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      摘要： 為了提高機械產(chǎn)品的性能質(zhì)量， 發(fā)展高新技術(shù)， 設(shè)計了高速數(shù)控磨床橫縱向進給部分，以實現(xiàn)較高的制造精度。通過對現(xiàn)有機床的分析，對橫縱向進給硬件進行了選擇及設(shè)計，其縱向采用反應(yīng)式步進電機，橫向引入了直線電機進給單元；同時設(shè)計了該數(shù)控磨床的控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)各個組成單元均受控于核心控制器PLC。最終，此數(shù)控磨床能夠很好地實現(xiàn)零件表面的高速精密磨削。

 
      0 引言

     本文對高速數(shù)控磨床橫縱向進給部分進行了合理設(shè)計和選擇硬件，提高控制系統(tǒng)的生產(chǎn)率和磨削精度，進而改善產(chǎn)品質(zhì)量。

     1 、高速數(shù)控磨床概述

   （1）高速高精密磨削

    在高速磨削加工中，現(xiàn)有的砂輪，砂輪的傳動裝置和磨床，限制了磨削速度。現(xiàn)代高精密磨削技術(shù)的發(fā)展，使磨削尺寸精度達到0.1~0.3 μm，表面粗糙度達到0.2~0.05 μm， 磨削表面變質(zhì)層和殘余應(yīng)力均很小，明顯提高了加工零件的質(zhì)量。同時，精密、高速進給單元的出現(xiàn)為高精密磨削提供了有利條件。

     由于CBN 砂輪的使用，強力磨削突破傳統(tǒng)磨削限制，生產(chǎn)率成倍提高，有些毛坯零件，不需要經(jīng)過粗切加工，可直接磨削成為成品。

   （2）數(shù)字控制系統(tǒng)

    數(shù)控（NC）系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它能自動閱讀輸入載體上預(yù)先給定的數(shù)字，并將其譯碼，使機床移動并加工零件。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床等自動加工設(shè)備的核心，且其技術(shù)發(fā)展水平已成為衡量一個國家機械制造水平的重要標志。

    自1952 年美國研制出第一臺實驗性數(shù)控系統(tǒng)以來，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展十分迅速，數(shù)控系統(tǒng)也由原先的硬連接數(shù)控發(fā)展成為今天的計算機數(shù)控（CNC），而且正在向高速、高精、高效、高可靠性；智能化、柔性化；多樣化；開放性；復(fù)合型等幾方面發(fā)展。

    （3）STEP－NC

    數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的50 年間信息交換都基于ISO6983標準，即采用G、M 代碼描述如何加工。

     ISO6983 從多方面限制了程序的移植性，因此，1996 年由國際標準化組織ISO/TC184 工業(yè)數(shù)據(jù)技術(shù)委員會正式命名了新的標準活動ISO14649，以取代在數(shù)控機床中廣泛使用的ISO 6983 標準制定的新標準稱為“CNC 控制器的數(shù)據(jù)模型”。它基于STEP 并把STEP 擴展到NC，形成“STEP-NC”，直接生產(chǎn)加工工序來控制機床。它解決了NC 程序缺乏統(tǒng)一性及一致性的問題。STEP-NC 是無G、M 代碼，無后置處理的NC。

     2、 硬件部分設(shè)計

     高速數(shù)控磨床橫縱向進給硬件部分的設(shè)計主要包括電機的選擇、電主軸的設(shè)計、滾珠絲杠的選擇和軸承的選擇。

     （1）縱向進給機構(gòu)電機

     按縱向溜板箱與電主軸的總質(zhì)量m=400 kg 計算，溜板箱導(dǎo)軌為滑動摩擦，根據(jù)磨削機床的特點，本機床主要考慮的是工作臺的摩擦轉(zhuǎn)矩

     根據(jù)機床的總體布局與設(shè)計尺寸，取最大加工工件直徑D=200 mm，砂輪直徑D1=300 mm，電主軸的最大轉(zhuǎn)速24 000 r/min， 主軸的最大轉(zhuǎn)速為120 r/min，磨削進給速度vf=30 m/min， 砂輪速度vs=60 m/s，工件速度vw=12 m/min，根據(jù)文獻 得

     根據(jù)所求數(shù)據(jù)，并查文獻[6]，縱向進給機構(gòu)選擇反應(yīng)式步進電機。電機型號為75BF001。

    （2）橫向進給機構(gòu)電機

     近年來，隨著技術(shù)的進步與加工質(zhì)量和效率要求的提高，傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”的進給驅(qū)動方式已不再滿足要求。在超高速加工中，為了提高生產(chǎn)率和改善零件的加工質(zhì)量，不但要求數(shù)控機床具有超高速旋轉(zhuǎn)的大功率精密主軸驅(qū)動系統(tǒng)，更要求在瞬間達到設(shè)定高速狀態(tài)和在高速下瞬時準確停止運動。

    直線電機具有如下特點:

     ①直線電動機最重要的優(yōu)點是具有比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電動機大得多的加、減速度；
     ②加、減速過程的縮短，可改善加工表面質(zhì)量，提高刀具使用壽命；
     ③提高了傳動精度和定位精度，不存在中間環(huán)節(jié)的磨損問題，維護簡單，提高了可靠性；
     ④進給的行程長度不受限制；⑤運動安靜、噪聲低。

     綜合考慮上述因素，根據(jù)加工的要求本文采用直線電機作為砂輪的微進給裝置，永磁式直線電動機作為橫向進給機構(gòu)的驅(qū)動源。直線電機進給機構(gòu)的運行過程采用閉環(huán)反饋控制工作方式，用光柵尺檢測磨削刀具的實際位移，并將檢測信息通過直線電機的編碼器等量輸出端口反饋給PMAC 控制器，由控制器的PID 調(diào)節(jié)器根據(jù)目標位移與實際位移的差值自動調(diào)節(jié)電機的控制參數(shù)，快速控制磨削刀具運行，完成所需的進給。

     （3）電主軸

     如圖1 和圖2 所示， 分別為電主軸端部和尾部。取壽命Lh=20 000 h，主軸轉(zhuǎn)速nm=120 r/min。根據(jù)文獻[7]選擇電主軸的參數(shù)：

     （4）滾珠絲杠

     所選滾珠絲杠的參數(shù)：

     經(jīng)校核計算，滾珠絲杠的承載能力、壓桿穩(wěn)定性和剛度均滿足要求。

    （5）軸承
 
     公式5

     式中fh———壽命因數(shù)；
         fm———力矩載荷因數(shù)；
         fd———沖擊載荷因數(shù)；
         fn———速度因數(shù)；
         fT———溫度因數(shù)；
          P———當(dāng)量動載荷；
         S0———安全因數(shù)；
         P0———當(dāng)量靜載荷；
         Cr———額定動載荷；
         PA———實際承受載荷；
          ε———壽命指數(shù)。

     經(jīng)計算軸承以上3 種校核均滿足條件。

     3 、控制系統(tǒng)的設(shè)計

     由于機床要實現(xiàn)X、Y 兩個方向的進給運動的控制，因而采用工業(yè)上通用的PLC 控制系統(tǒng)對機床進行控制。其具有可靠性高、抗干擾能力強；模塊功能強、品種多；適應(yīng)性強、使用面廣；編程方法簡單直觀；體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點。

     PLC 的CPU 是不能并行地進行多個操作的，它只能按分時操作的原理，每一時只執(zhí)行一個操作，隨著時間的延續(xù)，一個操作接著一個操作地順序執(zhí)行。

    （1）磨削加工PLC 控制原理

     本設(shè)計是在普通車床的基礎(chǔ)上進行改造的。用鋼球作為球頂尖，用黏接劑固結(jié)于錐頂尖球窩中，工件和剛球支撐于機床主軸及尾架上。分別以步進電機和直線電機帶動工作臺的縱向及橫向進給。為了適應(yīng)頻繁起停的高速運動，采用電主軸系統(tǒng)并以變頻器作為調(diào)速裝置，工件的轉(zhuǎn)速由另一變頻器調(diào)節(jié)。步進電機、直線電機、變頻器、傳感器的采樣等以
PLC 作為機床的控制系統(tǒng)。首先PLC 啟動控制工件主軸，通過變頻器調(diào)節(jié)工件主軸轉(zhuǎn)速。預(yù)熱一段時間后，開始測量工件的圓度誤差，同時將編碼器信號輸入PLC 后用于控制采樣點位置，采樣后數(shù)據(jù)經(jīng)放大濾波后PLC 的A/D 模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并CPU對數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)得到圓度誤差數(shù)據(jù)判斷是否需要繼續(xù)進行磨削。如果需要，則PLC 啟動電主軸并控制轉(zhuǎn)速，以位控單元控制直線電機做補償進給運動，實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。

     PLC 可編程序控制器用于橫向、縱向控制中，將機床的橫縱向進給單元、砂輪主軸單元位置檢測以及其它附件有機的連接起來，使該磨床成為一個真正意義上的開放式的平臺，系統(tǒng)各個組成單元均受核心控制器PLC 的控制。

     （2）位置檢測裝置及其控制

     檢測裝置是閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是檢測位置和速度，發(fā)出反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)控制。閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機床的加工精度主要取決于檢測系統(tǒng)的精度。分辨率不僅取決于檢測裝置本身，也取決于測量線路。

     數(shù)控機床對檢測裝置的主要要求：工作可靠，抗干擾性強；使用維護方便，適用機床的工作環(huán)境；滿足精度和速度的要求；成本低。

    選擇測量系統(tǒng)的分辨率要比加工精度高一個數(shù)量級；要求控制系統(tǒng)能快速響應(yīng)傳感器的檢測信號。本設(shè)計選用的是光電脈沖編碼器和光柵尺。光柵尺是一種高精度的檢測位移的傳感器。

    高速數(shù)控機床縱向及橫向?qū)Φ毒呔霉鈻懦咄瓿桑渲袡M向進給對刀具用光柵尺在直線電機內(nèi)部。具體過程：設(shè)置一原點作為信號輸入端，當(dāng)電機運動到這一位置時啟動對刀子程序，檢測光柵尺數(shù)據(jù)并進行數(shù)字濾波及比較運算處理，被檢測信號變化超過某一限值即認為發(fā)生接觸。

 
     4、 結(jié)語
 

     本文簡要介紹了高速數(shù)控機床，進行了高速數(shù)控磨床橫、縱向進給的設(shè)計。縱向進給采用反應(yīng)式步進電動機，橫向進給引入了直線電機進給單元；直線電機直接驅(qū)動電主軸砂輪的進給運動，打破了傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機+滾珠絲杠”進給驅(qū)動方式，實現(xiàn)了機床橫向工作臺的“零傳動”；另外控制系統(tǒng)采用光電脈沖編碼器和光柵尺作為位置檢測裝置，大大提高了位置精度。最終實現(xiàn)了生產(chǎn)率的提高，提高了磨削精度，改善了產(chǎn)品質(zhì)量。