凸轮轴智能高速磨削理论及其关键技术

本书以凸轮轴智能高速磨削理论及其关键技术为主线，汇集了作者多年来从事凸轮轴智能高速磨削加工技术的新成就和经验，在国家科技支撑计划课题（2015BAF23B01）、国家863计划课题（2007AA04Z143、2014AA041504）、国家自然科学基金项目（5117516、51405158）、湖南省自然科学基金重点项目（12JJ2027）、*博士点基金项目（20110161110032）等课题、基金项目的支持下开展研究工作并参考国内外相关文献的基础上撰写而成。本书分析了磨削加工过程建模与工艺方案优选方法、误差分析和补偿技术及磨削工艺数据库的现状及发展趋势，修正并建立了凸轮轴数控磨削加工中的部分数学模型，建立了凸轮轴智能高速磨削系统整体框架结构，进行了磨削工艺智能优选模型的建立及实验验证、磨削工艺智能推理模块建模研究、磨削误差分析与智能补偿模型的建立及实验验证，并对凸轮轴智能高速磨削系统进行了软件实现与实验验证等。 

本书以凸轮轴智能高速磨削理论及其关键技术为主线，汇集了作者多年来从事凸轮轴智能高速磨削加工技术的新成就和经验，在国家科技支撑计划课题（2015BAF23B01）、国家863计划课题（2007AA04Z143、2014AA041504）、国家自然科学基金项目（5117516、51405158）、湖南省自然科学基金重点项目（12JJ2027）、*博士点基金项目（20110161110032）等课题、基金项目的支持下开展研究工作并参考国内外相关文献的基础上撰写而成。本书分析了磨削加工过程建模与工艺方案优选方法、误差分析和补偿技术及磨削工艺数据库的现状及发展趋势，修正并建立了凸轮轴数控磨削加工中的部分数学模型，建立了凸轮轴智能高速磨削系统整体框架结构，进行了磨削工艺智能优选模型的建立及实验验证、磨削工艺智能推理模块建模研究、磨削误差分析与智能补偿模型的建立及实验验证，并对凸轮轴智能高速磨削系统进行了软件实现与实验验证等。本书可作为高等院校机械工程类、近机械类各专业的本科生与研究生教学用书和参考书，也可作为从事数控磨削加工、磨削工艺智能数据库及工艺软件等领域的工程技术人员和科研人员的参考书。

目录

 

第1章绪论(1)

 

1.1研究背景(1)

 

1.2凸轮轴磨削加工技术概述(4)

 

1.3磨削加工过程的建模与专家系统智能建模(6)

 

1.4误差分析和补偿技术现状与发展趋势(11)

 

1.5磨削工艺数据库的现状、存在问题及发展方向(13)

 

1.6磨削数控加工编程技术现状及发展(15)

 

参考文献(16)

 

第2章凸轮轴数控磨削加工数学模型(18)

 

2.1凸轮轴数控磨削加工的工艺特点(18)

 

2.2磨削加工时XC轴联动坐标数学模型(21)

 

2.3凸轮轴恒线速度磨削加工(30)

 

2.4升程转换通用数学模型研究(33)

 

参考文献(36)

 

第3章凸轮轴高速智能磨削系统的建立(38)

 

3.1凸轮轴高速智能磨削系统的总体要求(38)

 

3.2凸轮轴高速智能磨削系统的体系结构(39)

 

3.3凸轮轴磨削工艺数据库的建立(44)

 

参考文献(55)

 

第4章磨削工艺智能优选模块建模研究(57)

 

4.1磨削工艺智能优选模块框架(57)

 

4.2基于RS理论的特征选取与权重计算(60)

 

4.3组合赋权法与分层过滤机制的建立(63)

 

4.4实例的检索、重用、修改及回收(65)

 

4.5磨削工艺智能优选模块示例运行(71)

 

参考文献(77)

 

第5章磨削工艺智能推理模块建模研究(79)

 

5.1磨削工艺智能推理模块框架(79)

 

5.2基于规则的工艺智能推理(80)

 

5.3基于GABP算法的工艺智能推理(86)

 

参考文献(96)

 

第6章磨削误差分析与智能补偿

模块建模研究(98)

 

6.1磨削误差分析与智能补偿模块框架(98)

 

6.2基于USB总线的凸轮轮廓在位测量系统设计(99)

 

6.3凸轮轴高速数控磨削轮廓误差分析(104)

 

6.4凸轮轴高速数控磨削误差补偿(110)

 

6.5凸轮轴高速数控磨削误差补偿实验研究(113)

 

参考文献(115)

 

第7章凸轮轴高速磨削自动数控编程技术(117)

 

7.1凸轮轴磨削智能数控加工编程技术框架(117)

 

7.2智能数控编程技术(118)

 

7.3刀具轨迹规划(120)

 

7.4砂轮进给速度优化与调节(124)

 

7.5基于砂轮走刀轨迹的机床轴运动解析(130)

 

参考文献(133)

 

第8章凸轮轴高速智能磨削系统

软件与实验验证(135)

 

8.1软件程序设计及流程(135)

 

8.2软件运行模式(145)

 

8.3软件界面(148)

 

8.4系统实验验证(157)

 

参考文献(161)

 

 

 

前言磨削加工是机械制造业重要的加工方法。大多数情况下，作为终加工工序的磨削加工，直接决定着工件成品的质量。当前磨削加工所面临的共同问题就是严重依赖操作人员的经验，选择磨削加工工艺方案的方式仍以传统的“试切”法和“经验”法为主，加工效率低，加工柔性差。凸轮轴作为汽车、内燃机、国防等众多行业所需的关键零部件，其加工的精度、效率直接影响着发动机及相关产品的质量、寿命和节能标准。因此，本书旨在以凸轮轴数控磨削加工为研究对象，分析磨削加工过程建模与工艺方案优选方法、误差分析和补偿技术及磨削工艺数据库的现状及发展趋势，研究和开发出包括磨削工艺智能优选模块、磨削工艺智能推理模块、磨削误差分析与智能补偿模块、磨削自动数控编程模块四大模块及磨削工艺数据库系统的凸轮轴高速智能磨削系统。所做的研究工作主要如下。第1，修正并建立了凸轮轴数控磨削加工中的部分数学模型。分析并比较不同磨削余量、砂轮半径对XC轴联动坐标数学模型所引入误差的大小，分别建立了修正后的XC轴联动坐标数学模型；建立了基于小二乘法的凸轮升程转换通用数学模型。第二,建立了凸轮轴高速智能磨削系统整体框架结构。分析了凸轮轴高速智能磨削系统的总体要求、系统设计的总体思路；确立了系统的运行框架及主要模块，即磨削工艺智能优选模块、磨削工艺智能推理模块和磨削误差分析与智能补偿模块；对凸轮轴磨削工艺数据库系统进行了功能建模，定义了数据库系统的总体结构及各子库模型架构。第三,磨削工艺智能优选模型的建立及实验验证。采用粗糙集（rough set，RS）实现了凸轮轴数控磨削加工中特征属性的选取，并提出了一种新的R5模型；采用层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）实现了特征属性主观权重的计算，通过定义组合赋权法获得了特征属性的组合权重大小；建立了三级特征权重过滤级别的分层过滤机制；定义了数值型、模糊逻辑型、无关型和枚举型等四种特征属性局部相似度的计算模型，实现了实例整体相似度的计算；采用基于模糊综合评价模型的综合评价因子实现了实例的重用；以某型凸轮轴磨削加工为例验证了磨削工艺智能优选模型的正确性。第四,磨削工艺智能推理模型的建立及实验验证。建立了集成基于规则推理方法和遗传神经网络算法的磨削工艺智能推理模型，可组合推理/映射出完整的磨削加工工艺方案。推理策略采用正反向混合推理、置信度和活性度综合排序的方式来进行冲突消解，并以路径跟踪法实现整个推理过程的解释说明。采用均匀设计实验方法安排凸轮轴数控磨削工艺实验，获得批量的训练样本；实现了基于RS理论在凸轮轴数控磨削加工中金刚石滚轮修整CBN砂轮领域的规则自动挖掘。第五,磨削误差分析与智能补偿模型的建立及实验验证。设计了一套基于USB总线的凸轮轮廓在位测量系统，并对该测量系统的去噪、滤波等信号处理电路进行了分析研究，同时讨论了影响测量系统可靠性和精度的多种干扰因素。后通过与离线测量设备凸轮轮廓测量仪进行对比实验，验证了该测量系统的可靠性及精度。分析了凸轮升程与轮廓在磨削误差方面的变化趋势；建立了凸轮虚拟升程的构建模型及其小二乘多项式拟合的光顺算法，建立了凸轮轴XC轴联动磨削升程误差分析与补偿模型；利用误差补偿处理后的虚拟升程进行凸轮轴磨削加工实验，验证了模型的正确性。第六，凸轮轴高速磨削自动数控编程技术的实现。确立及实现了凸轮轴磨削自动数控加工编程框架体系方案，提出了凸轮轴磨削自动数控加工编程技术框架，对砂轮走刀轨迹规划和自动计算进行了理论研究，提出了轨迹自动规划与计算方案，讨论了基于砂轮走刀轨迹的机床各运动轴的运动解析原理，并建立了机床运动的通用解析模型，依据该模型实现了机床运动仿真的数据驱动，终依据运动驱动数据生成了数控加工程序。第七,对凸轮轴高速智能磨削系统进行了软件实现与实验验证。针对磨削工艺智能优选模块、磨削工艺智能推理模块和磨削误差分析与智能补偿模块等进行了相应的程序设计和软件界面开发，以SINUMERIK 840D数控系统为例说明了嵌入数控系统版运行模式的实现过程，实现了各功能模块的总体集成；以某型凸轮轴磨削加工为例验证了凸轮轴高速智能磨削系统的合理性和有效性。本书由湖南科技大学邓朝晖，湖南理工学院张晓红，湖南科技大学刘伟、万林林等著。本书的研究工作得到了国家科技支撑计划课题（2015BAF23B01）、国家863计划课题（2007AA04Z143、2014AA041504）、国家自然科学基金项目（5117516、51405158）、湖南省自然科学基金重点项目（12JJ2027）、*博士点基金项目（20110161110032）等课题、基金项目资助。特此向支持和关心本书涉及的研究工作的所有单位和个人表示衷心的感谢。感谢曹德芳博士和杨寿智博士对本书给予的贡献。由于著者的水平和时间有限，书中难免存在疏漏和不当之处，恳切希望读者对本书中存在的不足之处给予批评指正，不胜感激。著者 2018年7月