现代工业发达国家都把制造高速、高精、复合加工机床作为其重要的发展目标,此类机床的生产能力和技术水平已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。为此我国已将机床行业提高到了战略位置,并与2009年正式启动了“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项,本文的来源正是国家科技重大专项“大型数控切点跟踪曲轴磨床”课题。本文以提高大型曲轴切点跟踪磨削工件轮廓精度为目标,展开了切点跟踪磨削运动模型及磨削控制方法、运动轨迹逼近及插补方法、曲轴扭转变形对连杆颈形位精度的影响、高精度高响应特性砂轮架进给系统以及切点跟踪磨削运动轨迹误差控制等方面的研究。本文在建立曲轴切点跟踪磨削运动模型的基础上,研究分析了恒转速磨削控制方法、恒当量磨削厚度磨削控制方法。并根据大型曲轴的磨削特性,综合前两种控制方法的特点,提出了基于曲轴运动规律优化的切点跟踪磨削控制方法:先构造连杆颈运动规律曲线,再根据影响连杆颈加工精度的各个因素建立了运动规律优化模型,并采用多变异位自适应遗传算法求解该模型,得到了最优的运动规律曲线。仿真分析表明,采用基于曲轴运动规律优化的磨削控制方法,在减小磨削过程中当量磨削厚度变化、保证连杆颈磨削精度的同时,降低了对伺服系统动态性能的要求,适用于大型曲轴的切点跟踪磨削运动控制。研究对比了等误差直线逼近、样条曲线逼近及动态分段多项式逼近方法对连杆颈切点跟踪磨削运动轨迹的逼近效果。在此基础上,对比研究了逐点比较、时间分割插补以及样条插补方法用于切点跟踪磨削运动轨迹插补时的理论误差,分析表明三次样条插补可实现插补周期内的恒加加速控制,能够满足连杆颈切点跟踪磨削运动轨迹插补精度和速度要求。实验研究了不同曲线逼近方法和轨迹插补方法对连杆颈切点跟踪磨削加工轮廓精度和表面质量的影响,结果表明以基于误差的动态分段多项式逼近运动轨迹,并以三次样条插补方法进行磨削时,可以获得最好的工件轮廓精度和表面质量。大型曲轴曲柄半径大、质量重、具有很大的转动惯量,故其回转运动时需要很大的驱动力矩;另一方面,大型曲轴跨距大、长径比大、曲拐的空间分布情况复杂,故曲轴整体抗扭刚度较低。因此曲轴回转运动时易产生较大的扭转变形,切点跟踪磨削中曲轴的扭转变形会对连杆颈造成形位误差。所以在对不同驱动方式下曲轴受力情况及扭转变形分析的基础上,研究了扭转变形与连杆颈切点跟踪磨削加工时工件转角误差之间的关系。针对头架单边驱动、头尾架双边同步驱动以及双边存在转速误差的情况,深入分析了扭转变形对连杆颈平行度以及轮廓精度的影响。砂轮架进给系统是切点跟踪磨床的关键部件,对保证连杆颈磨削的轮廓精度起着至关重要的作用。本文详细研究了高精度高响应特性的砂轮架进给系统,对比了旋转电机+滚珠丝杠的驱动形式和直线电机直接驱动形式的优缺点,结果表明砂轮架直驱进给系统更能满足大型曲轴磨床的需求。以砂轮架直驱进给系统伺服刚度模型为基础,分析了影响进给系统伺服刚度的因素,以保证其具有足够的伺服刚度。进一步研究了砂轮架直驱进给系统的位置跟踪精度,提出双前馈复合P/PI位置控制方法,在切点跟踪磨床上的相关实验结果表明该控制方法能够有效的提高曲轴切点跟踪磨削中砂轮架进给系统位置跟踪精度。最后将两轴交叉耦合控制方法引入连杆颈切点跟踪磨削运动轨迹控制。针对曲轴切点跟踪磨削运动轨迹非线性的特点,基于轨迹误差的不同计算模型,分别研究了基于分段的变参数交叉耦合控制以及交叉耦合进给速度模糊控制对曲轴切点跟踪磨削轨迹误差的影响。仿真分析和相关实验结果均表明交叉耦合控制对于提高曲轴切点跟踪磨削轮廓精度有明显效果。
