高精度数控凸轮轴磨床数控系统开发

我国全自动数控凸轮轴磨床加工的凸轮轴精度往往达不到要求，故凸轮轴的加工主要依靠进口设备，但进口设备售价相当昂贵。 为此，开发了一套价格适中的高性能数控凸轮磨床控制系统。 本文着重从系统的硬件组成和软件建模方面来进行分析，给出了高精度数控系统的实现方法。

随着全球汽车工业的高速发展，使得对凸轮轴的需求量越来越大。 凸轮轴对汽车而言是一个关键的基础部件，它安装于发动机内，控制气缸的进气和排气，一个气缸由一个进气和一个排气凸轮控制，广泛应用于汽油发动机和柴油发动机，如摩托车、汽车’火车、卡车等。 每个凸轮轴是由若干个凸轮组成，如四缸发动机，一个凸轮轴由八个凸轮组成。 每个凸轮其形状为桃形，由基圆和许多二次曲线，三次曲线及圆弧组成，其构成的封闭曲线称为生成曲线。 生成曲线的线型误差将直接影响发动机汽缸内燃料燃烧质量，进而影响发动机工作性能。 每个凸轮轴都要经过对毛坯的车、铣、钻、粗磨、精磨等二十多个工序才能完成。 凸轮轴磨床主要用于汽车、摩托车及内燃机行业中的关键零件凸轮轴的加工。 它主要用来完成凸轮轴最后一个工序：粗磨、精磨凸轮轴上的每个凸轮。

我国凸轮轴的加工大多还采用传统的机械靠模加工方式，加工质量受到靠模机构的影响，凸轮型线难以得到保证，在一定程度上制约了汽车工业的发展。但是，目前仅有少数几个国家能够掌握数控凸轮轴磨床技术，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，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 凸轮轴磨床数控系统开发整体分析

高精度数控磨床设计的技术难度大，其最大的优点是磨削精度高、产品质量稳定、产品更换灵活方便、生产效率高。 今天，由于计算机信息技术的快速发展，为高精度数控磨床的实现注入了新的活力。 使得在Windows平台上开发多任务型的控制程序变得十分的方便。 这样，数控系统在完成加工的同时又能够实时地完成其它的任务，如状态跟踪、数据的提取和处理、故障诊断、系统检测等。 另外，这也给开放型数控系统的开发变为现实，利于系统的维护、改造和升级换代。 所以，依靠今天的计算机平台，开发高精度数控凸轮磨床并保证其高精度、高稳定性、高可靠性和安全性变为可能。 下面，就针对硬件和软件的设计来深入对高精度数控磨床的开发过程进行探讨。

1.1 系统的硬件设计

数控系统的硬件组成是保证系统精度、可靠性和实时性的重要因素。 在本系统中，采用上、下位机的控制体系结构，即“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统结构如图1所示。 它由开放体系结构运动控制卡和IPC机共同构成。 这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。 它本身就是一个数控系统，可以单独使用。 它开放的函数库供用户在Windows平台下自行开发构造所应用于制造业自动化控制各个领域。 如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的。MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC等。 由于是基于高速DSP和高精度晶振的控制系统，它可以满足高速、高精度磨床的高速运算和高精度伺服控制的需要。

系统的硬件结构框图

图1 系统的硬件结构框图

根据控制轴数，初步选用美国Pro-Dex公司的PCIx-202卡。 PCIx系列是基于 PCI总线的高性能运动控制卡，其中PCIx-202可控制两轴步进和两轴伺服电机。 PCIx-202卡的特点：光学隔离的输入]输出，正负限位开关和原点信号输入，以及微分编码器反馈信号输入;每轴独立或同时运动;每轴持续的线,性插补;圆弧插补;反斜线补偿;自定义，抛物线!S曲线和直线轨迹轮廓;和IO68-M外围板兼容;电子传动装置;配有WIN95/NT/98/200/XP下的动态链接库，方便客户编写自己的应用软件;提供调试示范软件，可演示此卡功能，方便客户测试控制卡以及电机驱动系统。

为了保证工件主轴的动态特性，C轴必须采用高转矩/惯量比的伺服电机。 考虑到机械结构和工件的转速范围要求，采用PAKER公司的大惯量直接驱动伺服。 它可省略机械减速装置，减少由于减速装置造成的传动误差，也满足需要的反馈分辨率和控制精度。

通过插补运算看出，X轴的运动(凸轮部分)为近似的时间正弦函数，其运动控制精度直接影响了磨削精度，幅值精度影响尺寸误差，相位精度影响凸轮轴的形状误差。 跟踪精度由伺服系统的动态特性决定，由于机械传动部分的惯量很小，所以选用小惯量伺服电机可以得到较好的控制效果。

1.2 系统的软件设计

系统的软件是整个数控系统的核心，是关系到系统的精度、稳定性’可靠性和实时性的最重要的因素之一。 因此，在设计中必须采用合理的开发平台和优化的算法来进行设计。以达到减少设计工作量、提高系统运行性能的目的，使系统具有开放性、多任务的特点，同时要有利于系统的升级换代。在本设计中，所采用的是基于Windows平台的VC++6.0开发环境，在VC++6.0中开发基于。Y#的应用程序，具有开放性和多任务性，程序代码相对较少，运行可靠。 限于篇幅，在这里仅对系统的软件结构进行介绍，如图2所示。 主要分为上位机管理程序、上下位通信程序和运动控制程序3个大的部分。 从软件结构图上可以看出，每个大的模块又分为几个子程序模块，其功能如图2示。

 系统软件结构图

图2 系统软件结构图

加工曲线的插补计算和工艺设置：采用特殊的插补算法求出两轴的运动规律，才能通过伺服控制完成相应的动作，保证恒线速的实现。 同时要进行一些参数的设置，包括凸轮轴型号、凸轮轴上凸轮个数、凸轮的升程表、X轴速度、Z轴速度、C轴转速、砂轮线速度等的设置。

文档管理：对系统程序代码、加工数据等进行引入和管理，让系统按程序正常运行(引入NC程序或编辑，程序显示，修改，文件保存，编译)。

加工数据的生成与编辑：包括参数设置的所有数据生成，分析加工后凸轮的轮廓精度，并将凸轮的理论轮廓与叠加了计算误差和插值误差的磨削加工后的实际凸轮轮廓进行比较，并给出分析结果。 对结果可以直接打印或进行人工编辑。

辅助设备管理：完成油泵电机、冷却电机、吸尘电机的启动和判断各电机是否正常运行，若没有正常运行则做相应的处理。

系统调试：主要用于系统的现场连接调试、性能测试等。

系统故障和安全管理：完成各种报警信号的清除，包括：变频器报警，伺服驱动器报警及各进给轴行程超出等情况处理，同时要对系统的紧急异常情况做出实时的处理，保证系统和人的安全。

凸轮加工：前后顶尖将凸轮轴夹紧，工作台沿Z轴移动对刀，凸轮轴旋转对刀，砂轮快进，凸轮轮廓加工开始。 当一个凸轮加工完成后，砂轮快退，工作台沿Z轴移动开始下一个加工循环，并给出一个加工循环所用的时间。

砂轮修整：完成砂轮修整电机的启动和判断砂轮修整电机是否正常运行，若没有正常运行则做相应的处理。 数控凸轮轴的砂轮修整包括5个过程。 (1)砂轮后退;(2)工作台沿3轴移动;(3)对刀、砂轮快进、工进，按修整量修整;(4)修整时工作台沿Z轴往复移动;(5)修整完毕，恢复原位。

故障与系统监控：对系统的运行状态进行实时监控，实时提取系统的错误信息和各种异常信息，便于系统的自我调整，保证加工精度和系统安全。

自动/手动控制：主要完成自动控制和手动控制的一些设置，并可进行两者之间的切换。点动控制：主要用于完成高精度位置控制功能。

2 总结

着重论述了具有高性价比的高精度凸轮数控磨床的控制系统的设计方法，给出在硬件和软件上的设计模型。 经过连机调试，该系统达到了设计目的，符合市场的要求。 在信息技术迅速发展的今天，运用虚拟软件仪器代替硬件已经变为可能，因此，在以后的设计中，可以考虑用软件代替硬件的办法以求得更高精度、可靠性和实时性，具有更高性价比的数控系统。

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