CN101229595B - 一种包络线法加工软片裁片倒坡口的设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种包络线法加工软片裁片倒坡口的设备及方法，包括床身、真空吸盘、大臂、小臂、升降臂、刀盘和驱动控制装置，真空吸盘设在床身的真空室上，大臂通过床身两侧导轨设置在床身上，小臂设在大臂上，升降臂垂直设在小臂上，大臂和床身之间，小臂和大臂之间，升降臂和小臂之间由滚珠丝杠或齿形带或齿轮齿条传动，靠导轨实现直线进给运动，升降臂上装有迴转刀架，迴转刀架上装有摆臂，摆臂上装有主轴电机，刀盘装在主轴电机的轴头上。该方法使用圆片形裁制刀具，刀具直径小于待加工件最小的曲率半径，加工时主轴电机带动圆片形刀具连续旋转且保持刀片与待加工工件的曲边相切。本发明能自动进行直线和圆弧倒坡口操作，坡口角度可任意调节，节省用料。

Description

一种包络线法加工软片裁片倒坡口的设备及方法

技术领域

本发明属于机械加工领域，特别涉及一种包络线法加工软片裁片倒坡口的设备及方法。

背景技术

目前，国内对软片材料的切边和倒边加工，一般采用人力手工加工，劳动强度大，效率低，并且加工出来的产品尺寸形状不一致，更无法保证软片加工的精度和质量。本申请人的实用新型申请号为03211217.3提出一种软片加工装置，在床身上设有转盘，实现工作台的转动，从而达到自动加工的要求。但是这种设备工作效率低，边角余料多，操作上也不方便。

发明内容

针对现有软片加工装置存在的问题，本发明提供一种包络线法加工软片裁片倒坡口的设备及方法。

所谓包络线法是指待加工件的曲边就是连续旋转的圆形刀片在连续移动过程中所形成的包络线。特称这种加工方法为软片裁片倒坡口加工的包络线法。

该方法必须使用圆片形的裁制刀具，刀具直径必须小于待加工件最小的曲率半径，加工时主轴带动圆片形刀具连续旋转，而且必须保持刀片与待加工工件的曲边相切。为了保持圆形刀片与待加工工件的曲边相切，必须使加工主轴沿X轴的直线运动和沿Y轴的直线运动与绕Z轴的旋转运动联动，从而使连续旋转的圆形刀片在连续移动的过程中实现对待加工件曲边即软片裁片倒坡口的加工。

本发明的设备包括床身、真空吸盘、大臂、小臂、升降臂、回转刀架、刀盘和驱动控制装置。真空吸盘设在床身的真空室上，大臂通过床身两侧导轨设置在床身上，小臂设在大臂上，升降臂垂直设在小臂上，大臂和床身之间、小臂和大臂之间、升降臂和小臂之间由滚珠丝杠或齿形带或齿轮齿条传动，靠直线导轨实现直线进给运动，所述升降臂上装有回转刀架，回转刀架上装有摆臂，摆臂上装有主轴电机，刀盘装在主轴电机的轴头上。

本发明的工作原理是：

1)大、小臂运动带动刀具实现平面(X、Y)进给运动，刀架回转(C)实现圆周进给和分度。为了能够切出曲边坡口，上述三个运动需要联动控制。

2)大臂和床身之间、小臂和大臂之间、升降臂和小臂之间由滚珠丝杠(或齿轮齿条或齿形带)传动，靠直线导轨实现直线进给运动。

3)升降臂的升降(Z)和刀杆的摆动(B)用于调整刀具位置和切削角度。

4)刀杆轴带动刀盘回转形成主切削运动。刀盘为中部较厚边缘锋利的圆形金属刀片。

5)床身上的真空吸盘为矩形中空结构，上表面布满条缝，真空吸盘与真空泵连接抽成真空，工件(软片)通过真空吸附固定。

6)升降臂上装有回转刀架，回转刀架由伺服电机驱动，带动刀架回转。

本设备的工作过程是：

1)用CAD软件输入待加工件的一个或多个几何图形；

2)输入工艺参数；

3)自动进行数控编程，并下载到控制装置：

4)在真空吸盘上铺待加工的软片；

5)启动真空泵将软片固定；

6)运行数控程序，进行切边和倒边操作，全部加工自动完成

7)移去已加工完的软片，接着进行下一轮的操作。

本发明的控制系统：采用五轴三联动控制系统，大、小臂驱动轴(X、Y)和刀架回转轴(C)三轴联动，升降臂的升降轴(Z)和摆动轴单独控制，以上五轴由伺服电机或步进电机驱动，刀盘回转轴只需调节转速，本系统用一台步进电机驱动。对于常用规格产品可储存其加工程序，对于新产品可以用图形方式编程，加工过程自动进行。

其步骤如下：

步骤1 CAD画图

画出待加工软片的CAD图

步骤2

插补算法，建立X轴，Y轴，Z轴以及刀架回转轴联动关系

(x₁-a)²+(y₁-b)²＝R²

式中：x₁，y₁为机床坐标轴，a，b为待加工件的圆心坐标，R待加工件的曲率半径；

a，b，R由待加工件的CAD图提供；

刀架回转轴的轴线运动轨迹为：

(x₂-a)²+(y₂-b)²＝(R+r)²

微分后

$\frac{{\stackrel{\·}{x}}_2}{{\stackrel{\·}{y}}_2}=\frac{y_2-b}{x_2-a}---\left(1\right)$

式中：x₂，y₂为刀盘运动轨迹的坐标变量，a，b为待加工件的圆心坐标，R为待加工件的曲率半径；

刀架回转的角速度

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{{\stackrel{\·}{s}}_1}{r}$

式中：

为刀盘与圆弧切点沿刀架回转轴线移动轨迹的线速度；

式中：为刀盘绕圆心转动的角速度；

为刀架回转轴线沿运动轨迹的线速度；

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{{\stackrel{\·}{s}}_1}{r}=\frac{R\sqrt{{\stackrel{\·}{x}}_2^2+{\stackrel{\·}{y}}_2^2}}{r(R+r)}---\left(2\right)$

根据式(1)和式(2)即可建立插补算法

输入x轴，y轴，z轴以及刀架回转轴角速度和方向以及摆臂的摆角。

步骤3自动生成NC代码并下载到控制装置中(NC代码为数控代码)；

步骤4启动真空泵、伺服驱动器及数控程序；

步骤5自动完成切边和倒坡口操作；

步骤6取下加工好的软片进行下一轮操作。

本发明性能指标是：

1)本机可以对厚度为2～8mm的橡胶衬板进行直线、曲线切边和倒坡口操作。

2)本机倒坡口角度可达到＜12°，凹边曲率半径＜80～100mm。

3)切削速度可达到1000-2000mm/min。

采用本设备的优点是：

1)能自动进行直线和圆弧倒坡口操作，坡口方向有内、外两种，坡口角度可任意调节；

2)不需制作模具；

3)加工时不需给待加工件定位；

4)不需操作人员具备多少计算机的知识，只需会用CAD软件绘图即可；

5)用料节省；

6)可实时显示位置、速度，实时动画显示加工过程，两个画面可任意切换；

7)带有一个故障自诊断系统，遇到故障系统会自动弹出一个对话框(中文)，给出故障原因及排除方法。

附图说明

图1本发明包络线加工法示意图；

图2本发明包络线算法工作原理图；

图3本发明的结构示意图；

图4为图3的左视图；

图5为本发明的传动链原理示意图；

图6为本发明包络线算法流程图。

图中：1真空吸盘、2 x轴滚动导轨、3 x轴滚珠丝杠、4 x轴伺服电机、5 z轴伺服电机、6升降臂、7回转刀架、8大臂、9 y轴滚动导轨、10 y轴伺服电机、11 y轴滚珠丝杠、12 z轴滚珠丝杠、13 z轴滚动导轨、14回转刀架伺服电机、15摆臂、16圆盘刀具、17摆轴步进电机、18主轴电机、19床身、20小臂。

具体实施方式

如附图3、4所示，一种包络线法加工软片裁片倒坡口的设备，包括真空吸盘1、x轴滚动导轨2、x轴滚珠丝杠3、x轴伺服电机4、z轴伺服电机5、升降臂6、回转刀架7、大臂8、y轴滚动导轨9、y轴伺服电机10、y轴滚珠丝杠11、z轴滚珠丝杠12、z轴滚动导轨13、回转刀架伺服电机14、摆臂15、圆盘刀具16、摆轴步进电机17、主轴电机18、床身19、小臂20和电器控制装置。固定软片材料的真空吸盘1设置在床身真空室上，x轴的滚动导轨和滚珠丝杠固定在床身的两侧，冂型大臂8通过床身两侧的导轨2和滑块设于床身之上，通过两台伺服电机4的同步驱动能够前后移动大臂8，小臂20通过y轴滚动导轨9与大臂8连接，Y轴滚珠丝杠11的两端通过轴承设置在大臂8上方，其Y轴丝杠螺母与小臂20固定连接，固定在大臂8左侧的Y轴伺服电机10通过连接套与Y轴滚珠丝杠11连接；上下移动的升降臂6通过导轨设置在小臂20上面，其Z轴丝杠螺母与升降臂6固定连接，固定在小臂20上方的Z轴伺服电机5通过连接套与Z轴滚珠丝杠12连接；回转刀架7通过一组轴承固定在升降臂6上，由伺服电机驱动，回转刀架7带动摆臂15旋转。主轴电机18通过摆动轴15与回转刀架7连接固定，圆盘刀具16通过刀杆与刀具回转主轴电机18固定，通过升降臂6的升降、回转刀架7的回转和刀杆的摆动来调整刀具加工位置和切削角度，倒坡口角度可以小于12″，凹边曲率半径可达到60mm或更小，切削速度为1500～2000mm/min，可对厚度大于1mm的软片进行直线、曲线切边和倒边等加工。通过带真空吸附条缝的真空吸盘1吸附固定加工材料，然后启动主轴电机18使圆盘刀具16旋转，加工过程是根据事先编制好的加工程序自动进行的。

本发明步骤如下：

步骤1用CAD软件画出待加工图形；

步骤2数控编程(自动完成)

该设备主要需要直线插补和圆弧插补，加工直线比较简单，采用一般的直线插补算法，加工圆弧时则需要x轴，y轴和刀架回转轴联动，如图2所示，x，y为机床座标，设圆心坐标为(a、b)，圆弧半径为R，刀架回转半径为r则：

待加工圆弧的方程为：

(x₁-a)²+(y₁-b)²＝R²

式中：x₁、y₁为待加工件圆弧上的坐标变量，a、b为待加工件的圆心坐标，R为待加工件的圆弧半径；

x₁、y₁、a、b、R由待加工件的CAD图提供；

加工时，摆臂回转则画出一个半径为r的圆，为了使刀盘始终和曲边(圆弧)相切，必须使半径为r的圆在半径为R的圆上作无滑动的滚动，刀架回转轴的轴线的运动轨迹即为圆心在(a、b)半径为R+r的同心圆，其轨迹方程为：

(x₂-a)²+(y₂-b)²＝(R+r)²

微分后

$\frac{{\stackrel{\·}{x}}_2}{{\stackrel{\·}{y}}_2}=\frac{y_2-b}{x_2-a}---\left(1\right)$

式中：x₂，y₂刀架轴线轨迹坐标，a，b为待测件的圆心坐标，R待测件半径；为了实现刀盘始终和曲边(圆弧)相切，刀架必须同时回转，其刀架回转的角速度

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{{\stackrel{\·}{s}}_1}{r}$

式中：

为刀盘与圆弧切点沿刀架回转轴线移动轨迹的线速度；

式中：

为刀盘绕圆心转动的角速度；

为刀架回转轴线沿运动轨迹的线速度；

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{{\stackrel{\·}{s}}_1}{r}=\frac{R\sqrt{{\stackrel{\·}{x}}_2^2+{\stackrel{\·}{y}}_2^2}}{r(R+r)}---\left(2\right)$

根据式(1)和式(2)即可建立插补算法

输入x轴，y轴，z轴以及刀架回转轴角速度和方向以及摆臂的摆角。

步骤3自动生成NC代码并下载到控制装置中；

步骤4启动真空泵、伺服驱动器及数控程序；

步骤5自动完成切边和倒坡口操作；

步骤6取下加工好的软片进行下一轮操作。

Claims (4)

1.一种包络线法加工软片裁片倒坡口的设备，包括床身、真空吸盘、大臂、小臂、升降臂、刀盘和驱动控制装置，真空吸盘设在床身的真空室上，大臂通过床身两侧导轨设置在床身上，小臂设在大臂上，升降臂垂直设在小臂上，大臂和床身之间、小臂和大臂之间、升降臂和小臂之间由滚珠丝杠或齿形带或齿轮齿条传动，靠直线导轨实现直线进给运动，其特征在于所述升降臂上装有回转刀架，回转刀架上装有摆臂，摆臂上装有主轴电机，刀盘装在主轴电机的轴头上，床身上的真空吸盘为矩形中空结构。

2.根据权利要求1所述的包络线法加工软片裁片倒坡口的设备，其特征在于所述控制装置是进行五轴三联动控制，即大、小臂驱动轴和刀架回转轴三轴联动，升降臂的升降轴和摆动轴单独控制，以上五轴均由伺服电机或步进电机驱动。

3.使用如权利要求1所述包络线法加工软片裁片倒坡口的设备的加工方法，其特征在于该方法必须使用圆片形裁制刀具，刀具直径必须小于待加工件最小的曲率半径，加工时主轴电机带动圆片形刀具连续旋转且必须保持刀片与待加工工件的曲边相切，切削速度为1500～2000mm/min。

4.根据权利要求3所述使用如权利要求1的包络线法加工软片裁片倒坡口的设备的加工方法，其特征在于该方法的加工过程按以下步骤执行：

步骤1  CAD画图

画出待加工软片的CAD图

步骤2

插补算法，建立X轴，Y轴，Z轴以及刀架回转轴联动关系

(x₁-a)²+(y₁-b)²＝R²

式中：x₁，y₁为机床坐标轴，a，b为待加工件的圆心坐标，R待加工件的曲率半径；

a，b，R由待加工件的CAD图提供；

刀架回转轴的轴线运动轨迹为：

(x₂-a)²+(y₂-b)²＝(R+r)²

微分后

$\frac{{\stackrel{\·}{x}}_2}{{\stackrel{\·}{y}}_2}=\frac{y_2-b}{x_2-a}---\left(1\right)$

式中：x₂，y₂为刀架轴线运动轨迹上的坐标变量，a，b为待加工件的圆心坐标，R为待加工件的曲率半径；

刀架回转的角速度

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{{\stackrel{\·}{s}}_1}{r}$

式中：

为刀盘与圆弧切点沿刀架回转轴线移动轨迹的线速度；

式中：

为刀架绕待加工件圆心转动的角速度；

为刀架轴线绕待加工件圆心转动的线速度；

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{{\stackrel{\·}{s}}_1}{r}=\frac{R\sqrt{{\stackrel{\·}{x}}_2^2+{\stackrel{\·}{y}}_2^2}}{r(R+r)}---\left(2\right)$

根据式(1)和式(2)即可建立插补算法

输入x轴，y轴，z轴以及刀架回转轴角速度和方向以及摆臂的摆角；

步骤3自动生成NC代码并下载到控制装置中；

步骤4启动真空泵、伺服驱动器及数控程序；

步骤5自动完成切边和倒坡口操作；

步骤6取下加工好的软片进行下一轮操作。

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