经济型凸轮轴磨床数控系统

2 数控系统的硬件结构

　　本系统采用STD总线工业控制机，其系统组成如图2所示。

　　CPU板是系统的控制核心，完成数控系统的数据计算、信息处理、调节算法以及输入输出控制等。存储器板存储系统程序、凸轮数据等。键盘、显示板管理键盘输入和显示输出。两个D/A板将数字信号转换成模拟信号，其中一个控制直流伺服电机以带动摇架作凸轮轮廓数控成形运动，并采用看门狗监视以提高系统的可靠性；另一个通过变频器驱动普通的三相交流异步电机，完成头架主轴的旋转运动。两个D/A板的转换精度为12位。I/O输入输出板上有32个开关量输入输出口，其中16个输入口，16个输出口；另外还有步进电机输出口，通过驱动板驱动步进电机。LINK板是一个与PC计算机通讯的连接板。PC计算机计算出来的凸轮轮廓数据可通过LINK板下载到存储器板上的RAM存储器中。

3 软件功能及技术特点

　　软件的编辑功能允许用户输入、删除和修改数据；控制功能能实现凸轮轮廓的数控成形，凸轮轴的圆周分度，主轴的不等角速度转动，步进电机的升降频控制、速度控制、方向控制和位移控制，机床的手动、自动、回零和圆周定位等；中断功能能处理机床的急停、摇架限位、工作台限位、光栅零位和伺服报警等信号。下面是其技术特点：

　　凸轮轮廓数控成形 去掉靠模，采用数控方式形成凸轮轮廓，可明显提高机床加工的柔性。产品变更时，只需改变数控软件即可，不再需要制造和更换靠模。用户可将现有产品的轮廓曲线输入数控系统，并加以编号，加工时只要输入该产品编号即可。

　　强迫耦合技术 在工件主轴转动和摇架摆动之间采用了强迫耦合技术，提高了凸轮轮廓的成形精度。

　　头架主轴不等角速度转动 当头架主轴带动工件作匀速转动时，在凸轮曲线陡峭的地方，工作进给量急剧增加，磨削热和磨削压力都随之增加，严重时会导致烧伤和裂痕。据某工厂统计，在凸轮轴磨削加工时，工件转速为15r/min，烧伤和裂痕导致的废品率为2%－5%；工件转速为30r/min，烧伤和裂痕导致的废品率在30%左右。因此，为了避免烧伤和裂痕，不得不降低工件转速，降低了生产率。

　　本系统通过变频器驱动三相异步电机，使头架主轴实现不等角速度转动：在凸轮曲线陡峭的地方，工件速度放慢；在凸轮曲线平缓的地方，工件转速加快。这样，既避免了烧伤和裂痕，又提高了生产率。

　　凸轮成形随砂轮直径变化的自动校正 在凸轮轮廓加工中，当砂轮直径变化时，砂轮与凸轮轮廓线的接触点将产生移动，引起成形误差。靠模法加工时，一定的靠模对应于一定的砂轮直径，加工才精确。砂轮磨损后，直径减小，误差就增加。因此，靠模成形原理决定了被加工凸轮精度不高，且砂轮可利用直径范围不大。

　　本系统在加工时能随砂轮直径的变化自动校正轮廓曲线，提高了加工精度，延长了砂轮的使用寿命。

　　机床数字调节技术 采用机床数字调节技术可以增加系统的稳定性，提高系统的快速性和精确性。对于一台给定的机床，可以找到适合于它的最优调节器类型和最优调节器参数。本系统在8088CPU，4.9MHz时钟的硬件条件下，由于采用了数字调节技术，保证了在工件转速为50r/min时，型线轮廓加工精度控制在±0.03mm之内。如果采用更高档次的工业控制微机，可以进一步提高工件的转速和加工精度。

4 应用情况及结论

　　用改造后的M8312数控凸轮轴磨床对安徽巢湖油泵油嘴厂的一号泵凸轮轴进行了加工和装泵使用。该厂质检处和产品研究室对预行程、相位角误差、供油量和噪声进行了测试。结果表明，被加工的凸轮轴达到技术要求，装泵后的整机性能达到企业标准，使用状况良好。根据研制和使用情况，结论如下：

　　去掉靠模，采用数控方式形成凸轮轮廓，可明显提高机床加工的柔性。产品变更时，只需改变数控软件即可，不再需要制造和更换靠模。试验和实践证明，这种摇架摆动式数控成形的方法是可行的，并具有生产率高和便于传统凸轮轴磨床改造的优点。

　　采用变频器驱动原机床的三相异步电机，花钱不多实现了头架主轴的不等角速度转动。这样，既避免了烧伤和裂痕，又提高了生产率。

　　加工时系统能随砂轮直径的变化自动校正轮廓曲线。这样，既提高了加工精度，又延长了砂轮的使用寿命。

　　系统在8088CPU，4.9MHz时钟的硬件条件下，由于采用了数字调节技术，保证了在工件转速为50r/min时，型线轮廓加工精度控制在±0.03mm之内。

　　由于该工控机运行速度偏低，不能满足更高生产率和更高精度的要求，采用高档次的微机可以改善这一情况。