[发明专利]数控磨床凸轮磨削的速度优化控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数控领域的凸轮磨削方法，具体涉及一种数控磨床凸轮磨削的速度优化控制方法。

背景技术

凸轮磨削在数控领域的发展日新月异，高精度、高速磨削依然是大家关注和追求的目标。凸轮的磨削过程是靠旋转轴（C轴）和砂轮进给轴（X轴）的配合实现的，在两轴位置关系一定的前提下，两轴的速度关系是随着凸轮转角的不同而时刻变化的。不同的速度关系，在两轴上引起的动态误差是不同的，进而直接影响了凸轮的磨削精度。在整个加工系统中，砂轮架质量最大，如果凸轮转速过快，就会导致磨头跟踪不到位而产生过切或切削不充分等现象。尤其是在升程曲线中斜率较大的情况下，若速度和加速度依然大，就会造成两个轴的滞后“量”不同，导致两轴不能同步，最后影响轮廓精度。若速度过慢，又会降低整个磨削过程的效率，影响企业的产量。

对于此问题，国内的不少学者也做了一定的工作，并取得了相应的成果。他们对凸轮旋转角速度的变化规律进行优化，使两轴的速度及加速度很好配合，以两轴的动态跟踪误差最小为原则，对提高磨削精度的作用十分明显，这在人工速度优化时已得到验证。目前，国内基于该理论的速度优化途径通常有两种：一是通过砂轮架允许的最大速度和加速度来反向调节凸轮旋转的速度和加速度，王洪等人根据砂轮架X轴的运动速度和加速度来预测C轴的旋转速度（中国专利：201010278922.0、“一种凸轮轴数控磨削加工方法”），该方法易于实现程序自动化，但计算相对比较复杂；另一种是正向调节凸轮旋转轴的速度，计算砂轮架的速度和加速度，并限制最大速度和加速度在允许范围内，上海大学的何永义等采用三角函数逼近的方法来解决头架旋转加速度局部过大的问题（中国专利：201110058262.X）、湖南大学的曹德芳和邓朝辉在文献“凸轮轴磨削加工速度优化调节与自动数控编程研究”中利用三次样条函数拟合插值的方法来进行速度优化，实现了比较好的磨削效果，但这些优化算法都比较依赖数控磨床的机械结构，算法的适应性不够强。与国内的数控磨削相比，国外的数控磨削技术相对来说比较成熟，即使在同样的数控磨床上进行磨削加工，不论在磨削效率还是磨削精度方面都远远超越了国内，但为了商机和盈利起见，国外公开的优化算法甚少。

本发明针对前述问题，提出一种新的凸轮数控磨削速度优化控制方法，即先计算出砂轮架速度和加速度后，对砂轮架速度和加速度进行计算优化，然后反向调整凸轮转速。进一步提出了基于恒角速度磨削，利用经典公式（本发明采用指数函数）优化砂轮速度和加速度，进而调节凸轮旋转速度，以实现在凸轮升程曲线斜率较大处速度减缓、斜率较小处速度提高的目的。

技术内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种数控磨床凸轮磨削的速度优化控制方法。其发明目的在于利用发明的速度优化算法对凸轮进行数控磨削，实现对凸轮升程曲线中斜率较大处和甚小处速度的明显优化，最终实现在保证凸轮磨削的效率的前提下，提高凸轮磨削精度。

为了达到这个目的，本发明采用反转法来描述两个轴的运动学关系，即假设凸轮并不转动，而砂轮以数值相同而方向相反的角速度方向绕凸轮反转。在此基础上，本发明提出的速度优化的磨削方法利用计算机的数控程序来控制整个磨削过程，具体步骤描述如下：

步骤一，向计算机输入凸轮升程表中的基本数据，包括：基圆半径、滚子半径、砂轮半径、从动件的旋转角度以及对应的升程、初始的恒角速度；

步骤二，建立凸轮磨削过程运动学模型，计算砂轮架的进给量和凸轮的旋转角度；

步骤三，为了避免直接计算出来的凸轮旋转角度与砂轮进给量疏密化影响的严重性，对其值进行三次样条插值计算，计算出砂轮圆心轨迹曲线上各点的值；

步骤四，在恒角速度基础上，基于经典公式设计速度调节系数，对砂轮进给速度、加速度和凸轮旋转轴的速度和加速度进行优化；

步骤五，对步骤四中计算的修正后砂轮架进给速度、加速度和修正后的凸轮转速、加速度进行三次样条曲线拟合，得到光滑曲线，由编程软件自动生成数控加工子程序G代码；

步骤六，利用以上得到的G代码对实际凸轮片进行实际磨削，并利用凸轮检测仪检测加工的凸轮，计算轮廓误差，并对升程进行补偿，最后再由计算机自动得出数控加工G代码，接着对凸轮进行磨削，直至磨削结果获得满意。

步骤二所述的磨削过程运动学模型建立步骤如下：

步骤一，按几何关系得出以下坐标表达式：