凸輪軸磨床電氣及磨削工藝設計

摘要：全數控凸輪軸磨床是汽油發動機和柴油發動機凸輪軸關鍵生產設備，它直接影響發動機的性能和效率。由于其磨削工藝復雜、磨削精度很高，一直依賴進口，目前國內完全可采用西門子840C數控系統實現全數控凸輪磨床的制造或技術改造。

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。其中全數控磨床技術難度最大，但其最大的優點是磨削精度高、產品質量穩定、產品更換靈活方便、生產效率高。目前國內已開始采用西門子840C數控系統實現全數控凸輪磨床的制造或技術改造。

1. 凸輪軸簡介
   凸輪軸對汽車而言是一個關鍵的基礎部件,它安裝于發動機內,控制氣缸的進氣和排氣,一個氣缸由一個進氣和一個排氣凸輪控制,廣泛應用于汽油發動機和柴油發動機，如摩托車、汽車、火車、卡車等。

   每個凸輪軸是由若干個凸輪組成，如四缸發動機，一個凸輪軸由八個凸輪組成。

   每個凸輪其形狀為桃形，由基園和許多二次曲線，三次曲線及圓弧組成，其構成的封閉曲線稱為生成曲線。生成曲線的線型誤差將直接影響發動機氣缸內燃料燃燒質量，進而影響發動機工作性能。參見附件1產品圖。

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

2. FN3磨床概述
   FN3磨床由原西德FORTUNA公司生產，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、動平衡系統等部件組成。電氣部分由數控系統、模擬驅動系統、MARPOSS測量儀、超聲波檢測儀等部件組成。

3. 磨床技術指標
   FN3磨床主要技術指標：

   X軸行程（線性） 0-300毫米, 速度 10米/分.
   Z軸行程（線性） 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，它通過驅動系統、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系統、液壓系統、冷卻系統、動平衡儀、MARPOSS測量儀、超聲波檢測儀等的監控，更重要的是具有凸輪曲線磨削功能，并確保凸輪軸的各項技術指標滿足設計要求。

---- 西門子840C數控系統完全能滿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、直線表插補、曲線表插補、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；
  
• 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、直線表插補、曲線表插補等。

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，使磨削加工成為高精度，高效率，安全可靠的全自動化生產。

---- 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系統通過調整相關參數使之符合FN3磨床工作特性；
  
• 軟件設計的原則是采用結構化程序設計，對每個部件的運行要進行安全可靠的動態控制，并具有豐富的信息指示。

1. 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。

   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、驅動系統、液壓系統、冷卻系統、動平衡儀、MARPOSS測量儀、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。

2. 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行相關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。其關鍵參數如下：

   • 設置FN3磨床具有一個方式組、一個通道、三個進給軸、二個主軸；
     
   • 定義三個進給軸各位置環接口（指令口和測量口）、二個主軸速度環接口（指令口）；
     
   • 設置三個進給軸可計算的位控參數，如位置當量值、理論速度值：
     
   • 設置三個進給軸運動特性的位控參數，如位置增益、加速度、軸速度等參數。
   軸的運動特性與磨床的機械結構、磨損程度等有密切的關系。軸的位控參數是根據軸的運動特性來設定。

   軸的位置增益是反映位置環中對軸運動位置的動態跟蹤特性。

   軸的位置加速度是反映位置環中在軸啟動到設定速度和設定速度到停止期間，運動位置的加速、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、手動快速度、手動速度、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DMPL子站，每個DMPL子站可安裝四個輸入模塊、四個輸出模塊。

3. 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。用戶控制軟件就編寫在這些塊中，它是用西門子STEPL5語言編制而成的。
   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、NC系統的通道、進給、砂輪軸等、軸限位信號、軸回參考點信號、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（包括門開/關、工件、砂輪、金剛冷卻液開/關、砂輪冷卻噴嘴上/下、工件夾緊/松開、MARPOSS測頭前/后運動）
     
   • 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

---- 由于凸輪生成曲線的特殊性，它既不是園也不是直線，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是0－360度的離散點，數控系統如何利用這些離散點，磨削出符合要求的工件，需解決以下三個關鍵問題：

• 離散點變成連續的封閉曲線?？衫?40C曲線表功能實現。
  
• 生成曲線轉為磨削曲線。由于凸輪磨削時，磨削點與生成點不在一個點上，必須進行數學模型變換，而且這種變換還與凸輪的測量方式有關。
  
• 建立C軸調速曲線。這凸輪磨削中，為保證凸輪加速度恒定，必須建根據C軸角度來調整C軸轉速的調速曲線。

---- 所有磨削工藝及關鍵問題由NC磨削加工程序完成。

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

1. 凸輪生成/速度曲線計算程序
   凸輪生成/速度曲線計算將給定的凸輪生成表轉換為磨削用的磨削曲線(C坐標值、X軸坐標值)。主要包括以下幾部分：
   • 凸輪生成曲線、速度曲線計算程序L900。它調用L100、L200、L981，L982、L983、L984、L988；
     
   • 定義生成第一凸輪生成曲線表L100。根據產品圖紙給出的生成曲線表、每個凸輪的距離、相位角、基園直徑寫入此程序中；
     
   • 定義生成第一凸輪速度曲線表L200；
     
   • 計算凸輪1、3、5、7生成曲線L981。根據L100生成曲線表，將生成曲線轉換為磨削曲線，840C對這些數據進行平滑處理形成封閉曲線，用于磨削加工見下圖；

     
     

   • 計算凸輪2、4、6、8生成曲線L982。原理同L981；
     
   • 計算凸輪1、3、5、7調速曲線L983。根據L200速度曲線表，840C對這些數據進行平滑處理形成封閉曲線，用于磨削加工；其調速曲線圖如下：

     
     

   • 計算凸輪2、4、6、8調速曲線L984。原理同L983；
     
   • 計算生成曲線L988。功能是將生成曲線轉換為磨削曲線。
   
   
2. 凸輪磨削參數
   凸輪加工中磨削程序要涉及許多相關參數,來保證產品質量。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：
   • 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
     金剛輪進給位置、速度、修磨量、修磨次數等。
     
   • 磨削參數
     砂輪進給位置、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      …      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磨床實際磨削效果

---- 采用西門子840C的FN3凸輪磨床，經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。檢查結果各項技術指標完全符合產品設計要求。本設備于2000年6月30日驗收，并交付用戶，現在仍在使用中，發揮著極大的作用。

六.參考文獻

---- 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