洪美琴

(湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，湖南 株洲 412001)

基于數(shù)控系統(tǒng)的刀具工作角度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

洪美琴

(湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，湖南 株洲 412001)

切削加工凸輪時(shí)，刀具的工作角度會(huì)隨著切削位置的不同而發(fā)生變化，這會(huì)影響到產(chǎn)品的加工質(zhì)量及刀具的使用壽命。詳細(xì)闡述了利用數(shù)控系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)角度的設(shè)計(jì)思路及方法，達(dá)到了實(shí)時(shí)控制刀具工作角度，使其恒定不變的目的。

切削凸輪；數(shù)控系統(tǒng)；轉(zhuǎn)動(dòng)刀架；轉(zhuǎn)角控制

1 問(wèn)題的提出

切削凸輪時(shí)，刀具沿徑向快速往復(fù)移動(dòng)，但受凸輪的非圓度影響，在切削過(guò)程中，其切削半徑隨著輪廓的改變而改變，從而導(dǎo)致切削刀具的工作前、后角產(chǎn)生變化，這會(huì)影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低刀具的使用壽命。不論凸輪切削加工使用的是仿形機(jī)床還是數(shù)控機(jī)床，刀具除往復(fù)移動(dòng)外，還應(yīng)能繞回轉(zhuǎn)中心擺動(dòng)，從而補(bǔ)償?shù)毒吖ぷ髑?、后角的變化，使其工作角度恒定不變；因此，切削凸輪時(shí)，凸輪隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具在往復(fù)移動(dòng)的同時(shí)還要根據(jù)切削位置的不同而擺動(dòng)一定的角度，如圖1所示。從圖1可以看出擺動(dòng)補(bǔ)償角度值與凸輪當(dāng)前壓力角相等。

圖1 凸輪切削示意圖

刀具擺動(dòng)是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其擺動(dòng)大小由控制系統(tǒng)控制。在數(shù)控機(jī)床上，可利用數(shù)控系統(tǒng)的宏程序得到轉(zhuǎn)動(dòng)刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值，靈活地實(shí)現(xiàn)不同凸輪輪廓相對(duì)應(yīng)的刀具擺動(dòng)角度計(jì)算。刀架轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其傳動(dòng)方式采用斜齒輪與蝸輪蝸桿傳動(dòng)。

2 轉(zhuǎn)動(dòng)刀架轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的組成

根據(jù)盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，凸輪輪廓由3個(gè)曲線區(qū)域組成，即推程區(qū)域、回程區(qū)域和停歇區(qū)域。對(duì)應(yīng)停歇區(qū)域，凸輪的向徑是不變的；而在推程區(qū)域，凸輪的向徑由小變大；在回程區(qū)域，凸輪的向徑由大變小。切削時(shí)刀具的工作前、后角變化如圖2所示，當(dāng)?shù)毒呦蛑D(zhuǎn)中心移動(dòng)時(shí)，即向徑由大變小時(shí)，刀具的工作前角和后角相對(duì)靜止幾何角度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了1個(gè)角度，當(dāng)?shù)毒呦蜻h(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心方向移動(dòng)時(shí)，即凸輪向徑由小變大時(shí)，刀具的工作前、后角相對(duì)靜止幾何角度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)1個(gè)角度；因此，在主軸每轉(zhuǎn)1圈時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)刀架隨著凸輪輪廓的向徑變化對(duì)應(yīng)有3個(gè)時(shí)段，即正轉(zhuǎn)時(shí)段、反轉(zhuǎn)時(shí)段和停轉(zhuǎn)時(shí)段，且轉(zhuǎn)動(dòng)刀架的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角與主軸轉(zhuǎn)角要同步。

圖2 切削凸輪刀具工作角度變化示意圖

轉(zhuǎn)動(dòng)刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值，即刀具工作角度變化值與凸輪的輪廓曲線和主軸轉(zhuǎn)角存在函數(shù)關(guān)系，該值可通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的宏程序計(jì)算得到，并作為角度指令值輸出。切削時(shí)，刀具繞凸輪軸的軸線方向擺動(dòng)，因此數(shù)控程序中角度指令值地址字定義為C。此角度指令值與來(lái)自位置檢測(cè)裝置的實(shí)際位置信號(hào)經(jīng)過(guò)位置比較后得到位置偏差信號(hào)，而位置偏差信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度控制指令至伺服驅(qū)動(dòng)裝置，控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。刀具工作角度控制系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 刀具工作角度控制系統(tǒng)組成

從圖3可以看出，在數(shù)控機(jī)床上，如果利用數(shù)控系統(tǒng)本身所具有的位置控制模塊功能增加1個(gè)伺服軸控制單元，相當(dāng)于在原有基本軸的基礎(chǔ)上增加1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，就可以方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架的擺動(dòng)角度控制。

3 基于數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架轉(zhuǎn)角控制的方法

3.1 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角控制的數(shù)控系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸功能及相關(guān)器件選用

選用具有支持旋轉(zhuǎn)軸功能的數(shù)控系統(tǒng)(以FANUC 0i mate-TD系統(tǒng)為例)，開(kāi)通旋轉(zhuǎn)軸功能，經(jīng)串行伺服總線FSSB，用1根光纜與旋轉(zhuǎn)軸伺服放大器相連。確認(rèn)基本軸X、Z伺服放大器系列與型號(hào)，旋轉(zhuǎn)軸伺服放大器也選用同一系列(如βi系列)。

伺服電動(dòng)機(jī)選擇βis系列伺服電動(dòng)機(jī)，使用絕對(duì)式光電編碼器，編碼器既可用作速度反饋，也可用作位置反饋。另外，還配置了1個(gè)接近開(kāi)關(guān)、1根數(shù)據(jù)光纜、1根伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線、1根伺服電動(dòng)機(jī)編碼器線和剎車電阻組件1套。

3.2 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角控制的伺服電路連接

實(shí)現(xiàn)刀具工作角度實(shí)時(shí)控制，主軸每回轉(zhuǎn)1周就對(duì)應(yīng)于凸輪輪廓1個(gè)曲線區(qū)域，轉(zhuǎn)動(dòng)刀架應(yīng)具有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停轉(zhuǎn)功能，此外還需設(shè)置回零參考點(diǎn)。伺服電路接線圖如圖4所示。

圖4 伺服電路接線圖

3.3 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角控制的旋轉(zhuǎn)軸功能參數(shù)設(shè)置

連接好硬件，開(kāi)起電源，使PARAMETER WRIT=1，按相應(yīng)步驟設(shè)定參數(shù)值[2]。

1)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸功能。設(shè)定參數(shù)：#9900=4；#1010=4(CNC受控軸數(shù))；#8130=4(總控制軸數(shù))；9943#3=1(控制軸擴(kuò)張)，設(shè)置好后重新起動(dòng)電源。

2)其他參數(shù)(如回參考點(diǎn)和伺服軸名稱等參數(shù))的設(shè)定見(jiàn)表1。控制系統(tǒng)不需要手輪功能，其他參數(shù)與別的伺服軸相同。

表1 其他參數(shù)設(shè)定

3)FSSB設(shè)定。由于數(shù)控機(jī)床通過(guò)高速串行總線FSSB，用1根光纜將CNC控制器和多個(gè)伺服放大器進(jìn)行連接，因此還應(yīng)通過(guò)設(shè)定相關(guān)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給軸的控制。建立CNC與伺服的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要設(shè)定的相關(guān)參數(shù)有No.1023，No.1905，No.1936、1937，No.14340～14349和No.14376～14391。FSSB參數(shù)設(shè)定采用自動(dòng)設(shè)定方式，將參數(shù)1902#0設(shè)為0(FSSB設(shè)定方式中，0為自動(dòng)，1為手動(dòng))，1902#1設(shè)為0(FSSB自動(dòng)設(shè)定中，0為沒(méi)完成，1為完成)。進(jìn)入FSSB參數(shù)設(shè)定支援畫(huà)面，完成FSSB(AMP)設(shè)定和FSSB(軸)設(shè)定。設(shè)置完成后重新起動(dòng)CNC。

4 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角控制的旋轉(zhuǎn)軸PMC功能設(shè)計(jì)

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)控制刀架裝置回零，即旋轉(zhuǎn)軸回零時(shí)，刀架上安裝好的刀具要呈水平狀態(tài)，因此刀架與轉(zhuǎn)動(dòng)刀架結(jié)構(gòu)的主軸安裝位置應(yīng)與旋轉(zhuǎn)軸脈沖發(fā)生器發(fā)Z相脈沖的位置一致；另外，控制系統(tǒng)只針對(duì)刀具工作角度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，對(duì)刀具的軸向移動(dòng)和縱向移動(dòng)不產(chǎn)生位移控制，刀具對(duì)刀時(shí)僅需要回零功能，使刀具對(duì)刀時(shí)切削刀具處在水平位置。因此，在旋轉(zhuǎn)軸的PMC功能設(shè)計(jì)中，可以只考慮回零功能的設(shè)置，但考慮到增加旋轉(zhuǎn)軸功能的調(diào)試檢測(cè)需要，還需增設(shè)手動(dòng)功能。

啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸PMC功能，分析PLC程序，按SYSTEM→PMC→PMCPRM進(jìn)入PMC參數(shù)界面，設(shè)定保持繼電器參數(shù)，并對(duì)相關(guān)的旋轉(zhuǎn)軸回零功能參數(shù)和手動(dòng)功能參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

5 結(jié)語(yǔ)

切削凸輪時(shí)刀具的工作角度隨刀具切削位置的不同而發(fā)生變化，在數(shù)控切削凸輪時(shí)，可以通過(guò)增加伺服放大器和伺服電動(dòng)機(jī)等器件來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸功能，從而利用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度指令信號(hào)擺動(dòng)相應(yīng)角度的控制，達(dá)到補(bǔ)償切削時(shí)刀具工作角度變化的目的，使其恒定不變。

[1] 王愛(ài)玲.機(jī)床數(shù)控技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2009.

[2] 吳軍，洪慧良.基于FANUC系統(tǒng)的數(shù)控銑床增加第四軸的方法 [J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014(1)：173-175.

*湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(12C1267)

責(zé)任編輯李思文

DesignofRealControlSystembasedonNCSystemforCuttingToolWorkingAngle

HONG Meiqin

(Mechanic and Electronic Engineering Department, Hunan Automotive Engineering Vocational College, Zhuzhou 412001, China)

Cutting tool working angle changes with the turning position when turning cam, which will affect the machining quality and the service life of the cutting tool. The paper briefly introduced the designing idea and the method to control the rotating angle of turret rotation based on CNC control, so as to realize the real-time control of the tool working angle to keep the constant work angle.

cutting cam, NC system, rotating turret, rotating angle control

TP 220

：A

洪美琴(1966-)，女, 碩士，副教授,主要從事機(jī)械制造技術(shù)等方面的研究。

2014-07-24