經(jīng)濟型凸輪軸磨床數控系統
/ 2021/6/5 10:44:23
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傳統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(dòng)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(xiàn)誤差較大。另外，靠模易磨損，更換周期長(cháng)、造價(jià)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(kāi)始，逐漸應用數控凸輪軸磨床來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。但是，由于數控凸輪軸磨床技術(shù)含量高，目前僅有少數幾個(gè)國家能夠掌握這項技術(shù)，故機床售價(jià)昂貴，臺價(jià)高達60～80萬(wàn)美元，國內企業(yè)一般無(wú)法承受。因此，我們有必要研制出我國自己的數控凸輪軸磨床，重點(diǎn)是凸輪軸磨床數控系統，以滿(mǎn)足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。
1 設計思想
數控凸輪軸磨床的關(guān)鍵技術(shù)是數控成形。由于數控成形方式的不同，數控凸輪軸磨床有兩種型式。一種是極坐標式：即工件轉動(dòng)、砂輪架進(jìn)給以形成凸輪輪廓。這種方式控制算法比搖架式簡(jiǎn)單些，容易提高加工精度，但生產(chǎn)率較低。另一種是搖架式：即工件轉動(dòng)、搖架擺動(dòng)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。考慮到傳統的凸輪軸磨床都是搖架式，采用搖架式數控成形不僅生產(chǎn)率高，而且有利于傳統凸輪軸磨床的數控改造，故本數控系統采用搖架式數控成形。為保證凸輪加工的精度，工件轉動(dòng)和搖架擺動(dòng)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(guò)數字調節技術(shù)提高輪廓控制精度。為保證生產(chǎn)率，工件的轉動(dòng)和搖架的擺動(dòng)采用交流或直流伺服電機。為降低成本，工作臺的移動(dòng)采用步進(jìn)電機。
機床的主機是對一臺M8312型普通凸輪軸磨床進(jìn)行數控改造后形成的。該機床的數控改造主要有以下幾點(diǎn)。
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(jìn)電機
圖1 數控凸輪軸磨床傳動(dòng)系統圖
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圖2 數控系統硬件原理圖
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- 頭架主軸的轉動(dòng)由原來(lái)的兩級變速改為由交流變頻器控制的無(wú)級調速，以實(shí)現對凸輪軸的不等角速度控制。
- 拆掉原靠模機構，通過(guò)直流伺服電機、滾珠絲杠、杠桿機構來(lái)帶動(dòng)搖架擺動(dòng)，以實(shí)現數控成形。
- 工作臺的移動(dòng)原為手輪操作，現改為步進(jìn)電機驅動(dòng)，以實(shí)現自動(dòng)更換凸輪桃子。
改造后的機床傳動(dòng)系統如圖1所示。
2 數控系統的硬件結構
本系統采用STD總線(xiàn)工業(yè)控制機，其系統組成如圖2所示。
CPU板是系統的控制核心，完成數控系統的數據計算、信息處理、調節算法以及輸入輸出控制等。存儲器板存儲系統程序、凸輪數據等。鍵盤(pán)、顯示板管理鍵盤(pán)輸入和顯示輸出。兩個(gè)D/A板將數字信號轉換成模擬信號，其中一個(gè)控制直流伺服電機以帶動(dòng)搖架作凸輪輪廓數控成形運動(dòng)，并采用看門(mén)狗監視以提高系統的可靠性；另一個(gè)通過(guò)變頻器驅動(dòng)普通的三相交流異步電機，完成頭架主軸的旋轉運動(dòng)。兩個(gè)D/A板的轉換精度為12位。I/O輸入輸出板上有32個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入輸出口，其中16個(gè)輸入口，16個(gè)輸出口；另外還有步進(jìn)電機輸出口，通過(guò)驅動(dòng)板驅動(dòng)步進(jìn)電機。LINK板是一個(gè)與PC計算機通訊的連接板。PC計算機計算出來(lái)的凸輪輪廓數據可通過(guò)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(diǎn)
軟件的編輯功能允許用戶(hù)輸入、刪除和修改數據；控制功能能實(shí)現凸輪輪廓的數控成形，凸輪軸的圓周分度，主軸的不等角速度轉動(dòng)，步進(jìn)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(dòng)、自動(dòng)、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(diǎn)：
- 凸輪輪廓數控成形 去掉靠模，采用數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(shí)，只需改變數控軟件即可，不再需要制造和更換靠模。用戶(hù)可將現有產(chǎn)品的輪廓曲線(xiàn)輸入數控系統，并加以編號，加工時(shí)只要輸入該產(chǎn)品編號即可。
- 強迫耦合技術(shù) 在工件主軸轉動(dòng)和搖架擺動(dòng)之間采用了強迫耦合技術(shù)，提高了凸輪輪廓的成形精度。
- 頭架主軸不等角速度轉動(dòng) 當頭架主軸帶動(dòng)工件作勻速轉動(dòng)時(shí)，在凸輪曲線(xiàn)陡峭的地方，工作進(jìn)給量急劇增加，磨削熱和磨削壓力都隨之增加，嚴重時(shí)會(huì )導致燒傷和裂痕。據某工廠(chǎng)統計，在凸輪軸磨削加工時(shí)，工件轉速為15r/min，燒傷和裂痕導致的廢品率為2%～5%；工件轉速為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，不得不降低工件轉速，降低了生產(chǎn)率。
- 本系統通過(guò)變頻器驅動(dòng)三相異步電機，使頭架主軸實(shí)現不等角速度轉動(dòng)：在凸輪曲線(xiàn)陡峭的地方，工件速度放慢；在凸輪曲線(xiàn)平緩的地方，工件轉速加快。這樣，既避免了燒傷和裂痕，又提高了生產(chǎn)率。
- 凸輪成形隨砂輪直徑變化的自動(dòng)校正 在凸輪輪廓加工中，當砂輪直徑變化時(shí)，砂輪與凸輪輪廓線(xiàn)的接觸點(diǎn)將產(chǎn)生移動(dòng)，引起成形誤差。靠模法加工時(shí)，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。
- 本系統在加工時(shí)能隨砂輪直徑的變化自動(dòng)校正輪廓曲線(xiàn)，提高了加工精度，延長(cháng)了砂輪的使用壽命。
- 機床數字調節技術(shù) 采用機床數字調節技術(shù)可以增加系統的穩定性，提高系統的快速性和精確性。對于一臺給定的機床，可以找到適合于它的最優(yōu)調節器類(lèi)型和最優(yōu)調節器參數。本系統在8088CPU，4.9MHz時(shí)鐘的硬件條件下，由于采用了數字調節技術(shù)，保證了在工件轉速為50r/min時(shí)，型線(xiàn)輪廓加工精度控制在±0.03mm之內。如果采用更高檔次的工業(yè)控制微機，可以進(jìn)一步提高工件的轉速和加工精度。
4 應用情況及結論
用改造后的M8312數控凸輪軸磨床對安徽巢湖油泵油嘴廠(chǎng)的一號泵凸輪軸進(jìn)行了加工和裝泵使用。該廠(chǎng)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(jìn)行了測試。結果表明，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。根據研制和使用情況，結論如下：
- 去掉靠模，采用數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(shí)，只需改變數控軟件即可，不再需要制造和更換靠模。試驗和實(shí)踐證明，這種搖架擺動(dòng)式數控成形的方法是可行的，并具有生產(chǎn)率高和便于傳統凸輪軸磨床改造的優(yōu)點(diǎn)。
- 采用變頻器驅動(dòng)原機床的三相異步電機，花錢(qián)不多實(shí)現了頭架主軸的不等角速度轉動(dòng)。這樣，既避免了燒傷和裂痕，又提高了生產(chǎn)率。
- 加工時(shí)系統能隨砂輪直徑的變化自動(dòng)校正輪廓曲線(xiàn)。這樣，既提高了加工精度，又延長(cháng)了砂輪的使用壽命。
- 系統在8088CPU，4.9MHz時(shí)鐘的硬件條件下，由于采用了數字調節技術(shù)，保證了在工件轉速為50r/min時(shí)，型線(xiàn)輪廓加工精度控制在±0.03mm之內。
- 由于該工控機運行速度偏低，不能滿(mǎn)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。
