发明内容
为了克服现有自控行程数控钻削头及其控制方法加工效率偏低、维护成本高、只能钻通孔的不足,本发明提供一种自控行程数控钻削动力头的控制方法以及根据这种控制方法专门设计的自控行程数控钻削动力头,这种控制方法及其自控行程数控钻削动力头不仅能自控进给行程、无需事先输入或少输入进给行程数据,而且结构简单、加工效率高、维护成本低,还可以钻沉孔。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
自控行程数控钻削动力头的控制方法,是通过控制器、伺服驱动器控制伺服电机使进给部分带动动力头,用自控进给行程方式、按如下进给方式完成进给行程:当钻头未接触工件时为快进、接触工件后自动变为工进、钻完后又自动变为快退。其中,自控进给行程方式采用伺服驱动方式,即:伺服驱动器采用带有能监视伺服驱动器输出转矩的转矩监视单元的,将伺服驱动器的转矩监视单元的输出电压作为取样信号;增设一电压检测和转换装置,将取样信号转换为有用输入信号、输入到控制器。其中,电压检测和转换装置可采用如下两种:
①采用模数转换器,输出数字的有用输入信号,使该数字信号在控制器内与设定的高阈值数据、低阈值数据进行比较,分别产生快进/工进的控制指令信号、工进/快退的控制指令信号。在钻通孔时,该有用输入信号使控制器在钻头接触工件后发出快进/工进控制指令信号;该有用输入信号使控制器在钻透后发出工进/快退控制指令信号。在钻沉孔时,该有用输入信号仅使控制器在钻头接触工件后发出快进/工进控制指令信号,而工进/快退控制指令信号仍由控制器根据事先输入的沉孔深度值发出。
②用两电压比较器组成电压检测和转换装置的两路电压检测和转换电路。一路使转矩监视电压与设定的高阈值信号电位比较,输出快进/工进转换的有用输入信号;另一路使转矩监视电压与设定的低阈值信号电位比较,输出工进/快退转换的有用输入信号。在钻通孔时,快进/工进转换的有用输入信号使控制器在钻头接触工件后发出快进/工进控制指令信号,工进/快退转换的有用输入信号使控制器在钻透后发出工进/快退控制指令信号;在钻沉孔时,仅有快进/工进转换的有用输入信号使控制器在钻头接触工件后发出快进/工进控制指令信号,钻孔完成后的工进/快退控制指令信号仍由控制器根据事先输入的沉孔深度值发出。
根据上述控制方法专门设计的自控行程数控钻削动力头,主要由动力头部分、进给部分,以及控制部分组成。动力头部分主要由电机、减速器、钻头组成。进给部分主要由运动导轨副、丝杠螺母副、伺服电机及其传动件组成。控制部分主要由伺服驱动器、控制器以及进给行程自控部分组成。其中,伺服驱动器要采用具有能监视伺服驱动器输出转矩的转矩监视单元的。该伺服驱动器的转矩监视单元是进给行程自控部分的一组成部分。进给行程自控部分的另一组成部分是电压检测和转换装置。电压检测和转换装置的输入端与伺服驱动器的转矩监视输出端连接,其输出端与控制器输入端连接。其中,电压检测和转换装置的电路由两个电压比较器组成。两电压比较器分别输出快进/工进转换的有用输入信号与工进/快退转换的有用输入信号。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案还可以是:
自控行程数控钻削动力头的电压检测和转换装置的电路,由两个集成电压比较器组成。其中,第一集成电压比较器的同相输入端接伺服驱动器的转矩监视输出端,第一路的上分压电阻、下分压电阻和电位器组成的分压电路跨接于电源正负极之间,设定高阈值信号电位的电位器的调节端接第一集成电压比较器的反相输入端,组成快进/工进转换的电压检测电路;第一路的光电耦合器输入部分LED和第一路的上拉电阻串联、呈正向跨接于电源正负极之间,二者的连接点与第一集成电压比较器的输出端相连接,第一路的光电耦合器的输出端接控制器的输入端,组成信号转换电路;第二集成电压比较器及其外围元件:第二路的上分压电阻、下分压电阻、电位器、光电耦合器,组成工进/快退转换的电压检测和信号转换电路;除了第二集成电压比较器的反相输入端接转矩监视输出端、同相输入端接设定低阈值信号电位的第二路的电位器的调节端、第二路的光电耦合器的输出端接控制器的另一输入端外,其余与第一集成电压比较器的电路相同。
本发明的有益效果是:
钻削动力头的快进/工进转换和工进/快退转换,通过检测伺服驱动器输出的转矩监视电压来完成,除了钻沉孔需输入深度值,无需事先输入进给行程数据。采用这种进给行程自控方式不用直接检测钻头所受轴向力大小,只需拾取伺服驱动器的转矩监视电压,信号取样简单,简化了结构。由于采用伺服控制方式,不但能钻通孔还可以钻沉孔,而且比液压控制方式加工效率高、维护成本低,结构简单,有利环保。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1:
本发明自控行程数控钻削动力头的控制方法,是通过控制器15、伺服驱动器11控制伺服电机7使进给部分带动动力头,采用自控进给行程方式、按如下方式完成进给行程:当钻头未接触工件时为快进、接触工件后自动变为工进、钻完后又自动变为快退。自控进给行程是通过伺服驱动方式实现的。
所谓通过伺服驱动方式实现自控进给行程,是将伺服驱动器11输出的转矩监视电压作取样信号,增设一个电压检测和转换装置13,将取样信号转换为输入控制器15的有用输入信号。该有用输入信号使控制器15发出快进/工进、工进/快退控制指令信号,进而通过伺服驱动器11控制伺服电机7使动力头完成快进/工进转换,工进/快退转换。
一般控制伺服电机的伺服驱动器都有能监视伺服器输出转矩的转矩监视单元,该单元输出转矩监视电压,此电压的大小与伺服电机实时输出转矩的大小成正比,电压的极性反映输出转矩的方向。采用伺服驱动方式实现自控进给行程,伺服驱动器的转矩监视单元则不可或缺。
电压检测和转换装置13的电路可由两个电压比较器组成的两路电压检测和转换电路。一路使转矩监视电压与设定的高阈值信号电位分别输入电压比较器的同、反相输入端进行比较;在钻头由快进接触工件后,转矩增大,输出开关信号,经光电耦合器转换为有用输入信号、输入控制器15,使控制器15发出快进/工进控制指令信号,通过伺服驱动器11使动力头进行快进/工进转换。另一路使转矩监视电压与设定的低阈值信号电位分别输入另一路电压比较器的同、反相输入端进行比较;在钻头由工进到钻透后,转矩减小,输出开关信号,经光电耦合器转换成有用输入信号、输入控制器15,使控制器15发出工进/快退控制指令信号,通过伺服驱动器11使动力头进行工进/快退转换。本发明还可扩展应用于钻沉孔。钻沉孔的进给控制见实施例2、3。
电压检测和转换装置13也可以采用模数转换器,由模数转换器将转矩监视电压转换为数字信号,使该数字信号在控制器15内与设定的高阈值数据、低阈值数据进行比较分别产生快进/工进控制指令信号、工进/快退控制指令信号。进而通过伺服驱动器11、伺服电机7使动力头进行工进/快退转换。
实施例2:
在图1中,本发明自控行程数控钻削动力头,由动力头部分、进给部分和电控部分组成。动力头部分主要由电机1、减速器2、钻头3组成。进给部分主要由运动导轨副5、丝杠螺母副6、同步带8和伺服电机7组成。动力头部分与运动导轨副5的可动部分联为一体,丝杠螺母副6的丝杠与伺服电机7通过同步带8传动。伺服电机7与电控部分连接。
钻头3的切削动力由电机1通过减速器2提供。伺服电机7旋转,经同步带8和丝杠螺母副6传动,使动力头沿运动导轨副5的导轨作进给运动,伺服电机7的运转由电控部分控制。钻削动力头的进给行程采用伺服驱动方式实现自动控制。
在图2中,电控部分主要由伺服驱动器11、电压检测和转换装置13、控制器15组成。伺服电机7通过电机电缆9、编码器电缆10分两路与伺服驱动器11连接,伺服驱动器11的转矩监视输出端经转矩监视电压信号线12与电压检测和转换装置13连接,电压检测和转换装置13通过有用输入信号线14与控制器15连接,控制器15通过控制指令信号线16与伺服驱动器11连接。其中,伺服驱动器11的转矩监视单元、电压检测和转换装置13为进给行程自控部分。该自控部分由控制器15、伺服驱动器11配合,实现进给行程的自控,即:当钻头未接触工件时为快进、接触工件后自动变为工进、钻透或钻至输入沉孔深度值时又自动变为快退。
伺服驱动器11采用松下产品,型号为MHDA103A1A。伺服电机7采用松下产品,型号为MHMA102A1A,额定输出功率为1.0KW,电机自带旋转编码器。
在图4中,电压检测和转换装置的电路主要由双集成电压比较器构成。本电路采用±24V双电源供电,电源滤波电容C1、C2分别跨接于两组电源正负极与0V端之间。第一集成电压比较器U1A及其外围电路构成快进/工进转换的电压检测电路:第一集成电压比较器U1A的同相输入端接伺服驱动器11的转矩监视输出端IM,转矩监视输出接地端GND接电源0V端;第一路的上分压电阻R1、下分压电阻R3和电位器R2组成分压电路、跨接于电源的正负极之间,第一路的电位器R2的调节端接第一集成电压比较器U1A的反相输入端。第一路的光电耦合器U2和上拉电阻R4组成信号转换电路:第一路的光电耦合器U2输入部分的LED与第一路的上拉电阻R4串联、呈正向跨接于电源正负极之间,二者的连接点与第一集成电压比较器U1A的输出端连接;第一路的光电耦合器U2的输出端接控制器15的有用输入信号输入端X0、输入公共端COM。
第二集成电压比较器U1B及其外围元件:第二路的上分压电阻R5、下分压电阻R7、电位器R6及光电耦合器U3构成工进/快退转换的电压检测和转换电路。其电路结构与快进/工进转换的电压检测电路基本相同;区别仅在于:第二集成电压比较器U1B的反相输入端接转矩监视输出端IM、同相输入端接分压电路的第二路的电位器R6调节端,第二路的光电耦合器U3的输出端接控制器15的另一有用输入信号输入端X1及输入公共端COM。
电路原理:第一集成电压比较器U1A实现快进/工进转换的电压检测,通过调节第一路的电位器R2来设定高阈值信号电位、加到第一集成电压比较器U1A反相输入端,伺服驱动器的转矩监视输出端IM的转矩监视电压,加到第一集成电压比较器U1A同相输入端进行比较,当转矩监视电压高于高阈值信号电位时,第一集成电压比较器U1A输出高电平信号。第二集成电压比较器U1B实现工进/快退转换的电压检测,通过调节第二路的电位器R6来设定低阈值信号电位、加到第二集成电压比较器U1B的同相输入端,伺服驱动器的转矩监视输出端IM的转矩监视电压,加到第二集成电压比较器U1B的反相输入端进行比较,当转矩监视电压低于低阈值信号电位时,第二集成电压比较器U1B输出高电平信号。第一路的光电耦合器U2、第二路的光电耦合器U3起转换和隔离作用。第一路的光电耦合器U2、第二路的光电耦合器U3组成的信号转换电路在第一集成电压比较器U1A、第二集成电压比较器U1B输出高电平信号时,向控制器15的两开关量输入端X0、X1分别输出两路信号:快进/工进转换的开关型有用输入信号与工进/快退转换的开关型有用输入信号。
由于动力头的实际安装结构可能不同,伺服驱动器11输出的转矩监视电压可能随动力头正向运动时受到的阻力增大而增大,也可能随动力头正向运动时受到的阻力增大而减小。本例转矩监视电压为-3V~+3V、随动力头正向运动时受到的阻力增大而增大,否则可在本电路输入时颠倒转矩监视电压的极性。适当设定第一路的上分压电阻R1、下分压电阻R3与电位器R2及第二路的上分压电阻R5、下分压电阻R7与电位器R6的比例,使高阈值信号电位的可调范围是0~+3V,低阈值信号电位的可调范围是-3V~+1V。因每台动力头的安装情况不同,高、低阈值信号电位,可根据伺服驱动器11在不同加工过程中输出的实际工作转矩,按照输出转矩与转矩监视电压的比例关系,通过调试而确定。第一路的上分压电阻R1、下分压电阻R3、第二路的上分压电阻R5、下分压电阻R7的阻值可在数KΩ~数百KΩ之间选择,第一路的上拉电阻R4、第二路的上拉电阻R8可选阻值5.1KΩ~24KΩ;第一路的光电耦合器U2、第二路的光电耦合器U3可选TIL117、4N25等,两电容C1、C2可选100~470μF/50V。
工作原理:动力头工作时,控制器15通过控制指令信号线16发出指令,控制伺服驱动器11经电机电缆9驱动伺服电机7旋转,伺服电机7经同步带8和丝杠螺母副6传动,动力头沿运动导轨副5作进给运动。动力头前进位置,即伺服电机7旋转角位移经编码器电缆10反馈给伺服驱动器11。动力头启动后,电压检测和转换装置13一直检测伺服驱动器11的转矩监视电压,此电压在电压比较器电路中与高、低阈值信号电位进行比较。当钻头快进接触到工件后,因快进受阻,伺服驱动器11的驱动转矩必然增大,其输出的转矩监视电压也必然增大,此电压与设定的高阈值信号电位进行比较,当前者大于后者,电压比较器电路输出高电平信号、即输入给控制器15的有用输入信号,控制器15收到此信号会发出控制指令信号,控制伺服驱动器11,经电机电缆9驱动伺服电机7以工进速度旋转。工进过程中,转矩监视电压一直与设定的低阈值信号电位进行比较,当前者小于后者,表明工件已钻透,电压比较器电路输出高电平信号、即输入控制器15的另一路有用输入信号,控制器15收到此信号会发出控制指令信号、控制伺服驱动器11、经电机电缆9驱动伺服电机7以快退速度旋转,完成一个通孔的加工过程。
在钻沉孔时,控制器15只采用转矩监视电压与高阈值信号电位比较的结果,控制快进/工进转换。动力头工进后,控制器15不检测工件钻透信号,而由操作者给控制器15输入沉孔深度值,工进达到此深度值时,控制器15控制动力头快退,完成一个沉孔加工过程。
实施例3:
本例的自控行程数控钻削动力头,其电压检测和转换装置采用模数转换模块。其余均与实施例2相同。
在图3中,电压检测和转换装置的模数转换模块17的输入端V+接伺服驱动器11的转矩监视输出端IM,其输入端V-接转矩监视输出接地端GND,转矩监视电压信号线用屏蔽双绞线,屏蔽线接至屏蔽端SLD。接地端FG接地,电流信号接入端I+和模拟信号电平地端A.G在此不接。模数转换模块17通过总线与控制器的控制基板18相连接,控制器的CPU即19与各模块通过控制基板18上的总线相连接。
模数转换模块17采用型号:Q64AD,控制基板18采用型号:Q38B,CPU采用型号:Q00,均为三菱产品。Q64AD是两路模数转换的模块,本例只用一路,图中只画出一路的接线端子。Q38B最多可插八个功能模块。Q00和Q64AD以及其它模块都插到Q38B上,一起组成控制系统。Q00、即CPU,与各模块通过控制基板Q38B上的总线进行连接和数据交换。
本电路同样能将伺服驱动器11的转矩监视电压转换为输入控制器15的有用输入信号。此时的有用输入信号为数字信号,其大小与转矩监视电压成正比,并反映极性。模数转换模块17接到控制器15上,进行数据自动通讯。
模数转换模块Q64AD设定的可输入的模拟电压范围是:-10V~+10V。经转换后的有用输入信号的数据范围为:-4000~+4000,与其输入端的模拟电压成正比关系。转矩监视电压为:-3V~+3V,且随动力头正向运动时受到的阻力的增大而增大,否则可在本电路输入端颠倒转矩监视电压的极性。本例假设用户程序设定的高阈值数据和低阈值数据分别为:400和40,对应模数转换模块17输入端的转矩监视电压分别为:1V和0.1V。控制器15在执行数控程序中,使有用输入信号的数据始终同时与高阈值数据和低阈值数据进行比较。
高阈值数据和低阈值数据可通过人机界面设定。因每台动力头的安装情况不同,可根据伺服驱动器11在不同加工过程中输出的实际工作转矩,按照输出转矩与转矩监视电压的比例关系及有用输入信号的数据与模数转换模块17输入端的模拟电压的比例关系,通过调试而确定。
模数转换模块一般由A/D芯片及其调理电路、存储器、定时器、总线接口构成。模数转换模块也可用A/D芯片及其相关集成块、元件组装的电路替代。
工作原理:当动力头快进时,如果模数转换模块17输出给控制器15的有用输入信号的数据大于高阈值数据,表明检测到快进/工进转换信号,再通过程序使控制器15发出控制指令信号,控制伺服驱动器11驱动伺服电机7使动力头工进。当动力头工进时,如果有用输入信号的数据小于低阈值数据,表明检测到工进/快退转换信号,由程序通过控制器15发出控制指令信号,由伺服驱动器11、伺服电机7控制动力头快退,完成一个通孔的加工过程。
钻沉孔时,控制器15只采用转矩监视电压转换的有用输入信号数据与高阈值数据比较的结果,控制快进/工进转换;而不监测工件钻透的信号。工进行程由操作者给控制器15输入沉孔深度值决定。