數(shù)控銑磨床精加工熔鑄耐火材料過切點問題研究

摘 要：本文介紹了熔鑄耐火材料精加工圓弧極值點加工分析，系統(tǒng)分析了多功能數(shù)控銑磨床樣機設計及數(shù)控系統(tǒng)介紹，它構劃出以精加工耐火材料制品為主要對象的此種設備設備的結構，為有關單位和用戶提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：熔鑄耐火材料加工；專用銑磨機床；數(shù)控系統(tǒng)

1 問題的提出

筆者為研制“熔鑄耐火材料精加工設備”試制出一臺數(shù)控銑磨床。在樣機試切工件時，發(fā)現(xiàn)工件過切。工件材料為a-bAl2O3，是玻璃熔窖流道槽中的關鍵零件，屬難加工的高硬、脆性材料。

經(jīng)過各種工況的反復試驗，過切總在既定的位置，即位于零件的最高處（半徑為50mm 的圓弧極值點處）。為此，筆者進行了空載模擬加工，磨具上安裝的鉛筆在白紙上描繪出各種加工曲線，結果證實機床的Z向進給在極值點均出現(xiàn)失控下滑的現(xiàn)象，在紙上表現(xiàn)的加工軌跡就是極值點過切。

2 機床進給系統(tǒng)

數(shù)控銑磨床樣機，它采用龍門框架結構，具有較大的整體剛度。機床設置了立滑枕（Z軸）、模向滑座（Y軸）及縱向工作滑臺，且均由步進電動機分別驅動，脈沖當量均為0.01mm，其中、Z兩軸為二坐標聯(lián)動。滑枕、滑座、滑臺的導軌面采用貼塑軟帶（YT塑料導軌軟帶）新技術，具有低摩擦、無爬行、耐磨、抗振的特點。立滑枕（含磨具，計450kg）采用氣囊式蓄能器液壓配重裝置，避免了鉛塊配重的缺陷，慣性小，動作快捷靈敏。

從設計的角度看，該機床Y方向的進給運動是由步進電動機通過一對齒輪傳動后驅動滾珠絲杠實現(xiàn)的。滾珠絲杠兩端采用雙支承結構，通過對支承軸承、絲杠螺母副及絲杠本身的預緊，傳動剛度較大。X軸方向的進給與Y方向相同，且它對加工質(zhì)量的影響甚微。Z軸方向的進給與X軸方向相比，滾珠絲杠的下端處于自由狀態(tài)，因此支承剛度較小，絲杠本身無法預緊。此絲杠驅動立滑枕作上、下進給運動，其結構原理。它與Y軸絲杠聯(lián)動可實現(xiàn)Y-Z平面上的曲線加工。此軸是引起過切的根源。

3 過切現(xiàn)象研究

現(xiàn)以與磨具剛性聯(lián)接的立滑枕為研究對象，它受到重力G，配重拉力F，立滑枕與導軌面的摩擦力Ff以及滾珠絲杠對立滑枕的驅動力T的作用。在原理上配重力F要與重力G相等。當立滑枕向上運動時，由于Z軸進給要換向，電動機接受反向插補脈沖指令而順時針運轉。假如由于制造或裝配原因，傳動齒輪副存在間隙，電動機接受反向進給指令后，最初的若干個指令脈沖只能起到消除間隙的作用，因此產(chǎn)生傳動誤差的結果是欠切而不是過切。在實際控制軟件中，齒輪傳動間隙已采取補償措施，欠切也不會發(fā)生。

1. 經(jīng)現(xiàn)場觀察及理論計算，發(fā)現(xiàn)所選用的配重蓄能器公稱容積V0偏小，導致配重力F在立滑枕的工作行程范圍內(nèi)變化幅度較大。根據(jù)蓄能器的工作原理，配重力F的變化幅度取決于蓄能器的公稱容積V0、油缸的缸徑及工作行程。當V0偏小時，以工作行程的中點為臨界點，愈是在工作行程的下端部，F(xiàn)值越大：愈是在工作行程的上端部，F(xiàn)值愈小。在試切工件時，極值點位于工作行程的上半部較高位置，此時測出配重力F

2. 在設計上，驅動立滑枕的滾珠絲杠為懸伸梁，即其下端沒有支承，顯然此傳動系統(tǒng)的傳動剛度較小。文獻表明：數(shù)控機床的進給系統(tǒng)中，絲杠和螺母將電動機的轉速轉換成執(zhí)行部件的位移，這相當于一個積分環(huán)節(jié)，而系統(tǒng)的其余部分可以簡化成一個增益為ks的比例環(huán)節(jié)，因此，進給系統(tǒng)可以簡化形式。

從控制系統(tǒng)分類分析，這是一個Ⅰ型系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是對階躍位置指令的響應沒有穩(wěn)態(tài)誤差，而對階躍速度，即斜坡位置指令輸入，其響應的穩(wěn)態(tài)位置偏差為e=V/ks，e為速度引起的誤差，是為了建立速度V所必需的指令位置與實際位置之間的誤差。

本數(shù)控系統(tǒng)采用逐點比較法插補原理，在加工圓弧時可以認為刀具在某點（如P點）附近很小的范圍內(nèi)，切線cd與圓弧非常接近。在這個范圍內(nèi)，對切線的插補和對圓弧的插補，刀具的進給速度基本相等。因此，刀具的進給速度為

式中：f———插補時鐘所發(fā)脈沖的頻率

d———脈沖當量

a———直線op與Z軸的夾角

顯然Y、Z軸的進給速度分別為

當加工至極值點時，a=0°，代入式（2）、（3）得

Vy=fd，Vz=0

磨具中心沿著圓弧曲面的外側作兩坐標聯(lián)動進給，當Y軸的位置指令到達圓弧的極值點B 瞬間，由于速度Vy=fd引起的位置誤差為ey=fd/ks，速度Vz=0 引起的誤差為0，因此磨具中心實際位置在A處，此時Z軸的進給指令已從正向變成負向，并瞬時由補償軟件發(fā)出一定數(shù)量的補償脈沖，使步進電動機轉動越過傳動間隙后，隨即從零開始按插補指令逐漸加速。也就是說，在Z軸換向進給時，由于Y軸存在位置誤差ey=fd/ks，使磨具中心在A處已開始向下切削，這必然造成極值點過切。因此，進給系統(tǒng)的速度誤差是造成極值點過切的另一主要原因。

4 消除過切的措施

1. 增大蓄能器的公稱容積V0。經(jīng)力學計算，當配重力F的變化幅度控制在|F-G|≤0.1的范圍內(nèi)，立滑枕可以在步進電動機失電的情況下靠滑動摩擦力就可以在工作行程內(nèi)的任意位置處于靜平衡狀態(tài)，這樣就避免了立滑枕在步進電動機作齒隙補舉動時趁機向下滑動，以提高Z軸進給系統(tǒng)的定位精度。

2. 提高Z軸進給系統(tǒng)的剛度。傳動齒輪采用無間隙設計，在滾珠絲杠的下端增設一個支承，避免懸伸梁結構。此外，對軸承、絲杠螺母副及絲杠本身進行恰當?shù)念A緊。

3. 在控制軟件設計上采用“慢速→延時”的控制策略，即當插補計算快至圓弧極值點時，逐漸減小插補時鐘頻率），以減小速度誤差：當?shù)竭_極值點時，使磨具停留一段時間（如40～50ms），然后Y-Z兩軸再按插補指令加速至規(guī)定的切削速度。

4. 根據(jù)步進電動機的矩頻特性，優(yōu)化設計傳動系統(tǒng)的負載慣量及加速度，使傳動的增益ks取值最佳。