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(jī)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誤差較大。另外，靠模易磨損，更換周期長、造價(jià)高，還可能降低機(jī)床的精度。國外一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家從80年代開始，逐漸應(yīng)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(gè)國家能夠掌握這項(xiàng)技術(shù)，故機(jī)床售價(jià)昂貴，臺(tái)價(jià)高達(dá)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(diǎn)是凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)，以滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

1 設(shè)計(jì)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(biāo)式：即工件轉(zhuǎn)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(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(fù)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(dòng)和搖架擺動(dòng)之間采用強(qiáng)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(dòng)和搖架的擺動(dòng)采用交流或直流伺服電機(jī)。為降低成本，工作臺(tái)的移動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)。

     機(jī)床的主機(jī)是對(duì)一臺(tái)M8312型普通凸輪軸磨床進(jìn)行數(shù)控改造后形成的。該機(jī)床的數(shù)控改造主要有以下幾點(diǎn)。

1) 頭架主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)由原來的兩級(jí)變速改為由交流變頻器控制的無級(jí)調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)對(duì)凸輪軸的不等角速度控制。

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

3) 工作臺(tái)的移動(dòng)原為手輪操作，現(xiàn)改為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換凸輪桃子。

改造后的機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。

1.主軸電機(jī) 2.伺服電機(jī) 3.工件主軸 4.光柵 5.搖架 6.工作臺(tái) 7.床身 8.步進(jìn)電機(jī)

圖1 數(shù)控凸輪軸磨床傳動(dòng)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(jī)，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(jì)算、信息處理、調(diào)節(jié)算法以及輸入輸出控制等。存儲(chǔ)器板存儲(chǔ)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(gè)D/A板將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，其中一個(gè)控制直流伺服電機(jī)以帶動(dòng)搖架作凸輪輪廓數(shù)控成形運(yùn)動(dòng)，并采用看門狗監(jiān)視以提高系統(tǒng)的可靠性；另一個(gè)通過變頻器驅(qū)動(dòng)普通的三相交流異步電機(jī)，完成頭架主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)D/A板的轉(zhuǎn)換精度為12位。I/O輸入輸出板上有32個(gè)開關(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(jī)輸出口，通過驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。LINK板是一個(gè)與PC計(jì)算機(jī)通訊的連接板。PC計(jì)算機(jī)計(jì)算出來的凸輪輪廓數(shù)據(jù)可通過LINK板下載到存儲(chǔ)器板上的RAM存儲(chǔ)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輸入、刪除和修改數(shù)據(jù)；控制功能能實(shí)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(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的升降頻控制、速度控制、方向控制和位移控制，機(jī)床的手動(dòng)、自動(dòng)、回零和圓周定位等；中斷功能能處理機(jī)床的急停、搖架限位、工作臺(tái)限位、光柵零位和伺服報(bào)警等信號(hào)。下面是其技術(shù)特點(diǎn)：

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(jī)床加工的柔性。產(chǎn)品變更時(shí)，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(hào)，加工時(shí)只要輸入該產(chǎn)品編號(hào)即可。

2) 強(qiáng)迫耦合技術(shù) 在工件主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和搖架擺動(dòng)之間采用了強(qiáng)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(dòng) 當(dāng)頭架主軸帶動(dòng)工件作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在凸輪曲線陡峭的地方，工作進(jìn)給量急劇增加，磨削熱和磨削壓力都隨之增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致燒傷和裂痕。據(jù)某工廠統(tǒng)計(jì)，在凸輪軸磨削加工時(shí)，工件轉(zhuǎn)速為15r/min，燒傷和裂痕導(dǎo)致的廢品率為2%～5%；工件轉(zhuǎn)速為30r/min，燒傷和裂痕導(dǎo)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(dòng)三相異步電機(jī)，使頭架主軸實(shí)現(xiàn)不等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)：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(dòng)校正 在凸輪輪廓加工中，當(dāng)砂輪直徑變化時(shí)，砂輪與凸輪輪廓線的接觸點(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(duì)應(yīng)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(shí)能隨砂輪直徑的變化自動(dòng)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(jī)床數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù) 采用機(jī)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(duì)于一臺(tái)給定的機(jī)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(shí)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(shí)，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(jī)，可以進(jìn)一步提高工件的轉(zhuǎn)速和加工精度。

4 應(yīng)用情況及結(jié)論

    用改造后的M8312數(shù)控凸輪軸磨床對(duì)安徽巢湖油泵油嘴廠的一號(hào)泵凸輪軸進(jìn)行了加工和裝泵使用。該廠質(zhì)檢處和產(chǎn)品研究室對(duì)預(yù)行程、相位角誤差、供油量和噪聲進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，被加工的凸輪軸達(dá)到技術(shù)要求，裝泵后的整機(jī)性能達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)床加工的柔性。產(chǎn)品變更時(shí)，只需改變數(shù)控軟件即可，不再需要制造和更換靠模。試驗(yàn)和實(shí)踐證明，這種搖架擺動(dòng)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(diǎn)。

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

3) 加工時(shí)系統(tǒng)能隨砂輪直徑的變化自動(dòng)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(shí)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(shí)，型線輪廓加工精度控制在±0.03mm之內(nèi)。

5) 由于該工控機(jī)運(yùn)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(jī)可以改善這一情況。