摘要： 为了提高机械产品的性能质量， 发展高新技术， 设计了高速数控磨床横纵向进给部分，以实现较高的制造精度。通过对现有机床的分析，对横纵向进给硬件进行了选择及设计，其纵向采用反应式步进电机，横向引入了直线电机进给单元；同时设计了该数控磨床的控制系统，使系统各个组成单元均受控于核心控制器PLC。最终，此数控磨床能够很好地实现零件表面的高速精密磨削。

 
      0 引言

     本文对高速数控磨床横纵向进给部分进行了合理设计和选择硬件，提高控制系统的生产率和磨削精度，进而改善产品质量。

     1 、高速数控磨床概述

   （1）高速高精密磨削

    在高速磨削加工中，现有的砂轮，砂轮的传动装置和磨床，限制了磨削速度。现代高精密磨削技术的发展，使磨削尺寸精度达到0.1~0.3 μm，表面粗糙度达到0.2~0.05 μm， 磨削表面变质层和残余应力均很小，明显提高了加工零件的质量。同时，精密、高速进给单元的出现为高精密磨削提供了有利条件。

     由于CBN 砂轮的使用，强力磨削突破传统磨削限制，生产率成倍提高，有些毛坯零件，不需要经过粗切加工，可直接磨削成为成品。

   （2）数字控制系统

    数控（NC）系统是一种控制系统，它能自动阅读输入载体上预先给定的数字，并将其译码，使机床移动并加工零件。数控系统是数控机床等自动加工设备的核心，且其技术发展水平已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志。

    自1952 年美国研制出第一台实验性数控系统以来，数控技术的发展十分迅速，数控系统也由原先的硬连接数控发展成为今天的计算机数控（CNC），而且正在向高速、高精、高效、高可靠性；智能化、柔性化；多样化；开放性；复合型等几方面发展。

    （3）STEP－NC

    数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50 年间信息交换都基于ISO6983标准，即采用G、M 代码描述如何加工。

     ISO6983 从多方面限制了程序的移植性，因此，1996 年由国际标准化组织ISO/TC184 工业数据技术委员会正式命名了新的标准活动ISO14649，以取代在数控机床中广泛使用的ISO 6983 标准制定的新标准称为“CNC 控制器的数据模型”。它基于STEP 并把STEP 扩展到NC，形成“STEP-NC”，直接生产加工工序来控制机床。它解决了NC 程序缺乏统一性及一致性的问题。STEP-NC 是无G、M 代码，无后置处理的NC。

     2、 硬件部分设计

     高速数控磨床横纵向进给硬件部分的设计主要包括电机的选择、电主轴的设计、滚珠丝杠的选择和轴承的选择。

     （1）纵向进给机构电机

     按纵向溜板箱与电主轴的总质量m=400 kg 计算，溜板箱导轨为滑动摩擦，根据磨削机床的特点，本机床主要考虑的是工作台的摩擦转矩

     根据机床的总体布局与设计尺寸，取最大加工工件直径D=200 mm，砂轮直径D1=300 mm，电主轴的最大转速24 000 r/min， 主轴的最大转速为120 r/min，磨削进给速度vf=30 m/min， 砂轮速度vs=60 m/s，工件速度vw=12 m/min，根据文献 得

     根据所求数据，并查文献[6]，纵向进给机构选择反应式步进电机。电机型号为75BF001。

    （2）横向进给机构电机

     近年来，随着技术的进步与加工质量和效率要求的提高，传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的进给驱动方式已不再满足要求。在超高速加工中，为了提高生产率和改善零件的加工质量，不但要求数控机床具有超高速旋转的大功率精密主轴驱动系统，更要求在瞬间达到设定高速状态和在高速下瞬时准确停止运动。

    直线电机具有如下特点:

     ①直线电动机最重要的优点是具有比传统旋转电动机大得多的加、减速度；
     ②加、减速过程的缩短，可改善加工表面质量，提高刀具使用寿命；
     ③提高了传动精度和定位精度，不存在中间环节的磨损问题，维护简单，提高了可靠性；
     ④进给的行程长度不受限制；⑤运动安静、噪声低。

     综合考虑上述因素，根据加工的要求本文采用直线电机作为砂轮的微进给装置，永磁式直线电动机作为横向进给机构的驱动源。直线电机进给机构的运行过程采用闭环反馈控制工作方式，用光栅尺检测磨削刀具的实际位移，并将检测信息通过直线电机的编码器等量输出端口反馈给PMAC 控制器，由控制器的PID 调节器根据目标位移与实际位移的差值自动调节电机的控制参数，快速控制磨削刀具运行，完成所需的进给。

     （3）电主轴

     如图1 和图2 所示， 分别为电主轴端部和尾部。取寿命Lh=20 000 h，主轴转速nm=120 r/min。根据文献[7]选择电主轴的参数：

     （4）滚珠丝杠

     所选滚珠丝杠的参数：

     经校核计算，滚珠丝杠的承载能力、压杆稳定性和刚度均满足要求。

    （5）轴承
 
     公式5

     式中fh———寿命因数；
         fm———力矩载荷因数；
         fd———冲击载荷因数；
         fn———速度因数；
         fT———温度因数；
          P———当量动载荷；
         S0———安全因数；
         P0———当量静载荷；
         Cr———额定动载荷；
         PA———实际承受载荷；
          ε———寿命指数。

     经计算轴承以上3 种校核均满足条件。

     3 、控制系统的设计

     由于机床要实现X、Y 两个方向的进给运动的控制，因而采用工业上通用的PLC 控制系统对机床进行控制。其具有可靠性高、抗干扰能力强；模块功能强、品种多；适应性强、使用面广；编程方法简单直观；体积小、重量轻、功耗低等优点。

     PLC 的CPU 是不能并行地进行多个操作的，它只能按分时操作的原理，每一时只执行一个操作，随着时间的延续，一个操作接着一个操作地顺序执行。

    （1）磨削加工PLC 控制原理

     本设计是在普通车床的基础上进行改造的。用钢球作为球顶尖，用黏接剂固结于锥顶尖球窝中，工件和刚球支撑于机床主轴及尾架上。分别以步进电机和直线电机带动工作台的纵向及横向进给。为了适应频繁起停的高速运动，采用电主轴系统并以变频器作为调速装置，工件的转速由另一变频器调节。步进电机、直线电机、变频器、传感器的采样等以
PLC 作为机床的控制系统。首先PLC 启动控制工件主轴，通过变频器调节工件主轴转速。预热一段时间后，开始测量工件的圆度误差，同时将编码器信号输入PLC 后用于控制采样点位置，采样后数据经放大滤波后PLC 的A/D 模块转换成数字量并CPU对数据进行处理，根据得到圆度误差数据判断是否需要继续进行磨削。如果需要，则PLC 启动电主轴并控制转速，以位控单元控制直线电机做补偿进给运动，实现闭环反馈控制。

     PLC 可编程序控制器用于横向、纵向控制中，将机床的横纵向进给单元、砂轮主轴单元位置检测以及其它附件有机的连接起来，使该磨床成为一个真正意义上的开放式的平台，系统各个组成单元均受核心控制器PLC 的控制。

     （2）位置检测装置及其控制

     检测装置是闭环伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位置和速度，发出反馈信号，构成闭环控制。闭环系统的数控机床的加工精度主要取决于检测系统的精度。分辨率不仅取决于检测装置本身，也取决于测量线路。

     数控机床对检测装置的主要要求：工作可靠，抗干扰性强；使用维护方便，适用机床的工作环境；满足精度和速度的要求；成本低。

    选择测量系统的分辨率要比加工精度高一个数量级；要求控制系统能快速响应传感器的检测信号。本设计选用的是光电脉冲编码器和光栅尺。光栅尺是一种高精度的检测位移的传感器。

    高速数控机床纵向及横向对刀具均用光栅尺完成，其中横向进给对刀具用光栅尺在直线电机内部。具体过程：设置一原点作为信号输入端，当电机运动到这一位置时启动对刀子程序，检测光栅尺数据并进行数字滤波及比较运算处理，被检测信号变化超过某一限值即认为发生接触。

 
     4、 结语
 

     本文简要介绍了高速数控机床，进行了高速数控磨床横、纵向进给的设计。纵向进给采用反应式步进电动机，横向进给引入了直线电机进给单元；直线电机直接驱动电主轴砂轮的进给运动，打破了传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”进给驱动方式，实现了机床横向工作台的“零传动”；另外控制系统采用光电脉冲编码器和光栅尺作为位置检测装置，大大提高了位置精度。最终实现了生产率的提高，提高了磨削精度，改善了产品质量。