手動經濟型數控刀架的原理與設計

摘要：本文針對經濟型的手動數控刀架，利用類似于仿行刀架的布局形式，研究并設計出一種以控制單坐標的方式來實現兩坐標聯動的功能的數控插補方法。

關鍵詞：機床改造 數控插補 仿形加工

1 問題的提出

科技的發展和社會的多樣化需求，使得產品的品種樣式越來越多，而且更新換代非常迅速。以中、小批量的方式輪番生產產品為主導的生產規模已經取代了原來主要是大批量生產的情況。因此，為滿足多層次生產的需求，當今的數控機床不但越來越注重高功能、高技術的數控產品的發展；而且更注重簡易、廉價的數控機床以及手動功能和NC兼備的手動型數控機床的發展。

目前，已經有許多經濟型的數控車床出現，它們大多是用步進電機來分別伺服驅動縱、橫兩方向的自動進給運動的，所以都至少需要有兩套伺服系統。但是，在普通的車床中則是由相互自鎖的機械傳動來實現縱、橫向進給運動，這樣不能實現兩坐標聯動功能。其中具有兩坐標的聯動功能的只有仿形車床，它可以用于圓弧面、圓柱面及圓錐面等的車削工作。在標準樣件的控制下，方形車床的斜向仿形運動，并通過液壓伺服控制系統作出仿形進給，該動作與縱向的主進縮運動相適應，通過這種方式使得兩坐標的聯動功能得到了實現。

2 系統構成

我們結合經濟型數控車床的驅動方式，從仿形刀架的布局特點及仿形機床的加工方式中得到啟發：在工作原理上用軟靠模(即數控編程)代替硬靠模(即標準樣件)，并采用類似仿形加工的刀架布局，刀架橫、縱向的兩坐標聯動通過對刀架拖板的單坐標控制來實現，從而對數控原理進行了簡化。該方式即提供了加工程序的鍵盤手動輸入，同時也將機床原來的操縱手柄保留下來，這樣大大的方便了操作，而且其柔性也非常好。本文構想在此基礎上，開發一種經濟型的手動數控刀架。圖1所示為經濟型的手動數控刀架系統的主要構成。

該系統由Inter803I型單片機、數控刀架、步進電機的驅動電源、編碼器(用于拾取主軸信號)、位置檢測元件(用于檢測縱向起始信號)以及機床的本體所組成。由于系統是對現有的普通車床進行改裝得到的，因此不需要很大的工作量，只要完成以下的工作即可：

①用專用的數控刀架替換原車床的小刀架；②將用于拾取主軸信號的編碼器安裝在機床的主軸上；③將用于檢測縱向起始信號的霍爾元件安裝在床身的導軌上，在與之對應的縱向拖板上安裝磁鐵，用來產生縱向起始信號。

由數控刀架的斜向運動和原機床的縱向自動走刀運動這兩部分來構成整個系統的運動，可用于加工圓弧面、圓錐面及圓柱面等。縱向自動走刀是系統的主運動，其運動方式同原機床的縱向運動一樣，工作臺由主軸通過走刀箱、開合螺母、掛輪以及縱向絲桿來帶動其做縱向運動。通過在主軸上安裝的編碼器(用來拾取主軸信號)對主軸旋轉信號進行變換，然后將其與床身導軌上的霍爾元件所檢測到的縱向的起始信號一并發送到單片機里。將事先根據零件的輪廓形狀所編制的加工程序通過鍵盤輸入到單片機里。經過單片機的處理后，按照加工工件的輪廓形狀發出一系列的脈沖，并利用步進電機的驅動電源將其功率放大，然后，數控刀架將在驅動步進電機的帶動下做出適應于縱向自動走刀的斜向運動，最終加工出工件的輪廓形狀。

3 插補原理

現有的各種插補方法大多適合在擁有兩套或以上的伺服驅動的系統中使用。而我們希望在經濟型的手動數控刀架系統的結構中只有一套驅動系統，另一個方向的運動由原機床的運動構成。這就尋找一套合適自身的插補算法。

插補算法的運算應盡量簡捷、不能過于繁瑣，以達到實時控制的目的。綜合各種因素，并結合手動經濟型數控刀架的自身特點，在晶振12MHz的8031CPU上，本文提出的插補方法的實現采用的是數據采樣法中的直接計算法。該算法同其它的兩坐標或者三坐標的控制系統的插補算法相比，其計算仍顯的過多，但該算法經過驗證完全可以做到實時控制。

通過數控刀架的安裝方式可以看出：工件的端面方向與數控刀架的移動軸線構成α角。縱向拖板在主軸通過進給箱、溜板箱以及掛輪的帶動下進行運動，從而實現縱向移動刀架拖板，我們在進給箱的銘牌中能夠讀得主軸每轉對應的縱向走刀量F的值。走刀信號通過安裝在主軸卡盤上的主軸編碼器來產生，每轉一周，主軸會發出M個脈沖，此時縱向拖板移動的距離為F。當主軸發出NZ個脈沖時，則表示縱向拖板移動的距離為：NZ*F/M。此時將該信號輸入到微處理器中，便可以控制數控刀架沿著U軸進行移動，用NU表示控制U軸的脈沖數，設U軸的脈沖當量為δUmm/脈沖。則在對圓柱面、圓錐面和端面輪廓進行加工時，可以用統一的數學模型將NZ和NU之間的關系表示為：

當θ=0°時表示對圓柱面進行加工，此時刀架在U向維持不動；當θ=90°時表示對端面進行加工，此時NZ和NU之間維持一線性關系；當θ=0°～90°時表示對錐面進行加工，此時NZ和NU之間保持線性的關系。

由于在進行圓弧曲面的加工時，曲面的斜率不斷變化，此時，主軸的脈沖和步進電機的脈沖之間的比例關系不是恒定的，因此采用變頻率控制方法，即在加工過程中不停的改變步進電機脈沖的頻率。采用弦長向弧長逼近的方法來建模。整個的插補過程主要分為兩部分：粗插補以及精插補。例如對凹圓弧進行加工，圖2為加工凹圓弧的查補原理圖。

從圖2中可知：

粗插補為：

初值為：θ0是前一輪廓段的終點斜率，△θ0=0

因此，關鍵在于如何求△θ1，再利用遞推的方法便可求出任意的△θl+1。

這里的i為對圓弧進行加工時主軸所產生的第i個脈沖；NU1為主軸在產生第i個脈沖時，所對應的U軸脈沖數。

通過計算得出：

精插補：計算出的NUl一般情況下都不是整數，大部分都有小數部分。但是步進電機所走步數肯定是整數的，因此將本次插補計算得到的結果與前次插補留下的小數部分進行相加，然后將相加后的和進行取整，通過取整得到的結果便是本次插補值，再將取整后的余數留給下一次插補時處理。

當將粗插補和精插補引入后，每次插補時都會出現一定的誤差，但是在整個的插補過程中的誤差累積不會比1個脈沖當量大。

判別終點的方法為當步進電機實際所走的脈沖數與該加工段所需的總脈沖數相等時，停止插補運算。

4 結束語

本文采用與仿形加工相類似的刀架布局，結合研究、設計的數控插補計算的方式，實現了通過對刀架拖板進行單坐標控制以達到刀架縱、橫向兩坐標聯動的目的。該方法在將普通機床的操作簡便等特點加以保留的基礎上，又增加了可進行錐面、圓弧面加工等數控機床的功能，并且利用具有一套伺服的系統來代替需要使用兩套伺服的系統來降低成本。該方案在程序的編制上簡便易懂，且其加工方式容易被接受，這些都為將此方案應用于機床的改造中提供了強有力的保障。

參考文獻：

[1]徐時亮.單片微機輕件設計技術[M].北京：科學技術文獻出版社．2008.

[2]雷學東，朱曉春.數控原理與系統[M].南京：南京大學出版社.2006.

[3]王惠方.金屬切削機床——囤外機械工業基本情況[M].北京：機械工業出版社.2004.

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