發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸高效磨削形狀誤差分析與智能補(bǔ)償

徐剛強(qiáng)

摘 要：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，利用智能融合技術(shù)可以極大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。凸輪形狀誤差直接體現(xiàn)自動(dòng)磨削系統(tǒng)的加工精度，采用兩軸交叉耦合誤差補(bǔ)償，保證砂輪進(jìn)給和工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)符合既定數(shù)學(xué)模型，自動(dòng)識(shí)別凸輪曲線的凹凸類型以及同心度，同步計(jì)算各段曲線的最小曲率半徑。由于磨削力擾動(dòng)、砂輪、機(jī)床穩(wěn)定性等會(huì)降低形狀誤差精度，結(jié)合交叉耦合形狀控制器，采用特殊凸輪的數(shù)學(xué)模型結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行理論驗(yàn)證，不斷修正邊界條件，利用不斷積累的工藝知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)凸輪磨削形狀誤差的智能補(bǔ)償，從而提高凸輪磨削質(zhì)量與效率。

關(guān)鍵詞：凸輪軸;高效磨削;形狀誤差

引言

我國(guó)雖然在汽車零部件產(chǎn)業(yè)取得了巨大進(jìn)步，但整個(gè)行業(yè)仍存在著數(shù)量多、規(guī)模小、產(chǎn)業(yè)化水平低等問題。針對(duì)現(xiàn)有數(shù)控磨床加工凸輪軸磨削形狀誤差要求很難保證精度要求等技術(shù)難題，本文通過高效磨削研究，引入磨削狀態(tài)自我感知技術(shù)，基于磨削系統(tǒng)自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化功能的工藝優(yōu)化特性，對(duì)磨削系統(tǒng)形狀誤差分析與智能補(bǔ)償進(jìn)行研究，利用模型、深度學(xué)習(xí)等算法挖掘內(nèi)蘊(yùn)的工藝知識(shí);通過對(duì)工藝知識(shí)的自動(dòng)化組織，形成工藝知識(shí)庫(kù)并優(yōu)化，達(dá)到提高凸輪磨削質(zhì)量與效率的目的。凸輪磨削是由工件旋轉(zhuǎn)軸與砂輪進(jìn)給軸按照凸輪型線數(shù)學(xué)關(guān)系聯(lián)動(dòng)磨削加工實(shí)現(xiàn)的，采用兩軸聯(lián)動(dòng)各軸獨(dú)立控制的方式，通過插補(bǔ)算法可以使輸入到兩個(gè)伺服系統(tǒng)的給定值保持一定的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，但由于機(jī)械和電氣雙方面的影響，伺服系統(tǒng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的綜合輸出卻無(wú)法保證相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系。凸輪軸數(shù)控磨削加工中影響凸輪形狀精度的誤差來(lái)源可分為四類：①結(jié)構(gòu)誤差;②磨削過程;③動(dòng)態(tài)特性、控制器與外部干擾④砂輪因素。總的形狀誤差是這六種誤差綜合作用的結(jié)果。針對(duì)誤差來(lái)源，可從以下兩個(gè)方面降低誤差：一是提高單軸伺服系統(tǒng)的性能，減小跟蹤誤差;二是對(duì)兩軸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)耦合控制，以期提高工件的形狀加工精度。

一、變形誤差

凸輪軸磨床磨削時(shí)，C軸和X軸聯(lián)動(dòng)，所以只要求出砂輪位移X與凸輪軸轉(zhuǎn)角φ的關(guān)系式，并由關(guān)系式生成數(shù)控指令即可進(jìn)行磨削加工。由于凸輪曲線復(fù)雜，為了提高加工效率和加工質(zhì)量，一般采用離線插補(bǔ)，即將（X，φ）離散為一系列的點(diǎn)（X0，φ0）、…、（Xn，φn），CNC根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)（Xi，φi）和下一點(diǎn)坐標(biāo)（Xi+1，φi+1）采直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)或曲線插補(bǔ)。誤差補(bǔ)償策略，通常要求用戶輸入凸輪軸的升程、砂輪直徑、凸輪數(shù)量、凸輪軸向分布等參數(shù)，然后由CNC擬合出凸輪形狀曲線，計(jì)算磨削點(diǎn)聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)進(jìn)行插補(bǔ)。由于每個(gè)廠家的數(shù)控系統(tǒng)都是封閉的，無(wú)法直接在數(shù)控系統(tǒng)上進(jìn)行補(bǔ)償，故提出軟件補(bǔ)償思路：根據(jù)凸輪升程表，利用三次樣條擬合凸輪形狀線，計(jì)算理論聯(lián)動(dòng)磨削點(diǎn)坐標(biāo)（X0，φ0）、…、（Xn，φn），計(jì)算誤差值（εx0，φ0）、…、（εxn，φn），將誤差值與理論坐標(biāo)進(jìn)行疊加（X0+εx0，φ0）、…、（Xn+εxn，φn），生成新的數(shù)控加工程序，然后將程序輸入到CNC中進(jìn)行磨削加工。

二、誤差補(bǔ)償

數(shù)控凸輪磨床采用切點(diǎn)跟蹤磨削技術(shù)，切點(diǎn)跟蹤磨削技術(shù)作為凸輪以及曲軸軸頸等非圓表面加工的高效高精度的磨削方法，是按照工件形狀控制砂輪架橫向跟蹤進(jìn)給（X軸）和工件回轉(zhuǎn)（C軸）進(jìn)行聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)形狀的磨削加工，XC聯(lián)動(dòng)平臺(tái)交叉耦合控制模型建立在X、C單軸控制的基礎(chǔ)上，運(yùn)用交叉耦合控制方法對(duì)凸輪軸的形狀誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到降低凸輪軸的廓形誤差的目的。交叉耦合控制思想是根據(jù)凸輪軸磨削加工原理進(jìn)行耦合得到凸輪軸的廓形誤差，再運(yùn)用專家PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將形狀誤差根據(jù)一定比例分別分配給X軸和C軸，進(jìn)而達(dá)到實(shí)時(shí)在線補(bǔ)償?shù)淖饔?，專家控制系統(tǒng)是智能控制系統(tǒng)的重要部分之一，根據(jù)控制的原理，控制器采用離散S函數(shù)與Simulink模塊相結(jié)合的形式，采樣時(shí)間、控制輸入上下限及控制器參數(shù)采用封裝的形式設(shè)定。

三、自適應(yīng)控制

兩軸交叉耦合控制可有效地減少凸輪磨削的形狀誤差，但磨削過程中的磨削力擾動(dòng)、非線性等因素還是會(huì)降低形狀精度，并且隨著進(jìn)給速度的不同，凸輪瞬態(tài)形狀誤差也會(huì)隨之發(fā)生改變，并可能會(huì)大于給定的范圍。為保證整個(gè)磨削加工過程中形狀誤差控制在要求的誤差范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)的交叉耦合誤差與模型參考自適應(yīng)控制相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)中進(jìn)給量指令作為輸入，形狀誤差作為輸出，模型參考自適應(yīng)策略用于求解由插補(bǔ)器和交叉耦合控制器組成的非線性時(shí)變動(dòng)態(tài)模型，即根據(jù)指定的形狀誤差范圍采用形狀誤差反饋產(chǎn)生自適應(yīng)進(jìn)給控制量命令。動(dòng)態(tài)模型的參數(shù)是未知的，參考模型的輸入為指定的誤差范圍，被控對(duì)象的輸出與參考模型的輸出進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)使輸出誤差收斂于零。凸輪軸是由工件旋轉(zhuǎn)軸和砂輪進(jìn)給軸聯(lián)動(dòng)磨削加工完成的，如果一個(gè)軸只控制自身的誤差而不顧另一軸當(dāng)前的誤差情況，加工出的凸輪形狀就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。以形狀誤差作為直接控制目標(biāo)來(lái)對(duì)各軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，工件旋轉(zhuǎn)軸和砂輪進(jìn)給軸均需同時(shí)接收兩軸的誤差信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)位置誤差的綜合補(bǔ)償。

四、自我感知驅(qū)動(dòng)

通過凸輪軸磨削狀態(tài)自我感知技術(shù)，使高速高精高耐磨凸輪軸自動(dòng)磨削系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自生長(zhǎng)、自優(yōu)化功能的工藝優(yōu)化特性。通過對(duì)凸輪磨削過程中的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并用凸輪磨削結(jié)果對(duì)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，建立運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)與工藝參數(shù)間的映射關(guān)系，形成工藝數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用統(tǒng)計(jì)分析、時(shí)頻分析、小波分析、稀疏分解等方法提取上述數(shù)據(jù)之間的特征，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、深度學(xué)習(xí)等算法挖掘其中內(nèi)蘊(yùn)的工藝知識(shí);通過對(duì)工藝知識(shí)的自動(dòng)化組織，形成工藝知識(shí)庫(kù);利用不斷積累的工藝知識(shí)庫(kù)，對(duì)磨削凸輪的已有工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到提高凸輪磨削質(zhì)量與效率的目的。

結(jié)束語(yǔ)

通過數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算凸輪磨削加工中的形狀誤差，特殊凸輪的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式對(duì)參數(shù)變化很敏感，超出一定范圍就會(huì)失效，在采用交叉耦合形狀控制的基礎(chǔ)上，通過凸輪軸磨削狀態(tài)自我感知技術(shù)，建立運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)與工藝參數(shù)間的映射關(guān)系，使磨削系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化功能的工藝優(yōu)化特性。引入自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)控制技術(shù)，在線調(diào)節(jié)進(jìn)給量，即利用形狀誤差，建立特殊凸輪的數(shù)學(xué)模型時(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行理論驗(yàn)證，不斷修正邊界條件，實(shí)時(shí)進(jìn)行修正補(bǔ)償，運(yùn)用在線監(jiān)測(cè)及自動(dòng)修正和補(bǔ)償技術(shù)，提高凸輪軸的加工精度和穩(wěn)定性。

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