传统的凸轮轴磨床采用仿形加工方法。由于靠模本身的误差、机床的传动误差、靠模的磨削原理等因素，靠模加工的凸轮轮廓曲线误差较大。另外仿形容易磨损，更换周期长，成本高，也可能降低机床的精度。从20世纪80年代开始，国外一些发达国家逐渐应用数控凸轮轴磨床来满足生产要求。但由于数控凸轮轴磨床技术含量高，目前只有少数几个国家能掌握这项技术，所以机床价格昂贵，60-80万美元的价格，国内企业一般负担不起。因此，我们有必要开发自己的数控凸轮轴磨床，重点研究凸轮轴磨床的数控系统，以满足国民经济发展的需要。

1 设计思想

数控凸轮轴磨床的关键技术是数控成形。根据数控成形方法的不同，有两种类型的数控凸轮轴磨床。一种是极坐标式：工件旋转，磨削架进给，形成凸轮轮廓。这种方式的控制算法比摇架简单，容易提高加工精度，但生产率较低。另一种是摇架：工件旋转，摇架摆动，形成凸轮轮廓。由于摇篮的惯性比砂轮小，所以这种方法的生产率更高，但工艺更复杂。考虑到传统凸轮轴磨床都是摇架式，摇架式数控成形不仅生产率高，而且有利于传统凸轮轴磨床的数控改造，所以本数控系统采用摇架式数控成形。为了保证凸轮加工的精度，工件旋转和摇架摆动之间采用了强制耦合技术。用光栅检测并反馈摇架的角位移，再用数字调节技术提高轮廓控制精度。为了确保生产率，交流或DC伺服电机用于旋转工件和摆动摇篮。为了降低成本，采用步进电机来移动工作台。机床主机是在一台M8312普通凸轮轴磨床上进行数控改造后形成的。这台机床的数控改造主要包括以下几点。1.主轴电机2。伺服电机3。工件主轴4。光栅5。摇篮6。工作台7。车床床身8。步进电机图1数控凸轮轴磨床传动系统图图2数控系统硬件原理图主轴箱主轴的旋转由原来的两级变速改为交流变频器控制的无级变速，实现凸轮轴的不等角速度控制。去掉原有的仿形机构，采用DC伺服电机、滚珠丝杠和杠杆机构来摆动摇架，实现数控成形。工作台的移动原来由手轮操作，现在由步进电机驱动，以实现凸轮桃的自动更换。改造后的机床传动系统如图1所示。

2 数控系统的硬件结构

该系统采用STD总线工业控制计算机，其系统组成如图2所示。CPU是系统的控制核心，完成数据计算、信息处理、调整算法、输入输出控制等。该板存储系统程序、cam数据等。键盘和显示板管理键盘输入和显示输出。两块D/A板将数字信号转换成模拟信号，其中一块控制DC伺服电机做带摇篮的凸轮轮廓数控成形运动，并采用看门狗监控，提高系统的可靠性；另一种是通过变频器驱动一台普通的三相交流异步电机来完成床头箱主轴的转动。两块D/A板的转换精度为12位。I/O输入输出板有32个开关量输入输出端口，其中16个输入端口，16个输出端口；另外还有一个步进电机输出口，通过驱动板驱动步进电机。链接板是与PC通信的连接板。PC计算的凸轮轮廓数据可以通过链接板下载到内存板上的RAM内存中。

3 软件功能及技术特点

软件的编辑功能允许用户输入、删除、修改数据；控制功能可以实现凸轮轮廓的数控成形、凸轮轴的圆弧分度、主轴的不等角速度旋转、步进电机的频率控制、速度控制、方向控制和位移控制

以下是其技术特点：凸轮轮廓由数控形成，凸轮轮廓由数控形成，可明显提高机床加工的灵活性。产品更换时，只需更换数控软件，不再需要制造和更换仿形。用户可以将现有产品的轮廓曲线输入数控系统并进行编号。加工时，只需输入产品编号。强制耦合技术在工件主轴的旋转和摇架的摆动之间采用强制耦合技术，提高了凸轮轮廓的成形精度。当主轴箱主轴以不等角速度旋转，主轴箱主轴带动工件匀速旋转时，在较陡的凸轮曲线处，工件进给量会急剧增加，磨削热量和磨削压力也会相应增加，严重时会导致烧伤和裂纹。据某厂统计，磨削凸轮轴时，工件转速为15r/min，烧伤和裂纹造成的废品率为2% ~ 5%。工件转速为30r/min，烧伤和裂纹造成的废品率约为30%。因此，为了避免烧伤和裂纹，不得不降低工件的转速，这降低了生产率。这个系统通过变频器驱动三相异步电机，使主轴箱主轴以不等角速度旋转：在凸轮曲线较陡的地方工件速度变慢；在凸轮曲线平缓的地方，工件的旋转速度加快。这样就避免了烧伤和裂纹，提高了生产率。凸轮成形随砂轮直径变化的自动修正在凸轮轮廓加工中，当砂轮直径变化时，砂轮与凸轮轮廓的接触点会发生移动，从而产生成形误差。靠模加工时，某一靠模对应某一砂轮直径，这样加工就精确了。砂轮磨损时，直径减小，误差增大。所以仿形原理决定了加工出来的凸轮精度不高，砂轮可用直径范围不大。该系统能在加工过程中随着砂轮直径的变化自动修正轮廓曲线，提高了加工精度，延长了砂轮的使用寿命。机床数字调整技术利用机床数字调整技术可以增加系统的稳定性，提高系统的快速性和准确性。对于给定的机床，我们可以找到适合它的最佳调节器类型和最佳调节器参数。在8088CPU和4.9MHz时钟的硬件条件下，系统采用数字调整技术，保证了工件转速为50r/min时，轮廓的加工精度控制在0.03mm以内。如果采用更高级的工控微机，还可以进一步完善。

高工件的转速和加工精度。

4 应用情况及结论

用改造后的M8312数控凸轮轴磨床对安徽巢湖油泵油嘴厂的一号泵凸轮轴进行了加工和装泵使用。该厂质检处和产品研究室对预行程、相位角误差、供油量和噪声进行了测试。结果表明，被加工的凸轮轴达到技术要求，装泵后的整机性能达到企业标准，使用状况良好。根据研制和使用情况，结论如下：

去掉靠模，采用数控方式形成凸轮轮廓，可明显提高机床加工的柔性。产品变更时，只需改变数控软件即可，不再需要制造和更换靠模。试验和实践证明，这种摇架摆动式数控成形的方法是可行的，并具有生产率高和便于传统凸轮轴磨床改造的优点。 采用变频器驱动原机床的三相异步电机，花钱不多实现了头架主轴的不等角速度转动。这样，既避免了烧伤和裂痕，又提高了生产率。 加工时系统能随砂轮直径的变化自动校正轮廓曲线。这样，既提高了加工精度，又延长了砂轮的使用寿命。 系统在8088CPU，4.9MHz时钟的硬件条件下，由于采用了数字调节技术，保证了在工件转速为50r/min时，型线轮廓加工精度控制在±0.03mm之内。 由于该工控机运行速度偏低，不能满足更高生产率和更高精度的要求，采用高档次的微机可以改善这一情况。