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数控凸轮轴磨床磨削软件研究与设计


湖南大学 硕士学位论文 全数控凸轮轴磨床磨削软件研究与设计 姓名:曹彦飞 申请学位级别:硕士 专业:电气工程 指导教师:黄守道 20060511

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全数控凸轮轴磨床磨削软件研究与设计

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摘要

近年来,开放式的数控系统已逐濒成为数控机床发展的主流和必然趋势,它 通过功能强大的软件和硬件资源提供了开放式的数控平台,使得通用数控系统可 以具有广泛的适应性。满足了现代加工、制造对柔性生产的要求。从而广泛的应 用于航空航天、汽车零部件、精密仪器等所需的多种加工设备上,因此对于开放 式数控系统的研究具有现实意义。本文对基于开放式数控系统的全数控凸轮轴磨


床软件系统进行了研究与设计。 传统数控系统一般无法由系统本身计算加工算法程序,并且在加工过程中采 用比较单一的插补算法,这显然不能满足机床用户对柔性制造以及高精度的需求。 本文对西门子840D OEM软件进行了二次开发,建立了全数控凸轮轴磨削人机晁 面。根据插补算法的原理并结合凸轮轴的几何特性,本文推导了凸轮轴磨削插补 算法并进行了插补误差分析,同时又对凸轮轴恒线速度磨削数学模型进行了研究, 完成了凸轮轴磨削的软件算法以满足高精度、高效率的凸轮轴磨削要求。 本文对凸轮轴磨削的几何和物理仿真算法进行了研究,从而可以促进加工程 序的完善以保证更高的精确性。通过对西门子840D二次开发专用软件以及PLC 的程序开发本文实现了机床的实时监控,从而极大地增强了机床的图形人机交互 能力以及安全性。最后对于凸轮轴的加工检测,本文提供了自行开发的凸轮轴检 测仪以及东风康明斯公司高精度凸轮轴检测仪两种形式的检测报告以验证本文开 发的磨削软件以及磨削仿真结果的正确性。

关键词:开放式数控系统:凸轮轴磨削;人机界面;插补算法:磨削监控

Abstract

The CNC system with open character has been the main stream and absolute trend in recent years and it provide with software platform based
on

powerful software and

hardware resources,all these have made the general CNC with more wide range of application which
can

meet the requirements for flexibility of modern manufacturing

and machining.It is widely used in spaceflight,automotives and presion instrument etc. The research for open CNC is of practical meaning.This thesis presents the research and design of the software system of the open CNC based Camshaft grinding machine. Traditional CNC system is unable to generate the manufacturing program by

itself,and

implements simple interpolation algorism which is obviously far below the
users

requirement of the machine tool

for flexibility and precision.The second time

development of Siemens 840D OEM software is done and the HMI for CNC camshaft grinding is established.Based
on

the theory of interpolation together with the geometry deduces the camshaft interpolation algrism and

character of Camshaft,this thesis

analyses

the error,while at the same time some research of the constant linear speed precision and high

grinding for camshaft is done to meet the requirements of high

efficiency.
The geometry and physical simulation of camshaft grinding is presented
to

improve the program for high precision.The realtime monitoring is realized by PLC and two different methods of measuring report grinding software
are

provided to prove the validity of the

and

simulation of this thesis.

Key

Words:open CNC;camshaft

grinding;HMI;interpolation;realtime monitoring

湖南大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明:所呈交的论文足本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:/锨钇

同期:

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学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密口,在 2、不保密团。 (请在以上相应方框内打“4”) 年解密后适用本授权书。

作者签名:联乌位

日期: 日期:

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第1章绪论
本文的整个研究工作是紧密围绕本人参与的东风康明斯的全数控凸轮轴磨床 项目的设计、开发工作而展开的。该机床采用目前世界上较为先进的开放式的
SIEMENS 840D作为数控系统,与SINUMERIK 611数字驱动系统和SIMATlC S7

可编程控制器一起,构成全数字运动控制系统。本文回顾了开放式数控系统产生 和发展的历史,并对其未来的发展趋势作了展望。介绍了SIEMENS 840D全数字 运动控制系统,基于SIEMENS 840D开放数控系统基础上,对系统进行二次开发, 开发出了符合柔性制造需要的智能磨削软件系统以及凸轮轴磨削实时监控系统 等。这些对于机床制造商、机床用户乃至系统开发厂家而言无疑都有重要意义。

1.1开放式数控系统的发展历程
1946年在美国诞生了世界上第一台电子计算机。1952年,计算机技术应用到 了机床上,在麻省理工学院(MIT)诞生了第一台数控机床。从此,数控机床的发展 日新月异,到今天已经历经了两个阶段和六代: 1952~1970年为数控(Nc)阶段,这一阶段划分为三代,即第一代电子管(1952 年);第二代晶体管(1959年);第三代小规模集成电路(1965年)。 自1970年起,小型计算机用于数控,数控技术进入计算机数控(CNC)阶段, 这是第四代数控;1974年进入第五代数控,其特征为微处理器用于数控;20世纪 90年代开始后基于PC的数控(PCNC)开始得到迅速发展…。 经过上述半个世纪的发展,数控机床已经形成了高、中、低档俱全,涵盖各 种功能的不同产品系列。传统的数控系统一直沿着闭式结构向前发展,对用户来 说,这种闭式数控系统只是一个被定义了输入和输出的黑匣子,其内部细节是不 可知的。这种数控系统最大缺点就是在原来基础上很难或几乎不可能再加入新的 控制策略方案和扩展新功能。随着计算机在制造过程中的广泛应用,改善制造过 程性能的需求越来越强烈,这种封闭式结构的局限性也越来越明显。制造厂家逐 渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑,具有一定的智能,能把 特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统,同时也希望系统具有图形 交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台,通过 这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这一市场发展的客观趋势 促成了一个新的概念的产生,即模块化、可重构、可扩充的开放式数控系统。为 适应不断发展的现代技术需求,未来的CNC控制器必须能够被用户重新配置、修 改、扩充和改装,并允许模块化地集成传感器、加工过程的监视与控制系统,而

全数控凸轮轴磨床磨削软件研究与设计

不必重新设计硬件和软件Ⅲ嘲。

1。2开放式数控系统的概念
开放式数控系统研究的主要目的是解决变化繁杂的需求与控制系统专一固定 的框架之间的矛盾,从而建立一个统一的可重构的系统工具平台,极大地增强数 控系统的柔性和适应性。一方面可以使得主机厂能够摆脱对单一数控系统供应商 的依赖,更加自由地将自己或第三方的面向用户的解决方案与系统集成,另一方 面又可使控制系统的厂商专注于提高系统本身的性能,大大减少各类维护的费用和 缩短交货期。实际上,当今一些先进的数控系统生产厂家已经看到了这一点,越来 越多的数控系统在某种程度上也提供了一定的柔性,我们称为有限度地开放。如:局 部开放控制系统的非实时部分,允许对它进行一定的修改;在严格规定的前提下, 允许在控制系统的实时部分增加特定的功能。 开放的概念首先是由美国提出的。1994年底,GM、Ford和Chrysler首次提 出了OMAC(Open、ModularArchitectureControllers)即开放式、模块化体系结构控 制器的概念。一个公认的定义称开放化就是容许把流行的硬件和软件集成为控制 器的基础结构,它支持一个“事实上的标准环境”。OMAC的基本目的是规定控制 器制造商所生产的产品符合开放化、模块化体系控制器的要求,并使用户受惠。 使用本结构可使制造者减少最初投资、缩短开发时间、得到最大的机器可使用时 间,减少维护费用、容易把使用者的专业技术集成在系统上;可插入和运行各种 硬件和软件、可有效地重新构架控制器以适应新过程,并且能结合进新技术。 与此同时,在欧洲也提出了自动化控制系统的开放式体系结构(OSACA)的 概念。1987年11月,在德国机床制造厂联合会(VDW)的支持下由司徒加特大学的 制造控制技术研究所Osw)开始了对“未来控制技术”的研究。提出了对未来控制方 案的要求,也就是对开放式控制系统体系结构的要求:模块化结构、连续性、公 用的标准化接口、生产时间和费用的优化,满足工业应用环境下的质量标准,操

作界面简易,类型大小可变且装配灵活,开放固化的控制接口(硬件和软件),提供
项目规划和设计的辅助工具、服务、维护、诊断、修改和培训,优秀的性能价格

比…5川。
IEEE(国际电气和电子工程师协会)总结了对开放式系统的定义是:一个开

放式系统应能使各种应用系统有效地运行于不同供应商提供的平台上,具有与其
他应用系统相互操作及用户交换的特点。可概括为: (1)开放性。建立开放结构控制器平台,使控制系统具有硬件无关性,用户可 根据需求选用通用PC机,利用PC机上WINDOWS环境形成良好的人机界面。 (2)移植性。用户可随意增加或减少控制功能,配置不同的伺服轴数和PLC点 数,并能配置不同开发商生产的标准软件或自己开发的软件。



(3)扩展性。通过开放结构控制器平台,可任意添加应用模块。 (4)网络化。开放式数控系统与机床各驱动部分之间有多种国际标准数字通信 接口(同轴电缆或光缆)和通信协议,用于高速通信和网络互连。

1.3开放性数控系统的硬件结构
20世纪90年代后期,数控系统的体系结构觚封闭转向开放,从而使得数控系统 能够充分利用计算机的软件和硬件资源,根据控制对象的不同要求,灵活地变更软 硬件组成,适应不同用户的需求。开放式体系结构成为数控系统发展的趋势。开放 式数控系统的主要目的是解决复杂变化的市场需求与控制系统专一的固定模式之 间的矛盾。使数控系统易变、紧凑、价廉,并具有很强的适应性和二次开发性。随着 计算机技术、信息技术、网络技术的迅速发展,目前开放式数控系统基本有3种结 构形式……。 (1)CNC+PC主板 采用传统数控专用模板(包括内置式PLC单元、带有光电隔离的开关量I/O单 元、多功能模板)嵌入通用PC机构成数控系统。系统可以共享计算机的一部分软 件、硬{牛资源,计算机的作用在于进行辅助编程、监控、编排工艺等工作。与传 统的CNC系统相比,具有硬件资源的通用性以及软件的再生性。尽管这类系统已 经具备了开放式的某些特点,并可适应不同用户需求而灵活配置,但由于数控系统 的开放性仅限于PC部分。而专用的数控部分仍处于封闭结构。且其运行在DOS 操作系统下,使得PC机的潜力未能充分发挥,系统的功能和柔性也受到了限制。 (2)通用PC+开放式运动控制器 系统是完全采用以PC为硬件平台的数控系统。其主要部件是计算机和运动控制

器。机床的运动控制和逻辑控制功能由独立的运动控制器完成。具有开放性的运
动控制器是该系统的核心部分,它是由PC硬件插件构成的。运动控制器以美国
Delta

Tau公司的PMAC(Programmable Multiple.Axis Controller)多轴运动控制器最

具代表性,控制器本身具有CPU,同时开放通信端口和结构的大部分地址空间, 实现通用的DLL同PC相结合。该运动控制器成功地采用了Motorola的DSP
56001/

56002数字信号处理芯片加上专用的用户门阵列芯片与PC机的柔性相结合,使得 PMAC.NC可同时控制4~8轴,其控制速度、分辨率等性能远远优于一般的控制器。 目前开发的TURBO PMAC,PMAc2,MACRO(光缆控制环路),uMAc等采用 最新技术的控制器,可以实现最多128轴的运动控制。PMAC具有开放性的特点, 给用户提供更大的柔性。硬件结构的开放性表现在: 1.PMAC适应多种硬件操作平台,可以在IBM及兼容机上运行,在Win95/98/ 2000/NT及Lunix下运行及开发;允许同一控制软件在PC,STD,VME,总线上运 行;因此提供了多平台的支持特性。

全蝥鹜曾篓塑童童塞型鍪丝些垒皇塞兰
2.可适用于各种电动机,包括普通的交流电动机,直流电动机,交、直流伺 服电动机,直线电机,步进电机及液压马达等。能连接模拟和数字的伺服驱动器。 3.可以与不同的检测元件连接,如测速发电机、光栅、旋转变压器、激光干涉 仪、光电编码器等。 4.PMAC的大部分地址向用户开放,包括电机、坐标系的所有信息及各种保 护信息等。 软件结构的开放性表现在: 1.面功能。支持各种高级语言,PMAC提供16位、32位的DLL及ActiveX 控件,用户可以采用C++,VB,VC,Delphi在Win95/98/2000/NT下开发人机界 面接口。 2.PLC功能的开放。内置式软件化PLC,可将I/0扩展到1024点,可编制 64个异步PLC程序。 3.机床语言的开放。PMAC支持用户调用现成的直线、圆弧、样条、PVT 三次曲线等插补模式,同时支持标准的RS274代码,用户还可以自定义G,M,T, D,s代码,实现特定功能。

图1.1

PC+开放式运动控制器硬件配置图

(3)完全PC的全软件形式的数控系统 完全采用PC的全软件形式的数控系统,目前正处于研究阶段还未形成产品。 全软件数控以应用软件的形式实现运动控制。欧盟的OSACA(Open
Architecture for Control within Automation System

System)计划在第二期工程提出的“分层

的系统平台+结构化的功能单元A0(Architecture Object)”的体系结构如图1.2所示。



系统平台包括系统软件和系统硬件(处理器、I/O板等)。开放式系统的体系结构的 发展潮流是完全采用PC的全软件形式的数控系统,用户可以借助一些通用工具和 平台随心所欲地搭建自己的数控系统,进行二次丌发,实现特殊的需求和功能”“““。
结构化 功能攀元


图1.2

1分层的

’系统平台
OSACA的体系结构

1.4开放性数控系统的软件结构
系统采用前、后台型软件结构,即由前台程序和后台程序所组成。前台程序 指实时中断程序,包括实现插补、伺服驱动、机床相关逻辑、故障检测与诊断等 所有实时任务。图1.3为后台服务程序。后台程序是指循环运行程序,主要功能 是实现各种功能的切换、数据处理、动态显示运行状态等。系统实现的关键技术 包括实时多任务处理,人机界面设计技术等,以便能充分发挥数控系统的软、硬 件资源。在CNC控制器上运行,操作者可以观察、检测刀具运行情况和加工过程, 还可以对加工过程进行必要的修正,实现真正的CAD/CAM/CNC集成,并趋向于 智能化控制。

图1.3后台服务程序

1.5对于全数控凸轮轴磨床进行二次开发的意义
凸轮或凸轮轴是高速精密传动机构的核心部件,是柴油机、汽油机等机械产品 中大量使用的关键零件。其加工质量尤其是型线的加工质量直接影响设备的使用

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性能。因此,凸轮型线的加工精度要求很高。由于它的特征曲线都是复杂的曲线, 其加工比较困难,国内众多机械制造企业普遍采用靠模仿型磨削加工,人工修研 的传统方法来完成凸轮型线的磨削加工…1。这种方法加工凸轮存在着以下主要问 题: (1)砂轮或靠模磨损后,产生升程误差: (21工件恒速旋转,凸轮廓线上各点切削速度不一致,造成磨削烧伤、振痕等 缺陷,影响表面质量; (3)靠模的制造过程十分复杂,生产准备周期长,柔性差,不能适应快速、规 模化的生产需求。 二汽东风康明斯公司根据其行业发展及自身特点,针对其全数控凸轮轴磨床 提出了一些亟待解决的问题及相应的技术要求,主要有: (1)对于以往的数控机床而言(靠模除外),工件加工数据的建立以及针对加 工零件的数学模型产生加工工件子程序是十分烦琐费时的,通常要在数控系统外 接(如笔记本电脑),并安装专用工件数学模型计算软件进行计算然后输入数控系 统(如图1.41,从经济角度及效率上远不能满足现代高速数控加工的需要,因此 需要全新的凸轮加工程序算法,可以在数控系统上完成原始理论数据的输入,加 工算法的计算,加工程序的产生。 (2)通用的标准数控系统本身不具有图形交互功能,无法进行磨削图形仿真及 对系统监控能力差,从而使操作者无法直观的对磨削情况有一定的了解。针对这 一情况,需要根据磨削的几何和物理特性建立磨削的数学模型,通过软件开发完 成磨削的算法仿真,以及图形监控。 (3)由于操作者或者程序调试人员在进行机床加工及程序调试时由于误操作及 程序本身的缺陷有可能造成设备或者人员的损伤,因此需要完善的加工安全和监 控系统,以保护设备和人员的安全。 虽然标准数控系统功能强大,但是在应用于凸轮轴系统时,依然有许多局限 处,完成凸轮轴用户提出的技术要求是由很大局限性的,综合加工的效率、加工 的柔性、加工的附加功能等多个角度考虑,对标准系统进行二次开发都是有实际 意义的““…1。



硕士学位论义

图1.4传统CNC系统框图

1.6本文研究的主要内容
本文对西门子804D开放系统包括软件,硬件系统的功能及其原理实现作了深 入研究并基于此系统以及二汽东风康明斯对数控机床的技术要求对西门子OEM 软件HMI
PLC PRO PACKAGE

6.3功能进行了开发并以此为平台结合vc++,VB以及

S7—300,对系统进行了二次开发,本文对发动机用凸轮的几何结构进行了剖

析,并在此基础上对数控磨削中至关重要的两个方面即,磨削插补算法和恒切除 率磨削进行了研究,完成了磨削数学模型的建立从而可以通过平台软件完成自动 产生加工程序,磨削系统仿真是本文的重点之一,在完成对加工代码的全面分析 和编程规则解读后,介绍了几何仿真的实现原理和实现方法。本文详细的推导了 凸轮轴磨削的物理模型,并在一系列理论以及经验算法的基础上进行了物理仿真。 本文还详细介绍了在已经开发的系统软件平台的基础上,完成对西门子840D数控 系统在自动和手动两种状态下的磨削监控的软件开发,本文介绍了利用西门子专 用软件,并且通过对开放的系统开放的控制功能,通过PLC s7.300进行程序开发, 实现机床操作的安全控制策略。本文在最后对所开发的磨削软件及算法的有效性 进行了验证,提供了权威的检测报告。 本文的创新点在于将数据图形交互通过GEM软件为接121引入数控系统进行 磨削过程图形仿真,并取得了非常不错的结果,同时基于西门子二次开发软件的 工件磨削的在线实时监控的实现也成为本文的创新所在,这是对传统的数控系统 所欠缺的图形交互的重要补充和数控系统二次开发的主流趋势之一。

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第2章西门子840D运动控制系统的基本功能原理

2.1引言
近年来,随着机床用户对加_[要求的逐渐提高,对于机床本身也有了更多的 要求,如稳定性、精确性、柔性等,而这些无疑都是由机床的机械以及硬件配置 和软件构成决定的。因此对于本文研究的数控系统的基本原理以及硬件和软件系 统的深入分析就显得十分必要和有意义。同时作为开放式系统而言,其进行二次 丌发的OEM(Original 着至关重要的作用。
2.2
Equipment

Manufacturer)软件在整个系统的软件系统中起

SlNUMERlK
slNUMERIK

840D数控系统性能
840D的主要技术特性

2.2.1

S1NUMERIK 840D是西门子公司20世纪90年代推出的高性能数控系统““。

它保持西门子前两代系统SINUMERIK 880和840C的三CPU结构:人机通信 CPU(MMC.CPU)、数字控制CPU(NC—CPU)和可编程逻辑控制器CPU (PLC.CPU)。三部分在功能上既相互分工,又互为支持。在物理结构上,NC.cPU
和PLC CPU合为一体,合成在NCU(Numerical Control Unit)中,但在逻辑功能

上相互独立。SINUMERIK 840D主要技术特性如表2.1所示。
表2.1 SINUMERIK 840D主要技术特性 功能特性 控制特性 驱动特性 通道数 存储器容 量 最大进给 轴数/主轴 插补方式 (1)直线插补4轴联动 (2)螺旋插补 操作方式 刀具管理
JOG+MDA+TEACH IN
600

功能描述 基于SIMODRlVE
SIMODRIVE 61lD
lO 611

功能类型 内置PLC 处理周期 PLC内存容量 最大DI/DO

功能描述
S7?300 CPU315-2DP 0.3ms 96kb/288kb 2048/2048

缓存2.5MB(可扩2.5MB)+ 硬盘10GB
31/31

补偿种类

反向间隙+螺距误差+测鼍系 统误差+温度误差

机床IT控制方案

WINDDE+SINCOM+A&D数 据管理

操作显示系统 通信方式

OP010或OP015+MCP
RS232+MPI+PROFIBUS

在表2.1中要说明的几点是:

倾{j学位论文

1.SIMODRIVE 611D是SIEMENS公司推出的数字式交流伺服系统。

2.JOG:点动操作模式,该操作模式。 MDA:半自动操作模式,输入少量程序段并能自动运行。
TEACH

IN:示教操作模式,该方式可使坐标手动移动的轨迹转化为加工程序。

AUTOMATIC:自动操作模式,零件编好后自动运行,完成加工任务。 REPOS:回机床参考点模式,为机床建立一个绝对坐标系。
2.3 sINUMERIK

840D数控系统的硬件原理

SINUMERIC 840D是由数控及驱动单元(CCU或NCU),MMC和PLC模块

三部分组成的。而这三个主要部分的构成原理以及其相互关系对于本文将要进行 的研究工作,无疑是十分重要的,因此分别进行说明。
NCU(Numerical Control

Unit)是SINUMERlK 840D数控系统的控制中心和

信息处理中心,数控系统的直线插补、圆弧插补等轨迹运算和控制、PLC系统的 算术运算和逻辑运算都是由NCU完成的。在SINUMERIK 840D中,NC-CPU和 PLC.CPU采用硬件一体化结构,合成在NCU中。



令数拧凸轮轴磨床磨削软件研究与墁计

圈2.1 SINUMERlK 840D数控系统硬件结构原理图

2.4 SINUMERIK
2.4.1 Sl NUMERIK

840D数控系统软件结构 840D系统软件

SINUMERIK 840D软件系统包括3大类软件:MMC软件系统、NC软件系统、

PLC软件系统和通信及驱动接口软件(如图2.2所示)。

10

图2.2西门子840D数控系统软件系统圈 2.4.2

0EM软件功能

本文采用的是用于840D系统的OEM专用软件MMCl03,OEM开发软件一般由 机床制造厂,机床改造商使用。根据用户需求设计各种机床界面,其主要功能如下: 1.NCU中各种变量的访问,如刀偏、零偏、轴坐标值等; 2.R参数的访问; 3.PLC中各种变量的访问,如I/O口、标志区M、数据块DB等: 4.NCU中文件读取; 5.MMcl03中文件读取; 6.利用VB,VC++设计应用界面,如显示数据:图形:输入数据:管理文件 及对外部的控制等。 由以上各种功能作为基础,可以完全改变机床制造商和使用商对机床的原始 数据的获取和利用程度。用户可以通过人机界面作为媒介把系统参数,磨削参数, 运行实时参数等和控制参数结合完成对整个磨削过程更好的控制“”““。

全数控“轮轴磨床磨削软件研究与敬计

2.5本章小结
本章对西门予840D数控系统的比较显著的性能指标作了简要的介绍,同时介 绍了其主要的硬件构成的主要功能部件,包括数控单元、人机通讯单元、PLC等 这些硬件单元使其具有强大的处理以及运算、监控、驱动等能力。而840D数控系 统的软件构成则包括:MMC软件系统、NC软件系统、PLC软件系统等。分别支 持数控系统上位机运行,伺服电机系统驱动以及PLC控制器的控制,这三者互相 支持、缺一不可构成了全数控系统的必要体系。

第3章基于西门子840D数控系统的凸轮轴磨削软件设计

3.1引言
标准数控系统尽管软件、硬件的功能都f+分强大,但在具体的应用场合比如

磨床,铣床等,就会有诸多值得改进和提高的地方。枷i准数控系统注重于磨削过
程本身,从而对于磨削这个复杂工程的其他方面,诸如加工程序的产生、加工数

据的修改、磨削参数的设置、磨削实时监控,磨削算法仿真等硅得比较欠缺。 对于以往的数控机床而言,工件加工数据的建立阻及针对加工零件的数学模 型产生加工工件子程序是十分烦琐费时的,通常要在数控系统外接(如笔记本电 脑),并安装专用工件数学模型计算软什进行计算然后输入数控系统.从经济角度 及效率卜-远不能满足现代高速数控加工的需要,为从根本上解决此问题,在开放
的西门子840D系统基础上应用HMIGEM软什进行了二次开发建立磨削系统的人

机界面,从根本上解决高速全数控机床的工件数据输入,数学模型处理过程。使
加工快速转型成为可能。并在此基础上针对全数控机床加工实际需要进行了功能

扩展,对系统更有效的控制。使系统的功能更为强大。 本文将在本章及后续章节中介绍针对于此开发的功能。作为本论文研究的重 点之一,即凸轮轴磨削的数学模型以及在此基础上的适用于全数控磨床的加工程 序的建立对于从传统磨削到全数控磨削的转变是十分具有现实意义的,完成此项 工作需要多学科知识的融合,具体讲需要以下几方面的工作: 1.磨削系统人机界面的软件平台的开发 2.凸轮轴几何机构的数学模型的分析 3.凸轮轴磨削插补算法的研究 4.凸轮轴磨床的磨削模型的建立 5.凸轮轴磨削加工曲线表算法软件的开发 本章将围绕上述步骤展开,论述论文的研究工作。

3.2人机界面的设计方法
作为实现开发者意图的载体,友好的、模块化的人机界面是大量数据交换和 运算处理的平台。基于前节对于二次开发GEM软件的介绍,本文人机界面开发的
主体软件采用的是MMCl03 GEM的最新版本即HMI
PRO PACKAGE

6.3,结合

VB以及Vc++等通用软件可完成各种开发要求。对于人们熟悉的标准操作界面是 显然不具备任何其他扩展功能的,那么首先从建立基本的操作按键到界面分别说
明。原则上讲,开发分为两个部分即,Softkey(软键)的设置和用户界面OEMFRM 明。原则上讲,开发分为两个部分即,Softkey(软键)的设置和用户界面OEMFRM

的设计。完成这两个部分后,用户可以通过操作面板上的按键操作,进入自己开 发的界面进行数据,文件读取以及参数修改等。

3.3人机界面的软件平台的开发 3.3.1人机界面在磨削软件设计中的作用
在完成对人机界面的设置以及配置文件的编程以后,可以以此为基础做各种 用途的软件设计,对于磨削算法软件的开发设计,是要以人机界面作为接口,完 成以下数据类型的处理”“, 1.凸轮轴基本型号数据 2.凸轮轴的尺寸补偿数据 3.凸轮轴位置数据和相位角 4.凸轮升程数据 以上数据对于完成凸轮的磨削算法都是必要的参数,同时部分参数是作为磨 削时,在数控加工代码中需要实时调用的参数,开发的人机界面(如图3.1)提供 了查询、编辑这些参数的平台,这完全改变了以往数控机床要靠查找R参数进行

修改的方式,是非常直理便捷的。
一般丽言,加工凸轮的机床用户提供的是标准凸轮的升程曲线表,这是一个 二维的数据可以理解为极坐标形式。描述的是在圆周上的角度以及在这个角度时 凸轮的升程值1。而机床加工需要的是三维的运动,从加工角度讲,提供两个相互 关联的二维曲线即,工件圆周转动的角度和对应的点砂轮转动速度也就是即,磨 削速度,也就是加工曲线表。二者的对应关系十分复杂,根据凸轮自身的几何结 构、磨床的机械运动的特点和磨削特性并结合数控系统自身的性能确定。

3.3.2凸轮工件磨削加工数据库的建立
为满足柔性制造的需要,一台全数控凸轮轴磨床可以存储多种不同类型的工 件加工数据和相关磨削参数,通常包括加工主程序(?.MPF格式文件),加工子程 序(?.SPF格式文件)。其中加工主程序反映的是凸轮所有桃子的信息诸如凸轮进气、 排气凸轮加工位置量、凸轮的尺寸补偿和各个桃子的相位角等,如下图3.1所示。

而加工子程序则是单个桃子的加工盐线表,也就是前文描述的二维曲线。很显然
根据不同的凸轮数目,在加工过程中主程序会多次调用子程序。主程序的编写较 为简单,通常可根据理论数据以及现场调节来编写程序和进行修改。 利用如下界面,输入关键参数后,系统可自动存储并在实际加工中进行调用。

升程值就是在凸轮侧视的圆周结构中,相对于基匠而言的高度差。

14

图3.1凸轮轴磨削数据库人机界面

3.4凸轮轴磨削数学模型研究
对于凸轮的加工曲线的数学模型的建立,应该首先对于凸轮自身的几何结构 进行分析,并在此基础上结合磨削特性,从而完成对其运动规律的数学建模。

3.4.1凸轮的几何结构分析
一般情况下,对于发动机用凸轮形状如图3.2,凸轮轴一般包括主轴颈、偏心 轮、进气凸轮、排气凸轮等几部分。仅对进、排气凸轮做详细分析,首先从凸轮 的设计思想出发,凸轮曲线型面是根据工作要求凸轮机构的加速度、速度变化等 因素而设计的。一个凸轮型面一般由多段曲线段组成,因而曲线数学模型多是高 阶复杂方程。由图3.2可以看出其构成有l、基圆2、过度段3、腹圆部分4、顶 圆部分5、切线段等几部分组成。当然并非所有凸轮都包括这些部分,如有的两 侧都是切线,没有腹圆部分;有的没有切线段等。

全数控凸轮轴磨床磨削软件M究’』设计

图3.2凸轮结构图

3.4.2凸轮轴磨削的工艺特点
凸轮磨削是特殊的非圆磨削,磨削时除了基圆部分与外圆磨削加工状况相同, 其它部分的磨削条件均不断发生变化。工件各点转速对加工精度影响极大,工件 恒角速度旋转时,往往出现两侧磨削不充分而使顶圆磨削过量的现象,导致误差 很大。首先因为若凸轮零件是随头架一起以恒定的角速度旋转,由于凸轮曲线形 状的特殊性,凸轮轮廓面各磨削点线速度、磨削力等都不一样,相差可达几倍甚 至几十倍。磨削点移动速度不同,则单位时间金属切削率不同,其径向磨削力和 磨削功率也发生变化。磨削力的变化波动会引起冲击和振动,严重影响磨削质量, 并可能导致波纹、烧伤和形状误差等。其次,被磨削点的瞬时速度,砂轮与工件 的接触弧长以及磨削点相对于凸轮中一tL,的极坐标位置均随凸轮曲线的形状变化, 使得磨削力、砂轮工件系统的弹性变形、磨削热量等也不断发生变化。 鉴于目前数控系统运算、处理速度的发展,以及高精度伺服电机,编码器等 的出现,可以使数控系统快速的完成复杂的算法并通过执行部件进行。可以设法 找出在两坐标连动下各磨削点移动速度变化规律,使凸轮做恒线速度磨削,以消 除以上弊端。通常有以下集中工艺措施会被采用; 1.磨削加工过程中的数据处理均采用三次样条函数拟合 三次样条函数能够保持各型值点处一、二阶导数连续,各型值点问平滑连接, 从而使凸轮升程曲线连续平滑变化,磨削过程中的速度、加速度平滑过渡。 2.采用变速恒磨除率控制 使工件在不同的磨削点处,工件转速不同,磨削点处凸轮轮廓的线速度基本 保持不变,以保证在磨削凸轮一周的过程中,金属磨除率基本保持不变,磨削力

16

变化不大,减少凸轮轮廓的表I:fl『纹波和烧伤。 3.采用软件补偿技术 加工前,按约定输入凸轮轴数据(凸轮轴尺寸、凸轮个数、升程表数据等)、凸 轮加工数据(磨削余量、磨削进给量等)、砂轮数据(砂轮修整量、砂轮修整时问间 隔等1、机床系统参数等数据,计算出凸轮的实际轮廓坐标、磨削加工联动坐标,接 着进行恒磨除率处理,经过二次样条函数插於,插补出的脉冲个数与脉冲频率输 入伺服系统的位控板,并驱动伺服电机运动,实现X.C2轴联动。 机床采用x.c二轴联动形式产生凸轮轮廓曲线,由凸轮实际轮廓的极坐标值、 砂轮半径、砂轮修整量、磨削进给量等参数确定x.C联动坐标的数学通用模型。 这对于全数控机床来说意味着两个亟待解决的问题: 1.x轴的加工曲线参数方程以及算法 凸轮轮廓的产生是由x轴的纵向进给配合C轴的圆周方向转动而形成的,而 由图3.2知凸轮的轮廓曲线。对于东风康明斯采用的欧二型凸轮丽言,其基圆部分 为标准圆弧、过渡段为渐开线而腹圆及顶圆部分视不同型号凸轮而不同有的可视 为正弦曲线、摆线等,针对不同部分的曲线,依据凸轮原始数据,进行不同形式 的插补。 2.C轴的加工转速曲线 在C轴以恒转速进行磨削时,由于凸轮轮廓升程的不断变化,凸轮轮廓各点 的线速度也不断变化,引起磨削的不均匀,磨削过程中金属磨除率随着凸轮轮廓 面曲线变化而变化,从而弓{起烧伤、凸轮表面波纹。磨削凸轮一周内的变化规律:

按“基圆一升程一桃尖一顶圆一回程一基圆”的顺序金属磨除率变化。凸轮宽度和磨
削深度均可认为是一固定不变量,故凸轮磨削点处的瞬时线速度决定磨除率。只 要控制c轴转速,使磨削点处的瞬时线速度为一恒定值,则可实现恒磨除率磨削。

3.5插补原理
在数控机床实际加工中,被加工工件的轮廓形状千差万别,严格说来,为了 满足几何尺寸精度的要求。刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状来生成, 对于简单的曲线数控系统可以比较容易实现。但对于较复杂的形状,若直接生成

会使算法变得很复杂,计算机的工作量也相应地大大增加。因此,实际应用中, 常采用--+段直线或圆弧去进行拟合就可满足精度要求(也有需要抛物线和高次
曲线拟合的情况),这种拟合方法就是“插补”,实质上插补就是数据密化的过程。 插补的任务是根据进给速度的要求,在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点

的坐标值,每个中间点计算所需时间直接影响系统的控制速度。而插补中间点坐

2通常在磨床中对X轴定义为砂轮进给轴、C轴为工件转动轴、Z轴为工件横向移动轴。

17

乍数控,,,轮轴磨床磨削软件硝究1』蛙计

标值的计算精度又影响剑数控系统的控制精度,因此,插补算法是整个数控系统 榨制的核心。 插补算法经过几十年的发展,不断成熟,种类很多。一般说来,从产牛的数 学模型来分,主要有直线插补、二次曲线插补等:从插补计算输出的数值形式来 分,主要有脉冲增量插补(也称为基准脉冲插补)和数据采样插补。脉冲增量插补和 数据采样插补都有个自的特点,但数据采样插李卜因其特性,更加适用于全数摔的 机床。本文将介绍数据采样插补及其应用的主要形式。

3.5。1数据采样插补原理
数据采样插补是根据用户程序的进给速度,将给定轮廓曲线分割为每一插补 周期的进给段,即轮廓步长。每一个插补周期执行一次插补运算,计算出下一个 插补点坐标,从而计算出下一个周期各个坐标的进给量,进而得出下一插补点的 指令位置。与基准脉冲插补法不同的是,计算出来的不是进给脉冲而是用二进制 表示的进给量,也就是在F一插补周期中,轮廓曲线上的进给段在各坐标轴上的 分矢量大小,计算机定时对坐标的实际位置进行采样,采样数据与指令位置进行 比较,得出位置误差,再根据位置误差对伺服系统进行控制,达到消除误差使实 际位置跟随指令位置的目的。数据采样法的插补周期可以等于采样周期也可以是 采样周期的整数倍;对于直线插补,动点在一个周期内运动的直线段与给定直线 重合,对于圆弧插补,动点在一个插补周期运动的直线段以弦线逼近圆弧。数据 采样插补主要有:时间分割法、扩展DDA法、双DDA法等等。但是目前在数控 机床的实际应用中,时间分割法以其的高精度,高实时性等优势被广泛采用。

3,5.2时间分割插补的工作原理
时间分割法插补是典型的数据采样插补,它的工作方式是:先根据加工指令 中的迸给速度F,计算出一个插补周期的轮廓步长L,即用插补周期为时间单位, 将加工过程分割成许多个单位时间内的进给过程,以插补周期为时间单位,则单 位时间内的移动的路程就等于速度,因此轮廓步长L与轮廓速度F相等。插补计

算的主要任务是计算出下一个插补点的坐标从而计算出轮廓速度F在各个坐标轴
的分量,进而可以得到下一个插补周期内各个坐标轴方向的进绘量,在进给过程 中,对实际位置进行采样,与插补计算的坐标值进行比较,得出位置误差,位置 误差将在下一个采样周期内修正,采样周期可以等于插补周期也可以小于插补周 期。

18

3 5

2.1时间分割直线插补 时间分割法的直线(如图3.3为XY平面的直线插补示意图)插补首先要根据进

给速度和插补周期计算出在一个插补周期的进给革(进给步长),然后才能进行捅补 点的计算,进给步长的计算公式为:



图3.3时间分割法XY面赢线插补

AL:—Fxl—rttert
60×1000

(3.1)

式中,F一进给速度,mm/min Intert一插补周期,ms △L一进给步长,mm 进给步长计算出来之后就可以计算各坐标轴方向上的分量了,
AX=AL×COSd

(3‘2)

AY=AL×COS筘

(3.3)
(3.4)

艋=战×cos?"
我们可以知道进给步长是与进给速度成正比的。

数控系统的插补周期Intert一般是不变的,因此由进给步长的计算公式3.1,

时间分割法直线插补的流程图如图3.4所示,我们可以看出它的算法是比较简 练的,而且它是沿着理论的直线进给的,即不存在理论上的误差.

19

拿数控凸轮轴磨床磨削软件研究与设计

图3.4时间分割法直线插补流程图

3.5.2.2时间分割圆弧插补 时间分割法圆弧插补,如图3.5所示,也必须根据式3.5计算出进给步长AL 才能进行插补运算,在圆弧插补运算中,是以进给步长为圆弧上相邻两个插补点 之间弦长。由图可知:

图3.5时间分割法圆弧插补

……汐=声xt+lAx=蔫xj+1-A五LcosaYi


(3.5)
—i ay Y ,一= ALSltel 口

式(3.5)中的sina弄ll COS(Z均未知,要计算辔口非常困难,因此可以采用一种近似算 法,分别用sin45。和cos45。代替sing、COSOr,则(3.5)可改为:







一一 一 只


址一心
●一2一,一2

鼍|};

(3.6)

我们知道三角函数tga与cos口有如下关系:


COS盯=—’=======一
、/1+tan。口

(3.7)

由此我们就可以求得Ax:

缸=△三COS口
由于A、B两点都在圆弧上,所以:

(3.8)

R2=x。2+y,2=x2j+l+y2/+I=(x,+△x)2+(,。一缈)2
展开后求得:

(3.9)

△∥=Y。一√.y。2一(2‘Ax+Ax2)
2l

(3.10)

全蝥丝莹鉴!!璧奎璧型茎竺蝥茎量堡生
由J。℃(:{.6)计算出的tg口是近似的,从而造成AX有一定的偏芹,f【】…丁B点满足式(3.9) 所以R^一定住圆弧上;近似计算只造成很小的进给速度偏差,实践证明,这种偏若小于指 令进给速度的1%,这么小的进给速度变化在实际加T中是微不足道的。

上【n『求…的△X和AY都是正的,实际进给方向在各个象限x、Y轴的进给方向是不同的
图x 6时间分割法圆弧插补流程图,而具体方向如表3.I所示:

表3.1时间分割法圆弧插补进给方向 圆弧类删
所在象限 Y轴进给方向 X轴进给方向
1 .Y 十X 2 +Y +X

顺圆
3 +Y .X 4 .Y .X I +Y .X 2 .Y .X

逆I到
3 .Y +X


+Y +X

图3.6时间分割法圆弧插补流程图

3.6凸轮轴磨削插补算法研究
插补技术是数控系统的核心技术,插补算法的优劣直接影响数控系统的加工 效率。通常渐开线、螺旋线等非圆复杂曲线在数控系统中用小段圆弧或直线来逼

近,这使得数控代码的数据量极大,且逼近误差较大,计算机辅助编程也很复杂。
为此,本文根据凸轮结构构成曲线的不同部分,综合前文提到的插补软件实现原 理,分别采取不同的插补算法,并且分析了该插补算法的理论误差,并给出了通 用的刀具半径补偿方法n…。 现有的数控系统一般只有圆弧、直线插补功能,许多非圆复杂曲线不能靠直 接插补得到,只能将其分割,用大量小段圆弧或直线来逼近。这使得数控代码的 数据量随逼近精度的提高而增大,辅助编程过程复杂。在实际加工中经常会遇到 渐开线、阿基米德螺旋线、摆线、正余弦曲线等轮廓的加工,如凸轮、齿轮、电

争数控凸轮轴磨l未崩filj辕引州冗’J设计

机定转子等。本文根据东风康明斯加工要求的瞅二型凸轮轴的特点,提出了一种 插补算法,实现了上述复杂曲线的直接、精确、高速插补,且具有运算简单、误 差小等优点。还提出了任意平滑曲线的刀具半径补偿方法,使它能在对凸轮加工 的实际应用中更好的加强加工精度“…。

3.6.1凸轮磨削中的圆弧的插补原理
一些曲线的参数方程用角度作为参数,计算坐标值时往往包含三角函数运算, 数控系统中所使用的插补算法中显然不能有这种复杂的运算。插补这些用参数方 程表示的曲线时,可以充分利用曲线的形成特点,利用参数方程中的角度,采用 复合的圆弧插补算法得到曲线的坐标,因此需要利用简单的运算来求得角度或弧 长。 3.6.1.1圆弧插补中弧长的计算 利用圆弧插补可以方便地计算弧长。如图3.7所示,插补第一象限圆弧4d。,

其半径为R,Ak、Ak+l、Ak+2、4M为插补所得的点,其坐标分别用(Yk,Yk)、(%+l,

%1)等表示。用“表示一I至4nl间弧长,kI表示彳川至4蚪2间弧长,上表
示一。至彳。问弧长”…。 则有
L=lo+Ii+…+Z".1


——

f3.11、





图3.7用圆弧插朴计算弧长

为了简化计算作Ak+1既垂直于0.4女,用直线段一¨l取代替44川间圆弧长度

“,爿4川长度为步长1,则由图3.7可知,鼬I=忍.1;yHl=玩,由图可得
“2彳Hl Bk2 1 xsinok2取/R (3.12)

同理作4“2B上+1垂直于O_七+l,则

硕士学位论文

fnI=A^+2B女+I=l。COS(0k+1)=Xk{l/凡

(3.1 3)

若插补的步距很小,"很大,将“累加即可得到上的近似值。累加时只需将分f相 加,当和大于R时溢出,弧长L加l,余数用于下次累加。一般当月大于20步距, £取整数时,弧长的误差小丁二0.5步距。

3.6.2凸轮加工中的渐开线的插补算法
渐开线可以看作绕在基圆上的一根线,沿基圆展开后其端点所走过的轨迹。 如图3.8所示:O为圆心,S、M为基圆上的点,s是渐开线的起点,MN垂直于 OM,长度等于SM间弧长。在一个很小的范围内,_v绕M作圆周运动, 据此几何特征,插补可分为两步“…: 第一步:插朴M点,得到其坐标,并计算弧长增量a/R或b/R。 第二步:以M为圆心、MN为半径插补Ⅳ,即得到渐开线轨迹。对于圆弧上M 点的插补,用最小偏差法、单步追踪法等均可。对Ⅳ点的插补,取偏差判别函数: F=(z-a)2+(y-6)2一一 其中:,为动半径MN的长度。 在插补M的时候,a、b、,都会变化,F也会随之变化,当a=Ⅱ.1时,可得:
F『-F+1+2 x-2




(3.14)

(3.15)

当b=b+l时,可得
F’=F+1.2 v+2 b

(3.16)



~,
、肼f也¨








图3.8渐开线插补

因为M点的坐标值a、b都小于半径R、所以每次插补弧长增量小于等于1。 为计算方便,取整数,计算弧长时根据公式(3.15)、(3-16),仅累加分子部分a或 b。当累加的和大于等于胄时溢出,即r=,+1,余数保存,供下次累加使用。当 ,=r+l时,可得:
FkF+1—2


f3.17)

假设渐开线第k点为M(Xk,yk),第k+1点寿№l(x抖1,Y抖1)。若用最小
偏差法插补,地可能走两个方向,x川=‰+1或y抖l=Yk+1,

伞数控凸轮轴蚺;衣鹳削软件研究与设计

若走x“I=Xk+1时:

几=(x女+I.口)2+(YH
若走yk+l一肌+1时:
F0=(Xk+l-a)2+(yk+I一6)2-F2=Fk+2Yk一2 b+1

(3.19)

如果I%l<1%I,说明走x偏差较小,应该走Xk+l=Xk+l,凡l=%;反之应
该走

Yk+I=M+l,Fk+I=%
Ⅳ绕M作圆周运动只是在一个很小的范围内,因此要作局部终点判别。当MN垂 直于OM时,有b/a=(x—a)/(b-y),可得a(x一圳+6仔-纠=O。因此取判别式 P=a(x一训+6陟一剀
(3.20)

当P>O时停止局部圆周运动,转而插补M。同理P也将随a、b而变化,当 a=a一1时,P 7=P却一2b—J根据上面的算法,在二次开发的软件平台上进行程序编制, 本文依据东风康明斯提供的原始理论升程表进行各个连接段的曲线性质判断,从 而进行不同的插补。

3.6.3凸轮,jn-r中摆线的插补算法
上文提到对于不同型号的凸轮其腹圆盒项圆部分情况会有所差异,东 风康明斯的欧二型凸轮的腹圆及顶圆为摆线因此对摆线进行研究,直线的摆线是 由一个圆在直线上作纯滚动,圆上一个固定点所经过的轨迹,如图3.9所示。图中 SNE就是摆线,S是起点,N(xR,剧为圆滚过1 80。时的位置,E(27rR,.月)是圆滚 过3600时的位置。这是一个周期,摆线上任一点的坐标由两部分得到。 (1)绕圆心作圆周运动的坐标,它可以由圆插补得到;(2)圆心坐标,圆心的 Y轴坐标不变,x轴坐标是圆插补得到的弧长。这样通过圆插补,再计算弧长, 便可以得到X、Y两个方向的驱动信号,形成摆线。

弋 ∥

≯ 、/厂 平≮套



夕心夕j

s(o.一R'

图3.9直线撂线的擂补

圆摆线的捅补算法原理和直线摆线一样,唯一不同的是动圆的圆心是作圆周运 动。设阿基米德螺旋线的极坐标方程是P=RO+b,如图3.10所示,可以认为Ⅳ(x, y)在一个很小的范围内近似地作圆周运动。其圆心是0,半径是P,RO相当于弧长, 可通过插补半径为R的基圆得到,加上b就得到P由于Ⅳ只是在一个小的范围内 作圆周运动,因此也要作局部终点判别。设插补基圆得到点c(a,6),若OCN在

一条直线上,则b/a叫/x,可得缈.bx=0。取判别式

P=ay一如
Y●

(3.2I)

厂 六广”

一/

犬w





/s(bjo)



图3.10螺旋线插补

当P<0时表示Ⅳ在OC的下方,P>0时表示Ⅳ在OC的上方,P=0处 便是局部终点。在第一象限中,阿基米德螺旋线在彳方向有一极值点M皿在M下 方螺旋线向+X和+】,方向运动,在M上方螺旋线向.X和+r方向运动。由螺旋

线的极坐标方程p=RO+b可得参数方程:x=俾日+缈cosO,y=俾叶剀sinO。在M点
处导数dx/dO=O=Rcos#-sinO(R8+6)。由于tgO=y/x,可得PY—Rx=O。取判别式
Px=py—Rx

(3.22)

当Px=O时即为M点。在插补螺旋线时随着z、儿P的变化可以递推得到^
的值。同理在第二象限中,有y方向的极值点。在极值点处dy/dO=O可得判别式:

毋_px?砂 3.6.4凸轮加工中插补算法误差分析

(3.23)

凸轮轴的磨削是对精度要求极高的加工过程,而对于插补而言,即使是比较 精确的算法,也难免造成一定的误差,因此对于插补算法的误差分析有利于对整 体工件加工的效果有所了解。 如图3.11所示,以渐开线为例,用最小偏差法插补圆弧时,M点在45度时有 最大误差0.707个步长,此时对Ⅳ点的圆弧插补也有最大误差O.707个步长,若假 设此时弧长的误差达到最大(0.5个步长)。则由图可知:NNl=O.707, ⅣlⅣ2=O.5+0.707,可得ⅣⅣ2=1.4。因此,最大插补误差为1.4个步长。

拿数控凸轮轴磨眯磨削软{牛训究‘j设计

图3.11渐开线插补误差

若用直线束逼近上述的曲线,则要分两步实现,第一步分割曲线,并用小直线 段逼近。第二步是插补直线得到的驱动信号。如果采用弦割线来逼近,并要求同 样的精度1,4个步长,本文取步长为1I.tm,曲率半径为10mm,则可得到小直线段 的最大长度为0.11 8mm。即每11.8cm的曲线就要用1000段来拟和。

3.6.5凸轮加工中刀具半径补偿方法
对于任何一种补偿方法来说,只有实现了它的刀具半径补偿才具有实际意义。 这旱提出一种适用于任何可插补平滑曲线的刀补方法,这种刀补方法不但对上面 的插补方法有意义,对于其他任何曲线的插补方法也一样有用。 由于在数控系统中曲线的形成是由一系列的X,】,轴的单步驱动信号组成,因 此任何曲线可视为大量的小折线组成,因此根据这些折线,得到刀具的中心坐标, 也就完成了刀补。刀补有左刀补、右刀补两种,也可以分为对凸曲线的刀补和对 凹曲线的刀补。

图3.12所示是对凸曲线的刀补情况。图中一BCD占粥是插补所得曲线(折线),
加刀补后的曲线是AlBlB2CIC2DlD2El毋FlF2Gl,它由两种类型的曲线组成,一种
是曰1占2、C1c2等圆弧,另一种是占2Cl、c2Dl等和插补所得BC、CD一致的直线。 Bl口=B2占=刀具半径R,口lB垂直于AB,B2B垂直于BC,根据Bl相对于B的坐标 可以用圆弧插补方法得到当l岛圆弧,终点丑2可以用如下方法判别:当以B作为坐 标原点时,设曰2相对于曰的坐标为(五即,c相对B的坐标为(Xc,rc),由于历B

垂直于BC,故有凇£。殷/毙,取判别式F=XcY+蹦,当F=O时便是局部终点标
志。Xc,Yc为插补所得,并同时递推得到F。这样刀补曲线中的直线部分可以和插 补所得曲线完全一致,曲线部分则用圆弧插补得到。“。

28

图3.12凸曲线的刀补

图3.12所示是对凹曲线的刀补情况。它与凸曲线不同,凸曲线的刀补曲线比 插补得到的曲线增加了许多小段圆弧,而凹曲线的刀补曲线比插补所得曲线要短。 图3.12中,ABCDEF是插补所得曲线,AIBlClDlElFI是加刀补后的曲线。其中


1A』AB,BIB』BC,C1C』CD,DlD』DE,EIE』EF,AIBI、BICl、CiDl等是由

直线插补得来的曲线。例如一l占1是平行于AB的直线,但由于AIBI比AB要短, 因此曰,是局部终点,可利用口I口垂直于BC这个条件,得到判别式,方法同上。 本文提出的参数方程宣接插枣卜算法实现了渐开线、圆摆线、正余弦曲线的直接、 精确、高速插补,在实际应用中优于传统的分段直线圆弧拟和复杂曲线的方法。 这种插补方法全部用加减运算递推得到,运算速度快,最大插补误差是1.4个步长。 同时本文还提出一种通用的刀具半径补偿方法,可以解决任何可插补平滑曲线的 刀具半径补偿。 在数控系统的实际使用中,将原始凸轮轴数据通过二次开发的凸轮轴磨削插 补算法人机界面完成输入(图3.13),然后将上述插补方法和刀补方法通过VB编 程实现,并且完成相关的运算产生可直接用于加工用子程序。

全数控凸轮辅瞻床崩削软们W冗’』设计

图3.13凸轮轴磨削插补算法人机界面

3.7凸轮轴恒线速度磨削数学模型研究
图3.14是凸轮磨削示意图,这里以滚子挺杆从动件为例,其他挺杆情况可看 作其特例。”。图中O为凸轮基圆圆心,r为基圆半径:Ol为挺杆滚子中心,r1为 滚子半径;02为砂轮圆心,R为其半径。以凸轮顶圆的对称线为角度基准线,则 图示位置凸轮转角为m,滚子中心的转角为O。设P点是某一瞬间的磨削点,其转 角为B,则根据几何关系P、01、02共线。

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砸L学位论史

图3.14凸轮磨削示意图

H——凸轮升程 O——平面挺杆转角B——磨削点转角 rl——挺杆滚子半径 R——砂轮半径卜一凸轮基圆半径 m——凸轮转角
由图3.14可知:
DDl 2r+H+r1

设升程方程为tt(o),作OM上oo,,则

—OM—一dH(O)
dO 0lN20102 NP2 DlN—rl

故么OOtM=arctg(OM/DDl) 做ON上0.谚,则有: ON=Oj戗sin/001M COS么001M

N02 2NP+R

于是可求出:

一OP:4—-丽——+N—pz
由=0+么01002

31

牟数捧l!tJ轮轴麟廉脯削软件研究‘j垃计

13=o—zOIOP

-o+arctg(志)-arcts(罴) 银arctg‘而ON)+arctg(志)
=O+(Z001M-么002M)

20协。‘g‘再面万而’g‘丽’
=e—f么NPO一么OOIM)

f3.24)

(3.25)

设凸轮形状用函数sO)表示,一I轮匀速转动角速度为∞ 速度为:

则磨削点P移动线

其中:

v。一ds(f1)一ds塑坐


f3.26)

dt

dp d毋dt

掣;√历2+(a历/筇)z
at

(3.27)

d∞



由公式(3.24)、(3.25)知,对每个角度口,都有对应的(P和p,故可拟合出

卟B的关系,印/a庐也可以求出,因此可求出Vp。
设某一时刻基圆角速度为‰,要使各磨削点的线速度与基圆相同,只需令:
Vp2国。l



粤粤OJn=fOn 历高
国=2册?



u’2” (3_28)

即可求出恒线速磨削时任意磨削点P的角速度∞P。设转速为n,因为:

故P点转速为:

np=—1三—』堡二—一
2万、/叩‘+(80p/p声)2Z口/影
工工件速度模型的转速算法,只需将其程序化即可”“。

(3.29)

若将rl与币进行拟合,在币的每个整数度上取对应的n值,即可得恒线速磨削时 凸轮每一度的转速。基于以上数据分析并将其离散化并进一步处理则可得基于加

通过VB编制程序,调用相应的凸轮原始升程曲线表,在读取必要的相关计算 参数后,根据其对应关系进行计算,然后按照数控机床加工程序的特定书写格式 产生相应的加工曲线表即,加工子程序(+.SPF格式文件),以供加工主程序(?.MPF

“01I学位论文

格式文件)中调用。

3.8本章小结
本章首先介绍了基于840D数控系统的人机界面的开发,本章又对东风康明斯 的欧二型凸轮的结构进行了分析,根据凸轮加工工艺要求中两个至关重要的方面 即,加工巾的插补算法和恒线速度磨削进行了详细的分析研究,根据凸轮的不同 结构特点采用了不同的插补方法,并进行了插补误差分析。根据机床加工的机械 和几何运动的特点建立了磨削数学模型,并推倒了算法公式,为保证较高的精度, 算法追求的是恒切除率磨削,反映到蘑削工艺上就是磨削点恒线速度。提取凸轮 的原始理论升程数据以及由人机界面输入系统的数据作为算法的参数,则可以产 生相应的加工曲线表。在基于此思想基础上建立的数学模型以及磨削模型经过编 程以后运行于数控系统的平台之上,加工效果良好。

盒垫丝兰丝丝篁竺篁!!竺竺竺耋::兰生

第4章全数控凸轮轴磨床磨削仿真算法系统设计

4.1引言
对于数控机床而言,能够安全高效的加工出符合各项指标的工件是其最为重 要的功能要求,而这对于加工程序的要求就有一定的要求。在数控加工之前验证 加工程序,以确保其正确性,是数控加工过程中一个十分重要的环节。 传统上认为,无论是手工编制还是计算机辅助编制的数控程序,所生成的NC 程序代码的正确性往往不能准确判断。因此在加工零件之前应验证加工程序的正 确性。数控程序的校验通常有三种方法””:一是人工检查NC代码;二是试验加工 法,即在实际加工前,采用某种切削材料,通常多为非金属切削材料来代替实际零件 材料进行试切的方法;三是采用计算机来模拟刀具和工件的相对运动来进行检验。 显然前两种方法既耗时又浪费材料,有时试切法甚至是很危险的。运用计算机模拟 数控加工可以在实际加工前,及时发现并除去程序中的错误,确保程序的正确性, 合理性。从而使得在不需要真实加工环境下评价数控加工过程成为可能。

4.1.1机床磨削仿真的基本理论
本章提出的仿真概念函盖的不仅是基本的仿真要求即,加工程序的正确性、安 全性。还追求加工工件磨削效果的仿真,从磨削的几个关键的技术指标出发,作 出仿真,并根据仿真结果修改程序以求达到高精度的磨削效果。基于此两点本章 将从仿真的这两个方面即几何仿真和物理仿真两个方面分别予以阐述。物理仿真 不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响,只仿真刀具.工件几何体的运动, 以验证NC程序的正确性。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴,它通过仿真切 削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数,从而达到优化 切削过程的目的。全数控凸轮轴磨床的仿真系统结构如图4.1所示。

图4.1全数控凸轮轴磨床的仿真系统结构

4.2凸轮轴磨削系统几何仿真
对于凸轮轴磨床而言,其坐标如前文提到的三坐标,即X、Z、C轴的空间几何 运动。因此对于其仿真首先,读取数控加工程序,计算机利用仿真程序对数控加 工程序进行翻译、处理与计算,将有关信息处理成计算机图形相关数据,再利用 计算机的绘图功能和动画技术,在屏幕上形象模拟数控机床加工零件的过程。若 屏幕上的图形与被加工零件不符,则说明数控加工程序编制有误,返回修改,直到正 确为止”“。需要说明的是对于磨削的几何仿真而言,需要验证进而改进的是NC 代码中的各坐标轴运动的子程序。

4.2.1数控加工几何仿真技术的实现方法
一般来讲,要实现磨削的几何仿真,应遵循以下几个步骤,即文件编辑、NC 代码解释、加工过程仿真、几何模型和运动模型等。分别进行阐述如下: 4.2.1.1文件编辑 通过HMI OEM二次开发软件,可以调用机床操作系统得文档编辑器,这样可 以与图形仿真过程集成在同一个系统中。它用于对NC代码的编辑修改。当代码 解释器发现文件错误或仿真过程需要时,可以对文件进行实时的修改,以便再一 次用于仿真验证过程,其主要功能有文件管理和文件编辑。
4.2.1.2

NC代码解释

对于NC代码解释而言,是通过对代码的编程规则进行研究后,利用VB的程 序编制完成代码翻译。NC代码解释用于对所编制的程序错误进行检验并对数控加 工过程仿真的动作和状态起指挥和控制作用,其主要功能有:根据该数控系统的编 程细则及相关的信息,检查NC程序的错误;从NC代码中提取刀具信息和刀位加

仝数捧凸轮轴癀廉蹭削软件料究’j设计

工信息、控制机床部件运动的有关命令和状态信息,并将有关的信息存秸:相应的数 据结构中”。。 4.2.1.3加工过程仿真 在完成对NC代码中关于各坐标轴包括工件在内的运动轨迹的语句的提取后, 生成作为图形仿真的驱动数据文件后,则需要仿真软件运行后可以根据以有数据 完成二维的各个坐标轴运动图形显示,以及加工工件的外轮廓。 4.2.1.4几何模型和运动模型 数控机床几何模型的对象类结构主要是组装结构,它是以模块为基础的对象 类形成的组装结构,这是数控机床由上向下逐层分解的装配关系决定的。可用数据 结构来描述数控机床的结构。其数据结构可分为两层:第一层存储机床零部件几 何模型之间的装配关系,第二层用于存储各机床零部件几何模型的几何信息和拓 扑信息。装配关系是零部件之间的相对位置和配合关系的描述,反映零部件之间 的相互约束关系。其约束关系有:几何关系、运动关系和排斥关系。数控机床运 动模型涉及数控机床零部件的几何位置关系和运动关系,这种几何位置关系和运 动关系可以通过向量合成求得。

4.3凸轮轴磨削系统几何仿真实现原理
磨削模型的几何仿真遵循前文提到的必要步骤,其中应该着重论述的是NC 代码解释和几何运动的实现。…。
4.3.1

NC程序解码原理

在数控系统中G代码的一般格式为:
N 、G 、X土 、Y士

以及其它如F

、S

、T



上述各种功能符号的含义:N是程序段顺序号,通常由N和三位数字组成;G 是准备功能指令,与几何有关的常见指令有: G00点位控制,G01直线插补,G02顺圆弧插补,G03逆圆弧插补,G17、G18、

G19为加工平面选择,G4¨G44刀具补偿,G90绝对编程,G91相对编程;x、
C、Z等是各坐标的运动尺寸,I、J、K一般用于描述圆弧的圆心坐标,分别与x、 C、Z对应;F、S、T、M是工艺性指令。 一般情况下,数控加工指令有以下几个特征:

(1)数控指令具有连续性。数控加工中刀具的轨迹以图元为单位(注:正确加
工情况下,刀具的轨迹与零件的轮廓是一致的,应该是一个封闭环,其中组成轨 迹曲线的独立线段,例如圆弧段、直线段称为图元。)是连续的、不间断的,所以 数控指令中的几何描述也是连续的,上一个程序段的结束点恰好是下一个程序段

的起始点。 f2)上一个顺序号N与下一个顺序号N之nq为一个节。数控指令中有些功能 是多节有效,有些功能是单节有效,仿真系统必须体现这种要求。 (3)同一节中几何运动只能在某一固定的中而(XC,XZ或CZ)中完成。 (4)同一节中同一字出现多个,后者优先。 要求解释软件在当NC代码有错误时,能自动调用文件编辑模块来修改数控 加工代码,修改完后再用NC代码解释器进行解释。

图4.2数控代码检验系统结构图

NC代码解释由词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、仿真驱动 数据文件组成(如图4.2)“”,具体为数控程序译码模块完成以下功能: (1)数控程序的输入及屏幕编辑;

(2)数控程序的编制错误检查,包括非法代码的使用、刀具选择错误等:
(3)提取数控程序中的错误信息,为修改数控程序提供帮助:

(4)根据数控指令,计算刀位路径,判断插补离散化类型,分别进行离散化,求出
一系列离散点的二维坐标值; (5)最终生成一定格式的数据文件作为仿真的驱动信息。

37

全数控d-轮轴蜉床磨削软件研究与设计

图4.3数控程序译码流程图

NC代码解释也就是译码对于加工过程的几何仿真是至关重要的,本文根据如 图4,3的程序译码流程图进行了软件的编写并完成相应的程序译码功能”…。对于 VB编程的二次开发丽言,要实现二维的几何运动,所有相关信息(如图4.4)包 括,主程序中砂轮转速、各个坐标轴的绝对位置量、磨削进给量以及砂轮和凸轮 的相对位置等。都要在NC代码解释中提取和重新保存,则当运行仿真程序后, 可以检测到与真实磨削相同的几何运动信息和其它比较重要的磨削状态和磨削参 数。这无疑可以避免程序中的错误以导致的危险。

帧Ij学位论文

图4.4凸轮轴磨床几何仿真人机界面

4.3.2几何仿真软件模块
在设计仿真环境编程时,采用了几个必要的软件模块,以求达到功能要求, 包括,

图4.5凸轮轴磨床几何仿真软件模块

其中运动模型也就是完全的磨削或者砂轮修整时的坐标运动仿真,而磨削效果 是根据第三章中介绍的算法模拟出的加工的外轮廓图形,通过此项仿真可以发现 实际加工中潜在的异常。一般情况下造成这种异常的可能性多是由于理论升程数 据输入的错误造成的。“。通过上述的仿真,可以发现此种错误,减少毛坯损失。

拿数控凸轮轴鳝床嚓削软“川冗1 o设计

4.4凸轮磨削加工计算机物理仿真设计
磨削是获得高精度、高表面质量零件的加工方法,应用广泛。尽管经历了大量 的研究,但由于以往对加工机理的认识还不清楚,对磨削加工的实际调整多数是 靠试凑法,即凭操作者熟练技巧。过去有关磨削力、温度、磨削能、磨削表面粗 糙度等分析多是通过单因素获得的。仿真可预测整个磨削循环期间的磨削特性和 最终加工质量;也可对磨削循环期问主要影响因素进行预测。与磨削加]:相似, 常规磨削加工流程图如图4.6

图4.6凸轮轴厝削加工流程图

4.4.1凸轮轴磨削物理仿真研究重点
对于凸轮轴的磨削来讲,常规的几个重要检测指标以及相应对策,
1.

基圆跳动

基圆跳动表现为在凸轮的基圆部分,出现圆度较差的现象,由于基圆部分的磨削 情况相对简单,属于外圆磨削,因此出现这种情况的原因通常是砂轮的原因,所 以解决的方法通常是进行砂轮修整。 2.凸轮的锥度 在磨削过程中,由于工件毛坯本身质量的差别以及磨削时砂轮巨大的加速度,经

常会出现加工后的工件锥度指标超标的情况,解决这种问题的方法除了加强毛坯
质量外,还要加强对中心架的调节。 3.表面粗糙度 表面粗糙度的出现,涉及到的因素很多,从砂轮本身的物理构成到加工程序和算

40

法都有可能影响。
4.

表面烧伤

表面烧伤是一个相对重要的检测指标,具有表面烧伤的凸轮会在投入使用后刚性 变差,从而影响整个发动机的寿命。究其产生原因是在磨削加工过程中。当砂轮 和工件开始接触切除会属.会产生磨削力并消耗动力。所产生的法向磨削力将引 起变形,使实际进给量滞后于机床设定的理论进给量;砂轮磨损后,由于其表面 的缩回,也可部分抵消了进给量;砂轮局部磨损导致砂轮钝化,增加了磨削力与 动力损耗;在磨削中所有能量都转化为热能。“,所以在磨削区产生高温并造成热 损伤。工件大面积的温度升高又导致工件产生热膨胀,使实际金属切削和最终尺 寸受到影响。上述各种因素及他们之间互相关系在进行仿真时都必须加以考虑。 通常来讲仿真首先从数据输入开始,其次是执行一个磨削模型来磨削工件, 最后输出结果。对于凸轮轴磨削计算机仿真要输入的参数包括:砂轮直径、砂轮 宽度、凸轮进、排气数目、偏心轮位置、毛坯直径、以及砂轮修整参数等。

4.4.2凸轮轴磨削物理仿真模型
当初始仿真模型数据输入后,计算机根据建立的磨削模型进行磨削循环仿真,
按照以下步骤进行”“。 第一:确定工件圆周上分布点及所有参数初始化。在循环期间,计算机程序 产生N个不连续数据(本文取N=360),这N个数据等分在工件圆周上。循环起 始后的时间T是依次将各点时间间隔内的增量进行累计计算,用下式表示
t 2 f

i一

(4.1)

式中的‰为工件转速;f为计数器;N为数据。在时刻t相对累计理论进给量fr
为 ff=£+u(t—ti)
(4.2)

式中的fi为在时刻ti的横砂轮架进给到上阶段结束时的累计进给量;u是本 阶段的理论进给速度。 第二:在磨削加工过程中,伴随着金属不断被切除,磨削力不断产生。总磨 削力F可分解为切削变形分力Fch、挤压抗力F。I和摩擦力F。l,则有
F二F曲+—F叫+,“

(4.3)

切除单位宽度上产生切向磨削力F’t及法向磨削力F’。,可用切削变形分力、
挤压力和磨擦力的形式表示如下:
Fr

u曲,v,war+F?叫+胆(出口,)i1
rF



(4.4)

F『一=—KlU_ch'gwap+K2F't:+Pc(d=ap)i1。
ri

(4.5)

式中

u。卜额定的切削变形能:
4l

令数撺凸轮轴磨珠磨削睾{:件酬究j J设计

P。一磨损平面接触压力: d。。一砂轮当量直径; F’。,一单位磨削宽度上挤压力; Kl、K2一切削变形分力与挤压力的比例系数; “一磨损平面和工件之间的摩擦系数: A一砂轮变钝的磨损平面的面积,该面积初始是由砂轮修整形成的,在磨
削加工过程中随着摩擦磨损而增大,随磨粒破碎和脱落而减小。 磨削力的计算需要知道砂轮的实际磨削厚度,该厚度应与每转径向实际进给量 相符,但由于系统的弹性变形和砂轮的磨损,实际进给量滞后于理论进给量,?巧 用下式表示””:

“(f)一v(f)一w(f):掣
a.r

(4.6)

式中

“(f)一理论进给速度; v(f)一实际进给速度; “幻一砂轮径向磨损速度。

系统变形量Y可用法向磨削力F。与系统刚度K。之比表示。“,即
y=F。/K;

(根据设计实际,Ks取100000N/m)

砂轮磨损速度可用磨削比G表示

郇)2薏(旷‰)。y—Y。
阶段为止的累计变形量。从循环开始至时刻t的实际进给量q。为
qt_qm+a

(4_7)

式中的∥是本阶段的理论进给速度;to、qto、Yo分别为初始时刻累计进给量和到上

式中的q。为到上一转为止的径向累计进给量:a为本阶段实际磨削。联立求解以 上方程,可求得任意时刻磨削切削厚度、磨削力、磨削功率、额定能量和砂轮径 向磨损。如果仿真考虑磨粒的局部磨损对磨削力的影响,可用磨损区面积A表示

的砂轮变钝程度,由于磨粒磨损和磨料破碎及脱落产生自励作用后,也可计算其
磨削力。 磨削加工过程中全部能量都变为热能,传散在磨削区使工件温度升高,其温升口。可 由下式计算

0。:娑【,晤+£)一I(X—L)I
^刀~

(4.8)

式中的尺寸参数L=v。l。/4a;X=v。x/2a。 A为工件热导率,口为热扩散率;Q为磨削区的全部热流量,占为进入工件的热 量,l。为磨削去接触长度,x是沿工件速度方向从磨削区中间测得的距离,参数I(x)

和I(一x)定义为

I(x)=fe-eK。(}譬q)de
I(一x)=一f‘egK。(I


(4.91

I)dg

(4.10)

足。是由第二类贝塞尔函数定义的”…。0。方程式中方括号表达式的最大值由F式 近似求得 【』(工+上)一l(X一工)】一=3.33xo
5+1.79xo”一2.03x0125

(4.11)

若采用A1203砂轮磨削钢时,切削变形能占45%,其余所有磨削能都转化变为 热传入工件,因此在温升口。时传入工件的热能s为

s:—E,-0.—45Eck
U:

(4.121

式中E。为全部磨削能:E。k为与切削变形有关的变形能(E。k“13.8J/mm3)。则磨削 区最高温度可表示为

Oraax=2aa(E,~-0.45Eck)[I(X+£)一t(X—L)】。 A瓜.
功率为 P:Kn—t,v,”b[1(X+上)一z(x一上)】-lmax9∞+0.45Emv。.口.b

(4.13)

对于磨削钢,工件烧伤发生在临界磨削区温度Omb,与烧伤临界温度相对应的磨削

(4.14)

在仿真中,当工件表面温升超过烧伤临界点温度或磨削功率大于烧伤临界点的功 率时,可以认为工件表面产生烧伤。瞬间烧伤深度和留在工件上烧伤厚度可以计 算出来。为这个目的,采用Takazawa近似公式””,来计算烧伤深度z时,移动热 源产生的最高温度0max为

冬堕‰=3.1∥exp(-0.69f”7等三
求解烧伤区与临界温度相对应的烧伤深度z为

(4.15)

z以9譬埘丽焘等面,

∽旧

除磨削区升温外,工件整体温升将导致热膨胀,在仿真中也可以考虑这种影 响。在按图4.6每个环路的所有计算完成后,仿真测试磨削循环是否完成并准备退 回砂轮,这种测试是以固定的无火花磨削所达到的尺寸精度为准则来完成的。仿 真停止后,如不准备退回砂轮则磨削循环继续进行下去。当磨削加工最后结束时, 工件表面粗糙度和圆度就已成定值。表面粗糙度主要受修整条件、金属切除率、 磨料粒度及无火花磨削持续时间四个因素影响,考虑四个因素影响后的表面粗糙

牟数控凸轮轴磨床磨削软件研究l』设计

厦公式为:

采用滚轮修整器时:
Ra=R1 8j(v

aa)”【,+exp(一0.77t。。/f)](1.02d,+O.76)
r5

(4.1 7)

采用金刚笔修整器时:

Ra=R2f一24d;(!:盟)…[,+exp(-0.77t,/r)】(1.02d,+o.76)
V^

(4.18)

式中的d是滚轮修整交叉角;%和厂是金刚石笔式修整器修整深度及修整进给量;

7”为无火花磨削时间;,为粗加工阶段估算的单位时间;d,为磨粒直径,Rl、R2 是经验数;指数m通常取O.2~06。

4.4.3凸轮轴磨削物理仿真输出
磨削加工循环结束后,计算机程序按图4.7输出显示流程图,提供仿真结果。 显示三部分内容。…。

图4.7凸轮轴物理仿真输出流程图

1.显示出进给量、金属切除量、磨削力、磨削功率、额定能量等,均为时间 参数。 2.显示温度、烧伤对应的功率、烧伤深度、热膨胀等,均为时间参数。 3.显示最后工件形状、直径及表面粗糙度,在计算机屏幕上显示并打印结果。

在机床上,仿真结果与实验结果相对比,磨削力、劂度及粗糙度的仿真结果 与实验十分吻合。本文使用VB语言编写上述计算的计算机模拟程序。用解析法 得到的杆的最大变形(挠度)Lj利用程序进行数值计算得到的结果相似,说明所 建抗的模型和程序正确可靠。

4.5本章小结
根据目前机床用户对机床加工的工件实际效果以及对于机床本身功能要求的 不断提高,机床的作用早己不是单纯的磨削和加工,在配备有强大的计算机系统 的数控系统中,更多的功能在不断的被提出并且逐步实现,本章从目前仿真的两 个主要方向即几何仿真和物理仿真出发,作了大量的理论研究工作,并且最终将 一’些经验化、理论化的数学模型通过软件编制程序融入进数控系统中。 值得一提的是,本文开发的凸轮轴磨削几何仿真和物理仿真,在实际应用中 产生了很好的效果,比较直观的是,通过几何仿真的采用基本上避免了由于凸轮 理论升程数据输入的误差造成的加工偏差,而通过磨削的物理仿真,可以修改磨 削参数,减少或者避免工件烧伤的产生。

尘鍪堡垒丝墼璧壅璧型竺竺丝:!!!:垒生

第5章凸轮轴磨床磨削监控系统的原理与实现

5.1引言
近年来,制造业无论是观念,还是技术都发生了很大的变化。传统的以相对固定 的机器和生产场所为中心,由上至下进行管理控制的大批量制造生产模式正逐步 向以人为中心,基于技术的先进制造生产模式转变。先进的工业控制系统一般分 为3层,即控制层、监控层和管理层。其中监控层起着承上启下的重要作用,它对现 场控制层进行实时监测与监控,又将必要的信息归纳处理上传给管理层,使之实现 综合协调与决策。各类组态软件目前被广泛地用作监控层软件的开发平台,因为 它们以灵活的组态方式为用户提供了良好的开发界面,且支持各主要硬件厂家的 计算机和I/O设备,可方便地进行系统集成。然而功能强大的组态软件(尤其是一 些进VI组态软件)价格昂贵。而现今人们的要求已不再像以前那样仅满足于简单的 监控画面,却是更多地考虑一些实质性的功能,如独特的窗体界面、个性化的过 程监控策略,以及个性化的远程服务等。因此对于一些规模不大的分布控制系统, 完全可以利用VB等可视性语言作为平台,为监控层计算机开发出具有个性的监 控软件,实现对下位控制机的通讯及监控。 可编程控制器(PLC)以其可靠性、灵活性在工业控制领域迅猛发展,得到了 越来越广泛的应用。在分布式控制中作为底层单元的PLC完成对现场开/关量、 模拟输入/输出量的控制处理,随着计算机网络技术的发展以及工业自动化程度的 提高,为适应控制与信息管理功能相结合的需要,用户对控制过程提出了越来越

高的要求,不但要实现控制过程,而且要实现对过程参数的监控、分析、统计修
改等要求。在这种情况下利用计算机良好的人机对话界面和数据处理功能,实现对 PLC进行监控。这就要求实现PLC与计算机之间的通信,充分发挥PLC可靠、 灵活的控制性能和计算机在管理、监控等方面的优势,提高控制系统的整体自动 化程度…3。

5.2实时监控功能需求分析
目前在数控机床领域对于实时监控以及远程监控等要求日益增加,不同功能、

形式的用户根据生产要求的实际,有着不尽相同的功能需求“…:
1.在线实时监控与故障诊断功能 通过上位机/数控系统与PLC之间的串行通迅,在线监控及诊断系统在上位机 端能实现如下功能:进行在线编程,设置有关加工参数,从PLC的指定区域读取 或写入反映机床运行状态的信息,由上位机经数值进制的转换,变成工作人员可

认识的数值进制,1丈叫显示监控的数据并对舱控的数据进行存储,显示当前工作 状态变化图、进行}}j错报警记录并能及时进行故障诊断、生成各种统计报表。 2.基于网络的远程监控、远程服务功能 分布式数控机床远程监控系统是基于计算机网络的监控系统进行设计的,系 统中各种信息都是通过网络来共享、传输的。要求机床与企业内部各部门之间的 信息共享,通过Internet实现机床使用厂家与机床制造商之间的信息共享,从而实 现远程桌面、监控界面、加工程序和参数、视频音频的共享,以及相应的远程控 制功能。并能享受机床供应商提供的基于网络的远程服务,包括客户设备信息查 询、故障专家服务、故障专家系统等服务功能。 3.远程监控与故障诊断系统体系结构 通过机床与上位机的串行通信,建立机床和上位机之间的通迅连接,利用上 位机的监控功能,进行机床程序的编写,实时状态的显示,参数的设置、读取和 修改,定期和异常的数据存储用户也可以将生成的各种数据报表上传至远程故障 服务系统,或与在线专家进行监控画面、音频、视频和信息的共享,由专家进行 进一步的分析及故障诊断。 根据机床使用的实际,主要分为本章根据凸轮轴磨床的使用实际,综合用户 的要求,将着重研究基于机床系统的实时监控,并且由此衍生的故障诊断。对于 凸轮轴磨床而言,将监控分为两类分别处理,其中对于手动操作将不仅仅是实时 图形监控,还结合PLC和系统开发的控制资源进行了磨削安全控制策略的开发, 如下表5.1

、\擐作 漆\
操作目的 实时监控内容

表5.1凸轮轴磨床实对监控分类固 自动(JOG)
手动(AUTO)

对刀、机床参数确定、磨削 参数确定等 机床各个坐标轴的运动坐 标、机床磨削状态3、系统 伺服电机转速、磨削加工轮 廓等

加工工件、砂轮修整、磨削 演示等 机床各个坐标轴的运动坐 标、机床接收的控制指令、 PLC控制输出端口、机床驱 动系统等

5.3磨床自动状态下的实时监控实现原理
对于自动状态下的实时监控的实现,考虑到本文所采用的数控系统的特点, 以及综合加工生产实际的要求,在确定监控软件需要采集的系统各部分的数据后, 如何有效的处理所采集的数据就尤为重要,因为本文采用的是图形实时监控。这
3机床磨削状态包括.磨削、修整和停止

全鍪丝些丝竺鳖篁璧型竺丝竺塞皇堡生
意味着数据的处理与图形的交互同时存住。…。 鉴j二Siemens840D数控系统的j CPU结构,即:人机通信CPU(MM
P C—C

U)、数字控制CPU(NC.CPU)和可编程逻辑控制器CPU(PLC—CPU)。以及这
CPU

三部分在功能上既相互分工,又瓦为支持。在物理结构上,NC—CPU和PLC 合为一体,合成在NCU(Numerical
Control

Unit)中,但在逻辑功能上相互独立。

本章将自动状态下的实时监控的说明分为二三个部分即,数据采集、数据处理、图 形交互。系统的数据采集包括三个部分,即PLC.CPU中数据的采集,NC—CPU的 数据采集以及MMC.CPU(也称为系统中的_|二位机)中的数据采集。其中, 1.PLC—CPU中数据主要为: 各个液压阀的开关信息、主要继电器的动作情况等 2.NC.CPU的数据主要为: 各个通道x、Z、C轴的位置或角度信息,以及R参数等变量 3.MMC.CPU的数据主要为: 被加工凸轮的原始数据文件,如进排气凸轮的数量、补偿量、升程曲线表等等。

5.3.1系统实现实时监控的数据处理以及图形交互
所有系统监测数据的处理是以图形监控界面的设置为导向的,通过大量的后台 数据实时传输,以及编程处理,最终完成两个主要部分的监测,分别为数据显示 和图形显示,如下图5.1所示: 其中通过数据显示的有 1.磨削时砂轮的实时转速、砂轮修整时金刚轮的转速、对工件磨削时的当 前磨削凸轮 2.磨削完成的圈数以及当前进给量 3.各个坐标轴的位置或者角度信息 通过图形显示可以观测到 1.砂轮,工件以及修整金刚轮的相对位置 2.机床所处的磨削状态,分为,磨削、修整和停止。 3.根据坐标轴的相对运动所加工的工件的形状的侧视图。 在如下图的程序实际运行当中,所有的数据显示和图形会根据接收到的后台数据 实时刷新,在此中情况下,对于程序调试或者操作者而言都有很大的意义。

帧t学位论文

图5.1凸轮轴磨床自动状态下监控人机界面

5.3.2实时监控系统实现的功能
历史修砂轮次数,砂轮厚度预警。修砂轮进给量。砂轮修整过程砂轮电主轴电 机的电流,功率的参数实时显示,监控。以及消除空程,防碰撞参数设置,显然 要实现上述功能前提是有友好的人机界面作为平台,使用户可以在原有系统上进 行包括数据库建立、修改以及参数设置修改等一系列操作“”。 历史工件记数,及加工节拍。磨削过程主轴电机的电流,功率的参数实时显示, 监控。模拟显示磨削过程,包括所处粗、精、光和无火花磨的状态,以及进给量

5.4磨床手动状态下的实时监控实现原理
5.4.1凸轮磨削安全控制策略
在机床的实际调试或者操作过程中,对于三个坐标轴而言存在一定的相对运动, 这其中包括x轴即砂轮、z轴即工件横向移动、c轴即工件圆周运动。当砂轮高 速旋转时无论在对刀或者实际磨削以及修整中都存在极大的危险的可能性,可能 出现的情况是砂轮与工作台碰撞或者砂轮与修整器碰撞等等。鉴于以上种种情况 论文提出了磨削安全控制的概念““。 在全数控凸轮轴磨床中,手动(JOG)状态下,各坐标轴:x轴(砂轮架进给), z轴(工作台移动),C轴(头架旋转),都有很大的自由度。因此X轴进给就使 砂轮有与工作台以及工件碰撞的可能性,同时当x轴进给到一定程度,移动工作 台时也存在工作台与砂轮碰撞的可能。而硬件限位却无法在此情况下给予相应保 护,基于以上原因,在手动(JOG)状态下对系统的各个轴进行位置监控,并设置

争敬托,l”.轮轴磨廉磨削软件研究与设计

保护程序就十分必要。

5.4.2“磨削安全区”的建立
对于将修整器安装在头架的结构(如图5.2),可考虑建立所谓“磨削安全区”, 通过R参数设定区域数值。在PLC程序中编制保护功能模块,通过实时监控各坐 标轴的位置,判断处理并在需要时进行保护。 ‘X轴


L j Z,‘



头 具 槊 区

X1

X2

I。
盘I’ 必


. 7 ,

Z1

。r,


尾 架 区

凸轮轴工件区

图5.2磨削安全区示意简图

保护可分为两种情况,即对x轴负方向和z轴正,负方向的动作保护(设参考点 坐标为(X=O,Z=O) 当判断z轴坐标满足下列情况时禁止x轴负方向使能 1.工件区

j若Z2<Z<Z1
L则当X>X1时 f若Z<Z2




2.夹具修整区



【则当X>X3时
3.尾架区 r若Z>Z1




I则当X>X2时
1.夹具修整区 f若X>X3




当判断x轴坐标满足下列情况时禁止z轴负方向使能

L则当Z<Z2时J 当判断x轴坐标满足下列情况时禁止Z轴正方向使能

2.尾架区

i则当z。zl时 j
很显然x,Z为。史时读取的x,z轴位置值,而X1,X2,X3及Zl,z2为可 通过R参数设置保护区参数。建立磨削安全区需要5个参数确定需要保护的范围, 这个范围可根据不同工什尺寸,及砂轮尺寸进行调整。



若X>X2



5.4.3手动(JOG)保护的实现
根据上述方案,实现手动(JOG)保护措施应有几个步骤: 1.通过NCVariable
Selector 32

Bit选取NCK中的轴位置变量以及R参数,并将

其传送到相应的PLC程序中
2.PLC

S7.300通过NC

Variable Selector 32

Bit读取通道中各个轴的坐标数据和

R参数
3.PLC 4.PLC

S7.300通过程序判断比较,确定保护区域 S7—300发出控制指令进行相应保护

5.4.4

NCK变量的读取
Variable

在NC

Selector中选择ncv NcData,指定好要生成的DB块,根据需

要生成包含R601.R605在内的Rpa.AWL文件和包含x轴,z轴位置数据在内的
Chan

pos.AWL文件。在STEP 7中将上述AWL文件编译并生成对应DB块。这

里有两个问题值得注意, 1.参数选择时选择R601.R605,而实际读取的是系统R600.604的数值,因此在 设置的时候,需要检验确认避免出错。 2.选择轴位置数据参数时,应当注意是编码器数据还是光栅尺数据
5.4.5

PLC编制程序

在手动(JOG)方式下,根据实际操作以及监控的需要,可以设置定时器每隔 lOOms请求一次轴位置数据以及位置设定的R参数值。需要说明的是,由于存在 lOOms间隔进行判断保护,而且考虑到惯性的作用,在设定保护区域时一定要留 有适当余量。 通过FB2将数据正确读入后,可进行判断处理。 X轴保护:
A Ar L L >R 拌Zl 群Z

”手动方式指示灯”



令数控凸轮轴群I禾磨削软件研究与设计

Af
L L >R

拌Z 释Z2


Af




#X #X1

>R )


//以上语句为进行保护区坐标位置判断

100.1

//若判断进入工件保护区则置位M100.1

同理,对于需要进行禁止X轴负方向使能的其他两种情况置位M100.2,M100.3
Af O O O

M M M

100.1 100.2 100.3


AN A


”Axisl”.A_Plus

”手动方式指示灯” ”Axisl”...一FDSpStop//若以上3中情况之一发生,则禁止X轴

负方向进给。只允许x轴正方向进给。 z轴保护: 首先对于需要z轴负方向进给使能保护的情况,


”手动方式指示灯”

A(
L L >R #X #X3


Af L >R 群Z2




//以上语句为进行保护区坐标位置判断
M M
101.1 】01.】

//若判断进入保护区则置位M101.1



AN A


”Axis2”.A—Plus

”手动方式指示灯”
”Axis2”.A FDSpStop

//禁止z轴负方向进给。

对于需要z轴正方向进给使能保护的情况不再赘述。考虑到对刀,以及机床 位置调整的需要。如果认为这种位置保护在某些情况下可能会给操作者造成障碍, 可以考虑设置对刀调整开关““。可以利用开关选择是否加如位置保护,在这种情 况下只需将程序稍做修改即可。 这种通过借助NC变量选择器建立PLC与NCK中数据连接,并读取数据进行 处理保护的方法已经在全数控凸轮轴磨床中调试通过。参数设置简单,灵活。使 手动(JOG)状态下操作安全可靠,即使出现误操作也不会造成不良后果。

5.5本章小结
根据机床操作的实际,本章将机床的实时监控分为自动、手动状态两种情况 分别加以处理,其中对于自动状态的监控,可以使操作者或者加工程序的编制者 很直观具体的了解到机床各个坐标轴以及伺服电机所处的工作状态,这对于全封 闭的数控机床而言是十分有意义的。由于在机床的实际使用中经常要进行对刀或 者磨削参数设置,因此时常会出现由于操作失误造成的事故,比如砂轮与用于砂 轮修整的金刚轮相撞或者砂轮与工作台相撞等等。采用手动状态下的实时监控在 监测的同时,采取了安全防护控制策略,利用系统开放的控制资源对PLC和驱动 的控制输出进行控制,有效避免了这种情况的发生。

争数摔l’L轮轴磨埭磨削软件料究1j设计

第6章全数控凸轮轴磨床系统加工检测

6.1引言
全数控凸轮轴磨床是一个很综合的系统,包括机械、液压、电器控制、计算 机软件等多个方面,对于其性能指标的评定自然也有很多不同的标准,然而对于 机床用户而言,这其中最重要的一个要求就是优质、高效的加工出合格的凸轮轴 零件。因此,对于凸轮轴磨床所加工的凸轮轴的检测,无疑对于对整个全数控凸 轮轴磨床的系统性能是一个极其重要的方面“…。

6.2凸轮轴加工检测
在系统开发进程中,完成对全数控凸轮轴磨床的磨削软件的编制以及加工程 序的编写以后,就会进行试磨,试磨的样件是由东风康明斯公司提供的凸轮轴毛 坯,在试磨过程中要完成以下几项任务“…, 1.调整并确保机床系统的各个液压以及机械功能达到设计的功能要求 2.调整并确保机床系统的所有电器控制单元达到设计功能要求 3.调试机床的PLC控制程序 4.根据凸轮轴检测报告,调试机床的凸轮轴加工程序,直至达到加工要求 显然,机床制造商要有相应的检测设备以便进行程序的调试从而提高系统加工 程序的精确性和零件的加工精度。为此本人专门作为整个凸轮轴系统开发的子项 目在一台原有光学凸轮轴检测仪的基础上进行了数字化改造,配置了PC、高精度 光栅尺以及圆形光栅编码器““,该检测仪检测精度可达到0.003mm,通过凸轮轴 检测仪提供的检测报告,提供了加工程序修改、调试的依据。图6.1是开发的凸轮 轴检测仪的测试报告之一,为升程曲线表形式。

硕卜学位论正

圈6.1凸轮轴升程曲线检测撮曩

东风康明斯在对机床进行验收过程中,根据双方的技术规范,有很多技术指 标需要验证,针对本文而言就是文中进行二次开发的软件平台及算法软件的有效 性,评价标准之一就是由一台美国Adcola高精度凸轮轴检测仪提供的检测报告。 图6.2是由东风康明斯公司检测中心提供的检测报告,该检测报告具有绝对的权威 性,从报告上可以看出本台机床的各项关键指标如,基圆跳动、角度误差、锥度

等均在有效的技术公差范围内,对于机床的加工质量可参见尉件B全数控凸轮轴
磨床项目用户验收证书。

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图6.2东风康明斯检测报告

牟数拧I”一轮轴磨床磨削软件研究与设计

6.3机床系统实物图片
本文提供机床的整体外观以及机床强电控制柜的部分控制电路和驱动电路
的图片。

图6.3全数控凸轮轴磨床全貌

下图6.4为机床强电控制柜的图片,其中左侧为伺服电机驱动以及
NCU(Numerieal Control Unit),右侧为强电控制系统。

圈6.4东风康明斯凸轮轴磨床强电柜

侦I学位论史





随着计算机技术以及数控系统的不断发展,很多崭新的概念被提及并且成为现 实。数控系统的开放性是这其中比较突出的特性之一,通过开放的数控系统及可 进行二次开发的软件平台,使机床制造商不再单纯停留在对数控系统的使用上, 而是可以更多的利用数控系统开发商开放的资源表达自己的设计意图以及更大限 度上完成终端的机床用户的不同要求。而作为数控系统开发商本身,也可以增加 其系统的适用性。 本文从实际出发,结合东风康明斯发动机对凸轮轴的加工要求,对机床所采 用的西门子840D数控系统的硬件以及软件的构成和原理进行了深入分析,同时对 西门子专用二次开发软件HMI OEM的应用作了介绍,在基于西门子HMl 0EM 软件平台基础上开发出了适用于凸轮轴磨削的磨削软件,目前配备有本文开发的 软件的全数控凸轮轴磨床已于2005年7月份开始经成功运行于位于湖北襄樊的东 风康明斯发动机有限公司。机床运行状态良好,稳定性和精度较高,可以完成该 公司精磨的加工要求。通过前期的设计开发以及在机床运行后的反馈又进行的改 进,本台机床具备了一些新的功能,同时论文的研究成果和创新点包括以下几个 方面: 1.通过对西门子840D系统软件和硬件功能原理的分析,以及HMI OEM软 件的研究,开发了可以作为二次开发功能平台的人机界面。这个人机界面平台的 建立以及程序的开发可以适用于使用840D系统的所有机床,因此属于人机界面的 软件平台具有普遍意义。 2.通过对凸轮几何结构的介绍,并结合对磨削特点的深入分析,推导出了在 恒线速度情况下的凸轮磨削算法,这使得加工程序可以在系统上通过系统平台和 算法软件自动运算生成。在机床投入实际运行后的监测报告表明,此程序运行稳 定,算法精度完全达到要求,精度可达士29in。 3.本文建立了一套对机床加工程序的代码解码和编程规则解读的软件流程, 并借助此流程实现了机床的几何仿真。在对凸轮磨削物理模型进行了相关研究之 后,使物理仿真成为可能。在加工实践中证明,通过机床磨削的几何和物理仿真, 有效地增加了机床的加工性能,提高了机床的安全性,降低了加工程序的错误率。 4.基于840D数控系统所开放的系统资源,并结合二次开发平台,实现了在 机床自动和手动两种状态的实时监控,通过PLC s7.300的程序开发实现了机床操 作的安全控制。在此监控程序通过调试并且运行与机床系统后,使操作者对于机 床运行状态有了图形监控的能力而且理论上,不会由于误操作造成任何事故。

尘墼丝些丝丝篁塞童型竺!::!:!::璧!

。::

一:

奉论文的基础是本人参与研制和开发的东风康明斯令数控凸轮轴项目,在这 一过稽L}l取得了一定的成果,在机床现场的软件调试以及接受用户反馈后的开发 中积累了一些实际的经验,但是由于数控领域是融合多学科的高科技领域,在研 究中发现了很多理论和方法知识的欠缺,由此带来了论文的不足之处。根据目前 的研究和机床要求的实际情况,今后的研究工作和研究苹点将放在以下几个方面,
1.HMI OEM软件时西门子针对其开放的数控所研制的软件,其功能十分强

大,所能利用的系统资源也十分丰富,因此需要进一步对系统的功能原理进行深 入研究,丌发系统对多轴联动的控制能力。 2.本论文的算法针对的是东风康明斯发动机有限公司的欧一和欧二型凸轮轴 磨削所开发的,但是在应用于新的欧三标准时,存在一定的困难,因此需要针对 欧三的本身几何特征和磨削工艺进行更深入的算法研究。 凸轮轴的物理仿真所涉及的因素较多,本文所研究的重点在磨削力以及烧伤,可 以在今后的研究中加强对表面粗糙度和锥度等方面的仿真研究,以求完善仿真增 强工件加工效果。

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to

sala.T.Model

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【44】 曹彦飞,黄守道.两『J子PLC S7.300在基于SINUMERIK 840D系统的全数控凸 轮轴磨床保护中的应用.机电工程技术,2005,(9):84—85 [45】
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2005,(2):P33?35

6I

全数控凸轮轴磨床磨削软件研究与设计

附录A攻读学位期间所发表的学术论文目录

【1】曹彦飞,黄守道.光学凸轮轴检测仪的数字化改造.机电产品开发与创新,
2005,(2):33—35

【2】曹彦飞,黄守道,刘真.西门子840D OEM软件在全数控凸轮磨床中的应用.国 内外机电一体化技术,2005,(3):43.44 [3】曹彦飞,黄守道.西门子PLC S7-300在基于SINUMERIK 840D系统的全数控凸 轮轴磨床保护中的应用.机电工程技术,2005,f9):84—85

附录B全数控凸轮轴磨床项目用户验收证书

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用户意见
湖南I划心科技宵限公司设汁、制造的TKMl2().CNC/CBN令数挖
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TI轮轴磨床,采掰r一系列高新技术,其中采用的游动振轴承高速电

ji轴,凸轮轴燎搿6加”[数控软仆恭|砂轮线述100米缈的高速缚削技
术托隅内都延薛刨,该设备填补了凼内卒}{具有嘲内锁先水甲,靠j剿 际f:达到了陶际:卜一世纪初的先进水甲。我公司捌该设备加l一壤明

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附录C全数控凸轮轴磨床科技成果鉴定表

科技成果鉴定申请表

成果名称:TKMl20 CNC/CBN矗姣l瞒镰床

完成单位:潮—阑心科技青■公司

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科技成粜 中文名称

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效l教l控l蘑l床 】l I—T
2002年8月1日 代码 代码 胡惜时
410012

:?手一刚c…,卜伫

限35个汉字 研究终“:时伺 2005年3月15 r{


研究起始时问 单位名称


湖南同心科技有限公闭 名称 名称 湖同省岳麓山目家大学科技同 长沙市
单位 属性
()

请 鉴
定 越

隶属省鄢 所在地区 联系人 衄政编码 通信地址

I。独啻科研机构2上 专院控3、』F企螗 4、囊体十体5托它



联系电话

l、073l-8672846

2、1397486l 577

湖南长沙市麓山南璐236号湖南同心科技有限公司
3 l

任务来源 成粜有无密缎

1-国家计划; o-无: l-有

2省部计划:
密 缀



3-计划外


1.秘密:

2.机密:

3.绝密









湖南同心科技有限公司根据我国汽车丁业发展和市场的需要,用一年 多的时间,研究开发出具有我国自主知识产权的TIQIl20CNC/ciN离效数控 磨床,该机床主要用于汽车凸轮轴、曲轴、齿轮轴等零件的凸轮轮廓磨削 加工和主轴颈磨削加工。该机床据有我公司自主知识产权的计算机控制软 件和动静压轴承高速电主轴.该机床技术先进,各项技术指标都达到了同 类机床国际先进水平,它填补了我国机床行业的一项空白,它将替代同类I

进口机床,为我国高速发展的汽车工业,内燃机工业提供最先进的工艺装1
备,本项研究成果主要解决了以下几项技术关键难题。


l、动静压轴承离速电主轴.传统的电主轴采用滚动轴承,其同转精度,使} 用寿命受到一定限制,一般高速电圭轴使用寿命为5000小时,少数为i 20000-30000小时,但价格及其昂贵,相当奉主轴系统价格的5-6倍,且容I 易产生豢动,易出现磨削波纹。动静压轴承电主轴具有赢剧性高回转精度{

!!!!!!==!!!!!!!!!!!i==!±!目====!!!!!!!!!!====;;352。—————————————一一 。:垒丝塑丝型型竺型墼些坠————————一


和高寿命,从理论}讲无磨损,可永久使朋。商刚性电主轴的研究成功t 是奉研究成果的关键技术。

2、智能磨削。奉公司引进美国许密特公司SBS和意大利马尔波斯E20防 碰撞和消除卒程装置并进行了软件开发。使机床在各种情况卞都能安伞一r 作,并能快速趋近下件,消除空程。提高了磨削效率。同时利用这一装置 在砂轮修正时,快速平稳趋近垒刚石滚轮,使昂贵的CaN砂轮得到合理有 效的利用和合理的使用。智能腾嘲装暨的拜发使用。降低了对』:入技术水
平的要求,使之能更好的在国内推广应用。

3、机床自动化技术研兜。7搿发研究能进行圆、非暇截面磨削的计算机摔制 软件,并研究开发出适台多种零件磨削加,r的计算机软件和控制程序也是

本项研究工作的一项美键技术。采用我公通基于SU蛀'NS(西门予)840D
数控系统自主开发的凸轮辘磨鹳软件+为患户挺撰发壹手伪OEM人枫舟弼, 可在系统自动生成磨削程序,加工出合格的l坚l轮轴零件。并可以实现磨削过
程实时圈形监控等功能。

4、提高机床刚度艘抗震性能的研究。为了最大限度地挺商机床刚度和商挽 震性能,机床主要关键零件床身、磨头采用计算机辅渤设计和有限元设计。 5、机床全封闭安全磷护和造裂技术的研笋‘。高速壤床为了保址人身安全和


设备的安全要进行安垒舫护设计,本机床采用全封闭防护. 6、CBN砂轮修整技术晟装簋的研究一使用CBN移轮一项关键技术就是砂


轮修整。本项研究就是篓研制成功采用垒剐石壤巍;惨芷器惨接砂轮,迸给
采用滚珠熊杼能实现微米进给,对砂轮能迸行连续修正的装置。

砂轮枉线动甲 衡将带来机床 主轴轴承使用 和意大利马尔 平衡。使砂轮

伞数控凸轮轴磨床瞻削软件川“’J改计

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市州科技局科省童辩技虚粜警曩薯门意见

(盖章)

省辩技厅辩成栗臂理舔门意见

同’意鉴定。
经办人 主管镬导
鉴定形式


l餐碲之l l咄溯鉴定2—蜒菇渊蜘鉴定

硕士学位论文

附录D东风康明斯欧二型凸轮轴加工主程序

s2500

N90M70
N95

EGOFS(X) egdel(x) egdef(x,c,1)

N1 00 N10l

R250=2 N102 N103 Nt 05

EQ6BJQ EQ6BPQ EQ6BPXL

N108M00
N109 STOPRE R251=O R250=1 N110 SPF30

N111 M47 N116 G04F2 N121

M54

Nl 16 G90XOF5000

N117 IF RO==0 GOTOF N120 IF R0==1 GOTOF N120 IF RO==2 GOTOF N220 IF RO==3 GOTOF N320 IF RO==4 GOTOF N420 IF R0==5 GOTOF N520 fF RO==6 GOTOF N620 IF R0==7 GOTOF N720 IF RO==8 GOTOF N820 IF RO==9 GOTOF N920

牟数柠凸轮轴磨床磨削软件研究与设汁

lF RO==10 GOTOF N1020

IF R0==ll GOTOF N1120
1F RO==12 GOTOF N1220 lF R0==13 GOTOF N1320

N120 MSG(”CAM l”) N125 G90 G64 Z=一R101+R100 F=R222 N145 TRANS N1 50 R320=R42l NI 55 C=ACP(R421)F36000 N 160 TRANS C=R421 N165 G90 GOl X;.R220+2 F=R221 N170 G9l G64 X=R551—2 F300 N175 SPF23J

N220 MSG PCAM 2”1 N225 G90 G64 Z=一R102+R100 F=R222 N235 R320=R422 N245 TRANS N250

C=ACP(R422)F36000

N260 TRANS C=R422 N265 G90 G0l X=-R220.R308+2 F=It221 N270 G91 G64 X=R552.2 F300 N275 SPF23P

N320 MSG rCAM 3”) N325 G90 G64 Z=-R1 03+R1 00 F=R222 N335 R320=R423 N345 TRANS N350

C=ACP(R423)F36000

N360 TRANS C=R423 N365 G90 G01 X=一R220+2 F=R221 N370 G91 G64 X=R553—2 F300 N375 SPF23J

N420 MSG f”CAM 4”) N425 G90 G64 Z=一R l 04+R l 00 F=R222 N435 R320=R424 N446 TRANS N450 C=ACP(R424)F36000 N460 TRANS C=R424 N465 G90 G01 X=.R220.R308+2 F=R221 N470 G9l G64 X=R554—2 F300 N475 SPF23P

N520 MSG CCAM 5”1 N525 G90 G64 Z=一R105+R100 F=R222 N535 R320=R425 N545 TRANS N550

C=ACP(R425)F36000

N560 TRANS C=R425 N565 G90 GO 1 X=.R220+2 F=R22 l N570 G91 G64 X=R555.2 F300 N575 SPF23J

N620 MSG

rCAM

6”1

N625 G90 G64 Z=.R106+RlOO F=R222 N635 R320=R426 N645 TRANS N650

C=ACP(R426)F36000

N660 TRANS C=It426 N665 G90 G01 X=.R220.R308+2 F=R221 N670 G91 G64 X=R556.2 F300 N675 SPF23P

N720

MSG(”CAM 7”)

N725 G90 G64 Z=.R107+R100 F=R222 N735 R320=R427 N745 TRANS N750

C=ACP(R427)F36000

全鍪丝些丝些璧查窒墅竺竺丝i!::璧兰
N760 TRANS C=R427 N765 G90 G01 X=一R220+2 F=R22 1 N770 G91 G64 X=R557-2 F300 N775 SPF23J

N820 MSG(“CAM 8”) N825 G90 G64 Z=-R l 08+R 1 OO F=R222 N835 R320=R428 N845 TRANS N850

C=ACP(R428)F36000

N860 TRANS C=R428 N865 G90 G01 X=一R220-R308+2 F=R221 N870 G91 G64 X=R558—2 F300 N875 SPF23P

N920 MSG(”CAM 9”) N925 G90 G64 Z=一R109+R100 F=R222 N935 R320=R429 N945 TRANS N950

C=ACP(R429)F36000

N960 TRANS C=R429 N965 G90 G01 X=-R220+2 F=R22 1 N970 G91 G64 X=R559.2 F300 N975 SPF23J

N1020 MSG(”CAM 10”) N1025 G90 G64 Z=一R110+R100 F=R222 N1035 R320=R430 N1045 TRANS N1050

C=ACP(R430)F36000

N1060 TRANS C=R430 N1065 G90 G01 X=.R220一R309+2 F=R221 N1070 G91 G64 X=R560.2 F300 N1075 SPF23X

74

N1120 MSG—CAM 11”1 N1 125 G90 G64 Z=.R111+R100 F=R222
N1 135 R320=R43l

Nll45 TRANS N11 50 C=ACP(R43 n F36000 N1 160 TRANS C=R431 N 1 l 65 G90 GO l X=.R220.R308+2 F=R22 1 Nl 1 70 G9l G64 X=R561.2 F300
N11 75

SPF23P

N1220 MSG(”CAM 12”) N1225 G90 G64 Z=.R1 12+R100 F=R222
N 1 235 R320=R432

N1245 TRANS N l 250

C=ACP(R432)F36000

N1260 TRANS C=R432 N l 265 G90 G01 X=-R220+2 F=R22 1 N1270 G9l G64 X=R562-2 F300 N1 275 SPF23J

N1 320 MSG(”CAM 13”) N1325 G90 G64 Z=-R1 13+R100 F=R222 Nl 335 R320=R433 Nl 345 TRANS N1350

C=ACP(R433)F36000

N1360 TRANS C=R433 N1365 G90 G01 X=.R220.R308+2 F=R221 N1370 G91 G64 X=R563.2 F300 N1375 SPF23P

N220 N1900 TRANS N1910 G90 X0 F5000 N1915

M55

N1920 G04F2

伞数捧凸轮轴磨床艚削软件研究与设计

N1925 M46 N1920 R251=1 R250=2 Z.300 C20 F5000

MSG CALL OVER”1
N1925 GOTOB N108 N1999 M30

76

硕士学位论文

致谢

在论文即将完成2年多的硕士学习生活行将结束之时,谨向导师黄守道教授 致以最诚挚的感谢! 黄守道老师不仅在学术上,更在思想上,给我以葵大影响,将使我终身受益 不尽。在生活中,黄老师也给我以无微不至的关怀和照顾,使我感受到师生之情 的温暖。在本论文的撰写过程中,从论文课题的进展一直到对论文初稿的修改, 黄老师无一不倾注大量的精力和心血。在这里,我要对恩师黄守道老师致以我最 深的敬意和谢意。 特别感谢欧阳红林老师,自动化系的王辉老师,电气工程系的罗德荣老师的关 心和帮助,在此一并向他们表示真挚的感谢。 三年来我一直在一种非常融洽、和谐、上进的气氛中学习,不断取得迸步, 得到了众多同窗的帮助。感谢同门师兄弟叶丽花、张铁军、陈颖、何东霞、刘真、 李友红、葛照强等在学习及生活上给予的热心帮助和鼓励,大家勤奋好学和乐于 助人的精神值得我学习,为我树立了榜样,时刻激励着我不断奋斗。 同时本论文还要感谢原湖南大学海捷国家高效磨削中心总工程师胡惜时教授. 西门子华中地区技术支持工程师蒋文杰先生,东风康明斯发动机有限公司制造部的 魏建国高级工程师等给予我的在磨削领域和西门子数控系统方面知识的无私帮助. 使得本人可以顺利完成论文项目。 感谢多年来一直在背后默默支持我的父母、妹妹和我的女朋友周佳,是你们 无言的关怀、鼓励和宽容,才使我有了这样的动力,走到了今天。感谢他们的爱 心和关怀将永远是我前进的动力。 祝愿所有关心和帮助过我的师长、同学、朋友和亲人幸福安康1

作者:

韶龟

2006年5月11日

77

全数控凸轮轴磨床磨削软件研究与设计
作者: 学位授予单位: 曹彦飞 湖南大学

参考文献(48条) 1.参考文献 2.傅桂龙.程胜 基于PC的开放式数控系统实现方法 2000(01) 3.Golden E Herrin Open Modular Architecture Controllers 1996(04) 4.FREDERICK P Open architecture controllers 1997 5.吴祖育.童劲松.陆志强 柔性自动化核心技术的展望——开放式数控系统[期刊论文]-机电产品开发与创新 2000(5) 6.夏田.文怀兴.魏康民 基于PC的开放式数控系统体系结构的分析[期刊论文]-航空制造技术 2002(12) 7.孙斌.杨汝清 基于PC的数控系统的研究现状和发展趋势[期刊论文]-机床与液压 2001(4) 8.朱国力.段正澄 现代数控系统的特点和发展方向[期刊论文]-机械与电子 2001(1) 9.Chalmer R E Open-architecture CNC continues advancing 2001(07) 10.周祖德.魏仁选.陈幼平 开放式控制系统的现状、趋势与对策[期刊论文]-中国机械工程 1999(10) 11.林弈鸿.李小力 开放式数控系统的构造、界面与协议[期刊论文]-中国机械工程 1998(5) 12.陆启建.刘明灯 机床数控系统的革新[期刊论文]-机械工程师 2001(7) 13.Golden E Herrin The Next 40 Years of Modern NC 1994(04) 14.王禹龙 开放式数控系统的体系结构及其发展 2002(02) 15.张曙 开放式CNC的概念和应用 1997(03) 16.杨斌 西门子SINUMERIK 840D数控系统介绍 2000(04) 17.姜晓骏 西门子840D数控系统的参数设定[期刊论文]-电站辅机 2001(3) 18.曹彦飞.黄守道.刘真 西门子840D OEM软件在全数控凸轮磨床中的应用 2005(03) 19.刘连山.彭勃.许传俊 分度凸轮CAM系统的软件设计[期刊论文]-组合机床与自动化加工技术 2001(2) 20.Hyun C Lee Real-time compensation of Two-Dimensional Contour Error in CNC MachineTools 1999 21.赵毅.卢秉恒 曲线的通用参数插补算法 1997(04) 22.李恩林 插补原理 1984 23.邹方 数空系统中B样条插补器的研究 2001(12) 24.韩秋实.许宝杰.王红军.涂志 磨削时凸轮转动变速规律的研究[期刊论文]-机械工艺师 2000(4) 25.管荣华 凸轮与凸轮机构 1993 26.王阳 数控机床图形自动编程系统[期刊论文]-机床与液压 2000(3) 27.David Harel A visual formalism for complex systems 1987 28.徐东鸣 数控加工的仿真技术与实现方法[期刊论文]-工具技术 2004(9) 29.解放.曹江辉.柯文.王宁生.范牧昌 一个NC程序检验仿真系统的设计与开发[期刊论文]-机械科学与技术 2003(4) 30.罗圆智.熊清平 数控加工仿真系统的研究与实现 2001(06) 31.赵继政 数控加工仿真验证系统的设计与实现 2000(05) 32.聂学俊 数控机床自动编程及仿真系统[期刊论文]-机床与液压 2001(3)

33.Hattori M Estimation of thermal deformation in machine tools using neural network techinique 1993 34.王宇.杨树财 数控机床加工过程仿真系统的研究 2003(08) 35.Hattori M Estimation of thermal deformation in machine tools using neural network techinique 36.Stein J L.Huh K A design procedure for model-based monitoring systems:Cutting force estimation as a Case study 1991 37.Weck M Handbook of Machine tools Metrological Analysis andperformance tests 1994 38.Milne R Managing maintenance research and development- improving the maintenance of machine tools 1990 39.李晶晶.侯伯杰.卢小勇 数控加工计算机仿真软件设计 2000(12) 40.K Baker.B K N Rao Performance Monitoring of a Machining Centre 1996 41.Prickett PW.Davies A Drake A quantitive approach to machine tool breakdown diagnosis 1993 42.廖效果.朱启逑 数字控制机床 1996 43.张祥永.左建华 数控机床与计算机数据传输软件系统的研究 1999(04) 44.Takata S.sata T Model referenced monitoring and diagnosis application to the manufacturing system 1986(07) 45.曹彦飞.黄守道 西门子PLC S7-300在基于SINUMERIK 840D系统的全数控凸轮轴磨床保护中的应用[期刊论文]-机 电工程技术 2005(9) 46.Tlusty J.Andrew G C A critical review of sensors for unmanned machining 1983(02) 47.邵俊鹏.董玉红 机床数控技术 1999 48.曹彦飞.黄守道 光学凸轮轴检测仪的数字化改造[期刊论文]-机电产品开发与创新 2005(2)

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