隨著全球汽車工業(yè)的高速發(fā)展，使得對凸輪軸的需求量越來越大。 凸輪軸對汽車而言是一個關(guān)鍵的基礎(chǔ)部件，它安裝于發(fā)動機內(nèi)，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(yīng)用于汽油發(fā)動機和柴油發(fā)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(fā)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)動機汽缸內(nèi)燃料燃燒質(zhì)量，進而影響發(fā)動機工作性能。 每個凸輪軸都要經(jīng)過對毛坯的車、銑、鉆、粗磨、精磨等二十多個工序才能完成。 凸輪軸磨床主要用于汽車、摩托車及內(nèi)燃機行業(yè)中的關(guān)鍵零件凸輪軸的加工。 它主要用來完成凸輪軸最后一個工序：粗磨、精磨凸輪軸上的每個凸輪。

　　我國凸輪軸的加工大多還采用傳統(tǒng)的機械靠模加工方式，加工質(zhì)量受到靠模機構(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工業(yè)的發(fā)展。但是，目前僅有少數(shù)幾個國家能夠掌握數(shù)控凸輪軸磨床技術(shù)，故機床售價昂貴，臺價高達(dá)60~80萬美元，國內(nèi)企業(yè)一般無法承受。 因此，有必要研制出我國自己的數(shù)控凸輪軸磨床，重點是凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)，以滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。

1 凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)整體分析

　　高精度數(shù)控磨床設(shè)計的技術(shù)難度大，其最大的優(yōu)點是磨削精度高、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，由于計算機信息技術(shù)的快速發(fā)展，為高精度數(shù)控磨床的實現(xiàn)注入了新的活力。 使得在Windows平臺上開發(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)在完成加工的同時又能夠?qū)崟r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)檢測等。 另外，這也給開放型數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)變?yōu)楝F(xiàn)實，利于系統(tǒng)的維護、改造和升級換代。 所以，依靠今天的計算機平臺，開發(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，就針對硬件和軟件的設(shè)計來深入對高精度數(shù)控磨床的開發(fā)過程進行探討。

　　1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成是保證系統(tǒng)精度、可靠性和實時性的重要因素。 在本系統(tǒng)中，采用上、下位機的控制體系結(jié)構(gòu)，即“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 它由開放體系結(jié)構(gòu)運動控制卡和IPC機共同構(gòu)成。 這種運動控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強的運動控制和PLC控制能力。 它本身就是一個數(shù)控系統(tǒng)，可以單獨使用。 它開放的函數(shù)庫供用戶在Windows平臺下自行開發(fā)構(gòu)造所應(yīng)用于制造業(yè)自動化控制各個領(lǐng)域。 如美國DeltaTau公司用PMAC多軸運動控制卡構(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Pro-Dex公司的PCIx-202卡。 PCIx系列是基于 PCI總線的高性能運動控制卡，其中PCIx-202可控制兩軸步進和兩軸伺服電機。 PCIx-202卡的特點：光學(xué)隔離的輸入]輸出，正負(fù)限位開關(guān)和原點信號輸入，以及微分編碼器反饋信號輸入；每軸獨立或同時運動；每軸持續(xù)的線,性插補；圓弧插補；反斜線補償；自定義，拋物線!S曲線和直線軌跡輪廓；和IO68-M外圍板兼容；電子傳動裝置；配有WIN95/NT/98/200/XP下的動態(tài)鏈接庫，方便客戶編寫自己的應(yīng)用軟件；提供調(diào)試示范軟件，可演示此卡功能，方便客戶測試控制卡以及電機驅(qū)動系統(tǒng)。

　　為了保證工件主軸的動態(tài)特性，C軸必須采用高轉(zhuǎn)矩/慣量比的伺服電機。 考慮到機械結(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)動伺服。 它可省略機械減速裝置，減少由于減速裝置造成的傳動誤差，也滿足需要的反饋分辨率和控制精度。

　　通過插補運算看出，X軸的運動(凸輪部分)為近似的時間正弦函數(shù)，其運動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)的動態(tài)特性決定，由于機械傳動部分的慣量很小，所以選用小慣量伺服電機可以得到較好的控制效果。

　　1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

　　加工曲線的插補計算和工藝設(shè)置：采用特殊的插補算法求出兩軸的運動規(guī)律，才能通過伺服控制完成相應(yīng)的動作，保證恒線速的實現(xiàn)。 同時要進行一些參數(shù)的設(shè)置，包括凸輪軸型號、凸輪軸上凸輪個數(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：對系統(tǒng)程序代碼、加工數(shù)據(jù)等進行引入和管理，讓系統(tǒng)按程序正常運行(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算誤差和插值誤差的磨削加工后的實際凸輪輪廓進行比較，并給出分析結(jié)果。 對結(jié)果可以直接打印或進行人工編輯。

　　輔助設(shè)備管理：完成油泵電機、冷卻電機、吸塵電機的啟動和判斷各電機是否正常運行，若沒有正常運行則做相應(yīng)的處理。

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

　　系統(tǒng)故障和安全管理：完成各種報警信號的清除，包括：變頻器報警，伺服驅(qū)動器報警及各進給軸行程超出等情況處理，同時要對系統(tǒng)的緊急異常情況做出實時的處理，保證系統(tǒng)和人的安全。

　　凸輪加工：前后頂尖將凸輪軸夾緊，工作臺沿Z軸移動對刀，凸輪軸旋轉(zhuǎn)對刀，砂輪快進，凸輪輪廓加工開始。 當(dāng)一個凸輪加工完成后，砂輪快退，工作臺沿Z軸移動開始下一個加工循環(huán)，并給出一個加工循環(huán)所用的時間。

　　砂輪修整：完成砂輪修整電機的啟動和判斷砂輪修整電機是否正常運行，若沒有正常運行則做相應(yīng)的處理。 數(shù)控凸輪軸的砂輪修整包括5個過程。 (1)砂輪后退；(2)工作臺沿3軸移動；(3)對刀、砂輪快進、工進，按修整量修整；(4)修整時工作臺沿Z軸往復(fù)移動；(5)修整完畢，恢復(fù)原位。

　　故障與系統(tǒng)監(jiān)控：對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，實時提取系統(tǒng)的錯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/手動控制：主要完成自動控制和手動控制的一些設(shè)置，并可進行兩者之間的切換。點動控制：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比的高精度凸輪數(shù)控磨床的控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，給出在硬件和軟件上的設(shè)計模型。 經(jīng)過連機調(diào)試，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計目的，符合市場的要求。 在信息技術(shù)迅速發(fā)展的今天，運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、可靠性和實時性，具有更高性價比的數(shù)控系統(tǒng)。