直線旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制加工旋轉(zhuǎn)曲面凸輪的數(shù)控改造研究

丁鳳琴，張 凱

DING Feng qin，ZHANG Kai

（鄭州旅游職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，鄭州 450009）

0 引言

圖1所示是某中小型企業(yè)產(chǎn)品上的旋轉(zhuǎn)曲面凸輪零件，因企業(yè)生產(chǎn)條件有限，在普通銑床上加工不能保證其加工精度，生產(chǎn)效率低。在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，利用數(shù)控技術(shù)的優(yōu)越性，解決這個(gè)實(shí)際應(yīng)用中的問題，有著積極的意義和應(yīng)用前景。

圖1 零件圖

1 圓柱體旋轉(zhuǎn)曲面凸輪的運(yùn)動(dòng)條件與加工條件

加工圓柱體旋轉(zhuǎn)曲面凸輪是按范成法原理進(jìn)行，它的運(yùn)動(dòng)條件是：機(jī)床既要有繞工件中心軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也要有沿工件中心軸線軸向移動(dòng)的功能，這是兩個(gè)必須的基本運(yùn)動(dòng)。為了使凸輪槽在深度方向能加工到尺寸要求，還需要在凸輪零件直徑方向有個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[4]，這樣機(jī)床加工圓柱體旋轉(zhuǎn)曲面凸輪的運(yùn)動(dòng)條件才能符合要求。

在此基礎(chǔ)上，如果發(fā)揮數(shù)控技術(shù)的優(yōu)勢，對普通銑床做一些改造，比如，讓普通銑床工作臺(tái)的直線移動(dòng)和夾具分度頭的轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制工件，零件的槽深進(jìn)給由銑床的垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)完成，即可實(shí)現(xiàn)上述圓柱體旋轉(zhuǎn)曲面凸輪加工的運(yùn)動(dòng)條件。

2 數(shù)控改造原理

數(shù)控改造在XA5032普通立式銑床上進(jìn)行。曲面凸輪裝夾在分度頭上，將它們一起安裝在XA5032銑床的工作臺(tái)上。分度頭蝸輪副的蝸桿與Y向伺服電動(dòng)機(jī)相聯(lián)，使它和曲面凸輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，XA5032銑床工作臺(tái)的縱向絲杠與X向伺服電動(dòng)機(jī)相聯(lián)，使工作臺(tái)帶動(dòng)分度頭及曲面凸輪作直線移動(dòng)，利用斜線指令實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)的聯(lián)動(dòng)，這樣曲面凸輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線移動(dòng)就得到了聯(lián)動(dòng)控制。此數(shù)控改造是將銑床工作臺(tái)的X方向和Y方向兩直線單獨(dú)移動(dòng)[2]，變成了工作臺(tái)的X方向直線移動(dòng)，原來的Y方向移動(dòng)轉(zhuǎn)換成了分度頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且工作臺(tái)的直線移動(dòng)和分度頭的轉(zhuǎn)動(dòng)是利用斜線指令聯(lián)動(dòng)控制。在加工編程時(shí)，讓凸輪圓周表面的旋轉(zhuǎn)位移替代Y向位移，令零件的軸向長度替代X向位移，這樣就實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)曲面凸輪的數(shù)控加工原理。

對于圓柱體表面上的凸輪槽，無論是螺旋槽、圓弧槽還是斜槽，都可以按凸輪槽的幾何軌跡展開為平面軌跡，數(shù)控加工中，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到圓柱體表面上，因此，這些軌跡的凸輪槽都可以應(yīng)用數(shù)控技術(shù)在改造后的機(jī)床上加工，并且能夠保證加工質(zhì)量，使生產(chǎn)效率也得了到提高。

此普通銑床數(shù)控改造方式的優(yōu)點(diǎn)是：應(yīng)用數(shù)控技術(shù)可在加工過程中任意改變其運(yùn)行方向和位移長度，并可在加工中實(shí)現(xiàn)任意變速，因此可以實(shí)現(xiàn)要求軌跡的準(zhǔn)確控制，有利于高精度零件質(zhì)量的保證，并提高了生產(chǎn)效率。加工中零件深度的進(jìn)給可由數(shù)控銑床Z向進(jìn)給實(shí)現(xiàn)，也可由手動(dòng)進(jìn)給實(shí)現(xiàn)。

3 數(shù)控改造

改造的XA5032立式銑床控制系統(tǒng)采用西門子SINUMERIK802S經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng),選用FW-125型萬能分度頭，傳動(dòng)比τ=1:40，X向伺服電動(dòng)機(jī)采用國產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)，單位位移精度為0.005mm。

改造后的XA5032立式銑床的主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)仍采用原來的傳動(dòng)系統(tǒng)，也就是主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)不變；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，用實(shí)際測量的方法可以得到與實(shí)際情況相符合的數(shù)據(jù)。例如XA5032普通立式銑床變速箱中的安全離合器，通過調(diào)整安全離合器彈簧的彈力即它的松緊，使安全離合器脫開極限壓力發(fā)生改變，當(dāng)銑床切削力距達(dá)到20kgm，切削運(yùn)動(dòng)將斷開。機(jī)床相同主參數(shù)就用此類比法確定即可，銑床的縱向、橫向和分度頭傳動(dòng)鏈的數(shù)控改造，選用小功率的伺服電動(dòng)機(jī)，就能滿足對力矩和傳動(dòng)比的要求。

銑床機(jī)械部分改造如下。銑床X向改造后的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。銑床Y向（旋轉(zhuǎn)方向）改造后的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示[1]。

圖2 銑床縱向改造結(jié)構(gòu)

圖3 銑床旋轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖

機(jī)床改造后的運(yùn)行方向設(shè)定：根據(jù)圓柱體曲面凸輪零件螺旋槽的形狀可知，Y向伺服電動(dòng)機(jī)向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可滿足加工的運(yùn)動(dòng)所需，所以，可任意設(shè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向并保持恒定不變；X向伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向應(yīng)根據(jù)工件需要而改變；按數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用直角坐標(biāo)系，改造后的數(shù)控銑床X向向右運(yùn)動(dòng)為正，向左運(yùn)動(dòng)為負(fù)；機(jī)床Y向即圓柱體旋轉(zhuǎn)曲面凸輪零件展開軌跡向上為正，向下為負(fù)。

4 傳動(dòng)比的確定

在數(shù)控改造中令X向伺服電動(dòng)機(jī)與銑床縱向絲杠直接聯(lián)接，因此銑床縱向的脈沖當(dāng)量為0.005mm。

讓分度頭蝸輪副的蝸桿與Y向伺服電動(dòng)機(jī)聯(lián)接，根據(jù)以上數(shù)控改造原理，只有將旋轉(zhuǎn)位移長度轉(zhuǎn)換為直線位移長度，才能符合數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)控軟件的編程規(guī)定。我們知道：與分度頭蝸輪副蝸桿聯(lián)接的Y向伺服電動(dòng)機(jī)和銑床絲杠傳動(dòng)副的螺距相匹配。只要銑床絲杠的螺距確定為某一值后，Y向伺服電動(dòng)機(jī)就必定轉(zhuǎn)動(dòng)一周，由于FW-125分度頭蝸輪蝸桿副的傳動(dòng)比定數(shù)K1=40，所以，Y向伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)分度頭蝸輪副輸入蝸桿一轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)分度頭主軸及零件轉(zhuǎn)動(dòng)1/40轉(zhuǎn)，所以，分度頭主軸及零件轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)所需的位移長度L為：

式中：t 為伺服電動(dòng)機(jī)絲杠螺距，mm；

K1為分度頭傳動(dòng)比[4]。

分度頭主軸帶動(dòng)零件轉(zhuǎn)動(dòng)一周，則零件在圓周方向展開長度為l=2πR。由此可知：只有在凸輪零件半徑是一固定值即l=L 時(shí)，才能保證與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向脈沖當(dāng)量的設(shè)定值等值；當(dāng)l ≠L 時(shí)，Y向伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的分度頭及曲面凸輪零件的脈沖當(dāng)量（即工件轉(zhuǎn)角位移對應(yīng)的弧長）就會(huì)發(fā)生改變。在數(shù)控加工系統(tǒng)中，脈沖當(dāng)量的大小影響著加工精度，脈沖當(dāng)量越大，加工精度越低，加工精度越低誤差就越大，反之加工誤差就越小。脈沖當(dāng)量的變化在數(shù)控系統(tǒng)的編程中，斜線位移指令和直線位移指令受其影響不大，可以按改變后的脈沖當(dāng)量計(jì)算位移進(jìn)行編程[3]。盡管如此，但當(dāng)根據(jù)新的脈沖當(dāng)量計(jì)算出的位移長度不是原脈沖當(dāng)量的整數(shù)倍時(shí)，加工就會(huì)有誤差。另外，當(dāng)l ≥ L 即零件半徑R≥tK1/2π時(shí)，新脈沖當(dāng)量就會(huì)大于數(shù)控系統(tǒng)原規(guī)定的脈沖當(dāng)量，這樣就使加工誤差增大了。再則，數(shù)控加工系統(tǒng)中，脈沖當(dāng)量的改變對運(yùn)行圓弧指令影響很大，機(jī)床改造后如果脈沖當(dāng)量與數(shù)控系統(tǒng)原規(guī)定的脈沖當(dāng)量不一致，則在運(yùn)行圓弧指令時(shí)就會(huì)使加工出的圓弧軌跡發(fā)生變形。

改造時(shí)銑床控制系統(tǒng)采用西門子SINUMERIK802S系統(tǒng)，不改變其脈沖當(dāng)量，即按原脈沖當(dāng)量控制。

由于圖1曲面凸輪零件圓柱面兩端要求加工圓弧槽，所以，為了保證工件兩端圓弧槽加工的圓弧軌跡精度，并且能夠按照數(shù)控系統(tǒng)軟件原來的規(guī)定進(jìn)行編程，改造后的脈沖當(dāng)量必須保證與原數(shù)控系統(tǒng)一致，即l=L。

為使l=L，在分度頭輸入蝸桿與Y向伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸之間增加一個(gè)齒輪傳動(dòng)副，如圖3所示，這樣就解決了上述問題。增加的齒輪副傳動(dòng)比計(jì)算公式為：

在進(jìn)行圓柱體旋轉(zhuǎn)曲面凸輪加工的實(shí)際應(yīng)用中：凸輪零件半徑R=25mm，X向伺服電動(dòng)機(jī)絲杠螺距t=4mm，分度頭蝸桿蝸輪副傳動(dòng)比K1=40，所以，新增加的齒輪傳動(dòng)副傳動(dòng)比為：

5 誤差分析

實(shí)例應(yīng)用中：

上述結(jié)果證明：分度頭輸入蝸桿與Y向伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸之間增加一個(gè)齒輪傳動(dòng)副后，因不能使L與l 完全相等，所以改造后的數(shù)控銑床有運(yùn)動(dòng)傳遞誤差。不過，數(shù)控加工中位移長度可任意控制，當(dāng)運(yùn)動(dòng)誤差累積到ΔL≥±0.005mm 時(shí)，通過變換Y向伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行長度，就可消除其運(yùn)動(dòng)誤差并可將累積誤差控制在0.005mm之內(nèi)，從而能夠保證其加工精度。如以下實(shí)例中。

使零件加工中增加到兩步位移長度，那么每周的旋轉(zhuǎn)位移中實(shí)際運(yùn)動(dòng)傳遞誤差為：

零件在加工中數(shù)轉(zhuǎn)的全長旋轉(zhuǎn)位移，造成的實(shí)際傳遞累積誤差Σ△l為：

式中，m為工件的實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)。

其中：

因此，銑床改造后雖不能使L與l 完全相等并使運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生傳遞誤差，但通過上例可知，能將加工中產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)累積誤差ΣΔl 控制在小于脈沖當(dāng)量的范圍之內(nèi)。

6 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)踐證明，普通銑床的數(shù)控改造采用上述結(jié)構(gòu)，將機(jī)床的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)了直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)控制運(yùn)行，因此實(shí)現(xiàn)了圓柱體表面上旋轉(zhuǎn)曲面軌跡的高精度的數(shù)控加工。拓展了數(shù)控技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。此數(shù)控加工方式還具有下述優(yōu)勢：可以根據(jù)零件實(shí)際直徑尺寸，同比例地變換不同的脈沖當(dāng)量，可以滿足零件精度更高的加工需要，更換圓柱立銑刀為研磨棒，可以進(jìn)行圓柱體表面上旋轉(zhuǎn)曲面軌跡數(shù)控拋磨加工。

[1]余英良.機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[2]田勇亮,等.圓柱螺旋凸輪數(shù)控加工的數(shù)控改造[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2011.

[3]陳相志,等.加工圓柱螺旋凸輪的普通銑床數(shù)控改造[J].現(xiàn)代制造工程,2005.

[4]黃宏偉,等.圓柱螺旋凸輪數(shù)控加工的普通銑床數(shù)控改造[J].機(jī)床與液壓,2009.