无级变速器锥盘车磨复合加工数控技术探析
无级变速器锥盘车磨复合加工数控技术探析
高晓翔
（泰州技师学院 江苏泰州 22530）
摘要：在无级变速器中，锥盘是重要部件，其质量优劣直接关系到变速器的性能和寿命。数控车磨复合加工中心是锥盘生产的关键设备。为此，有必要加大对无级变速器锥盘车磨复合加工数控技术的研究力度。文章从无级变速器锥盘复合加工关键技术分析入手，提出基于无级变速器锥盘复合加工数控系统构建，期望能够对提高锥盘的精度和质量有所帮助。
关键词：无级变速器；锥盘；复合加工；数控技术
0前言
无机变速器是无级变速技术的代表性产品，在汽车领域得到广泛应用。锥盘作为无级变速器的核心部件，必须保证其精度和质量达标。为此，在锥盘复合加工中，要采取有效的技术措施，对加工过程进行控制。借此，就无级变速器锥盘车磨复合加工数控技术展开探析。
1无级变速器锥盘复合加工关键技术
无级变速器简称CVT，主动与从动轮是CVT的重要传动部件，该部件由两个锥盘组合而成。由于锥盘本身对接触疲劳强度的要求较高，所以在选材、加工等方面的技术要求也比较高。锥盘的加工质量与CVT的传动效率密切相关，并且还会影响到稳定性及使用寿命。为提高锥盘的加工质量，可采用复合加工中心数控技术，确保锥盘的孔径、锥面、沟道等达到精度要求。
1.1沟道寻边定位
1.1.1定位系统
通过分析锥盘的结构发现，其内孔中有磨削而成沟槽，以均匀的形式分布于孔内。在锥盘磨削加工的过程中，为提高加工效率，制造毛坯时可对沟道预加工，将磨削余量控制在0.2mm内[1]。沟道磨削加工前，要快速、精确对内控中的直线沟道定位及找正。通常情况下，数控设备对工件进行定位和找正时，会用到寻边装置，多为接触式。实践表明，通过这种方法定位沟道时，受到沟道本身突起的影响，容易造成传感器损坏。在不断研究和试验中发现，图像处理技术在定位中具有一定的适用性，但由于摄像机昂贵，导致成本过高，并且处理算法的复杂程度也比较高，限制了该技术的推广应用。针对当前定位方法存在的缺陷和不足，本文提出一种在线定位的方法。锥盘内控沟道的分布情况如图1所示。
图1 CVT锥盘内控直线沟道示意图
图1中红线的圆形为通孔，在内控周围均匀分布多条间距相等的沟道，基于这一前提，定位时找到其中任意一条沟道的位置，便可通过计算，得出其余各条沟道的中心线位置。锥盘的内控端面是一个具有漫反射性质的表面，根据该性质，设计出一种定位方法，即基于漫反射光电式开关的在线定位，这种方法工作时的时序关系如图2所示。
图2 基于漫反射光电式开关定位的时序关系示意图
利用图2中的已知参数，通过计算后，能够得出内孔沟道的中心线位置，具体的计算公式如下：
初始位置可以通过计算；沟道的中心线位置则利用计算，内孔中其余沟道中心线的位置可以通过计算。经过上述一系列计算后，可得到锥盘起始位置的角度[2]。
1.1.2计算方法
在锥盘内孔中共有6道均匀分布的沟道，测量距离设定为10mm，传感器为IP67级光电式开关传感器，光点的直径为10μm。采集到的编码器脉冲数依次为50、80和140，用、、表示，通过上文的公式，可以计算出起始位置4.39°。第一条沟道的中心线位置为9.66°，内孔中其余5条沟道的位置按从小到大的排列顺序依次为69.66°、129.66°、189.66°、249.66°、309.66°[3]。由此能够快速对内孔中的所有沟道准确定位。
1.1.3试验验证
为对本文所提出定位方法的可行性加以验证，开展相关的试验测试（限于篇幅过程省略）。结果显示，未反馈细分的情况下，在转速为0.1r/min和0.5r/min时，定位误差分别为0.1517°和0.1151°，经100倍频细分后，可以满足工件0.005°的定位精度要求，也就是说明，本次提出的定位方法合理、可行，适用于CVT锥盘车磨复合加工。
1.2孔径与锥度测量
由CVT锥盘复合加工的关键技术指标可知，当车削、磨削加工完毕后，要测量锥盘的内孔直径及其端面的锥度。按照锥盘的结构，结合数控机床的工位要求，设计测量装置，为数控机床在线测量目标的实现提供支撑。测量装置的基本原理如图3所示。
图3 锥盘孔径及锥度在线测量原理
本次设计的测量装置由多个传感器构成，包括内孔传感器、轴向位移传感器等，传感器的测量精度范围可以达到±100μm，内孔及锥度传感器的测量精度分别为0.0015mm和0.0010mm[4]。
1.3电动机调试
本次研究中，对电动机的调试主要是伺服特性，选用西门子公司出品的6.1kW伺服电动机，其额定转速为每分钟3000r，自带增量编码器，配有电源模块。电动机伺服特性调试回路如图4所示。
图4 电动机伺服特性测试回路示意图
1.3.1 PID控制
由于CVT复合加工机床有较多的进给环节，采用常规的PID控制器很难达到预期中的控制效果。UMAC（运动控制器）采用全新的PID算法，对系统的整体性能加以改善，从而使其可以满足高精度的要求。与传统的PID相比，UMAC引入前馈控制算法，在确保系统运行稳定的基础上，补偿被调增量，从而使系统的鲁棒性得到进一步增强，机械谐振的问题随之解决。UMAC提供多种信号源，包括7种特定和一个自定义，能够对PID的相关参数加以调节，满足伺服系统的要求。对PID参数整定后，系统的响应时间、跟随误差有所减小，伺服系统的动态响应特性随之提高。
2基于无级变速器锥盘复合加工数控系统构建
2.1系统结构
2.1.1结构特点
按照CVT锥盘的加工情况，采用开放式的设计方法，构建以PC和UMAC相结合的数控系统。该系统的结构特点如下：①模块化。本次构建的数控系统采用的是当前最为流行的模块化结构体系，所有的模块之间相互独立，互相关联，有标准化的接口，模块可以按照需要增加。②可移植性。由于数据的格式以及控制机制均为统一，加之源代码能够兼容多种计算机平台，从而使得软件可以在不同的平台中运行。③操作性。系统中所有的组件全都采用具有标准化特征的应用程序界面，即API，从而使模块间的数据能够按统一的格式传输，可操作性更强。④可扩展性。按照相关的生产需要，利用系统提供的API，依据现行的编程规范，可在较短的时间内开发出的功能模块，由此使系统具备了扩展的能力。
2.1.2总体结构方案
按照系统的结构特点，并在充分考虑CVT锥盘复合加工工艺，对数控系统高要求的基础上，提出基于PC和UMAC相结合的数控系统。PC归属于硬件设备的范畴，它所固有的硬件，为系统重构提供便利条件。不仅如此，PC还有着极为丰富的软件资源，由此使其在软件开发上具有较强的灵活性。正因如此，本次研究中，将PC作为平台搭建数控系统。基于PC的数控系统实现途径比较多，常用的有NC+PC、PC+NC和纯PC。通过对以上实现途径对比分析后发现，PC+NC的灵活性好，可以使软件资源得到有效利用，另外两种途径都或多或少存在一些不足。因此，最终决定选择PC+NC构建数控系统。整个数控系统采用工控机与运动控制卡相结合的控制模式，将工业计算机作为主机，主要负责非实时性任务的处理，如系统管理、故障诊断、数控编程以及通信等[5]。运动控制卡与工业计算机经现场总线连接，负责实时性控制任务，包括位置控制、刀具补偿以及速度处理等，同时还能对系统的运行状态实时监控，确保模块的独立性。
2.2系统硬件设计
2.2.1运动控制器
在本次提出的数控系统中，UMAC是核心部件，要求其能够对多台电动机进行多轴协调控制，它的选型直接关系到整机的控制性能。所以必须在系统硬件设计过程中，对运动控制器的选择予以高度重视。
①由于本次开发的数控系统主要是为CVT锥盘复合加工服务。因此，选用的UMAC应当满足如下要求：输出分辨率不低于24位，最高脉冲的输入频率不低于13MHz；可以接收到相关的反馈信号，包括光栅尺的绝对值以及编码器的增量等；可对Windows系统的资源加以利用，开发友好的人机交互界面；可以扩展，便于开发更多新的功能。
②通过对市面上常用的UMAC进行比较后，最终决定选用TAU公司出品的UMAC伺服运动控制器。该控制器采用的处理器为DSP56303，最多能够同时控制32个轴的运动，最高脉冲的输入频率为40MHz，完全可以满足CVT锥盘复合加工过程对精度和速度的控制要求。与上位机的通讯方式较多，可根据实际情况合理选择，配有多种接口模块，给伺服驱动器及编码器的连接提供了便利条件，拥有三种常用的输出模式，即PFM、PWM和DAC，支持扩展IO口。除此之外，UMAC还为用户提供开发调试软件，可对电动机的运行参数实时监测。
③UMAC具有如下特性：运动控制、伺服、换相、补偿、安全、计算、笛卡尔坐标系、运动程序、PLC程序等。上述特性的存在使得UMAC具备了诸多功能，如支持直线及圆弧插补；运动前瞻控制；可随时改变PID参数；支持用户自定义伺服算法；输出模式为PWM时，支持数字电流环；支持多种补偿，如力矩补偿、刀具半径补偿、位置补偿等；软硬件限位，跟随误差报警；可对多项任务在同一时间内进行处理，能够对不同的变量类型自动匹配；支持笛卡尔坐标系自定义和多个电动机不同的坐标系；支持各类高级程序语言，如C++、JAVA等。UMAC模块的构成情况如图5所示。
图5 UMAC模块结构示意图
④UMAC命令包括以下几种：在线、运动程序、PLC程序等。其中在线命令包含全局命令、坐标系命令、电动机命令等；运动程序命令包含运动模式、运动特征以及轴特征等命令；PLC命令包含命令发布、数据信息传输与显示等命令。UMAC的任务优先级如图6所示。
图6 UMAC的任务优先级示意图
2.2.2伺服系统
CVT锥盘复合加工过程，对机床本身的精度有较高的要求，基于这一前提，很难通过脉冲加方向的控制方式达到要求，所以经过综合考虑后，最终决定选用模拟控制。在该控制方式下，伺服装置的选择重点内容，为达到CVT锥盘机床复合加工的性能要求，X、Z和A轴全部选用德国西门子公司出品的交流同步电动机，并选用德国威马公司电主轴作为工件的电主轴。驱动器为西门子公司的产品，型号为611U，其特点是功能强大、配置灵活，由以下模块组成：电源馈入、控制板和功能等模块，各个模块相互独立，通过标准化的方法设计[6]。
2.2.3机床电气回路
为避免数控系统运行过程中受到外界干扰，UMAC引入直流稳压电源，利用光谱隔离技术，实现回路中的强电与弱电分离，最大限度降低电压波动产生的影响，并抑制噪声干扰。伺服系统的主回路采用的是380V交流电源输入；UMAC经板卡底部的端口，输出模拟量控制信号；电主轴内置磁栅编码器；PLC的输入和输入电压均为24V；内孔、锥面以及沟道三个磨削主轴及修形电机，由PLC进行控制。
2.3系统软件开发
在开放式数控系统中，软件具有非常重要的作用，软件开发的过程中，要选择适宜的方法，提高开发质量和效率，满足系统的应用需要。
2.3.1开发方法
①面向对象。通过对各种软件开发方法对比后，最终选择面向对象的方法，主要步骤包括OOA和OOD，前者是面向对象分析，后者是面向对象设计。与结构化的软件开发技术相比，面向对象的软件开发更容易操作，任务间的耦合程度非常高，开发出来的软件更加可靠，能够重复利用。
②操作系统。作为整个数控系统的基础平台，操作系统的选择尤为重要，直接关系到数控系统的开放性。通过对主流的操作系统分析后发现，支持数控软件的有DOC、LINUX、WINDOWS、RTXC、QNX等，这些操作系统中，既有通用型，也有专用型。排除一些无法满足使用要求的操作系统后，最终决定选用WINDOWS作为数控系统的操作系统。WINDOWS最为突出的特点是功能强大、技术成熟，可以满足数控加工需要，能够使产品的开发周期显著缩短。
③.NET框架。这是一款由微软公司开发的技术平台，它为面向对象的软件开发提供良好的编程环境，使Web程序及服务的建立变得更加容易。.NET框架在软件开发方面的优势体现在如下方面：可自由选择适宜的编程语言；编写好的程序能够移植到不同的系统当中；基础类库与组件库非常丰富，无需注册表；CLR的加入，避免内存泄漏问题的发生；可以对数据库进行访问。C#是一款专为.NET框架设计的编程语言，具有面向对象的基本特征，即继承性、抽象性、多态性和封装性。C#语法非常简单，初学者亦能很好的掌握，支持XML，安全性更高。
2.3.2软件功能
本次开发的数控系统软件结构如图7所示。
图7 数控系统软件结构体系
控制系统能够完成实时和非实时性任务的控制，如位置、速度、刀具补偿、参数设置、故障诊断等。其中实时任务由UMAC和PLC共同完成，而非实时性任务则由PC机负责完成。软件借助任务协调模块，对UMAC及PLC进行调用，以此来实现实时控制。通过C#语言，编写任务协调模块，保证该模块的可用性。按照CVT锥盘的加工特点，对人机界面加以规划，使其满足应用需要。最为整个数控系统的操作平台，人机界面尤为重要，为人与机的交互提供了可能。在人机界面功能模块的软件开发中，通讯是首要问题，结合实际情况，通过比较后，决定选用PcommServer通讯驱动，它支持以太网总线通讯，带有COM接口程序。通过对PcommServer的调用，可以实现PC机与UMAC之间的通讯联接[7]。为便于了解机床的运行状态，在人机界面的开发中，加入显示界面，可以对伺服轴当前所在的位置以及运转速度等实时显示，为运行监测提供便利。
3结论
综上所述，无级变速器锥盘车磨复合加工是一项复杂的工作，为提高锥盘的精度和质量，应当采取有效的控制措施，对加工过程进行控制。未来一段时期，要加大对数控技术的研究力度，通过改进和优化，使其更加完善，从而更好的为相关领域服务。
参考文献
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