CN103817561A - 非圆表面精密车削的二维控制装置及控制方法 - Google Patents

非圆表面精密车削的二维控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了非圆表面精密车削的二维控制装置，包括刀架、刀具安装台、控制器、主轴编码器、振动传感器和刀具，刀架的四个内直角与刀具安装台的四个外直角之间分别一一对应一体连接有弹性变形体，刀具固定安装在刀具安装台上，振动传感器固定安装在刀具上，主轴编码器固定安装在车床主轴上，特点是刀架上位于刀具安装台的径向中心线处和轴向中心线处分别固定设置有音圈直线电机，刀具安装台的侧面上与音圈直线电机相正对的位置一体设置有柔性铰链，柔性铰链与音圈直线电机固定连接；优点是实现了非圆精密加工的二维控制，提高了非圆精密车削的加工精度，且在高频响的前提下，本控制装置的输出线性好、可控性好。

Description

非圆表面精密车削的二维控制装置及控制方法
技术领域
 本发明涉及机械设计与制造技术领域中数控车床的机械切削装置，尤其涉及非圆表面精密车削的二维控制装置及控制方法。
背景技术
车削非圆零件时，切削过程中刀具的运动是轴向直线运动和径向进给运动的合成运动，刀具径向进给运动是具有一定周期性和规律性的往复直线运动，这种周期和规律根据非圆的形状和主轴的转速的不同而变化。目前非圆截面的加工主要采用的是具有效率高、适用面广、成本低等特点的数控车削加工，但是目前使用的非圆精密车削的控制装置，在高频响的前提下，大多数控制装置都是一维控制，而且输出线性差、可控性差、输出位移小，且加工精度也不够高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在高频响的前提下可控性好、加工精度高的非圆表面精密车削的二维控制装置及控制方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：非圆表面精密车削的二维控制装置，包括刀架、刀具安装台、控制器、主轴编码器、振动传感器和刀具，所述的刀具安装台位于所述的刀架内，所述的刀架的四个内直角与所述的刀具安装台的四个外直角之间分别一一对应一体连接有弹性变形体，所述的刀具固定安装在所述的刀具安装台上且位于其径向中心线上，所述的振动传感器固定安装在所述的刀具上且位于所述的刀具安装台的径向中心线上，所述的主轴编码器固定安装在车床主轴上，所述的刀架上位于所述的刀具安装台的径向中心线处和轴向中心线处分别固定设置有音圈直线电机，所述的刀具安装台的侧面上与所述的音圈直线电机相正对的位置一体设置有柔性铰链，所述的柔性铰链与所述的音圈直线电机固定连接，所述的音圈直线电机、所述的主轴编码器和所述的振动传感器分别与所述的控制器电连接。 
所述的刀架上位于刀具安装台的径向中心线处和轴向中心线处分别设置有电机安装槽，所述的电机安装槽内固定设置有电机固定架，所述的音圈直线电机固定安装在所述的电机固定架中，所述的柔性铰链上一体设置有连接块，所述的连接块通过连接法兰与所述的音圈直线电机固定连接。
所述的弹性变形体包括两个直片和一个半圆片，所述的半圆片的两端分别与所述的直片一体连接，其中一个直片的端部与所述的刀架的内直角一体连接，另一个直片的端部与所述的刀具安装台的外直角一体连接，四个所述的弹性变形体分别沿所述的刀架的径向中心线和轴向中心线对称，通过该弹性变形体来连接刀架与刀具安装台，放大了刀具的进给位移，加大了整个控制装置的控制行程，进一步提高了加工精度。
所述的刀具安装台的径向中心线处设置有刀具安装槽，所述的刀具安装槽的两个内侧面分别嵌设有至少一个定位套，所述的定位套内设置有钢珠，所述的钢珠与所述的定位套的内底部之间设置有弹簧，所述的刀具位于所述的刀具安装槽中且所述的刀具的侧面与所述的钢珠的位置相对应处设置有定位凹槽，通过该结构来固定刀具，只要将刀具放入刀具安装槽中，按压刀具，使钢珠嵌入刀具相应位置的定位凹槽中便完成刀具的定位和固定，其定位准确，安装快速方便。
一种利用所述的二维控制装置进行车削控制的控制方法，包括以下具体步骤：
（1）、主轴编码器检测待加工的非圆工件的当前加工相位，并反馈给控制器；
（2）、控制器读取待加工非圆工件的下一时刻理论非圆值并计算出刀具下一时刻的位置，与接收到的待加工非圆工件当前的加工相位相比计算出到达下一时刻位置所需的径向位移量△S1和轴向位移量△S2；
（3）、控制器控制位于径向的和轴向的音圈直线电机动作，推动安装在刀具安装台上的刀具分别在径向和轴向移动△S1和△S2；
（4）、振动传感器实时检测刀具在径向和轴向的位置变化量△S1 ‘和△S2 ’，并反馈给控制器，控制器计算出│△S1-△S1 ‘│和│△S2-△S2 ‘│，若│△S1-△S1 ‘│和│△S2-△S2 ‘│小于设定的误差值，则满足加工精度要求，进行非圆工件同一截面下一时刻位置的加工，若│△S1-△S1 ‘│和│△S2-△S2 ‘│大于设定的误差值，则不满足加工精度要求，控制器重新返回到步骤（2）的动作；
（5）、重复步骤（1）至（4），直至完成非圆工件同一截面上360°范围的加工；
（6）、刀具移动到非圆工件的下一截面上，再重复重复步骤（1）至（5），直至完成整个非圆工件的非圆精密加工。
与现有技术相比，本发明的优点是由于刀架的径向中心线处和轴向中心线处分别固定设置有音圈直线电机，实现了非圆精密加工的二维控制，且可实现径向和轴向的解耦，提高了非圆精密车削的加工精度，且在高频响的前提下，本控制装置的输出线性好、可控性好。
附图说明
图1为本发明的二维控制装置的俯视图；
图2为图1沿径向中心线的侧视图；
图3为本发明的弹性变形体的工作原理图；
图4为本发明的刀具的结构示意图；
图5为本发明的控制方法的控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图所示，非圆表面精密车削的二维控制装置，包括刀架1、刀具安装台2、控制器（图中未显示）、主轴编码器3、振动传感器4和刀具5，刀具安装台2位于刀架1内，刀架1的四个内直角与刀具安装台2的四个外直角之间分别一一对应一体连接有弹性变形体6，弹性变形体6包括两个直片61和一个半圆片62，半圆片62的两端分别与直片61一体连接，其中一个直片61的端部与刀架1的内直角一体连接，另一个直片61的端部与刀具安装台2的外直角一体连接，四个弹性变形体6分别沿刀架1的径向中心线（X向）和轴向中心线（Z向）对称，刀架1上位于刀具安装台2的径向中心线处和轴向中心线处分别设置有电机安装槽11，电机安装槽11内固定设置有电机固定架12，电机固定架12中固定安装有音圈直线电机7，刀具安装台2的侧面上与音圈直线电机7相正对的位置一体设置有柔性铰链21，柔性铰链21上一体设置有连接块22，连接块22通过连接法兰23与音圈直线电机7固定连接，刀具安装台2的径向中心线处设置有刀具安装槽（图中未标出），刀具安装槽的两个内侧面分别嵌设有两个定位套8，定位套8内设置有钢珠81，钢珠81与定位套8的内底部之间设置有弹簧9，刀具5位于刀具安装槽中且刀具5的侧面与钢珠81的位置相对应处设置有定位凹槽51，振动传感器4固定安装在刀具5上且位于刀具安装台2的径向中心线上，主轴编码器3固定安装在车床主轴上，音圈直线电机7、主轴编码器3和振动传感器4分别与控制器电连接。
一种利用所述的二维控制装置进行车削控制的控制方法，包括以下具体步骤：
（1）、主轴编码器3检测待加工的非圆工件10的当前加工相位，并反馈给控制器；
（2）、控制器读取待加工非圆工件10的下一时刻理论非圆值并计算出刀具5下一时刻的位置，与接收到的待加工非圆工件10当前的加工相位相比计算出到达下一时刻位置所需的径向位移量△S1和轴向位移量△S2；
（3）、控制器控制位于径向的和轴向的音圈直线电机7动作，推动安装在刀具安装台2上的刀具5分别在径向和轴向移动△S1和△S2；
（4）、振动传感器4实时检测刀具5在径向和轴向的位置变化量△S1 ‘和△S2 ’，并反馈给控制器，控制器计算出│△S1-△S1 ‘│和│△S2-△S2 ‘│，若│△S1-△S1 ‘│和│△S2-△S2 ‘│小于设定的误差值，则满足加工精度要求，进行非圆工件10同一截面下一时刻位置的加工，若│△S1-△S1 ‘│和│△S2-△S2 ‘│大于设定的误差值，则不满足加工精度要求，控制器重新返回到步骤（2）的动作；
（5）、重复步骤（1）至（4），直至完成非圆工件10同一截面上360°范围的加工；
（6）、刀具5移动到非圆工件10的下一截面上，再重复重复步骤（1）至（5），直至完成整个非圆工件10的非圆精密加工。

Claims (5)

1.非圆表面精密车削的二维控制装置，包括刀架、刀具安装台、控制器、主轴编码器、振动传感器和刀具，所述的刀具安装台位于所述的刀架内，所述的刀架的四个内直角与所述的刀具安装台的四个外直角之间分别一一对应一体连接有弹性变形体，所述的刀具固定安装在所述的刀具安装台上且位于其径向中心线上，所述的振动传感器固定安装在所述的刀具上且位于所述的刀具安装台的径向中心线上，所述的主轴编码器固定安装在车床主轴上，其特征在于所述的刀架上位于所述的刀具安装台的径向中心线处和轴向中心线处分别固定设置有音圈直线电机，所述的刀具安装台的侧面上与所述的音圈直线电机相正对的位置一体设置有柔性铰链，所述的柔性铰链与所述的音圈直线电机固定连接，所述的音圈直线电机、所述的主轴编码器和所述的振动传感器分别与所述的控制器电连接。
2.如权利要求1所述的非圆表面精密车削的二维控制装置，其特征在于所述的刀架上位于所述的刀具安装台的径向中心线处和轴向中心线处分别设置有电机安装槽，所述的电机安装槽内固定设置有电机固定架，所述的音圈直线电机固定安装在所述的电机固定架中，所述的柔性铰链上一体设置有连接块，所述的连接块通过连接法兰与所述的音圈直线电机固定连接。
3.如权利要求1所述的非圆表面精密车削的二维控制装置，其特征在于所述的弹性变形体包括两个直片和一个半圆片，所述的半圆片的两端分别与所述的直片一体连接，其中一个直片的端部与所述的刀架的内直角一体连接，另一个直片的端部与所述的刀具安装台的外直角一体连接，四个所述的弹性变形体分别沿所述的刀架的径向中心线和轴向中心线对称。
4.如权利要求1所述的非圆表面精密车削的二维控制装置，其特征在于所述的刀具安装台的径向中心线处设置有刀具安装槽，所述的刀具安装槽的两个内侧面分别嵌设有至少一个定位套，所述的定位套内设置有钢珠，所述的钢珠与所述的定位套的内底部之间设置有弹簧，所述的刀具位于所述的刀具安装槽中且所述的刀具的侧面与所述的钢珠的位置相对应处设置有定位凹槽。
5.一种利用所述的二维控制装置进行车削控制的控制方法，其特征在于包括以下具体步骤：
（1）、主轴编码器检测待加工的非圆工件的当前加工相位，并反馈给控制器；
（2）、控制器读取待加工非圆工件的下一时刻理论非圆值并计算出刀具下一时刻的位置，与接收到的待加工非圆工件当前的加工相位相比计算出到达下一时刻位置所需的径向位移量△S1和轴向位移量△S2；
（3）、控制器控制位于径向的和轴向的音圈直线电机动作，推动安装在刀具安装台上的刀具分别在径向和轴向移动△S1和△S2；
（4）、振动传感器实时检测刀具在径向和轴向的位置变化量△S1 ‘和△S2 ’，并反馈给控制器，控制器计算出│△S1-△S1 ‘│和│△S2-△S2 ‘│，若│△S1-△S1 ‘│和│△S2-△S2 ‘│小于设定的误差值，则满足加工精度要求，进行非圆工件同一截面下一时刻位置的加工，若│△S1-△S1 ‘│和│△S2-△S2 ‘│大于设定的误差值，则不满足加工精度要求，控制器重新返回到步骤（2）的动作；
（5）、重复步骤（1）至（4），直至完成非圆工件同一截面上360°范围的加工；
（6）、刀具移动到非圆工件的下一截面上，再重复重复步骤（1）至（5），直至完成整个非圆工件的非圆精密加工。
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