專利名稱：一種數控精密內圓磨床及其加工控制方法
技術領域：
本發明涉及機加工設備領域，尤其是涉及一種數控精密內圓磨床加工控制 方法。
背景技術：
許多機械零件的加工精度要求較高，普通磨床不能達到要求。例如，柴油 發動機上噴油嘴零件，其特點是內孔及內錐面的形狀精度、孔與錐面的同心度、 表面粗糙度要求較高。現有技術中對于類似柴油發動機上噴油嘴零件的內孔及 錐面的精加工，有采用鏜削+研磨的工藝的，也有采用液壓機械式雙工位磨床磨
削工藝的；采用鏜削+研磨的工藝的缺陷是效率低、清洗困難。采用液壓機械式 雙工位磨床磨削工藝的缺陷是尺寸精度不易控制、調整繁瑣、加工出的工件圓 度、粗糙度、尺寸分散等參數的穩定性差。另外，目前公知的數控內圓磨床加 工時都采用粗磨、修整砂輪、精磨的三步法進行。在粗磨和精磨時不論進給尺 寸大小，磨床都是按同一進給速度一次走完，其間磨具速度也是固定的不可調 整。而且修整砂輪時，磨具速度與粗磨、精磨時的速度相同。上述現有的磨削 控制方法存在以下問題和缺點1、不能適應最佳磨削工藝化的要求；2、不能 解決磨削中產生熱量過多而導致的工件過熱燙手問題；3、不能適應不同材料的 砂輪需要不同的修整轉速問題；4、也會帶來加工出的工件圓度、粗糙度、尺寸 分散等參數不穩定問題。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種數控精密內圓磨床，提高加工效率 和精度。為達到上述目的，本發明采用以下技術方案-
本發明的數控精密內圓磨床包括床身、車頭、磨削模塊、電控裝置、橫向 滑板機構和縱向滑板機構，其中每套滑板機構均由伺服電機驅動并采用滾珠絲
杠傳動；所述車頭設置在橫向滑板結構的滑板上，所述磨削模塊包括中孔磨削
模塊和錐面磨削模塊，其中每套磨削模塊分別通過一套獨立的磨削滑板機構設
置在所述的縱向滑板機構的滑板上，每套磨削模塊均包括一套獨立的往復驅動
機構、磨具和磨具旋轉驅動機構。
進一步，所述車頭的主軸采用動靜壓軸承支撐的主軸結構。 進一步，該磨床還包括中孔修整器部件和錐面修整器部件。 進一步，所述的電控裝置包括人機界面裝置和可編程序控制器，該人機界
面與可編程序控制器相連，該可編程序控制器內嵌有精密磨削工藝控制程序。 進一步，所述伺服電機均為由伺服驅動器驅動的交流伺服電機，所述可編
程序控制器通過伺服驅動器控制所述交流伺服電機。
進一步，所述磨具旋轉驅動機構的供電裝置包括有變頻器，所述變頻器與
所述可編程序控制器相連。
進一步，所述往復驅動機構采用偏心結構往復驅動裝置。 本發明的另一目的是提供一種采用所述數控精密內圓磨床提高磨削加工效
率和精度加工方法。
為達到上述目的，本發明的方法將磨削工序中的粗磨階段和精磨階段分別
分成若干細化磨削階段，針對每個細化磨削階段根據最佳磨削工藝曲線設定對
應的加工參數，可編程序控制器根據所設定的各個細化磨削階段的加工參數控
制進給尺寸、進給速度和磨具旋轉速度。
進一步，通過人機界面裝置設定所述的加工參數；通過調整變頻器的輸出頻
率控制所述磨具旋轉速度。
進一步，將磨削工序中需要的磨具修整階段插入到若干所述的細化磨削階段之后，同時根據最佳磨削工藝的需要設定對應的修整參數，可編程序控制器 根據所設定修整參數控制磨具修整階段的磨具修整速度 本發明的有益效果是
本發明的磨床是一臺模塊化的兩軸數控內圓磨床，即用于裝夾工件的車頭 和包括磨具的磨削模塊分別在X軸和Y軸的進給運動(即橫向的、縱向的進給 運動)均是采用數控伺服電機驅動和滾珠絲杠傳動，提高了磨具和工件的進給 精度；磨削滑板機構和縱向滑板機構形成雙層滑板機構，其中縱向滑板結構完
成磨具Y軸的進給運動，磨削滑板機構完成磨具在磨削工位的往復直線運動，
此種結構有利于提高進給效率并保持加工精度；在縱向滑板結構上設置兩套磨
削模塊即中孔磨削模塊和錐面磨削模塊，從而形成雙工位加工，可以進一步提
高加工效率和精度。本發明的方法基于本發明的磨床，將加工階段細化成若干
小階段，根據最佳磨削工藝曲線設定適合各個小階段的加工參數，可編程序控
制器內嵌的精密磨削工藝控制程序調用合適的加工參數控制機床重要部件的運
行從而實現精磨磨削加工。
本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡 述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯 而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可 以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲 得。
圖l為本發明的主視圖。 圖2為本發明的俯視圖。 圖3為本發明的邏輯功能框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。
如附圖1和圖2所示，本實施例的數控精密內圓磨床包括床身1、車頭3、 磨削模塊、電控裝置9、橫向滑板機構2和縱向滑板機構8，其中每套滑板機構 均由伺服電機驅動并采用滾珠絲杠傳動；所述車頭3設置在橫向滑板結構2的 滑板上，所述磨削模塊包括中孔磨削模塊7和錐面磨削模塊6，其中每套磨削模 塊分別通過一套獨立的磨削滑板機構設置在所述的縱向滑板機構的滑板上，每 套磨削模塊均包括一套獨立的往復驅動機構、磨具和磨具旋轉驅動機構，本實 施例中磨具即為砂輪。本實施例的磨床還包括中孔修整器部件4和錐面修整器 部件5，用于磨削加工過程中磨具的修整。本實施例中，所述車頭3的主軸采用 動靜壓軸承支撐的主軸結構。所述的電控裝置9包括人機界面裝置和可編程序 控制器，該人機界面與可編程序控制器相連，該可編程序控制器內嵌有精密磨 削工藝控制程序。所述伺服電機均為由伺服驅動器驅動的交流伺服電機，所述 可編程序控制器通過伺服驅動器控制所述交流伺服電機。所述磨具旋轉驅動機 構的供電裝置包括有變頻器，所述變頻器與所述可編程序控制器相連。所述往 復驅動機構采用偏心機構往復驅動裝置。
結合圖3所示邏輯功能框圖可知，本實施例的磨床沒有使用標準數控系統， 而是采用人機界面、可編程序控制器、交流伺服、變頻器等組成的非標準數控 系統，人機界面通過RS232接口與可編程序控制器雙向通訊，可編程序控制器 和變頻器通過RS485接口通訊，可編程序控制器高速脈沖輸出端子接交流伺服 驅動器的脈沖輸入端子實現定位脈沖串的傳輸。通過人機界面軟件包開發適合 數控磨床的用戶界面程序，通過可編程序控制器軟件包開發出所述精密磨削工 藝控制程序，然后分別下載到人機界面和可編程序控制器后即可實現對數控磨 床的各種控制。在開發精密磨削工藝控制程序時，基于本磨床的模塊化結構， 我們即可分段加工的設計理念，即采取將一定尺寸的粗磨和精磨量分成若干段的處理方法，每一小段有自己獨立的進給尺寸、進給速度和砂輪線速度，但各 段尺寸相加的和等于粗磨和精磨尺寸。通過人機界面可以很方便的輸入各段的
進給尺寸、進給速度和變頻器的工作頻率，人機界面通過RS232接口自動將各 種參數值寫入可編程序控制器，自動工作時可編程序控制器通過RS485接口控 制變頻器按各段設定好的頻率自動運行，可編程序控制器按照各段設定好的進 給尺寸和進給速度自動發出定位脈沖串，交流伺服驅動器接收到定位脈沖后自 動驅動伺服電機完成進給動作。在修整砂輪時，也可以通過人機界面設定好修 整時變頻器的工作頻率，從而達到控制砂輪線速度的目的。在每一段進給完成 之后，可以加入幾秒延時時間，使工件得到充分冷卻。
具體實施時，人機界面選用中達電通股份有限公司的DOP-AE系列產品， 可編程序控制器選用中達電通有限公司DVP-EH2系列產品，變頻器選用歐瑞 F1000-M系列產品，伺服放大器選用日本三菱公司的MR-J2S系列產品，伺服電 機選用日本三菱公司的MR-SFS系列產品。人機界面和可編程序控制器通過 RS232電纜連接，二者可以雙向通訊。數控磨床自動加工前，通過人機界面將 分段后的最佳化的磨削工藝參數輸入，可編程序控制器接受到這些參數之后， 開發好的數控加工程序即可按照最佳磨削工藝曲線的要求驅動伺服電機、變頻 器等部件自動完成整過加工過程。連接在砂輪變頻器與可編程序控制器通過 RS485接口相連，變頻器輸出接磨具，變頻器輸出頻率的高低決定磨具線速度 的高低。 一定外徑的砂輪，變頻器輸出頻率越高，砂輪線速度越高；反之，變 頻器輸出頻率越低，砂輪線速度越低。可編程序控制器通過RS485接口，用通 訊的方式可以非常方便的控制變頻器的輸出頻率，進而達到控制磨具線速度的 目的。線路連接時，可編程序控制器的X0、 XI、 X2端子分別接到伺服驅動器 的DOl、 ZSP、 TLC端子，可編程序控制器的Y5、 Y6、 Y7端子分別接到伺服 驅動器的SON、 ABSM、 ABSR端子，可編程序控制器的Y21、 Y22、 Y0、 Yl 分別接到LSP、 LSN、 PP、 NP、 CR端子，伺服電機編碼器通過專用的編碼器電纜連接到伺服驅動器的CN2連接埠上。在伺服驅動器內安裝電池，設定伺服驅 動器的參數，再配合開發出的精密磨削工藝控制軟件，即可使人機界面、可編 程序控制器、伺服驅動器、伺服電機組成一個絕對位置控制系統。該絕對位置
控制系統不管PLC電源處于ON或OFF狀態，絕對位置編碼器都能夠實時檢測 出伺服電機的絕對位置，并通過電池供電的計數器備份數據。因此，在機械安 裝后，只需進行一次原點確認。在停電或出現故障時，本實施例的磨床可以很 容易地恢復工作。此外，由于絕對位置數據保存在編碼器中，即使發生電纜脫 落或斷線，只要在規定時間內恢復供電，絕對位置數據也不會丟失。當然，本 實施例中可編程序控制器還有其它輸入、輸出點用于磨床的開關量控制。例如， 輸入點還包括但不限于松卡盤、伺服急停、伺服報警、循環啟動、循環中斷、 工作臺前位、工作臺后位、修整器抬起、修整器倒下、小滑板前位、小滑板后 位、變頻器故障、電機過載，所述工作臺即設置磨削模塊的工作臺，所述小滑 板即磨削模塊的滑板。輸出點還包括但不限于工作臺前進、工作臺后退、夾具、 車頭、修整器、工件冷卻、小滑板、往復剎車，所述工作臺即設置磨削模塊的 工作臺，所述小滑板即磨削模塊的滑板。輸入點主要用于檢測磨床各機械部件 的位置、報警等，輸出點主要控制電磁閥、信號燈、電機等。通過開發控制軟 件，充分利用磨床的各開關量，使磨床的各運動部件按照既定的順序依次動作， 自動完成工件的磨削加工過程。
本實施例的磨床上電后，人機界面顯示磨床LOGO,包括磨床型號、名稱、 制造廠商等信息。按總啟動按鈕，人機界面自動換屏到主菜單畫面。主菜單畫 面上有動作調整、砂輪長修、半自動、半自動參數設置、特殊參數設置等菜單。 觸摸動作調整菜單，人機界面自動換屏到動作調整畫面，在此畫面上觸摸原點 回歸，磨床根據指令自動完成原點回歸動作并建立坐標系。按回主菜單按鈕， 人機界面自動切換到主菜單畫面。在主菜單畫面觸摸半自動參數設置按鈕，在 該畫面將所有工藝參設定完畢后回主菜單畫面，然后進入半自動畫面，在該畫
9面即可進行半自動零件加工工作。
采用本實施例磨床磨削零件的錐面和內孔的步驟簡述如下手動裝好工件， 啟動砂輪軸，按循環啟動按鈕，Y軸快速移動到磨削位置，往復電機啟動帶動 砂輪開始往復，X軸按照設定好的快靠速度和快靠尺寸快速移動到粗磨位置。 然后可編程序控制器自動調用設定好的粗磨I段進給尺寸、進給速度和變頻器工
作頻率，經處理后一方面通過RS485通訊口發出指令使變頻器工作在指定工作 頻率上，另一方面在YO輸出定位脈沖串到伺服驅動器，伺服驅動器將定位脈沖 串放大后驅動伺服電機，伺服電機帶動滾珠絲杠完成粗磨I段的進給動作。粗磨 I段結束后又自動調用粗磨II段、m段等參數直到粗磨結束。然后Y軸推出到 修整位置，往復、冷卻液停止，變頻器工作在修整頻率，修整器倒下，X軸按 設定的修整尺寸修整完砂輪，修整器抬起，系統自動補償修整尺寸到快靠尺寸， Y軸重新回到磨削位置，啟動往復、冷卻液，調用精磨參數，依次走完各段后 進行無進給光磨，光磨延時時間到后X軸快退回零位，然后Y軸退回零位結束 一個半自動循環。
本實施例磨床設計采用了模塊化結構，磨內孔和磨錐面是兩個獨立的部件， 可實現雙工位和單工位的靈活配置。雙工位配置用于磨削內孔和錐面，單工位 配置用于只磨內孔或只磨錐面，從而很方便地實現不同零件的加工，例如磨削 發動機上的噴油嘴零件。磨床控制系統采用"人機界面+PLC+伺服驅動+伺服電 機"控制方案，配備精密磨削工藝控制軟件，可實現零件的半自動磨削循環加 工，尤其適用于內孔和錐面均需精磨的零件加工。
本實施例磨床的主要優點如下
1、本發明的磨床是一臺模塊化的兩軸數控內圓磨床，總布局采用主軸箱完 成X軸進給運動，床身工作臺置有兩套可獨立實現往復運動的砂輪軸，分別單 獨實現內孔和內錐面磨削的進給運動，整個磨床結構簡單，界面友好，操作方 便，可靠性強，造價低的特點。2、 本發明的磨床主軸采用動靜壓軸承支撐的主軸結構，可提高加工精度。
3、 本發明的磨床上面裝有橫向滑板機構實現X軸進給和變換工位移位;縱 向滑板機構實現Y軸進給和砂輪快速進退。X軸和Y軸移動通過交流伺服電機、 彈性聯軸器、滾珠絲杠、十字交叉滾柱導軌實現。
4、 本發明的磨床配有兩套砂輪修整裝置，可分別對兩工位的砂輪進行自動 修整。
5、 本發明的磨床在完成磨削任務，使磨削過程符合最佳磨削工藝曲線的同 時，可以方便地調整各種工藝參數，降低磨削過程中工件的發熱量，提高磨床 的穩定性；本發明的磨床主要技術參數達到如下精度
圓度0.001mm、圓柱度 0.0015mm、尺寸分散 O.Olmm 加工工件表面粗糙度Ra0.2um、中孔和錐面的同心度0.003 y m
最小設定單位
X軸 0.0025mm
Y軸 0.0025mm
中孔
磨削孔徑范圍 5 20mm 最大磨削深度 40mm 電動砂輪軸轉速60， 000r/min 磨削往復次數 20 120次/min 磨削往復行程 0 40mm 錐面
磨削錐面角度59° 卯° 電動砂輪軸轉速60， 000r/min 磨削往復次數30 180次/min 磨削往復行程 0 0.3mm
權利要求
1. 一種數控精密內圓磨床，包括床身、車頭、磨削模塊和電控裝置，其特征在于該磨床還包括橫向滑板機構和縱向滑板機構，其中每套滑板機構均由伺服電機驅動并采用滾珠絲杠傳動；所述車頭設置在橫向滑板結構的滑板上，所述磨削模塊包括中孔磨削模塊和錐面磨削模塊，其中每套磨削模塊分別通過一套獨立的磨削滑板機構設置在所述的縱向滑板機構的滑板上，每套磨削模塊均包括一套獨立的往復驅動機構、磨具和磨具旋轉驅動機構。
2. 根據權利要求1所述的數控精密內圓磨床，其特征在于所述車頭的主 軸采用動靜壓軸承支撐的主軸結構。
3. 根據權利要求2所述的數控精密內圓磨床，其特征在于該磨床還包括 中孔修整器部件和錐面修整器部件。
4. 根據權利要求3所述的數控精密內圓磨床，其特征在于所述的電控裝 置包括人機界面裝置和可編程序控制器，該人機界面與可編程序控制器相連， 該可編程序控制器內嵌有精密磨削工藝控制程序。
5. 根據權利要求4所述的數控精密內圓磨床，其特征在于所述伺服電機 均為由伺服驅動器驅動的交流伺服電機，所述可編程序控制器通過伺服驅動器 控制所述交流伺服電機。
6. 根據權利要求5所述的數控精密內圓磨床，其特征在于所述磨具旋轉 驅動機構的供電裝置包括有變頻器，所述變頻器與所述可編程序控制器相連。
7. 根據權利要求6所述的數控精密內圓磨床，其特征在于所述往復驅動 機構采用偏心機構往復驅動裝置。
8. 所述數控精密內圓磨床的加工控制方法，其特征在于將磨削工序中的 粗磨階段和精磨階段分別分成若干細化磨削階段，針對每個細化磨削階段根據 最佳磨削工藝曲線設定對應的加工參數，可編程序控制器根據所設定的各個細 化磨削階段的加工參數控制進給尺寸、進給速度和磨具旋轉速度。
9. 根據權利要求8所述的加工控制方法，其特征在于通過人機界面裝置設定所述的加工參數；通過調整變頻器的輸出頻率控制所述磨具旋轉速度。
10.根據權利要求9所述的加工控制方法，其特征在于將磨削工序中需要的磨具修整階段插入到若干所述的細化磨削階段之后，同時根據最佳磨削 工藝的需要設定對應的修整參數，可編程序控制器根據所設定修整參數控制磨 具修整階段的磨具修整速度。
全文摘要
本發明公開了一種數控精密內圓磨床及其加工控制方法，該磨床包括床身、車頭、磨削模塊和電控裝置，該磨床還包括橫向滑板機構和縱向滑板機構，其中每套滑板機構均由伺服電機驅動并采用滾珠絲杠傳動；所述車頭設置在橫向滑板結構的滑板上，所述磨削模塊包括中孔磨削模塊和錐面磨削模塊，其中每套磨削模塊分別通過一套獨立的磨削滑板機構設置在所述的縱向滑板機構的滑板上，每套磨削模塊均包括一套獨立的往復驅動機構、磨具和磨具旋轉驅動機構；該方法細化加工階段并根據最佳磨削工藝曲線設定合適的加工參數，可編程序控制器根據可靠的參數設定完成精磨加工，本發明可提高內圓磨床的加工效率和精度，尤其適用于內孔和錐面均需精磨的零件。
文檔編號B24B53/12GK101530978SQ20091006474
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月28日 優先權日2009年4月28日
發明者吳劍峰, 曹志中, 杰 沙 申請人:河南工業大學