1.引言
數控凸輪軸高速磨床是生產汽車和發動機凸輪軸（見圖1）的主要加工工具，主要用于凸輪軸的非圓輪廓高精度加工，對加工磨床的加工精度要求很高。
本文中選用了中達PUTNC-H6系列通用數控系統的機床通過數控系統來實現控制砂輪架進給、靠模換片、工作臺移動和砂輪修整等運動控制。可根據需要選擇最合理的砂輪修整次數和修整量來提高表面磨削質量，降低砂輪消耗。砂輪主軸系統采用最新的線速度模型，可以根據砂輪直徑修正變化和線速度工藝要求自動補償，來實現恒線速磨削，大幅度提高加工精度和效率，避免凸輪軸磨削時易發生的表面燒傷。
機床主傳動系統采用交流伺服電機和滾珠絲桿結構，進給精確，動作可靠。同時機床具有多種自動保護功能，有效提高了設備的安全性。
2.PUTNC-H6通用數控系統介紹
PUTNC-H6通用數控系統（圖2），是中達電通結合前期H4系列通用數控系統在產業機械上應用的成功經驗而研發的通用型數控系統，具有以下特點：
圖2 PUTNC-H6通用數控系統
1) 分體式設計，可選配第二輔助操作面板，H6系列接口采用高清晰彩色8"英寸LCD液晶顯示，H6CL系列更采用10"LCD液晶顯示，顯示的分辨率和色彩的明亮度都較早期H4系列產品有大幅提升；
2) 最新PLC軟件和LCD接口編輯軟件，可以根據不同機床工藝要求任意修改接口，可以為不同的產業機械打造客制化控制方案；
3) 數控系統可以自動識別電壓或者脈沖控制方式，分辨率可設定至7 位數，任何軸向均可外接光柵尺，實現全死循環控制架構，最大響應頻率2000kpps，控制精度更高；
4) 當數控系統的命令控制方式為脈沖類型、開環控制方式時，也同樣具有編碼器脈沖回授功能，用以比對伺服軸是否到位，有效防止撞機；
5) 相對于以往中達電通數控系統，優化的加減速曲線模型，0.5μs的處理響應，能夠對刀具路線平滑處理，有效降低加工零件的表面粗糙度；
6) 支持第二組軟件限位功能，能夠通過PLC切換；
7) PLC輸入和輸出采用最新的分體式通訊模塊，可以自由組合擴充，輸入點的開關類型支持NPN和PNP兩種類型自動識別。
3.凸輪軸工件的加工工藝
該磨床的數控系統控制3個伺服軸，其中X軸驅動砂輪架縱向進給，用以決定凸輪的磨削尺寸；Z軸驅動橫向位移工作臺位移，用以更換凸輪位置；Y軸驅動靠模伺服，用以更換相應的凸輪靠模。整改凸輪的加工方法類似于仿行加工。凸輪加工的精度要求在最大升程誤差≤0.05mm，凸輪表面粗糙度低于0.4μ。
4.砂輪的修整補償功能實現
磨削加工不同于車削加工，砂輪是由磨料顆粒和粘接劑壓制成的圓輪，用來磨削工件的表面。在磨削加工過程中，砂輪與工件是面與面的接觸，磨料的顆粒和粘合劑會脫落砂輪本體，從而使砂輪表面凹凸不平，修整就是利用金剛石刀具去除砂輪表面的不平，使砂輪變銳。當砂輪修整后，砂輪的直徑就會發生相應的減小，因此需要砂輪的修整補償功能。見圖3。
中達PUTNC-H6數控系統利用LCD開放的特點，可以將用戶所需的工藝參數歸集在同一個界面中。中文注釋說明和對談式的數據輸入接口，使操作者可以非常方便地輸入工藝參數。
同時，當調用磨削程序時，數控系統可以利用豐富的宏程序運算指令，實現砂輪補償的數學運算。
圖3 砂輪修整設定圖
5. 砂輪線速度設定
凸輪在修整后，砂輪的直徑會發生減少，早期的西門子802C數控系統，因為數控的底層變量并不開放給機械制造商，所以設計人員只能夠設定主軸變頻器的來源為變頻器面板控制，由外部端子來進行速度切換，主軸轉速需要根據一個EXCEL表格，事先計算出變頻器頻率，再到變頻器面板上進行相應的參數修改，十分繁瑣。
使用中達電通H6數控系統的解決方案，主要應用了該型號數控系統底層變量開放和PLC開放運算的特點。根據砂輪主軸系統線速度模型公式，用戶只需在更換新砂輪時，輸入相對應的砂輪直徑和砂輪的線速度，數控系統就可以自動根據砂輪直徑修整變化值和線速度工藝要求自動進行補償修整，從而實現砂輪的恒線速磨削。砂輪相關參數，直接在數控系統上設定計算，由模擬量電壓控制變頻器運行，從而無需修改變頻器參數，大幅度提高加工精度和效率，避免了凸輪軸磨削時易發生的表面燒傷。見圖4。
圖4 砂輪線速度設定圖
6.安全防護上的改進
早期的西門子802C方案，因為數控接口沒有開發，操作者使用時需要在手動模式先示教修整砂輪后，用筆記錄下當前坐標，在折返R參數接口填寫相應的數據，且輸入數據無中文注釋，有時會出現數據輸入出錯，引發撞車，而碎掉砂輪。有時則因為操作人員未注意工件和金剛筆的高度落差，位移X軸，直接撞擊高速砂輪面造成高速運行的砂輪破裂飛出，從而引發安全危險。
中達數控系統的方案從3個方面入手解決了這個問題。
1) 數據示教方法設定，不需繁瑣的接口操作。以圖3中砂輪修整接口為例，操作者只需要移動到圖示金剛筆的起點的相應位置，點擊按鍵“R34/R46”，數控系統就會自動將當前的X、Z軸的機械坐標，直接賦值到對應的關鍵工藝變量，不給操作者設定的機會，從而將設定錯誤的風險降低為0。對于其他次要的相關工藝參數，在集中在同一個中文參數接口中，采用圖標設定接口，大大降低了設定錯誤的幾率。
2) 利用系統自身的兩組軟限位，實現金剛筆修整位置和工件磨削位置動態軟限位功能。因為CNC對于NC程序的處理，是采用預讀的機制來處理CNC運動的軌跡，當CNC預讀的軌跡數據大于CNC設定的軟限位時，數控系統便會先期發出報警，并禁止軸向運行，從而起到安全保護的作用。根據這一點，我們結合H6數控系統具有兩組軟限位的功能，及利用PLC的邏輯功能，判斷Z軸工作臺的位置，從而確定開啟相應區域X軸的安全軟限位。這樣金剛筆修正和工件磨削時，都有軟件保護，從而徹底避免高速撞擊。同時，我們還利用H6數控系統的數學運算功能，在軟限位設定值初次設定后，根據砂輪修正后直徑變化，自動修正"X軸"系統軟限位值，做到全程的安全保護。如圖5所示。
圖5 軟限位保護設定圖
3) MPG手搖輪測試。MPG手搖輪測試也是H6數控系統的一大特點，利用這一個特點，操作者在首次設定參數后，在程序測試模式下運行NC程序，數控系統會以NC規劃的路徑方向運行。但是進給速率完全由操作者轉動手輪運行的快慢確定，當發生機械干涉時，操作者只要停止旋轉手輪，數控系統就會停止進給，從而完全避免參數設定錯誤，引起的撞機。
7. 中達數控H6和西門子數控802C 方案比較
首次表1中清楚明了地表現力使用中達PUTNC-H6數控系統和使用西門子802C數控系統兩者之間的不同。
表1 使用西門子802C與中達PUTNC-H6數控系統的方案對比
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8.結束語
本文從機理上概述了H6系統在凸輪軸磨床上的應用特點。對于機床制造商而言，中達電通為其運用量身定度的控制解決方案，完全能夠實現原有方案的控制要求，同時又可以根據機床最終使用者遇到的實際情況，站在最終用戶的角度去思考問題，提出獨樹一幟的解決方案，這就是中達電通H6數控系統的核心競爭力。
作者簡介：
張廣偉，1976年9月出生，畢業于洛陽拖拉機學院 數控技術專業。現任中達電通股份有限公司伺服數控產品開發處高級應用工程師，從事伺服數控產品的應用支持和產品營銷工作，14年電氣相關職業生涯。
