CN107363572B - 一种工件的浮动支撑控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自动化生产领域，具体涉及一种工件的浮动支撑控制系统及方法，该系统包括：转动装置，该转动装置固定工件，并带动工件旋转；调高装置，该调高装置包括支撑平台和电机，该电机与支撑平台连接并带动支撑平台上下浮动，该支撑平台与工件旋转时的最低点抵靠；处理单元，该处理单元根据工件的截面形状和转动装置的旋转速度，获取工件旋转时最低点的运动轨迹，该处理单元控制电机带动支撑平台沿着运动轨迹上下浮动。工件旋转时，电机驱动支撑平台上下浮动，在工件表面最低点托住工件。本发明通过实时控制支撑工件表面最低点，防止工件因高速旋转引起的抖动，从而提高工件旋转时的加工精度。

Description

一种工件的浮动支撑控制系统及方法
技术领域
本发明涉及自动化生产领域，具体涉及一种工件的浮动支撑控制系统及方法。
背景技术
随着数控机床的应用和发展，越来越多的管材都用数控机床来生产加工，因此机床的加工精度及机床的加工稳定性就越来越重要。
当数控机床对工件进行加工时，工件都要进行高速旋转，在旋转过程中工件极易发生抖动，从而影响工件的加工精度，使大量工件成为了次品，增加了加工成本，降低了生产效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种工件的浮动支撑控制系统及方法，解决旋转工件在加工过程中易抖动的问题。
为解决该技术问题，本发明提供一种工件的浮动支撑控制系统，该浮动支撑控制系统包括：
转动装置，该转动装置固定工件，并带动工件旋转；
调高装置，该调高装置包括支撑平台和电机，该电机与支撑平台连接并带动支撑平台上下浮动，该支撑平台与工件旋转时的最低点抵靠；
处理单元，该处理单元根据工件的截面形状和转动装置的旋转速度，获取工件旋转时最低点的运动轨迹，该处理单元控制电机带动支撑平台沿着运动轨迹上下浮动。
其中，较佳方案是：所述调高装置还包括与电机联动的齿轮，所述支撑平台包括支撑架和与支撑架固定的齿条，该齿轮与齿条互相啮合，其中，该电机驱动齿轮转动，并带动齿条上下浮动，该齿条带动支撑架上下浮动。
其中，较佳方案是：所述齿轮和齿条表面为相互配合的齿面。
其中，较佳方案是：所述支撑平台还包括设置在最顶端的滚动轴，该滚动轴固定在支撑架上。
其中，较佳方案是：所述电机为伺服电机。
其中，较佳方案是：所述工件为方形管材，所述方形管材旋转时最低点的运动轨迹的公式为：
其中，D为方形管材旋转时最低点与旋转中心的高度，W为方形管材的宽度，H为方形管材的高度，A为方形管材的旋转角度；
或者，所述工件为椭圆管材，所述椭圆管材旋转时最低点的运动轨迹的公式为：
其中，C为椭圆管材旋转时最低点与旋转中心的高度，L为椭圆管材的长轴，S为椭圆管材的短轴，B为椭圆管材的旋转角度。
为解决该技术问题，本发明提供一种工件的浮动支撑控制方法，该浮动支撑控制方法包括以下步骤：
工件旋转；
根据工件的截面形状和旋转速度，获取工件旋转时最低点的运动轨迹；
控制支撑平台与工件旋转时的最低点抵靠，并沿着运动轨迹上下浮动。
其中，较佳方案是：所述工件为方形管材，所述方形管材旋转时最低点的运动轨迹的公式为：
其中，D为方形管材旋转时最低点与旋转中心的高度，W为方形管材的宽度，H为方形管材的高度，A为方形管材的旋转角度；
或者，所述工件为椭圆管材，所述椭圆管材旋转时最低点的运动轨迹的公式为：
其中，C为椭圆管材旋转时最低点与旋转中心的高度，L为椭圆管材的长轴，S为椭圆管材的短轴，B为椭圆管材的旋转角度。
其中，较佳方案是：建立关于运动轨迹的坐标系，根据坐标系控制支撑平台上下浮动。
其中，较佳方案是：根据运动轨迹的公式，基于插补循环的方式对支撑平台的高度进行实时控制。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过设计一种旋转工件的浮动支撑控制系统，该方法及系统可实时控制支撑管材表面最低点，防止工件因高速旋转引起的抖动，从而提高工件旋转时的加工精度，提高了生产效率，降低了生产成本；另外，该浮动支撑控制系统有插补循环，保证了精确调节；并且，该系统整体结构简单，易维修。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明浮动支撑控制系统的局部剖面示意图；
图2是本发明浮动支撑控制系统的立体示意图；
图3是方形管材旋转角度小于90度示意图；
图4是方形管材旋转角度大于90度小于180度示意图；
图5是椭圆管材旋转示意图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图1和图2所示，本发明提供一种工件的浮动支撑控制系统的优选实施例，其中，图1展示了本发明浮动支撑控制系统的局部剖面示意图，图2展示了本发明浮动支撑控制系统的立体示意图。
一种工件的浮动支撑控制系统，所述浮动支撑控制系统包括转动装置7、调高装置和处理单元，该调高装置包括支撑平台和电机2。
具体地，该转动装置7固定工件3，并带动工件3旋转；该调高装置包括支撑平台和电机2，该电机2与支撑平台连接并带动支撑平台上下浮动，该支撑平台与工件3旋转时的最低点抵靠；该处理单元根据工件3的截面形状和转动装置的旋转速度，获取工件3旋转时最低点的运动轨迹，该处理单元控制电机2带动支撑平台沿着运动轨迹上下浮动。
其中，处理单元优选为处理器，处理浮动支撑控制系统的各种信号，具体是，处理单元包括数据录入模块、分析处理模块、转速控制模块、升降控制模块，数据录入模块输入工件的截面形状，并发送至分析处理模块中，分析处理模块根据工件的截面形状获取转速和升降速度，转速控制模块根据转速发送转动指令至转动装置7，升降控制模块根据升降速度发送指令至调高装置。
在本实施例的转动装置7中，转动装置7包括转动电机(附图未显示)以及用于夹持固定工件3的两端夹头，一端夹头或两端夹头与转动电机连接，并在转动电机带动下旋转，并使工件3绕着其中心轴旋转，便于工件3的加工。
其中，所述工件3优选为方形管材以及椭圆管材。
当然，工件3不仅限于方形管材以及椭圆管材，还包括其他形状的加工材料，只要计算出工件3最低点的运动轨迹与旋转速度的关系即可。
在本实施例的调高装置中，所述调高装置还包括与电机2联动的齿轮5，所述支撑平台包括支撑架1和与支撑架1固定的齿条6，所述齿轮5和齿条6 表面为相互配合的齿面，该齿轮5与齿条6互相啮合。其中，该电机2驱动齿轮5转动，并带动齿条6上下浮动，该齿条6带动支撑架1上下浮动。由于工件3设置在支撑架1上方，从而支撑架1上下浮动时带动工件3上下浮动，实现实时控制工件3运动。
进一步地，所述支撑平台还包括设置在最顶端的滚动轴4，该滚动轴4两端设置有固定轴，该滚动轴4通过固定轴固定设置在支撑架1上，并实时支撑工件3，防止工件3在高速旋转时发生抖动。同时，当工件3旋转时，该滚动轴4的滚动面还会为工件3提供缓冲，提高工件3的加工稳定性。
其中，所述电机2优选为伺服电机，提高反应速度和精准度，也可次选为其他电机，此处不一一列举。
在本实施例中，所述方形管材旋转时最低点的运动轨迹的公式为：
其中，D为方形管材旋转时最低点与旋转中心的高度，W为方形管材的宽度，H为方形管材的高度，A为方形管材的旋转角度；所述椭圆管材旋转时最低点的运动轨迹的公式为：其中，C为椭圆管材旋转时最低点与旋转中心的高度，L为椭圆管材的长轴，S为椭圆管材的短轴，B 为椭圆管材的旋转角度。
如图3至图5所示，本发明提供一种工件的浮动支撑控制方法的优选实施例。
一种工件的浮动支撑控制方法，所述浮动支撑控制方法包括以下步骤：
S01、工件旋转；
S02、根据工件的截面形状和旋转速度，获取工件旋转时最低点的运动轨迹；
S03、控制支撑平台与工件旋转时的最低点抵靠，并沿着运动轨迹上下浮动。
在图3中，其展示了工件旋转角度小于90度示意图，其中，所述工件优选为方形管材，o代表管材旋转中心，D为方形管材旋转时最低点与旋转中心的高度，W为方形管材的宽度，H为方形管材的高度，A为方形管材的旋转角度，R代表方形管材外接圆半径，β代表对角线与水平线夹角。方形管材外接圆半径R满足下述公式：对角线与水平线夹角β满足下述公式：当管材旋转角度0＜A≤90°时，可得出：由于管材旋转角度A小于90度、对角线与水平线夹角β小于90度，参照图1，可得出下述公式: D＝R*(|sin A*cosβ|+|cos A*sinβ|)。
在图4中，其展示了工件旋转角度大于90度小于180度示意图。当管材旋转角度90°＜A≤180°，由图可得出下述公式：D＝R*cosθ＝cos(-θ)；由于θ＝A-β-90，可得出下述公式：D＝R*sin(A-β)＝R*(sinA*cosβ-cosA*sinβ)；由于管材旋转角度大于90度、对角线与水平线夹角小于90度，可得出下述公式： D＝R*(|sinA*cosβ|+|cosA*sinβ|)。由于方体管材为中心对称图形，所以管材旋转角度A范围在180°＜A≤360°与0°＜A≤180°时，管材表面最低点距旋转中心高度D的计算方式完全相同。
综上可知，所述方形管材旋转时最低点的运动轨迹的公式为：
在图5中，其展示了椭圆管材旋转示意图，其中，C为椭圆管材旋转时最低点与旋转中心的高度，L为椭圆管材的长轴，S为椭圆管材的短轴，B为椭圆管材的旋转角度。在图5中建立二维坐标轴，可以得知椭圆管材的方程为：化简上式可得出：
(L2sin2B+S2cos2B)x2+(L2cos2B+S2sin2B)y2+2(L2-S2)sinBcosB*xy -L2S2/4＝0
；结合支撑板的方程y＝C可得出：
(L2sin2B+S2cos2B)x2+2(L2-S2)sinBcosB*Cx+(L2cos2B+S2sin2B)C2 -L2S2/4＝0
；又因为支撑板与椭圆管有唯一的交点，所以当Δ＝0可得出：
4(L2-S2)2sin2Bcos2B*C2-4(L2sin2B+S2cos2B)((L2cos2B+S2sin2B)C2 -L2S2/4)＝0
，化简上式可得出：C2＝(L2sin2B+S2cos2B)/4；在图5中，所述支撑架1位于椭圆管材下表面，可得出所述椭圆管材旋转时最低点的运动轨迹的公式为：
具体地，当管材旋转时，建立关于管材运动轨迹的坐标系，根据坐标系控制支撑平台上下浮动，对管材实现实时支撑。其中，将管材旋转角度A关联到一旋转轴A轴，管材表面最低点距旋转中心高度D关联到一直线轴D轴。该支撑控制方法还设置有插补循环，该插补循环读A轴坐标值、管材宽度坐标值和管材高度坐标值，可写出D轴坐标值。该插补循环根据轨迹方程对支撑平台的高度进行实时控制。
在上述实施例中，数控机床对方形管材进行旋转加工时，转动装置7将方形管材固定在支撑平台上方，并带动方形管材转动，处理单元采样获取管材的截面形状和旋转速度，随后推导管材最低点的运动轨迹得出管材表面最低点距旋转中心高度，然后基于插补周期根据运动轨迹方程驱动伺服电机2，该伺服电机2带动齿轮5转动，该齿轮5通过齿条6带动支撑平台上下浮动，从而实现对管材浮动支撑高度的实时控制，防止管材因高速旋转引起的抖动，提高管材旋转时的加工精度，提高生产效率。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种工件的浮动支撑控制系统，其特征在于，该浮动支撑控制系统包括：
转动装置，该转动装置固定工件，并带动工件旋转；
调高装置，该调高装置包括支撑平台和电机，该电机与支撑平台连接并带动支撑平台上下浮动，该支撑平台与工件旋转时的最低点抵靠；
处理单元，该处理单元根据工件的截面形状和转动装置的旋转速度，获取工件旋转时最低点的运动轨迹，该处理单元控制电机带动支撑平台沿着运动轨迹上下浮动。
2.根据权利要求1所述的浮动支撑控制系统，其特征在于：所述调高装置还包括与电机联动的齿轮，所述支撑平台包括支撑架和与支撑架固定的齿条，该齿轮与齿条互相啮合；其中，该电机驱动齿轮转动，并带动齿条上下浮动，该齿条带动支撑架上下浮动。
3.根据权利要求2所述的浮动支撑控制系统，其特征在于：所述齿轮和齿条表面为相互配合的齿面。
4.根据权利要求2所述的浮动支撑控制系统，其特征在于：所述支撑平台还包括设置在最顶端的滚动轴，该滚动轴固定在支撑架上。
5.根据权利要求1所述的浮动支撑控制系统，其特征在于：所述电机为伺服电机。
6.根据权利要求1所述的浮动支撑控制系统，其特征在于，所述工件为方形管材，所述方形管材旋转时最低点的运动轨迹的公式为：
其中，D为方形管材旋转时最低点与旋转中心的高度，W为方形管材的宽度，H为方形管材的高度，A为方形管材的旋转角度；
或者，所述工件为椭圆管材，所述椭圆管材旋转时最低点的运动轨迹的公式为：
其中，C为椭圆管材旋转时最低点与旋转中心的高度，L为椭圆管材的长轴，S为椭圆管材的短轴，B为椭圆管材的旋转角度。
7.一种工件的浮动支撑控制方法，其特征在于，该浮动支撑控制方法包括以下步骤：
工件旋转；
根据工件的截面形状和旋转速度，获取工件旋转时最低点的运动轨迹；
控制支撑平台与工件旋转时的最低点抵靠，并沿着运动轨迹上下浮动。
8.根据权利要求7所述的浮动支撑控制方法，其特征在于，所述工件为方形管材，所述方形管材旋转时最低点的运动轨迹的公式为：
其中，D为方形管材旋转时最低点与旋转中心的高度，W为方形管材的宽度，H为方形管材的高度，A为方形管材的旋转角度；
或者，所述工件为椭圆管材，所述椭圆管材旋转时最低点的运动轨迹的公式为：
其中，C为椭圆管材旋转时最低点与旋转中心的高度，L为椭圆管材的长轴，S为椭圆管材的短轴，B为椭圆管材的旋转角度。
9.根据权利要求8所述的浮动支撑控制方法，其特征在于，该浮动支撑控制方法还包括以下步骤：
建立关于运动轨迹的坐标系，根据坐标系控制支撑平台上下浮动。
10.根据权利要求7或8所述的浮动支撑控制方法，其特征在于：根据运动轨迹的公式，基于插补循环的方式对支撑平台的高度进行实时控制。
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