凸輪軸磨床電氣及磨削工藝設(shè)計(jì)

摘要：全數(shù)控凸輪軸磨床是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，它直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率。由于其磨削工藝復(fù)雜、磨削精度很高，一直依賴進(jìn)口，目前國(guó)內(nèi)完全可采用西門子840C數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)控凸輪磨床的制造或技術(shù)改造。

一.凸輪軸磨床概述

---- 凸輪軸磨床可分為非數(shù)控靠磨磨床、數(shù)控靠磨磨床、全數(shù)控磨床三大類。其中全數(shù)控磨床技術(shù)難度最大，但其最大的優(yōu)點(diǎn)是磨削精度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、產(chǎn)品更換靈活方便、生產(chǎn)效率高。目前國(guó)內(nèi)已開始采用西門子840C數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)控凸輪磨床的制造或技術(shù)改造。

1. 凸輪軸簡(jiǎn)介
   凸輪軸對(duì)汽車而言是一個(gè)關(guān)鍵的基礎(chǔ)部件,它安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi),控制氣缸的進(jìn)氣和排氣,一個(gè)氣缸由一個(gè)進(jìn)氣和一個(gè)排氣凸輪控制,廣泛應(yīng)用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，如摩托車、汽車、火車、卡車等。

   每個(gè)凸輪軸是由若干個(gè)凸輪組成，如四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)凸輪軸由八個(gè)凸輪組成。

   每個(gè)凸輪其形狀為桃形，由基園和許多二次曲線，三次曲線及圓弧組成，其構(gòu)成的封閉曲線稱為生成曲線。生成曲線的線型誤差將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃料燃燒質(zhì)量，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能。參見附件1產(chǎn)品圖。

   每個(gè)凸輪軸都要經(jīng)過(guò)對(duì)毛坯的車、銑、鉆、粗磨、精磨等二十多個(gè)工序才能完成。凸輪軸磨床就是完成凸輪軸最后一個(gè)工序：粗磨、精磨凸輪軸上的每個(gè)凸輪。 這里以FN3全數(shù)控凸輪軸磨床（下稱FN3磨床）為例說(shuō)明。

2. FN3磨床概述
   FN3磨床由原西德FORTUNA公司生產(chǎn)，其型號(hào)為FN3－DS350／1000.FN3磨床機(jī)械部分由機(jī)床身、工作臺(tái)、頭架、尾架、主軸砂輪、砂輪修造器、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、動(dòng)平衡系統(tǒng)等部件組成。電氣部分由數(shù)控系統(tǒng)、模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、MARPOSS測(cè)量?jī)x、超聲波檢測(cè)儀等部件組成。

3. 磨床技術(shù)指標(biāo)
   FN3磨床主要技術(shù)指標(biāo)：

   X軸行程（線性） 0-300毫米, 速度 10米/分.
   Z軸行程（線性） 0-1000毫米,速度 10米/分.
   C軸行程（旋轉(zhuǎn)） 0－360度, 轉(zhuǎn)速 200轉(zhuǎn)/分.
   主軸砂輪線速度 35-60米／分
   金剛輪轉(zhuǎn)速 500-2000轉(zhuǎn)/分

二.數(shù)控系統(tǒng)配置

---- 數(shù)控系統(tǒng)不僅具有是組成數(shù)控磨床不可缺少的重要部分，它通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)完成對(duì)工件的精確磨削，并對(duì)磨床輔助部件或設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

---- FN3磨床為全數(shù)控凸輪軸磨床,要求數(shù)控系統(tǒng)不僅具有對(duì)模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、動(dòng)平衡儀、MARPOSS測(cè)量?jī)x、超聲波檢測(cè)儀等的監(jiān)控，更重要的是具有凸輪曲線磨削功能，并確保凸輪軸的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

---- 西門子840C數(shù)控系統(tǒng)完全能滿足全數(shù)控凸輪軸磨床的要求。主要原因是它具有電子齒輪軸、直線表插補(bǔ)、曲線表插補(bǔ)、C軸調(diào)速功能功能。其配置主要如下：

• 硬件配置：選用840C12槽主機(jī)框架包括MMC CPU板、NC CPU板、 PLC CPU板、位控板及 DMP模塊等，操作臺(tái)選用顯示器、機(jī)床控制鍵盤；
  
• 軟件配置：OS系統(tǒng)軟件選用DRDOSV6．0版，數(shù)控軟件選用V6．02版(非出口版)；
  
• 選件配置：電子齒輪、直線表插補(bǔ)、曲線表插補(bǔ)等。

三.FN3磨床電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

---- 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是將磨床機(jī)械部分與電氣部分有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使磨削加工成為高精度，高效率，安全可靠的全自動(dòng)化生產(chǎn)。

---- 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體上包括硬件、系統(tǒng)調(diào)試、軟件三大部分。

• 硬件設(shè)計(jì)的原則是在滿足磨削功能的條件前提下，降低成本；
  
• 系統(tǒng)調(diào)試的原則是將標(biāo)準(zhǔn)的840C系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)使之符合FN3磨床工作特性；
  
• 軟件設(shè)計(jì)的原則是采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，對(duì)每個(gè)部件的運(yùn)行要進(jìn)行安全可靠的動(dòng)態(tài)控制，并具有豐富的信息指示。

1. 電氣系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
   NC硬件設(shè)計(jì)主要是數(shù)控軸的設(shè)計(jì)。本加工中心的數(shù)控軸有X、Z、C、 S1、S2五個(gè)。

   PLC硬件設(shè)計(jì)主要是指對(duì)外部執(zhí)行部件監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)。它包括機(jī)床控制面板、機(jī)床輔助控制面板、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、動(dòng)平衡儀、MARPOSS測(cè)量?jī)x、超聲波檢測(cè)儀等電氣系統(tǒng)，這些電氣的信號(hào)都要與840C的DMP模塊（IO模塊）連接。

2. 電氣系統(tǒng)調(diào)試
   電氣系統(tǒng)調(diào)試是對(duì)配置好的數(shù)控硬件系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整使之符合FN3凸輪軸磨床的工作要求。主要包括NC機(jī)床數(shù)據(jù)和PLC機(jī)床數(shù)據(jù)調(diào)整。

   1.1 NC機(jī)床數(shù)據(jù)調(diào)整
   NC機(jī)床數(shù)據(jù)調(diào)整主要是FN3磨床各軸參數(shù)的設(shè)置。其關(guān)鍵參數(shù)如下：

   • 設(shè)置FN3磨床具有一個(gè)方式組、一個(gè)通道、三個(gè)進(jìn)給軸、二個(gè)主軸；
     
   • 定義三個(gè)進(jìn)給軸各位置環(huán)接口（指令口和測(cè)量口）、二個(gè)主軸速度環(huán)接口（指令口）；
     
   • 設(shè)置三個(gè)進(jìn)給軸可計(jì)算的位控參數(shù)，如位置當(dāng)量值、理論速度值：
     
   • 設(shè)置三個(gè)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)特性的位控參數(shù)，如位置增益、加速度、軸速度等參數(shù)。
   軸的運(yùn)動(dòng)特性與磨床的機(jī)械結(jié)構(gòu)、磨損程度等有密切的關(guān)系。軸的位控參數(shù)是根據(jù)軸的運(yùn)動(dòng)特性來(lái)設(shè)定。

   軸的位置增益是反映位置環(huán)中對(duì)軸運(yùn)動(dòng)位置的動(dòng)態(tài)跟蹤特性。

   軸的位置加速度是反映位置環(huán)中在軸啟動(dòng)到設(shè)定速度和設(shè)定速度到停止期間，運(yùn)動(dòng)位置的加速、減速特性。

   軸速度能反映出磨床的工作效率，速度越大，效率越高。它一般分為最大速度、手動(dòng)快速度、手動(dòng)速度、回零速度等。

   軸位置增益與加速度也是互相影響。

   1.2 PLC機(jī)床數(shù)據(jù)的調(diào)整
   PLC機(jī)床數(shù)據(jù)調(diào)整主要是設(shè)定IO模塊地址。
   FN3磨床IO模塊地址采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，直接由PLC機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)定。
   FN3磨床配置了三個(gè)DMPL子站，每個(gè)DMPL子站可安裝四個(gè)輸入模塊、四個(gè)輸出模塊。

3. 電氣控制軟件設(shè)計(jì)
   電氣控制軟件設(shè)計(jì)主要是指PLC程序的設(shè)計(jì)。在PLC系統(tǒng)中，為用戶設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的接口模塊,即OB塊，除OB塊外，還有受OB塊調(diào)用的FB、PLB、SB、DB、FX、 DX塊。用戶控制軟件就編寫在這些塊中，它是用西門子STEPL5語(yǔ)言編制而成的。
   在本控制軟件中，OB塊只使用OB20和OB1，其它程序塊的編制按照控制對(duì)象功能，采用結(jié)構(gòu)化編程。
   主要完成：
   • 初始化處理程序
     
   • 基本信號(hào)處理程序（包括機(jī)床控制鍵盤、NC系統(tǒng)的通道、進(jìn)給、砂輪軸等、軸限位信號(hào)、軸回參考點(diǎn)信號(hào)、急停處理）
     
   • 異步電機(jī)處理程序（包括冷卻液主系統(tǒng)控制處理、系統(tǒng)控制處理、潤(rùn)滑系統(tǒng)控制處理）
     
   • 電磁閥處理程序（包括門開/關(guān)、工件、砂輪、金剛冷卻液開/關(guān)、砂輪冷卻噴嘴上/下、工件夾緊/松開、MARPOSS測(cè)頭前/后運(yùn)動(dòng)）
     
   • 金剛輪處理程序
     
   • 安全保護(hù)程序。安全保護(hù)系統(tǒng)在磨床中起著很重要的作用。它第一保護(hù)人的生命安全，第二避免設(shè)備受損。

四.FN3磨削工藝設(shè)計(jì)

---- 由于凸輪生成曲線的特殊性，它既不是園也不是直線，就決定了凸輪軸磨床磨削工藝的特殊性。提供給磨床的生成曲線是0－360度的離散點(diǎn)，數(shù)控系統(tǒng)如何利用這些離散點(diǎn)，磨削出符合要求的工件，需解決以下三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

• 離散點(diǎn)變成連續(xù)的封閉曲線。可利用840C曲線表功能實(shí)現(xiàn)。
  
• 生成曲線轉(zhuǎn)為磨削曲線。由于凸輪磨削時(shí)，磨削點(diǎn)與生成點(diǎn)不在一個(gè)點(diǎn)上，必須進(jìn)行數(shù)學(xué)模型變換，而且這種變換還與凸輪的測(cè)量方式有關(guān)。
  
• 建立C軸調(diào)速曲線。這凸輪磨削中，為保證凸輪加速度恒定，必須建根據(jù)C軸角度來(lái)調(diào)整C軸轉(zhuǎn)速的調(diào)速曲線。

---- 所有磨削工藝及關(guān)鍵問(wèn)題由NC磨削加工程序完成。

---- FN3磨削加工程序是根據(jù)凸輪磨削過(guò)程及840C提供的相關(guān)功能編制而成，主要包括凸輪生成/速度曲線計(jì)算和凸輪磨削二部分。

1. 凸輪生成/速度曲線計(jì)算程序
   凸輪生成/速度曲線計(jì)算將給定的凸輪生成表轉(zhuǎn)換為磨削用的磨削曲線(C坐標(biāo)值、X軸坐標(biāo)值)。主要包括以下幾部分：
   • 凸輪生成曲線、速度曲線計(jì)算程序L900。它調(diào)用L100、L200、L981，L982、L983、L984、L988；
     
   • 定義生成第一凸輪生成曲線表L100。根據(jù)產(chǎn)品圖紙給出的生成曲線表、每個(gè)凸輪的距離、相位角、基園直徑寫入此程序中；
     
   • 定義生成第一凸輪速度曲線表L200；
     
   • 計(jì)算凸輪1、3、5、7生成曲線L981。根據(jù)L100生成曲線表，將生成曲線轉(zhuǎn)換為磨削曲線，840C對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理形成封閉曲線，用于磨削加工見下圖；

     
     

   • 計(jì)算凸輪2、4、6、8生成曲線L982。原理同L981；
     
   • 計(jì)算凸輪1、3、5、7調(diào)速曲線L983。根據(jù)L200速度曲線表，840C對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理形成封閉曲線，用于磨削加工；其調(diào)速曲線圖如下：

     
     

   • 計(jì)算凸輪2、4、6、8調(diào)速曲線L984。原理同L983；
     
   • 計(jì)算生成曲線L988。功能是將生成曲線轉(zhuǎn)換為磨削曲線。
   
   
2. 凸輪磨削參數(shù)
   凸輪加工中磨削程序要涉及許多相關(guān)參數(shù),來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量。如磨削量、磨削速度值，若選擇不當(dāng)能引起工件變形、尺寸超差。這些參數(shù)主要有以下幾大類：
   • 工件參數(shù)
     凸輪1－8位置參數(shù)、凸輪1－8角度參數(shù)、凸輪基園半徑參數(shù)、凸輪測(cè)量方法。
     
   • 砂輪參數(shù)
     砂輪直徑、砂輪寬度。
     
   • 修整砂輪參數(shù)
     金剛輪進(jìn)給位置、速度、修磨量、修磨次數(shù)等。
     
   • 磨削參數(shù)
     砂輪進(jìn)給位置、速度、粗磨量、半精磨量、精磨量、C軸各轉(zhuǎn)速、凸輪補(bǔ)償量等。
   
   這些參數(shù)有些是固定的，有些是根據(jù)磨削效果進(jìn)行調(diào)整的。

3. 凸輪磨削程序
   凸輪磨削主程序由％20完成。它調(diào)用生成計(jì)算L900、八個(gè)凸輪磨削L23、砂輪修整。L25等。每調(diào)用一次磨削一根凸輪軸。
   凸輪磨削子程序由L23完成。它包括凸輪角度設(shè)置、粗磨、半精磨、精磨等，每調(diào)用一次磨削一個(gè)凸輪。
   
4. 砂輪修整子程序由L25完成。每調(diào)用一次修整砂輪一次。
   由于磨削程序較多，這里只給出主程序％20的部分程序如下：

%MPF20   …      L900   計(jì)算生成曲線      …      L25 P1 修整砂輪       ….      N0120 G90 G1 F=R24 Z=-R1 R712=R11 R9=0    Z軸到第一凸輪位置      N0140 L23 P1    磨第一凸輪    …       N0220 G90 G1 F=R24 Z=-R2 R712=R12 R9=1     Z軸到第二凸輪位置      L23 P1    磨第二凸輪    …      N0320 G90 G1 F=R24 Z=-R3 R712=R13 R9=0      Z軸到第三凸輪位置      N0340 L23 P1 磨第三凸輪      ….      N0420 G90 G1 F=R24 Z=-R4 R712=R14 R9=1       Z軸到第四凸輪位置      N0430 R150=R64/2     N0440 L22 P1 磨第四凸輪      L25 P1    修整砂輪     ….     N0520 G90 G1 F=R24 Z=-R5 R712=R15 R9=0        Z軸到第五凸輪位置     N0540 L23 P1 磨第五凸輪    …    N0620 G90 G1 F=R24 Z=-R6 R712=R16 R9=1        Z軸到第六凸輪位置    N0640 L23 P1 磨第六凸輪   …    N0720 G90 G1 F=R24 Z=-R7 R712=R17 R9=0         Z軸到第七凸輪位置    N0740 L23 P1  磨第七凸輪  …   N0820 G90 G1 F=R24 Z=-R8 R712=R18 R9=1          Z軸到第八凸輪位置   N0840 L23 P1    磨第八凸輪  N0900 M29 M39      L25       修整砂輪  …  M02  

五.FN3磨床實(shí)際磨削效果

---- 采用西門子840C的FN3凸輪磨床，經(jīng)調(diào)試磨削出一件生成值和表面粗糙度合格的凸輪后，連續(xù)加工400件，抽檢10％，檢查系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。檢查結(jié)果各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。本設(shè)備于2000年6月30日驗(yàn)收，并交付用戶，現(xiàn)在仍在使用中，發(fā)揮著極大的作用。

六.參考文獻(xiàn)

---- 1 SINUMERIK 840C Programming Guide
---- 2 SINUMERIK 840C PLC 135 WB/WB2/WD
---- 3 SINUMERIK 840C Interface Description Part 1
---- 4 SINUMERIK 840C Interface Description Part 2
---- 5 SINUMERIK 840C/611D Installation Guide