摘要： 為了提高機械產品的性能質量， 發展高新技術， 設計了高速數控磨床橫縱向進給部分，以實現較高的制造精度。通過對現有機床的分析，對橫縱向進給硬件進行了選擇及設計，其縱向采用反應式步進電機，橫向引入了直線電機進給單元；同時設計了該數控磨床的控制系統，使系統各個組成單元均受控于核心控制器PLC。最終，此數控磨床能夠很好地實現零件表面的高速精密磨削。
0 引言
本文對高速數控磨床橫縱向進給部分進行了合理設計和選擇硬件，提高控制系統的生產率和磨削精度，進而改善產品質量。
1 、高速數控磨床概述
（1）高速高精密磨削
在高速磨削加工中，現有的砂輪，砂輪的傳動裝置和磨床，限制了磨削速度。現代高精密磨削技術的發展，使磨削尺寸精度達到0.1~0.3 μm，表面粗糙度達到0.2~0.05 μm， 磨削表面變質層和殘余應力均很小，明顯提高了加工零件的質量。同時，精密、高速進給單元的出現為高精密磨削提供了有利條件。
由于CBN 砂輪的使用，強力磨削突破傳統磨削限制，生產率成倍提高，有些毛坯零件，不需要經過粗切加工，可直接磨削成為成品。
（2）數字控制系統
數控（NC）系統是一種控制系統，它能自動閱讀輸入載體上預先給定的數字，并將其譯碼，使機床移動并加工零件。數控系統是數控機床等自動加工設備的核心，且其技術發展水平已成為衡量一個國家機械制造水平的重要標志。
自1952 年美國研制出第一臺實驗性數控系統以來，數控技術的發展十分迅速，數控系統也由原先的硬連接數控發展成為今天的計算機數控（CNC），而且正在向高速、高精、高效、高可靠性；智能化、柔性化；多樣化；開放性；復合型等幾方面發展。
（3）STEP－NC
數控標準是制造業信息化發展的一種趨勢。數控技術誕生后的50 年間信息交換都基于ISO6983標準，即采用G、M 代碼描述如何加工。
ISO6983 從多方面限制了程序的移植性，因此，1996 年由國際標準化組織ISO/TC184 工業數據技術委員會正式命名了新的標準活動ISO14649，以取代在數控機床中廣泛使用的ISO 6983 標準制定的新標準稱為“CNC 控制器的數據模型”。它基于STEP 并把STEP 擴展到NC，形成“STEP-NC”，直接生產加工工序來控制機床。它解決了NC 程序缺乏統一性及一致性的問題。STEP-NC 是無G、M 代碼，無后置處理的NC。
2、 硬件部分設計
高速數控磨床橫縱向進給硬件部分的設計主要包括電機的選擇、電主軸的設計、滾珠絲杠的選擇和軸承的選擇。
（1）縱向進給機構電機
按縱向溜板箱與電主軸的總質量m=400 kg 計算，溜板箱導軌為滑動摩擦，根據磨削機床的特點，本機床主要考慮的是工作臺的摩擦轉矩
根據機床的總體布局與設計尺寸，取最大加工工件直徑D=200 mm，砂輪直徑D1=300 mm，電主軸的最大轉速24 000 r/min， 主軸的最大轉速為120 r/min，磨削進給速度vf=30 m/min， 砂輪速度vs=60 m/s，工件速度vw=12 m/min，根據文獻 得
根據所求數據，并查文獻[6]，縱向進給機構選擇反應式步進電機。電機型號為75BF001。
（2）橫向進給機構電機
近年來，隨著技術的進步與加工質量和效率要求的提高，傳統的“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”的進給驅動方式已不再滿足要求。在超高速加工中，為了提高生產率和改善零件的加工質量，不但要求數控機床具有超高速旋轉的大功率精密主軸驅動系統，更要求在瞬間達到設定高速狀態和在高速下瞬時準確停止運動。
直線電機具有如下特點:
①直線電動機最重要的優點是具有比傳統旋轉電動機大得多的加、減速度；
②加、減速過程的縮短，可改善加工表面質量，提高刀具使用壽命；
③提高了傳動精度和定位精度，不存在中間環節的磨損問題，維護簡單，提高了可靠性；
④進給的行程長度不受限制；⑤運動安靜、噪聲低。
綜合考慮上述因素，根據加工的要求本文采用直線電機作為砂輪的微進給裝置，永磁式直線電動機作為橫向進給機構的驅動源。直線電機進給機構的運行過程采用閉環反饋控制工作方式，用光柵尺檢測磨削刀具的實際位移，并將檢測信息通過直線電機的編碼器等量輸出端口反饋給PMAC 控制器，由控制器的PID 調節器根據目標位移與實際位移的差值自動調節電機的控制參數，快速控制磨削刀具運行，完成所需的進給。
（3）電主軸
如圖1 和圖2 所示， 分別為電主軸端部和尾部。取壽命Lh=20 000 h，主軸轉速nm=120 r/min。根據文獻[7]選擇電主軸的參數：
（4）滾珠絲杠
所選滾珠絲杠的參數：
經校核計算，滾珠絲杠的承載能力、壓桿穩定性和剛度均滿足要求。
（5）軸承
公式5
式中fh———壽命因數；
fm———力矩載荷因數；
fd———沖擊載荷因數；
fn———速度因數；
fT———溫度因數；
P———當量動載荷；
S0———安全因數；
P0———當量靜載荷；
Cr———額定動載荷；
PA———實際承受載荷；
ε———壽命指數。
經計算軸承以上3 種校核均滿足條件。
3 、控制系統的設計
由于機床要實現X、Y 兩個方向的進給運動的控制，因而采用工業上通用的PLC 控制系統對機床進行控制。其具有可靠性高、抗干擾能力強；模塊功能強、品種多；適應性強、使用面廣；編程方法簡單直觀；體積小、重量輕、功耗低等優點。
PLC 的CPU 是不能并行地進行多個操作的，它只能按分時操作的原理，每一時只執行一個操作，隨著時間的延續，一個操作接著一個操作地順序執行。
（1）磨削加工PLC 控制原理
本設計是在普通車床的基礎上進行改造的。用鋼球作為球頂尖，用黏接劑固結于錐頂尖球窩中，工件和剛球支撐于機床主軸及尾架上。分別以步進電機和直線電機帶動工作臺的縱向及橫向進給。為了適應頻繁起停的高速運動，采用電主軸系統并以變頻器作為調速裝置，工件的轉速由另一變頻器調節。步進電機、直線電機、變頻器、傳感器的采樣等以
PLC 作為機床的控制系統。首先PLC 啟動控制工件主軸，通過變頻器調節工件主軸轉速。預熱一段時間后，開始測量工件的圓度誤差，同時將編碼器信號輸入PLC 后用于控制采樣點位置，采樣后數據經放大濾波后PLC 的A/D 模塊轉換成數字量并CPU對數據進行處理，根據得到圓度誤差數據判斷是否需要繼續進行磨削。如果需要，則PLC 啟動電主軸并控制轉速，以位控單元控制直線電機做補償進給運動，實現閉環反饋控制。
PLC 可編程序控制器用于橫向、縱向控制中，將機床的橫縱向進給單元、砂輪主軸單元位置檢測以及其它附件有機的連接起來，使該磨床成為一個真正意義上的開放式的平臺，系統各個組成單元均受核心控制器PLC 的控制。
（2）位置檢測裝置及其控制
檢測裝置是閉環伺服系統的重要組成部分。它的作用是檢測位置和速度，發出反饋信號，構成閉環控制。閉環系統的數控機床的加工精度主要取決于檢測系統的精度。分辨率不僅取決于檢測裝置本身，也取決于測量線路。
數控機床對檢測裝置的主要要求：工作可靠，抗干擾性強；使用維護方便，適用機床的工作環境；滿足精度和速度的要求；成本低。
選擇測量系統的分辨率要比加工精度高一個數量級；要求控制系統能快速響應傳感器的檢測信號。本設計選用的是光電脈沖編碼器和光柵尺。光柵尺是一種高精度的檢測位移的傳感器。
高速數控機床縱向及橫向對刀具均用光柵尺完成，其中橫向進給對刀具用光柵尺在直線電機內部。具體過程：設置一原點作為信號輸入端，當電機運動到這一位置時啟動對刀子程序，檢測光柵尺數據并進行數字濾波及比較運算處理，被檢測信號變化超過某一限值即認為發生接觸。
4、 結語
本文簡要介紹了高速數控機床，進行了高速數控磨床橫、縱向進給的設計。縱向進給采用反應式步進電動機，橫向進給引入了直線電機進給單元；直線電機直接驅動電主軸砂輪的進給運動，打破了傳統的“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”進給驅動方式，實現了機床橫向工作臺的“零傳動”；另外控制系統采用光電脈沖編碼器和光柵尺作為位置檢測裝置，大大提高了位置精度。最終實現了生產率的提高，提高了磨削精度，改善了產品質量。
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