定子曲线精密磨削数控技术的研究

0 前言

    叶片泵工作压力较高，流量脉动较小，而且工作平稳，噪声较小，寿命较长，因此有较广阔的应用领域。定子作为叶片泵的关键零件，其曲线形状和加工精度直接决定了叶片泵的性能和工作寿命。因此，不仅要设计出优良的定子曲线，而且要加工出高精度的内曲线型面。在设计出优良定子曲线的基础上，如何加工出高精度的定子内曲线型面是重点研究的对象。目前，定子普遍采用的加工方法是磨削加工，而影响磨削质量的因素主要是工作台的误差(制造误差、装配误差、丝杠弹性变形引起的误差、反向间隙引起的误差、精度误差等)和砂轮线速度。工作台的误差直接影响到实际轮廓误差，而砂轮线速度则由于砂轮磨损而变化，从而影响了磨削的质量。

    受某企业委托，开发了一台定子曲线数控磨床。为了提高定子曲线磨削的质量，从两个方面进行了研究：一是工作台的运动精度对磨削质量的影响，二是砂轮的线速度对磨削质量的影响。

1 定子曲线数控磨床的结构

    数控磨床的结构示意图如图1所示。该磨床主要由以下几个部分组成：

    (1)工作台。工作台可做X、Y两方向的进给运动，其驱动机构都是伺服电机加滚珠丝杠，通过两轴联动实现工作台的精密平面运动。

    (2)伺服控制部分。伺服控制部分主要由工业计算机(IPC)、运动控制卡(PCI1240)、接口电路以及相应的通讯、控制软件组成，它以PCI1240控制卡为核心，从而实现对位置信号的采样处理、误差计算、误差补偿，以及对伺服电机驱动器发出控制信号。

    (3)位置检测部分。本系统所采用的是SGC系列光栅尺作为在线检测装置，完成对工作台位移信号的实时检测。

    (4)高速电磨头：磨头的最高转速是反映磨床磨削能力的标志之一。本磨床采用的电磨头的最高转速为60000r／rain，采用多功能模拟量输出控制卡通过变频器驱动电动磨头。

图1. 数控磨床结构简图

    下面将讨论影响磨削质量因素的控制策略。

2 提高磨削质量的措施

    在磨削加工过程中，如何控制磨削的质量是近来研究的一个热点。随着计算机技术的发展，误差补偿技术得到了广泛的研究和应用。如离线误差补偿技术和在线误差补偿技术。随着网络技术的发展。网络化的误差补偿技术旧1也有所发展。对误差模型的研究做了大量的工作，如多体系统误差模型、基于齐次坐标变换误差模型、人工神经网络模型等等。由于磨削的工件轮廓不同，磨削加工的环境不同以及数控系统的配置不同，提高加工质量的措施也不同。在具体实施过程中，根据影响磨削质量的因素不同，采取不同的控制策略来达到控制磨削质量的目的。

2.1 运动精度的控制策略

    为了达到较高的运动精度，采用全闭环控制策略。原理框图如图2所示，控制指令经运动控制卡、电机驱动器、伺服电机、滚珠丝杠螺母副转换为工作台的直线运动。工作台的运动精度受到运动控制卡、驱动器、伺服电机、滚珠丝杠、弹性联轴节、滚珠丝杠螺母副及机床结构设计和制造精度的综合影响，在工作过程中，运动精度又进一步受到振动、热变形、导轨和滚珠丝杠螺母副的磨损及控制元件特性变化的影响。采用光栅尺把位移信号反馈到输入端，与输入信号进行比较，实现对运动的反馈控制。

图2. 全闭环控制框图

    为了获得工作台的实时位置(实际轮廓轨迹的位置点)，系统采用了光栅尺对X轴、y轴进行实时测量，把测量值与理论值进行比较，从而获得定位工作台的综合定位误差。该检测系统形成一个全闭环运动控制系统。

    工件轮廓轨迹由方程给出，按照加工误差允许的最大间隔对理论轮廓进行离散化，得到加工程序的插补点。根据每个插补点的实际测量的坐标值Xir、Yir与理论坐标值Xi、Yi，计算出运动误差e，即

    ex=Xi-Xir，ey=Yi-Yir (1)

    将运动误差相叠加到相邻的下一个插补点位置(Xi+1，Yi+1)，生成新的控制指令(Xnew，Ynew)，从而削除了定位的累积误差。

    Xnew=Xi+1+ex，Ynew=Yi+1+ey (2)

    当砂轮磨损后，还要进行砂轮半径补偿。有关砂轮半径补偿，将在下面进行详细的介绍。

如有任何看法或投稿请联系 MSN：liangxi1122@hotmail.com；QQ：85557991