一種高精度數(shù)控凸輪軸磨床的設(shè)計(jì)

周康康，曹 毅，徐剛強(qiáng)，胡火明，葉李斌，闞李近

（浙江博星工貿(mào)有限公司技術(shù)中心，浙江 金華 321000）

0 引言

“智能制造”對(duì)機(jī)械零件的加工水平要求越來(lái)越高[1]。用數(shù)控凸輪軸磨床對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣凸輪軸和油泵凸輪軸等進(jìn)行表面磨削，要求具有良好的磨削性能和可靠性[2]。目前，我國(guó)的全自動(dòng)數(shù)控凸輪軸磨床加工精度和加工效率與國(guó)際先進(jìn)水平尚有一定的差距，主要體現(xiàn)在加工精度和加工效率兩方面[3，4]。作者所在單位是專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣凸輪軸和油泵凸輪軸的高科技企業(yè)。針對(duì)當(dāng)前數(shù)控凸輪軸磨床的現(xiàn)狀，從數(shù)控凸輪磨床機(jī)械結(jié)構(gòu)和磨削軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一款高速高精度的數(shù)控凸輪軸磨床。

1 數(shù)控凸輪軸磨床設(shè)計(jì)方案

1.1 數(shù)控凸輪軸磨床的基本功能

設(shè)計(jì)的高速高精度數(shù)控凸輪軸磨床是一種精密磨削加工裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)異形曲面和圓柱面高速磨削，采用十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)；DDR（力矩電機(jī)）頭架佩戴環(huán)形光柵尺形成閉環(huán)，X軸設(shè)計(jì)采用直線電機(jī)，增強(qiáng)響應(yīng)速度和全閉環(huán)位置監(jiān)控；設(shè)計(jì)獨(dú)立加工倉(cāng)結(jié)構(gòu)，干濕分離，采用高防護(hù)的鈑金設(shè)計(jì)；配備具有多功能的專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)及修整砂輪，自動(dòng)記錄分析過(guò)程參數(shù)，減少員工技能依賴。

1.2 數(shù)控凸輪軸磨床具有的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

數(shù)控凸輪軸磨床有的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括砂輪和工件的旋轉(zhuǎn)、工作臺(tái)縱向移動(dòng)、砂輪架前后運(yùn)動(dòng)、尾座頂尖套筒前進(jìn)后退（伺服尾座）、砂輪修整器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。

1.3 數(shù)控凸輪軸磨床的主要技術(shù)指標(biāo)和規(guī)格

（1）磨削砂輪線速度：不小于120 m/s；

（2）工件回轉(zhuǎn)直徑：10～300 mm；

（3）最大加工長(zhǎng)度：700 mm；

（4）最大加工重量：20 kg；

（5）主軸最大轉(zhuǎn)速：7 000 r/min；

（6）工件轉(zhuǎn)速范圍：30～300 r/min；

（7）機(jī)床中心高：980 mm。

2 數(shù)控凸輪軸磨床設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)控凸輪磨床總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的數(shù)控凸輪磨床總體結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)數(shù)控凸輪磨床類(lèi)似，主要有底座、X軸傳動(dòng)系統(tǒng)、Y軸傳動(dòng)系統(tǒng)、砂輪主軸、頭架、尾座組成的工件夾持機(jī)構(gòu)、床身鈑金、磨削控制系統(tǒng)、油路潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)等組成。其中X軸、Y軸傳動(dòng)系統(tǒng)主要由絲桿、線軌和伺服電機(jī)組成；磨削控制系統(tǒng)由三菱工控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器組成；油路潤(rùn)滑系統(tǒng)由液壓工作站和油路組成；冷卻循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)主要由抽水泵、水箱、磁性分離器組成。我們主要在數(shù)控磨床床身結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1.1 數(shù)控凸輪軸磨床床身結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)凸輪磨床絕大多數(shù)采用T字型床身[5]。筆者所在單位是凸輪軸專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家，根據(jù)多年加工經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)T型床身主要有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：（1）橫向尺寸太長(zhǎng)，擺放時(shí)車(chē)間空間利用率不高；（2）因結(jié)構(gòu)限制，砂輪正對(duì)著操作人員，存在一定的安全隱患；（3）加工倉(cāng)空間大，不利于油霧處理，同時(shí)維護(hù)保養(yǎng)難度大。

本設(shè)計(jì)磨床床身結(jié)構(gòu)采用十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。采用這種結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 磨床床身結(jié)構(gòu)采用十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)

（1）床身尺寸采用2000 mm×2700 mm×805 mm（高度）。這是根據(jù)已有結(jié)構(gòu)尺寸和人體學(xué)（工作臺(tái)離地面距離805 mm）選定的結(jié)構(gòu)尺寸。這樣的尺寸比已有的磨床空間利用率更高，操作人員長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)也不會(huì)覺(jué)得累。

（2）機(jī)床床身墊腳支撐點(diǎn)采用三點(diǎn)式支撐。機(jī)床在長(zhǎng)期使用時(shí)，即使局部地基變化，地面、墊鐵、機(jī)床支撐點(diǎn)三點(diǎn)始終保持接觸。

（3）砂輪始終停放在頭架正后方。機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，傳動(dòng)部件及高速旋轉(zhuǎn)的砂輪存在一定的安全隱患。這種布置消除了磨削和砂輪損壞產(chǎn)生的碎片飛出造成的人身事故隱患。

（4）采用運(yùn)動(dòng)件與加工倉(cāng)隔離設(shè)計(jì)，并大幅度壓縮加工倉(cāng)空間。這種設(shè)計(jì)考慮到需要對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行有效保護(hù)，延長(zhǎng)機(jī)床壽命。同時(shí)考慮到切削液霧化時(shí)對(duì)人體的傷害，這種設(shè)計(jì)能夠使油霧能快速被油霧分離器吸收和處理，減少了維護(hù)保養(yǎng)的頻次。

2.1.2 夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加工工件的夾持機(jī)構(gòu)是用來(lái)裝夾加工的凸輪軸。傳統(tǒng)凸輪軸磨床夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是采用頭架和尾座，頭架帶動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行加工。本設(shè)計(jì)的夾持機(jī)構(gòu)是在固定頭架和尾座的地方安裝一個(gè)電滑軌，由絲桿和伺服電機(jī)控制。頭架和尾座固定在電滑軌上，電滑軌固定連接在底座上。頭架上面有頭架頂尖，尾座上面有尾座頂尖。兩頂尖之間夾裝加工的凸輪軸，由于頭架和尾座間有一個(gè)電滑軌，這樣可以隨時(shí)調(diào)整磨削砂輪和工件間的軸向位置。而且，頭架和尾座間的距離可以調(diào)節(jié)。這種設(shè)計(jì)的靈活度更高，不僅方便快捷地調(diào)整凸輪軸和磨削砂輪的位置，同時(shí)產(chǎn)品換型時(shí)，盡管長(zhǎng)度不一致，可以省去手動(dòng)調(diào)節(jié)頭架和尾座之間距離的麻煩，大大提高了加工的效率，位置精度也更高。結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 磨床結(jié)構(gòu)示意

2.1.3 十字滑臺(tái)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

十字滑臺(tái)體上部分采用U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這是基于X軸軸承座裝配空間、減重以及機(jī)械性能的考慮而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。下部分與砂輪箱底座類(lèi)似，同樣采用“T”型結(jié)構(gòu)。

2.1.4 伺服尾座設(shè)計(jì)

加工時(shí)，頭架頂尖頂住凸輪軸的一端，尾座頂尖對(duì)準(zhǔn)凸輪軸的另一端，然后控制器控制啟動(dòng)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)連接板可以沿著絲桿直線運(yùn)動(dòng)，連接板向尾座套的方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)套筒和尾座頂尖運(yùn)動(dòng)，對(duì)凸輪軸夾緊。在凸輪軸磨削時(shí)，彈性件可以起到調(diào)節(jié)緩沖的作用，避免尾座頂尖與凸輪軸的剛性相抵，從而可以實(shí)現(xiàn)凸輪軸的柔性化加工。

凸輪軸在加工時(shí)，壓力傳感器可以隨時(shí)測(cè)量到推桿擠壓套筒的作用力，即可以間接檢測(cè)到尾座頂尖和頭架頂尖對(duì)凸輪軸的夾持力，從而檢測(cè)對(duì)凸輪軸的夾持力處于虛壓或者過(guò)壓狀態(tài)，當(dāng)壓力過(guò)大或者過(guò)小時(shí)，壓力傳感器將檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器可以再控制伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)連接板直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)推桿對(duì)套筒的推力，達(dá)到調(diào)節(jié)凸輪軸的夾緊壓力，使得凸輪軸一直保持在合適的夾持力下，保證凸輪軸的加工精度。

該伺服尾座設(shè)計(jì)能判定裝夾的工件是否準(zhǔn)確在位，如工件不準(zhǔn)確在位，位置傳感器會(huì)反饋給控制器信號(hào)，停止砂輪啟動(dòng)磨削，這樣既保證產(chǎn)品每次能準(zhǔn)確裝夾又可以有效防止砂輪撞擊工件的事故發(fā)生。如圖3所示。

圖3 伺服尾座設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意

2.2 自主開(kāi)發(fā)磨削軟件

采用運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)進(jìn)行了凸輪軸凸輪型線參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立了平-尖-圓三大類(lèi)轉(zhuǎn)換算法的統(tǒng)一模型。該模型是高效磨削關(guān)鍵技術(shù)之一，并開(kāi)發(fā)了凸輪升程換算數(shù)學(xué)模型及換算軟件V1.0，如圖4所示，該軟件具有數(shù)據(jù)可視化仿真功能分析，如圖5所示，能更形象直觀地反映數(shù)據(jù)的問(wèn)題。從凸輪型線數(shù)據(jù)到產(chǎn)品加工的流程如圖6所示。

圖4 凸輪升程換算數(shù)學(xué)模型軟件

圖5 可視化仿真分析

圖6 基于凸輪升程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法的凸輪軸高效磨削流程圖

磨削數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法軟件系統(tǒng)基于可視化交互界面，整合對(duì)心、偏置和凹面等多源數(shù)據(jù)，建立平-尖-圓三大類(lèi)轉(zhuǎn)換算法的統(tǒng)一模型，通過(guò)數(shù)形結(jié)合的可視化仿真計(jì)算，便于凸輪線型數(shù)據(jù)分析、參數(shù)優(yōu)化和異常診斷。

根據(jù)加工精度要求自主選定速度優(yōu)化特征點(diǎn)，利用砂輪相對(duì)凸輪的運(yùn)動(dòng)軌跡曲率對(duì)凸輪加工轉(zhuǎn)角進(jìn)行分段，優(yōu)化加工轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)和轉(zhuǎn)速，改善加工效率，并避免凸輪上升段及下降段與緩沖段相接處的精度不足及砂輪架加速度過(guò)大所致的響應(yīng)滯后問(wèn)題。流程圖如圖7所示。

圖7 磨削數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法軟件流程

2.3 設(shè)計(jì)的數(shù)控凸輪軸磨床安全性

眾所周知，高速運(yùn)作的砂輪一旦出現(xiàn)砂輪質(zhì)量、超限、撞擊等一系列問(wèn)題，所造成的后果不堪設(shè)想，設(shè)計(jì)獨(dú)立加工倉(cāng)機(jī)構(gòu)，采用全封閉設(shè)計(jì)，且待料期間砂輪停放在頭架后部，以便杜絕突發(fā)情況時(shí)對(duì)操作人員造成無(wú)法彌補(bǔ)的傷害。

傳統(tǒng)的凸輪軸磨床，磨床砂輪撞擊事件時(shí)有發(fā)生，特別是新員工操作不熟練，常常發(fā)生撞擊導(dǎo)致砂輪破裂飛濺，導(dǎo)致機(jī)床損壞，甚至維修后還會(huì)影響設(shè)備終身的加工精度，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生人員傷亡事故。本設(shè)計(jì)通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)具有運(yùn)動(dòng)仿真功能磨削軟件，使數(shù)據(jù)有問(wèn)題時(shí)出現(xiàn)提示，并限制執(zhí)行機(jī)床動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)軟保護(hù)，大大減少數(shù)據(jù)輸錯(cuò)、誤輸?shù)惹闆r造成的撞機(jī)事件。同時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)具有判定工件是否準(zhǔn)確裝夾的功能，實(shí)現(xiàn)硬保護(hù)，可大大減少工件裝夾不到位引起的安全事故。這樣無(wú)論員工技術(shù)參數(shù)如何修改，可以杜絕設(shè)備撞擊等安全事故。

2.4 設(shè)計(jì)的數(shù)控凸輪軸磨床環(huán)保性

磨床磨削會(huì)產(chǎn)生大量油霧[6]。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了油霧分離器以及小型污水處理系統(tǒng)，見(jiàn)圖8。油霧收集處理后回到機(jī)床內(nèi)部循環(huán)使用；小型污水處理系統(tǒng)采用自主開(kāi)發(fā)的磁性分離技術(shù)，解決傳統(tǒng)的滾軸磁性吸附力大，金屬物質(zhì)牢固地吸附在磁輥上難以被刮下，增加了刮板與筒體間的磨損，導(dǎo)致分離器使用壽命較短的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)解決了磨削廢水問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)有效的干濕分離，砂輪磨渣和鐵渣被有效從磨削液分離出來(lái)，無(wú)需更換磨削液，磨削液可以循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、環(huán)境的和諧發(fā)展。

圖8 污水處理系統(tǒng)

3 驗(yàn)證

設(shè)計(jì)的數(shù)控凸輪軸磨床（圖9），運(yùn)用到產(chǎn)線上進(jìn)行加工驗(yàn)證，驗(yàn)證的產(chǎn)品為一個(gè)雙缸凸輪軸，改凸輪軸有4個(gè)凸輪，原先磨削4個(gè)凸輪的凸輪軸加工節(jié)拍約68 s，現(xiàn)在用新設(shè)計(jì)的數(shù)控凸輪磨床只需要48 s，磨削效率提升約30%?，F(xiàn)場(chǎng)加工的產(chǎn)品抽取一件去實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)品上的4個(gè)凸輪分別標(biāo)號(hào)1#、2#、3#、4#，具體測(cè)試過(guò)程見(jiàn)圖10，凸輪的幾個(gè)重要指標(biāo)滿足技術(shù)要求，具體見(jiàn)檢測(cè)報(bào)告實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表（表1）。經(jīng)國(guó)家機(jī)動(dòng)車(chē)機(jī)械零部件產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心（浙江）檢驗(yàn)，凸輪的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

表1 檢測(cè)報(bào)告實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

圖9 設(shè)計(jì)的數(shù)控凸輪磨床在加工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

圖10 加工的產(chǎn)品在凸輪檢測(cè)儀上進(jìn)行檢測(cè)

（1）凸輪全升程誤差≤0.025 mm；

（2）凸輪相鄰升程誤差≤0.004 mm/°；

（3）凸輪相位角誤差±0.25°；

（4）凸輪平行度≤0.005 mm；

（5）凸輪表面粗糙度≤Ra0.4；

（6）凸輪基圓跳動(dòng)誤差≤0.01 mm；

表明所設(shè)計(jì)的數(shù)控凸輪軸磨床加工質(zhì)量達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。