经济型凸轮轴磨床数控系统

传统的凸轮轴磨床采用靠模成形法。由于靠模本身误差、机床传动误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轮型面曲线误差较大。另外，靠模易磨损，更换周期长、造价高，还可能降低机床的精度。国外一些工业发达国家从80年代开始，逐渐应用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，台价高达60～80万美元，国内企业一般无法承受。因此，我们有必要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。

1 设计思想

    数控凸轮轴磨床的关键技术是数控成形。由于数控成形方式的不同，数控凸轮轴磨床有两种型式。一种是极坐标式：即工件转动、砂轮架进给以形成凸轮轮廓。这种方式控制算法比摇架式简单些，容易提高加工精度，但生产率较低。另一种是摇架式：即工件转动、摇架摆动以形成凸轮轮廓。因摇架惯量比砂轮惯量小，故该方式生产率较高，但技术比较复杂。考虑到传统的凸轮轴磨床都是摇架式，采用摇架式数控成形不仅生产率高，而且有利于传统凸轮轴磨床的数控改造，故本数控系统采用摇架式数控成形。为保证凸轮加工的精度，工件转动和摇架摆动之间采用强迫耦合技术；摇架的角位移用光栅检测反馈，再通过数字调节技术提高轮廓控制精度。为保证生产率，工件的转动和摇架的摆动采用交流或直流伺服电机。为降低成本，工作台的移动采用步进电机。

     机床的主机是对一台M8312型普通凸轮轴磨床进行数控改造后形成的。该机床的数控改造主要有以下几点。

1) 头架主轴的转动由原来的两级变速改为由交流变频器控制的无级调速，以实现对凸轮轴的不等角速度控制。

2) 拆掉原靠模机构，通过直流伺服电机、滚珠丝杠、杠杆机构来带动摇架摆动，以实现数控成形。

3) 工作台的移动原为手轮操作，现改为步进电机驱动，以实现自动更换凸轮桃子。

改造后的机床传动系统如图1所示。

1.主轴电机 2.伺服电机 3.工件主轴 4.光栅 5.摇架 6.工作台 7.床身 8.步进电机

图1 数控凸轮轴磨床传动系统图

2 数控系统的硬件结构

    本系统采用STD总线工业控制机，其系统组成如图2所示。

图2 数控系统硬件原理图

    CPU板是系统的控制核心，完成数控系统的数据计算、信息处理、调节算法以及输入输出控制等。存储器板存储系统程序、凸轮数据等。键盘、显示板管理键盘输入和显示输出。两个D/A板将数字信号转换成模拟信号，其中一个控制直流伺服电机以带动摇架作凸轮轮廓数控成形运动，并采用看门狗监视以提高系统的可靠性；另一个通过变频器驱动普通的三相交流异步电机，完成头架主轴的旋转运动。两个D/A板的转换精度为12位。I/O输入输出板上有32个开关量输入输出口，其中16个输入口，16个输出口；另外还有步进电机输出口，通过驱动板驱动步进电机。LINK板是一个与PC计算机通讯的连接板。PC计算机计算出来的凸轮轮廓数据可通过LINK板下载到存储器板上的RAM存储器中。

3 软件功能及技术特点

    软件的编辑功能允许用户输入、删除和修改数据；控制功能能实现凸轮轮廓的数控成形，凸轮轴的圆周分度，主轴的不等角速度转动，步进电机的升降频控制、速度控制、方向控制和位移控制，机床的手动、自动、回零和圆周定位等；中断功能能处理机床的急停、摇架限位、工作台限位、光栅零位和伺服报警等信号。下面是其技术特点：

1) 凸轮轮廓数控成形 去掉靠模，采用数控方式形成凸轮轮廓，可明显提高机床加工的柔性。产品变更时，只需改变数控软件即可，不再需要制造和更换靠模。用户可将现有产品的轮廓曲线输入数控系统，并加以编号，加工时只要输入该产品编号即可。

2) 强迫耦合技术 在工件主轴转动和摇架摆动之间采用了强迫耦合技术，提高了凸轮轮廓的成形精度。

3) 头架主轴不等角速度转动 当头架主轴带动工件作匀速转动时，在凸轮曲线陡峭的地方，工作进给量急剧增加，磨削热和磨削压力都随之增加，严重时会导致烧伤和裂痕。据某工厂统计，在凸轮轴磨削加工时，工件转速为15r/min，烧伤和裂痕导致的废品率为2%～5%；工件转速为30r/min，烧伤和裂痕导致的废品率在30%左右。因此，为了避免烧伤和裂痕，不得不降低工件转速，降低了生产率。

    本系统通过变频器驱动三相异步电机，使头架主轴实现不等角速度转动：在凸轮曲线陡峭的地方，工件速度放慢；在凸轮曲线平缓的地方，工件转速加快。这样，既避免了烧伤和裂痕，又提高了生产率。

4) 凸轮成形随砂轮直径变化的自动校正 在凸轮轮廓加工中，当砂轮直径变化时，砂轮与凸轮轮廓线的接触点将产生移动，引起成形误差。靠模法加工时，一定的靠模对应于一定的砂轮直径，加工才精确。砂轮磨损后，直径减小，误差就增加。因此，靠模成形原理决定了被加工凸轮精度不高，且砂轮可利用直径范围不大。

    本系统在加工时能随砂轮直径的变化自动校正轮廓曲线，提高了加工精度，延长了砂轮的使用寿命。

5) 机床数字调节技术 采用机床数字调节技术可以增加系统的稳定性，提高系统的快速性和精确性。对于一台给定的机床，可以找到适合于它的最优调节器类型和最优调节器参数。本系统在8088CPU，4.9MHz时钟的硬件条件下，由于采用了数字调节技术，保证了在工件转速为50r/min时，型线轮廓加工精度控制在±0.03mm之内。如果采用更高档次的工业控制微机，可以进一步提高工件的转速和加工精度。

4 应用情况及结论

    用改造后的M8312数控凸轮轴磨床对安徽巢湖油泵油嘴厂的一号泵凸轮轴进行了加工和装泵使用。该厂质检处和产品研究室对预行程、相位角误差、供油量和噪声进行了测试。结果表明，被加工的凸轮轴达到技术要求，装泵后的整机性能达到企业标准，使用状况良好。根据研制和使用情况，结论如下：

1) 去掉靠模，采用数控方式形成凸轮轮廓，可明显提高机床加工的柔性。产品变更时，只需改变数控软件即可，不再需要制造和更换靠模。试验和实践证明，这种摇架摆动式数控成形的方法是可行的，并具有生产率高和便于传统凸轮轴磨床改造的优点。

2) 采用变频器驱动原机床的三相异步电机，花钱不多实现了头架主轴的不等角速度转动。这样，既避免了烧伤和裂痕，又提高了生产率。

3) 加工时系统能随砂轮直径的变化自动校正轮廓曲线。这样，既提高了加工精度，又延长了砂轮的使用寿命。

4) 系统在8088CPU，4.9MHz时钟的硬件条件下，由于采用了数字调节技术，保证了在工件转速为50r/min时，型线轮廓加工精度控制在±0.03mm之内。

5) 由于该工控机运行速度偏低，不能满足更高生产率和更高精度的要求，采用高档次的微机可以改善这一情况。