CN101195319A - 多工位数控雕刻对刀装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的多工位数控雕刻对刀装置，由控制系统和电接触信号检测系统组成，其中：控制系统包括单片机控制群、信号输入转换、信号输出转换四个电路，单片机控制群电路是一种由多个独立的单片机U4及其外围电路组成；电接触信号检测系统为一种由机体(7)与工作台(6)、夹具(5)和工件(4)组成的良导体，其与电源“地”相接，电源正极与雕刻头(3)相接，该雕刻头和主轴电机(2)相连。本装置可自动对刀，保证雕刻进刀前刀具都处于工件表面，特别在高精度雕刻中保证雕刻深度一致性，并且性能可靠，扎刀概率小于0.0001％。本装置可以广泛应用于数控雕刻机的精密雕刻，以及应用于数控铣床、加工中心等多工位加工系统。
Description
技术领域
本发明涉及高精度数控雕刻领域，尤其涉及一种多工位数控雕刻对刀装置。
背景技术
目前数控机械雕刻机在各行业应用广泛，普通数控雕刻机只有一个雕刻头，能够在圆柱面、圆锥面、平面上雕刻出各种文字、曲线和图样。单台数控雕刻机成本高，加工效率不高。采用多工位雕刻头和多工位夹具可以以一台雕刻机成本实现5-8台数控雕刻的效率。目前已存在这样多工位数控雕刻机，但是这种雕刻机只能解决在同一平面多头雕刻问题。如果工件不处于同一平面，雕刻就会出现深浅不一，零件质量得不到保证。现有多工位雕刻机多采用浮动主轴，手动微调Z轴方法校正平面，这种方法效率低，不适合于全自动数控雕刻，并且由于工件的各异性，不能保证精度。对于圆柱、圆锥面上多工位雕刻现在还未发现相关技术。主要技术难点就是圆柱、圆锥面多工位加工时，由于每个工件加工制造原因，大小尺寸、公差方面不可能完全一致。以圆柱面刻刻度和文字为例，一般刻线深度在0.02-0.05mm左右，如果工件在直径上有误差(一般误差0.01-0.05mm)那么刻出的线条将是有的深有的浅，甚至有的地方无法刻到(如有圆柱度误差，偏向圆心一侧刻线深度较深，背离圆心一侧可能刻浅或者可不到)，无法满足加工要求。
现实中，因没有采用雕刻对刀装置，往往会造成圆柱面多工位雕刻工件出现直径误差的质量问题。见图7：假设左边为标准工件直径40mm，并且加工刀具13的刀尖以该标准工件外园的切线作为加工基准面14，发出进给0.02mm雕刻深度指令后，则：直径为40.02mm的中间工件实际雕刻深度0.03mm，而右边直径为39.98mm的工件实际雕刻深度0.01mm(因为数控加工时编程代码以标准工件为准，下刀时刀具自动定位到加工基准面14，这时该工件已被刀具钻入0.01mm，再发出进刀0.02mm指令后，雕刻实际深度为0.03mm)。由于雕刻深度不一样雕刻出线条和文字粗细不一(雕刻一般都采用如图7中所示双面刃尖铣刀)，故加工质量得不到保证。而且对加工精度要求越高，废品率越高。
现实中，因没有采用雕刻对刀装置，往往也会造成圆柱面多工位雕刻工件出现圆柱度误差的质量问题。见图8：编号15、16分别是理想工件外圆表面、实际工件外圆表面，若加工时以刀具加工基准圆15为刀具加工基准面(理想工件外圆表面)，则实际工件旋转时在其表面刻线深度有的深有的浅，同样造成废品。同理在平面、圆锥面上进行雕刻，也存在上述问题。要解决这个问题，特别是高精度雕刻象仪器仪表上刻度雕刻等，就必须采用特殊雕刻对刀装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种多工位数控雕刻对刀装置，以解决圆柱圆锥平面数控雕刻多工位高精度加工的问题。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的多工位数控雕刻对刀装置，由控制系统和电接触信号检测系统组成，其中：控制系统包括单片机控制群、信号输入转换、信号输出转换四个电路，单片机控制群电路是一种由多个独立的单片机U4及其外围电路组成，单片机控制群电路是一种由多个独立的单片机U4及其外围电路组成，其将信号输入转换电路传送过来的由数控系统指令再经信号输出转换电路发出Z轴脉冲，实现数控指令多轴分配，控制多个雕刻头按照指令程序统一进刀；并按照数控系统指令要求进行各轴自动进给对刀和返回完成对刀信号，对刀采用电接触检测，对刀过程由数控系统全程监控并可以随时解除；电接触信号检测系统为一种由机体与工作台、夹具和工件组成的良导体，其与电源“地”相接，电源正极与雕刻头相接，该雕刻头和主轴电机相连。
本发明提供的多工位数控雕刻对刀装置，其在包括数控铣床或加工中心的多工位加工系统中的应用。
本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
其一.全自动的对刀过程，保证雕刻进刀前刀具都处于工件表面，特别在高精度雕刻中保证雕刻深度一致性。
其二.适用性能广，能应用平面、圆柱面、圆锥面雕刻对刀。
其三.对刀精度高，可以达到0.001mm。
其四.性能可靠，扎刀概率小于0.0001％。
本装置可以广泛应用于数控雕刻机的精密雕刻，如各种仪器仪表刻度标示、狙击枪瞄准镜刻度等。可以用一台数控机床的成本取得多台加工效率。本装置还可以广泛应用于数控铣床、加工中心等多工位加工系统。
附图说明
图1是本发明雕刻对刀装置电检测结构图。
图2是本发明电检测回路示意图。
图3是本发明对刀电检测整体电气原理框图。
图4是本发明采用特殊结构雕刻主轴。
图5是本发明对刀电检测单片机主电路原理图。
图6是现有技术中因直径误差造成圆柱面多工位雕刻工件质量问题的示意图。
图7是现有技术中因圆柱度误差造成圆柱面多工位雕刻工件质量问题的示意图。
图中：1.电绝缘材料；2.主轴电机；3.雕刻头；4.工件；5.夹具；6.工作台；7.机体；8.石墨碳刷；9.压紧弹簧；10.高速旋转主轴；11.高速轴承；12.弹簧夹头；13.加工刀具；14.加工基准面；15.刀具加工基准圆；16.实际工件外圆表面。
具体实施方式
本发明提供的多工位数控雕刻对刀装置，其由控制系统和电接触信号检测系统组成。如图1至图5所示：控制系统包括单片机控制群、信号输入转换、信号输出转换四个电路。单片机控制群电路是一种由多个独立的单片机U4及其外围电路组成，其将信号输入转换电路传送过来的由数控系统指令再经信号输出转换电路发出Z轴脉冲，实现数控指令多轴分配，控制多个雕刻头3按照指令程序统一进刀，并按照数控系统指令要求进行各轴自动进给对刀和返回完成对刀信号，对刀采用电接触检测，对刀过程由数控系统全程监控并可以随时解除；电接触信号检测系统为一种由机体7与工作台6、夹具5和工件4组成的良导体，其与电源“地”相接，电源正极与雕刻头3相接，该雕刻头和主轴电机2相连。
所述的主轴电机2固定在机体7上，并且两者中间设有一层电绝缘材料1。电绝缘材料1可采用高强度有机塑料，即保证电气绝缘又保证机械强度。
所述的雕刻头3，其高速旋转主轴10和电极采用石墨碳刷8和压紧弹簧9的结构(请详细说明)，保证检测可靠性。
所述的单片机控制群电路，其完成功能主要有：(1)等待数控系统发出对刀指令，接受到对刀指令后开始对刀动作。对刀动作完成后返回对刀完成信号给数控系统。(2)数控系统随时可以解除对刀状态。(3)不对刀时接收数控系统发出Z轴脉冲指令，再将该脉冲指令发送给本单片机系统控制的电机。实现Z脉冲的分配。(4)根据面板拨码开关决定是否是能该电机。
本发明提供的多工位数控雕刻对刀装置，其在包括数控铣床或加工中心的多工位加工系统中的应用。
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，但不限定本发明。
本发明多工位数控雕刻对刀装置采用多个独立控制系统分别控制多个雕刻头在每次雕刻进刀前自动对刀检测(配备专用数控系统，在进刀前由数控系统发出对刀指令，每个对刀控制系统独立工作，对刀完成后由数控系统统一发送运动指令)。对刀采用电接触检测，雕刻头和工件分别为5v电源正负极，接触后检测到相应电信号立即停止对刀。由于刀具处于高速旋转状态要实现电信号可靠检测在雕刻头外固定件与高速旋转主轴之间采用石墨碳刷压紧接触，保证电平信号可靠和连续性。该方法检测灵敏度高误差小于0.002mm，在实际使用中扎刀概率小于0.0001％。
数控系统是上位机，控制对刀开始和监控对刀。并通过对刀系统实现Z轴脉冲的多路分配，实现不对刀时多轴系统各轴进给量都一样。为了说明方便现设定为5工位雕刻，Z轴电机为5个，对刀装置5个，面板使能信号5个。数控系统发出对刀指令后，1号单片机先判断该轴使能信号是否有效，如有效就开始向下进给0.001mm，并判断是否到达工件表面，如果到达结束对刀，返回对刀完成信号。如未到达，再判断这时对刀信号是否仍然有效，有效继续进行对刀操作直到到达工件表面，否则结束对刀。数控系统在发出对刀指令后一直等待对刀完成信号到来，如果5个轴对刀完成信号都有效，再结束对刀。继续按照数控代码程序进刀雕刻。在对刀过程中数控系统可以设定一个最大对刀时间，在这个时间内完成对刀有效，否则告警提示出错。可以有效防止或减轻扎刀事故。
当数控系统发出对刀指令后，按照上面步骤各轴分别对刀，找到自己工件表面接触点。接触到工件后发出对刀完成信号。数控系统接受到所有对到完成信号后，再按照程序进刀。如果中间出现故障，对刀等待超过一定时间，马上停止对刀，并发出告警，提示出错。这样的工作模式可以保证每次进刀所有刀具都是在工件表面，保证雕刻深度一致性。
数控系统运动指令即方向、脉冲指令双极性信号经过26LS32转换成单端信号，输入给单片机，单片机再处理后分配给多路(5-8)光藕器TLP521，再经过MC3487N将信号还原为抗干扰能力强的双极性信号。这样可以实现数控系统Z轴进给的多路分配。在没有对刀时，系统工作在这种模式，每轴进给都由数控系统程序发出同一运动控制信号，进给量相同。
图1为雕刻机机械结构示意图。对刀装置电检测系统由机体7与工作台6、夹具5和工件4一块组装，金属件构成一个良导体，与电源地GND相接。主轴电机2和雕刻头3固定在机体7上，固定时在两者中间用一层特殊绝缘材料1相隔离。主轴电机2和雕刻头3接到电源正极5V。
图2为电检测回路示意图，电刷端为电信号检测口，接到单片机对刀信号输入口。当刀具未接触工件时，电刷极性为高电平(电路不通)。当刀具接触到工件时，电路导通，电刷端极性为低电平。
图3为对刀装置整机完整电气原理图，数控系统采用工业PC机+运动控制板卡+伺服电机的开放式数控系统结构，功能强大，具有圆柱、圆锥、平面雕刻的多种功能，并且跟多轴对刀系统有专用接口。单片机控制群是多个独立进给控制系统具体结构如图6所示。两者通讯握手信号为对刀信号，对刀完成信号。数控系统位置指令信号经过信号转换传递给各单片机系统，各单片机系统处理后再传递给电机执行。对刀时工件接触电信号由检测系统传递给单片机。
图4是本发明采用特殊结构雕刻主轴。主轴电机2带着高速主轴10做高速旋转，电极接在高速主轴的外壳上，两者一动一静要求接触良好必须采用石墨碳刷8和弹簧9紧密将电极贴紧高速主轴10。高速主轴10通过高速轴承11与外壁形成滚动摩擦。弹簧夹头12用于装夹加工刀具13。整个雕刻头3作为一个电极，在结构图中可以看到雕刻头机体和中间高速旋转轴是在做高速旋转相对运动。这两个导体之间的接触不稳定，不能保证随时随刻100％可靠接触。这样检测刀尖电信号就会出现误差，电平信号会时高时低，给系统带来严重干扰。实验证明这种结构对刀扎刀率达到1％-5％。严重影响使用性能。为了改进检测可靠性，在雕刻头上端部加装了一个压紧的石墨碳刷装置。石墨碳刷8靠弹簧9压力紧贴高速主轴10，保证在主轴旋转时电极接触可靠性。采用这种结构后实际扎刀率不超过0.0001％。目前在用户使用中还未见扎刀报告。主轴电机2采用无刷直流电机，一方面无刷直流电机转速高可以达到10000r/min，相比同转速交流电主轴价格要便宜多了。另外比普通直流电机运行稳定可靠，没有电磁干扰，也极大减少了扎刀的概率。
图5为单工位对刀系统部分控制电路，多轴系统是该系统的复制。每个独立的单片机U4构成一个对刀控制单元。及其外围电路的组成是看门狗电路芯片U1接至各单片机复位引脚RESET1、逻辑判断器件U2、双端转单端信号芯片U3将数控系统信号JP1转换为单极性信号接至单片机13和12脚(INT6和INT0)、单端转双端信号芯片将单片机U4的39-36引脚信号变为双极性信号，经光藕器件隔离后输出。看门狗电路，防止程序跑飞软故障。输入到单片机控制系统信号主要有：数控系统方向、脉冲指令信号，对刀指令信号，面板上多工位各轴的使能信号，工件接触的电信号。输出信号有多轴方向、脉冲指令信号，对刀完成信号。图5中：JP1是数控系统与对刀系统信号接口，定义分别是引脚1-2位置脉冲信号，引脚3-4方向脉冲信号，引脚5-6对刀指令信号，引脚7为对刀结束信号。U1为看门狗电路芯片，可采用ADM810JART芯片。U2为逻辑判断器件，可采用7430芯片，在多工位对应所有对刀完成有效号，它才输出有效号。U3为双端转单端信号芯片，可采用AM26LS32DC芯片，其将数控系统双极性信号转换为单片机能接受的单极性信号。转换后信号接至单片机U4的12和13脚(网络标号INT1和INT6)。X1和X2为晶振电路输出端接到单片机19和18脚。外部使能信号接到单片机3脚标号EN11。单片机将接受到方向脉冲信号再通过接口PULSEOUT+，PULSEOUT-，DIROUT+，DIROUT-经过光藕隔离，单端转双端传递给Z轴电机驱动器。单片机U4、U5、U6、U7和U8可采用80C32型号产品。
附部分主要控制程序如下：
ORG 0000h
AJMP START
ORG 0030h
START：mov 0A6h，#1Eh；初始化看门狗。
mov 0A6h，#0E1h
CLR P1^1；复位反馈低电平信号
NOP
NOP
NOP
SETB P1^1
START1：mov 0A6h，#1Eh；初始化看门狗。
mov 0A6h，#0E1h
CLR P1^0；完成对刀信号先向控制卡返回低电平
CLR P2^0；控制卡控制
JNB P1^2，START1
JB P3^2，START1；没对刀命令，返回
JB P3^3，START1
MOV R3，#00H
MOV R2，#01H
SETB P0^0
MOV R0，#3CH
MOV R1，#0FH
MOV R4，#03H
MOV R5，#03H
MOV B，#03H
CIRCLE：JNB P1^2，NOENBLE；判断拨动开关是否打开使能，1为打开，0为关闭跳转。
JB P3^2，NOCOMMOND；使能打开，判断控制卡是否有对刀命令，1为有，0为没有跳转。
JB P3^3，OVERDD；使能打开，判断控制卡有对刀命令，判断对刀是否完成，1位未完成，0为完成跳转。
SETB P2^0；使能打开，判断控制卡有对刀命令，判断对刀未完成时，单片机控制。
SETB P1^0；未完成对刀信号先向控制卡返回高电平。
MOV P0，R3
ACALL DLAY
MOV P0，R2
ACALL DLAYY
AJMP CIRCLE；跳回循环。
OVERDD；完成对刀。
DEC B
mov 0A6h，#1Eh；喂狗。
mov 0A6h，#0E1h
movA，B
JZ OVERDD1
mov 20h，#70h
yanshi：
mov A，#0FFh
yanshi1：
DEC A
JNZ yanshi1
mov A，20h
DEC A
mov 20h，A
jnz yanshi
AJMP CIRCLE；跳回循环。
NOCOMMOND：
NOENBLE：
CLR P1^0；关闭使能时反回对刀完成信号低电平。
CLR P2^0；控制卡控制。
mov 0A6h，#1Eh；喂狗。
mov 0A6h，#0E1h
AJMP START1；跳回循环。
OVERDD1：
CLR P1^0；对刀完成时反回对刀完成信号低电平。
JB P3^2，START1
mov 0A6h，#1Eh；喂狗。
mov 0A6h，#0E1h
AJMP OVERDD1
RET
DLAY：
MOV A，R1
MOV R6，A
DLAY1：
MOV 0A6H，#1EH
MOV 0A6H，#0E1H
DJNZ R6，DLAY1
CJNE R1，#06H，LL
RET
LL：
DJNZ R5，LL1
DEC R1
MOV R5，#03H
LL1：
RET
DLAYY：
MOV A，R0
MOV R7，A
KK1：
MOV 0A6H，#1EH
MOV 0A6H，#0E1H
DJNZ R7，KK1
CJNE R0，#18H，KK2
RET
KK2：
DJNZ R4，KK3
DEC R0
DEC R0
DEC R0
DEC R0
MOV R4，#03H
KK3：
RET
END
Claims (6)
1.多工位数控雕刻对刀装置，其特征是由控制系统和电接触信号检测系统组成，其中：控制系统包括单片机控制群、信号输入转换、信号输出转换四个电路，单片机控制群电路是一种由多个独立的单片机U4及其外围电路组成，其将信号输入转换电路传送过来的由数控系统指令再经信号输出转换电路发出Z轴脉冲，实现数控指令多轴分配，控制多个雕刻头(3)按照指令程序统一进刀，并按照数控系统指令要求进行各轴自动进给对刀和返回完成对刀信号，对刀采用电接触检测，对刀过程由数控系统全程监控并可以随时解除；电接触信号检测系统为一种由机体(7)与工作台(6)、夹具(5)和工件(4)组成的良导体，其与电源“地”相接，电源正极与雕刻头(3)相接，该雕刻头和主轴电机(2)相连。
2.如权利要求1所述的多工位数控雕刻对刀装置，其特征在于：主轴电机(2)固定在机体(7)上，并且两者中间设有一层电绝缘材料(1)。
3.如权利要求2所述的多工位数控雕刻对刀装置，其特征在于：电绝缘材料(1)采用高强度有机塑料。
4.如权利要求1所述的多工位数控雕刻对刀装置，其特征在于所述的雕刻头(3)，其高速旋转主轴(10)和电极采用石墨和压紧弹簧的结构。
5.如权利要求1所述的多工位数控雕刻对刀装置，其特征在于每个独立的单片机U4构成一个对刀控制单元。及其外围电路的组成是看门狗电路芯片U1接至各单片机复位引脚RESET1、逻辑判断器件U2、双端转单端信号芯片U3将数控系统信号JP1转换为单极性信号接至单片机13和12脚(INT6和INT0)、单端转双端信号芯片将单片机U4的39-36引脚信号变为双极性信号，经光藕器件隔离后输出。
6.一种将1至5中任一权利要求所述的多工位数控雕刻对刀装置，其在包括数控铣床或加工中心的多工位加工系统中的应用。
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