專利名稱：一種基于pmac的高速精密數控磨削加工裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高速高精密數控磨削加工裝置，特別是涉及一種基于PMAC多軸運動控制器的高速高精密數控磨削加工裝置，不僅可以進行工件的圓截面的內外圓精密磨削，特別是能實現非圓截面工件的內外表面的高速高精密磨削。屬于高速高精密磨削加工技術，適合于各類加工企業和相關科研單位生產和進行科學研究使用。
背景技術：
目前，高速、超高速磨削在歐洲、美國和日本等一些工業發達國家發展很快，如德國的Aachen大學、Bremm大學，美國的Connection大學等，有的在實驗室完成了Vs為250m/s、350m/s、400m/s的實驗。據報道，德國Aachen大學正在進行目標為500m/s的磨削實驗研究，在實用磨削方面，日本豐田工機的G250型CBN高速外圓磨床采用￠400mm電鍍CBN砂輪，線速度可達200m/s，可適用于多種工件的磨削加工。
國內外對圓形表面工件的磨削加工方法已相當成熟，能夠根據加工精度要求在相應的外圓磨床上容易的實現。而復雜形工件的精密磨削卻很難實現，以往非圓截面工件的加工主要采用機械運動合成法和硬靠模仿形加工法來實現。80年代初期，國外開始研制非圓截面工件的數控加工車床，又稱為無凸輪加工車床。英國的AE集團投資500萬英鎊于活塞自動加工線，其中最關鍵的設備就是加工非圓活塞的數控車床。該車床用金剛石車刀一次成形非圓截面，其主軸轉速達2500r/min，生產率可達80000件/周。日本株式會社大隈鐵工所研制的BL-CAM非圓數控車床，加工非圓形活塞時，主軸轉速高達3000r/min。與傳統的凸輪、液壓仿行等加工方法相比，加工效率提高三倍以上。在加工橢圓度為0.3mm的工件時，主軸轉速為3000r/min，加工精度可達±2.5um。日本瀧澤鐵工所研制的TPS-3000CNC車床采用了專用的電磁驅動伺服機構來完成非圓工件車削時的高速往復進給運動，以獲得微米級的進給運動控制精度和較高的響應速度。該車床可加工長短徑差為25mm的橢圓形工件。美國的Ingersoll公司在研制非圓截面工件無靠模數控車床中，采用了實體造型技術，使非圓截面工件的設計、制造實現了一體化。并采用了在線檢測技術以穩定地保證產品的質量，提高生產效率。美國CROSS公司相繼開發的PTM-2000型非圓工件加工數控車床，使加工變橢圓形活塞時，生產率可達150件/h，加工誤差小于±3.8um。
在我國，對于形狀簡單的非圓截面工件的數控車削加工，已經有較成熟的技術及相應的設備。長沙國防科技大學于1990年初，用TP801單板機開發了軟靠模活塞加工裝置。利用該裝置在CA6250普通車床上加工活塞的實驗結果表明當工件直徑為φ110mm，機床轉速為700r/min，縱進給量為0.2mm/r時，活塞的頭部與裙部，可在一次裝夾中，用不同的程序加工出來，橢圓度誤差為±10um。但在加工之前，用戶必須事先將編制好的控制程序，固化在EPPOM中。此外在1998年，該大學開始對基于PC機的直接驅動微位移機構來實現非圓零件磨削技術進行了研究，并有相關論文的發表。清華大學1993年研制成功了TH-50型與TH-200型高頻響大行程微進給機構，并以CM6140為基礎，研制出了非圓截面精密數控車削系統。利用該車削系統車削FL912活塞時，在主軸轉速為1400r/min的條件下，最大加工誤差為±0.006mm。
國內外對于非圓表面加工的研究開發大多是基于車削加工的，而磨削作為機械精密加工的重要方法之一，應該在非圓表面的加工方面加大研究力度，盡快研究開發出關于非圓表面的高速高精密磨削的數控技術及加工工藝。
實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有技術存在的不足，選擇高性能的開放式控制器和PC機對現有的機床進行數控化的改造，達到機床的精化，使其成為高性能、多軸聯動的新型數控外圓磨床，不僅可以實現橫截面為圓形零件的高速精密磨削，而且可以實現在傳統磨床上無法實現的非圓截面零件的高速精密磨削，為解決復雜截面零件的高速精密加工提供了一種新的加工裝置。
本實用新型的設計思想是利用一臺CA6140床身，用PMAC運動控制器作為數控系統控制接口卡，并將PMAC插入微機PCI插槽中，利用微機的鍵盤、顯示器、輸出設備作為此數控系統的輸入、顯示、輸出設備。同時實現對主軸單元、進給單元以及其它裝置的控制。在微機顯示器上可以看到PMAC-PC運動控制器控制下系統響應的曲線。
本實用新型給出的設計技術方案是這種基于PMAC的高速精密數控磨削加工裝置，以一臺CA6140床身做基體，床身上有十字滑臺，十字滑臺上設有支架，支架上設有電主軸，電主軸的一端設有砂輪，砂輪與卡在主軸上的工件相接觸，工件的另一端通過設在主軸的撥叉與設在機身上的卡盤的球形頂尖相接觸，其特征在于在CA6140床身上還設有一個插入微機PCI插槽中作為數控系統控制接口卡的PMAC運動控制器，該控制器通過變頻器1與控制主軸即工件的轉速的異步電動機相連，通過變頻器2與控制砂輪的轉速的電主軸相連，它還分別與控制十字滑臺的橫向、縱向運動的直線電機和伺服電機相連，它還通過軸后端的編碼器獲得工件的實時速度并反饋給PMAC控制器。
本實用新型的運動包括主軸的旋轉運動，安裝在主軸上的撥叉撥動主軸上的工件從而實現的工件旋轉運動和十字滑臺橫向、縱向進給運動。主軸的旋轉運動由PMAC的J5口控制變頻器1，又由變頻器1控制異步電動機實現對主軸轉速的變頻調速。同理，PMAC的J5口控制變頻器2，變頻器2控制電主軸，則安裝在電主軸上的砂輪可以實現變頻調速。橫向直線電機與縱向伺服電機由PMAC的J11口控制，直線電機的光柵反饋信號接入其放大器，其等價反饋信號接入J11的反饋通道中；伺服電機的編碼器反饋信號也接入反饋通道中，這樣PMAC對兩臺電機發出控制命令而使電機移動，電機的理論位移與它們由反饋元件反饋的實際位移進行比較，利用數字PID控制原理，可使理論位移與實際位移的差逐漸變小，最終滿足工件的加工精度要求。工件由高精度球頂尖支撐，其旋轉運動由從軸上撥叉撥動。從軸尾部安裝有1024線/轉的旋轉編碼器，此信號為外圓表面磨削提供時基源PMAC使直線電機與此時基源相協調，可完成圓及非圓表面的磨削。
本實用新型采用PMAC運動控制器作為其數控系統計算機。它是一塊2軸接口卡，不僅可以獨立運行，也可以插入計算機插槽中的IC槽以總線通訊的方式運行。其輸出由DSP-GATE門陣列控制，可以并行輸出，所以能夠實現2軸同時聯動。它由各種插槽組成，其中，J1為顯示器插槽，可與其相應的附件連聯接而實現液晶顯示或真空熒光顯示，使用DISPLAY命令可在顯示器上看到運動程序或PLC程序的顯示文本和變量值；J3為手輪接入插槽，可接入脈沖發生器；J4為RS-232/RS-422接入插槽，可與計算機進行串行通信；J5為光電隔離I/O接入插槽，提供八個具有普通用途的數字輸入和八個具有普通用途的數字輸出，這些輸入輸出通常使用定義M變量由軟件進行讀取，變量M1到M8分別用于讀取輸出1到8，變量M11到M18分別用于讀取輸入1到8；J7為16位A/D輸入接口插槽；J11為2軸接線插槽，可連接4個編碼器輸入和2個電機包括電機的正負限位、回零標志、放大器出錯標志輸入和放大器使能/方向信號、比較-相等信號輸出等信號，并且提供高精度的模擬輸出來控制伺服放大器，每個模擬輸出通道都提供了互補的由16位數模轉換器得到的DAC、DAC/輸出，每個DAC輸出范圍為-10V～+10V，分辨率可達300μV/位。
本實用新型中采用直線電機作為砂輪的微進給裝置。其特點主要有(1)直線電動機最重要的優點是具有比傳統旋轉電動機大得多的加、減速度。由于數控機床的直線進給行程較短，一般不超過幾百毫米，在很高的進給速度下，只有在瞬間達到設定的高速狀態和在高速下瞬時準確停止運動，高速直線伺服電動機才有實際應用的意義。為實現曲線或曲面的精密加工，在運動軌跡的拐彎處也要求較高的加、減速度，可達到(1~10)g(g＝9.8m/s2)，是傳統旋轉電動機進給方式的10～30倍。由于加、減速度大，效率高，所以實際可用的最高速度可達150m/min。(2)加、減速過程的縮短，可改善加工表面質量，提高刀具使用壽命。(3)傳動剛度的提高改善了傳動精度和定位精度，不存在中間環節的磨損問題，維護簡單，提高了可靠性。(4)進給的行程長度不受限制。旋轉電動機在實現長行程傳動時，滾珠絲杠長度的增加會使慣量增加，剛度大幅度下降，伺服品質惡化。(5)運動安靜、噪聲低。
直線電機進給機構的運行過程采用閉環反饋控制工作方式，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調節器根據目標位移與實際位移的差值自動調節電機的的控制參數，快速控制磨削刀具運行，完成所需的進給。
本實用新型中采用步進電機實現縱向進給。步進電動機不能單獨工作，它必須和其專用設備—步進電機驅動器一起使用。步進電動機驅動器的基本功能是按照一定的順序和頻率接通和斷開步進電動機的勵磁繞組，按照要求使電動機啟動、停止；提供足夠的電功率；提高步進電動機運行的快速性和平穩性。步進電機在不失步的情況下正常運行時，其轉角嚴格地與控制脈沖的個數成正比，轉速與控制脈沖的頻率成正比。由于步進電機和負載的慣性，轉角不能正確地跟蹤指令脈沖的啟動和停止運動，指令脈沖使步進電機可能發生丟步或失步甚至無法運行。因此，必須實現步機電動機的自動升降速功能。為了實現速度的變化，輸入的位移脈沖指令相應的要升頻、穩頻、和降頻。這些可以由脈沖源加專用邏輯電路來產生，也可以由微型計算機產生。對于脈沖電源加邏輯電路構成的控制器來說，控制邏輯是固定的，即控制電路一經固定，其控制邏輯也就固定了。如果要改變邏輯和控制方案，必須改變電路結構和元件參數。而使用計算機控制，不必改動硬件電路，只要修改程序，就可以改變控制方案。利用計算機控制的形式很多，這里使用的是PMAC對步進電機的控制。
在本實用新型中，橫、縱向進給機構的驅動裝置均采用閉環反饋控制。PMAC提供了電機的位置環反饋和速度環反饋兩種形式，我們可以根據自己的需要來選擇。在PMAC的I變量中，Ix02用來存放x號電機給定輸出值的寄存器地址。Ix03變量是在位置環模式下，PMAC獲得x號電機實際位置信息的寄存器地址，通過編碼器轉換表的默認設置，Ix03的默認值就是來自編碼器的處理過數據的寄存器地址。Ix04變量是在速度環模式下，PMAC獲得x號電機實際位置信息的寄存器地址，Ix04的默認值就是來自編碼器的處理過數據的寄存器地址。在大多數系統中電機采用單反饋，即采用速度環或位置環中的一種，這個時候Ix03等于Ix04值，即采用同樣的寄存器地址來放置實際位置信息。在PMAC的I變量中，Ix02用來存放x號電機給定輸出值的寄存器地址。Ix03變量是在位置環模式下，PMAC獲得x號電機實際位置信息的寄存器地址，通過編碼器轉換表的默認設置，Ix03的默認值就是來自編碼器的處理過數據的寄存器地址。Ix04變量是在速度環模式下，PMAC獲得x號電機實際位置信息的寄存器地址，Ix04的默認值就是來自編碼器的處理過數據的寄存器地址。在大多數系統中電機采用單反饋，即采用速度環或位置環中的一種，這個時候Ix03等于Ix04值，即采用同樣的寄存器地址來放置實際位置信息。在本系統中，橫向進給單元采用了位置環和速度環的雙閉環反饋控制，縱向進給單元采用了位置環反饋控制。從精度和穩定性方面考慮，在負載上的傳感器比在電機上的傳感器提供了更為精確的位置測量，因為它的精度不受電機負載聯接中缺陷的影響。但是，負載上的傳感器會使軸變的不穩定，因為這些聯接缺陷如間隙等現在都處在反饋環內部了。而在電機上的傳感器可能會使精度降低卻提供了更好的穩定性，因為它把這些缺陷都放在了反饋環外部。在本系統中，橫向進給驅動單元直線電機采用光柵尺檢測元件，即采用的是電機上帶傳感器，提高了系統的穩定性。
在本實用新型中，為了控制磨削加工中工作臺的橫向和縱向工作臺進給，需要將PMAC的J11口與電機的放大器相聯，在這里只介紹J11口與橫向進給機構的直線電機相聯的情況。通過J11口與直線電機的連接，實現了工作臺的橫向進給運動。在非圓的磨削加工中，橫向進給直線電機不僅提供了頻繁的直線微量往復進給運動，而且提供了1μm的定位精度，這些優良的特性為零件精密磨削加工的實現提供了必要的保證。
在本實用新型中，提高砂輪線速度主要是提高砂輪主軸的轉速，特別是在砂輪直徑受到限制的場合。因而，適應于高精度、高速及超高速磨床的主軸單元是磨床的關鍵部件。主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機架幾個部分，它影響著加工系統的精度、穩定性及應用范圍，其動力學性能及穩定性對高速高效磨削、精密超精密磨削起著關鍵的作用。而對于高速高精度主軸單元系統，應該是剛性好，回轉精度高，運轉時溫升小，穩定性好、可靠、功耗低，壽命長，同時，成本也應適中。要滿足這些要求，主軸的制造及動平衡，主軸的支撐(軸承)，主軸系統的潤滑和冷卻，系統的剛性等也是很重要的。電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪音低、響應快等優點，使用電主軸可以減少齒輪傳動，簡化機床設計，易于實現主軸定位，是高速主軸單元中一種理想結構。以混合陶瓷球軸承支承的電主軸，一般用油脂、油霧潤滑。在油霧潤滑中，空氣與油混合，壓縮空氣常供，而油采取定時、必須的最小量的方式供給，這種潤滑方式能達到精確潤滑，但是所需設備復雜、成本很高。電主軸的常用冷卻方法是利用冷水循環流動降低主軸系統的溫升。高速電主軸在短時間內由靜止上升至每分鐘數萬轉是相當困難的。電主軸為保證正常工作，必須施加一定量的預負荷，這又增加了電主軸的阻力矩。為使電主軸能順利地完成啟動過程，應選取較大的啟動轉矩，故高速電主軸的啟動電流要超出普通電機的額定電流的5～7倍。靜止變頻電源是利用交流變頻調速技術，將工頻交流電轉換為所需頻率交流電。變頻器工作原理是建立在磁場矢量控制理論基礎上的，目前采用大功率晶體管靜止變頻電源。它可將三相50Hz380V交流電源轉換成三相中頻電源，其輸出電壓、頻率連續可調。最新的變頻器采用先進的晶體管技術(如瑞士ABB公司生產的SAMIGS系列變頻器)，可以實現異步電動機的無級變速。
本實用新型中，選用的是光柵尺和光電脈沖編碼器作為系統的檢測元件。在本數控系統中，縱向及橫向對刀均用光柵尺完成。其中橫向進給對刀所用光柵尺在直線電機內部，它將電機移動的實際位移等量的反饋給PMAC控制器的DAC接口，然后控制器根據實際反饋的值與命令值進行比較然后補償一個差值使得實際位置與命令位置的無限重合。
本實用新型的數控系統所選用的編碼器為1024線，每轉發出1024個脈沖，經PMAC的編碼器通道4倍頻放大后變為每周4096個脈沖。在非圓表面磨削加工時，用此編碼器發出的脈沖量作為主位置的時基源，使得橫向進給單元的運動與主軸的旋轉保持同步。PMAC時基功能保證了在編碼器跟隨主軸轉動一周的時間內，讓橫向進給機構正好完成一次完整的非圓表面的磨削進給。
與現有技術相比，本實用新型的有益效果是運用PMAC多軸運動控制器，以集成化、開放式的思想，將機床的橫縱向進給單元、砂輪主軸單元、位置檢測單元以及其它附件有機的聯結起來，使該磨床成為一個真正意義上的開放式平臺，系統各個組成單元的控制均處于核心控制器PMAC下。在此數控磨床中，引入了直線電機進給單元，直線電機直接驅動電主軸砂輪的進給運動，實現了機床橫向工作臺的“零傳動”。直線電機的往復進給運動使得工件非圓表面的精密加工成為可能；采用變頻器對高速電主軸進行速度調節來滿足磨削加工時砂輪不同轉速的要求。該磨床伺服性能的穩態和動態特性采用PMAC的PID+前饋控制的方法進行調節，利用PMAC的軟件采用合理的調節方法可使系統性能達到要求。
圖1為本實用新型給出的實施例的設備連接示意圖；圖2為電機雙反饋控制框圖；圖3為PMAC與直線電機及主編碼器的接線圖；圖4為PMAC與主編碼器接線圖。
具體實施方式
以下結合附圖給出的實施例對本實用新型的具體技術方案及工作過程做進一步說明在圖1中，以一臺CA6140床身做基體，床身上有十字滑臺，十字滑臺上設有支架，支架上設有電主軸，電主軸的一端設有砂輪，砂輪與卡在主軸上的工件相接觸，工件的另一端通過設在主軸的撥叉與設在機身上的卡盤的球形頂尖相接觸，在CA6140床身上還設有一個插入微機PCI插槽中作為數控系統控制接口卡的PMAC運動控制器，該控制器通過變頻器1控制異步電動機來控制主軸即工件的轉速，通過變頻器2控制電主軸來控制砂輪的轉速，它還分別通過控制直線電機和伺服電機來控制十字滑臺的橫向、縱向的運動，它還通過主軸后端的編碼器獲得工件的實時速度反饋給PMAC控制器在圖2中，Ix02用來存放x號電機給定輸出值的寄存器地址。Ix03變量是在位置環模式下，PMAC獲得x號電機實際位置信息的寄存器地址，通過編碼器轉換表的默認設置，Ix03的默認值就是來自編碼器的處理過數據的寄存器地址。Ix04變量是在速度環模式下，PMAC獲得x號電機實際位置信息的寄存器地址，Ix04的默認值就是來自編碼器的處理過數據的寄存器地址。在單反饋即采用速度環或位置環中，Ix03等于Ix04值，即采用同樣的寄存器地址來放置實際位置信息。在本系統中，橫向進給單元采用了位置環和速度環的雙閉環反饋控制，縱向進給單元采用了位置環反饋控制；橫向進給驅動單元直線電機采用光柵尺檢測元件，即采用的是在電機上帶傳感器，以便提高系統的穩定性。
如圖3所示，本實用新型是通過PMAC運動控制器把橫向進給機構的直線電機作為控制對象集成到磨削加工裝置中，圖中C3是直線電機驅動器的控制端子，該端子接受PMAC控制器發來的單端模擬電壓控制直線電機的運動；C4是直線電機光柵尺的反饋端子，該端子接受直線電機的位置信號，作為PMAC控制器的速度環和位置環的反饋，由圖3可看出C3為直線電機驅動器的用戶輸入/輸出接口，它具有13個引腳功能，其中端口2、3分別為模擬差分輸入正、負；引腳7為24V電源的輸入；引腳8為遠程驅動器使能端。C4為直線電機驅動器上編碼器等量輸出接口，其中引腳1、2分別為A相正、負輸出；引腳3為公共端口；引腳4、5分別為B相正、負輸出；引腳7、8分別為C相索引通道正、負輸出。J11口為PMAC控制器的JMACH端口，它提供了4個通道的I/O即模擬輸出；增量編碼器輸入；相關的輸入和輸出捕捉信號；電源的連接。它有60引腳，其中引腳17、19、21、23、25、27分別為與直線電機驅動器上編碼器等量輸出接口相對應的C、B、A三相的正、負輸入；引腳43為PMAC控制器中控制電機的實際位置而對電機作出反饋的的DAC輸出接口，它與直線電機驅動器上的等量編碼器輸出接口中的模擬差分輸入相連接；引腳58為模擬地。引腳59、60為±15V模擬電源接線端子。
如圖4所示，為PMAC控制器與光電脈沖編碼器的聯線圖，即圖4中主編碼器與J11口的連接，引腳18、22、26分別為與提供時基源的主編碼器接口相對應的C、B、A三相的單端輸入，本實用新型是通過PMAC運動控制器把工作軸單元作為控制對象集成到磨削加工裝置中，圖中主編碼器端子是工作軸的位置反饋，該端子接受工作軸光電脈沖編碼器發來的脈沖信號作為直線電機的時基控制信號控制直線電機完成加工橢圓零件的軌跡。
權利要求1.一種基于PMAC的高速精密數控磨削加工裝置，以一臺CA6140床身做基體，床身上有十字滑臺，十字滑臺上設有支架，支架上設有電主軸，電主軸的一端設有砂輪，砂輪與卡在主軸上的工件相接觸，工件的另一端通過設在主軸的撥叉與設在機身上的卡盤的球形頂尖相接觸，其特征在于在CA6140床身上還設有一個插入微機PCI插槽中作為數控系統控制接口卡的PMAC運動控制器，該控制器通過變頻器1與控制主軸即工件的轉速的異步電動機相連，通過變頻器2與控制砂輪的轉速的電主軸相連，它還分別與控制十字滑臺的橫向、縱向運動的直線電機和伺服電機相連，它還通過主軸后端的編碼器獲得工件的實時速度并反饋給PMAC控制器。
2.根據權利要求1所述的一種基于PMAC的高速精密數控磨削加工裝置，其特征在于PMAC運動控制器的J1為顯示器插槽，J3為手輪接入插槽，J4為RS-232/RS-422接入插槽，J5為光電隔離I/O接入插槽，J7為16位A/D輸入接口插槽；J11為2軸接線插槽，其中PMAC的J5口控制變頻器1，又由變頻器1控制異步電動機，PMAC的J5口還控制變頻器2，變頻器2控制電主軸，PMAC的J11口控制橫向直線電機與縱向伺服電機，直線電機的光柵反饋信號接入其放大器，其等價反饋信號接入J11的反饋通道中，伺服電機的編碼器反饋信號也接入反饋通道中。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于PMAC的高速精密數控磨削加工裝置，其特征在于從軸尾部安裝有1024線/轉的旋轉編碼器。
4.根據權利要求1或2所述的一種基于PMAC的高速精密數控磨削加工裝置，其特征在于作為系統的檢測元件是光柵尺和光電脈沖編碼器，其中橫向進給對刀所用光柵尺設在直線電機內部。
5.根據權利要求3所述的一種基于PMAC的高速精密數控磨削加工裝置，其特征在于作為系統的檢測元件是光柵尺和光電脈沖編碼器，其中橫向進給對刀所用光柵尺設在直線電機內部。
專利摘要一種基于PMAC的高速精密數控磨削加工裝置，屬于高速高精密磨削加工技術，以CA6140床身做基體，床身上有十字滑臺，十字滑臺上設有支架，支架上設有電主軸，電主軸的一端設有砂輪，砂輪與卡在主軸上的工件相接觸，工件的另一端通過設在主軸的撥叉與設在機身上的卡盤的球形頂尖相接觸，在CA6140床身上還有一個插入微機PCI插槽中作為數控系統控制接口卡的PMAC運動控制器，該控制器通過變頻器1與控制主軸轉速的異步電動機相連，通過變頻器2與控制砂輪轉速的電主軸相連，它還分別與控制十字滑臺的橫向、縱向運動的直線電機和伺服電機相連，它還通過軸后端的編碼器獲得工件的實時速度并反饋給PMAC控制器。
文檔編號B24B51/00GK2701579SQ20042007069
公開日2005年5月25日 申請日期2004年9月20日 優先權日2004年9月20日
發明者吳玉厚, 張珂 申請人:沈陽建筑大學