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摘 要：随着信息技术的飞速发展，利用智能融合技术可以极大提高产品的质量和生产效率。凸轮形状误差直接体现自动磨削系统的加工精度，采用两轴交叉耦合误差补偿，保证砂轮进给和工件旋转运动符合既定数学模型，自动识别凸轮曲线的凹凸类型以及同心度，同步计算各段曲线的最小曲率半径。由于磨削力扰动、砂轮、机床稳定性等会降低形状误差精度，结合交叉耦合形状控制器，采用特殊凸轮的数学模型结合计算机仿真技术进行理论验证，不断修正边界条件，利用不断积累的工艺知识库，实现凸轮磨削形状误差的智能补偿，从而提高凸轮磨削质量与效率。
关键词：凸轮轴;高效磨削;形状误差
引言
我国虽然在汽车零部件产业取得了巨大进步，但整个行业仍存在着数量多、规模小、产业化水平低等问题。针对现有数控磨床加工凸轮轴磨削形状误差要求很难保证精度要求等技术难题，本文通过高效磨削研究，引入磨削状态自我感知技术，基于磨削系统自学习、自优化功能的工艺优化特性，对磨削系统形状误差分析与智能补偿进行研究，利用模型、深度学习等算法挖掘内蕴的工艺知识;通过对工艺知识的自动化组织，形成工艺知识库并优化，达到提高凸轮磨削质量与效率的目的。凸轮磨削是由工件旋转轴与砂轮进给轴按照凸轮型线数学关系联动磨削加工实现的，采用两轴联动各轴独立控制的方式，通过插补算法可以使輸入到两个伺服系统的给定值保持一定的联动关系，但由于机械和电气双方面的影响，伺服系统及传动机构的综合输出却无法保证相应的数学关系。凸轮轴数控磨削加工中影响凸轮形状精度的误差来源可分为四类：①结构误差;②磨削过程;③动态特性、控制器与外部干扰④砂轮因素。总的形状误差是这六种误差综合作用的结果。针对误差来源，可从以下两个方面降低误差：一是提高单轴伺服系统的性能，减小跟踪误差;二是对两轴运动实现耦合控制，以期提高工件的形状加工精度。
一、变形误差
凸轮轴磨床磨削时，C轴和X轴联动，所以只要求出砂轮位移X与凸轮轴转角φ的关系式，并由关系式生成数控指令即可进行磨削加工。由于凸轮曲线复杂，为了提高加工效率和加工质量，一般采用离线插补，即将（X，φ）离散为一系列的点（X0，φ0）、…、（Xn，φn），CNC根据当前坐标（Xi，φi）和下一点坐标（Xi+1，φi+1）采直线插补、圆弧插补或曲线插补。误差补偿策略，通常要求用户输入凸轮轴的升程、砂轮直径、凸轮数量、凸轮轴向分布等参数，然后由CNC拟合出凸轮形状曲线，计算磨削点联动坐标进行插补。由于每个厂家的数控系统都是封闭的，无法直接在数控系统上进行补偿，故提出软件补偿思路：根据凸轮升程表，利用三次样条拟合凸轮形状线，计算理论联动磨削点坐标（X0，φ0）、…、（Xn，φn），计算误差值（εx0，φ0）、…、（εxn，φn），将误差值与理论坐标进行叠加（X0+εx0，φ0）、…、（Xn+εxn，φn），生成新的数控加工程序，然后将程序输入到CNC中进行磨削加工。
二、误差补偿
数控凸轮磨床采用切点跟踪磨削技术，切点跟踪磨削技术作为凸轮以及曲轴轴颈等非圆表面加工的高效高精度的磨削方法，是按照工件形状控制砂轮架横向跟踪进给（X轴）和工件回转（C轴）进行联动实现形状的磨削加工，XC联动平台交叉耦合控制模型建立在X、C单轴控制的基础上，运用交叉耦合控制方法对凸轮轴的形状误差进行补偿，从而达到降低凸轮轴的廓形误差的目的。交叉耦合控制思想是根据凸轮轴磨削加工原理进行耦合得到凸轮轴的廓形误差，再运用专家PID控制器进行调节，并将形状误差根据一定比例分别分配给X轴和C轴，进而达到实时在线补偿的作用，专家控制系统是智能控制系统的重要部分之一，根据控制的原理，控制器采用离散S函数与Simulink模块相结合的形式，采样时间、控制输入上下限及控制器参数采用封装的形式设定。
三、自适应控制
两轴交叉耦合控制可有效地减少凸轮磨削的形状误差，但磨削过程中的磨削力扰动、非线性等因素还是会降低形状精度，并且随着进给速度的不同，凸轮瞬态形状误差也会随之发生改变，并可能会大于给定的范围。为保证整个磨削加工过程中形状误差控制在要求的误差范围内，设计的交叉耦合误差与模型参考自适应控制相结合的控制结构。该系统中进给量指令作为输入，形状误差作为输出，模型参考自适应策略用于求解由插补器和交叉耦合控制器组成的非线性时变动态模型，即根据指定的形状误差范围采用形状误差反馈产生自适应进给控制量命令。动态模型的参数是未知的，参考模型的输入为指定的误差范围，被控对象的输出与参考模型的输出进行比较，通过调节控制器参数使输出误差收敛于零。凸轮轴是由工件旋转轴和砂轮进给轴联动磨削加工完成的，如果一个轴只控制自身的误差而不顾另一轴当前的误差情况，加工出的凸轮形状就会产生较大的误差。以形状误差作为直接控制目标来对各轴进行运动补偿，工件旋转轴和砂轮进给轴均需同时接收两轴的误差信号，才能实现系统各项位置误差的综合补偿。
四、自我感知驱动
通过凸轮轴磨削状态自我感知技术，使高速高精高耐磨凸轮轴自动磨削系统具有自学习、自生长、自优化功能的工艺优化特性。通过对凸轮磨削过程中的运行状态数据进行实时采集，并用凸轮磨削结果对运行状态数据进行标记，建立运行状态数据与工艺参数间的映射关系，形成工艺数据自学习、自优化的数据基础，利用统计分析、时频分析、小波分析、稀疏分解等方法提取上述数据之间的特征，利用神经网络算法、深度学习等算法挖掘其中内蕴的工艺知识;通过对工艺知识的自动化组织，形成工艺知识库;利用不断积累的工艺知识库，对磨削凸轮的已有工艺参数进行优化，达到提高凸轮磨削质量与效率的目的。
结束语
通过数学模型，实时计算凸轮磨削加工中的形状误差，特殊凸轮的数据转换公式对参数变化很敏感，超出一定范围就会失效，在采用交叉耦合形状控制的基础上，通过凸轮轴磨削状态自我感知技术，建立运行状态数据与工艺参数间的映射关系，使磨削系统具有自学习、自优化功能的工艺优化特性。引入自学习、自适应控制技术，在线调节进给量，即利用形状误差，建立特殊凸轮的数学模型时结合计算机仿真技术进行理论验证，不断修正边界条件，实时进行修正补偿，运用在线监测及自动修正和补偿技术，提高凸轮轴的加工精度和稳定性。
参考文献
[1]邓朝晖，彭欢欢，万林林，等.凹面轮廓凸轮轴成形磨削工艺研究[J].现代制造工程，2017（10）.
[2杨 靖，陈立锋，李 克，等.基于曲率分段的发动机凸轮磨削步长优化算法.湖南大学学报（自然科学版），2016，40（11）
[3蔡力钢，彭宝营，韩秋实，等.一种新的非圆曲面零件切点跟踪磨削加工模型[J.计算机集成制造系统，2017（10）
关键词：凸轮轴;高效磨削;形状误差
引言
我国虽然在汽车零部件产业取得了巨大进步，但整个行业仍存在着数量多、规模小、产业化水平低等问题。针对现有数控磨床加工凸轮轴磨削形状误差要求很难保证精度要求等技术难题，本文通过高效磨削研究，引入磨削状态自我感知技术，基于磨削系统自学习、自优化功能的工艺优化特性，对磨削系统形状误差分析与智能补偿进行研究，利用模型、深度学习等算法挖掘内蕴的工艺知识;通过对工艺知识的自动化组织，形成工艺知识库并优化，达到提高凸轮磨削质量与效率的目的。凸轮磨削是由工件旋转轴与砂轮进给轴按照凸轮型线数学关系联动磨削加工实现的，采用两轴联动各轴独立控制的方式，通过插补算法可以使輸入到两个伺服系统的给定值保持一定的联动关系，但由于机械和电气双方面的影响，伺服系统及传动机构的综合输出却无法保证相应的数学关系。凸轮轴数控磨削加工中影响凸轮形状精度的误差来源可分为四类：①结构误差;②磨削过程;③动态特性、控制器与外部干扰④砂轮因素。总的形状误差是这六种误差综合作用的结果。针对误差来源，可从以下两个方面降低误差：一是提高单轴伺服系统的性能，减小跟踪误差;二是对两轴运动实现耦合控制，以期提高工件的形状加工精度。
一、变形误差
凸轮轴磨床磨削时，C轴和X轴联动，所以只要求出砂轮位移X与凸轮轴转角φ的关系式，并由关系式生成数控指令即可进行磨削加工。由于凸轮曲线复杂，为了提高加工效率和加工质量，一般采用离线插补，即将（X，φ）离散为一系列的点（X0，φ0）、…、（Xn，φn），CNC根据当前坐标（Xi，φi）和下一点坐标（Xi+1，φi+1）采直线插补、圆弧插补或曲线插补。误差补偿策略，通常要求用户输入凸轮轴的升程、砂轮直径、凸轮数量、凸轮轴向分布等参数，然后由CNC拟合出凸轮形状曲线，计算磨削点联动坐标进行插补。由于每个厂家的数控系统都是封闭的，无法直接在数控系统上进行补偿，故提出软件补偿思路：根据凸轮升程表，利用三次样条拟合凸轮形状线，计算理论联动磨削点坐标（X0，φ0）、…、（Xn，φn），计算误差值（εx0，φ0）、…、（εxn，φn），将误差值与理论坐标进行叠加（X0+εx0，φ0）、…、（Xn+εxn，φn），生成新的数控加工程序，然后将程序输入到CNC中进行磨削加工。
二、误差补偿
数控凸轮磨床采用切点跟踪磨削技术，切点跟踪磨削技术作为凸轮以及曲轴轴颈等非圆表面加工的高效高精度的磨削方法，是按照工件形状控制砂轮架横向跟踪进给（X轴）和工件回转（C轴）进行联动实现形状的磨削加工，XC联动平台交叉耦合控制模型建立在X、C单轴控制的基础上，运用交叉耦合控制方法对凸轮轴的形状误差进行补偿，从而达到降低凸轮轴的廓形误差的目的。交叉耦合控制思想是根据凸轮轴磨削加工原理进行耦合得到凸轮轴的廓形误差，再运用专家PID控制器进行调节，并将形状误差根据一定比例分别分配给X轴和C轴，进而达到实时在线补偿的作用，专家控制系统是智能控制系统的重要部分之一，根据控制的原理，控制器采用离散S函数与Simulink模块相结合的形式，采样时间、控制输入上下限及控制器参数采用封装的形式设定。
三、自适应控制
两轴交叉耦合控制可有效地减少凸轮磨削的形状误差，但磨削过程中的磨削力扰动、非线性等因素还是会降低形状精度，并且随着进给速度的不同，凸轮瞬态形状误差也会随之发生改变，并可能会大于给定的范围。为保证整个磨削加工过程中形状误差控制在要求的误差范围内，设计的交叉耦合误差与模型参考自适应控制相结合的控制结构。该系统中进给量指令作为输入，形状误差作为输出，模型参考自适应策略用于求解由插补器和交叉耦合控制器组成的非线性时变动态模型，即根据指定的形状误差范围采用形状误差反馈产生自适应进给控制量命令。动态模型的参数是未知的，参考模型的输入为指定的误差范围，被控对象的输出与参考模型的输出进行比较，通过调节控制器参数使输出误差收敛于零。凸轮轴是由工件旋转轴和砂轮进给轴联动磨削加工完成的，如果一个轴只控制自身的误差而不顾另一轴当前的误差情况，加工出的凸轮形状就会产生较大的误差。以形状误差作为直接控制目标来对各轴进行运动补偿，工件旋转轴和砂轮进给轴均需同时接收两轴的误差信号，才能实现系统各项位置误差的综合补偿。
四、自我感知驱动
通过凸轮轴磨削状态自我感知技术，使高速高精高耐磨凸轮轴自动磨削系统具有自学习、自生长、自优化功能的工艺优化特性。通过对凸轮磨削过程中的运行状态数据进行实时采集，并用凸轮磨削结果对运行状态数据进行标记，建立运行状态数据与工艺参数间的映射关系，形成工艺数据自学习、自优化的数据基础，利用统计分析、时频分析、小波分析、稀疏分解等方法提取上述数据之间的特征，利用神经网络算法、深度学习等算法挖掘其中内蕴的工艺知识;通过对工艺知识的自动化组织，形成工艺知识库;利用不断积累的工艺知识库，对磨削凸轮的已有工艺参数进行优化，达到提高凸轮磨削质量与效率的目的。
结束语
通过数学模型，实时计算凸轮磨削加工中的形状误差，特殊凸轮的数据转换公式对参数变化很敏感，超出一定范围就会失效，在采用交叉耦合形状控制的基础上，通过凸轮轴磨削状态自我感知技术，建立运行状态数据与工艺参数间的映射关系，使磨削系统具有自学习、自优化功能的工艺优化特性。引入自学习、自适应控制技术，在线调节进给量，即利用形状误差，建立特殊凸轮的数学模型时结合计算机仿真技术进行理论验证，不断修正边界条件，实时进行修正补偿，运用在线监测及自动修正和补偿技术，提高凸轮轴的加工精度和稳定性。
参考文献
[1]邓朝晖，彭欢欢，万林林，等.凹面轮廓凸轮轴成形磨削工艺研究[J].现代制造工程，2017（10）.
[2杨 靖，陈立锋，李 克，等.基于曲率分段的发动机凸轮磨削步长优化算法.湖南大学学报（自然科学版），2016，40（11）
[3蔡力钢，彭宝营，韩秋实，等.一种新的非圆曲面零件切点跟踪磨削加工模型[J.计算机集成制造系统，2017（10）