經(jīng)濟型凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)的凸輪軸磨床采用靠模成形法。由于靠模本身誤差、機床傳動誤差及靠模法磨削成形原理等因素造成靠模仿形法加工出的凸輪型面曲線誤差較大。另外，靠模易磨損，更換周期長、造價高，還可能降低機床的精度。國外一些工業(yè)發(fā)達國家從80年代開始，逐漸應用數(shù)控凸輪軸磨床來滿足生產(chǎn)要求。但是，由于數(shù)控凸輪軸磨床技術(shù)含量高，目前僅有少數(shù)幾個國家能夠掌握這項技術(shù)，故機床售價昂貴，臺價高達60～80萬美元，國內(nèi)企業(yè)一般無法承受。因此，我們有必要研制出我國自己的數(shù)控凸輪軸磨床，重點是凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)，以滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。

1 設計思想

    數(shù)控凸輪軸磨床的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)控成形。由于數(shù)控成形方式的不同，數(shù)控凸輪軸磨床有兩種型式。一種是極坐標式：即工件轉(zhuǎn)動、砂輪架進給以形成凸輪輪廓。這種方式控制算法比搖架式簡單些，容易提高加工精度，但生產(chǎn)率較低。另一種是搖架式：即工件轉(zhuǎn)動、搖架擺動以形成凸輪輪廓。因搖架慣量比砂輪慣量小，故該方式生產(chǎn)率較高，但技術(shù)比較復雜�？紤]到傳統(tǒng)的凸輪軸磨床都是搖架式，采用搖架式數(shù)控成形不僅生產(chǎn)率高，而且有利于傳統(tǒng)凸輪軸磨床的數(shù)控改造，故本數(shù)控系統(tǒng)采用搖架式數(shù)控成形。為保證凸輪加工的精度，工件轉(zhuǎn)動和搖架擺動之間采用強迫耦合技術(shù)；搖架的角位移用光柵檢測反饋，再通過數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)提高輪廓控制精度。為保證生產(chǎn)率，工件的轉(zhuǎn)動和搖架的擺動采用交流或直流伺服電機。為降低成本，工作臺的移動采用步進電機。

     機床的主機是對一臺M8312型普通凸輪軸磨床進行數(shù)控改造后形成的。該機床的數(shù)控改造主要有以下幾點。

1) 頭架主軸的轉(zhuǎn)動由原來的兩級變速改為由交流變頻器控制的無級調(diào)速，以實現(xiàn)對凸輪軸的不等角速度控制。

2) 拆掉原靠模機構(gòu)，通過直流伺服電機、滾珠絲杠、杠桿機構(gòu)來帶動搖架擺動，以實現(xiàn)數(shù)控成形。

3) 工作臺的移動原為手輪操作，現(xiàn)改為步進電機驅(qū)動，以實現(xiàn)自動更換凸輪桃子。

改造后的機床傳動系統(tǒng)如圖1所示。

1.主軸電機 2.伺服電機 3.工件主軸 4.光柵 5.搖架 6.工作臺 7.床身 8.步進電機

圖1 數(shù)控凸輪軸磨床傳動系統(tǒng)圖

2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

    本系統(tǒng)采用STD總線工業(yè)控制機，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)硬件原理圖

    CPU板是系統(tǒng)的控制核心，完成數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計算、信息處理、調(diào)節(jié)算法以及輸入輸出控制等。存儲器板存儲系統(tǒng)程序、凸輪數(shù)據(jù)等。鍵盤、顯示板管理鍵盤輸入和顯示輸出。兩個D/A板將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，其中一個控制直流伺服電機以帶動搖架作凸輪輪廓數(shù)控成形運動，并采用看門狗監(jiān)視以提高系統(tǒng)的可靠性；另一個通過變頻器驅(qū)動普通的三相交流異步電機，完成頭架主軸的旋轉(zhuǎn)運動。兩個D/A板的轉(zhuǎn)換精度為12位。I/O輸入輸出板上有32個開關(guān)量輸入輸出口，其中16個輸入口，16個輸出口；另外還有步進電機輸出口，通過驅(qū)動板驅(qū)動步進電機。LINK板是一個與PC計算機通訊的連接板。PC計算機計算出來的凸輪輪廓數(shù)據(jù)可通過LINK板下載到存儲器板上的RAM存儲器中。

3 軟件功能及技術(shù)特點

    軟件的編輯功能允許用戶輸入、刪除和修改數(shù)據(jù)；控制功能能實現(xiàn)凸輪輪廓的數(shù)控成形，凸輪軸的圓周分度，主軸的不等角速度轉(zhuǎn)動，步進電機的升降頻控制、速度控制、方向控制和位移控制，機床的手動、自動、回零和圓周定位等；中斷功能能處理機床的急停、搖架限位、工作臺限位、光柵零位和伺服報警等信號。下面是其技術(shù)特點：

1) 凸輪輪廓數(shù)控成形 去掉靠模，采用數(shù)控方式形成凸輪輪廓，可明顯提高機床加工的柔性。產(chǎn)品變更時，只需改變數(shù)控軟件即可，不再需要制造和更換靠模。用戶可將現(xiàn)有產(chǎn)品的輪廓曲線輸入數(shù)控系統(tǒng)，并加以編號，加工時只要輸入該產(chǎn)品編號即可。

2) 強迫耦合技術(shù) 在工件主軸轉(zhuǎn)動和搖架擺動之間采用了強迫耦合技術(shù)，提高了凸輪輪廓的成形精度。

3) 頭架主軸不等角速度轉(zhuǎn)動 當頭架主軸帶動工件作勻速轉(zhuǎn)動時，在凸輪曲線陡峭的地方，工作進給量急劇增加，磨削熱和磨削壓力都隨之增加，嚴重時會導致燒傷和裂痕。據(jù)某工廠統(tǒng)計，在凸輪軸磨削加工時，工件轉(zhuǎn)速為15r/min，燒傷和裂痕導致的廢品率為2%～5%；工件轉(zhuǎn)速為30r/min，燒傷和裂痕導致的廢品率在30%左右。因此，為了避免燒傷和裂痕，不得不降低工件轉(zhuǎn)速，降低了生產(chǎn)率。

    本系統(tǒng)通過變頻器驅(qū)動三相異步電機，使頭架主軸實現(xiàn)不等角速度轉(zhuǎn)動：在凸輪曲線陡峭的地方，工件速度放慢；在凸輪曲線平緩的地方，工件轉(zhuǎn)速加快。這樣，既避免了燒傷和裂痕，又提高了生產(chǎn)率。

4) 凸輪成形隨砂輪直徑變化的自動校正 在凸輪輪廓加工中，當砂輪直徑變化時，砂輪與凸輪輪廓線的接觸點將產(chǎn)生移動，引起成形誤差�？磕７�加工時，一定的靠模對應于一定的砂輪直徑，加工才精確。砂輪磨損后，直徑減小，誤差就增加。因此，靠模成形原理決定了被加工凸輪精度不高，且砂輪可利用直徑范圍不大。

    本系統(tǒng)在加工時能隨砂輪直徑的變化自動校正輪廓曲線，提高了加工精度，延長了砂輪的使用壽命。

5) 機床數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù) 采用機床數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的快速性和精確性。對于一臺給定的機床，可以找到適合于它的最優(yōu)調(diào)節(jié)器類型和最優(yōu)調(diào)節(jié)器參數(shù)。本系統(tǒng)在8088CPU，4.9MHz時鐘的硬件條件下，由于采用了數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)，保證了在工件轉(zhuǎn)速為50r/min時，型線輪廓加工精度控制在±0.03mm之內(nèi)。如果采用更高檔次的工業(yè)控制微機，可以進一步提高工件的轉(zhuǎn)速和加工精度。

4 應用情況及結(jié)論

    用改造后的M8312數(shù)控凸輪軸磨床對安徽巢湖油泵油嘴廠的一號泵凸輪軸進行了加工和裝泵使用。該廠質(zhì)檢處和產(chǎn)品研究室對預行程、相位角誤差、供油量和噪聲進行了測試。結(jié)果表明，被加工的凸輪軸達到技術(shù)要求，裝泵后的整機性能達到企業(yè)標準，使用狀況良好。根據(jù)研制和使用情況，結(jié)論如下：

1) 去掉靠模，采用數(shù)控方式形成凸輪輪廓，可明顯提高機床加工的柔性。產(chǎn)品變更時，只需改變數(shù)控軟件即可，不再需要制造和更換靠模。試驗和實踐證明，這種搖架擺動式數(shù)控成形的方法是可行的，并具有生產(chǎn)率高和便于傳統(tǒng)凸輪軸磨床改造的優(yōu)點。

2) 采用變頻器驅(qū)動原機床的三相異步電機，花錢不多實現(xiàn)了頭架主軸的不等角速度轉(zhuǎn)動。這樣，既避免了燒傷和裂痕，又提高了生產(chǎn)率。

3) 加工時系統(tǒng)能隨砂輪直徑的變化自動校正輪廓曲線。這樣，既提高了加工精度，又延長了砂輪的使用壽命。

4) 系統(tǒng)在8088CPU，4.9MHz時鐘的硬件條件下，由于采用了數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)，保證了在工件轉(zhuǎn)速為50r/min時，型線輪廓加工精度控制在±0.03mm之內(nèi)。

5) 由于該工控機運行速度偏低，不能滿足更高生產(chǎn)率和更高精度的要求，采用高檔次的微機可以改善這一情況。