摘 要

凸轮轴已经成为汽车发动机配气机构中的最为重要的部分，其加工精度直接影响着发动机整体性能。因此，通过分析国内外凸轮轴磨床、磨削技术以及数控系统的研究，开展对凸轮轴数控磨床的机械结构及数控系统的研究，本文介绍了凸轮轴数控磨床主要机械结构设计及西门840D系统在数控磨床上的应用。通过对凸轮轴工件加工工艺进行分析，对磨床进行了主轴系统的结构设计和控制电路软硬件设计。

通过对凸轮轴加工要求分析其对数控磨床的功能需求以及生产线正常加工时的动作流程，根据分析控制系统性能需求，凸轮轴磨床控制系统采用PC嵌入NC结构，选用西门子SINUMERIK 840D数控系统作为主控单元。设计机床控制电路、伺服控制和系统配置等，完成曲轴磨床实验平台的搭建。

关键词：凸轮轴；数控磨床；结构设计；控制电路设计

Abstract

As the key part of the automobile engine valve train, the performance of the cam shaft directly affects the whole performance of the engine. In view of the above questions, in the analysis of the cam at home and abroad of grinding axis the latest research development and application based on, to carry out the core components of high speed and high precision CBN cam shaft grinding machine, static pressure bearing electric spindle, linear motor of the grinding wheel frame of the research work, the CNC system adopts Siemens CNC system 840D. This paper introduces the application of NC camshaft grinder mainly mechanical structure design and Simon 840D system in CNC grinder. In this paper, the processing technology of camshaft workpiece is analyzed, and the structure design of the main spindle system of the grinder and the design of the hardware and software of the control circuit are also analyzed.

Analysis of the functional requirements of CNC grinding machine and production line normal processing flow of action by the camshaft machining requirements, according to the analysis of control system performance requirements, cam shaft grinding machine control system using PC embedded NC structure, selection of Siemens SINUMERIK 840D CNC system as the main control unit. Design the control circuit, servo control and system configuration of the machine tool, and complete the experiment platform of the crankshaft grinding machine.

Key Words：Cam shaft; NC grinder; structure design; control circuit design

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1凸轮轴磨削技术 2

1.2.2数控系统 3

1.3本文研究内容 4

第2章 凸轮轴磨床的设计 6

2.1凸轮轴数控磨削加工原理 6

2.2 凸轮轴磨削控制系统需求 7

2.3 西门子840D系统的功能与结构 7

2.4本章小结 9

第3章 砂轮架关键部件结构设计 10

3.1主轴系统设计 10

3.1.1主轴的设计及计算 10

3.1.2电主轴 12

3.1.3 液压静压轴承 12

3.2 CBN砂轮 13

3.3本章小结 13

第4章 磨床控制系统硬件设计 14

4.1 机床控制电路总体设计 14

4.2伺服驱动设计 16

4.2.1 伺服驱动单元电路配制 16

4.2.2 电机编码器选型 17

4.3 控制电路及I/O接口 19

4.4本章小结 21

第5章 磨床控制系统软件设计 22

5.1 NC系统设置 22

5.2 PLC软件编程 23

5.2.1硬件组态 24

5.2.2 PLC软件程序 25

5.3本章小结 27

参考文献 28

致 谢 29

附录 30

第1章 绪论

1.1研究背景

我国已成为世界上汽车产销量第一大国，凸轮轴作为汽车发动机中的关键部件，也是内燃机五大零部件中最难保证加工质量的零部件。凸轮轴零件是发动机中的旋转轴，工作过程中受到工况复杂的冲击作用和扭转应力，因此凸轮轴工件的抗疲劳度、耐磨性、抗拉强度和抗扭强度等都有很高的要求，其加工质量直接影响了汽车发动机的质量和性能。随着汽车制造工业的迅速发展，使得对凸轮轴的生产加工提出了更高的要求^[1]。

凸轮轴是活塞发动机中整个进气、排气系统的关键部件。因此，凸轮轴的加工精度对汽车发动机的质量影响极大。传统加工凸轮轴方法是仿形加工，首先，要制作一套精确的母凸轮作为模板，然后通过反靠装置加工一个靠模，再进行凸轮轴的磨削，其加工示意图如图1.1所示。而传统仿形加工存在着很多缺陷：标准母凸轮制造工艺较复杂、制造成本高、加工效率低。产品更新时，需重新设计制作，生产周期长，柔性差；传统磨床采用刚玉砂轮，磨削过程中砂轮会有磨损，导致实际磨削点与理论磨削点难以重合，且缺少动态补偿系统，导致凸轮轴的加工精度较低；工件转速与砂轮转速相差较大，导致较大的磨削升程误差。