CN1647893A - 一种基于pmac的高速精密数控磨削加工装置 - Google Patents

Abstract

一种基于PMAC的高速精密数控磨削加工装置，属于高速高精密磨削加工技术，以CA6140床身做基体，床身上有十字滑台，十字滑台上设有支架，支架上设有电主轴，电主轴的一端设有砂轮，砂轮与卡在主轴上的工件相接触，工件的另一端通过设在主轴的拨叉与设在机身上的卡盘的球形顶尖相接触，在CA6140床身上还有一个插入微机PCI插槽中作为数控系统控制接口卡的PMAC运动控制器，该控制器通过变频器1与控制主轴转速的异步电动机相连，通过变频器2与控制砂轮转速的电主轴相连，它还分别与控制十字滑台的横向、纵向运动的直线电机和伺服电机相连，它还通过轴后端的编码器获得工件的实时速度并反馈给PMAC控制器。

Description

一种基于PMAC的高速精密数控磨削加工装置

技术领域

本发明涉及一种高速高精密数控磨削加工装置，特别是涉及一种基于PMAC多轴运动控制器的高速高精密数控磨削加工装置，不仅可以进行工件的圆截面的内外圆精密磨削，特别是能实现非圆截面工件的内外表面的高速高精密磨削。属于高速高精密磨削加工技术，适合于各类加工企业和相关科研单位生产和进行科学研究使用。

背景技术

目前，高速、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展很快，如德国的Aachen大学、Bremm大学，美国的Connection大学等，有的在实验室完成了V_S为250m/s、350m/s、400m/s的实验。据报道，德国Aachen大学正在进行目标为500m/s的磨削实验研究，在实用磨削方面，日本丰田工机的G250型CBN高速外圆磨床采用￠400mm电镀CBN砂轮，线速度可达200m/s，可适用于多种工件的磨削加工。

国内外对圆形表面工件的磨削加工方法已相当成熟，能够根据加工精度要求在相应的外圆磨床上容易的实现。而复杂形工件的精密磨削却很难实现，以往非圆截面工件的加工主要采用机械运动合成法和硬靠模仿形加工法来实现。80年代初期，国外开始研制非圆截面工件的数控加工车床，又称为无凸轮加工车床。英国的AE集团投资500万英镑于活塞自动加工线，其中最关键的设备就是加工非圆活塞的数控车床。该车床用金刚石车刀一次成形非圆截面，其主轴转速达2500r/min，生产率可达80000件/周。日本株式会社大隈铁工所研制的BL-CAM非圆数控车床，加工非圆形活塞时，主轴转速高达3000r/min。与传统的凸轮、液压仿行等加工方法相比，加工效率提高三倍以上。在加工椭圆度为0.3mm的工件时，主轴转速为3000r/min，加工精度可达±2.5um。日本泷泽铁工所研制的TPS-3000CNC车床采用了专用的电磁驱动伺服机构来完成非圆工件车削时的高速往复进给运动，以获得微米级的进给运动控制精度和较高的响应速度。该车床可加工长短径差为25mm的椭圆形工件。美国的Ingersoll公司在研制非圆截面工件无靠模数控车床中，采用了实体造型技术，使非圆截面工件的设计、制造实现了一体化。并采用了在线检测技术以稳定地保证产品的质量，提高生产效率。美国CROSS公司相继开发的PTM-2000型非圆工件加工数控车床，使加工变椭圆形活塞时，生产率可达150件/h，加工误差小于±3.8um。

在我国，对于形状简单的非圆截面工件的数控车削加工，已经有较成熟的技术及相应的设备。长沙国防科技大学于1990年初，用TP801单板机开发了软靠模活塞加工装置。利用该装置在CA6250普通车床上加工活塞的实验结果表明：当工件直径为φ110mm，机床转速为700r/min，纵进给量为0.2mm/r时，活塞的头部与裙部，可在一次装夹中，用不同的程序加工出来，椭圆度误差为±10um。但在加工之前，用户必须事先将编制好的控制程序，固化在EPPOM中。此外在1998年，该大学开始对基于PC机的直接驱动微位移机构来实现非圆零件磨削技术进行了研究，并有相关论文的发表。清华大学1993年研制成功了TH-50型与TH-200型高频响大行程微进给机构，并以CM6140为基础，研制出了非圆截面精密数控车削系统。利用该车削系统车削FL912活塞时，在主轴转速为1400r/min的条件下，最大加工误差为±0.006mm。

国内外对于非圆表面加工的研究开发大多是基于车削加工的，而磨削作为机械精密加工的重要方法之一，应该在非圆表面的加工方面加大研究力度，尽快研究开发出关于非圆表面的高速高精密磨削的数控技术及加工工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，选择高性能的开放式控制器和PC机对现有的机床进行数控化的改造，达到机床的精化，使其成为高性能、多轴联动的新型数控外圆磨床，不仅可以实现横截面为圆形零件的高速精密磨削，而且可以实现在传统磨床上无法实现的非圆截面零件的高速精密磨削，为解决复杂截面零件的高速精密加工提供了一种新的加工装置。

本发明的设计思想是：利用一台CA6140床身，用PMAC运动控制器作为数控系统控制接口卡，并将PMAC插入微机PCI插槽中，利用微机的键盘、显示器、输出设备作为此数控系统的输入、显示、输出设备。同时实现对主轴单元、进给单元以及其它装置的控制。在微机显示器上可以看到PMAC-PC运动控制器控制下系统响应的曲线。

本发明给出的设计技术方案是：这种基于PMAC的高速精密数控磨削加工装置，以一台CA6140床身做基体，床身上有十字滑台，十字滑台上设有支架，支架上设有电主轴，电主轴的一端设有砂轮，砂轮与卡在主轴上的工件相接触，工件的另一端通过设在主轴的拨叉与设在机身上的卡盘的球形顶尖相接触，其特征在于在CA6140床身上还设有一个插入微机PCI插槽中作为数控系统控制接口卡的PMAC运动控制器，该控制器通过变频器1与控制主轴即工件的转速的异步电动机相连，通过变频器2与控制砂轮的转速的电主轴相连，它还分别与控制十字滑台的横向、纵向运动的直线电机和伺服电机相连，它还通过轴后端的编码器获得工件的实时速度并反馈给PMAC控制器。

本发明的运动包括主轴的旋转运动，安装在主轴上的拨叉拨动主轴上的工件从而实现的工件旋转运动和十字滑台横向、纵向进给运动。主轴的旋转运动由PMAC的J5口控制变频器1，又由变频器1控制异步电动机实现对主轴转速的变频调速。同理，PMAC的J5口控制变频器2，变频器2控制电主轴，则安装在电主轴上的砂轮可以实现变频调速。横向直线电机与纵向伺服电机由PMAC的J11口控制，直线电机的光栅反馈信号接入其放大器，其等价反馈信号接入J11的反馈通道中；伺服电机的编码器反馈信号也接入反馈通道中，这样PMAC对两台电机发出控制命令而使电机移动，电机的理论位移与它们由反馈元件反馈的实际位移进行比较，利用数字PID控制原理，可使理论位移与实际位移的差逐渐变小，最终满足工件的加工精度要求。工件由高精度球顶尖支撑，其旋转运动由从轴上拨叉拨动。从轴尾部安装有1024线/转的旋转编码器，此信号为外圆表面磨削提供时基源PMAC使直线电机与此时基源相协调，可完成圆及非圆表面的磨削。

本发明采用PMAC运动控制器作为其数控系统计算机。它是一块2轴接口卡，不仅可以独立运行，也可以插入计算机插槽中的IC槽以总线通讯的方式运行。其输出由DSP-GATE门阵列控制，可以并行输出，所以能够实现2轴同时联动。它由各种插槽组成，其中，J1为显示器插槽，可与其相应的附件连联接而实现液晶显示或真空荧光显示，使用DISPLAY命令可在显示器上看到运动程序或PLC程序的显示文本和变量值；J3为手轮接入插槽，可接入脉冲发生器；J4为RS-232/RS-422接入插槽，可与计算机进行串行通信；J5为光电隔离I/O接入插槽，提供八个具有普通用途的数字输入和八个具有普通用途的数字输出，这些输入输出通常使用定义M变量由软件进行读取，变量M1到M8分别用于读取输出1到8，变量M11到M18分别用于读取输入1到8；J7为16位A/D输入接口插槽；J11为2轴接线插槽，可连接4个编码器输入和2个电机包括电机的正负限位、回零标志、放大器出错标志输入和放大器使能/方向信号、比较-相等信号输出等信号，并且提供高精度的模拟输出来控制伺服放大器，每个模拟输出通道都提供了互补的由16位数模转换器得到的DAC、DAC/输出，每个DAC输出范围为-10V～+10V，分辨率可达300μV/位。

本发明中采用直线电机作为砂轮的微进给装置。其特点主要有：(1)直线电动机最重要的优点是具有比传统旋转电动机大得多的加、减速度。由于数控机床的直线进给行程较短，一般不超过几百毫米，在很高的进给速度下，只有在瞬间达到设定的高速状态和在高速下瞬时准确停止运动，高速直线伺服电动机才有实际应用的意义。为实现曲线或曲面的精密加工，在运动轨迹的拐弯处也要求较高的加、减速度，可达到(1~10)g(g＝9.8m/s2)，是传统旋转电动机进给方式的10～30倍。由于加、减速度大，效率高，所以实际可用的最高速度可达150m/min。(2)加、减速过程的缩短，可改善加工表面质量，提高刀具使用寿命。(3)传动刚度的提高改善了传动精度和定位精度，不存在中间环节的磨损问题，维护简单，提高了可靠性。(4)进给的行程长度不受限制。旋转电动机在实现长行程传动时，滚珠丝杠长度的增加会使惯量增加，刚度大幅度下降，伺服品质恶化。(5)运动安静、噪声低。

直线电机进给机构的运行过程采用闭环反馈控制工作方式，用光栅尺检测磨削刀具的实际位移，并将检测信息通过直线电机的编码器等量输出端口反馈给PMAC控制器，由控制器的PID调节器根据目标位移与实际位移的差值自动调节电机的的控制参数，快速控制磨削刀具运行，完成所需的进给。

本发明中采用步进电机实现纵向进给。步进电动机不能单独工作，它必须和其专用设备一步进电机驱动器一起使用。步进电动机驱动器的基本功能是：按照一定的顺序和频率接通和断开步进电动机的励磁绕组，按照要求使电动机启动、停止；提供足够的电功率；提高步进电动机运行的快速性和平稳性。步进电机在不失步的情况下正常运行时，其转角严格地与控制脉冲的个数成正比，转速与控制脉冲的频率成正比。由于步进电机和负载的惯性，转角不能正确地跟踪指令脉冲的启动和停止运动，指令脉冲使步进电机可能发生丢步或失步甚至无法运行。因此，必须实现步机电动机的自动升降速功能。为了实现速度的变化，输入的位移脉冲指令相应的要升频、稳频、和降频。这些可以由脉冲源加专用逻辑电路来产生，也可以由微型计算机产生。对于脉冲电源加逻辑电路构成的控制器来说，控制逻辑是固定的，即控制电路一经固定，其控制逻辑也就固定了。如果要改变逻辑和控制方案，必须改变电路结构和元件参数。而使用计算机控制，不必改动硬件电路，只要修改程序，就可以改变控制方案。利用计算机控制的形式很多，这里使用的是PMAC对步进电机的控制。

在本发明中，横、纵向进给机构的驱动装置均采用闭环反馈控制。PMAC提供了电机的位置环反馈和速度环反馈两种形式，我们可以根据自己的需要来选择。在PMAC的I变量中，Ix02用来存放x号电机给定输出值的寄存器地址。Ix03变量是在位置环模式下，PMAC获得x号电机实际位置信息的寄存器地址，通过编码器转换表的默认设置，Ix03的默认值就是来自编码器的处理过数据的寄存器地址。Ix04变量是在速度环模式下，PMAC获得x号电机实际位置信息的寄存器地址，Ix04的默认值就是来自编码器的处理过数据的寄存器地址。在大多数系统中电机采用单反馈，即采用速度环或位置环中的一种，这个时候Ix03等于Ix04值，即采用同样的寄存器地址来放置实际位置信息。在PMAC的I变量中，Ix02用来存放x号电机给定输出值的寄存器地址。Ix03变量是在位置环模式下，PMAC获得x号电机实际位置信息的寄存器地址，通过编码器转换表的默认设置，Ix03的默认值就是来自编码器的处理过数据的寄存器地址。Ix04变量是在速度环模式下，PMAC获得x号电机实际位置信息的寄存器地址，Ix04的默认值就是来自编码器的处理过数据的寄存器地址。在大多数系统中电机采用单反馈，即采用速度环或位置环中的一种，这个时候Ix03等于Ix04值，即采用同样的寄存器地址来放置实际位置信息。在本系统中，横向进给单元采用了位置环和速度环的双闭环反馈控制，纵向进给单元采用了位置环反馈控制。从精度和稳定性方面考虑，在负载上的传感器比在电机上的传感器提供了更为精确的位置测量，因为它的精度不受电机负载联接中缺陷的影响。但是，负载上的传感器会使轴变的不稳定，因为这些联接缺陷如间隙等现在都处在反馈环内部了。而在电机上的传感器可能会使精度降低却提供了更好的稳定性，因为它把这些缺陷都放在了反馈环外部。在本系统中，横向进给驱动单元直线电机采用光栅尺检测元件，即采用的是电机上带传感器，提高了系统的稳定性。

在本发明中，为了控制磨削加工中工作台的横向和纵向工作台进给，需要将PMAC的J11口与电机的放大器相联，在这里只介绍J11口与横向进给机构的直线电机相联的情况。通过J11口与直线电机的连接，实现了工作台的横向进给运动。在非圆的磨削加工中，横向进给直线电机不仅提供了频繁的直线微量往复进给运动，而且提供了1μm的定位精度，这些优良的特性为零件精密磨削加工的实现提供了必要的保证。

在本发明中，提高砂轮线速度主要是提高砂轮主轴的转速，特别是在砂轮直径受到限制的场合。因而，适应于高精度、高速及超高速磨床的主轴单元是磨床的关键部件。主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架几个部分，它影响着加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速高效磨削、精密超精密磨削起着关键的作用。而对于高速高精度主轴单元系统，应该是刚性好，回转精度高，运转时温升小，稳定性好、可靠、功耗低，寿命长，同时，成本也应适中。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡，主轴的支撑(轴承)，主轴系统的润滑和冷却，系统的刚性等也是很重要的。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快等优点，使用电主轴可以减少齿轮传动，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构。以混合陶瓷球轴承支承的电主轴，一般用油脂、油雾润滑。在油雾润滑中，空气与油混合，压缩空气常供，而油采取定时、必须的最小量的方式供给，这种润滑方式能达到精确润滑，但是所需设备复杂、成本很高。电主轴的常用冷却方法是利用冷水循环流动降低主轴系统的温升。高速电主轴在短时间内由静止上升至每分钟数万转是相当困难的。电主轴为保证正常工作，必须施加一定量的预负荷，这又增加了电主轴的阻力矩。为使电主轴能顺利地完成启动过程，应选取较大的启动转矩，故高速电主轴的启动电流要超出普通电机的额定电流的5～7倍。静止变频电源是利用交流变频调速技术，将工频交流电转换为所需频率交流电。变频器工作原理是建立在磁场矢量控制理论基础上的，目前采用大功率晶体管静止变频电源。它可将三相50Hz380V交流电源转换成三相中频电源，其输出电压、频率连续可调。最新的变频器采用先进的晶体管技术(如瑞士ABB公司生产的SAMIGS系列变频器)，可以实现异步电动机的无级变速。

本发明中，选用的是光栅尺和光电脉冲编码器作为系统的检测元件。在本数控系统中，纵向及横向对刀均用光栅尺完成。其中横向进给对刀所用光栅尺在直线电机内部，它将电机移动的实际位移等量的反馈给PMAC控制器的DAC接口，然后控制器根据实际反馈的值与命令值进行比较然后补偿一个差值使得实际位置与命令位置的无限重合。

本发明的数控系统所选用的编码器为1024线，每转发出1024个脉冲，经PMAC的编码器通道4倍频放大后变为每周4096个脉冲。在非圆表面磨削加工时，用此编码器发出的脉冲量作为主位置的时基源，使得横向进给单元的运动与主轴的旋转保持同步。PMAC时基功能保证了在编码器跟随主轴转动一周的时间内，让横向进给机构正好完成一次完整的非圆表面的磨削进给。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：运用PMAC多轴运动控制器，以集成化、开放式的思想，将机床的横纵向进给单元、砂轮主轴单元、位置检测单元以及其它附件有机的联结起来，使该磨床成为一个真正意义上的开放式平台，系统各个组成单元的控制均处于核心控制器PMAC下。在此数控磨床中，引入了直线电机进给单元，直线电机直接驱动电主轴砂轮的进给运动，实现了机床横向工作台的“零传动”。直线电机的往复进给运动使得工件非圆表面的精密加工成为可能；采用变频器对高速电主轴进行速度调节来满足磨削加工时砂轮不同转速的要求。该磨床伺服性能的稳态和动态特性采用PMAC的PID+前馈控制的方法进行调节，利用PMAC的软件采用合理的调节方法可使系统性能达到要求。

附图说明

图1为本发明给出的实施例的设备连接示意图；

图2为电机双反馈控制框图；

图3为PMAC与直线电机及主编码器的接线图；

图4为PMAC与主编码器接线图。

具体实施方式

下面结合附图给出的实施例对本发明的具体技术方案及工作过程做进一步说明：

在图1中，以一台CA6140床身做基体，床身上有十字滑台，十字滑台上设有支架，支架上设有电主轴，电主轴的一端设有砂轮，砂轮与卡在主轴上的工件相接触，工件的另一端通过设在主轴的拨叉与设在机身上的卡盘的球形顶尖相接触，在CA6140床身上还设有一个插入微机PCI插槽中作为数控系统控制接口卡的PMAC运动控制器，该控制器通过变频器1控制异步电动机来控制主轴即工件的转速，通过变频器2控制电主轴来控制砂轮的转速，它还分别通过控制直线电机和伺服电机来控制十字滑台的横向、纵向的运动，它还通过主轴后端的编码器获得工件的实时速度反馈给PMAC控制器

在图2中，Ix02用来存放x号电机给定输出值的寄存器地址。Ix03变量是在位置环模式下，PMAC获得x号电机实际位置信息的寄存器地址，通过编码器转换表的默认设置，Ix03的默认值就是来自编码器的处理过数据的寄存器地址。Ix04变量是在速度环模式下，PMAC获得x号电机实际位置信息的寄存器地址，Ix04的默认值就是来自编码器的处理过数据的寄存器地址。在单反馈即采用速度环或位置环中，Ix03等于Ix04值，即采用同样的寄存器地址来放置实际位置信息。在本系统中，横向进给单元采用了位置环和速度环的双闭环反馈控制，纵向进给单元采用了位置环反馈控制；横向进给驱动单元直线电机采用光栅尺检测元件，即采用的是在电机上带传感器，以便提高系统的稳定性。

如图3所示，本发明是通过PMAC运动控制器把横向进给机构的直线电机作为控制对象集成到磨削加工装置中，图中C3是直线电机驱动器的控制端子，该端子接受PMAC控制器发来的单端模拟电压控制直线电机的运动；C4是直线电机光栅尺的反馈端子，该端子接受直线电机的位置信号，作为PMAC控制器的速度环和位置环的反馈，由图3可看出：C3为直线电机驱动器的用户输入/输出接口，它具有13个引脚功能，其中端口2、3分别为模拟差分输入正、负；引脚7为24V电源的输入；引脚8为远程驱动器使能端。C4为直线电机驱动器上编码器等量输出接口，其中引脚1、2分别为A相正、负输出；引脚3为公共端口；引脚4、5分别为B相正、负输出；引脚7、8分别为C相索引通道正、负输出。J11口为PMAC控制器的JMACH端口，它提供了4个通道的I/O即：模拟输出；增量编码器输入；相关的输入和输出捕捉信号；电源的连接。它有60引脚，其中引脚17、19、21、23、25、27分别为与直线电机驱动器上编码器等量输出接口相对应的C、B、A三相的正、负输入；引脚43为PMAC控制器中控制电机的实际位置而对电机作出反馈的的DAC输出接口，它与直线电机驱动器上的等量编码器输出接口中的模拟差分输入相连接；引脚58为模拟地。引脚59、60为±15V模拟电源接线端子。

如图4所示，为PMAC控制器与光电脉冲编码器的联线图，即图4中主编码器与J11口的连接，引脚18、22、26分别为与提供时基源的主编码器接口相对应的C、B、A三相的单端输入，本发明是通过PMAC运动控制器把工作轴单元作为控制对象集成到磨削加工装置中，图中主编码器端子是工作轴的位置反馈，该端子接受工作轴光电脉冲编码器发来的脉冲信号作为直线电机的时基控制信号控制直线电机完成加工椭圆零件的轨迹。

Claims (5)

1.一种基于PMAC的高速精密数控磨削加工装置，以一台CA6140床身做基体，床身上有十字滑台，十字滑台上设有支架，支架上设有电主轴，电主轴的一端设有砂轮，砂轮与卡在主轴上的工件相接触，工件的另一端通过设在主轴的拨叉与设在机身上的卡盘的球形顶尖相接触，其特征在于在CA6140床身上还设有一个插入微机PCI插槽中作为数控系统控制接口卡的PMAC运动控制器，该控制器通过变频器1与控制主轴即工件的转速的异步电动机相连，通过变频器2与控制砂轮的转速的电主轴相连，它还分别与控制十字滑台的横向、纵向运动的直线电机和伺服电机相连，它还通过主轴后端的编码器获得工件的实时速度并反馈给PMAC控制器。

2.根据权利要求1所述的一种基于PMAC的高速精密数控磨削加工装置，其特征在于PMAC运动控制器的J1为显示器插槽，J3为手轮接入插槽，J4为RS-232/RS-422接入插槽，J5为光电隔离I/O接入插槽，J7为16位A/D输入接口插槽；J11为2轴接线插槽，其中PMAC的J5口控制变频器1，又由变频器1控制异步电动机，PMAC的J5口还控制变频器2，变频器2控制电主轴，PMAC的J11口控制横向直线电机与纵向伺服电机，直线电机的光栅反馈信号接入其放大器，其等价反馈信号接入J11的反馈通道中，伺服电机的编码器反馈信号也接入反馈通道中。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于PMAC的高速精密数控磨削加工装置，其特征在于从轴尾部安装有1024线/转的旋转编码器。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于PMAC的高速精密数控磨削加工装置，其特征在于作为系统的检测元件是光栅尺和光电脉冲编码器，其中横向进给对刀所用光栅尺设在直线电机内部。

5.根据权利要求3所述的一种基于PMAC的高速精密数控磨削加工装置，其特征在于作为系统的检测元件是光栅尺和光电脉冲编码器，其中横向进给对刀所用光栅尺设在直线电机内部。

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