定子曲线精密磨削数控技术的研究
定子曲线的磨削质量主要受工作台的运动精度和磨削点线速度的影响。为了进步工作台的运动精度，采用光栅尺对工作台的综合误差进行在线检测，并进行实时补偿；为了保证磨削点线速度恒定，采用变频器实时调整砂轮转速；同时对砂轮半径进行补偿，以保证工件的轮廓精度。实际的加工结果获得了满足的磨削质量。
前言
叶片泵工作压力较高，流量脉动较小，而且工作平稳，噪声较小，寿命较长，因此有较广阔的应用领域。定子作为叶片泵的关键零件，其曲线外形和加工精度直接决定了叶片泵的性能和工作寿命。因此，不仅要设计出优良的定子曲线，而且要加工出高精度的内曲线型面。在设计出优良定子曲线的基础上，如何加工出高精度的定子内曲线型面是重点研究的对象。目前，定子普遍采用的加工方法是磨削加工，而影响磨削质量的因素主要是工作台的误差（制造误差、装配误差、丝杠弹性变形引起的误差、反向间隙引起的误差、精度误差等）和砂轮线速度。工作台的误差直接影响到实际轮廓误差，而砂轮线速度则由于砂轮磨损而变化，从而影响了磨削的质量。
受某企业委托，开发了一台定子曲线数控磨床。为了进步定子曲线磨削的质量，从两个方面进行了研究：一是工作台的运动精度对磨削质量的影响，二是砂轮的线速度对磨削质量的影响。
1定子曲线数控磨床的结构
图1数控磨床结构简图
数控磨床的结构示意图如图1所示。该磨床主要由以下几个部分组成：
（1）工作台。工作台可做x、y两方向的进给运动，其驱动机构都是伺服电机加滚珠丝杠，通过两轴联动实现工作台的精密平面运动。
（2）伺服控制部分。伺服控制部分主要由产业计算机（ipc）、运动控制卡（pci1240）、接口电路以及相应的通讯、控制软件组成，它以pci1240控制卡为核心，从而实现对位置信号的采样处理、误差计算、误差补偿，以及对伺服电机驱动器发出控制信号。
（3）位置检测部分。本系统所采用的是sgc系列光栅尺作为在线检测装置，完成对工作台位移信号的实时检测。
（4）高速电磨头：磨头的zui高转速是反映磨床磨削能力的标志之一。本磨床采用的电磨头的zui高转速为60000r／rain，采用多功能模拟量输出控制卡通过变频器驱动电动磨头。
下面将讨论影响磨削质量因素的控制策略。
2进步磨削质量的措施
在磨削加工过程中，如何控制磨削的质量是近来研究的一个热门。随着计算机技术的发展，误差补偿技术得到了广泛的研究和应用。如离线误差补偿技术和在线误差补偿技术。随着网络技术的发展。网络化的误差补偿技术旧1也有所发展。对误差模型的研究做了大量的工作，如多体系统误差模型、基于齐次坐标变换误差模型、人工神经网络模型等等。由于磨削的工件轮廓不同，磨削加工的环境不同以及数控系统的配置不同，进步加工质量的措施也不同。在具体实施过程中，根据影响磨削质量的因素不同，采取不同的控制策略来达到控制磨削质量的目的。
2.1运动精度的控制策略
为了达到较高的运动精度，采用全闭环控制策略。原理框图如图2所示，控制指令经运动控制卡、电机驱动器、伺服电机、滚珠丝杠螺母副转换为工作台的直线运动。工作台的运动精度受到运动控制卡、驱动器、伺服电机、滚珠丝杠、弹性联轴节、滚珠丝杠螺母副及机床结构设计和制造精度的综合影响，在工作过程中，运动精度又进一步受到振动、热变形、导轨和滚珠丝杠螺母副的磨损及控制元件特性变化的影响。采用光栅尺把位移信号反馈到输进端，与输进信号进行比较，实现对运动的反馈控制。
图2全闭环控制框图
为了获得工作台的实时位置（实际轮廓轨迹的位置点），系统采用了光栅尺对x轴、y轴进行实时丈量，把丈量值与理论值进行比较，从而获得定位工作台的综合定位误差。该检测系统形成一个全闭环运动控制系统。
工件轮廓轨迹由方程给出，按照加工误差答应的zui大间隔对理论轮廓进行离散化，得到加工程序的插补点。根据每个插补点的实际丈量的坐标值xir、yir与理论坐标值xi、yi，计算出运动误差e，即
ex=xi-xir，ey=yi-yir（1）
将运动误差相叠加到相邻的下一个插补点位置（xi+1，yi+1），天生新的控制指令（xnew，ynew），从而削除了定位的累积误差。
xnew=xi+1+ex，ynew=yi+1+ey（2）
当砂轮磨损后，还要进行砂轮半径补偿。有关砂轮半径补偿，将在下面进行具体的介绍。
2.2等线速度磨削的控制策略
在磨削过程中，磨削点的速度受砂轮线速度以及工作台的速度大小的影响，而砂轮线速度受砂轮半径大小的影响。为了保证磨削速度的恒定，采用交流变频调速技术，同时对砂轮半径进行补偿。
砂轮与工件内表面磨削过程示意图如图3所示。
图3砂轮与工件磨削过程示意图
工作台的速度由x轴和y轴工作台的速度合成，
即
v我=vx+vy（3）
式中，vx表示工作台x方向的速度，vy表示工作台y方向的速度。
砂轮转速由电主轴控制，砂轮的线速度vt由（4）式表示。
式中，rt为砂轮半径（mm），nt为砂轮的转速（r／min）。
在磨削过程中，工作台运动采用等步长的插补方法，工作台的速度可以以为是不变的，因此磨削点的速度仅受砂轮线速度的影响。由于砂轮的不断磨损，砂轮半径的逐渐减小，假如砂轮的转速不变的话，砂轮的线速度将逐渐降低。为了保证磨削点速度不变，每次修整砂轮后系统计算出砂轮半径，同时根据砂轮的磨损率来估算砂轮的实际半径，从而实时改变交流变频器的频率，调整砂轮的转速nt，从而达到砂轮线速度恒定的目的。
2.3砂轮半径补偿
由于砂轮的磨损，半径逐渐变小，影响被磨削工件的轮廓外形，因此，必须对砂轮半径进行补偿。机床实际工作时，工作台作平面运动，砂轮中心位置不动。根据相对运动的原理，下面推导砂轮中心点与工件轮廓轨迹之间的关系时，假设工作台不动，砂轮中心运动，如图3所示。
（7）式中rti砂轮实际半径，rt0为砂轮无磨损时的半径，d为实测的砂轮磨损量，n为工件轮廓轨迹插补点数。并假定砂轮的磨损是均匀的，由（7）式可计算出砂轮在各磨削点的实际半径。
由式（5）-（7）可算出砂轮半径补偿后的中心轨4迹。实际加工过程中，由于砂轮中心点固定不动，工件固定在工作台上，按（5）式的反方向运动即可。
3结论
采用全闭环控制系统实现了对工作台的运动误差进行控制与补偿，使运动误差控制在答应的范围内。利用变频器实现对砂轮转速进行调整，保证磨削点线速度的恒定，通过砂轮半径实时补偿来减小轮廓轨迹的误差，从而保证了磨削质量的稳定性和一致性。工件磨削后轮廓精度和表面粗糙度均达到设计要求，表明该控制策略是可行和有效的。
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受某企业委托，开发了一台定子曲线数控磨床。为了进步定子曲线磨削的质量，从两个方面进行了研究：一是工作台的运动精度对磨削质量的影响，二是砂轮的线速度对磨削质量的影响。
1定子曲线数控磨床的结构
图1数控磨床结构简图
数控磨床的结构示意图如图1所示。该磨床主要由以下几个部分组成：
（1）工作台。工作台可做x、y两方向的进给运动，其驱动机构都是伺服电机加滚珠丝杠，通过两轴联动实现工作台的精密平面运动。
（2）伺服控制部分。伺服控制部分主要由产业计算机（ipc）、运动控制卡（pci1240）、接口电路以及相应的通讯、控制软件组成，它以pci1240控制卡为核心，从而实现对位置信号的采样处理、误差计算、误差补偿，以及对伺服电机驱动器发出控制信号。
（3）位置检测部分。本系统所采用的是sgc系列光栅尺作为在线检测装置，完成对工作台位移信号的实时检测。
（4）高速电磨头：磨头的zui高转速是反映磨床磨削能力的标志之一。本磨床采用的电磨头的zui高转速为60000r／rain，采用多功能模拟量输出控制卡通过变频器驱动电动磨头。
下面将讨论影响磨削质量因素的控制策略。
2进步磨削质量的措施
在磨削加工过程中，如何控制磨削的质量是近来研究的一个热门。随着计算机技术的发展，误差补偿技术得到了广泛的研究和应用。如离线误差补偿技术和在线误差补偿技术。随着网络技术的发展。网络化的误差补偿技术旧1也有所发展。对误差模型的研究做了大量的工作，如多体系统误差模型、基于齐次坐标变换误差模型、人工神经网络模型等等。由于磨削的工件轮廓不同，磨削加工的环境不同以及数控系统的配置不同，进步加工质量的措施也不同。在具体实施过程中，根据影响磨削质量的因素不同，采取不同的控制策略来达到控制磨削质量的目的。
2.1运动精度的控制策略
为了达到较高的运动精度，采用全闭环控制策略。原理框图如图2所示，控制指令经运动控制卡、电机驱动器、伺服电机、滚珠丝杠螺母副转换为工作台的直线运动。工作台的运动精度受到运动控制卡、驱动器、伺服电机、滚珠丝杠、弹性联轴节、滚珠丝杠螺母副及机床结构设计和制造精度的综合影响，在工作过程中，运动精度又进一步受到振动、热变形、导轨和滚珠丝杠螺母副的磨损及控制元件特性变化的影响。采用光栅尺把位移信号反馈到输进端，与输进信号进行比较，实现对运动的反馈控制。
图2全闭环控制框图
为了获得工作台的实时位置（实际轮廓轨迹的位置点），系统采用了光栅尺对x轴、y轴进行实时丈量，把丈量值与理论值进行比较，从而获得定位工作台的综合定位误差。该检测系统形成一个全闭环运动控制系统。
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ex=xi-xir，ey=yi-yir（1）
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2.3砂轮半径补偿
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由式（5）-（7）可算出砂轮半径补偿后的中心轨4迹。实际加工过程中，由于砂轮中心点固定不动，工件固定在工作台上，按（5）式的反方向运动即可。
3结论
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