，我国的汽车工业也在逐步的壮大，尤其是轿车工业方面也 有了很大的起色，汽车工业也逐渐的国产化，在此过程中有很多问题和难题需 要解决，其中作为汽车发动机核心部件的凸轮轴的磨削加工就是急待解决的关 键技术难题之一。 凸轮轴是内燃机主要的部件之一，其加工质量的好坏严重影响着发动机的 动力性能，我国凸轮轴加工大多都是在凸轮轴仿形磨床上进行的，提高加工精 度的主要思路之一就是提高凸轮靠模的精度，然而这项工作比较复杂、周期长、 造价高，而且需要丰富的实践经验，其加工精度和效率已远远不能满足现代化 工业发展的要求。国外一些工业发达的国家从8 0 年代开始，逐渐应用数控凸轮 轴磨床来满足生产要求。但是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，而我国一直是依靠进口此类设备满足国内工业发展的 需求。为此，研制开发数控凸轮轴磨床设备，特别是对其中的关键技术进行研 究对我国国民经济发展具有重要的意义p l 。尤其是近些年来人工智能、专家系统 等技术的不断发展成熟，出现了以现代控制理论、计算机科学和人工智能为基 础的智能控制技术。将智能控制技术应用于无靠模数控凸轮轴磨床的开发和研 制，必然使得数控加工技术迈向更高的层次。本课题是国家教育部基金项目和 北京市教委基金项目，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 振兴本国汽车制造业的目的。 本项目是在完成教育部 项目“智能制造设 备加工过程的优化控制与监测”的基础上进一步深入和扩展对数控凸轮轴磨床 相关技术的研究工作。 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，国外已领先我们很多， 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 u n k e r 公司、s c h a u d tm i k r o s ab 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 ab 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 d m e r 8 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1 4 l 。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 m 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 m m 的c b n 砂轮进行磨削加工时，其切削速度达到了 2 0 0 m s 。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【5 】。 国内的数控凸轮轴磨床的水平和国外的相比差距比较大，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数控系统。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 2 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o 0 2 m m ，表面粗糙度r a 0 3 弘m ，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 全数控凸轮 轴磨床- - c n c 8 3 1 2 全数控高速凸轮轴磨床【6 】，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【4 ”。在2 0 0 5 年5 月北京国际 机床工具展览会上，北京第二机床厂、秦川机床集团、杭州机床集团各展出一 台自制的数控凸轮轴磨床，他们用的数控系统都为国外的通用或专用系统，标 示的主要技术指标为粗糙度r a = 0 4 “m ，砂轮的线速度大于8 0 m s 。 1 3 课题内容 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，以及通过查阅大量的国内外相关文献资料，课题的目标要求是在 课题组的研究基础上通过调整机床结构，改进加工工艺，验证了x c 联动加 工凸轮轮廓的数学模型，智能化加工控制、凸轮轴加工磨削力的测量和磨削力 模型的建立等功能，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 安装机床冷却部件，重新改造机床电气控制部分，安装砂轮在线动平衡 仪，对c b n 砂轮进行在线动平衡。 2 重新调试了整个数控实验平台。通过更改伺服驱动器的相关参数、p m a c 卡的p i d 参数、电主轴变频器参数等使机床达到较好的静、动态特性。 3 在原来的数控软件基础上，进一步完善了模糊控制代码，并在实验装置 上进行了调试和验证。 4 对磨削过程中磨削力进了实时测量，并用m a t l a b 对磨削力进行了建 模并对磨削力进行预测。 5 进行凸轮轴部分磨削加工实验，分析了响磨削加工质量和精度的因素。 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 1 0 0 0 ( m m ) 2 工件最大直径1 2 5 ( m m ) 3 工件最小直径 2 0 ( m m ) 4 工件最大升程 2 0 ( m m ) 5 工件最大重量 2 5 ( k g ) 6 加工效率 9 0 ( s 根) 7 升程误差 - - - 2 0 以m ) ( 注：升程偏差变动量) 8 相邻误差 2 5 ( u m d e g ) 9 基圆径向跳动量 2 0 m ) 1 0 相位误差 5 ( 分) 1 1 表面粗糙度 r a o 4 m ) 2 1 2 机床主要技术指标 砂轮架：砂轮电主轴 砂轮最大转速 最大磨削线速度 工件头架( c 轴) ： 砂轮架移动( ) ( 轴) ： 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 d 7 ( k w ) 6 0 0 0 ( r p m ) 9 0 ( m s ) ( c b n 砂轮1 4 5 ( m s ) ( 普通砂轮) 5 0 0 ( m m ) 0 2 4 0 ( r p m ) 5 7 科m ) 1 0 ( k w ) 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 1 5 x 轴最大进给速度 6 z 轴伺服电机功率 1 5 z 轴最大快进速度 2 0 z 轴颤动频率 2 ( k w ) ( m m i n ) ( k w ) ( m m i n ) ) 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 ) f l 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实验装置的主要设计参数，在目前实验研究 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实验装置， 该实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。通过安装在砂轮架尾座 上的金刚石笔修整砂轮。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 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实验装置的设计要求，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 实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 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： 1 ) 转速：3 0 0 0 r r a i n ( m a x6 0 0 0 r m i n ) 2 )频率：1 0 0 r e ( m a x2 0 0 h z l 3 ) 功率：7 k w 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e ( 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 m 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 7 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 凸轮实际轮廓推导 根据文献【8 】，各类凸轮轮廓公式列举如下。常用参数说明： r 一凸轮实际轮廓基圆半径： e 一从动件中心的偏心距( 左正右负) ； r ，一滚子从动件的滚子半径； ，d 一摆动滚子从动件的臂长； l 一摆动从动件的铰接点到凸轮中心的距离。 2 3 1 平底直动从动件机构凸轮实际轮廓计算公式 式中：s = s p ) 为从动件运动规律。 dg 日 疗 _ 虽 哪 出一抬出一抬 一 + 口 日 | 刍 口 曲 d + + 瓴 瓴 = ； x y 数控凸轮塑壁盎璺堡查茎墨堕垄坌缉一 一 2 3 2 滚子直动从动件机构凸轮实际轮廓计算公式 x 宣e s i n o + ( d + s ) c o s o - 1 r ) 2 ) 2 ， x u + ( d ) 嘉 y 一 矿 热u ；瑚伊( e + 嘉) c o s 口 v ；似+ s ) c o s 目+ 扣+ 要) s i n p；q 8 目+ ( 8 + 石) s l n p d ；奴+ r 一。z e f ) 2 2 3 3 滚子摆动从动件机构凸轮实际轮廓计算公式 z = c o s 0 一厂rc o s 口土 y ；ls i n 0 一s i n a2 式中：咖；庐( 日) 为从动件运动规律 口= 0 一驴一九 p ；r s i n 8 一r r ( 1 一等) s i n a q ；匕c o s o - r , o 一荔0 ) c o s 口 驴c o s 。1 掣 负号适合于内凸轮轮廓。 ( 2 3 ) 数控凸轮轴磨床总体方案及原理介绍 2 3 4 平底摆动从动件机构凸轮实际轮廓计算公式 y=r口(cos0+acosfl)+esiny s i na s i n e c o s f l 卢 ( 2 4 )， 舯： “臀 卢= 九4 - 妒一0 舾舻1 ( 半) 2 3 5x 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 式南 = a r c t g ( y x ) ； 0 ，y 0 ) 玎+ a r c t g ( y x ) ；( x 0 ，ys0 ) 石2 ； = o ，y 0 ) 3 n - 2 ；0 = 0 ，y ij、il，j 数控凸轮轴磨床控制软件设计与完善 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。 2 ) 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 1 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。 6 ) 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。 7 ) 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 模糊神经网络自适应控制的数控系统软件实现 4 2 1 模糊神经网络自适应控制总体设计及工作原理 根据课题组已研究的工作 矧，数控凸轮轴磨床的模糊神经网络模型参考自 适应控制总体设计既考虑了f n n c 自身的特点，又考虑了数控系统本身固有的 特点。基于这种考虑，其总体结构如图4 2 所示。 图4 2 基于f n n c 的数控凸轮轴磨床m r a c 系统结构 4 2 2 模糊神经网络的程序实现 数控凸轮轴磨床控制软件设计与完善 4 ，2 2 1 模糊神经网络的结构模块化 f n n c 包括输入层、隶属函数层、规则层和解模糊层 2 4 】，相应的在程序中 就可以对每一层均建立一个模块，此外还应该考虑初始化、结果保存等模块。 所有这些功能都可以在c f n n c 类中得以实现，其主要方法( 成员函数) 具体简介 如下： i n i t i a l i z e f n n c 0 该方法主要是对f n n c 进行初始化，包括隶属函数的均值、均方差及解模 糊层的连接权值。在对f n n c 进行操作之前，必须对其进行初始化。 夺f u z z i f i c a t i o n 0 该方法对应于隶属函数层，主要是根据隶属函数的形状对输入层的输入进 行模糊化，为后期的神经网络提供模糊化后的输入。 夺f u z z y t o r u l e 0 该方法对应于规则层，主要是利用模糊化后的数据建立规则层，以此构建 其整个神经网络。 夺s i m u l a t e 0 该方法对应于解模糊模块，负责对规则层出来的数据进行解模糊，得出 f n n c 的最终输出。 夺s i n g l e t r a i n 0 该方法负责对f n n c 进行单次训练，根据计算得到的误差结果，调用该方 法，就完成对f n n c 的一次训练。 夺l o a d f n n c o 该方法负责从文件中读取以前训练的结果，并以此来构建整个f n n c 的初 始结构。 夺s a v e f n n c 0 该方法将训练成功以后的f n n c 网络结构保存到文件，以备后用。 4 2 2 2 模糊神经网络的训练算法 模糊神经网络的另一个重要任务就是训练算法的设计瞄11 2 6 1 。好的训练算法 不仅能够大大缩短训练时间，而且还能有效的避免陷入局部最小，并且对最终 是否训练成功都十分重要【2 7 1 。 结合实际情况，并经过多次实验验证，数控凸轮轴磨床的f n n c 训练算法 如图4 3 所示。 数控凸轮轴磨床控制软件设计与完善 图4 3f n n c 训练算法 4 3 数控系统软件模糊神经网络控制功能的应用 4 3 1 系统软件启动与神经网络的训练 因系统在运行的过程中需要p m a c 自带软件包p e w i n 3 2 和p m a c p l o t 的 支持，所以运行该系统软件前，一定要安装以上两个软件。图4 1 4 是数控系统 软件的启动界面，用户都可以双击“p m a c 数控系统e x e ”来启动该系统，且 每台计算机上只允许同时运行一次，如果该系统已经在运行的话，再双击 “p m a c 数控系统e x e ”则会提示说明该系统软件已经处在运行中了【2 8 1 。 数控凸轮轴磨床控制软件设计与完善 图4 4 系统启动界面 点击“f n n 训练”进入神经网络训练模块，如图4 5 ，选择“f n n c 训练”，训 练参数：期望均方误差o 0 5 ，最大训练次数5 0 0 0 ，设置好后，点击“训练”，神 经网络开始训练。网络训练成功后会出现“网络训练成功，要将训练后的网络 保存下来吗”，点击“是”，如图4 6 ，将训练好的网络参数保存到文件中。 采集擞 f 。阶啦骨正弦信号 起点位量p 叫：“i i i 耐 镕镕m n m ：口一 十i l k p i ：- 目一一 运动遣虞忡q ：嚣r 一 ，d r # m l ：# 一 舞p 豫i i 采寨 指令曲螭 l 位量曲螭畦谩基曲避 q h 翱p 陆：t j * 自t ：一 m m i 一一一一 m 自一1 ：* _ * 5 q 1 # r 一1 4 一一一 9 单巾时m盆批量檎j i q 抽日峨h 拐模式 崩j _ 日方谩聋：m j r 一 日杼制州 n # ：自r 一：。# “i m i i # | * 图4 5 神经网络训练界面 数控凸轮轴磨床控制软件设计与完善 图4 6 神经网络保存界面 4 3 2 基于神经网络的磨削加工程序 离线设计的参考模型r m ，具有x 轴、c 轴的理想运动规律s ，。当操作者 通过计算机控制系统的人机接口，向数控凸轮轴磨床的x 轴发出移动指令、c 轴发出转动指令r 时，则磨床开始加工凸轮轮廓。在加工的时候，由x 轴和c 轴上的测量装置光栅测出实际的x 轴、c 轴运动数据，即这些数据会构成一个 实际的运动规律s ，将它与模型r m 的理想运动规律s 。进行比较，产生误差e 作 为反馈信号进入系统辨识器f n n i ，当误差大于规定的精度时，神经网络辨识器 开始启动训练过程，直到它达到系统规定的精度或者超过系统规定的最大训练 次数时才停止训练，并执行下一条运行指令。 生成的程序代码如： & 1 c l o s e 数控凸轮轴磨床控制软件设计与完善 d e l e t eg a t h e r 撑1 一 1 0 0 0 x 舵 1 7 4 7 1 6 6 6 6 7 a i 1 9 0 = 1 0 0 0 o p e n p r 0 9 3 1 c l e a r l i n e a r a b s t a l t s 0 f 2 0 p 1 0 1 9 = 0 d w e l l l 0 0 w h i l e ( p 1 0 2 2 p 1 0 2 3a n dp 1 0 1 9 1 0 0 0 】【 o p e np r o g a m 1 c l e a r 凸轮轴磨床调试及磨削试验研究 l i n e a r a b s f 2 4t a l 0 0 0t s 0 x 一1 0 d w e l l 5 0 0 p i = 0 p 2 = 0 w h i l e ( p 1 1 7 4 7 1 6 6 6 6 7 a & 1d e f i n er o t2 7 2 0 1 8 0 o p e nr o t l i n e a r a b s & 1 r f 2 4 0 0 0 0 0 0t a l 0 0 0t s 0 x 1 3 7 0 0 0 0a 3 2 8 0 9 3 0 f 2 4 o ( ) 0 0 0 0t a lt s 0 x 1 3 7 0 0 0 0a - 3 2 9 0 9 3 0 x 1 3 7 0 0 0 0a _ 3 3 0 0 9 3 0 x 1 3 7 0 0 0 0a - 3 3 1 0 9 3 0 x 1 3 7 0 0 0 0a - 3 3 2 0 9 3 0 x 1 3 7 o o o oa - 3 3 3 0 9 3 0 x 1 3 7 0 0 0 0a - 3 3 4 0 9 3 0 x 1 3 6 9 9 9 7 x 1 3 6 9 9 8 9 x 1 3 6 9 9 7 1 x 1 3 6 9 9 4 0 x 1 3 6 9 8 9 3 x 1 3 6 9 8 2 0 x 1 3 6 9 7 2 2 x 1 3 6 9 5 9 4 x 1 3 6 9 4 3 1 x 1 3 6 9 2 2 4 h m l h m 2 c m d ”a ” c l o s e a - 5 2 5 0 9 8 8 a - 5 2 6 1 0 6 8 a - 5 2 7 1 2 3 9 a - 5 2 8 1 3 4 9 a - 5 2 9 1 6 5 7 a - 5 3 0 1 9 4 1 a - 5 3 1 2 2 5 0 a - 5 3 2 2 6 3 7 a - 5 3 3 3 0 6 8 a - 5 3 4 3 6 0 4 4 1 凸轮轴磨床调试及磨削试验研究 5 4 磨削试验结果分析 这次试验共磨削了6 根凸轮轴，磨削后的凸轮轴由北京吉普汽车有限公司 专用凸轮轴检测仪检测，部分检测结果见图5 1 6 、图5 1 7 、图5 1 8 、图5 1 9 。 图5 1 6 、图5 1 8 是凸轮廓形的磨削精度，图5 1 7 、图5 1 9 是凸轮廓形的升程展 开曲线图。由图5 1 6 可见，磨削的凸轮廓形全程升程最小误差为0 0 1 6 9 m m ， 最大误差为0 0 3 6 8m m 。由图5 1 8 可见，磨削的凸轮廓形全程升程最小误差为 0 0 2 3 3 m m ，最大误差为0 0 3 8 0 m m 。图5 1 6 、图5 1 8 中，r i s ee r r o r 为凸轮廓形 升程误差。由图5 1 7 、图5 1 9 可见，各凸轮升程展开曲线一致性较好。图中的 1 8 号曲线分别为凸轮轴上第1 8 个凸轮的展开曲线。按北京吉普汽车有限 公司提供的凸轮轴图纸规定的最大全程升程误差为0 0 2 5 r a m 的技术要求，部分 凸轮磨削精度已达到要求，按国内一些大的凸轮轴生产厂家对生产的凸轮轴廓 形最大全程升程误差为o 0 2 5 m m 0 0 5m m 的规定，凸轮磨削精度均已达到要 求。这说明该数控凸轮轴磨床加工原理和过程是正确的。本课题设计时参照了 当前世界上最先进的数控凸轮轴磨床【3 9 】1 4 0 ，提出的技术要求是升程误差范围为 0 0 2 0m m ，技术要求较高。本次磨削的每根凸轮轴都有部分凸轮廓形升程误差 小于国际先进机床最大全程升程误差0 0 2 0 m m 的技术指标，但每根凸轮轴都也 有部分凸轮廓形没有达到国际先进机床的技术指标，颇感遗憾。分析原因为被 改造的机床生产于1 9 6 4 年，机床尾架系统没有更换，为了安装测量仪系统，拆 除了尾架压紧弹簧，对工件的夹紧力不大且不稳定，工件系统刚性不足。磨削 时对工件的双支撑架结构不合理，手动安装支撑架时，易出现支撑虚空或支撑 力过大导致工件变形。这些因素均对工件的升程误差产生影响。 磨削凸轮的表面粗糙度最小为r 。0 弘m ，最大为1 弛m ，基本达到北京有 关厂家的凸轮轴表面质量要求，但离机床设计技术指标r a 0 钆m 还有一定差距。 分析原因一为砂轮修整效果不好，磨削之前用金刚笔修整c b n 砂轮，修整后测 量砂轮的径向跳动量为0 0 7 m m ，修整效果不是很好。考虑以后用滚轮修整器进 行修整，能够提高磨削凸轮的表面粗糙度。原因之二为尾座振动对表面粗糙度 的影响。磨削后的凸轮表面有波浪型振纹，该振纹是由于尾座刚性不好，在磨 削时工件受力产生振动，导致振纹的产生，影响了工件的表面粗糙度。 在以后的研究当中，在尾架装上液压系统，使工件的夹紧力稳定，提高系 统刚性。此项工作正在进行当中。设计安装滚轮修整器，可以大大提高砂轮的 4 2 凸轮轴磨床调试及磨削试验研究 修整效果。从新设计安装工件的支撑结构，提高工件受力时的刚性。预计可磨 削出全部达到世界水平的凸轮轴。 a n g l eo fc a mn o 1 c or e f e r e n c e ( 3 5 8 2 5 0 一一3 5 9 2 5 0 ) 3 5 7 6 6 6 # a n g l e r a d i u se o c e n e r r o re r r o r d e g rmm i ：1 8 2 0 2 0 n o m ：e ：0 0 0 0 t o l ：, - 5 0 0 + ，一0 3 8 0 0 2 5 0 n o 1i 盯0 0 0一0 2 4 20 1 4 4 2i 盯0 0 6一0 2 6 10 0 6 2 3i n t一0 2 0 一0 3 1 10 0 7 7 i n t一0 4 6一0 0 6 40 0 6 0 5i n t一0 3 0一0 4 0 2 # 0 0 4 4 6i n t0 8 0一0 0 1 50 0 4 1 7i n t- 0 5 5一0 8 4 0 # ，0 0 6 0 bi n t- 0 6 10 0 9 90 0 2 3 r i s e v e l o c i t yt a p e r c n t d e v e r r o ra n g l ee r r o ra n g l e m d e g rmd e g rm m + ，一0 2 5 0 bo v r1 d e g r + 一0 2 5 0 n+ | 一0 0 5 0 n 0 3 1 8 + 0 0 2 5 + ，一0 2 5 0 r , - 0 0 5 0 r + - 0 0 3 8 一0 0 2 5 0 1 6 91 3 4 m0 0 1 31 1 3 r一0 1 8 8 #0 0 4 0 # 0 3 4 9 # 1 4 4 n 0 0 1 51 1 5 n 一0 2 6 9 # 0 0 1 0 0 1 7 91 4 3 n0 0 1 21 1 5 0 4 2 4 # - 0 1 3 3 # 0 3 2 8 # 1 3 8 n 0 0 1 41 1 5 n 0 1 1 2 # 0 0 2 6 # 0 2 7 3 # 2 3 8 n 0 0 1 51 1 4 n - 0 1 1 3 # 一0 0 2 4 0 3 g 8 # 1 4 2 n0 0 1 51 1 5 n - 0 0 6 2 # 0 0 7 5 # 0 2 8 6 # 1 4 1 n0 0 1 31 1 4 n* 0 3 6 9 # 一0 1 9 7 # 0 3 2 8 # 1 4 3 n0 0 1 31 1 4 n 一0 2 1 6 # 一0 0 2 7 # 图5 1 6 凸轮检测数据 4 3 凸轮轴磨床酒试及密酮试验研究 图5 1 7 凸轮升程曲线图 凸轮轴堕堕塑鎏垄壁型茎墼堡至一 一 鼢吼。奶。；。；睇。；，驰。一， 。犯，。，：， 趣。x 。a 。a 。s 。馘。 髓l o e i t y t 雌。渤。a 。 嘲t 妣蠹。，。蒜了新。_ 誉。 b 川勰+ 黔雾。铆；。：兰篡：1 篡篡哆患：+ 0 0 2s ； k 。 1lj 艘 ，口一铀4 ；。蛳锄0 0 3 30 i 辅 。0 瓣l i 辅