高性能刀剪端面磨削运动控制研究

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端面磨削是刀剪加工中最复杂、最典型的磨削加工工艺,对刀剪产品的精度与表面质量具有重要的影响。然而国产端面磨刀机为两轴联动的液压式或数控式磨床,只能磨削简单的刀剪产品而无法磨削具有曲面的复杂、异形刀剪产品。而且使用时需要试磨和调整,难以适应新型刀剪产品对产品质量和加工效率的要求。国外四轴、五轴等多轴联动端面磨刀机,能够高效、高质量的磨削复杂、异形刀剪产品,但是价格昂贵并且技术保密。因此自主研发多轴联动端面磨刀机对发展我国高端刀剪装备产业以及刀剪制造业具有重要的经济与社会效益。本文针对刀剪端面磨削运动控制这一关键技术进行了系统深入的研究,形成了二轴、三轴、四轴联动刀剪端面磨削运动控制方法,并以此为基础研发了高性能刀剪端面磨削控制系统,并将该系统成功应用到新型端面磨刀机中。主要研究内容和研究成果包括:(1)针对一类简单的刀剪端面磨削工艺要求,研究了XZ二轴联动刀剪端面磨削运动控制方法。结合投影规律构造了由直线与椭圆弧组成的插补轨迹,给出了刀面偏转角与磨削进给量等磨削用量计算公式。利用参数形式椭圆表达式结合步距角计算公式实现了一种运算简单、误差可控的椭圆弧插补算法,有利于提高插补精度、简化插补计算。针对插补轨迹长度小于曲线实际长度的问题,提出了一种基于二分法基本思想的加减速度长度计算方法,不仅提高了插补终点精度,使得速度曲线更加光滑,而且也解决了椭圆弧轨迹长度难以计算的问题。(2)针对复杂、异形刀剪产品,研究了XZA三轴联动刀剪端面磨削运动控制方法。根据刀剪端面磨削的工艺特点与卧式端面磨刀机的结构特点,建立了砂轮径向进给量、轴向进给量、旋转角度等加工参数与工件顶面磨削量、底面磨削量、磨削宽度等工艺参数间的函数关系,并结合端面的投影规律,实现了一个旋转轴与两个平动轴的三轴联动控制,从而能够磨削具有任意形状交线与底面轮廓的刀剪产品。(3)针对二轴与三轴联动运动控制存在刃厚误差的问题,研究了XYZA四轴联动刀剪端面磨削运动控制方法。首先分析了误差产生的原因,然后建立了砂轮轴向进给误差与砂轮直径、刃线轮廓以及旋转角度间的函数关系,并提出了误差补偿方法。误差补偿虽然能够减小刃厚误差,但会造成速度波动,最终影响加工精度和表面质量。因此,在三轴联动端面磨削运动控制方法基础上提出了四轴联动刀剪端面磨削运动控制方法。该方法通过控制刀具在Y方向的高度,削除刃线在Y方向变化造成的砂轮磨削点偏移的问题,从而削除了误差、提高了磨削精度。(4)以二轴、三轴、四轴刀剪端面磨削运动控制方法为基础设计了高性能数控端面磨削控制系统。控制系统软件支持二维图形与参数混合编程,具有模块化、可配置的特点。基于所提控制系统开发了数控端面磨床样机,并且磨削出了多种具有代表性的刀具产品,证明了所提算法的有效性。
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