凸轮轴高速磨削加工控制系统关键技术

【摘要】： 凸轮轴是许多重要装备如轿车发动机、高端纺织机械的关键零件,其加工精度直接影响这些装备的工作性能。传统的凸轮轴磨削加工一般采用普通砂轮、运用靠模的方法来实现,这种磨削加工方法难以满足凸轮轴高精度、高效率、高柔性和工序集中的加工要求。 本文从凸轮轴零件高精度、高效率和高柔性磨削加工的综合目标出发,在分析和总结国内外磨削加工领域最新研究成果的基础上,面向CBN砂轮磨削的特定工艺要求,深入系统地研究了凸轮轴高速磨削加工控制系统所包含的理论、优化算法、关键技术等问题。 本文的主要研究工作有以下几个方面: 针对凸轮表面轮廓型线复杂的特点,采用三次样条曲线对凸轮表面轮廓进行拟合,然后基于磨削点搜索算法与解析算法推导了任意旋转角度工件与砂轮切点位置的表达式,并基于系统速度、加速度约束提出了一种凸轮表面轮廓曲线插补算法,使机床在磨削过程中具有良好的动力学特性,提高了磨削加工精度。 深入研究了凸轮轴磨削加工的运动控制数学模型,推导了磨削点(即凸轮轮廓与砂轮的切点)线速度与工件旋转速度的数学关系、磨床机械传动系统和伺服系统的传递函数,为凸轮轴磨削加工控制优化提供了理论依据。 凸轮轴磨削加工中,如何提高砂轮高频率往复运动的响应能力是一个主要的控制难点。本文设计了基于预见前馈的砂轮往复运动控制器,解决了砂轮运动的响应滞后问题,提高了砂轮进给单元对扰动及参数变化的适应能力。 在提高单轴控制精度的前提下,建立了基于伺服模型的两轴误差补偿互耦模型。基于此模型,在加工过程中采用模型参考自适应控制技术在线调节进给量(即利用轮廓误差,实时估计误差信息来调节插补器的进给量),提高了轮廓加工精度。 在上述研究基础上,以凸轮轴CBN磨削加工机床为控制对象,开发了基于PC+NC体系结构的开放式数字化平台,提出了控制系统中各种控制参数的整定方法。本文相关研究成果已应用在开发的CBN数控凸轮轴、曲轴磨床上,取得了良好的效果。