一.凸輪軸磨床概述

    凸輪軸磨床可分為非數控靠磨磨床、數控靠磨磨床、全數控磨床三大類(lèi)。其中全數控磨床技術(shù)難度最大，但其最大的優(yōu)點(diǎn)是磨削精度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩定、產(chǎn)品更換靈活方便、生產(chǎn)效率高。目前國內已開(kāi)始采用西門(mén)子840C數控系統實(shí)現全數控凸輪磨床的制造或技術(shù)改造。

凸輪軸簡(jiǎn)介

    凸輪軸對汽車(chē)而言是一個(gè)關(guān)鍵的基礎部件,它安裝于發(fā)動(dòng)機內,控制氣缸的進(jìn)氣和排氣,一個(gè)氣缸由一個(gè)進(jìn)氣和一個(gè)排氣凸輪控制,廣泛應用于汽油發(fā)動(dòng)機和柴油發(fā)動(dòng)機，如摩托車(chē)、汽車(chē)、火車(chē)、卡車(chē)等。

    每個(gè)凸輪軸是由若干個(gè)凸輪組成，如四缸發(fā)動(dòng)機，一個(gè)凸輪軸由八個(gè)凸輪組成。

    每個(gè)凸輪其形狀為桃形，由基園和許多二次曲線(xiàn)，三次曲線(xiàn)及圓弧組成，其構成的封閉曲線(xiàn)稱(chēng)為生成曲線(xiàn)。生成曲線(xiàn)的線(xiàn)型誤差將直接影響發(fā)動(dòng)機氣缸內燃料燃燒質(zhì)量，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機工作性能。參見(jiàn)附件1產(chǎn)品圖。

    每個(gè)凸輪軸都要經(jīng)過(guò)對毛坯的車(chē)、銑、鉆、粗磨、精磨等二十多個(gè)工序才能完成。凸輪軸磨床就是完成凸輪軸最后一個(gè)工序：粗磨、精磨凸輪軸上的每個(gè)凸輪。 這里以FN3全數控凸輪軸磨床（下稱(chēng)FN3磨床）為例說(shuō)明。

FN3磨床概述

    FN3磨床由原西德FORTUNA公司生產(chǎn)，其型號為FN3－DS350／1000.FN3磨床機械部分由機床身、工作臺、頭架、尾架、主軸砂輪、砂輪修造器、液壓系統、冷卻系統、動(dòng)平衡系統等部件組成。電氣部分由數控系統、模擬驅動(dòng)系統、MARPOSS測量?jì)x、超聲波檢測儀等部件組成。

磨床技術(shù)指標

    FN3磨床主要技術(shù)指標：
    X軸行程（線(xiàn)性） 0-300毫米, 速度 10米/分.
    Z軸行程（線(xiàn)性） 0-1000毫米,速度 10米/分.
    C軸行程（旋轉） 0－360度, 轉速 200轉/分.
    主軸砂輪線(xiàn)速度 35-60米／分 
    金剛輪轉速 500-2000轉/分

二.數控系統配置

    數控系統不僅具有是組成數控磨床不可缺少的重要部分，它通過(guò)驅動(dòng)系統、測量系統完成對工件的精確磨削，并對磨床輔助部件或設備進(jìn)行監控。

    FN3磨床為全數控凸輪軸磨床,要求數控系統不僅具有對模擬驅動(dòng)系統、液壓系統、冷卻系統、動(dòng)平衡儀、MARPOSS測量?jì)x、超聲波檢測儀等的監控，更重要的是具有凸輪曲線(xiàn)磨削功能，并確保凸輪軸的各項技術(shù)指標滿(mǎn)足設計要求。

    西門(mén)子840C數控系統完全能滿(mǎn)足全數控凸輪軸磨床的要求。主要原因是它具有電子齒輪軸、直線(xiàn)表插補、曲線(xiàn)表插補、C軸調速功能功能。其配置主要如下：

硬件配置：選用840C12槽主機框架包括MMC CPU板、NC CPU板、 PLC CPU板、位控板及 DMP模塊等，操作臺選用顯示器、機床控制鍵盤(pán)；

軟件配置：OS系統軟件選用DRDOSV6．0版，數控軟件選用V6．02版(非出口版)；

選件配置：電子齒輪、直線(xiàn)表插補、曲線(xiàn)表插補等。

三.FN3磨床電氣系統設計

    電氣系統設計的目的是將磨床機械部分與電氣部分有機地結合起來(lái)，使磨削加工成為高精度，高效率，安全可靠的全自動(dòng)化生產(chǎn)。

電氣系統設計總體上包括硬件、系統調試、軟件三大部分。

硬件設計的原則是在滿(mǎn)足磨削功能的條件前提下，降低成本；

系統調試的原則是將標準的840C系統通過(guò)調整相關(guān)參數使之符合FN3磨床工作特性；

    軟件設計的原則是采用結構化程序設計，對每個(gè)部件的運行要進(jìn)行安全可靠的動(dòng)態(tài)控制，并具有豐富的信息指示。

電氣系統硬件設計

    NC硬件設計主要是數控軸的設計。本加工中心的數控軸有X、Z、C、 S1、S2五個(gè)。
PLC硬件設計主要是指對外部執行部件監控電路的設計。它包括機床控制面板、機床輔助控制面板、驅動(dòng)系統、液壓系統、冷卻系統、動(dòng)平衡儀、MARPOSS測量?jì)x、超聲波檢測儀等電氣系統，這些電氣的信號都要與840C的DMP模塊（IO模塊）連接。

電氣系統調試

    電氣系統調試是對配置好的數控硬件系統進(jìn)行相關(guān)參數的調整使之符合FN3凸輪軸磨床的工作要求。主要包括NC機床數據和PLC機床數據調整。

1.1 NC機床數據調整

NC機床數據調整主要是FN3磨床各軸參數的設置。其關(guān)鍵參數如下：

設置FN3磨床具有一個(gè)方式組、一個(gè)通道、三個(gè)進(jìn)給軸、二個(gè)主軸；

定義三個(gè)進(jìn)給軸各位置環(huán)接口（指令口和測量口）、二個(gè)主軸速度環(huán)接口（指令口）；

設置三個(gè)進(jìn)給軸可計算的位控參數，如位置當量值、理論速度值：

設置三個(gè)進(jìn)給軸運動(dòng)特性的位控參數，如位置增益、加速度、軸速度等參數。

    軸的運動(dòng)特性與磨床的機械結構、磨損程度等有密切的關(guān)系。軸的位控參數是根據軸的運動(dòng)特性來(lái)設定。

    軸的位置增益是反映位置環(huán)中對軸運動(dòng)位置的動(dòng)態(tài)跟蹤特性。

    軸的位置加速度是反映位置環(huán)中在軸啟動(dòng)到設定速度和設定速度到停止期間，運動(dòng)位置的加速、減速特性。

    軸速度能反映出磨床的工作效率，速度越大，效率越高。它一般分為最大速度、手動(dòng)快速度、手動(dòng)速度、回零速度等。

    軸位置增益與加速度也是互相影響。

1.2 PLC機床數據的調整

    PLC機床數據調整主要是設定IO模塊地址。
    FN3磨床IO模塊地址采用標準設置，直接由PLC機床數據設定。
    FN3磨床配置了三個(gè)DMPL子站，每個(gè)DMPL子站可安裝四個(gè)輸入模塊、四個(gè)輸出模塊。

電氣控制軟件設計

    電氣控制軟件設計主要是指PLC程序的設計。在PLC系統中，為用戶(hù)設計了標準的接口模塊,即OB塊，除OB塊外，還有受OB塊調用的FB、PLB、SB、DB、FX、 DX塊。用戶(hù)控制軟件就編寫(xiě)在這些塊中，它是用西門(mén)子STEPL5語(yǔ)言編制而成的。
在本控制軟件中，OB塊只使用OB20和OB1，其它程序塊的編制按照控制對象功能，采用結構化編程。

主要完成：

初始化處理程序

基本信號處理程序（包括機床控制鍵盤(pán)、NC系統的通道、進(jìn)給、砂輪軸等、軸限位信號、軸回參考點(diǎn)信號、急停處理）

異步電機處理程序（包括冷卻液主系統控制處理、系統控制處理、潤滑系統控制處理）

電磁閥處理程序（包括門(mén)開(kāi)/關(guān)、工件、砂輪、金剛冷卻液開(kāi)/關(guān)、砂輪冷卻噴嘴上/下、工件夾緊/松開(kāi)、MARPOSS測頭前/后運動(dòng)）

金剛輪處理程序

安全保護程序。安全保護系統在磨床中起著(zhù)很重要的作用。它第一保護人的生命安全，第二避免設備受損。

四.FN3磨削工藝設計

    由于凸輪生成曲線(xiàn)的特殊性，它既不是園也不是直線(xiàn)，就決定了凸輪軸磨床磨削工藝的特殊性。提供給磨床的生成曲線(xiàn)是0－360度的離散點(diǎn)，數控系統如何利用這些離散點(diǎn)，磨削出符合要求的工件，需解決以下三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

離散點(diǎn)變成連續的封閉曲線(xiàn)?？衫?40C曲線(xiàn)表功能實(shí)現。

生成曲線(xiàn)轉為磨削曲線(xiàn)。由于凸輪磨削時(shí)，磨削點(diǎn)與生成點(diǎn)不在一個(gè)點(diǎn)上，必須進(jìn)行數學(xué)模型變換，而且這種變換還與凸輪的測量方式有關(guān)。

建立C軸調速曲線(xiàn)。這凸輪磨削中，為保證凸輪加速度恒定，必須建根據C軸角度來(lái)調整C軸轉速的調速曲線(xiàn)。

    所有磨削工藝及關(guān)鍵問(wèn)題由NC磨削加工程序完成。

    FN3磨削加工程序是根據凸輪磨削過(guò)程及840C提供的相關(guān)功能編制而成，主要包括凸輪生成/速度曲線(xiàn)計算和凸輪磨削二部分。

1.凸輪生成/速度曲線(xiàn)計算程序

    凸輪生成/速度曲線(xiàn)計算將給定的凸輪生成表轉換為磨削用的磨削曲線(xiàn)(C坐標值、X軸坐標值)。主要包括以下幾部分：

凸輪生成曲線(xiàn)、速度曲線(xiàn)計算程序L900。它調用L100、L200、L981，L982、L983、L984、L988；

定義生成第一凸輪生成曲線(xiàn)表L100。根據產(chǎn)品圖紙給出的生成曲線(xiàn)表、每個(gè)凸輪的距離、相位角、基園直徑寫(xiě)入此程序中；

定義生成第一凸輪速度曲線(xiàn)表L200；

計算凸輪1、3、5、7生成曲線(xiàn)L981。根據L100生成曲線(xiàn)表，將生成曲線(xiàn)轉換為磨削曲線(xiàn)，840C對這些數據進(jìn)行平滑處理形成封閉曲線(xiàn)，用于磨削加工見(jiàn)下圖； 

計算凸輪2、4、6、8生成曲線(xiàn)L982。原理同L981；

計算凸輪1、3、5、7調速曲線(xiàn)L983。根據L200速度曲線(xiàn)表，840C對這些數據進(jìn)行平滑處理形成封閉曲線(xiàn)，用于磨削加工；其調速曲線(xiàn)圖如下： 

計算凸輪2、4、6、8調速曲線(xiàn)L984。原理同L983；

計算生成曲線(xiàn)L988。功能是將生成曲線(xiàn)轉換為磨削曲線(xiàn)。

2.凸輪磨削參數

    凸輪加工中磨削程序要涉及許多相關(guān)參數,來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量。如磨削量、磨削速度值，若選擇不當能引起工件變形、尺寸超差。這些參數主要有以下幾大類(lèi)：
工件參數 
   凸輪1－8位置參數、凸輪1－8角度參數、凸輪基園半徑參數、凸輪測量方法。

砂輪參數
   砂輪直徑、砂輪寬度。

修整砂輪參數
   金剛輪進(jìn)給位置、速度、修磨量、修磨次數等。

磨削參數
   砂輪進(jìn)給位置、速度、粗磨量、半精磨量、精磨量、C軸各轉速、凸輪補償量等。

    這些參數有些是固定的，有些是根據磨削效果進(jìn)行調整的。

3.凸輪磨削程序

    凸輪磨削主程序由％20完成。它調用生成計算L900、八個(gè)凸輪磨削L23、砂輪修整。L25等。每調用一次磨削一根凸輪軸。

    凸輪磨削子程序由L23完成。它包括凸輪角度設置、粗磨、半精磨、精磨等，每調用一次磨削一個(gè)凸輪。

4.砂輪修整子程序由L25完成。每調用一次修整砂輪一次。
    由于磨削程序較多，這里只給出主程序％20的部分程序如下：
  %MPF20
   …
      L900   計算生成曲線(xiàn)
      …
      L25 P1 修整砂輪
      ….
      N0120 G90 G1 F=R24 Z=-R1 R712=R11 R9=0    Z軸到第一凸輪位置
      N0140 L23 P1    磨第一凸輪
    …
       N0220 G90 G1 F=R24 Z=-R2 R712=R12 R9=1     Z軸到第二凸輪位置
      L23 P1    磨第二凸輪
    …
      N0320 G90 G1 F=R24 Z=-R3 R712=R13 R9=0      Z軸到第三凸輪位置
      N0340 L23 P1  磨第三凸輪
      ….
      N0420 G90 G1 F=R24 Z=-R4 R712=R14 R9=1       Z軸到第四凸輪位置
      N0430 R150=R64/2
     N0440 L22 P1  磨第四凸輪
      L25 P1    修整砂輪
     ….
     N0520 G90 G1 F=R24 Z=-R5 R712=R15 R9=0        Z軸到第五凸輪位置
     N0540 L23 P1  磨第五凸輪
    …
    N0620 G90 G1 F=R24 Z=-R6 R712=R16 R9=1        Z軸到第六凸輪位置
    N0640 L23 P1  磨第六凸輪
   …
    N0720 G90 G1 F=R24 Z=-R7 R712=R17 R9=0         Z軸到第七凸輪位置
    N0740 L23 P1   磨第七凸輪
  …
   N0820 G90 G1 F=R24 Z=-R8 R712=R18 R9=1          Z軸到第八凸輪位置
   N0840 L23 P1    磨第八凸輪
  N0900 M29 M39
      L25       修整砂輪
  …
  M02
 
五.FN3磨床實(shí)際磨削效果

    采用西門(mén)子840C的FN3凸輪磨床，經(jīng)調試磨削出一件生成值和表面粗糙度合格的凸輪后，連續加工400件，抽檢10％，檢查系統的可靠性和穩定性。檢查結果各項技術(shù)指標完全符合產(chǎn)品設計要求。本設備于2000年6月30日驗收，并交付用戶(hù)，現在仍在使用中，發(fā)揮著(zhù)極大的作用。