發動機凸輪軸高效磨削形狀誤差分析與智能補償

徐剛強

摘 要：隨著信息技術的飛速發展，利用智能融合技術可以極大提高產品的質量和生產效率。凸輪形狀誤差直接體現自動磨削系統的加工精度，采用兩軸交叉耦合誤差補償，保證砂輪進給和工件旋轉運動符合既定數學模型，自動識別凸輪曲線的凹凸類型以及同心度，同步計算各段曲線的最小曲率半徑。由于磨削力擾動、砂輪、機床穩定性等會降低形狀誤差精度，結合交叉耦合形狀控制器，采用特殊凸輪的數學模型結合計算機仿真技術進行理論驗證，不斷修正邊界條件，利用不斷積累的工藝知識庫，實現凸輪磨削形狀誤差的智能補償，從而提高凸輪磨削質量與效率。

關鍵詞：凸輪軸;高效磨削;形狀誤差

引言

我國雖然在汽車零部件產業取得了巨大進步，但整個行業仍存在著數量多、規模小、產業化水平低等問題。針對現有數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難題，本文通過高效磨削研究，引入磨削狀態自我感知技術，基于磨削系統自學習、自優化功能的工藝優化特性，對磨削系統形狀誤差分析與智能補償進行研究，利用模型、深度學習等算法挖掘內蘊的工藝知識;通過對工藝知識的自動化組織，形成工藝知識庫并優化，達到提高凸輪磨削質量與效率的目的。凸輪磨削是由工件旋轉軸與砂輪進給軸按照凸輪型線數學關系聯動磨削加工實現的，采用兩軸聯動各軸獨立控制的方式，通過插補算法可以使輸入到兩個伺服系統的給定值保持一定的聯動關系，但由于機械和電氣雙方面的影響，伺服系統及傳動機構的綜合輸出卻無法保證相應的數學關系。凸輪軸數控磨削加工中影響凸輪形狀精度的誤差來源可分為四類：①結構誤差;②磨削過程;③動態特性、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果。針對誤差來源，可從以下兩個方面降低誤差：一是提高單軸伺服系統的性能，減小跟蹤誤差;二是對兩軸運動實現耦合控制，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，C軸和X軸聯動，所以只要求出砂輪位移X與凸輪軸轉角φ的關系式，并由關系式生成數控指令即可進行磨削加工。由于凸輪曲線復雜，為了提高加工效率和加工質量，一般采用離線插補，即將（X，φ）離散為一系列的點（X0，φ0）、…、（Xn，φn），CNC根據當前坐標（Xi，φi）和下一點坐標（Xi+1，φi+1）采直線插補、圓弧插補或曲線插補。誤差補償策略，通常要求用戶輸入凸輪軸的升程、砂輪直徑、凸輪數量、凸輪軸向分布等參數，然后由CNC擬合出凸輪形狀曲線，計算磨削點聯動坐標進行插補。由于每個廠家的數控系統都是封閉的，無法直接在數控系統上進行補償，故提出軟件補償思路：根據凸輪升程表，利用三次樣條擬合凸輪形狀線，計算理論聯動磨削點坐標（X0，φ0）、…、（Xn，φn），計算誤差值（εx0，φ0）、…、（εxn，φn），將誤差值與理論坐標進行疊加（X0+εx0，φ0）、…、（Xn+εxn，φn），生成新的數控加工程序，然后將程序輸入到CNC中進行磨削加工。

二、誤差補償

數控凸輪磨床采用切點跟蹤磨削技術，切點跟蹤磨削技術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給（X軸）和工件回轉（C軸）進行聯動實現形狀的磨削加工，XC聯動平臺交叉耦合控制模型建立在X、C單軸控制的基礎上，運用交叉耦合控制方法對凸輪軸的形狀誤差進行補償，從而達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凸輪軸磨削加工原理進行耦合得到凸輪軸的廓形誤差，再運用專家PID控制器進行調節，并將形狀誤差根據一定比例分別分配給X軸和C軸，進而達到實時在線補償的作用，專家控制系統是智能控制系統的重要部分之一，根據控制的原理，控制器采用離散S函數與Simulink模塊相結合的形式，采樣時間、控制輸入上下限及控制器參數采用封裝的形式設定。

三、自適應控制

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、非線性等因素還是會降低形狀精度，并且隨著進給速度的不同，凸輪瞬態形狀誤差也會隨之發生改變，并可能會大于給定的范圍。為保證整個磨削加工過程中形狀誤差控制在要求的誤差范圍內，設計的交叉耦合誤差與模型參考自適應控制相結合的控制結構。該系統中進給量指令作為輸入，形狀誤差作為輸出，模型參考自適應策略用于求解由插補器和交叉耦合控制器組成的非線性時變動態模型，即根據指定的形狀誤差范圍采用形狀誤差反饋產生自適應進給控制量命令。動態模型的參數是未知的，參考模型的輸入為指定的誤差范圍，被控對象的輸出與參考模型的輸出進行比較，通過調節控制器參數使輸出誤差收斂于零。凸輪軸是由工件旋轉軸和砂輪進給軸聯動磨削加工完成的，如果一個軸只控制自身的誤差而不顧另一軸當前的誤差情況，加工出的凸輪形狀就會產生較大的誤差。以形狀誤差作為直接控制目標來對各軸進行運動補償，工件旋轉軸和砂輪進給軸均需同時接收兩軸的誤差信號，才能實現系統各項位置誤差的綜合補償。

四、自我感知驅動

通過凸輪軸磨削狀態自我感知技術，使高速高精高耐磨凸輪軸自動磨削系統具有自學習、自生長、自優化功能的工藝優化特性。通過對凸輪磨削過程中的運行狀態數據進行實時采集，并用凸輪磨削結果對運行狀態數據進行標記，建立運行狀態數據與工藝參數間的映射關系，形成工藝數據自學習、自優化的數據基礎，利用統計分析、時頻分析、小波分析、稀疏分解等方法提取上述數據之間的特征，利用神經網絡算法、深度學習等算法挖掘其中內蘊的工藝知識;通過對工藝知識的自動化組織，形成工藝知識庫;利用不斷積累的工藝知識庫，對磨削凸輪的已有工藝參數進行優化，達到提高凸輪磨削質量與效率的目的。

結束語

通過數學模型，實時計算凸輪磨削加工中的形狀誤差，特殊凸輪的數據轉換公式對參數變化很敏感，超出一定范圍就會失效，在采用交叉耦合形狀控制的基礎上，通過凸輪軸磨削狀態自我感知技術，建立運行狀態數據與工藝參數間的映射關系，使磨削系統具有自學習、自優化功能的工藝優化特性。引入自學習、自適應控制技術，在線調節進給量，即利用形狀誤差，建立特殊凸輪的數學模型時結合計算機仿真技術進行理論驗證，不斷修正邊界條件，實時進行修正補償，運用在線監測及自動修正和補償技術，提高凸輪軸的加工精度和穩定性。

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