CN208903123U - 一种基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置及方法，装置包括CNC装置、攻丝轴伺服驱动装置、主轴伺服驱动装置、进给传动装置、主轴传动装置、执行末端装置。CNC装置的攻丝轴进给速度指令、主轴速度指令分别发出给攻丝轴伺服驱动装置、主轴伺服驱动装置，攻丝轴伺服驱动装置通过进给传动装置驱动执行末端的丝锥实现进给运动，主轴伺服驱动装置通过主轴传动装置驱动执行末端的丝锥实现主轴旋转运动。该装置方便实用，调试效率高。

Description

一种基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置

技术领域

本实用新型涉及数控机床的调试装置，具体为一种基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置。

背景技术

现有数控机床CNC系统刚性攻丝基于如下原理：

在刚性攻丝时，主轴旋转1转所对应攻丝轴的进给量必须和攻丝的螺距相等，即必须满足如下的条件：

其中，P：攻丝的螺距(mm)；F：攻丝轴的进给量(mm/min)；S：主轴的速度(r/min)。

如图1所示为CNC攻丝控制系统原理图，由以上原理可以看出机床数控系统CNC要实现高速高精度的攻丝需要控制主轴与攻丝轴同步运动并满足(1)式的条件。其中，设定主轴每转一圈系统发送1000个脉冲，攻丝轴每进给一个螺距P系统发送1000个脉冲，则主轴每转需要的脉冲数为σ为：

σ＝1000×G_S (2)

攻丝轴每进给一个螺距P需要的指令脉冲数θ为：

θ＝1000×P×G_Z (3)

其中，G_S为主轴电子齿轮比，G_Z为攻丝轴电子齿轮比。设攻丝轴每进给一个螺距P需要的指令脉冲θ与主轴每转需要的指令脉冲数为σ之比为：

系统发出主轴指令脉冲信号CPO_S与位置编码器反馈的当前脉冲信号POS_S比较后得到位置滞后脉冲信号EPO_S，然后经过位置比例增益K_VS后再通过β_S/G_S转换为对应的主轴转速S，将指令发送给驱动主轴的伺服驱动器。同样，系统发出攻丝轴指令脉冲信号CPO_Z与位置编码器反馈的当前脉冲信号POS_Z比较后得到位置滞后脉冲信号EPO_Z，然后经过位置比例增益环节K_VZ后再通过β_Z/G_Z转换为攻丝轴对应的进给速度F，将指令发送给驱动攻丝轴的伺服驱动器。由图中可以看出以下公式成立：

CPO_Z＝POS_Z+EPO_Z (5)

CPO_S＝POS_S+EPO_S (6)

其中，β_S为主轴位置滞后脉冲计算常数，β_Z为攻丝轴位置滞后脉冲计算常数。机床攻丝时，由于CNC存在主轴传动偏差、攻丝轴传动偏差、丝锥、材料、磨损、驱动器位置比例增益系数设置精度、β_S与β_Z测量误差等方面的因素使得进给运动与主轴运动无法实现完全同步运动，因此使得加工出的螺纹螺距存在一定的误差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置，该装置的调试效率高且操作简单。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置，包括CNC装置、攻丝轴伺服驱动装置、主轴伺服驱动装置、进给传动装置、主轴传动装置、执行末端装置，所述攻丝轴伺服驱动装置通过进给传动装置驱动执行末端装置的丝锥实现进给运动，所述主轴伺服驱动装置通过主轴传动装置驱动执行末端的丝锥实现主轴旋转运动；所述位置增益联合调试装置可控制调节攻丝轴进给速度及主轴进给速度。

进一步，所述CNC装置包括攻丝轴比例增益控制器、主轴比例增益控制器，所述攻丝轴比例增益控制器接收CNC装置的攻丝轴脉冲指令以及攻丝轴伺服驱动装置的位置反馈信号，通过计算输出攻丝轴进给速度指令输出给攻丝轴伺服驱动装置，所述主轴比例增益控制器接收CNC装置的主轴脉冲指令以及主轴伺服驱动装置的位置反馈信号，通过计算输出主轴进给速度指令输出给主轴伺服驱动装置。

进一步，所述攻丝轴伺服驱动装置包括第一伺服驱动器、第一伺服电机及第一位置编码器，所述第一伺服驱动器接收所述攻丝轴比例增益控制器的进给速度指令并发送电流信号驱动所述第一伺服电机运动，所述第一伺服电机通过所述进给传动装置驱动执行末端装置的丝锥实现进给运动，所述第一位置编码器用以测试所述第一伺服电机的位置脉冲信号并将信号发送给所述攻丝轴比例增益控制器。

进一步，所述主轴伺服驱动装置包括第二伺服驱动器、第二伺服电机及第二位置编码器，所述第二伺服驱动器接收所述主轴比例增益控制器的进给速度指令并发送电流信号驱动所述第二伺服电机运动，所述第二伺服电机通过所述主轴传动装置驱动执行末端装置的丝锥实现主轴旋转运动，所述第二位置编码器用以测试所述第二伺服电机的位置脉冲信号并将信号发送给所述主轴比例增益控制器。

优选的，所述CNC装置进一步包括显示装置，所述显示装置接收并显示所述攻丝轴比例增益控制器与所述主轴比例增益控制器输出数据。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型针对机床攻丝时由于机床存在主轴传动偏差、攻丝轴传动偏差、丝锥、材料、磨损、驱动器位置比例增益系数设置精度、β_S与β_Z测量误差等方面的因素使得加工出的螺纹螺距存在一定的误差的问题，利用主轴位置滞后脉冲信号、攻丝轴位置滞后脉冲信号比值与加工螺孔螺距的关系，使得可以快速地调试主轴与攻丝轴位置比例增益参数，减少攻丝过程的误差，实现高速高精度的攻丝，降低使用人员的使用难度。

(2)本实用新型能直接在CNC装置上仅通过自带的显示装置完成参数的调试，无需反复测量加工件的螺孔螺距，方便实用，操作方便，大大提高了调试效率。

附图说明

图1为背景技术中CNC攻丝控制系统原理图。

图2为本实用新型中一种基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置框图。

图3为本实用新型中一种基于刚性攻丝的位置增益联合调试方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施及附图对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

请参阅图2，本实施例公开了一种基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置，该装置包括CNC装置1、攻丝轴伺服驱动装置6、主轴伺服驱动装置5、进给传动装置13、主轴传动装置14、执行末端装置15。CNC装置1的攻丝轴进给速度指令、主轴速度指令分别发出给攻丝轴伺服驱动装置6、主轴伺服驱动装置5，攻丝轴伺服驱动装置6通过进给传动装置13驱动执行末端15的丝锥实现进给运动，主轴伺服驱动装置5通过主轴传动装置14驱动执行末端15的丝锥实现主轴旋转运动。

请参阅图2，所述CNC装置1包括攻丝轴比例增益控制器3、主轴比例增益控制器4及显示装置2。其中，攻丝轴比例增益控制器3接收CNC装置1的攻丝轴脉冲指令以及攻丝轴伺服驱动装置6的位置反馈信号，通过计算输出攻丝轴进给速度指令输出给攻丝轴伺服驱动装置6。同样，主轴比例增益控制器4接收CNC装置1的主轴脉冲指令以及主轴伺服驱动装置5的位置反馈信号，通过计算输出主轴进给速度指令输出给主轴伺服驱动装置5。攻丝轴比例增益控制器3与主轴比例增益控制器4输出数据信号至显示装置2进行实时显示。

请参阅图2，所述攻丝轴伺服驱动装置6包括伺服驱动器7、伺服电机8及位置编码器9。伺服驱动器7发送电流信号驱动伺服电机8运动。伺服电机8通过进给传动装置13驱动执行末端15的丝锥实现进给运动。位置编码器9用以检测伺服电机8的位置脉冲信号并将测得的位置脉冲信号发送给CNC装置1中的攻丝轴比例增益控制器3。

请参阅图2，所述主轴伺服驱动装置5包括伺服驱动器10、伺服电机11及位置编码器12。伺服驱动器10接收主轴比例增益控制器4的脉冲信号并发送电流信号驱动伺服电机11运动，所述伺服电机11通过主轴传动装置14驱动执行末端15的丝锥实现主轴旋转运动。位置编码器12用以检测伺服电机11的位置脉冲信号并将测得的信号发送给CNC装置1中的主轴比例增益控制器4。

请参阅图3，本实施例公开了一种基于刚性攻丝的位置增益联合调试方法包括以下步骤：

1.计算出攻丝轴攻丝时所能达到的最高速度F_H、中等速度F_M和最低速度F_L，在空载下分别给定攻丝轴伺服驱动器以这三种恒定速度移动，记录EPO_ZH、EPO_ZM、EPO_ZL，根据公式分别计算出β_ZH、β_ZM、β_ZL，然后取其平均值作为最终的β_Z；

2.根据同样原理，在空载下分别给定主轴伺服驱动器以最高转速S_H、中等转速S_M、最低转速S_L运行，记录记录EPO_SH、EPO_SM、EPO_SL，根据公式：分别计算出β_SH、β_SM、β_SL，然后取其平均值作为最终的β_S；

3.按照公式关系：初步调试位置比例增益K_VZ、K_VS；

4.初步试验运行，并记录EPO_Z、EPO_S，判断公式是否成立；

若成立，则参数调试完毕；

若不成立，则继续执行步骤5；

5.当EPO_Z与EPO_S关系满足公式时，则加工出的螺孔螺距将会呈现增大趋势，用通止规或标准螺钉拧入螺孔检验时，会呈现螺孔变松的趋势，此时应该保持K_VZ不变增大K_VS或者保持K_VS不变减小K_VZ，即K_VS改变为K_VS+ΔK_VS(ΔK_VS＞0)时或者K_VZ改变为K_VZ-ΔK_VZ(ΔK_VZ＞0)；

6.当EPO_Z与EPO_S关系满足公式时，则加工出的螺孔螺距将会呈现减小趋势，用通止规或标准螺钉拧入螺孔检验时，会呈现螺孔变紧的趋势，此时应该保持K_VS不变增大K_VZ或者保持K_VZ不变减小K_VS，即K_VZ改变为K_VZ+ΔK_VZ(ΔK_VZ＞0)时或者K_VS改变为K_VS-ΔK_VS(ΔK_VS＞0)；

7.重复步骤4，并记录EPO_Z与EPO_S。判断公式是否成立：

若成立，则参数调试完毕；

若不成立，则继续执行步骤5、6、7，直到公式成立则参数调试完毕。

请参阅图3本实用新型公开的一种基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置的方法通过以下技术原理实现：

当机床和刀具达到理想条件下，在刚性攻丝过程中任意某段无限短的时间内，设攻丝轴指令脉冲位置CPO_Z增量为ΔCPO_Z，主轴指令脉冲位置CPO_S增量为ΔCPO_S，攻丝轴当前位置POS_Z增量为ΔPOS_Z，主轴当前位置POS_S增量为ΔPOS_S。在刚性攻丝时，主轴转速和进给速度几乎是恒定的，所以EPO_Z和EPO_S几乎是恒定的。因此在刚性攻丝过程中任意某段无限短的时间内，根据公式CPO_Z＝POS_Z+EPO_Z、CPO_S＝POS_S+EPO_S可知

ΔPOS_Z＝ΔCPO_Z-EPO_Z (9)

ΔPOS_S＝ΔCPO_S-EPO_S (10)

两式相除得

为了确保加工出的螺孔螺距与预定螺距一致(机床条件理想的情况下)，则必须使得否则，加工出的螺孔螺距则与预定螺距存在较大的误差，则有

等式两边同时乘以ΔCPO_S-EPO_S得下式，

ΔCPO_Z-EPO_Z＝α×(ΔCPO_S-EPO_S) (13)

等式两边同时除以ΔCPO_S的下式，

而由(4)式可知将上式化简得下式：

将上式化简得下式：

由式(16)得出结论：当保证预定螺纹螺距加工时，即当前位置脉冲增量之比为α，位置滞后脉冲之比也为α，两者等价。

由σ＝1000×G_S、θ＝1000×P×G_Z、 可将上式表示为：

代入(1)式可得以公式：

根据上式可知，攻丝轴的位置比例增益与主轴的位置比例增益为一个恒定比例关系，意味着，只要攻丝轴和主轴刚性足够，按照式(18)的比例关系，只要确定攻丝轴位置比例增益或主轴位置比例增益，即可确定主轴的位置比例增益或攻丝轴位置比例增益。当攻丝轴位置比例增益和主轴位置比例增益的比例关系确定好后，只要机床轴传动系统、刀具系统正常的情况下，即可加工出合格的螺孔。

由于机床存在主轴传动偏差、攻丝轴传动偏差、丝锥、材料、磨损、驱动器位置比例增益系数设置精度、β_Z与β_S测量误差等方面的因素的存在，使得即使按照式(18)关系配置位置比例增益仍然无法实现进给运动与主轴运动完全同步运动，因此使得加工出的螺纹螺距存在一定的误差。

由的等量关系可知道，通过观察攻丝轴的EPO_Z和主轴的EPO_S的关系来判断ΔPOS_Z与ΔPOS_S的关系，从而进行微调K_VZ、K_VS，从而达到预定的刚性攻丝效果。

当时，由(11)式可得：

ΔCPO_Z-EPO_Z＝(α+Δα)ΔCPO_S-(α+Δα)EPO_S (19)

两边同除以ΔCPO_S并化简得

EPO_Z＝(α+Δα)EPO_S-ΔαΔCPO_S (20)

两边同除以EPO_S并化简得

因为ΔPOS_S＞0，由(10)式可知ΔCPO_S＞EPO_S。

当Δα＞0时即加工出的螺孔螺距将会呈现增大的趋势，用通止规或标准螺钉拧入螺孔检验时，会呈现螺孔变松的趋势，此时有：

因此应该增大K_VS，减小K_VZ；

当Δα＞0时即加工出的螺孔螺距将会呈现减小的趋势，用通止规或标准螺钉拧入螺孔检验时，会呈现螺孔变紧的趋势，此时有：

因此应该增大K_VZ，减小K_VS。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置，包括CNC装置、攻丝轴伺服驱动装置、主轴伺服驱动装置、进给传动装置、主轴传动装置、执行末端装置，所述攻丝轴伺服驱动装置通过进给传动装置驱动执行末端装置的丝锥实现进给运动，所述主轴伺服驱动装置通过主轴传动装置驱动执行末端的丝锥实现主轴旋转运动；所述位置增益联合调试装置可控制调节攻丝轴进给速度及主轴进给速度。

2.根据权利要求1所述基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置，其特征在于：所述CNC装置包括攻丝轴比例增益控制器、主轴比例增益控制器，所述攻丝轴比例增益控制器接收CNC装置的攻丝轴脉冲指令以及攻丝轴伺服驱动装置的位置反馈信号，通过计算输出攻丝轴进给速度指令输出给攻丝轴伺服驱动装置，所述主轴比例增益控制器接收CNC装置的主轴脉冲指令以及主轴伺服驱动装置的位置反馈信号，通过计算输出主轴进给速度指令输出给主轴伺服驱动装置。

3.根据权利要求2所述基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置，其特征在于：所述攻丝轴伺服驱动装置包括第一伺服驱动器、第一伺服电机及第一位置编码器，所述第一伺服驱动器接收所述攻丝轴比例增益控制器的进给速度指令并发送电流信号驱动所述第一伺服电机运动，所述第一伺服电机通过所述进给传动装置驱动执行末端装置的丝锥实现进给运动，所述第一位置编码器用以测试所述第一伺服电机的位置脉冲信号并将信号发送给所述攻丝轴比例增益控制器。

4.根据权利要求3所述基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置，其特征在于：所述主轴伺服驱动装置包括第二伺服驱动器、第二伺服电机及第二位置编码器，所述第二伺服驱动器接收所述主轴比例增益控制器的进给速度指令并发送电流信号驱动所述第二伺服电机运动，所述第二伺服电机通过所述主轴传动装置驱动执行末端装置的丝锥实现主轴旋转运动，所述第二位置编码器用以测试所述第二伺服电机的位置脉冲信号并将信号发送给所述主轴比例增益控制器。

5.根据权利要求2所述基于刚性攻丝的位置增益联合调试装置，其特征在于：所述CNC装置进一步包括显示装置，所述显示装置接收并显示所述攻丝轴比例增益控制器与所述主轴比例增益控制器输出数据。