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數(shù)控車削凸輪時(shí)刀具實(shí)時(shí)擺動(dòng)角度控制的宏程序應(yīng)用研究
2018-9-20 來(lái)源：湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系 作者：洪美琴
摘 要：車削凸輪時(shí)刀具工作角度要保持恒定不變，為此刀具在車削過(guò)程中需要繞回轉(zhuǎn)中心擺動(dòng)一定的角度。文中根據(jù)刀具擺動(dòng)轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式，利用數(shù)控宏程序及數(shù)控系統(tǒng)變量實(shí)現(xiàn)刀具擺動(dòng)角度的實(shí)時(shí)計(jì)算，并利用旋轉(zhuǎn)軸指令 A #1 作為控制信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)刀具工作角度恒定不變的目的。
關(guān)鍵詞：擺動(dòng)角度；變量；系統(tǒng)變量；宏程序
0、引 言
車削凸輪時(shí)，刀具根據(jù)凸輪輪廓的變化作高速往復(fù)移動(dòng)的同時(shí)還要擺動(dòng)一定的角度以修正補(bǔ)償?shù)毒吖ぷ鹘嵌茸兓管囅鬟^(guò)程中刀具的工作角度保持恒定值，如圖1 所示。切削過(guò)程中凸輪隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具往復(fù)移動(dòng)的同時(shí)繞回轉(zhuǎn)中心擺動(dòng) α 角，在切削凸輪輪廓曲線的不同部位時(shí)，車刀切削點(diǎn)的法線始終通過(guò)刀具的回轉(zhuǎn)中心，確保車刀刀尖的切削點(diǎn)與刀具回轉(zhuǎn)中心的連線在切削點(diǎn)的法線 n-n上，因而使車削過(guò)程中刀具工作角度恒定不變，使凸輪始終在合理狀態(tài)下切削。由車削時(shí)刀具與凸輪的幾何位置關(guān)系可以得出，刀具相對(duì)于被加工凸輪的運(yùn)動(dòng)軌跡相當(dāng)于滾子對(duì)心從動(dòng)件平面凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖 2 所示。
圖 2 中凸輪的滾子中心可假設(shè)成刀具回轉(zhuǎn)中心，刀具回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)即為滾子對(duì)心從動(dòng)件的理論廓線上一點(diǎn)，B 點(diǎn)為滾子與凸輪的切點(diǎn)，為凸輪實(shí)際廓線上的一點(diǎn)，也即刀具的切削點(diǎn)，刀具的回轉(zhuǎn)半徑相當(dāng)于滾子半徑。圖 2 中 O 為凸輪的回轉(zhuǎn)中心，∠OO1B 為凸輪的瞬時(shí)壓力角。經(jīng)圖 1 與圖 2 比較，凸輪的瞬時(shí)壓力角與刀具擺動(dòng)補(bǔ)償角度值相等，即與刀具實(shí)時(shí)擺動(dòng)角度 α 相等。車削時(shí)根據(jù)凸輪輪廓實(shí)時(shí)計(jì)算切削點(diǎn)的刀具擺動(dòng)角度值，此值作為控制信號(hào)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的角度，從而控制刀具的轉(zhuǎn)角以達(dá)到車削時(shí)刀具保持恒定前、后角的目的。
1 、刀具實(shí)時(shí)擺動(dòng)角度的計(jì)算分析
車削凸輪時(shí)刀具工作角度保持不變，其刀尖繞回轉(zhuǎn)中心回轉(zhuǎn)而擺動(dòng)相應(yīng)的角度。刀具擺動(dòng)的角度相當(dāng)于凸輪的瞬時(shí)壓力角，與∠OO1B 相等，因此可根據(jù)圖 2 來(lái)計(jì)算。圖 2 中滾子中心 O1點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算式為 ：x=（s0+s）·sinφ；y=（s0+s）cosφ 。式中：x、y 為滾子中心點(diǎn)坐標(biāo)；s0為凸輪的基圓半徑；s 為凸輪的行程距離；φ 為凸輪的轉(zhuǎn)角。B 點(diǎn)直角坐標(biāo)計(jì)算式為：x'=x-rccosβ；y'=y -rcsinβ。 式中：x'、y'為 B 點(diǎn)的坐標(biāo)；rc為滾子半徑，相當(dāng)于刀具切削點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心的距離 R；β 為法線 n-n 與水平線的夾角。
2 、刀具擺動(dòng)角度實(shí)時(shí)計(jì)算的數(shù)控系統(tǒng)變量選擇
從刀具擺動(dòng)角度計(jì)算式推導(dǎo)過(guò)程可知實(shí)時(shí)擺動(dòng)角度值 α 與凸輪的轉(zhuǎn)角即主軸的轉(zhuǎn)角 φ 成函數(shù)關(guān)系，所以需要獲得主軸的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角來(lái)計(jì)算刀具的擺動(dòng)角度值，為此選用數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)變量來(lái)實(shí)時(shí)獲得主軸轉(zhuǎn)角信息，通過(guò)宏程序來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算。數(shù)控系統(tǒng)變量能夠獲取包含在機(jī)床處理器或 NC內(nèi)存中的只讀或讀/寫(xiě)信息，包括與機(jī)床處理器有關(guān)的交換參數(shù)、機(jī)床狀態(tài)參數(shù)、加工參數(shù)等系統(tǒng)信息。實(shí)現(xiàn)凸輪的數(shù)控車削加工，通過(guò)宏程序利用數(shù)控系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸功能來(lái)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制刀具的擺動(dòng)角度，同時(shí)加工中要實(shí)時(shí)讀取主軸位置信息，需要選用帶三軸、四軸功能的數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控車床。由于選用的機(jī)床具有伺服電機(jī)主軸功能，因而可以利用主軸位置信息 數(shù) 控 系 統(tǒng) 變 量 直 接 讀 取 主 軸 位 置 信 息 。 如FANUC0i -TD 數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù) FANUC 0i -D 系統(tǒng)變量的設(shè)定，位置信息中當(dāng)前指令位置機(jī)床坐標(biāo)系下的系統(tǒng)變量為 #5021～#5025，#5021、#5022 對(duì)應(yīng)第一軸、第二軸，即 2 個(gè)基本軸 X、Z 軸系統(tǒng)變量，#5023 則對(duì)應(yīng)為主軸當(dāng)前位置的系統(tǒng)變量，應(yīng)用 #5203 變量就能直接得到凸輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角 φ 值。
3 、宏程序編程分析
刀具擺動(dòng)角度計(jì)算除與凸輪的轉(zhuǎn)角 φ有函數(shù)關(guān)系外，還與凸輪行程s有函數(shù)關(guān)系，而凸輪的行程也與凸輪的轉(zhuǎn)角有函數(shù)關(guān)系。因此根據(jù)上述公式計(jì)算刀具擺動(dòng)角度值時(shí)，首先要根據(jù)凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程式來(lái)計(jì)算 s值。對(duì)于不同的凸輪輪廓只要改變從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方程式，運(yùn)用基本相同的宏程序即可實(shí)現(xiàn)刀具實(shí)時(shí)擺動(dòng)角度的計(jì)算和擺角指令控制信號(hào)的輸出。
3.1 刀具實(shí)時(shí)擺動(dòng)角度宏程序編程的變量定義
宏程序的相關(guān)變量的確定是依據(jù)計(jì)算刀具擺動(dòng)角度的公式來(lái)定義，如刀具的擺動(dòng)角度、凸輪回轉(zhuǎn)角度即主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度、凸輪從動(dòng)件行程等，具體變量參數(shù)如表 1 所示。
3.2 宏程序程序段設(shè)計(jì)
刀具擺動(dòng)角度計(jì)算與凸輪的轉(zhuǎn)角即主軸的轉(zhuǎn)角有關(guān)，凸輪轉(zhuǎn)角 φ 的變量 #12 由主軸位置信息系統(tǒng)變量#5023 來(lái)定義，即 #12=#5023。
4、 刀具擺動(dòng)角度的宏程序設(shè)計(jì)
計(jì)算刀具擺動(dòng)角度的宏程序計(jì)算的變量可以分為已知量，如凸輪運(yùn)動(dòng)方程中升距、停止角、升程角、降程角及基圓半徑，車削刀具刀尖到刀架回轉(zhuǎn)中心的距離。對(duì)這些變量直接賦值。以一個(gè)實(shí)際凸輪為例來(lái)編寫(xiě)宏程序。該凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò) 180°時(shí)，從動(dòng)件上升 50mm；當(dāng)凸輪接著轉(zhuǎn)過(guò) 90°時(shí)，從動(dòng)件停歇不動(dòng)；當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)剩余 90°時(shí)，從動(dòng)件返回原處。O1328（子程序）
程序段中 A 為第四軸地址字，A#1 指令控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的角度，以實(shí)時(shí)控制刀具的工作角度，使其保持恒定值。
5 、結(jié) 論
刀具工作角度要保持恒定值是數(shù)控車削凸輪時(shí)要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，車削時(shí)刀具要繞刀架回轉(zhuǎn)中心擺動(dòng)一定的角度，擺動(dòng)值要隨凸輪輪廓變化實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)。選用高端數(shù)控系統(tǒng)如 FANUC 0i-D 的數(shù)控機(jī)床，利用數(shù)控系統(tǒng)主軸位置信息系統(tǒng)變量實(shí)時(shí)讀取主軸的轉(zhuǎn)角，通過(guò)宏程序?qū)崿F(xiàn)刀具擺動(dòng)角度的實(shí)時(shí)計(jì)算，同時(shí)旋轉(zhuǎn)軸指令作為控制信號(hào)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，不僅解決了實(shí)時(shí)計(jì)算并能實(shí)時(shí)輸出旋轉(zhuǎn)角度指令 A#1的難題，還能實(shí)現(xiàn)不同的凸輪輪廓只要改變凸輪運(yùn)動(dòng)條件參數(shù)賦值均可采用宏程序進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算輸出控制指令 A#1，以實(shí)時(shí)控制刀具擺動(dòng)的角度，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣.
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