隨著全球汽車工業的高速發展，使得對凸輪軸的需求量越來越大。 凸輪軸對汽車而言是一個關鍵的基礎部件，它安裝于發動機內，控制氣缸的進氣和排氣，一個氣缸由一個進氣和一個排氣凸輪控制，廣泛應用于汽油發動機和柴油發動機，如摩托車、汽車’火車、卡車等。 每個凸輪軸是由若干個凸輪組成，如四缸發動機，一個凸輪軸由八個凸輪組成。 每個凸輪其形狀為桃形，由基圓和許多二次曲線，三次曲線及圓弧組成，其構成的封閉曲線稱為生成曲線。 生成曲線的線型誤差將直接影響發動機汽缸內燃料燃燒質量，進而影響發動機工作性能。 每個凸輪軸都要經過對毛坯的車、銑、鉆、粗磨、精磨等二十多個工序才能完成。 凸輪軸磨床主要用于汽車、摩托車及內燃機行業中的關鍵零件凸輪軸的加工。 它主要用來完成凸輪軸最后一個工序：粗磨、精磨凸輪軸上的每個凸輪。

　　我國凸輪軸的加工大多還采用傳統的機械靠模加工方式，加工質量受到靠模機構的影響，凸輪型線難以得到保證，在一定程度上制約了汽車工業的發展。但是，目前僅有少數幾個國家能夠掌握數控凸輪軸磨床技術，故機床售價昂貴，臺價高達60~80萬美元，國內企業一般無法承受。 因此，有必要研制出我國自己的數控凸輪軸磨床，重點是凸輪軸磨床數控系統，以滿足國民經濟發展的需要。

1 凸輪軸磨床數控系統開發整體分析

　　高精度數控磨床設計的技術難度大，其最大的優點是磨削精度高、產品質量穩定、產品更換靈活方便、生產效率高。 今天，由于計算機信息技術的快速發展，為高精度數控磨床的實現注入了新的活力。 使得在Windows平臺上開發多任務型的控制程序變得十分的方便。 這樣，數控系統在完成加工的同時又能夠實時地完成其它的任務，如狀態跟蹤、數據的提取和處理、故障診斷、系統檢測等。 另外，這也給開放型數控系統的開發變為現實，利于系統的維護、改造和升級換代。 所以，依靠今天的計算機平臺，開發高精度數控凸輪磨床并保證其高精度、高穩定性、高可靠性和安全性變為可能。 下面，就針對硬件和軟件的設計來深入對高精度數控磨床的開發過程進行探討。

　　1.1 系統的硬件設計

　　數控系統的硬件組成是保證系統精度、可靠性和實時性的重要因素。 在本系統中，采用上、下位機的控制體系結構，即“NC嵌入PC”結構的開放式數控系統結構如圖1所示。 它由開放體系結構運動控制卡和IPC機共同構成。 這種運動控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強的運動控制和PLC控制能力。 它本身就是一個數控系統，可以單獨使用。 它開放的函數庫供用戶在Windows平臺下自行開發構造所應用于制造業自動化控制各個領域。 如美國DeltaTau公司用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC-NC數控系統、日本MAZAK公司用三菱電機的。MELDASMAGIC64構造的MAZATROL640CNC等。 由于是基于高速DSP和高精度晶振的控制系統，它可以滿足高速、高精度磨床的高速運算和高精度伺服控制的需要。

圖1 系統的硬件結構框圖

　　根據控制軸數，初步選用美國Pro-Dex公司的PCIx-202卡。 PCIx系列是基于 PCI總線的高性能運動控制卡，其中PCIx-202可控制兩軸步進和兩軸伺服電機。 PCIx-202卡的特點：光學隔離的輸入]輸出，正負限位開關和原點信號輸入，以及微分編碼器反饋信號輸入；每軸獨立或同時運動；每軸持續的線,性插補；圓弧插補；反斜線補償；自定義，拋物線!S曲線和直線軌跡輪廓；和IO68-M外圍板兼容；電子傳動裝置；配有WIN95/NT/98/200/XP下的動態鏈接庫，方便客戶編寫自己的應用軟件；提供調試示范軟件，可演示此卡功能，方便客戶測試控制卡以及電機驅動系統。

　　為了保證工件主軸的動態特性，C軸必須采用高轉矩/慣量比的伺服電機。 考慮到機械結構和工件的轉速范圍要求，采用PAKER公司的大慣量直接驅動伺服。 它可省略機械減速裝置，減少由于減速裝置造成的傳動誤差，也滿足需要的反饋分辨率和控制精度。

　　通過插補運算看出，X軸的運動(凸輪部分)為近似的時間正弦函數，其運動控制精度直接影響了磨削精度，幅值精度影響尺寸誤差，相位精度影響凸輪軸的形狀誤差。 跟蹤精度由伺服系統的動態特性決定，由于機械傳動部分的慣量很小，所以選用小慣量伺服電機可以得到較好的控制效果。

　　1.2 系統的軟件設計

　　系統的軟件是整個數控系統的核心，是關系到系統的精度、穩定性可靠性和實時性的最重要的因素之一。 因此，在設計中必須采用合理的開發平臺和優化的算法來進行設計。以達到減少設計工作量、提高系統運行性能的目的，使系統具有開放性、多任務的特點，同時要有利于系統的升級換代。在本設計中，所采用的是基于Windows平臺的VC++6.0開發環境，在VC++6.0中開發基于。Y#的應用程序，具有開放性和多任務性，程序代碼相對較少，運行可靠。 限于篇幅，在這里僅對系統的軟件結構進行介紹，如圖2所示。 主要分為上位機管理程序、上下位通信程序和運動控制程序3個大的部分。 從軟件結構圖上可以看出，每個大的模塊又分為幾個子程序模塊，其功能如圖2示。

圖2 系統軟件結構圖

　　加工曲線的插補計算和工藝設置：采用特殊的插補算法求出兩軸的運動規律，才能通過伺服控制完成相應的動作，保證恒線速的實現。 同時要進行一些參數的設置，包括凸輪軸型號、凸輪軸上凸輪個數、凸輪的升程表、X軸速度、Z軸速度、C軸轉速、砂輪線速度等的設置。

　　文檔管理：對系統程序代碼、加工數據等進行引入和管理，讓系統按程序正常運行(引入NC程序或編輯，程序顯示，修改，文件保存，編譯)。

　　加工數據的生成與編輯：包括參數設置的所有數據生成，分析加工后凸輪的輪廓精度，并將凸輪的理論輪廓與疊加了計算誤差和插值誤差的磨削加工后的實際凸輪輪廓進行比較，并給出分析結果。 對結果可以直接打印或進行人工編輯。

　　輔助設備管理：完成油泵電機、冷卻電機、吸塵電機的啟動和判斷各電機是否正常運行，若沒有正常運行則做相應的處理。

　　系統調試：主要用于系統的現場連接調試、性能測試等。

　　系統故障和安全管理：完成各種報警信號的清除，包括：變頻器報警，伺服驅動器報警及各進給軸行程超出等情況處理，同時要對系統的緊急異常情況做出實時的處理，保證系統和人的安全。

　　凸輪加工：前后頂尖將凸輪軸夾緊，工作臺沿Z軸移動對刀，凸輪軸旋轉對刀，砂輪快進，凸輪輪廓加工開始。 當一個凸輪加工完成后，砂輪快退，工作臺沿Z軸移動開始下一個加工循環，并給出一個加工循環所用的時間。

　　砂輪修整：完成砂輪修整電機的啟動和判斷砂輪修整電機是否正常運行，若沒有正常運行則做相應的處理。 數控凸輪軸的砂輪修整包括5個過程。 (1)砂輪后退；(2)工作臺沿3軸移動；(3)對刀、砂輪快進、工進，按修整量修整；(4)修整時工作臺沿Z軸往復移動；(5)修整完畢，恢復原位。

　　故障與系統監控：對系統的運行狀態進行實時監控，實時提取系統的錯誤信息和各種異常信息，便于系統的自我調整，保證加工精度和系統安全。

　　自動/手動控制：主要完成自動控制和手動控制的一些設置，并可進行兩者之間的切換。點動控制：主要用于完成高精度位置控制功能。

2 總結

　　著重論述了具有高性價比的高精度凸輪數控磨床的控制系統的設計方法，給出在硬件和軟件上的設計模型。 經過連機調試，該系統達到了設計目的，符合市場的要求。 在信息技術迅速發展的今天，運用虛擬軟件儀器代替硬件已經變為可能，因此，在以后的設計中，可以考慮用軟件代替硬件的辦法以求得更高精度、可靠性和實時性，具有更高性價比的數控系統。