CN113910021B - 异形外圆磨削方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异形外圆磨削方法及系统，该异形外圆磨削方法包括：确定包含外圆几何轮廓信息的dxf文件；设定磨削加工的加工参数；根据加工参数中和C轴相关的参数，对C轴在整个磨削圈数内的加速‑匀速‑减速运动进行规划；确定外圆几何轮廓，并进行刀补计算获得砂轮中心的轨迹曲线；计算得出各个时间节点的X轴位置和速度，进一步确定X‑C轴的PVT数据，以实现对异形外圆的随动磨削加工。根据本发明的异形外圆磨削方法及系统，能够适用于任意几何轮廓的外圆磨削，具有通用性强、用户工作量小的优势，且提高了异形外圆磨削的加工精度。

Description

异形外圆磨削方法及系统
技术领域
本发明涉及数控磨床的磨削加工技术的领域，尤其涉及一种异形外圆磨削方法及系统。
背景技术
异形外圆磨削是指对各种形状工件的外圆进行磨削，如曲轴外圆、凸轮外圆。异形外圆磨削通常采用X-C随动的切点跟踪磨削技术，目前，针对曲轴、凸轮有专门的解析算法获得离散化的加工轨迹点X-C数据，但对于其它非圆异形轮廓通常通过工程制图法来对轮廓进行离散化继而获得加工轨迹点X-C数据，再将数据导入数控系统，由数控系统的插补控制算法进行控制磨削，这种方式对使用者来说工作量大，使用不友好，再者，数控系统对导入的离散化数据点进行插补控制时，受插补拟合算法的影响可能会导致失真、降低了轮廓精度。
因此，亟需设计一种新的异形外圆磨削方法，以至少部分地缓解或解决现有技术存在的上述不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的异形外圆磨削方法对使用者来说工作量大、使用不友好以及轮廓精度可能明显降低的缺陷，提出一种新的异形外圆磨削方法及系统。
本发明是通过采用下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种异形外圆磨削方法，所述异形外圆磨削方法采用磨削加工机床进行加工，所述磨削加工机床包括磨床头架以及磨床砂轮架，其特点在于，所述异形外圆磨削方法包括以下步骤：
步骤S101、确定包含外圆几何轮廓信息的dxf文件，其中所述外圆几何轮廓信息表示的外圆几何轮廓包括直线段、圆弧、椭圆弧、样条曲线中的一种或多种；
步骤S102、设定磨削加工的加工参数，所述加工参数包括C轴转速、磨削圈数、磨削量、X轴单圈进给量、插补时间片T、砂轮半径Rs、砂轮转速；
步骤S103、根据步骤S102中设定的所述加工参数中和C轴相关的参数，按预设的S形曲线加减速算法对C轴在整个磨削圈数内的加速-匀速-减速运动进行规划，所述规划使得C轴运动的总时间为插补时间片T的整数倍，该整数倍记为N倍，并由此确定C轴在每个时间节点t的角度位置SC(t)及速度VC(t)，其中t＝nT，n＝0,1,2,...,N；
步骤S104、对步骤S101中确定的dxf文件进行解析以确定外圆几何轮廓，并进一步根据砂轮半径及每一圈的目标磨削余量，对曲线进行刀补计算，获得每一圈磨削到目标余量位置时对应的砂轮中心的轨迹曲线；
步骤S105、对于步骤S103中的每个时间节点的C轴的角度位置SC(t)计算出与之对应的X轴位置SX(t)；
步骤S106、根据步骤S105得到的各时间节点的X轴位置SX(t)计算各时间节点的X轴速度VX(t)，计算方式由以下公式定义，
步骤S107、通过以上步骤S102至S106确定各时间节点的X-C轴的PVT数据，并根据所述PVT数据对X-C轴进行随动控制，以实现对异形外圆的随动磨削加工。
其中，C轴是指磨削加工机床的磨床头架的主轴，X轴是指磨床砂轮架进给的随动跟踪轴或磨床头架进给的随动跟踪轴。即，可选地，砂轮架可安装在该X轴上，或者，磨床头架可安装在该X轴上，两种机床结构均可适用本公开内容中披露的方法及系统。dxf文件是指AutoCAD(Drawing Interchange Format或者Drawing Exchange Format)绘图交换文件，而PVT全称为Position-Velocity-Time，即位置-速度-时间数据。
根据本发明的一些实施方式，步骤S101包括：
接收用户通过工程制图软件导出的包含外圆几何轮廓信息的dxf文件。
根据本发明的一些实施方式，步骤S104中，刀补计算为，将外圆几何轮廓整体向外偏移一个砂轮半径Rs加上目标磨削余量b的距离，并将由此得到的曲线作为砂轮中心的轨迹曲线。
根据本发明的一些实施方式，步骤S105包括：
对于步骤S103中的每个时间节点的C轴的角度位置SC(t)，先计算出各个时间节点的SC(t)除以360°的余数θC；
根据余数θC计算得出与θC对应的射线与砂轮中心的轨迹曲线二者的交点P(xp,yp)；
根据交点P(xp,yp)的坐标计算出对应时间节点的X轴位置并在此基础上通过减去对应时间节点的X轴的进给量进行修正，以决定实际磨削加工时对应的X轴位置。
根据本发明的一些实施方式，步骤S107还包括：
将所确定的各时间节点的X-C轴的PVT数据生成为PVT数据表。
根据本发明的一些实施方式，所述异形外圆磨削方法还包括：
步骤S108、将PVT数据表中包含的PVT数据解析为控制信号，并由伺服控制器基于解析得到的控制信号驱动电机，实现X-C轴随动的异形外圆磨削加工过程。
本发明还提供了一种异形外圆磨削系统，所述异形外圆磨削系统具有存储器和控制器，并且被配置为能够执行如上所述的异形外圆磨削方法。
本发明还提供了一种异形外圆磨削系统，其特点在于，所述异形外圆磨削系统包括：
图形导入模块，其被配置为能够接收用户通过工程制图软件导出的包含外圆几何轮廓信息的dxf文件，其中所述外圆几何轮廓信息表示的外圆几何轮廓包括直线段、圆弧、椭圆弧、样条曲线中的一种或多种；
加工参数设置模块，其被配置为能够接收用户输入以设定磨削加工的加工参数，所述加工参数包括C轴转速、磨削圈数、磨削量、X轴单圈进给量、插补时间片T、砂轮半径Rs、砂轮转速；
运算处理模块，其被配置为能够根据设定的所述加工参数中和C轴相关的参数，按预设的S形曲线加减速算法对C轴在整个磨削圈数内的加速-匀速-减速运动进行规划，所述规划使得C轴运动的总时间为插补时间片T的整数倍，该整数倍记为N倍，并由此确定C轴在每个时间节点t的角度位置SC(t)及速度VC(t)，其中t＝nT，n＝0,1,2,...,N，随后，对确定的dxf文件进行解析以确定外圆几何轮廓，并进一步根据砂轮半径及每一圈的目标磨削余量，对曲线进行刀补计算，获得每一圈磨削到目标余量位置时对应的砂轮中心的轨迹曲线，随后，对每个时间节点的C轴的角度位置SC(t)计算出与之对应的X轴位置SX(t)，进而计算各时间节点的X轴速度VX(t)，以确定各时间节点的X-C轴的PVT数据，其中X轴速度VX(t)由以下公式定义，
运动控制模块，其被配置为能够解析PVT数据以将其转化为控制信号，并基于控制信号经由伺服控制单元驱动电机，以实现X-C轴随动的异形外圆磨削。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
根据本发明的异形外圆磨削方法及系统，能够适用于任意几何轮廓的外圆磨削，具有通用性强、用户工作量小的优势，且利用PVT插补进行控制的方式提高了异形外圆磨削的加工精度。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的异形外圆磨削方法的流程示意图。
图2为根据本发明优选实施例的异形外圆磨削方法，在应用于任意异形外圆磨削时获取X-C随动位置关系的建模示意图。
图3为根据本发明优选实施例的异形外圆磨削系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都将落入本发明的保护范围之中。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明各实施例中的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
参考图1所示，根据本发明优选实施方式的一种异形外圆磨削方法，所述异形外圆磨削方法采用磨削加工机床进行加工，所述磨削加工机床包括磨床头架以及磨床砂轮架，其特征在于，所述异形外圆磨削方法包括以下步骤：
步骤S101、确定包含外圆几何轮廓信息的dxf文件，其中所述外圆几何轮廓信息表示的外圆几何轮廓包括直线段、圆弧、椭圆弧、样条曲线中的一种或多种；
步骤S102、设定磨削加工的加工参数，所述加工参数包括C轴转速、磨削圈数、磨削量、X轴单圈进给量、插补时间片T、砂轮半径Rs、砂轮转速；
步骤S103、根据步骤S102中设定的所述加工参数中和C轴相关的参数，按预设的S形曲线加减速算法对C轴在整个磨削圈数内的加速-匀速-减速运动进行规划，所述规划使得C轴运动的总时间为插补时间片T的整数倍，该整数倍记为N倍，并由此确定C轴在每个时间节点t的角度位置SC(t)及速度VC(t)，其中t＝nT，n＝0,1,2,...,N；
步骤S104、对步骤S101中确定的dxf文件进行解析以确定外圆几何轮廓，并进一步根据砂轮半径及每一圈的目标磨削余量，对曲线进行刀补计算，获得每一圈磨削到目标余量位置时对应的砂轮中心的轨迹曲线；
步骤S105、对于步骤S103中的每个时间节点的C轴的角度位置SC(t)计算出与之对应的X轴位置SX(t)；
步骤S106、根据步骤S105得到的各时间节点的X轴位置SX(t)计算各时间节点的X轴速度VX(t)，计算方式由以下公式定义，
步骤S107、通过以上步骤S102至S106确定各时间节点的X-C轴的PVT数据，并根据所述PVT数据对X-C轴进行随动控制，以实现对异形外圆的随动磨削加工。
参照图2所示，其中示例性地示出了，用户导入的外圆轮廓曲线1，与磨削余量对应的轮廓曲线2(如毛坯的轮廓曲线)，磨削到目标余量位置时砂轮中心的轨迹曲线3，以及砂轮中心轨迹曲线上某点P对应的砂轮外圆轮廓曲线4。该砂轮外圆轮廓曲线4与磨削到目标余量位置时砂轮中心的轨迹曲线3是相对应的曲线。
根据本发明的一些优选实施例，步骤S101包括：
接收用户通过工程制图软件导出的包含外圆几何轮廓信息的dxf文件。
根据本发明的一些优选实施例，步骤S104中，刀补计算为，将外圆轮廓曲线1整体向外偏移一个砂轮半径Rs加上目标磨削余量b的距离，并将由此得到的曲线作为砂轮中心的轨迹曲线3。
根据本发明的一些优选实施例，进一步参考图2所示，步骤S105包括：
对于步骤S103中的每个时间节点的C轴的角度位置SC(t)，先计算出各个时间节点的SC(t)除以360°的余数θC；
根据余数θC计算得出与θC对应的射线与砂轮中心的轨迹曲线二者的交点P(xp,yp)；
根据交点P(xp,yp)的坐标计算出对应时间节点的X轴位置并在此基础上通过减去对应时间节点的X轴的进给量进行修正，以决定实际磨削加工时对应的X轴位置。
根据本发明的一些优选实施例，步骤S107还包括：
将所确定的各时间节点的X-C轴的PVT数据生成为PVT数据表。
根据本发明的一些优选实施例，所述异形外圆磨削方法还包括：
步骤S108、将PVT数据表中包含的PVT数据解析为控制信号，并由伺服控制器基于解析得到的控制信号驱动电机，实现X-C轴随动的异形外圆磨削加工过程(图中未示出步骤S108)。
参考图3所示，根据本发明的一些优选实施例还提供了一种异形外圆磨削系统，该异形外圆磨削系统包括：
图形导入模块201，其被配置为能够接收用户通过工程制图软件导出的包含外圆几何轮廓信息的dxf文件，其中所述外圆几何轮廓信息表示的外圆几何轮廓包括直线段、圆弧、椭圆弧、样条曲线中的一种或多种；
加工参数设置模块202，其被配置为能够接收用户输入以设定磨削加工的加工参数，所述加工参数包括C轴转速、磨削圈数、磨削量、X轴单圈进给量、插补时间片T、砂轮半径Rs、砂轮转速；
运算处理模块203，其被配置为能够根据设定的所述加工参数中和C轴相关的参数，按预设的S形曲线加减速算法对C轴在整个磨削圈数内的加速-匀速-减速运动进行规划，所述规划使得C轴运动的总时间为插补时间片T的整数倍，该整数倍记为N倍，并由此确定C轴在每个时间节点t的角度位置SC(t)及速度VC(t)，其中t＝nT，n＝0,1,2,...,N，随后，对确定的dxf文件进行解析以确定外圆几何轮廓，并进一步根据砂轮半径及每一圈的目标磨削余量，对曲线进行刀补计算，获得每一圈磨削到目标余量位置时对应的砂轮中心的轨迹曲线，随后，对每个时间节点的C轴的角度位置SC(t)计算出与之对应的X轴位置SX(t)，进而计算各时间节点的X轴速度VX(t)，以确定各时间节点的X-C轴的PVT数据，其中X轴速度VX(t)由以下公式定义，
运动控制模块204，其被配置为能够解析PVT数据以将其转化为控制信号，并基于控制信号经由伺服控制单元驱动电机，以实现X-C轴随动的异形外圆磨削。
根据本发明的上述优选实施例的异形外圆磨削方法以及异形外圆磨削系统，通过直接根据用户给出的外圆轮廓图形及加工参数，建立X-C随动的控制模型，适用于任意几何轮廓的外圆磨削，通用性强，用户工作量小，且采用PVT插补进行控制的方式，提高了轮廓精度，实现了异形外圆磨削的高精度加工。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而且这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种异形外圆磨削方法，所述异形外圆磨削方法采用磨削加工机床进行加工，所述磨削加工机床包括磨床头架以及磨床砂轮架，其特征在于，所述异形外圆磨削方法包括以下步骤：
步骤S101、确定包含外圆几何轮廓信息的dxf文件，其中所述外圆几何轮廓信息表示的外圆几何轮廓包括直线段、圆弧、椭圆弧、样条曲线中的一种或多种；
步骤S102、设定磨削加工的加工参数，所述加工参数包括C轴转速、磨削圈数、磨削量、X轴单圈进给量、插补时间片T、砂轮半径Rs、砂轮转速；
步骤S103、根据步骤S102中设定的所述加工参数中和C轴相关的参数，按预设的S形曲线加减速算法对C轴在整个磨削圈数内的加速-匀速-减速运动进行规划，所述规划使得C轴运动的总时间为插补时间片T的整数倍，该整数倍记为N倍，并由此确定C轴在每个时间节点t的角度位置SC(t)及速度VC(t)，其中t＝nT，n＝0,1,2,...,N；
步骤S104、对步骤S101中确定的dxf文件进行解析以确定外圆几何轮廓，并进一步根据砂轮半径及每一圈的目标磨削余量，对曲线进行刀补计算，获得每一圈磨削到目标余量位置时对应的砂轮中心的轨迹曲线；
步骤S105、对于步骤S103中的每个时间节点的C轴的角度位置SC(t)计算出与之对应的X轴位置SX(t)；
步骤S106、根据步骤S105得到的各时间节点的X轴位置SX(t)计算各时间节点的X轴速度VX(t)，计算方式由以下公式定义，
步骤S107、通过以上步骤S102至S106确定各时间节点的X-C轴的PVT数据，并根据所述PVT数据对X-C轴进行随动控制，以实现对异形外圆的随动磨削加工。
2.如权利要求1所述的异形外圆磨削方法，其特征在于，步骤S101包括：
接收用户通过工程制图软件导出的包含外圆几何轮廓信息的dxf文件。
3.如权利要求1所述的异形外圆磨削方法，其特征在于，步骤S104中，刀补计算为，将外圆几何轮廓整体向外偏移一个砂轮半径Rs加上目标磨削余量b的距离，并将由此得到的曲线作为砂轮中心的轨迹曲线。
4.如权利要求1所述的异形外圆磨削方法，其特征在于，步骤S105包括：
对于步骤S103中的每个时间节点的C轴的角度位置SC(t)，先计算出各个时间节点的SC(t)除以360°的余数θC；
根据余数θC计算得出与θC对应的射线与砂轮中心的轨迹曲线二者的交点P(xp,yp)；
根据交点P(xp,yp)的坐标计算出对应时间节点的X轴位置并在此基础上通过减去对应时间节点的X轴的进给量进行修正，以决定实际磨削加工时对应的X轴位置。
5.如权利要求1所述的异形外圆磨削方法，其特征在于，步骤S107还包括：
将所确定的各时间节点的X-C轴的PVT数据生成为PVT数据表。
6.如权利要求5所述的异形外圆磨削方法，其特征在于，所述异形外圆磨削方法还包括：
步骤S108、将PVT数据表中包含的PVT数据解析为控制信号，并由伺服控制器基于解析得到的控制信号驱动电机，实现X-C轴随动的异形外圆磨削加工过程。
7.一种异形外圆磨削系统，其特征在于，所述异形外圆磨削系统具有存储器和控制器，并且被配置为能够执行如权利要求1-6中任意一项所述的异形外圆磨削方法。
8.一种异形外圆磨削系统，其特征在于，所述异形外圆磨削系统包括：
图形导入模块，其被配置为能够接收用户通过工程制图软件导出的包含外圆几何轮廓信息的dxf文件，其中所述外圆几何轮廓信息表示的外圆几何轮廓包括直线段、圆弧、椭圆弧、样条曲线中的一种或多种；
加工参数设置模块，其被配置为能够接收用户输入以设定磨削加工的加工参数，所述加工参数包括C轴转速、磨削圈数、磨削量、X轴单圈进给量、插补时间片T、砂轮半径Rs、砂轮转速；
运算处理模块，其被配置为能够根据设定的所述加工参数中和C轴相关的参数，按预设的S形曲线加减速算法对C轴在整个磨削圈数内的加速-匀速-减速运动进行规划，所述规划使得C轴运动的总时间为插补时间片T的整数倍，该整数倍记为N倍，并由此确定C轴在每个时间节点t的角度位置SC(t)及速度VC(t)，其中t＝nT，n＝0,1,2,...,N，随后，对确定的dxf文件进行解析以确定外圆几何轮廓，并进一步根据砂轮半径及每一圈的目标磨削余量，对曲线进行刀补计算，获得每一圈磨削到目标余量位置时对应的砂轮中心的轨迹曲线，随后，对每个时间节点的C轴的角度位置SC(t)计算出与之对应的X轴位置SX(t)，进而计算各时间节点的X轴速度VX(t)，以确定各时间节点的X-C轴的PVT数据，其中X轴速度VX(t)由以下公式定义，
运动控制模块，其被配置为能够解析PVT数据以将其转化为控制信号，并基于控制信号经由伺服控制单元驱动电机，以实现X-C轴随动的异形外圆磨削。
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