数控凸轮轴高速磨削工件主轴转速优化理论及实验研究

发布时间：2017-07-16 19:15

  本文关键词：数控凸轮轴高速磨削工件主轴转速优化理论及实验研究

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【摘要】：随着我国节能减排和绿色制造产业政策的实施,凸轮轴作为内燃发动机的关键零件之一,其加工质量的好坏直接影响汽车和船舶发动机的综合性能,因此对凸轮轴的加工轮廓精度要求越来越高。凸轮轴的加工方式已由原来的机械靠模加工向数控磨削加工转变,在很大程度上提高了凸轮轴加工质量。由于在磨削凸轮升程非圆轮廓段时磨削点磨削速度变化剧烈,凸轮轴数控磨床C轴和X轴联动磨削进给中会产生较大的加速度,对机床伺服系统造成较大的机械冲击,磨床的伺服系统可能会产生响应滞后,所以有必要基于磨床砂轮架进给能力约束下对凸轮轴工件主轴转速进行优化调节。本文以凸轮轴数控高速磨削的工件主轴转速为研究对象,建立凸轮轴磨削运动数学模型,推导了凸轮工件主轴在恒线速度磨削时转速理论方程。结合恒转速磨削实验分析了工件主轴转速对凸轮轴加工质量的影响,根据数控凸轮轴高速磨床加工能力的约束条件,理论推导了砂轮架进给最大加速度值,对砂轮进给中加速度超出最大值的凸轮转角区间,通过积分反求方法求解出对应转角区间进给中对应的工件转速,并以该段转速替换对应的转角区间上凸轮轴恒线速度磨削时理论转速值,通过三次样条曲线对优化后的工件主轴转速进行拟合。在CNC8325B数控凸轮轴磨床上进行了磨削加工实验,实验结果表明提高了凸轮轴的加工质量和效率。本文主要研究内容有以下几点:(1)分析了凸轮轴数控高速磨削的加工特点及工艺,研究了凸轮轴磨床的砂轮进给伺服系统的结构性能与响应要求,对比恒转速与恒线速度模型下凸轮轴加工升程轮廓误差,探讨了凸轮工件转速优化调整对凸轮加工质量的影响。(2)推导了凸轮轴X-C两轴联动数控磨削运动数学模型,进行了砂轮架联动进给过程中运动学分析,仿真得到砂轮架进给过程中位移、速度及加速度曲线。在通过差分法对凸轮升程数据进行预处理后,采用最小二乘多项式对凸轮升程数据进行优化拟合。基于轮廓插补几何约束、砂轮架进给能力约束来理论推导砂轮架进给中允许的最大加速度值。(3)根据计算推导得到的砂轮架进给允许的最大加速度值,对砂轮架进给过程加速度的变化值进行积分反求得到凸轮工件主轴的部分转速。将优化后的工件转速与恒线速理论转速,在CNC8325B凸轮轴数控磨床上进行对比加工实验,实验结果表明,通过采用降低砂轮架进给加速度优化得到的工件转速值进行加工,可改善凸轮轴高效精密磨削加工质量,并提高了凸轮轴磨削加工效率。
【关键词】：凸轮轴 工件主轴 工件转速优化 砂轮架进给加速度 积分反求
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG596
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景与意义11-12
• 1.2 国内外凸轮轴磨削加工研究现状12-14
• 1.3 凸轮轴数控磨削数学建模研究现状14-19
• 1.3.1 凸轮轴恒线速度磨削加工15-16
• 1.3.2 凸轮轴恒磨除率变速磨削16
• 1.3.3 凸轮轴切点跟踪法磨削16-17
• 1.3.4 凸轮轴恒力磨削加工17-19
• 1.4 凸轮轴磨削工件转速优化技术研究现状19-20
• 1.5 课题来源和研究内容20-23
• 1.5.1 课题来源与研究意义20-21
• 1.5.2 研究内容及论文结构21-23
• 第二章 凸轮轴磨削数学模型及砂轮进给伺服系统23-33
• 2.1 凸轮轴高速数控加工技术23-24
• 2.1.1 凸轮轴数控高速磨削加工特点23
• 2.1.2 数控凸轮轴高速磨削新工艺23-24
• 2.2 凸轮轴磨削加工运动的数学建模24-27
• 2.2.1 砂轮架进给位移数学模型建立24-26
• 2.2.2 恒线速度磨削工件主轴转速方程26-27
• 2.3 凸轮轴数控磨削过程运动学分析27-30
• 2.3.1 砂轮架横向进给速度的推导27-29
• 2.3.2 凸轮工件主轴的转速曲线分析29-30
• 2.4 凸轮轴高速磨削砂轮进给伺服系统分析30-32
• 2.4.1 高速磨削的砂轮主轴单元30-31
• 2.4.2 快速响应转速指令的数控系统31-32
• 2.4.3 高速进给伺服系统结构32
• 2.5 本章小结32-33
• 第三章 凸轮轴数控磨削工件转速的反求优化33-54
• 3.1 数控磨削加工C轴工件转速的优化33-36
• 3.1.1 不同工件转速加工的凸轮升程误差33-35
• 3.1.2 凸轮工件主轴转速优化分析35
• 3.1.3 基于工件主轴角加速度的转速优化35-36
• 3.2 升程轮廓数据的最小二乘法拟合36-41
• 3.2.1 凸轮升程的差分法预处理36-38
• 3.2.2 最小二乘多项式函数的拟合38-39
• 3.2.3 最小二乘法拟合多项式求解39-41
• 3.3 砂轮架进给过程最大加速度的分析41-45
• 3.3.1 考虑几何约束的弓高误差41-43
• 3.3.2 基于砂轮架进给的最大加速度约束43-45
• 3.4 凸轮数控磨削工件转速的积分反求45-49
• 3.4.1 砂轮架进给中速度与加速度的实例分析45-46
• 3.4.2 工件主轴转速的积分反求46-49
• 3.5 凸轮工件主轴转速曲线的三次样条拟合49-53
• 3.5.1 构造三次样条曲线基本方程组49-51
• 3.5.2 三次样条曲线方程组的求解51-52
• 3.5.3 优化后的凸轮工件转速曲线52-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第四章 凸轮轴数控磨削工件转速优化实验验证54-69
• 4.1 实验磨床54-56
• 4.1.1CNC8325B凸轮轴磨床介绍54-55
• 4.1.2 凸轮轴超高速复合磨床的主要特点55-56
• 4.1.3 凸轮轴超高速复合磨床技术参数56
• 4.2 CBN砂轮及其平衡与修整56-60
• 4.2.1 陶瓷结合剂的CBN砂轮的选用56-57
• 4.2.2 CBN砂轮的修整57-59
• 4.2.3 CBN砂轮的平衡59-60
• 4.3 凸轮轴零件及检测装置60-65
• 4.3.1 凸轮轴零件参数60-62
• 4.3.2 凸轮轴轮廓测量仪62-64
• 4.3.3 凸轮表面粗糙度的测量64-65
• 4.4 凸轮工件主轴转速优化验证实验65-68
• 4.4.1 实验方案65-67
• 4.4.2 实验结果及分析67-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第五章 全文总结与展望69-71
• 5.1 全文总结69-70
• 5.2 研究展望70-71
• 参考文献71-74
• 致谢74

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