摘要： 為了提高機械產品的性能質量， 發展高新技術， 設計了（le）高（gāo）速數控磨床橫縱向進給部分，以實現較（jiào）高的製造精度。通（tōng）過對（duì）現有機床的分析（xī），對橫（héng）縱向進給硬件進行了選擇及設計，其縱向采用反應式步進電機，橫向引（yǐn）入了直線電機進給單元；同時設計了該數控（kòng）磨床的控製係統，使係（xì）統各個組成單元均受控於核心控（kòng）製器PLC。最（zuì）終，此數控磨床能夠很好地實現零件（jiàn）表麵的高速精（jīng）密磨削。

 
      0 引言（yán）

     本文對高速數控磨床橫縱向進給部分進行了合理設（shè）計和選擇硬件，提高控製係統的生（shēng）產率（lǜ）和（hé）磨削精度，進而改善產品質量。

     1 、高速數控磨床概述

   （1）高速高精密磨削

    在高速磨削加工中，現有的砂輪，砂輪的傳動裝置和磨床，限製了磨削速度。現代（dài）高精密磨削技術的發展，使磨削尺寸精度（dù）達到0.1~0.3 μm，表麵粗糙度達到0.2~0.05 μm， 磨削（xuē）表麵（miàn）變質層和殘餘（yú）應力均很（hěn）小，明（míng）顯提高了加工零件的（de）質量。同時，精密、高速進給單元的出（chū）現為高精密（mì）磨削提供了有利條件。

     由於CBN 砂輪的使用，強力磨削突破傳統磨削限製，生產率（lǜ）成（chéng）倍提高，有（yǒu）些毛坯零件（jiàn），不需要經過粗（cū）切加工，可直接磨削（xuē）成為成品。

   （2）數字控製係統

    數控（NC）係統是一種控製係統，它能自動閱讀輸入載體上預先給（gěi）定的數字（zì），並將其（qí）譯碼，使機床移（yí）動並加工零（líng）件。數控係統是數控機床（chuáng）等自動加工設備的核心，且其技術發（fā）展水平已成為衡量一個國家機械製造水平的重要標誌。

    自1952 年美（měi）國研製出第（dì）一台實驗性數控係統以來，數控（kòng）技術（shù）的發（fā）展十分迅速，數控係統（tǒng）也由原先的硬連接數控發（fā）展成為今天的計算機數控（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；複合（hé）型等幾方麵發展。

    （3）STEP－NC

    數控標準是製造業信息化發展的一種趨勢。數控技術誕（dàn）生後（hòu）的（de）50 年間信息交換都基於ISO6983標準，即采用G、M 代碼描述如何加工。

     ISO6983 從多（duō）方（fāng）麵限製了（le）程序的移植性，因（yīn）此，1996 年由國（guó）際標準化組織ISO/TC184 工業數據技術委員會正式命名了新的標準活動ISO14649，以取代在數控機床中廣泛使用的（de）ISO 6983 標準製定的（de）新標準稱為“CNC 控製（zhì）器的數據模型”。它基於STEP 並把（bǎ）STEP 擴展到NC，形成“STEP-NC”，直接生產加工工序來控製機床。它解決了NC 程序缺乏統一性及（jí）一致性（xìng）的問題。STEP-NC 是無G、M 代碼，無後置處理的NC。

     2、 硬件部分設計

     高速數控（kòng）磨床橫縱向進給硬（yìng）件部分（fèn）的設計主要（yào）包括電機的（de）選擇、電主軸的設計、滾珠絲杠的選擇（zé）和軸承的選擇。

     （1）縱向進給機構電機

     按縱向溜（liū）板（bǎn）箱與電主軸的總質量m=400 kg 計算，溜板箱導軌為滑動摩擦，根（gēn）據磨削機床的特點，本機床主要考慮（lǜ）的是工（gōng）作台的摩擦轉矩

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

     根據所求數據，並查文獻[6]，縱向進（jìn）給（gěi）機構選擇反應式步進電機。電（diàn）機（jī）型號為75BF001。

    （2）橫向進給機構電機

     近年來（lái），隨著技術的進步與（yǔ）加工質量（liàng）和效率要求的提高，傳統的“旋轉伺服電機+滾（gǔn）珠絲杠”的進給驅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（hé）改善零件的加工質（zhì）量（liàng），不但要求數控機床具（jù）有超高速旋轉的大功率精密主軸驅動（dòng）係統（tǒng），更要（yào）求在瞬間達到（dào）設定高速狀態和在高速下瞬時準確停止運動。

    直線電（diàn）機具有如下特點:

     ①直線電動機（jī）最重要的（de）優點（diǎn）是具有比傳統旋轉電動機大得多（duō）的加、減速度；
     ②加、減速過程的縮短，可改善（shàn）加工表麵質量，提高刀具使用壽命；
     ③提高了傳動精度和定位精度（dù），不存在中（zhōng）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製；⑤運動安（ān）靜、噪聲低。

     綜合考（kǎo）慮上述因素，根據加（jiā）工的要求（qiú）本（běn）文采用直（zhí）線電機作為砂輪的微進（jìn）給裝置（zhì），永磁式直線電（diàn）動機作為橫向進給機構的驅動源。直線電機進（jìn）給機構的運（yùn）行過程采用閉環反饋控製工作方式，用光柵（shān）尺檢測磨削（xuē）刀具的實際位移，並將檢測信息通（tōng）過直線電機的編碼器等量（liàng）輸出端口反饋給PMAC 控（kòng）製器，由控製器的PID 調節（jiē）器根據目標位移與實際位移的差值自（zì）動調節電機的控製參數，快速控製磨削刀具運行，完成所（suǒ）需（xū）的進給。

     （3）電主（zhǔ）軸

     如圖1 和圖2 所示， 分別（bié）為電主軸端部和尾部。取壽命Lh=20 000 h，主軸轉速nm=120 r/min。根據文獻[7]選（xuǎn）擇電主軸的參數：

     （4）滾珠絲（sī）杠

     所選（xuǎn）滾珠絲杠的參數：

     經校（xiào）核計算，滾珠絲杠（gàng）的承載能力、壓（yā）杆穩定性和剛度均滿足要求。

    （5）軸承
 
     公式5

     式（shì）中fh———壽命因數；
         fm———力矩（jǔ）載荷因數；
         fd———衝擊載荷因（yīn）數；
         fn———速度因數；
         fT———溫度因數；
          P———當量動載荷；
         S0———安全因（yīn）數；
         P0———當量靜載荷；
         Cr———額定動載荷；
         PA———實際承受載（zǎi）荷；
          ε———壽（shòu）命指數。

     經計算軸承以上3 種校核均滿足條件。

     3 、控製係統的設計

     由於機床要實現X、Y 兩個方向的進給運動的控製，因而采用工業上通用（yòng）的PLC 控製係統對機床進行控製。其具有可靠性高、抗幹擾能力強；模塊功能強、品種多；適應性強、使用麵廣；編程方法（fǎ）簡單直觀；體（tǐ）積小（xiǎo）、重量輕、功耗低等優點。

     PLC 的CPU 是不能並行地進（jìn）行多個操作（zuò）的，它（tā）隻能（néng）按分（fèn）時（shí）操作的原理，每一時隻執行一個（gè）操作，隨著時間的延（yán）續（xù），一個操作接著一個操作地順序執行。

    （1）磨削加工PLC 控製原理

     本設計是在普通（tōng）車床的基礎上（shàng）進行改造的。用鋼球作為球頂尖，用黏接劑固結於錐頂（dǐng）尖球窩中，工件和剛球支（zhī）撐於機床主（zhǔ）軸及（jí）尾架（jià）上。分別以步進電機和直線電機帶動工作台的縱向及橫向進給。為了適應頻（pín）繁起停的高速運動，采用電主軸係統並以變頻器作（zuò）為調速（sù）裝（zhuāng）置，工件的轉速由另一變頻（pín）器調節。步進電機（jī）、直線電機、變頻器、傳感器的采樣（yàng）等以
PLC 作（zuò）為機床的控製係統。首先（xiān）PLC 啟動控製工件主軸，通過變頻器（qì）調節（jiē）工件主軸（zhóu）轉速。預熱一（yī）段時間後（hòu），開（kāi）始測量工（gōng）件的圓度誤差，同時（shí）將編碼器信號輸入PLC 後用於控製采樣點位置，采樣後數（shù）據經放大濾波後PLC 的A/D 模塊轉換成數字量並CPU對數據進行處理，根據得到（dào）圓度誤差數據判斷是否需要繼續進行磨削。如果需要，則PLC 啟動電主軸並控製轉速，以位控單元控製直線（xiàn）電機做補償進給運動，實現閉環反饋控（kòng）製。

     PLC 可編程序控製器用（yòng）於橫向、縱向控製中，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（shì）的平台，係統各個組成單元均受核心控製器PLC 的控製。

     （2）位置檢測裝置及其控製

     檢測裝置是閉環伺服係統（tǒng）的重要組成部分。它的作用是檢測位置和速度，發出（chū）反（fǎn）饋（kuì）信號，構成閉環控製。閉環係統的數控機床的加（jiā）工精度主要取決於檢測係統的精度。分辨率不僅取決於檢測裝置本（běn）身，也取決於測量線路。

     數控機（jī）床對檢測（cè）裝置（zhì）的主要要求：工作可靠（kào），抗幹擾性強；使用維護方便，適用機床的工作環境；滿足精（jīng）度和速度的要求；成本低。

    選擇（zé）測（cè）量係（xì）統的分辨率要（yào）比加工精度高一個數量級；要求（qiú）控製係統能快速響應傳感（gǎn）器的檢測信號。本設計選用的是光電脈（mò）衝編碼器和光柵尺。光柵尺是一種高精度的檢測位移的傳感器（qì）。

    高速數控機床（chuáng）縱向及橫向對刀（dāo）具（jù）均用光（guāng）柵尺完成，其中橫向進給對刀具（jù）用光柵尺在直線電機（jī）內部。具體過程：設置一原點作為信號輸入端，當電機運動到這一位置時啟動對刀子程序（xù），檢測光柵尺數據並進行數字濾波及比較運算處（chù）理，被檢測信號變化超過某一限（xiàn）值即認為發生接觸。

 
     4、 結語
 

     本文簡要（yào）介紹（shào）了高（gāo）速（sù）數控機（jī）床，進行了高速數控磨床橫、縱向進給的設計。縱向進給采用反（fǎn）應式步進電（diàn）動機，橫向進給引入了（le）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，打破了傳統的“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”進給驅動方式，實（shí）現了機床橫向工作台的“零傳動”；另外控製（zhì）係統采用光（guāng）電脈衝編碼器和光（guāng）柵尺作（zuò）為位置檢測裝置，大（dà）大提高了位置精度。最終實現了生產率的提高，提高了磨削精（jīng）度，改善了（le）產品質量。