摘要： 為了提高機械產品的性能（néng）質量， 發展高新技術， 設計了高速數控磨床橫縱向（xiàng）進給（gěi）部分（fèn），以實現較高的製造（zào）精度。通過對（duì）現有機床的分析，對橫縱向進給硬件進行了選擇及設（shè）計，其縱向采用反應式步進電機，橫向（xiàng）引入了直線電（diàn）機進給單元；同時設計了該數控磨床的控製係統，使係統各個組成單元均受控於核心控製器（qì）PLC。最終（zhōng），此數（shù）控磨床能夠很好（hǎo）地實現零件表麵的（de）高速精密磨削。

 
      0 引言

     本文對高（gāo）速數控磨床橫縱向（xiàng）進給部分進行了（le）合理設計和選擇硬件，提高控製係統的生產率和磨削精度，進而改善產品質（zhì）量。

     1 、高速數控磨床概述

   （1）高速（sù）高精密磨削

    在高速磨削加工中，現有的砂輪，砂輪（lún）的傳動裝置和磨床，限製了（le）磨削速度（dù）。現代高精密磨削技術的（de）發展，使磨（mó）削尺寸精度達到0.1~0.3 μm，表麵粗糙度達到0.2~0.05 μm， 磨削（xuē）表麵變（biàn）質層和殘餘應力（lì）均（jun1）很（hěn）小，明顯提高了加工零件的質量。同時，精密、高速進（jìn）給單元（yuán）的（de）出現為高（gāo）精密（mì）磨削提供了有利條件。

     由於CBN 砂輪的使用（yòng），強力磨削突破傳統（tǒng）磨削限製，生產率成倍提高，有些（xiē）毛坯零件（jiàn），不需要經過粗切加工，可直接磨（mó）削成為成品。

   （2）數字控製（zhì）係統

    數控（kòng）（NC）係統是一種控製係統，它能自動閱讀輸入載體上預（yù）先給定的數字，並將其譯碼，使機床移動並加工零件。數控係統是數控機（jī）床等自動加（jiā）工設備（bèi）的核心，且其技（jì）術發展水（shuǐ）平已成為衡量一（yī）個國家機械製造水平的重（chóng）要標誌。

    自1952 年（nián）美國研（yán）製出（chū）第一台實驗性數控（kòng）係統以來，數控技術的發展十分迅速，數控係統也由原先的硬（yìng）連接數控發展成為今天的計算機（jī）數控（CNC），而且正在向高速、高精、高效、高可（kě）靠性；智能化、柔（róu）性化；多樣（yàng）化；開放性；複合型等幾方麵發展。

    （3）STEP－NC

    數（shù）控標準是製造（zào）業信息化發展的一種趨勢。數控技術誕生後的50 年間信息交換都基於ISO6983標準，即（jí）采用G、M 代碼（mǎ）描述如何加工。

     ISO6983 從多方麵（miàn）限製了程序的移植（zhí）性，因此，1996 年由國際標準化組織ISO/TC184 工業（yè）數據技（jì）術委員會正式命名了（le）新的標準活動ISO14649，以取代在數控機床中廣（guǎng）泛使用的ISO 6983 標準製定的新標準稱（chēng）為“CNC 控製器的（de）數據（jù）模型”。它基於STEP 並把STEP 擴展（zhǎn）到NC，形成（chéng）“STEP-NC”，直接生產加工工序來控（kòng）製機（jī）床。它（tā）解決了NC 程序缺乏統一性及一致性（xìng）的問（wèn）題。STEP-NC 是無G、M 代碼（mǎ），無後置處理的NC。

     2、 硬件（jiàn）部（bù）分設計

     高速數控磨床橫（héng）縱向進給硬件（jiàn）部分（fèn）的設計主要包括電機的選擇、電主軸的設計、滾珠絲杠的（de）選擇和軸承的選擇。

     （1）縱向（xiàng）進給機構電機

     按縱向（xiàng）溜板箱與電主軸的總（zǒng）質量m=400 kg 計算，溜板箱導軌為滑動摩擦，根據磨（mó）削機（jī）床的特點，本機床主要考慮的是（shì）工作台的摩擦轉矩（jǔ）

     根據機床的總（zǒng）體布局與（yǔ）設計尺寸，取最大加工工（gōng）件直（zhí）徑D=200 mm，砂輪直徑D1=300 mm，電主軸的最（zuì）大（dà）轉速24 000 r/min， 主軸的最大轉速為120 r/min，磨削進給速度vf=30 m/min， 砂輪速度vs=60 m/s，工件速度vw=12 m/min，根據文獻 得（dé）

     根據所求數據，並查（chá）文獻[6]，縱向進給機構選擇反應式步進電機。電機型號為75BF001。

    （2）橫向進給機構電（diàn）機

     近年來，隨著技術的（de）進步（bù）與加工（gōng）質量和（hé）效率要求的提高（gāo），傳統（tǒng）的“旋轉（zhuǎn）伺服電機+滾珠絲杠”的進給驅動方式已不再滿足要求。在超高速（sù）加工中，為了提高生產率（lǜ）和改善零件（jiàn）的加工質量，不但要求（qiú）數控機（jī）床具有（yǒu）超高速旋轉的大功（gōng）率精密（mì）主軸驅動係統（tǒng），更要求在瞬間達到設定高速狀態和在高速下瞬時準確（què）停止運動。

    直線電機具有如下特點:

     ①直線電動（dòng）機（jī）最重要的優點是具有（yǒu）比傳統旋轉電動機大得多的加（jiā）、減速度；
     ②加、減速過程的縮短，可改（gǎi）善加工表麵（miàn）質量（liàng），提高刀具使（shǐ）用壽命；
     ③提高了傳動精度（dù）和（hé）定位精（jīng）度，不存在中間環節的磨損問題（tí），維護簡單，提高了可靠性；
     ④進給的行程（chéng）長（zhǎng）度不（bú）受限製；⑤運動安靜、噪聲低。

     綜合考慮上述因素，根據加工的要求本文采用（yòng）直線電機作為砂輪的微進給裝置，永磁式直線電動機作為橫向進給機構的驅動源。直線電機進給機構（gòu）的運行過（guò）程采用閉環反饋控製工作方式，用光柵尺檢（jiǎn）測磨削刀（dāo）具的實際位移，並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 控製器，由控（kòng）製器的PID 調節器（qì）根據目（mù）標位移與實際位移的差值自動調節電機的控製參數，快速控製磨削刀具運（yùn）行，完成所需的進給。

     （3）電主軸

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

     （4）滾珠絲杠

     所選滾珠絲杠的參數：

     經校核計算，滾珠絲杠的承載能力、壓杆（gǎn）穩定性和剛度均滿足要求。

    （5）軸承
 
     公式5

     式中fh———壽命因數；
         fm———力矩載荷（hé）因數；
         fd———衝擊載荷因數；
         fn———速度因數；
         fT———溫度因數；
          P———當量動（dòng）載荷；
         S0———安全因數；
         P0———當（dāng）量靜載荷；
         Cr———額定動載荷；
         PA———實際（jì）承受載荷（hé）；
          ε———壽命（mìng）指數。

     經計算軸承（chéng）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（zhì）係（xì）統（tǒng）對機床進行控製。其具有可靠性高、抗幹擾能力（lì）強；模塊（kuài）功能強、品種多；適應性強、使用麵廣；編程方法簡單直觀；體積小、重量輕、功耗低等優點。

     PLC 的CPU 是不能並行地進行多個操作（zuò）的，它隻能按（àn）分時操作（zuò）的原理，每（měi）一時隻執行一個操作，隨著時間的延續，一（yī）個（gè）操（cāo）作接著一個操（cāo）作地順序執行。

    （1）磨削加工PLC 控製原理

     本設（shè）計是（shì）在普通車床的基礎上（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（jiàn）和（hé）剛球（qiú）支撐於機床主軸（zhóu）及尾架上（shàng）。分別以步進電機（jī）和直線電機帶動工作台的縱向及橫向進給。為了（le）適應頻繁起停的高速運動，采用電主軸係統並以（yǐ）變頻器作為調速裝置，工（gōng）件的轉速由另一變（biàn）頻器調節。步進電機（jī）、直線電機、變頻器、傳感器的采樣等以
PLC 作為機床的控製係統。首先PLC 啟動控製工件主軸，通過變頻器（qì）調（diào）節工件主軸轉（zhuǎn）速。預熱一段時間後，開始測量工件的圓度誤差，同時（shí）將編碼器信號輸入PLC 後用於（yú）控製采樣點位置，采樣（yàng）後數據經放（fàng）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（dù）誤差數據（jù）判斷是否需要繼續進行（háng）磨削。如果需要，則（zé）PLC 啟動電主軸並控（kòng）製轉（zhuǎn）速，以位控單元控製直線電機做補（bǔ）償進（jìn）給運動，實現閉環反（fǎn）饋控製（zhì）。

     PLC 可編（biān）程序控製器用（yòng）於橫向、縱（zòng）向控製中，將機（jī）床的橫（héng）縱向（xiàng）進給單（dān）元、砂輪主（zhǔ）軸單元位置檢測以及其它附件有機的（de）連接起來，使該磨床成為一個真正意義上的（de）開放式的平台，係統各個（gè）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（shì）閉環（huán）伺服係統的重要（yào）組成部分（fèn）。它的作用是檢測位置和速度（dù），發出反（fǎn）饋（kuì）信（xìn）號，構成閉環控製。閉環係統的數控機床的加工（gōng）精度主要取（qǔ）決於檢測係統的精度。分辨率不僅取決於檢測裝置本身，也取決於測量線路（lù）。

     數控機床對檢測裝置的主要要求（qiú）：工作可靠，抗幹擾性強；使用維護方便，適用機床的工作（zuò）環境；滿足精度和速度（dù）的要求；成本低。

    選擇測量係統的分辨率要比加（jiā）工精度高一個數量（liàng）級；要求控製係統能快速響應傳（chuán）感器的檢測信號。本設計選用的是（shì）光電脈衝編碼器和光（guāng）柵尺。光柵尺是一種（zhǒng）高精度的檢測位移的傳感器。

    高速數控機床縱向及橫向對刀具（jù）均用光柵尺完成，其中橫向進給對刀具用光柵（shān）尺在直線電機內部。具體過程：設置（zhì）一原點作為（wéi）信號輸入端，當電機運動到這一位置（zhì）時（shí）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理，被檢測信號變化（huà）超過某一限值即認為（wéi）發生接觸。

 
     4、 結語
 

     本文簡要介（jiè）紹了高（gāo）速數控機床，進行了高速數控磨床橫、縱向進給的設計。縱向進給采用反應式步進電動機，橫向進給引入了直線電機進給單元；直線電機直接驅動電主（zhǔ）軸砂輪的進給運動（dòng），打破了傳統的“旋轉伺服（fú）電機+滾（gǔn）珠絲杠”進給驅動方式，實現了機床橫向工作台的“零傳動”；另外控製係統采（cǎi）用光電脈衝編碼器和光柵尺（chǐ）作為位置檢測裝置，大（dà）大提高（gāo）了位置精度。最終（zhōng）實現了（le）生產率（lǜ）的提高，提高了磨削精度，改善了產品質量。