CN1213828C - 非圆轴数控加工系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为非圆轴数控加工系统，包括与计算机连接的I/O卡、计数卡，I/O卡通过驱动放大柜与机床的主轴电机、U轴步进电机、X轴步进电机、Z轴步进电机连接，U轴步进电机和X轴步进电机分别与运动方向与刀具的径向进给一致的中拖板(13)，小拖板(14)传动连接，Z轴步进电机与大拖板(12)传动连接，大拖板(12)的运动方向与拖板(13、14)垂直，与刀具的轴向进给一致，中拖板(13)分别与拖板(12)，小拖板(14)通过滑槽配合，有包括编码器、U轴零点开关的检测器件，检测器件的开关与I/O卡连接，编码器与计数卡连接。
Description
技术领域：
本发明与数控加工机床有关，尤其与加工非圆轴零件的数控加工系统有关。
技术背景：
非圆轴零件的加工目前主要采用硬靠模和软靠模的方法进行车削。前者要求与零件形状相同的母靠模同轴装上机床主轴，然后利用仿形装置制造出与靠模相同形状的零件，这种方法加工稳定性好，通常适于大批量生产的场合，但靠模本身的制造、测量较为困难，加工周期长、成本高，而且一靠模只能用于加工一种非圆轴零件，柔性差。后者是根据非圆轴零件的型面进行编程，以编制的程序作为“靠模”，采用计算机控制刃具的高频微位移进给机构进行加工，这种数控加工方法具有很好的柔性。多数同类装置采用直线电机来驱动高频微位移进给机构，但还普遍存在线性和动特性较差、受突加负载的影响大等问题。
发明内容：
本发明的目的是提供一种切削力大，柔性好，加工精度高、加工周期短，成本低的非圆轴数控加工系统。
本发明是这样实现的：
本发明非圆轴数控加工系统，包括与计算机连接的I/O卡、计数卡，I/O卡通过驱动放大柜与机床的主轴电机、U轴步进电机、X轴步进电机、Z轴步进电机连接，U轴步进电机和X轴步进电机分别与运动方向与刀具的径向进给一致，的中拖板(13)，小拖板(14)传动连接，Z轴步进电机与大拖板(12)传动连接，大拖板(12)的运动方向与拖板(13、14)垂直，与刀具的轴向进给一致，中拖板(13)分别与拖板(12)，小拖板(14)通过滑槽配合，有包括编码器、U轴零点开关的检测器件，检测器件的开关与I/O卡连接，编码器的零位信号线和脉冲信号线接至计数卡。
本发明U轴步进电机(11)经一对齿轮降速传动到花键轴(10)，花键轴(10)两端以轴承支承在床身上，锥齿轮(9)有花键孔与花键轴(10)配合，锥齿轮(9)通过轴承支承在大拖板(12)下部，锥齿轮(8、9)相互啮合，锥齿轮(8)与凸轮(3)同轴(4)安装，轴(4)通过轴承支承在大拖板(12)上，凸轮(3)紧顶着中拖板(13)上的顶杆，X轴步进电机(16)安装在小拖板(14)侧面，电机轴与滚珠丝杠(17)固连，与丝杠配合的螺母与中拖板(13)固连，刀具电机(2)固定在小拖板(14)上，经传动机构与刀具(1)连接，刀杆以轴承支承在小拖板(14)上，Z轴步进电机(5)通过与传动机构固连的滚珠丝杠(6)与固连在大拖板(12)底部的螺母传动配合，滚珠丝杠(6)通过轴承支承在机床身上。
本发明刀具(1)呈圆盘形，能绕自身轴线高速旋转，有单独配备的刀具驱动电机(2)。
本发明中拖板(13)与大拖板(12)之间通过两组弹簧(15)和导向柱连接，弹簧(15)始终处于拉伸状态，使凸轮(3)顶紧接触中拖板(13)上的顶杆。
本发明凸轮(3)为偏心圆凸轮。
本发明以简单凸轮的微进给机构控制刀具经往复运动，以简单凸轮曲线插值拟合任意非圆截面轮廓线，柔性好。圆盘形刀具能绕自动轴线高速旋转加工，精度高，切削力大，保证被加工零件的表面质量，本发明集中了数控单元和机械机构的优点，加工周期短，成本低，有极高的应用价值。
附图说明：
图1为本发明的框图。
图2为本发明伺服系统结构图。
图3为图2的A向视图。
图4为本发明刀具结构图。
图5为图4的左视图。
图6为凸轮曲线插值原理图。
具体实施方式：
系统由计算机、I/O卡、计数卡、机床、驱动放大柜、检测器件等组成。计算机包括显示器、计算机主机、键盘等。输入输出接口卡(I/O卡)和计数器卡插在主机箱内的ISA插槽上，计数器内的计数值由计算机不断写入更新，计数完毕后，计数器电路产生硬件中断，提请计算机作出相应的控制。输入输出卡通过线缆和连接头分别连接到驱动放大柜操作面板。驱动柜以线缆和连接头分别连接到X轴电机16、Z轴电机5、U电机11和主轴电机及刀具电机2，负责把I/O卡输出的电机启停信号(用于主轴电机、刀具电机)和X、Z、U轴步进电机脉冲信号功率放大。主轴电机经过变速箱驱动主轴。圆光栅编码器与主轴同轴安装，零位信号线和脉冲信号线接至计数器板卡。U轴卡进电机11经过一对齿轮降速传到花键轴10，花键轴10两端以轴承支承在床身上。锥齿轮9(配制花键孔)穿套在花键轴10上，同时用轴承支承在大拖板12下部，锥齿轮8、9相互啮合，锥齿轮8与凸轮3固连在轴4上，而轴4通过轴承支承在大拖板12上。凸轮3紧顶着中拖板13下突起的顶杆，推动中拖板13在大拖板12的横向滑槽中作往复运动。刀具电机2固定在小拖板14上，经过一对降速齿轮驱动刀具1，刀杆以轴承支承在小拖板14上。Z轴步进电机5经过一对齿轮降速传动到滚珠丝杠6上，滚珠丝杠6用轴承支承在床身上，与之配合的螺母则安装在大拖板12底部，大拖板在螺母的带动下沿床身导轨7滑行。X轴步进电机16安装小拖板14侧面，电机轴与滚珠丝杠17直接固连，与之配合的螺母则安装在中拖板13上，在螺母的带动下小拖板14沿中拖板13上的导轨移动。U、Z、X轴的零点开关和行程开关分别安装中拖板、大拖板、小拖板的导轨(槽)的相应位置，其信号线接至I/O卡。
刀具1外形如图4所示，呈圆盘形(类似盘铣刀)，能绕自身轴线高速旋转，依靠单独配备的电机，通过一级齿轮降速驱动，还可根据加工需要方便地更换刀头(比如换成磨削砂轮等)，进行磨削加工。
U轴的驱动电机11固定在床身的尾部，经过一对降速齿轮把旋转运动传递到花键轴10，而花键轴10的两端由轴承支承在床身上，同轴安装在锥齿轮9内制花键孔与之配合，这样锥齿轮9既可以在花键轴10的带动下同轴转动，还可以沿着轴向移动。
本发明采用的直齿锥齿轮8、9之间的传动比为1，其主要作用是改变运动方向，传递动力。
在本发明的设计中，凸轮3和锥齿轮8固连在轴4上，而轴4则通过轴承支承在大拖板12上，既保持轴4的自由回转，又不会在大拖板12纵向移动的时候，发生位置干涉或者使凸轮3脱离顶杆。
锥齿轮9的花键内孔只能保证它与花键轴10的同轴转动，但不能保证两个锥齿轮之间必需的啮合间隙和轴向力，显然如果锥齿轮仅仅只是嵌套在花键轴10上，只需大拖板12在纵向导轨7上往返移动一个来回，锥齿轮8、9就会完全脱开，无法啮合。所以，在本发明的设计中，锥齿轮9的轴柄部分套有轴承，轴承的外圈就固定在大拖板12上，这样锥齿轮9既可随花键轴10转动，又可以跟着大拖板12在花键轴10上来回移动，而且因为锥齿轮8、9之间没有相对的平动，所以啮合所需的间隙和轴向力都能得到保证。
伺服运动的机构为三层拖板结构；Z轴拖板12、X轴拖板14、U轴拖板13。板与板之间都是燕尾槽导向，如图2所示。X轴拖板14、U轴拖板13的运动方法相互平行，负责带动刀具的径向进给，Z轴拖板12的运动方向与前两者垂直，负责带动刀具1的轴向进给。
Z轴拖板12，通常也被称为大拖板，它是由Z轴电机5驱动，通过了一级传动齿轮降速，然后径向滚珠杠6来带动。
X轴拖板14，也叫小拖板，它是由X轴电机16直接通过滚珠丝杠17驱动。
U轴拖板13，我们称之为中拖板，它位于大小拖板之间，通过两组弹簧15和导向柱与大拖板12相连，调节弹簧15始终处于拉伸状态，使凸轮3和顶杆(顶杆与中拖板13固连)保持可靠的接触和顶紧，专门负责带动刀具1的径向往复运动。
正因为凸轮3和顶杆之间的顶紧和接触是依靠大拖板12和中拖板13之间的弹簧15产生的拉力，所以本发明采用对心直动顶杆凸轮机构，一方面增加了系统的刚性，使得系统能够胜任一些硬质材料的切削，另一方面凸轮轮廓线的起伏规律可以较为直接地反映在推杆的往直线运动上。
本发明采用的这种结构，使得U轴具备很好的刚性，能够承受较大的径向切削抗力(远大于一般直线电机微进给机构所能承受的切削抗力)，可适用于加工材质较硬的工件，而且由于凸轮3在加工过程中单向运转，所以没有回程误差，使得非圆横截面的轮廓精度得到很好的保证。如果关闭U轴电机11，该机床甚至完全可以用于一般的数控车削和外圆磨削加工，具有很好的柔性。以上结构特征是其它以直线电机为基础的数控非圆加工系统(软件靠模)所不具备的。
选用最简单的偏心圆凸轮(当然也可以采用其它形式的凸轮)驱动U轴拖板13往复运动，只要按照一定算法规律控制凸轮转速，可以拟合形成几乎所有的(横截面的)非圆轮廓线。因此该系统具备很好柔性。而这种特点是一般基于硬靠模的非圆活塞车床所不具备的。
凸轮曲线插值拟合横截面轮廓线的控制方法
下面将以中凸变椭圆活塞裙部的型面为例，阐述一般非圆轴类零件的横截面轮廓线加工原理。
如图5所示。ρ＝R(α)表示目标椭圆横截面轮廓线，α为主轴转角，ρ为其极半径，它一般由设计图纸给出的离散点经样条插值得到，Rmax是椭圆的长半轴，Rmin是椭圆的短半轴。ρ＝D(θ)表示偏心圆凸轮曲线，θ为凸轮的转角，刀具切削点到主轴回转中心的距离为ρ(也就是极半径)，其中X0是一个由X轴电机带动小拖板控制的位置变量，2e是凸轮的最大升程(e为偏心距)r是凸轮半径值。
在2e＞(Rmax-Rmin)且x0＝Rmin+2e的前提条件下，(类)椭圆曲线ρ＝R(θ)上的任意一点(αi，Ri)都能在凸轮曲线ρ＝D(θ)找到唯一对应点(θi，Di)，使得Di＝Ri。
一般情况下认为主轴匀速转动，设其角速度为ω主轴，则主轴从αi旋转到αi+1所需时间为ΔTi＝Δαi/ω主轴。在这段时间内，如果能控制凸轮3匀速地从θi旋转至θi+1，那么加工出来的曲线必然经过两点(αi，Ri)和(αi+1，Ri+1)，所以要求凸轮转速ωi＝Δθi/ΔTi＝ω主轴·Δθi/Δαi(其中Δθi＝θi+1-θi，Δαi＝αi+1-αi)。若设α是区间[αi，αi+1]上的任意角，应有α＝αi+ω主轴·t(0＜ω主轴＜ΔTi)，此时凸轮的转角θi＝θi+1+ωi t＝θi+ωi·(α-αi)/ω主轴。刀具切削点在t时刻的径向位置是
ρ＝D(θ)＝D(θi+ωi·(α-αi)/ω主轴＝D′(α) (1)
所以，只要当主轴旋转到某个角度的时候，控制凸轮3转到相应的角度，刀具1的切削点就正好在对应的径向位置，主轴回转一周，刀具1切削点位置就随主轴转角的变化形成一条椭圆轮廓线的插值曲线ρ＝D′(α)。
系统使用运行过程如下：先进行装卡工件等准备工序，在计算机上运行本发明系统软件，图形界面初台化。
以手工或者文件的形式输入图纸设计数据，包括纵向型值点位置、各横截面型值点的位置、轮廓精度等。
系统软件中的计算模块根据输入数据，进行计算：包括横向和纵向的三次样条插值形成目标方程，然后根据精度二次离散出以纵向横向的加工数据，以等精度直线逼近法近似纵向曲线，以凸轮插值曲线近似横向轮廓线，最后得到X-Z的插补数表和C-U的插补数表(C即主轴回转)。
在显示器上生成预览图形，以供检查。
从操作面板上的按钮输入各轴对零的信号，凸轮旋转到最低点与顶杆接触的位置，X和Z轴都退至远离工件的零位上。
用操作面板上的按钮输入开始加工的信号后，刀具开始旋转，主轴也开始旋转。
X轴与X轴的联动形成了活塞(非圆轴)的中凸线，主轴C与U轴(凸轮驱动)的联动形成了活塞(非圆轴)的椭圆截面廓线。U轴的运动与X轴的运动实际上是平行的，为了避免它们之间的相互干涉，实现不同横截面椭圆度的变化，这两轴的运动还必须按照一定的规律耦合。
Z轴电机5前进一步，大拖板12除了带着中、小拖板和刀具等一起运动之外，还带着光轴4、凸轮3、锥齿轮8，沿床身导轨7平移一个当量距离，同样锥齿轮9也在其带动下沿花键轴10轴向滑动。
X轴电机16回退，使刀具切削点退至坐标x0处(不同的截面，x0不同)。
启动U轴电机11，按照主轴编码器传送的脉冲信号控制其转速，电机的旋转经由一对降速齿轮传到花键轴10，花键轴带着锥齿轮9(有花键孔)一起同轴转动，锥齿轮8、9的啮合推动了光轴4、凸轮3的旋转。主轴匀速回转一周，凸轮同步变速旋转2周，刀具在径向往复运动两次。关闭U轴电机11。
X轴电机16前进，使刀具1切削点进至坐标Rmax位置处(不同的截面，Rmin不同)。
Z轴电机5前进一步再前进一步，如此循环往复，直到加工结束。
Claims (5)
1、非圆轴数控加工系统，其特征在于包括与计算机连接的I/O卡、计数卡，I/O卡通过驱动放大柜与机床的主轴电机、U轴步进电机、X轴步进电机、Z轴步进电机连接，U轴步进电机和X轴步进电机分别与运动方向与刀具的径向进给一致的中拖板(13)，小拖板(14)传动连接，Z轴步进电机与大拖板(12)传动连接，大拖板(12)的运动方向与拖板(13、14)垂直，与刀具的轴向进给一致，中拖板(13)分别与大拖板(12)，小拖板(14)通过滑槽配合，有包括编码器、U轴零点开关的检测器件，检测器件的开关与I/O卡连接，编码器的零位信号线和脉冲信号线接至计数卡。
2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于U轴步进电机(11)经一对齿轮降速传动到花键轴(10)，花键轴(10)两端以轴承支承在床身上，锥齿轮(9)有花键孔与花键轴(10)配合，锥齿轮(9)通过轴承支承在大拖板(12)下部，锥齿轮(8、9)相互啮合，锥齿轮(8)与凸轮(3)同轴(4)安装，轴(4)通过轴承支承在大拖板(12)上，凸轮(3)紧顶着中拖板(13)上的顶杆，X轴步进电机(16)安装在小拖板(14)侧面，电机轴与滚珠丝杠(17)固连，与丝杠配合的螺母与中拖板(13)固连，刀具电机(2)固定在小拖板(14)上，经传动机构与刀具(1)连接，刀杆以轴承支承在小拖板(14)上，Z轴步进电机(5)通过与传动机构固连的滚珠丝杠(6)与固连在大拖板(12)底部的螺母传动配合，滚珠丝杠(6)通过轴承支承在机床身上。
3、根据权利要求2所述的系统，其特征在于刀具(1)呈圆盘形，能绕自身轴线高速旋转，有单独配备的刀具驱动电机(2)。
4、根据权利要求2所述的系统，其特征在于中拖板(13)与大拖板(12)之间通过两组弹簧(15)和导向柱连接，弹簧(15)始终处于拉伸状态，使凸轮(3)顶紧接触中拖板(13)上的顶杆。
5、根据权利要求2所述的系统，其特征在于凸轮(3)为偏心圆凸轮。
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