一种数控精密内圆磨床及其加工控制方法

专利名称：一种数控精密内圆磨床及其加工控制方法
技术领域：
本发明涉及机加工设备领域，尤其是涉及一种数控精密内圆磨床加工控制 方法。
背景技术：
许多机械零件的加工精度要求较高，普通磨床不能达到要求。例如，柴油 发动机上喷油嘴零件，其特点是内孔及内锥面的形状精度、孔与锥面的同心度、 表面粗糙度要求较高。现有技术中对于类似柴油发动机上喷油嘴零件的内孔及 锥面的精加工，有采用镗削+研磨的工艺的，也有采用液压机械式双工位磨床磨
削工艺的；采用镗削+研磨的工艺的缺陷是效率低、清洗困难。采用液压机械式 双工位磨床磨削工艺的缺陷是尺寸精度不易控制、调整繁琐、加工出的工件圆 度、粗糙度、尺寸分散等参数的稳定性差。另外，目前公知的数控内圆磨床加 工时都采用粗磨、修整砂轮、精磨的三步法进行。在粗磨和精磨时不论进给尺 寸大小，磨床都是按同一进给速度一次走完，其间磨具速度也是固定的不可调 整。而且修整砂轮时，磨具速度与粗磨、精磨时的速度相同。上述现有的磨削 控制方法存在以下问题和缺点1、不能适应最佳磨削工艺化的要求；2、不能 解决磨削中产生热量过多而导致的工件过热烫手问题；3、不能适应不同材料的 砂轮需要不同的修整转速问题；4、也会带来加工出的工件圆度、粗糙度、尺寸 分散等参数不稳定问题。

发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种数控精密内圆磨床，提高加工效率 和精度。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案-
本发明的数控精密内圆磨床包括床身、车头、磨削模块、电控装置、横向 滑板机构和纵向滑板机构，其中每套滑板机构均由伺服电机驱动并采用滚珠丝
杠传动；所述车头设置在横向滑板结构的滑板上，所述磨削模块包括中孔磨削
模块和锥面磨削模块，其中每套磨削模块分别通过一套独立的磨削滑板机构设
置在所述的纵向滑板机构的滑板上，每套磨削模块均包括一套独立的往复驱动
机构、磨具和磨具旋转驱动机构。
进一步，所述车头的主轴采用动静压轴承支撑的主轴结构。 进一步，该磨床还包括中孔修整器部件和锥面修整器部件。 进一步，所述的电控装置包括人机界面装置和可编程序控制器，该人机界
面与可编程序控制器相连，该可编程序控制器内嵌有精密磨削工艺控制程序。 进一步，所述伺服电机均为由伺服驱动器驱动的交流伺服电机，所述可编
程序控制器通过伺服驱动器控制所述交流伺服电机。
进一步，所述磨具旋转驱动机构的供电装置包括有变频器，所述变频器与
所述可编程序控制器相连。
进一步，所述往复驱动机构采用偏心结构往复驱动装置。 本发明的另一目的是提供一种采用所述数控精密内圆磨床提高磨削加工效
率和精度加工方法。
为达到上述目的，本发明的方法将磨削工序中的粗磨阶段和精磨阶段分别
分成若干细化磨削阶段，针对每个细化磨削阶段根据最佳磨削工艺曲线设定对
应的加工参数，可编程序控制器根据所设定的各个细化磨削阶段的加工参数控
制进给尺寸、进给速度和磨具旋转速度。
进一步，通过人机界面装置设定所述的加工参数；通过调整变频器的输出频
率控制所述磨具旋转速度。
进一步，将磨削工序中需要的磨具修整阶段插入到若干所述的细化磨削阶段之后，同时根据最佳磨削工艺的需要设定对应的修整参数，可编程序控制器 根据所设定修整参数控制磨具修整阶段的磨具修整速度 本发明的有益效果是
本发明的磨床是一台模块化的两轴数控内圆磨床，即用于装夹工件的车头 和包括磨具的磨削模块分别在X轴和Y轴的进给运动(即横向的、纵向的进给 运动)均是采用数控伺服电机驱动和滚珠丝杠传动，提高了磨具和工件的进给 精度；磨削滑板机构和纵向滑板机构形成双层滑板机构，其中纵向滑板结构完
成磨具Y轴的进给运动，磨削滑板机构完成磨具在磨削工位的往复直线运动，
此种结构有利于提高进给效率并保持加工精度；在纵向滑板结构上设置两套磨
削模块即中孔磨削模块和锥面磨削模块，从而形成双工位加工，可以进一步提
高加工效率和精度。本发明的方法基于本发明的磨床，将加工阶段细化成若干
小阶段，根据最佳磨削工艺曲线设定适合各个小阶段的加工参数，可编程序控
制器内嵌的精密磨削工艺控制程序调用合适的加工参数控制机床重要部件的运
行从而实现精磨磨削加工。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐 述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显 而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可 以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获 得。


图l为本发明的主视图。 图2为本发明的俯视图。 图3为本发明的逻辑功能框图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如附图1和图2所示，本实施例的数控精密内圆磨床包括床身1、车头3、 磨削模块、电控装置9、横向滑板机构2和纵向滑板机构8，其中每套滑板机构 均由伺服电机驱动并采用滚珠丝杠传动；所述车头3设置在横向滑板结构2的 滑板上，所述磨削模块包括中孔磨削模块7和锥面磨削模块6，其中每套磨削模 块分别通过一套独立的磨削滑板机构设置在所述的纵向滑板机构的滑板上，每 套磨削模块均包括一套独立的往复驱动机构、磨具和磨具旋转驱动机构，本实 施例中磨具即为砂轮。本实施例的磨床还包括中孔修整器部件4和锥面修整器 部件5，用于磨削加工过程中磨具的修整。本实施例中，所述车头3的主轴采用 动静压轴承支撑的主轴结构。所述的电控装置9包括人机界面装置和可编程序 控制器，该人机界面与可编程序控制器相连，该可编程序控制器内嵌有精密磨 削工艺控制程序。所述伺服电机均为由伺服驱动器驱动的交流伺服电机，所述 可编程序控制器通过伺服驱动器控制所述交流伺服电机。所述磨具旋转驱动机 构的供电装置包括有变频器，所述变频器与所述可编程序控制器相连。所述往 复驱动机构采用偏心机构往复驱动装置。
结合图3所示逻辑功能框图可知，本实施例的磨床没有使用标准数控系统， 而是采用人机界面、可编程序控制器、交流伺服、变频器等组成的非标准数控 系统，人机界面通过RS232接口与可编程序控制器双向通讯，可编程序控制器 和变频器通过RS485接口通讯，可编程序控制器高速脉冲输出端子接交流伺服 驱动器的脉冲输入端子实现定位脉冲串的传输。通过人机界面软件包开发适合 数控磨床的用户界面程序，通过可编程序控制器软件包开发出所述精密磨削工 艺控制程序，然后分别下载到人机界面和可编程序控制器后即可实现对数控磨 床的各种控制。在开发精密磨削工艺控制程序时，基于本磨床的模块化结构， 我们即可分段加工的设计理念，即采取将一定尺寸的粗磨和精磨量分成若干段的处理方法，每一小段有自己独立的进给尺寸、进给速度和砂轮线速度，但各 段尺寸相加的和等于粗磨和精磨尺寸。通过人机界面可以很方便的输入各段的
进给尺寸、进给速度和变频器的工作频率，人机界面通过RS232接口自动将各 种参数值写入可编程序控制器，自动工作时可编程序控制器通过RS485接口控 制变频器按各段设定好的频率自动运行，可编程序控制器按照各段设定好的进 给尺寸和进给速度自动发出定位脉冲串，交流伺服驱动器接收到定位脉冲后自 动驱动伺服电机完成进给动作。在修整砂轮时，也可以通过人机界面设定好修 整时变频器的工作频率，从而达到控制砂轮线速度的目的。在每一段进给完成 之后，可以加入几秒延时时间，使工件得到充分冷却。
具体实施时，人机界面选用中达电通股份有限公司的DOP-AE系列产品， 可编程序控制器选用中达电通有限公司DVP-EH2系列产品，变频器选用欧瑞 F1000-M系列产品，伺服放大器选用日本三菱公司的MR-J2S系列产品，伺服电 机选用日本三菱公司的MR-SFS系列产品。人机界面和可编程序控制器通过 RS232电缆连接，二者可以双向通讯。数控磨床自动加工前，通过人机界面将 分段后的最佳化的磨削工艺参数输入，可编程序控制器接受到这些参数之后， 开发好的数控加工程序即可按照最佳磨削工艺曲线的要求驱动伺服电机、变频 器等部件自动完成整过加工过程。连接在砂轮变频器与可编程序控制器通过 RS485接口相连，变频器输出接磨具，变频器输出频率的高低决定磨具线速度 的高低。 一定外径的砂轮，变频器输出频率越高，砂轮线速度越高；反之，变 频器输出频率越低，砂轮线速度越低。可编程序控制器通过RS485接口，用通 讯的方式可以非常方便的控制变频器的输出频率，进而达到控制磨具线速度的 目的。线路连接时，可编程序控制器的X0、 XI、 X2端子分别接到伺服驱动器 的DOl、 ZSP、 TLC端子，可编程序控制器的Y5、 Y6、 Y7端子分别接到伺服 驱动器的SON、 ABSM、 ABSR端子，可编程序控制器的Y21、 Y22、 Y0、 Yl 分别接到LSP、 LSN、 PP、 NP、 CR端子，伺服电机编码器通过专用的编码器电缆连接到伺服驱动器的CN2连接埠上。在伺服驱动器内安装电池，设定伺服驱 动器的参数，再配合开发出的精密磨削工艺控制软件，即可使人机界面、可编 程序控制器、伺服驱动器、伺服电机组成一个绝对位置控制系统。该绝对位置
控制系统不管PLC电源处于ON或OFF状态，绝对位置编码器都能够实时检测 出伺服电机的绝对位置，并通过电池供电的计数器备份数据。因此，在机械安 装后，只需进行一次原点确认。在停电或出现故障时，本实施例的磨床可以很 容易地恢复工作。此外，由于绝对位置数据保存在编码器中，即使发生电缆脱 落或断线，只要在规定时间内恢复供电，绝对位置数据也不会丢失。当然，本 实施例中可编程序控制器还有其它输入、输出点用于磨床的开关量控制。例如， 输入点还包括但不限于松卡盘、伺服急停、伺服报警、循环启动、循环中断、 工作台前位、工作台后位、修整器抬起、修整器倒下、小滑板前位、小滑板后 位、变频器故障、电机过载，所述工作台即设置磨削模块的工作台，所述小滑 板即磨削模块的滑板。输出点还包括但不限于工作台前进、工作台后退、夹具、 车头、修整器、工件冷却、小滑板、往复刹车，所述工作台即设置磨削模块的 工作台，所述小滑板即磨削模块的滑板。输入点主要用于检测磨床各机械部件 的位置、报警等，输出点主要控制电磁阀、信号灯、电机等。通过开发控制软 件，充分利用磨床的各开关量，使磨床的各运动部件按照既定的顺序依次动作， 自动完成工件的磨削加工过程。
本实施例的磨床上电后，人机界面显示磨床LOGO,包括磨床型号、名称、 制造厂商等信息。按总启动按钮，人机界面自动换屏到主菜单画面。主菜单画 面上有动作调整、砂轮长修、半自动、半自动参数设置、特殊参数设置等菜单。 触摸动作调整菜单，人机界面自动换屏到动作调整画面，在此画面上触摸原点 回归，磨床根据指令自动完成原点回归动作并建立坐标系。按回主菜单按钮， 人机界面自动切换到主菜单画面。在主菜单画面触摸半自动参数设置按钮，在 该画面将所有工艺参设定完毕后回主菜单画面，然后进入半自动画面，在该画
9面即可进行半自动零件加工工作。
采用本实施例磨床磨削零件的锥面和内孔的步骤简述如下手动装好工件， 启动砂轮轴，按循环启动按钮，Y轴快速移动到磨削位置，往复电机启动带动 砂轮开始往复，X轴按照设定好的快靠速度和快靠尺寸快速移动到粗磨位置。 然后可编程序控制器自动调用设定好的粗磨I段进给尺寸、进给速度和变频器工
作频率，经处理后一方面通过RS485通讯口发出指令使变频器工作在指定工作 频率上，另一方面在YO输出定位脉冲串到伺服驱动器，伺服驱动器将定位脉冲 串放大后驱动伺服电机，伺服电机带动滚珠丝杠完成粗磨I段的进给动作。粗磨 I段结束后又自动调用粗磨II段、m段等参数直到粗磨结束。然后Y轴推出到 修整位置，往复、冷却液停止，变频器工作在修整频率，修整器倒下，X轴按 设定的修整尺寸修整完砂轮，修整器抬起，系统自动补偿修整尺寸到快靠尺寸， Y轴重新回到磨削位置，启动往复、冷却液，调用精磨参数，依次走完各段后 进行无进给光磨，光磨延时时间到后X轴快退回零位，然后Y轴退回零位结束 一个半自动循环。
本实施例磨床设计采用了模块化结构，磨内孔和磨锥面是两个独立的部件， 可实现双工位和单工位的灵活配置。双工位配置用于磨削内孔和锥面，单工位 配置用于只磨内孔或只磨锥面，从而很方便地实现不同零件的加工，例如磨削 发动机上的喷油嘴零件。磨床控制系统采用"人机界面+PLC+伺服驱动+伺服电 机"控制方案，配备精密磨削工艺控制软件，可实现零件的半自动磨削循环加 工，尤其适用于内孔和锥面均需精磨的零件加工。
本实施例磨床的主要优点如下
1、本发明的磨床是一台模块化的两轴数控内圆磨床，总布局采用主轴箱完 成X轴进给运动，床身工作台置有两套可独立实现往复运动的砂轮轴，分别单 独实现内孔和内锥面磨削的进给运动，整个磨床结构简单，界面友好，操作方 便，可靠性强，造价低的特点。2、 本发明的磨床主轴采用动静压轴承支撑的主轴结构，可提高加工精度。
3、 本发明的磨床上面装有横向滑板机构实现X轴进给和变换工位移位;纵 向滑板机构实现Y轴进给和砂轮快速进退。X轴和Y轴移动通过交流伺服电机、 弹性联轴器、滚珠丝杠、十字交叉滚柱导轨实现。
4、 本发明的磨床配有两套砂轮修整装置，可分别对两工位的砂轮进行自动 修整。
5、 本发明的磨床在完成磨削任务，使磨削过程符合最佳磨削工艺曲线的同 时，可以方便地调整各种工艺参数，降低磨削过程中工件的发热量，提高磨床 的稳定性；本发明的磨床主要技术参数达到如下精度
圆度0.001mm、圆柱度 0.0015mm、尺寸分散 O.Olmm 加工工件表面粗糙度Ra0.2um、中孔和锥面的同心度0.003 y m
最小设定单位
X轴 0.0025mm
Y轴 0.0025mm
中孔
磨削孔径范围 5 20mm 最大磨削深度 40mm 电动砂轮轴转速60， 000r/min 磨削往复次数 20 120次/min 磨削往复行程 0 40mm 锥面
磨削锥面角度59° 卯° 电动砂轮轴转速60， 000r/min 磨削往复次数30 180次/min 磨削往复行程 0 0.3mm
权利要求
1. 一种数控精密内圆磨床，包括床身、车头、磨削模块和电控装置，其特征在于该磨床还包括横向滑板机构和纵向滑板机构，其中每套滑板机构均由伺服电机驱动并采用滚珠丝杠传动；所述车头设置在横向滑板结构的滑板上，所述磨削模块包括中孔磨削模块和锥面磨削模块，其中每套磨削模块分别通过一套独立的磨削滑板机构设置在所述的纵向滑板机构的滑板上，每套磨削模块均包括一套独立的往复驱动机构、磨具和磨具旋转驱动机构。
2. 根据权利要求1所述的数控精密内圆磨床，其特征在于所述车头的主 轴采用动静压轴承支撑的主轴结构。
3. 根据权利要求2所述的数控精密内圆磨床，其特征在于该磨床还包括 中孔修整器部件和锥面修整器部件。
4. 根据权利要求3所述的数控精密内圆磨床，其特征在于所述的电控装 置包括人机界面装置和可编程序控制器，该人机界面与可编程序控制器相连， 该可编程序控制器内嵌有精密磨削工艺控制程序。
5. 根据权利要求4所述的数控精密内圆磨床，其特征在于所述伺服电机 均为由伺服驱动器驱动的交流伺服电机，所述可编程序控制器通过伺服驱动器 控制所述交流伺服电机。
6. 根据权利要求5所述的数控精密内圆磨床，其特征在于所述磨具旋转 驱动机构的供电装置包括有变频器，所述变频器与所述可编程序控制器相连。
7. 根据权利要求6所述的数控精密内圆磨床，其特征在于所述往复驱动 机构采用偏心机构往复驱动装置。
8. 所述数控精密内圆磨床的加工控制方法，其特征在于将磨削工序中的 粗磨阶段和精磨阶段分别分成若干细化磨削阶段，针对每个细化磨削阶段根据 最佳磨削工艺曲线设定对应的加工参数，可编程序控制器根据所设定的各个细 化磨削阶段的加工参数控制进给尺寸、进给速度和磨具旋转速度。
9. 根据权利要求8所述的加工控制方法，其特征在于通过人机界面装置设定所述的加工参数；通过调整变频器的输出频率控制所述磨具旋转速度。
10.根据权利要求9所述的加工控制方法，其特征在于将磨削工序中需要的磨具修整阶段插入到若干所述的细化磨削阶段之后，同时根据最佳磨削 工艺的需要设定对应的修整参数，可编程序控制器根据所设定修整参数控制磨 具修整阶段的磨具修整速度。
全文摘要
本发明公开了一种数控精密内圆磨床及其加工控制方法，该磨床包括床身、车头、磨削模块和电控装置，该磨床还包括横向滑板机构和纵向滑板机构，其中每套滑板机构均由伺服电机驱动并采用滚珠丝杠传动；所述车头设置在横向滑板结构的滑板上，所述磨削模块包括中孔磨削模块和锥面磨削模块，其中每套磨削模块分别通过一套独立的磨削滑板机构设置在所述的纵向滑板机构的滑板上，每套磨削模块均包括一套独立的往复驱动机构、磨具和磨具旋转驱动机构；该方法细化加工阶段并根据最佳磨削工艺曲线设定合适的加工参数，可编程序控制器根据可靠的参数设定完成精磨加工，本发明可提高内圆磨床的加工效率和精度，尤其适用于内孔和锥面均需精磨的零件。
文档编号B24B53/12GK101530978SQ20091006474
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月28日 优先权日2009年4月28日
发明者吴剑峰, 曹志中, 杰 沙 申请人:河南工业大学