高精度数控凸轮轴磨床数控系统开发

　　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。

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。