凸轮轴磨床电气及磨削工艺设计

摘要：全数控凸轮轴磨床是汽油发动机和柴油发动机凸轮轴关键生产设备，它直接影响发动机的性能和效率。由于其磨削工艺复杂、磨削精度很高，一直依赖进口，目前国内完全可采用西门子840C数控系统实现全数控凸轮磨床的制造或技术改造。

一.凸轮轴磨床概述

---- 凸轮轴磨床可分为非数控靠磨磨床、数控靠磨磨床、全数控磨床三大类。其中全数控磨床技术难度最大，但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。目前国内已开始采用西门子840C数控系统实现全数控凸轮磨床的制造或技术改造。

1. 凸轮轴简介
   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，由基园和许多二次曲线，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气缸内燃料燃烧质量，进而影响发动机工作性能。参见附件1产品图。

   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。凸轮轴磨床就是完成凸轮轴最后一个工序：粗磨、精磨凸轮轴上的每个凸轮。 这里以FN3全数控凸轮轴磨床（下称FN3磨床）为例说明。

2. FN3磨床概述
   FN3磨床由原西德FORTUNA公司生产，其型号为FN3－DS350／1000.FN3磨床机械部分由机床身、工作台、头架、尾架、主轴砂轮、砂轮修造器、液压系统、冷却系统、动平衡系统等部件组成。电气部分由数控系统、模拟驱动系统、MARPOSS测量仪、超声波检测仪等部件组成。

3. 磨床技术指标
   FN3磨床主要技术指标：

   X轴行程（线性） 0-300毫米, 速度 10米/分.
   Z轴行程（线性） 0-1000毫米,速度 10米/分.
   C轴行程（旋转） 0－360度, 转速 200转/分.
   主轴砂轮线速度 35-60米／分
   金刚轮转速 500-2000转/分

二.数控系统配置

---- 数控系统不仅具有是组成数控磨床不可缺少的重要部分，它通过驱动系统、测量系统完成对工件的精确磨削，并对磨床辅助部件或设备进行监控。

---- FN3磨床为全数控凸轮轴磨床,要求数控系统不仅具有对模拟驱动系统、液压系统、冷却系统、动平衡仪、MARPOSS测量仪、超声波检测仪等的监控，更重要的是具有凸轮曲线磨削功能，并确保凸轮轴的各项技术指标满足设计要求。

---- 西门子840C数控系统完全能满足全数控凸轮轴磨床的要求。主要原因是它具有电子齿轮轴、直线表插补、曲线表插补、C轴调速功能功能。其配置主要如下：

• 硬件配置：选用840C12槽主机框架包括MMC CPU板、NC CPU板、 PLC CPU板、位控板及 DMP模块等，操作台选用显示器、机床控制键盘；
  
• 软件配置：OS系统软件选用DRDOSV6．0版，数控软件选用V6．02版(非出口版)；
  
• 选件配置：电子齿轮、直线表插补、曲线表插补等。

三.FN3磨床电气系统设计

---- 电气系统设计的目的是将磨床机械部分与电气部分有机地结合起来，使磨削加工成为高精度，高效率，安全可靠的全自动化生产。

---- 电气系统设计总体上包括硬件、系统调试、软件三大部分。

• 硬件设计的原则是在满足磨削功能的条件前提下，降低成本；
  
• 系统调试的原则是将标准的840C系统通过调整相关参数使之符合FN3磨床工作特性；
  
• 软件设计的原则是采用结构化程序设计，对每个部件的运行要进行安全可靠的动态控制，并具有丰富的信息指示。

1. 电气系统硬件设计
   NC硬件设计主要是数控轴的设计。本加工中心的数控轴有X、Z、C、 S1、S2五个。

   PLC硬件设计主要是指对外部执行部件监控电路的设计。它包括机床控制面板、机床辅助控制面板、驱动系统、液压系统、冷却系统、动平衡仪、MARPOSS测量仪、超声波检测仪等电气系统，这些电气的信号都要与840C的DMP模块（IO模块）连接。

2. 电气系统调试
   电气系统调试是对配置好的数控硬件系统进行相关参数的调整使之符合FN3凸轮轴磨床的工作要求。主要包括NC机床数据和PLC机床数据调整。

   1.1 NC机床数据调整
   NC机床数据调整主要是FN3磨床各轴参数的设置。其关键参数如下：

   • 设置FN3磨床具有一个方式组、一个通道、三个进给轴、二个主轴；
     
   • 定义三个进给轴各位置环接口（指令口和测量口）、二个主轴速度环接口（指令口）；
     
   • 设置三个进给轴可计算的位控参数，如位置当量值、理论速度值：
     
   • 设置三个进给轴运动特性的位控参数，如位置增益、加速度、轴速度等参数。
   轴的运动特性与磨床的机械结构、磨损程度等有密切的关系。轴的位控参数是根据轴的运动特性来设定。

   轴的位置增益是反映位置环中对轴运动位置的动态跟踪特性。

   轴的位置加速度是反映位置环中在轴启动到设定速度和设定速度到停止期间，运动位置的加速、减速特性。

   轴速度能反映出磨床的工作效率，速度越大，效率越高。它一般分为最大速度、手动快速度、手动速度、回零速度等。

   轴位置增益与加速度也是互相影响。

   1.2 PLC机床数据的调整
   PLC机床数据调整主要是设定IO模块地址。
   FN3磨床IO模块地址采用标准设置，直接由PLC机床数据设定。
   FN3磨床配置了三个DMPL子站，每个DMPL子站可安装四个输入模块、四个输出模块。

3. 电气控制软件设计
   电气控制软件设计主要是指PLC程序的设计。在PLC系统中，为用户设计了标准的接口模块,即OB块，除OB块外，还有受OB块调用的FB、PLB、SB、DB、FX、 DX块。用户控制软件就编写在这些块中，它是用西门子STEPL5语言编制而成的。
   在本控制软件中，OB块只使用OB20和OB1，其它程序块的编制按照控制对象功能，采用结构化编程。
   主要完成：
   • 初始化处理程序
     
   • 基本信号处理程序（包括机床控制键盘、NC系统的通道、进给、砂轮轴等、轴限位信号、轴回参考点信号、急停处理）
     
   • 异步电机处理程序（包括冷却液主系统控制处理、系统控制处理、润滑系统控制处理）
     
   • 电磁阀处理程序（包括门开/关、工件、砂轮、金刚冷却液开/关、砂轮冷却喷嘴上/下、工件夹紧/松开、MARPOSS测头前/后运动）
     
   • 金刚轮处理程序
     
   • 安全保护程序。安全保护系统在磨床中起着很重要的作用。它第一保护人的生命安全，第二避免设备受损。

四.FN3磨削工艺设计

---- 由于凸轮生成曲线的特殊性，它既不是园也不是直线，就决定了凸轮轴磨床磨削工艺的特殊性。提供给磨床的生成曲线是0－360度的离散点，数控系统如何利用这些离散点，磨削出符合要求的工件，需解决以下三个关键问题：

• 离散点变成连续的封闭曲线。可利用840C曲线表功能实现。
  
• 生成曲线转为磨削曲线。由于凸轮磨削时，磨削点与生成点不在一个点上，必须进行数学模型变换，而且这种变换还与凸轮的测量方式有关。
  
• 建立C轴调速曲线。这凸轮磨削中，为保证凸轮加速度恒定，必须建根据C轴角度来调整C轴转速的调速曲线。

---- 所有磨削工艺及关键问题由NC磨削加工程序完成。

---- FN3磨削加工程序是根据凸轮磨削过程及840C提供的相关功能编制而成，主要包括凸轮生成/速度曲线计算和凸轮磨削二部分。

1. 凸轮生成/速度曲线计算程序
   凸轮生成/速度曲线计算将给定的凸轮生成表转换为磨削用的磨削曲线(C坐标值、X轴坐标值)。主要包括以下几部分：
   • 凸轮生成曲线、速度曲线计算程序L900。它调用L100、L200、L981，L982、L983、L984、L988；
     
   • 定义生成第一凸轮生成曲线表L100。根据产品图纸给出的生成曲线表、每个凸轮的距离、相位角、基园直径写入此程序中；
     
   • 定义生成第一凸轮速度曲线表L200；
     
   • 计算凸轮1、3、5、7生成曲线L981。根据L100生成曲线表，将生成曲线转换为磨削曲线，840C对这些数据进行平滑处理形成封闭曲线，用于磨削加工见下图；

     
     

   • 计算凸轮2、4、6、8生成曲线L982。原理同L981；
     
   • 计算凸轮1、3、5、7调速曲线L983。根据L200速度曲线表，840C对这些数据进行平滑处理形成封闭曲线，用于磨削加工；其调速曲线图如下：

     
     

   • 计算凸轮2、4、6、8调速曲线L984。原理同L983；
     
   • 计算生成曲线L988。功能是将生成曲线转换为磨削曲线。
   
   
2. 凸轮磨削参数
   凸轮加工中磨削程序要涉及许多相关参数,来保证产品质量。如磨削量、磨削速度值，若选择不当能引起工件变形、尺寸超差。这些参数主要有以下几大类：
   • 工件参数
     凸轮1－8位置参数、凸轮1－8角度参数、凸轮基园半径参数、凸轮测量方法。
     
   • 砂轮参数
     砂轮直径、砂轮宽度。
     
   • 修整砂轮参数
     金刚轮进给位置、速度、修磨量、修磨次数等。
     
   • 磨削参数
     砂轮进给位置、速度、粗磨量、半精磨量、精磨量、C轴各转速、凸轮补偿量等。
   
   这些参数有些是固定的，有些是根据磨削效果进行调整的。

3. 凸轮磨削程序
   凸轮磨削主程序由％20完成。它调用生成计算L900、八个凸轮磨削L23、砂轮修整。L25等。每调用一次磨削一根凸轮轴。
   凸轮磨削子程序由L23完成。它包括凸轮角度设置、粗磨、半精磨、精磨等，每调用一次磨削一个凸轮。
   
4. 砂轮修整子程序由L25完成。每调用一次修整砂轮一次。
   由于磨削程序较多，这里只给出主程序％20的部分程序如下：

%MPF20   …      L900   计算生成曲线      …      L25 P1 修整砂轮       ….      N0120 G90 G1 F=R24 Z=-R1 R712=R11 R9=0    Z轴到第一凸轮位置      N0140 L23 P1    磨第一凸轮    …       N0220 G90 G1 F=R24 Z=-R2 R712=R12 R9=1     Z轴到第二凸轮位置      L23 P1    磨第二凸轮    …      N0320 G90 G1 F=R24 Z=-R3 R712=R13 R9=0      Z轴到第三凸轮位置      N0340 L23 P1 磨第三凸轮      ….      N0420 G90 G1 F=R24 Z=-R4 R712=R14 R9=1       Z轴到第四凸轮位置      N0430 R150=R64/2     N0440 L22 P1 磨第四凸轮      L25 P1    修整砂轮     ….     N0520 G90 G1 F=R24 Z=-R5 R712=R15 R9=0        Z轴到第五凸轮位置     N0540 L23 P1 磨第五凸轮    …    N0620 G90 G1 F=R24 Z=-R6 R712=R16 R9=1        Z轴到第六凸轮位置    N0640 L23 P1 磨第六凸轮   …    N0720 G90 G1 F=R24 Z=-R7 R712=R17 R9=0         Z轴到第七凸轮位置    N0740 L23 P1  磨第七凸轮  …   N0820 G90 G1 F=R24 Z=-R8 R712=R18 R9=1          Z轴到第八凸轮位置   N0840 L23 P1    磨第八凸轮  N0900 M29 M39      L25       修整砂轮  …  M02  

五.FN3磨床实际磨削效果

---- 采用西门子840C的FN3凸轮磨床，经调试磨削出一件生成值和表面粗糙度合格的凸轮后，连续加工400件，抽检10％，检查系统的可靠性和稳定性。检查结果各项技术指标完全符合产品设计要求。本设备于2000年6月30日验收，并交付用户，现在仍在使用中，发挥着极大的作用。

六.参考文献

---- 1 SINUMERIK 840C Programming Guide
---- 2 SINUMERIK 840C PLC 135 WB/WB2/WD
---- 3 SINUMERIK 840C Interface Description Part 1
---- 4 SINUMERIK 840C Interface Description Part 2
---- 5 SINUMERIK 840C/611D Installation Guide