（机械制造及其自动化专业论文）曲轴非圆磨削轨迹控制关键技术研究.pdf

上海大学博士学位论文用纸 摘要 曲轴是各种内燃机的关键零件 高效 高精度加工曲轴一直是内燃机生产厂家追求 的目标 传统的曲轴磨削加工采用专用夹具调偏心方法加二 连杆颈 生产准备时间长 生产设备柔性差 国外曲轴非圆磨削虽然有现成的产品 但价格昂贵 且其核心技术并 不公开 有关曲轴非圆磨削的关键控制技术都是各生产企业的绝密技术 几乎没有实质 性公开论文或资料发表 国内虽然华中理工 湖南大学等进行了一定的理论研究 但还 没有产品推出 由于磨削机理的复杂性 随机性 不确定性 以及曲轴结构复杂刚性差 变形量大 再加上数控系统本身对非圆磨削精度的影响 仅按理论运动轨迹进行数控磨削无法保证 曲轴的最终质量要求 因此 分析并计算各种因素对曲轴非圆磨削过程的影响 建立准 确补偿模型是实现曲轴非圆磨削控制的关键问题 本文根据磨削机理 综合考虑磨削过程中的精度要求和表面质量 分析了曲轴非圆 磨削过程的各种影响因素 在基于运动模型基础上建立了补偿模型 完成了以一f g q 造性 的工作 1 为同时保证磨削加工尺寸精度和表面质量 提出了以恒线速度运动为基础的带 恒磨除率补偿曲轴非圆加工的运动模型 恒线速度可保证曲轴连杆颈的表面质量 恒磨 除率可保证工件的加工精度 实现了表面质量与加工精度的双重控制 2 曲轴的结构复杂 不同角度下的刚度不同 受力变形也不相同 针对曲轴连杆 颈磨削过程受磨削力的变形量不同 提出了四点刚度受力变形计算方法 并根据曲轴磨 削过程特点 给出了曲轴非圆磨削的磨削力计算公式 为曲轴非圆磨削过程中的力变形 误差补偿奠定了基础 3 研究了数控插补及伺服滞后对磨削质量的影响 证明伺服系统的响应滞后对非 圆磨削的曲轴连杆颈造成较大圆度误差 如不对其做出补偿 数控系统将难以保证曲轴 连杆的加工精度 根据伺j j 良m j 应 给出了伺服响应滞后误差的计算公式 用于补偿控制 4 针对曲轴非圆磨自0 的复杂变形及各种误差 曲轴连杆非圆磨削要实现恒磨除率 磨削 其切入深度要随误差不同进行调整 本文提出了基于r b f 利a 经网络的理论切入深 度预测计算方法 解决了曲轴非圆磨削过程中的运动控制 5 根据本文取得相关的研究成果 开发了基于s i m e n s8 4 0 d 数控系统的曲轴非圆 磨削控制软件 关键词 非圆磨削曲轴四点法刚度磨削力误差补偿神经网络 v 上海大学博士学位论文用纸 一ii 一 a b s t r a c t t h ec r a n ks h a f ii sak e yp a r to ft h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n es ot h a tm a c h i n i n gi tw i t h h i g he f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o ni st h eg o a lp u r s u e db yt h em a n u f a c t u r e r s t h ec r a n kp i ni s c o n v e n t i o n a l l yg r i n d e db ym e a n so f t h ee c c e n t r i cf i x t u r e t h ee f f i c i e n c yo fw h i c hi sl o wa n d t h eg r i n d i n gm a c h i n eo fw h i c hi sf a rf r o mf l e x i b l e a l t h o u g ht h en o n c i r c u l a rg r i n d e r sf o rt h e c r a n ks h a f ta r ea v a i l a b l ef r o mt h ef o r e i g nc o u n t r i e s t h e i rc r i t i c a lt e c h n o l o g i e sa r ek e p ts e c r e t e s p e c i a lt h ep r a c t i c a lc o n t r o lt e c h n i q u e so ft h en o n c i r c u l a rg r i n d i n g a b o u tw h i c ht h e r ei s h a r d l ya n ys u b s t a n t i a lo p e nt h e s i sa n di n f o r m a t i o n i nc h i n a o n l ys o m et h e o r e t i c a lr e s e a r c h e s h a v eb e e nm a d eo nt h en o n c i r c u l a rg r i n d i n gb yh u a z h o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g ya n dh u n a nu n i v e r s i t yw i t h o u tl a u n c h i n gc o m m e r c i a lg r i n d e r s t h eq u a l i t yr e q u i r e m e n to fc r a n ks h a f tc a nn o tb es a t i s f i e db yn o n c i r c u l a rg r i n d i n gj u s t a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a lm o v e m e n tt r a j e c t o r yb e c a u s eo fc o m p l e xg r i n d i n gm e c h a n i s m t h er a n d o m i c i t ya n du n c e r t a i n t yo fg r i n d i n gp r o c e s s a n dt h ei n f l u e n c eo fn cs y s t e ma sw e l l a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc r a n ks h a f ts u c ha sc o m p l e xs t r u c t u r e l o wr i g i d i t ya n dl a r g e d e f o r m a t i o n t h e r e f o r e h o wt ob u i l dt h ee x a c te r r o rc o m p e n s a t i o nm o d e lo nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ev a r i o u si n f l u e n c e so nn o n c i r c u l a rg r i n d i n gi st h ec r u xo fn o n c i r c u l a rg r i n d i n g c o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h eg r i n d i n gm e c h a n i s ma n db a s e do nt h eg e n e r a lc o n s i d e r a t i o no ft h e p r o c e s sp r e c i s i o na n dt h es u r f a c eq u a l i t y t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ev a r i o u si n f l u e n c e so n c r a n k s h a f tn o n c i r c u l a rg r i n d i n g b u i l d st h ee r r o rc o m p e n s a t i o nm o d e la sw e l la st h em o t i o n m o d e l a n dm a k e sc r e a t i v er e s e a r c h e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 t og e th i 曲g r i n d i n gp r e c i s i o na n df i n es u r f a c eq u a l i t y t h em o t i o nm o d e lb a s e do n c o n s t a n tl i n e a rv e l o c i t yc o n t r o lw i t ht h ee r r o rc o m p e n s a t i o n si sb u i l tu pt oa p p r o x i m a t e c o n s t a n tr e m o v a lr a t ec o n t r o lf o rt h ec r a n ks h a f tn o n c i r c u l a rg r i n d i n g i nt h en o n c i r c u l a r g r i n d i n g t h ec o n s t a n tl i n e a rv e l o c i t yi su s e dt og u a r a n t e et h es u r f a c eq u a l i t yo f c r a n kp i na n d t h ec o n s t a n tr e m o v a lr a t eg u a r a n t e e st h ep r e c i s i o n w h i c hr e a l i z eb o t ht h ec o n t r o lo ft h e s u r f a c eq u a l i t ya n dt h em a c h i n i n gp r e c i s i o n 2 d u et ot h ec o m p l e xs t r u c t u r eo fc r a n ks h a f t i t ss t i f f n e s sv a r i e si nd i f f e r e n ta n g e s w h i c hr e s u l t si nt h ev a r y i n gf o r c e dd e f o r m a t i o ne r r o r n o to n l yt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h e f o r c e dd e f o r m a t i o nb a s e do nf o u rp o i n t s s t i f f n e s sb u ta l s ot h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a eo ft h e g r i n d i n gf o r c ea r ep r o p o s e d w h i c hl a yaf o u n d a t i o nf o rt h ec o m p e n s a t i o no ft h ef o r c e d d e f o r m a t i o ne r r o ri nc r a n ks h a f tn o n c i r c u l a r 鲥n d i n g 3 t h ei n v e s t i g a t i o ni nt h ei n f l u e n c eo f n ci n t e r p o l a t i o na n ds e l v ol a go ng r i n d i n gq u a l i t y i se o n d u c t e di nt h i st h e s i s w h i c hc o m e st ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h er e s p o n s el a go fs e r v o b r i n g sa b o u ts h a r pi n c r e a s ei nr o u n d n e s se r r o ro fc r a n kp i n c o n s e q u e n t l y t h em a c h i n i n g p r e c i s i o no fc r a n kp i ni sd i f f i c u l tt og u a r a n t e eb yn cs y s t e mw i t h o u tt h ec o m p e n s a t i o nf o r r e s p o n s el a go fs e r v o i nt h el i g h to f t h es e r v or e s p o n s e t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao f t h i se r r o ri s p r o p o s e dt oa c h i e v et h ec o m p e n s a t i o nc o n t r 0 1 v 1 上海大学博士学位论文用纸 4 o na c c o u n to ft h ec o m p l e xd e f o r m a t i o n sa n dd i v e r s i f o r i l le r r o r s t h ec u t t i n gd e p t h o u g h tt ob em o d i f i e da l o n gw i t ht h ev a r i a t i o ni ne r r o rt oa c h i e v ec o n s t a n tr e m o v a lr a t ec o n t r o l i nn o n c i r c u l a r 鲥n d n gf o rc r a n kp i n 1 1 1 ep r e d i c t i o nm e t h o do ft h e o r e t i c a lc u t t i n gd e p t h b a s e do nr b fn e u r a ln e t w o r ki sp u tf o r w a r dt os o l v et h em o t i o nc o n t r o lp r o b l e mi nt h ec r a n k s h a rn o n c i r c u l a rg r i n d i n g 5 t h ec o n t r o l l i n gs o f t w a r eb a s e do ns i e m e n ss i n u m e r i k8 4 0 di sd e v e l o p e df o rt h e c r a n ks h a f tn o n c i r c u l a rg r i n d i n go nt h eb a s i so ft h ea c h i e v e m e n t si nt h i sd i s s e r t a t i o n m o r e o v e r t h er e s u l t so fp r a c t i c a lg r i n d i n gs h o wt h a tb o t ht h em a c h i n i n gp r e c i s i o na n ds u r f a c e r o u g h n e s so f t h ec r a n ks h a f tc o m eu dt oa d v a n c e dw o r l ds t a n d a r d s k e y w o r d s n o n c i r c u l a rg r i n d i n g c r a n k s h a f t f o u rp o i n t s s t i f f n e s s g r i n d i n gf o r c e e r r o rc o m p e n s a t i o n n e u r a ln e t w o r k 上海大学博士学位论文用纸 原创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 除了 文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已发表或撰写过 的研究成果 参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 日期 卿 厶 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有 权保留论文及送交论文复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论 文的全部或部分内容 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 导师签名 日期 u 呤 彳 上海大学博士学位论文用纸 第一章绪论 磨削是一种重要的精加工方法 同其它的加工方法相比 磨削具有加工精度高 获 得的表面质量好 被加工材料硬度高等优点 所以磨削通常作为加工质量要求高的零件 的最终精加工手段 文献 1 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 1 2 3 在我国 磨床的拥有量也己经占到 了金属切削机床总拥有量的1 3 左右 3 1 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 作为各种内燃机的关键零件 高效 高精度地加工曲轴一直是内燃机生产厂家追求 的目标 长期以来 由于曲轴工件形状复杂 刚性差 磨削加工时的误差来源甚多 精 度不易保证 因此 曲轴的磨削加工一直是汽车内燃机制造业的难点 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 传统的曲轴连杆颈磨削加工方法是采用调偏心的方法 即采用专用装夹装置 把曲轴连 杆颈的中心调整到磨床头架的回转中心进行磨削 采用调偏心法磨削 一般要用二台磨床进行曲轴的磨削 一台用于磨削主轴颈 另 一台用于磨削连杆颈 采用这种磨削曲轴的方法存在着如下缺陷 l 需在两道工序上加工 主轴颈的磨削和连秆颈的磨削 工件需两次定位 因 此辅助时间长 加工效率低 存在着两次定位的误差 2 工件的加工状态与应用状态并不相同 往往在线测量时精度不错 离线综合测 量精度难以令人满意 3 加工的零件品种更换困难 品种更换时需更换夹具 并花费大量调整时间 夹 具制造费用较大 加工柔性不高 4 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 同时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 因此采用调偏心法的加工方法不仅工艺性不好 而且经济性也并不好 精度控制困 难 调偏心法加工经过多年的发展 其加工精度已经很难有进一步的发展 且设备的柔 性较低 而新一代内燃机研究对曲轴加工的精度提出了更高的要求 而小批量生产对机 上海大学博士学位论文用纸 床的柔性提出了更高的要求 非圆磨削技术可在同一机床上加工各种不同形状的工件 极大地提高了机床的加工柔性 可用于曲轴的高精 高效加工 近年来 非圆磨削技术 已成为国外曲轴加工的主要研究方向 1 1 课题来源 本课题来源于上海大学 上海机床厂 上海理工大共同申请的上海市科委重点项目 非圆磨削技术的研究开发及其应用 的子项目 曲轴非圆磨削控制系统 1 2 非圆磨削技术的研究背景和意义 12 1 研究背景 随着磨削技术及相关理论的发展 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 1 3 如 高速磨削 砂轮线速度4 s s 1 5 0 m s 现在普遍认为应在1 0 0 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 l h i l 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 如 快速点磨削法 的研究与进展 在减小磨削力 提高加工精度 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 数控技术从第一台数控机床的开发应用开始到目前为止 数控系统经历电子管 晶 体管小规模集成电路构成的硬逻辑数控系统 采用微处理器芯片的软联接的c n c 系统 计算机数控 3 2 位多c p u 数控系统 开放式数据系统的发展过程 当前的数控系统 广泛应用3 2 位c p u 采用软件插补的方式 人机接口图形化 随着计算机软硬件技术的 发展 现代数控系统具备了高精度 高速度控制的能力 同时 高性能开放式数控系统 的实用化 为各种个性化的特殊应用开发提供了可能 目前 以f a n u c3 0 系列 a n d r o n i c 为代表的数控系统已步入纳米时代 且以 f a n u c l 6 1 8 西门子8 4 0 d 系统为代表的数控系统开始进入w i n d o w s 窗口系统 只要 购买了相应的开发系统接口软件包 用户就可以用常用的v b v c 等开发工具开发专用 上海大学博士学位论文用纸 的介面 特殊的加工功能 并且加工精度与系统标准功能完全一样 随着数控技术的发展及c b n 砂轮的应用 数控磨床的应用越来越广 同时高精度高 性能开放式数控系统 直线电机等开发成功及其在磨床上的应用 使磨削加工的设备具 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 因此 磨削加工己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 现代数控技术 高速磨削和c b n 砂轮的应用为非圆磨削奠定了技术基础 产品多 样化小批生产推动了非圆磨削产生 高效高精度的要求进一步推动了非圆磨削技术的发 展 特别是采用c b n 砂轮进行高速磨削具有切削力小 砂轮尺寸精度稳定 磨损量很 小 使用寿命高 磨削时工件和砂轮温度低等优异的性能特点 目前c b n 砂轮的寿命 值g 达1 0 00 0 0 个工作周期以上 3 非圆磨削是以数控技术为基础的m i 技术 具有高 精度 高柔性的特点 可加工各种传统方法无法实现的复杂零件 目前国外的曲轴和凸 轮轴磨削大部分采用c b n 砂轮数控磨削 而曲轴的磨削技术也朝数控非圆磨削发展 所谓非圆磨削一般指在数控磨削过程中 磨削点的轨迹为非圆曲线 对应于数控系 统的直线和圆弧插补而言 的磨削过程 非圆磨削又可分为轨迹磨削 多轴多维联动 类似数控铣削过程 和e x 同步磨削技术 本文所指非圆磨削即为c x 同步磨削技术 是发达国家近年新开发的一种跟踪磨削技术 它采用磨床头架即c 轴带动工件旋转 磨 床砂轮架运动即x 轴根据头架指令随动跟踪进行磨削的一种技术 称为非圆磨削 2 6 也 有称切点跟踪磨削脚m m 国外也有称0 s c i f l a r eg r i n d i n g 和c h a s i n gt h ep i n 它既能加工圆形工件又能加工非圆工件 如各种凸轮 凸轮轴 2 偏心轴 曲轴和各种 曲面及多边形零件的数控磨削技术 非圆磨削技术是高性能的数控系统及控制技术和高速磨削技术在高精度 高柔性的 曲轴等复杂零件磨削加工中与精密机械技术 磨削加工工艺等交叉 综合应用的最新成 果 非圆曲轴磨削从技术上克服了现有曲轴类零件磨削方式的缺点 即 不需两次定位 只需一台磨床 在一次装夹 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 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 同时由于采用全数控磨削的加工方式 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 由建立的非圆磨削加工运动的 上海大学博士学位论文用纸 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 非圆磨削技术具有 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 1 2 2研究意义 磨床是很多行业精密生产加工必备的设备 由于磨床加工精度高的特点 也使磨床 制造水平成为一个国家机械制造水平的重要标志 只有高精度的机床才能加工高精度的 工件 数控磨床作为一种高精度的工作母机对提高我国机械产品的竞争力将起到重要的 作用 随着我国汽车及造船等工业的发展 各种内燃机的产量越来越大 质量要求也越来 越高 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 作为曲轴零件最终加工工序 精磨后的精度一般作为曲轴的最终工作精度 所以 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睦轴的加工成本和效 率 我国的机床行业经过几十年的发展 已经具备了一定的生产规模和生产能力 但总 的来说 离世界先进水平还有一定的差距 特别在高精度数控机床方面 还有不少的差 距 而在数控磨削方面 差距更大 国外的曲轴非圆磨削 凸轮磨削 多面形磨削 轮 廓磨削都已进入生产实际应用 而国内仅凸轮磨削已进入工厂生产 国外虽然有现成的 产品 但价格昂贵 且其核心技术并不公开 有关曲轴跟踪磨削的实际控制技术都是各 生产企业的绝密技术 几乎没有实质性公开论文或资料 国内虽有部分大学和机构进行 了一些理论研究 但到目前为止 还没有产品推出 我们要使用该技术 只能高价购买 国外设备 同时 国外的非圆磨削技术也还处于发展之中 其技术的应用也只有数年时 间 曲轴非圆磨削加工的精度还远达不到外圆磨削的同等精度 有待进一步提高 因此 研究曲轴非圆磨削 在理论上 可提高我国非圆磨削的基础理论研究水平 在技术上 可填补我国在曲轴非圆磨削生产领域的空白 在数控磨削技术方面缩短 甚 至赶上和超过国外先进水平 促进数控磨削技术在我国的研究与发展 在经济上 曲轴 非圆磨削机床研究成功 不仅可节约大量购买设备的外汇 而且利用我国的生产价格优 势可出口创汇 同时曲轴非圆磨削技术的广泛应用可使我国的内燃机的生产更上一层 上海大学博士学位论文用纸 楼 进一步提高相关企业的竞争能力 1 3 国内外非圆磨削研究现状 1 3 一 国外非圆磨削研究现状 从文献检索情况看 国外在凸轮非圆磨削的研究文章比较多 而曲轴非圆磨削的研 究比较少 主要原因是虽然非圆磨削在国外产业化 但该技术还处于保密状态 因此公 开发表的文献非常少 目前 在凸轮非圆磨削方面 不莱美大学 b r e m e n 的l g u o 等对凸轮轴磨削非线 性适应控制进行了研究 o k a y a m a 大学戢j f u j i w a r a 等分析研究了凸轮和曲轴c n c 磨削的 机械n n c 6 1 1 2 汉诺威 h a n n o v e r 大的t o e n s h o f f h a n sk u r t 等在非圆磨削的力适 应控制方面 6 3 进行了深入的研究 日本冈山大学的剐i w a r a 等在文献 1 1 6 1 中提出了非圆 磨削的运动模型 但总的来说在曲轴非圆磨削方面 国外的文献没有实质性的内容 尽管如此 美国 日本和德国在凸轮 曲轴连杆颈等非圆柱表面回转体零件磨削加 工方面取得了很大的成就 如美 司l a n d i s 公司 德国的j u n k e r 公司等一些先进磨床厂家 都在不断提高曲轴连杆颈数控加工技术的研究水平 国外非圆磨削的产业化己开始成 熟 非圆曲轴磨削加工机床也已有七家公司推出了产品 目前 目前容克 j u n k e r 公司 型号j u c r a n k 5 0 0 2 肖特 s c h a u t 公司 型号c r 4 1 c b n 斯图特 s t u d e r c r 4 1c b n 公司 日本的丰田 t o y o t a 工机 曰平富山公司 n t c 美国的兰 迪斯 l a n d i s 3l c n c i t 轴销磨床 等公司均已生产出非圆磨削曲轴磨床 而凸轮机 床的生产厂家更多 安德鲁公司已生产出凸轮轴磨床专用的数控系统 西门子公司也针 对凸轮轴磨床进行了专用的功能模块开发 国外非圆曲轴磨削机床特性如下 工件圆度 3 4 9 m 砂轮虽大线速度达到1 2 0 m s 以上 砂轮主轴轴向窜动 o 0 0 5i t l m 砂轮主轴径向跳动 o 0 0 5i r 瑚 x 轴重复定位精度 o 0 0 2m m 表面粗糙度 r a o 4 0 6 3um 切入磨 由此可见 i n c h 的曲轴非圆磨削技术已可基本满足生产实际需要 但目前高精度 的外圆磨削的圆度可达11 1m 以下 与外圆磨削相比 其所能达到的加工圆度还有一定的 上海大学博士学位论文用纸 差距 这也晚明 国外的产品也还不完善 有待进一步提高 当前 总体来说曲轴连杆磨削加工技术正朝着使用超硬磨料磨具如立方氮化硼 c b n 砂轮 开发精密及超精密磨削 采用高速 高效磨削工艺 研制高精度 高刚度 高可 靠性的自动化磨床的方向发展 1 3 2 国内非圆磨削研究现状 在国内非圆磨削领域 研究的单位非常多 湖南大学 上海机床厂 浙江大学 华东 理工大 北京航空航天大学等高等院校和单位各自在不同领域做了一定的研究 目前国 内的非圆磨削分为以下几个方面 拟合逼近法 由于非圆曲线插补计算复杂 一般没专用的数控插补算法 加工非圆曲线通常 采用通用的圆弧或直线来逼近非圆曲线 为了获得更高的加工精度 人们研究了各 种逼近方法 逼近方法有伸缩步长澍7 1 最小拟合误差 8 l 切线逼近法 1 1 最小二乘 法等1 4 1 9 1 2 1 3 1 1 1 5 采用拟合逼近法 一般用于精度要求不是很高的成形磨削 直接插补理论 浙江大学邬义杰提出了多面形非圆曲面磨削时研究了直接插补理论 1 j 1 6 1 并推出了 针对多面形非圆曲面磨削的插补加工递推公式 华中理工大的谢胜泉研究了曲轴的自适 自学应跟踪理谢1 7 7 4 9 4 蚓 并对采用该磨削方法i 拘c b n 磨削c n c 系统的关键技术进行 了研究 在华中数控系统的基础上针对曲轴非圆磨削从控制系统角度进行了研究 切点跟踪理论 2 8 1 2 9 3 0 1 1 5 l 湖南大学的许第红 周志雄等提出了切点跟踪磨削的理论 并认为 曲轴非圆磨 削的运动模型是按照切点沿连杆颈表面恒线速度运动并按照恒磨除率进行修正 湖南大 学周志雄教授对切点跟踪磨削刚度误差等进行了分析 但他只是对可能产生的现 象进行了分析 具体的修正方法并没有研究 最终能用于非圆磨削的运动方程也并没有 给出 其实验结果工件的圆度误差还比较大 难以满足生产需要 由于曲轴非圆磨削控制难度较大 国内的非圆磨削技术研究主要集中在凸轮轴磨削 研究 在曲轴非圆磨削研究上 国内的研究仅止于理论与实验摸索中 还没有形成能应 用于实际的控制模型 到目前为止 国内还没有非圆磨削曲轴磨床生产 1 4 论文主要研究内容及章节安排 第一章介绍课题的来源 目的及意义 介绍相关背景和当前国内外研究概况及存在 6 上海大学博士学位论文用纸 的问题 第二章根据曲轴非圆磨削的特点 分析了非圆磨削的运动模型 建立了曲轴非圆磨 削的恒磨除率控制运动模型 第三章根据磨削的基本原理分析了影响非圆磨削精度的主要因素 研究了曲轴非圆 磨削过程中的静态误差产生的原因及误差的计算 第四章研究了曲轴受磨削力作用变形量的计算 提出了四点刚度力变形误差计算 法 第五章研究了曲轴磨削力的计算方法 提出了曲轴非圆磨削过程中的磨削力计算模 型 第六章分析了数控系统对曲轴非圆磨削精度的影响 研究不同插补方法的加工精度 和伺服滞后对非圆磨削加工精度的影响 第七章研究曲轴非圆磨削的控制策略 采用动静结合的方法 补偿曲轴非圆磨削过 程中产生的各种误差 对静态误差采用模型补偿 并给出了补偿模型 对磨削力引起的 动态误差 采用基于r b f o 经网络的曲轴非圆磨削运动补偿量预测模型进行补偿量计 算 并提出了基于样条的曲轴非圆磨削插补算法 第八章曲轴非圆磨削控制的原型系统介绍 第九章全文总结与进一步研究展望 上海大学博士学位论文用纸 第二章i t 轴t b i t l 磨削的运动学分析与运动模型的建立 曲轴进行非圆磨削 必须按照一定的运动模型进行磨削 才能使曲轴加工精度得到 保证 由于曲轴磨削的运动轨迹是通过x c 两轴联动得到 其磨削过程不同于一般的外 圆磨削 因此需要研究x 轴和c 轴运动之间的运动规律以及磨削过程对运动的影响 建 立能满足曲轴磨削加工精度要求的运动模型 在磨削过程中 当量磨削厚度是研究磨削的基本参数 当量磨削厚度与磨削力 表 面粗糙度和砂轮耐用度等有非常好的相关性 同时当量磨削厚度还与工件的最终加工尺 寸直接相关 对外圆磨削 不同角度上当量磨削厚度不同将引起工件圆度误差 当量磨削厚度h 计算式为 一 玛争 罟 协 式中 工件速度 一一磨削深度 径向 k 一砂轮速度 q 一金属磨除率 图2 1 等角速度磨削过程 如仅考虑磨削运动引起的当量磨削厚度不同误差 当曲轴等角速度旋转时 磨削切点沿 连杆颈表面运动 不同角度单位时间走过的弧长并不相同 如图2 1 当a 角从0 运动 上海大学博士学位论文用纸 到9 0 6 时 其磨削切点沿连杆颈表面从a 运动到b 当 角从9 0 运动到1 8 0 时 其磨削切点沿连杆颈表面从b 运动到c 从图中可看出 a b 和b c 的弧长明显不同 因此 按式 2 1 在一周内的不同角度 其工件的速度v 并不相同 因此其磨削过 程的磨除率和当量磨削厚度并不相同 因此必定产生圆度误差 因为磨削过程中 每个 磨削点的当量磨削厚度受工件速度 砂轮速度和进给量等影响 因此 非圆曲轴磨削运 动模型较复杂 不能采用外圆磨削使用的等角速度运动模型 2 1 曲轴非圆磨削过程磨削点的运动方程与轨迹 当曲轴连杆颈绕主轴颈中心旋转时 砂轮作跟随运动 保持与连杆颈相切 如图 2 2 切点的坐标轨迹方程为 r c o s o r c o s i r s i n z r s i n 2 2 r s i n a r r s i n 卢 式中 r 为曲轴连杆颈的偏心距 r w 为连杆颈半径 x i y i 为切点相对曲轴回 转中心o 的直角坐标 o 连杆颈中心 o 为砂轮中心 a 为o o w 与o o s 的夹角 b 为 o o 与o o 的夹角 砂轮中心的运动方程为 o o 距离 x 2 r c o s a r r c o s 2 3 2 2曲轴非圆磨削状态 曲轴磨削过程磨削点的运动轨迹如图2 3 所示 其形状为近似于椭圆形 在磨削过 程中 曲轴连杆颈绕中心作回转运动 砂轮为了保证磨削切点的位置沿x 轴做周期性的 往复运动 但由于曲轴非圆磨削过程运动的复杂性 磨削过程的参数相互影响 要实 现恒磨除率磨削 必须建立能准确反映曲轴非圆磨削运动的运动模型 9 上海大学博士学位论文用纸 o 一 f 头架顶尖的弹性变形量 尾座顶尖的弹性变形量 工件的弹性变形量 以上的弹性变形最后在工件上产生一个总的变形误差e 称为残留余量 残留余量 的大小与磨削过程的法向力成比例 而法向磨削力与磨削深度成比例 因此e 与切入深 度成比例 s f a k a 3 3 对外圆磨削 k 的值为0 1 l 当在磨削的第一次行程中 砂轮的名义进给量为a d 时 残留余量为e 则以后每次的进给量与残留余量为 行程名义进给量 实际进给量残留余量 第一次口j 2 a a 一 1 与 k 巳 第二次口2 d 口a f a 口4 l s2 岛 k q 第i 次4 2 a 3 a 口 l 一广 l 气 k 因崛 1 羔门 口 3 4 由于k 的值为正数 故随着行程的次数的增加实际进给量逐渐等于名义进给量 当 经过i 次磨削后 砂轮架停止进给 对普通外圆磨削 还需要进行几次 去火花磨削 才能基本消除弹性变形量 所谓 去火花磨削 是指砂轮与工件之间没有径向的进给 仅依靠系统的弹性回复力维持磨削的过程 去火花磨削 的行程次数越多 弹性变形 越小 最后逐渐趋近于零 由此可见 弹性变形不仅影响加工精度 磨削力的摩擦部分 引起的变形 比较大时会严重影响生产效率 尽管外圆磨削过程中 影响工件磨削精度的因素很多 但除振动引起的误差外 其 上海大学博士学位论文用纸 余的因素只对工件的半径产生影响 而对工件的圆度影响非常小 而半径误差可通过切 入量的调整进行补偿 因此在同等条件下 外圆磨削可达到比较高的加工精度 3 2 影响曲轴非圆磨削精度的主要因素 非圆曲轴磨削过程中 工件速度与砂轮速度不断变化引起磨削力大小变化 加上 x 轴往复运动过程中的加速度变化 砂轮磨损等引起的变化 磨削时的当量磨削厚度 磨除率很难控制恒定 同时由于曲轴颈的尺寸较小 曲轴的长度较长 属异形细长轴 本身的刚性较弱 磨削过程中由磨削力产生的变形较大 而曲轴非圆磨削过程中 磨削 力的方向随磨削切点的变化而变化 不同角度上产生的变形量并不相同 因此曲轴非圆 磨削产生的误差形式与外圆磨削并不相同 产生的误差的量也要比外圆磨削大 外圆磨 削的有关误差理论 在非圆磨削过程中并不适用 尽管曲轴非圆磨削过程与外圆磨削有所不同 但影响外圆磨削的有关因素在非圆磨 削过程中同样存在 只不过产生的误差的量有所不同 且非圆磨削的影响因素更多 从 磨削过程分析 曲轴非圆磨削过程中影响磨削质量的主要因素为 磨肖 力引起的弹塑性 变形 运动模型误差 见第二章 数控系统的插补与伺服跟踪误差 工艺系统引起的误 差及热变形误差 二 如果只考虑各种因素在曲轴非圆磨削过程对连杆颈圆度的影响 而不考虑对连杆颈 半径的影响 则由于曲轴连杆颈的表面为圆柱 尽管高速磨削时的磨削热增加 热变形 量也增加 但对圆度的影响却并不大 热变形误差的影响可不预考虑 与外圆磨削一样 曲轴非圆磨削过程中各种因素引起的误差可分为动态误差与静态 误差两部分 同样 非弹性变形 磨损及工艺系统的静态误差为静态误差 与磨削运动 动态过程有关的力变形 热变形等为动态误差 在普通的外圆磨削过程中 由于轴类零件的各向同性 工艺系统静态误差只影响零 件的直径 不影响工件的圆度 而曲轴非圆磨削的静态工艺参数误差不仅影响连杆颈的 直径 而且影响连杆颈的圆度 将直接反映到工件上 影响曲轴的最终质量 工艺系统 误差不受磨削过程的影响 是系统固有误差 对任何工件 固有误差的影响是固定的 必须进行合理的补偿 曲轴非圆磨削过程中由磨削力引起的变形 数控系统的插补与伺服跟踪误差将在以 后章节予以讨论 本章仅讨论工艺系统误差 上海大学博士学位论文用纸 3 3 曲轴非圆磨削的静态工艺系统误差 3 2 1 砂轮中心与曲轴回转中心不等高产生的误差 如图3 3 当砂轮中心的中心高度比曲轴回转中心高度低e 0 3 时 在 o o 0 3 中由余弦定理有 r s r l 0 1 0 3 x o z 0 22 e 2 2 0 j 0 2 8 c o s 9 0 p r s r l 月 r 2 p 2 2 r r 8 c o s 9 0 胄 为实际连杆颈半径 则引起的连杆颈半径误差为 占 f r s r w j 2 9 2 2 r r r e c o s 9 0 卢 一r 一r 式3 5 两边平方后可得 r rw 1 2 r r 2 已2 2 r r e c o s 9 0 r 2 2 r r 2 r r e c o s 9 0 f i r 一2 r r l r 1 2 e 2 0 令r l r 岛代入式 3 7 得 2 r r e c o s 9 0 e 2 一p 一2 r r s h 0 当e 比较小时 可略去二次项 得 s h e c o s 9 0 砂轮中心由0 偏移到 3 5 3 6 3 7 3 8 图3 3中心高偏移误差 同理可得 当砂轮中心高度比曲轴回转中心高e 时 相当于把一e 代入式3 7 和3 8 即可得 一2 r r e c o s 9 0 e 2 一占 一2 r r s h 0 9 上海大学博士学位论文用纸 当e 比较小时 可略去二次项 得 s b 一e c o s 9 0 3 1 0 考虑中心高度偏移量的方向性 定义曲轴中心比砂轮中心高为正 则可合二为一 用式3 9 和式3 1 0 来表示 对中心高的补偿其补偿量可直接按式3 9 和式3 1 0 求得连 杆颈半径的变化 再转化为x 轴的运动进行补偿 图3 4 为中心高引起的误差仿真 砂 1 轮半径r 产3 0 0 f f u h 曲轴连杆颈半径 r 3 5 面矗j 一连杆颈偏心距r 6 7 5 i r i f i a 以下未注明 的仿真参数均为此参数 上海大学博士学位论文用纸 图3 5x 轴坐标偏移误差 图3 6a x 0 1 m m 时连杆颈半径的变化曲线 3 4 砂轮半径变化引起的加工误差 由运动模型可知 砂轮半径是运动模型的相关参数之一 当砂轮半径在磨削过程中 发生变化而数控程序没在实时调整时 将直接影响到曲轴颈的最后磨削尺寸 当磨削过程中砂轮由于磨损 其半径从计算半径r 变为实际半径r 一 r 时 由于 磨削过程的工件尺寸是以某点为相对基准进行加工的 因此 实际磨削过程中砂轮中心 偏移了原来的计算中心 当以c i o 作为磨削参考点时 产生的误差形状 r r r 1 rw l r 一a r r l 故 r l r 曲 3 1 1 因此 砂轮半径减少直接反映到曲轴连杆颈半径上 但