CN102672203B

CN102672203B - 一种折线绳槽卷筒的加工方法及装置

Info

Publication number: CN102672203B
Application number: CN201210010647.3A
Authority: CN
Inventors: 库祥臣; 李济顺; 薛玉君; 刘永刚; 刘红彬; 王文骞; 郭跃飞; 郭小满; 薛留伟; 曹贝贝
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2012-01-15
Filing date: 2012-01-15
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2032-01-15
Also published as: CN102672203A

Abstract

本发明涉及一种折线绳槽卷筒的加工方法及装置，该方法通过对折线绳槽形状及加工过程的分析，提取出影响加工的特征参数并根据这些特征参数按照等残留高度方法进行刀具轨迹规划，确定走刀次数并自动生成加工程序，然后根据控制程序按规定的绳槽形状完成切削，工控机根据采集卷筒的旋转角度，到达折线段时，驱动纵向电机随旋转的卷筒而移动，切削出折线形状，当折线段结束时，纵向电机关闭与卷筒的随动关系，刀具不动，从而切削出直线形状，通过控制纵向电机与卷筒的跟随状态实现折线与直线的交替加工，直至达到折线绳槽卷筒规定的圈数。该加工过程不需要人工的参与，自动化程度高，能制造出准确的绳槽形状，省去了成形刀光顺工序，提高了加工效率和工件质量。

Description

一种折线绳槽卷筒的加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种折线绳槽卷筒的加工方法及装置，属于卷筒加工制造领域。

背景技术

在起重机、提升机等设备中，卷筒用于缠绕钢丝绳以提升重物。对于直径较大、提升较重物体的卷筒，其圆周往往加工有绳槽以便于钢丝绳的排列。绳槽可以加工成连续螺旋形状，但这种螺旋形状的绳槽常常引起钢丝绳的缠绕纠结，造成乱绳，加剧钢丝绳的摩擦和磨损，降低钢丝绳的使用寿命。近年来，一种形状为折线的卷筒得到了大家的重视并逐步获得了比较广泛的应用。折线绳槽是指在一圈绳槽间距内有与卷筒端板平行的直线段，还有与端板成一定角度的斜线段，直线段与斜线段交替过渡。折线绳槽卷筒适合钢丝绳的多层卷绕，避免出现夹绳和乱绳现象，显著提高钢丝绳的使用寿命和可靠性。但折线卷筒的制造比较复杂，通常采用平板铣削后卷制或改造和更换普通车床的机械结构来实现，设备投入大，成本高，加工效率低，工件质量差，操作不灵活，特别是对于变节距的折线绳槽更是难以加工。

发明内容

本发明的目的是解决现有折线绳槽卷筒加工中出现的投入大、成本高、加工效率低、操作不灵活以及制造出的工件质量差的问题。

本发明为解决上述技术问题而提出一种折线绳槽卷筒的加工方法，该方法的具体步骤如下：

1）.根据绳槽的形状特征，提取描述绳槽特征的参数包括圈数、节距、绳槽半径、绳槽深度、车刀半径、吃刀量和进给量；

2）.根据绳槽的特征参数和机床使用的工装及加工参数计算出刀具位置的控制数据；

3）.根据计算出的控制数据，模拟刀具的移动轨迹及所要加工的绳槽形状；

4）.根据机床的纵向和横向上安装的零点开关确定纵横向刀具的位置；

5）.采集卷筒的旋转角度；

6）.根据采集到的旋转角度，控制纵向电机与卷筒的跟随状态实现折线与直线的交替加工。

所述的步骤3）中刀具轨迹三维模拟采用OpenGL开放图形库对卷筒、刀具及切屑进行离散处理和建模。

所述的步骤3）中在模拟出刀具移动轨迹和绳槽形状后并利用所模拟出的结果对刀具动作及绳槽形状进行检查和修改。

所述的步骤3）中刀具轨迹规划原则为按照背吃刀量进行分层切削，当同层切削完成后，再继续向深层切削，在同一层内，首先从绳槽中心开始切削，然后逐次向左、右切削。在绳槽边缘处，按照等残留高度对进刀量进行调整，以保证加工出光滑的绳槽形状。

所述的折线段起始点的确定采用位置比较方式，当到达折线起始角度时，触发电子齿轮，使刀具随卷筒旋转而运动，从而加工出折线段。

所述的步骤5）中卷筒旋转角度的采集是通过定时中断方式进行，在中断服务程序中，将读取到的主轴编码器脉冲信号进行角度换算以得到卷筒的旋转角度。

本发明为解决上述技术问题还提出一种折线绳槽卷筒的加工装置，该折线绳槽卷筒加工装置包括车床、工控机、运动控制板卡、主轴编码器、伺服电机和驱动器，主轴编码器设置在车床的主轴上，主轴编码器的输出端通过运动控制板卡与工控机的输入端相连，工控机的输出端通过运动控制板卡的控制连接伺服电机，伺服电机通过驱动器与车床上用于切割绳槽的刀具相连。

所述的车床上用于切割绳槽的刀具包括纵向刀具和横向刀具，所述的伺服电机包括纵向电机和横向电机，纵向电机控制连接纵向刀具，横向电机控制连接横向刀具。

所述的工控机包括刀具轨迹模拟模块，该刀具轨迹模拟模块用于根据刀位控制数据模拟出刀具移动轨迹及所要加工的绳槽形状。

所述的工控机还连接有操作面板，该操作面板通过I/O板卡与工控机相连，用于设置该系统的参数。

本发明的有益效果是: 本发明通过对折线绳槽形状及加工过程的分析，提取出影响加工的特征参数并根据这些特征参数按照等残留高度方法进行刀具轨迹规划，确定走刀次数并自动生成加工程序，然后根据控制程序按规定的绳槽形状完成切削。该加工过程不需要人工的参与，自动化程度高，能制造出准确的绳槽形状，省去了成形刀光顺工序，提高了加工效率和工件质量。

附图说明

图1是本发明的一种折线绳槽卷筒加工装置实施例中所使用的系统结构图；

图2是本发明的一种折线绳槽卷筒制造方法的流程图；

图3是本发明实施例中刀具路径规划示意图；

图4是本发明实施例中切削深度调整示意图；

图5是本发明实施例中残留高度结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明的一种折线绳槽卷筒加工装置的实施例

本发明实施例中折线绳槽卷筒加工装置的系统组成图如图1所示，整个系统包括工控机、运动控制板卡、I/O（输入/输出）板卡、伺服电机及驱动器、主轴编码器、操作面板和机床本体，工控机通过运动板卡与纵向电机和横向电机相连，纵向电机和横向电机通过各自的驱动器分别与车床上的纵向刀具和横向刀具相连，主轴编码器设置在车床的主轴附近，用于采集车床主轴的旋转角度，主轴编码器的输出端通过运动控制板卡与工控机相连，将采集到的信息传送给工控机，该工控机还通过I/O板卡与操作面板相连，工控机中包括有刀具轨迹模拟模块，该刀具轨迹模拟模块用于根据刀位控制数据模拟出刀具移动轨迹及所要加工的绳槽形状。

本发明的折线绳槽卷筒加工装置的工作过程：

1.通过操作面板将待加工的折线绳槽的有关参数输入到工控机中，工控机根据分层切削和等残留高度方法计算刀具切削次数和每次走刀的刀具位置，将每次走刀的刀具初始位置写入一个数据文件中。

2.工控机利用其刀具轨迹模拟模块，在图形界面上对刀具运动进行三维动态显示，操作人员可以方便直观地提前观察刀具的运动和绳槽形状，对自动生成的刀具路径和切削动作进行检验和校正。

3.工控机在每个采样周期内读取卷筒的旋转角度，到达折线起点时，则向运动控制板卡发送命令，驱动纵向电机带动刀具使其与卷筒的旋转运动联动，在规定角度内切削出折线绳槽。进入直线段绳槽时，取消刀具与卷筒旋转的联动，保持刀具不动，加工出直线绳槽，重复上述过程直至加工出所需的折线绳槽卷筒。

本发明的一种折线绳槽卷筒加工方法的实施例

本发明的一种折线绳槽卷筒加工方法的具体步骤如下：

1.根据绳槽的形状特征，提取描述绳槽特征的参数包括圈数、节距、绳槽半径、绳槽深度、车刀半径、吃刀量和进给量。

2.对这些参数进行分析处理，根据分层切削和等残留高度方法计算刀具切削次数和每次走刀的刀具位置，将每次走刀的刀具初始位置写入数据缓冲区中。

3.根据计算出的刀具轨迹，在图形界面上对刀具运动进行三维动态显示，操作人员可以方便直观地提前观察刀具的运动和绳槽形状，对自动生成的刀具路径和切削动作进行检验和校正。

4.启动刀具回零动作，分别驱动纵、横向运动轴回到零点，然后移动刀具到起刀点，通过点动方式将卷筒旋转到图纸上规定的绳槽起始位置，然后按压操作面板的按钮使控制系统记录下刀具和卷筒的当前位置及角度，在后续加工过程中以这些初始位置为基准点，准确地实现折线和直线的交替过渡。

5.经过前面步骤在获得起始位置信息和刀具的运动数据后，系统即可自动完成折线绳槽的车削加工。加工过程中，控制系统在每个采样周期内读取卷筒的旋转角度，到达折线起点时，则向运动控制板卡发送命令，驱动纵向电机带动刀具使其与卷筒的旋转运动联动，在规定角度内切削出折线绳槽。进入直线段绳槽时，取消刀具与卷筒旋转的联动，保持刀具不动，加工出直线绳槽。折线加工的程序流程图如图2所示。

由于绳槽的深度和宽度大于车刀圆弧半径，完整的绳槽需要多次走刀，走刀次数及每次走刀的位置则通过前面的步骤已提前计算并写入数据缓冲区中。当一次走刀完成后，根据数据缓冲区中已保存的起始位置信息，驱动刀具重新回到起点进行切削，此时的初始位置是在上次起始位置处向左或向右偏移一个进给量。当刀具的起始位置移动到绳槽边缘时，其进刀量则根据等残留高度进行计算并调整，以保证加工出的绳槽具有较高的形状精度和表面质量。

由于绳槽有深度和宽度要求，其形状需要车刀多次切削才能完成。本发明采用逐层切削的方式规划刀具切削顺序。在绳槽深度方向上，从绳槽圆弧中心处进刀，其深度为用户规定的背吃刀量。从此处开始，在下一个切削循环时，进刀位置逐次向左移动，移动量为用户选择的进给量。当刀具移动到绳槽左边缘时，为保证绳槽圆弧的光滑，对本次切削的背吃刀量进行调整，避免过切。绳槽左边切削完成后，下次切削时，从绳槽中心向右移动，移动量为设定的进给量，在到达绳槽右边缘时，进行过切判断并对背吃刀量和进给量进行调整。通过绳槽左边和右边分别切削的方式完成本层的切削，其切削厚度即为预先设定的背吃刀量。本层切削完成后进行下一层的切削，采用同样的方式规划刀具的移动轨迹。经过逐层切削后可以得到符合要求的绳槽，其刀具移动轨迹如图3所示。

在车刀移动到绳槽边缘时，为避免过切，造成绳槽形状超差，需要对车刀的切削深度进行调整。车刀的实际切削深度如图4所示。O₁是绳槽圆弧的圆心，O₂是车刀半径的圆心，A是车刀与绳槽圆弧的切点，根据图中几何关系可计算出车刀插入绳槽的深度BO₂，从而保证加工出符合图纸要求的绳槽。

等残留高度通过控制相邻轨迹间距使轨迹间的残留高度均匀一致，获得较好的加工质量并提高加工效率。如图5所示，残留高度h与两切削行的步距f、车刀有效切削半径r、绳槽半径R有关。如果h满足设定的曲率值，则接受该点为刀位点，否则减小步距计算满足要求的刀位点，保证切削轨迹线的曲率半径达到设定值，获得光滑的绳槽。

Claims

1.一种折线绳槽卷筒的加工方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

2）.对这些参数进行分析处理，根据分层切削和等残留高度方法计算刀具切削次数和每次走刀的刀具位置，将每次走刀的刀具初始位置写入数据缓冲区中；

3）.根据计算出的刀具轨迹，在图形界面上对刀具运动进行三维动态显示，操作人员可以方便直观地提前观察刀具的运动和绳槽形状，对自动生成的刀具路径和切削动作进行检验和校正；

4）.启动刀具回零动作，分别驱动纵、横向运动轴回到零点，然后移动刀具到起刀点，通过点动方式将卷筒旋转到图纸上规定的绳槽起始位置，然后按压操作面板的按钮使控制系统记录下刀具和卷筒的当前位置及角度，在后续加工过程中以这些初始位置为基准点，准确地实现折线和直线的交替过渡；

5）.经过前面步骤在获得起始位置信息和刀具的运动数据后，系统即可自动完成折线绳槽的车削加工，加工过程中，控制系统在每个采样周期内读取卷筒的旋转角度，到达折线起点时，则向运动控制板卡发送命令，驱动纵向电机带动刀具使其与卷筒的旋转运动联动，在规定角度内切削出折线绳槽，进入直线段绳槽时，取消刀具与卷筒旋转的联动，保持刀具不动，加工出直线绳槽。

2.根据权利要求1所述的折线绳槽卷筒的加工方法，其特征在于：所述的步骤3）中刀具轨迹三维模拟采用OpenGL开放图形库对卷筒、刀具及切屑进行离散处理和建模。

3.根据权利要求1或2所述折线绳槽卷筒加工方法，其特征在于：所述的步骤3）中在模拟出刀具移动轨迹和绳槽形状后并利用所模拟出的结果对刀具动作及绳槽形状进行检查和修改。

4.根据权利要求3所述的折线绳槽卷筒的加工方法，其特征在于：步骤3）中刀具轨迹规划原则为按照背吃刀量进行分层切削，当同层切削完成后，再继续向深层切削，在同一层内，首先从绳槽中心开始切削，然后逐次向左、右切削，在绳槽边缘处，按照等残留高度对进刀量进行调整，以保证加工出光滑的绳槽形状。

5.根据权利要求4所述的折线绳槽卷筒的加工方法，其特征在于：折线段起始点的确定采用位置比较方式，当到达折线起始角度时，触发电子齿轮，使刀具随卷筒旋转而运动，从而加工出折线段。

6.根据权利要求5所述的折线绳槽卷筒的加工方法，其特征在于：所述的步骤5）中卷筒旋转角度的采集是通过定时中断方式进行，在中断服务程序中，将读取到的主轴编码器脉冲信号进行角度换算以得到卷筒的旋转角度。

7.一种采用如权利要求1所述折线绳槽卷筒加工方法的折线绳槽卷筒加工装置，其特征在于：该折线绳槽卷筒加工装置包括车床、工控机、运动控制板卡、主轴编码器、伺服电机和驱动器，主轴编码器设置在车床的主轴上，主轴编码器的输出端通过运动控制板卡与工控机的输入端相连，工控机的输出端通过运动控制板卡的控制连接伺服电机，伺服电机通过驱动器与车床上用于切割绳槽的刀具相连。

8.根据权利要求7所述的折线绳槽卷筒加工装置，其特征在于：所述的车床上用于切割绳槽的刀具包括纵向刀具和横向刀具，所述的伺服电机包括纵向电机和横向电机，纵向电机控制连接纵向刀具，横向电机控制连接横向刀具。

9.根据权利要求8所述的折线绳槽卷筒的加工装置，其特征在于：所述的工控机包括刀具轨迹模拟模块，该刀具轨迹模拟模块用于根据刀位控制数据模拟出刀具移动轨迹及所要加工的绳槽形状。

10.根据权利要求9所述的折线绳槽卷筒的加工装置，其特征在于：所述的工控机还连接有操作面板，该操作面板通过I/O板卡与工控机相连，用于设置该系统的参数。