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        多邊形車削原理與應(yīng)用

        2014-03-09 02:06:26龔仲華
        機(jī)床與液壓 2014年8期
        關(guān)鍵詞:刀盤多邊形角速度

        龔仲華

        (常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇常州 213164)

        多邊形車削原理與應(yīng)用

        龔仲華

        (常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇常州 213164)

        闡述了多邊形車削成型原理,分析了成型誤差和控制要求,介紹了FANUC-0iC/D數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定和CNC加工程序的編制方法。

        多邊形車削;成型誤差;控制;編程

        多邊形車削是用車削方式,將回轉(zhuǎn)體加工成多棱柱的功能。它可解決接頭、螺母類零件的外側(cè)面車削成型問(wèn)題,其加工效率高、工藝簡(jiǎn)單、編程容易。文中闡述了多邊形車削加工的成型原理,分析了成型誤差和控制要求,介紹了FANUC-0iC/D數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定和CNC加工程序的編制方法,供數(shù)控機(jī)床使用、調(diào)試人員參考。

        1 功能說(shuō)明

        利用車削方式加工多棱柱時(shí)(圖1(a)),工件截面的多邊形軌跡需要通過(guò)工件和刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成生成。加工時(shí),刀具不僅需要旋轉(zhuǎn),且其角速度必須為工件角速度的2倍,因此,這是一種保持角位移同步的CNC特殊插補(bǔ)方式,通常需要在帶有動(dòng)力刀具的車削中心或車銑復(fù)合加工機(jī)床上實(shí)現(xiàn)。

        多邊形車削是一種近似加工。利用工件和刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成所生成的多邊形,實(shí)際上是橢圓圓弧段的組合,但是,由于其橢圓的長(zhǎng)/短軸之比很大,因此,圓弧段和直線非常接近,其成型誤差可滿足絕大多數(shù)零件的要求。多邊形的成型誤差決定于工件和刀盤的直徑,在工件直徑一定時(shí),增加刀盤直徑,便可減小成型誤差。

        多邊形的形狀可通過(guò)改變刀盤上的刀片數(shù)量改變。利用工件和刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成所生成的多邊形,其邊數(shù)是刀盤上所安裝的刀片數(shù)量的2倍,因此,它只能生成偶數(shù)邊的多邊形。例如,當(dāng)?shù)侗P間隔180°安裝2片刀片時(shí),可車削出圖1(b)所示的四方;間隔120°安裝3片刀片時(shí),則可車削出1(c)所示的六角。

        圖1 多邊形車削

        2 成型原理

        多邊形車削加工的截面軌跡通過(guò)工件和刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成生成,其成型原理如圖2所示。

        圖2 多邊形車削成型原理

        當(dāng)工件的半徑和角速度為r和α、刀盤的半徑和角速度為R和β、主軸和刀盤的中心距為A時(shí),如以工件 (主軸)的軸心為原點(diǎn)建立XY坐標(biāo)系,并假設(shè)工件靜止、切削開始時(shí)的刀尖位置為P0,則在t時(shí)刻,刀尖位置P1的坐標(biāo)值為:

        如果保證刀盤的角速度為工件角速度的2倍,便有β=2α,上式可簡(jiǎn)化為:

        其運(yùn)動(dòng)軌跡是長(zhǎng)軸為A+R(Y向)、短軸為A-R(X向)的橢圓;當(dāng)?shù)都廪D(zhuǎn)過(guò)360°、工件轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí),將在工件上得到多邊形的一條等效邊。因此,只要在刀盤上隔180°安裝2把刀片,則可分別生成圖1 (b)所示的2個(gè)橢圓軌跡,其中心部分近似為四方;如在刀盤上隔120°安裝3把刀片,則可分別產(chǎn)生圖1 (c)所示的3個(gè)橢圓軌跡,其中心部分近似為六角;如此類推,這就是多邊形車削成型原理。

        3 成型誤差

        由以上成型原理可知,成型橢圓的長(zhǎng)短軸之差2R就是刀盤直徑;而等效圓弧段的長(zhǎng)則決定于工件直徑。因此,增加刀盤直徑或者減小工件直徑,都可以減小成型誤差。例如,對(duì)于圖3所示的φ40棒料加工,如刀盤直徑為φ120(R=60),加工四方和六角的成型誤差可計(jì)算如下。

        圖3 四方和六角成型要求

        由圖3(a)可見,加工四方時(shí),圖2的C應(yīng)取5.86,主軸和刀盤的中心距A為:

        成型誤差最大的位置在y=14.14的4個(gè)角上,該位置的X向偏差可計(jì)算如下:

        得圖1中的αt=6.05°,故該點(diǎn)的實(shí)際X值為:

        其X向的偏差為:Δx=14.14-14.06=0.08 mm

        根據(jù)圖3(b),加工六角時(shí)的誤差最大位置在y=10的角上,其X向偏差為0.05 mm。

        以上X向的偏差實(shí)際上就是橢圓段和直線段間的最大偏差,即多邊形的成型誤差。反之,如果多邊形成型誤差要求已經(jīng)確定,也可根據(jù)誤差來(lái)確定刀盤半徑R。

        例如,當(dāng)要求以上四方加工的成型誤差Δx<0.05 mm時(shí),就應(yīng)保證y=14.14時(shí)的x≥14.14-0.05=14.09 mm,由于四方加工的中心距需保證A= (R+20)-5.86,故有:

        即刀盤直徑需要擴(kuò)大至φ154.2以上。

        同樣,如要求六角加工時(shí)的成型誤差 Δx小于0.03,用同樣的方法,可計(jì)算出刀盤直徑需要擴(kuò)大至φ152.7以上。

        因此,在通常情況下,只要選擇刀盤直徑為工件直徑的3~4倍,其成型誤差便能滿足絕大多數(shù)多邊形加工對(duì)成型誤差的要求。

        4 控制要求

        根據(jù)多邊形車削成型原理,多邊形車削的關(guān)鍵是要保證工件和刀盤的角速度比為1∶2,因此,它對(duì)機(jī)床的功能要求是:(1)主軸必須安裝角位移檢測(cè)編碼器;(2)刀盤必須能跟隨主軸同步旋轉(zhuǎn)。故刀盤應(yīng)采用伺服軸或具有同步控制功能的第2主軸驅(qū)動(dòng)。

        當(dāng)?shù)侗P使用伺服軸驅(qū)動(dòng)時(shí),它需要能像螺紋切削加工一樣,跟隨主軸同步進(jìn)給。但是,由于伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速高、輸出功率相對(duì)較小,且其恒轉(zhuǎn)矩輸出特性不宜用于切削主運(yùn)動(dòng) (恒功率)控制,因此,它通常只用于小規(guī)格零件的低速加工。

        主軸電機(jī)具有輸出功率大、額定轉(zhuǎn)速低、最高轉(zhuǎn)速高的優(yōu)點(diǎn),且其額定轉(zhuǎn)速以上區(qū)域?yàn)楹愎β收{(diào)速,它是多邊形車削加工常用的控制方案。當(dāng)?shù)侗P使用第2主軸控制時(shí),它需要跟隨第1主軸同步旋轉(zhuǎn),且還需要利用CNC加工程序指令進(jìn)行速度控制和同步控制的切換,因此,第1、第2主軸通常都需要選擇CNC總線控制。

        多邊形車削加工需要在CNC上設(shè)定專門的參數(shù)。以FANUC-0iC/D為例,使用第2主軸進(jìn)行多邊形車削加工時(shí),需要設(shè)定的主要參數(shù)及作用如下:

        PRM7602.5:多邊形車削相位控制功能選擇,設(shè)定0時(shí)功能有效。

        PRM7640/PRM7641:多邊形車削時(shí)的主/從主軸選擇;設(shè)定0時(shí),將自動(dòng)選擇第1/第2串行主軸。

        5 程序編制

        多邊形車削加工程序決定于機(jī)床所配套的CNC,可根據(jù)加工精度的要求,選擇如下兩種方法加工。

        對(duì)于精度要求不高的小直徑管、接頭類零件,可通過(guò)Z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),在棒料上一次車削成型。以配套FANUC-0iC/D數(shù)控系統(tǒng)的車削中心加工圖4所示的六角為例,其六角車削加工程序段指令如下(半徑編程):

        圖4 一次成型例

        以上程序中,G51.2為FANUC-0iC/D主軸同步指令;G50.2為同步控制撤銷指令。指令G51.2中的參數(shù)P/Q用來(lái)定義第1/第2主軸的速度比,R用來(lái)定義第2主軸和第1主軸的相位偏移。

        對(duì)于加工精度要求較高的大規(guī)格零件,多邊形車削可通過(guò)X向進(jìn)給加工成型,如需要,還可通過(guò)改變第2主軸和第1主軸的相位偏移,提高加工精度。以圖5所示的φ80六角車削為例,其車削加工程序段指令如下(半徑編程):

        圖5 六角車削例

        以上程序中,N100~N110為粗車程序,N110~N140為精車程序。在精車程序中,通過(guò)改變指令G51.2的參數(shù)R,對(duì)刀盤的相位進(jìn)行了3次調(diào)整,使得每一邊都由3個(gè)刀尖分別進(jìn)行了一次加工,從而減小了成型誤差、提高了加工精度。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        多邊形車削是車削中心、車銑復(fù)合加工機(jī)床的新功能,它利用工件和刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成,解決了四方、六角等特定多邊形的車削加工成型問(wèn)題;且其成型誤差可通過(guò)控制工件和刀盤的直徑比,簡(jiǎn)單地進(jìn)行調(diào)整。由于較多的數(shù)控機(jī)床操作、使用、調(diào)試人員對(duì)其成型原理、控制要求及功能的使用、調(diào)試、編程方法可能不甚了解,希望文中的研究?jī)?nèi)容能對(duì)此有所幫助。

        【1】北京發(fā)那科機(jī)電有限公司.FANUC Series 0i-MODEL D連接說(shuō)明書(功能篇)[M],2012.

        【2】北京發(fā)那科機(jī)電有限公司.FANUC Series 0i-MODEL D參數(shù)說(shuō)明書[M],2008.

        Principle and Application of Polygon Turning

        GONG Zhonghua
        (Changzhou Institute of Mechatronic Technology,Changzhou Jiangsu 213164,China)

        The principle of polygon turning was introduced.The forming error and control requirements were analyzed.The FANUC-0iC/D control parameters setting and CNC programming method were also introduced.

        Polygon turning;Forming error;Control;Programming

        TG659

        B

        1001-3881(2014)8-066-3

        10.3969/j.issn.1001-3881.2014.08.022

        2013-03-29

        龔仲華 (1962—),男,教授,教授級(jí)高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事數(shù)控機(jī)床與控制技術(shù)研究。E-mail:gongzhonghua666@163.com。

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