1.引言
數(shù)控凸輪軸高速磨床是生產(chǎn)汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸（見(jiàn)圖1）的主要加工工具，主要用于凸輪軸的非圓輪廓高精度加工，對(duì)加工磨床的加工精度要求很高。
本文中選用了中達(dá)PUTNC-H6系列通用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制砂輪架進(jìn)給、靠模換片、工作臺(tái)移動(dòng)和砂輪修整等運(yùn)動(dòng)控制?？筛鶕?jù)需要選擇最合理的砂輪修整次數(shù)和修整量來(lái)提高表面磨削質(zhì)量，降低砂輪消耗。砂輪主軸系統(tǒng)采用最新的線速度模型，可以根據(jù)砂輪直徑修正變化和線速度工藝要求自動(dòng)補(bǔ)償，來(lái)實(shí)現(xiàn)恒線速磨削，大幅度提高加工精度和效率，避免凸輪軸磨削時(shí)易發(fā)生的表面燒傷。
機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)和滾珠絲桿結(jié)構(gòu)，進(jìn)給精確，動(dòng)作可靠。同時(shí)機(jī)床具有多種自動(dòng)保護(hù)功能，有效提高了設(shè)備的安全性。
2.PUTNC-H6通用數(shù)控系統(tǒng)介紹
PUTNC-H6通用數(shù)控系統(tǒng)（圖2），是中達(dá)電通結(jié)合前期H4系列通用數(shù)控系統(tǒng)在產(chǎn)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)而研發(fā)的通用型數(shù)控系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)：
圖2 PUTNC-H6通用數(shù)控系統(tǒng)
1) 分體式設(shè)計(jì)，可選配第二輔助操作面板，H6系列接口采用高清晰彩色8"英寸LCD液晶顯示，H6CL系列更采用10"LCD液晶顯示，顯示的分辨率和色彩的明亮度都較早期H4系列產(chǎn)品有大幅提升；
2) 最新PLC軟件和LCD接口編輯軟件，可以根據(jù)不同機(jī)床工藝要求任意修改接口，可以為不同的產(chǎn)業(yè)機(jī)械打造客制化控制方案；
3) 數(shù)控系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別電壓或者脈沖控制方式，分辨率可設(shè)定至7 位數(shù)，任何軸向均可外接光柵尺，實(shí)現(xiàn)全死循環(huán)控制架構(gòu)，最大響應(yīng)頻率2000kpps，控制精度更高；
4) 當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)的命令控制方式為脈沖類型、開(kāi)環(huán)控制方式時(shí)，也同樣具有編碼器脈沖回授功能，用以比對(duì)伺服軸是否到位，有效防止撞機(jī)；
5) 相對(duì)于以往中達(dá)電通數(shù)控系統(tǒng)，優(yōu)化的加減速曲線模型，0.5μs的處理響應(yīng)，能夠?qū)Φ毒呗肪€平滑處理，有效降低加工零件的表面粗糙度；
6) 支持第二組軟件限位功能，能夠通過(guò)PLC切換；
7) PLC輸入和輸出采用最新的分體式通訊模塊，可以自由組合擴(kuò)充，輸入點(diǎn)的開(kāi)關(guān)類型支持NPN和PNP兩種類型自動(dòng)識(shí)別。
3.凸輪軸工件的加工工藝
該磨床的數(shù)控系統(tǒng)控制3個(gè)伺服軸，其中X軸驅(qū)動(dòng)砂輪架縱向進(jìn)給，用以決定凸輪的磨削尺寸；Z軸驅(qū)動(dòng)橫向位移工作臺(tái)位移，用以更換凸輪位置；Y軸驅(qū)動(dòng)靠模伺服，用以更換相應(yīng)的凸輪靠模。整改凸輪的加工方法類似于仿行加工。凸輪加工的精度要求在最大升程誤差≤0.05mm，凸輪表面粗糙度低于0.4μ。
4.砂輪的修整補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)
磨削加工不同于車削加工，砂輪是由磨料顆粒和粘接劑壓制成的圓輪，用來(lái)磨削工件的表面。在磨削加工過(guò)程中，砂輪與工件是面與面的接觸，磨料的顆粒和粘合劑會(huì)脫落砂輪本體，從而使砂輪表面凹凸不平，修整就是利用金剛石刀具去除砂輪表面的不平，使砂輪變銳。當(dāng)砂輪修整后，砂輪的直徑就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的減小，因此需要砂輪的修整補(bǔ)償功能。見(jiàn)圖3。
中達(dá)PUTNC-H6數(shù)控系統(tǒng)利用LCD開(kāi)放的特點(diǎn)，可以將用戶所需的工藝參數(shù)歸集在同一個(gè)界面中。中文注釋說(shuō)明和對(duì)談式的數(shù)據(jù)輸入接口，使操作者可以非常方便地輸入工藝參數(shù)。
同時(shí)，當(dāng)調(diào)用磨削程序時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)可以利用豐富的宏程序運(yùn)算指令，實(shí)現(xiàn)砂輪補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)運(yùn)算。
圖3 砂輪修整設(shè)定圖
5. 砂輪線速度設(shè)定
凸輪在修整后，砂輪的直徑會(huì)發(fā)生減少，早期的西門子802C數(shù)控系統(tǒng)，因?yàn)閿?shù)控的底層變量并不開(kāi)放給機(jī)械制造商，所以設(shè)計(jì)人員只能夠設(shè)定主軸變頻器的來(lái)源為變頻器面板控制，由外部端子來(lái)進(jìn)行速度切換，主軸轉(zhuǎn)速需要根據(jù)一個(gè)EXCEL表格，事先計(jì)算出變頻器頻率，再到變頻器面板上進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)修改，十分繁瑣。
使用中達(dá)電通H6數(shù)控系統(tǒng)的解決方案，主要應(yīng)用了該型號(hào)數(shù)控系統(tǒng)底層變量開(kāi)放和PLC開(kāi)放運(yùn)算的特點(diǎn)。根據(jù)砂輪主軸系統(tǒng)線速度模型公式，用戶只需在更換新砂輪時(shí)，輸入相對(duì)應(yīng)的砂輪直徑和砂輪的線速度，數(shù)控系統(tǒng)就可以自動(dòng)根據(jù)砂輪直徑修整變化值和線速度工藝要求自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償修整，從而實(shí)現(xiàn)砂輪的恒線速磨削。砂輪相關(guān)參數(shù)，直接在數(shù)控系統(tǒng)上設(shè)定計(jì)算，由模擬量電壓控制變頻器運(yùn)行，從而無(wú)需修改變頻器參數(shù)，大幅度提高加工精度和效率，避免了凸輪軸磨削時(shí)易發(fā)生的表面燒傷。見(jiàn)圖4。
圖4 砂輪線速度設(shè)定圖
6.安全防護(hù)上的改進(jìn)
早期的西門子802C方案，因?yàn)閿?shù)控接口沒(méi)有開(kāi)發(fā)，操作者使用時(shí)需要在手動(dòng)模式先示教修整砂輪后，用筆記錄下當(dāng)前坐標(biāo)，在折返R參數(shù)接口填寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)，且輸入數(shù)據(jù)無(wú)中文注釋，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入出錯(cuò)，引發(fā)撞車，而碎掉砂輪。有時(shí)則因?yàn)椴僮魅藛T未注意工件和金剛筆的高度落差，位移X軸，直接撞擊高速砂輪面造成高速運(yùn)行的砂輪破裂飛出，從而引發(fā)安全危險(xiǎn)。
中達(dá)數(shù)控系統(tǒng)的方案從3個(gè)方面入手解決了這個(gè)問(wèn)題。
1) 數(shù)據(jù)示教方法設(shè)定，不需繁瑣的接口操作。以圖3中砂輪修整接口為例，操作者只需要移動(dòng)到圖示金剛筆的起點(diǎn)的相應(yīng)位置，點(diǎn)擊按鍵“R34/R46”，數(shù)控系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)將當(dāng)前的X、Z軸的機(jī)械坐標(biāo)，直接賦值到對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵工藝變量，不給操作者設(shè)定的機(jī)會(huì)，從而將設(shè)定錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)降低為0。對(duì)于其他次要的相關(guān)工藝參數(shù)，在集中在同一個(gè)中文參數(shù)接口中，采用圖標(biāo)設(shè)定接口，大大降低了設(shè)定錯(cuò)誤的幾率。
2) 利用系統(tǒng)自身的兩組軟限位，實(shí)現(xiàn)金剛筆修整位置和工件磨削位置動(dòng)態(tài)軟限位功能。因?yàn)镃NC對(duì)于NC程序的處理，是采用預(yù)讀的機(jī)制來(lái)處理CNC運(yùn)動(dòng)的軌跡，當(dāng)CNC預(yù)讀的軌跡數(shù)據(jù)大于CNC設(shè)定的軟限位時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)便會(huì)先期發(fā)出報(bào)警，并禁止軸向運(yùn)行，從而起到安全保護(hù)的作用。根據(jù)這一點(diǎn)，我們結(jié)合H6數(shù)控系統(tǒng)具有兩組軟限位的功能，及利用PLC的邏輯功能，判斷Z軸工作臺(tái)的位置，從而確定開(kāi)啟相應(yīng)區(qū)域X軸的安全軟限位。這樣金剛筆修正和工件磨削時(shí)，都有軟件保護(hù)，從而徹底避免高速撞擊。同時(shí)，我們還利用H6數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，在軟限位設(shè)定值初次設(shè)定后，根據(jù)砂輪修正后直徑變化，自動(dòng)修正"X軸"系統(tǒng)軟限位值，做到全程的安全保護(hù)。如圖5所示。
圖5 軟限位保護(hù)設(shè)定圖
3) MPG手搖輪測(cè)試。MPG手搖輪測(cè)試也是H6數(shù)控系統(tǒng)的一大特點(diǎn)，利用這一個(gè)特點(diǎn)，操作者在首次設(shè)定參數(shù)后，在程序測(cè)試模式下運(yùn)行NC程序，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)以NC規(guī)劃的路徑方向運(yùn)行。但是進(jìn)給速率完全由操作者轉(zhuǎn)動(dòng)手輪運(yùn)行的快慢確定，當(dāng)發(fā)生機(jī)械干涉時(shí)，操作者只要停止旋轉(zhuǎn)手輪，數(shù)控系統(tǒng)就會(huì)停止進(jìn)給，從而完全避免參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤，引起的撞機(jī)。
7. 中達(dá)數(shù)控H6和西門子數(shù)控802C 方案比較
首次表1中清楚明了地表現(xiàn)力使用中達(dá)PUTNC-H6數(shù)控系統(tǒng)和使用西門子802C數(shù)控系統(tǒng)兩者之間的不同。
表1 使用西門子802C與中達(dá)PUTNC-H6數(shù)控系統(tǒng)的方案對(duì)比
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8.結(jié)束語(yǔ)
本文從機(jī)理上概述了H6系統(tǒng)在凸輪軸磨床上的應(yīng)用特點(diǎn)。對(duì)于機(jī)床制造商而言，中達(dá)電通為其運(yùn)用量身定度的控制解決方案，完全能夠?qū)崿F(xiàn)原有方案的控制要求，同時(shí)又可以根據(jù)機(jī)床最終使用者遇到的實(shí)際情況，站在最終用戶的角度去思考問(wèn)題，提出獨(dú)樹一幟的解決方案，這就是中達(dá)電通H6數(shù)控系統(tǒng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
作者簡(jiǎn)介：
張廣偉，1976年9月出生，畢業(yè)于洛陽(yáng)拖拉機(jī)學(xué)院 數(shù)控技術(shù)專業(yè)?，F(xiàn)任中達(dá)電通股份有限公司伺服數(shù)控產(chǎn)品開(kāi)發(fā)處高級(jí)應(yīng)用工程師，從事伺服數(shù)控產(chǎn)品的應(yīng)用支持和產(chǎn)品營(yíng)銷工作，14年電氣相關(guān)職業(yè)生涯。
