隨著全球汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，使得對(duì)凸輪軸的需求量越來(lái)越大。 凸輪軸對(duì)汽車(chē)而言是一個(gè)關(guān)鍵的基礎(chǔ)部件，它安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，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(yīng)用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，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(jī)，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，由基圓和許多二次曲線，三次曲線及圓弧組成，其構(gòu)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(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)燃料燃燒質(zhì)量，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能。 每個(gè)凸輪軸都要經(jīng)過(guò)對(duì)毛坯的車(chē)、銑、鉆、粗磨、精磨等二十多個(gè)工序才能完成。 凸輪軸磨床主要用于汽車(chē)、摩托車(chē)及內(nèi)燃機(jī)行業(yè)中的關(guān)鍵零件凸輪軸的加工。 它主要用來(lái)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。

　　我國(guó)凸輪軸的加工大多還采用傳統(tǒng)的機(jī)械靠模加工方式，加工質(zhì)量受到靠模機(jī)構(gòu)的影響，凸輪型線難以得到保證，在一定程度上制約了汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展。但是，目前僅有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家能夠掌握數(shù)控凸輪軸磨床技術(shù)，故機(jī)床售價(jià)昂貴，臺(tái)價(jià)高達(dá)60~80萬(wàn)美元，國(guó)內(nèi)企業(yè)一般無(wú)法承受。 因此，有必要研制出我國(guó)自己的數(shù)控凸輪軸磨床，重點(diǎn)是凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)，以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

1 凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)整體分析

　　高精度數(shù)控磨床設(shè)計(jì)的技術(shù)難度大，其最大的優(yōu)點(diǎn)是磨削精度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、產(chǎn)品更換靈活方便、生產(chǎn)效率高。 今天，由于計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展，為高精度數(shù)控磨床的實(shí)現(xiàn)注入了新的活力。 使得在Windows平臺(tái)上開(kāi)發(fā)多任務(wù)型的控制程序變得十分的方便。 這樣，數(shù)控系統(tǒng)在完成加工的同時(shí)又能夠?qū)崟r(shí)地完成其它的任務(wù)，如狀態(tài)跟蹤、數(shù)據(jù)的提取和處理、故障診斷、系統(tǒng)檢測(cè)等。 另外，這也給開(kāi)放型數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，利于系統(tǒng)的維護(hù)、改造和升級(jí)換代。 所以，依靠今天的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)高精度數(shù)控凸輪磨床并保證其高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性和安全性變?yōu)榭赡堋?下面，就針對(duì)硬件和軟件的設(shè)計(jì)來(lái)深入對(duì)高精度數(shù)控磨床的開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行探討。

　　1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成是保證系統(tǒng)精度、可靠性和實(shí)時(shí)性的重要因素。 在本系統(tǒng)中，采用上、下位機(jī)的控制體系結(jié)構(gòu)，即“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 它由開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制卡和IPC機(jī)共同構(gòu)成。 這種運(yùn)動(dòng)控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制和PLC控制能力。 它本身就是一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，可以單獨(dú)使用。 它開(kāi)放的函數(shù)庫(kù)供用戶在Windows平臺(tái)下自行開(kāi)發(fā)構(gòu)造所應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化控制各個(gè)領(lǐng)域。 如美國(guó)DeltaTau公司用PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)造的PMAC-NC數(shù)控系統(tǒng)、日本MAZAK公司用三菱電機(jī)的。MELDASMAGIC64構(gòu)造的MAZATROL640CNC等。 由于是基于高速DSP和高精度晶振的控制系統(tǒng)，它可以滿足高速、高精度磨床的高速運(yùn)算和高精度伺服控制的需要。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　根據(jù)控制軸數(shù)，初步選用美國(guó)Pro-Dex公司的PCIx-202卡。 PCIx系列是基于 PCI總線的高性能運(yùn)動(dòng)控制卡，其中PCIx-202可控制兩軸步進(jìn)和兩軸伺服電機(jī)。 PCIx-202卡的特點(diǎn)：光學(xué)隔離的輸入]輸出，正負(fù)限位開(kāi)關(guān)和原點(diǎn)信號(hào)輸入，以及微分編碼器反饋信號(hào)輸入；每軸獨(dú)立或同時(shí)運(yùn)動(dòng)；每軸持續(xù)的線,性插補(bǔ)；圓弧插補(bǔ)；反斜線補(bǔ)償；自定義，拋物線!S曲線和直線軌跡輪廓；和IO68-M外圍板兼容；電子傳動(dòng)裝置；配有WIN95/NT/98/200/XP下的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，方便客戶編寫(xiě)自己的應(yīng)用軟件；提供調(diào)試示范軟件，可演示此卡功能，方便客戶測(cè)試控制卡以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　為了保證工件主軸的動(dòng)態(tài)特性，C軸必須采用高轉(zhuǎn)矩/慣量比的伺服電機(jī)。 考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)和工件的轉(zhuǎn)速范圍要求，采用PAKER公司的大慣量直接驅(qū)動(dòng)伺服。 它可省略機(jī)械減速裝置，減少由于減速裝置造成的傳動(dòng)誤差，也滿足需要的反饋分辨率和控制精度。

　　通過(guò)插補(bǔ)運(yùn)算看出，X軸的運(yùn)動(dòng)(凸輪部分)為近似的時(shí)間正弦函數(shù)，其運(yùn)動(dòng)控制精度直接影響了磨削精度，幅值精度影響尺寸誤差，相位精度影響凸輪軸的形狀誤差。 跟蹤精度由伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性決定，由于機(jī)械傳動(dòng)部分的慣量很小，所以選用小慣量伺服電機(jī)可以得到較好的控制效果。

　　1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心，是關(guān)系到系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性可靠性和實(shí)時(shí)性的最重要的因素之一。 因此，在設(shè)計(jì)中必須采用合理的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和優(yōu)化的算法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以達(dá)到減少設(shè)計(jì)工作量、提高系統(tǒng)運(yùn)行性能的目的，使系統(tǒng)具有開(kāi)放性、多任務(wù)的特點(diǎn)，同時(shí)要有利于系統(tǒng)的升級(jí)換代。在本設(shè)計(jì)中，所采用的是基于Windows平臺(tái)的VC++6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境，在VC++6.0中開(kāi)發(fā)基于。Y#的應(yīng)用程序，具有開(kāi)放性和多任務(wù)性，程序代碼相對(duì)較少，運(yùn)行可靠。 限于篇幅，在這里僅對(duì)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，如圖2所示。 主要分為上位機(jī)管理程序、上下位通信程序和運(yùn)動(dòng)控制程序3個(gè)大的部分。 從軟件結(jié)構(gòu)圖上可以看出，每個(gè)大的模塊又分為幾個(gè)子程序模塊，其功能如圖2示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

　　加工曲線的插補(bǔ)計(jì)算和工藝設(shè)置：采用特殊的插補(bǔ)算法求出兩軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，才能通過(guò)伺服控制完成相應(yīng)的動(dòng)作，保證恒線速的實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)要進(jìn)行一些參數(shù)的設(shè)置，包括凸輪軸型號(hào)、凸輪軸上凸輪個(gè)數(shù)、凸輪的升程表、X軸速度、Z軸速度、C軸轉(zhuǎn)速、砂輪線速度等的設(shè)置。

　　文檔管理：對(duì)系統(tǒng)程序代碼、加工數(shù)據(jù)等進(jìn)行引入和管理，讓系統(tǒng)按程序正常運(yùn)行(引入NC程序或編輯，程序顯示，修改，文件保存，編譯)。

　　加工數(shù)據(jù)的生成與編輯：包括參數(shù)設(shè)置的所有數(shù)據(jù)生成，分析加工后凸輪的輪廓精度，并將凸輪的理論輪廓與疊加了計(jì)算誤差和插值誤差的磨削加工后的實(shí)際凸輪輪廓進(jìn)行比較，并給出分析結(jié)果。 對(duì)結(jié)果可以直接打印或進(jìn)行人工編輯。

　　輔助設(shè)備管理：完成油泵電機(jī)、冷卻電機(jī)、吸塵電機(jī)的啟動(dòng)和判斷各電機(jī)是否正常運(yùn)行，若沒(méi)有正常運(yùn)行則做相應(yīng)的處理。

　　系統(tǒng)調(diào)試：主要用于系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)連接調(diào)試、性能測(cè)試等。

　　系統(tǒng)故障和安全管理：完成各種報(bào)警信號(hào)的清除，包括：變頻器報(bào)警，伺服驅(qū)動(dòng)器報(bào)警及各進(jìn)給軸行程超出等情況處理，同時(shí)要對(duì)系統(tǒng)的緊急異常情況做出實(shí)時(shí)的處理，保證系統(tǒng)和人的安全。

　　凸輪加工：前后頂尖將凸輪軸夾緊，工作臺(tái)沿Z軸移動(dòng)對(duì)刀，凸輪軸旋轉(zhuǎn)對(duì)刀，砂輪快進(jìn)，凸輪輪廓加工開(kāi)始。 當(dāng)一個(gè)凸輪加工完成后，砂輪快退，工作臺(tái)沿Z軸移動(dòng)開(kāi)始下一個(gè)加工循環(huán)，并給出一個(gè)加工循環(huán)所用的時(shí)間。

　　砂輪修整：完成砂輪修整電機(jī)的啟動(dòng)和判斷砂輪修整電機(jī)是否正常運(yùn)行，若沒(méi)有正常運(yùn)行則做相應(yīng)的處理。 數(shù)控凸輪軸的砂輪修整包括5個(gè)過(guò)程。 (1)砂輪后退；(2)工作臺(tái)沿3軸移動(dòng)；(3)對(duì)刀、砂輪快進(jìn)、工進(jìn)，按修整量修整；(4)修整時(shí)工作臺(tái)沿Z軸往復(fù)移動(dòng)；(5)修整完畢，恢復(fù)原位。

　　故障與系統(tǒng)監(jiān)控：對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)提取系統(tǒng)的錯(cuò)誤信息和各種異常信息，便于系統(tǒng)的自我調(diào)整，保證加工精度和系統(tǒng)安全。

　　自動(dòng)/手動(dòng)控制：主要完成自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的一些設(shè)置，并可進(jìn)行兩者之間的切換。點(diǎn)動(dòng)控制：主要用于完成高精度位置控制功能。

2 總結(jié)

　　著重論述了具有高性價(jià)比的高精度凸輪數(shù)控磨床的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，給出在硬件和軟件上的設(shè)計(jì)模型。 經(jīng)過(guò)連機(jī)調(diào)試，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，符合市場(chǎng)的要求。 在信息技術(shù)迅速發(fā)展的今天，運(yùn)用虛擬軟件儀器代替硬件已經(jīng)變?yōu)榭赡?，因此，在以后的設(shè)計(jì)中，可以考慮用軟件代替硬件的辦法以求得更高精度、可靠性和實(shí)時(shí)性，具有更高性價(jià)比的數(shù)控系統(tǒng)。