雙頭深孔槍鉆控制模型研究
2017-3-30 來源：湖北大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 作者：胡東紅，劉景源，張玲，王平江
摘要: 根據(jù)工件所需鉆孔的總排數(shù)、每一排的總孔數(shù)以及相鄰排之間的距離，按照最優(yōu)的加工模式，自動確定雙頭鉆之間距離，自動確定鉆孔模式，并自動生成 G 代碼加工程序。提高鉆孔加工效率而且避免用戶繁雜的 G 代碼程序編寫和調(diào)試過程。
關(guān)鍵詞: 雙頭鉆; 深孔槍鉆; 鉆床; 數(shù)控中圖分類號: TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號: 1671—3133( 2016) 03—0037—04
0.引言
鉆削直徑較小、深度較大的孔，尤其是在鋼件材料上鉆深孔、小孔時，通常存在鉆屑排除困難、刀具冷卻困難以及鉆孔軸線易歪斜等問題［1］。能否妥善解決這些問題，直接關(guān)系到深孔、小孔加工的質(zhì)量、生產(chǎn)效率、加工精度和刀具熱變形等，若處理不當(dāng)，甚至可能使加工無法正常進(jìn)行［2-3］。對此類深孔、小孔問題，槍鉆是一個非常有效的解決方法［4-5］，其主要特點(diǎn)是鉆頭中空細(xì)長，高壓鉆削油通過鉆頭中空管向鉆頭高速噴出，從而攜帶鉆屑從槍鉆的排屑槽向外噴出。深孔槍鉆無需通過反復(fù)拔出鉆頭的方式進(jìn)行排屑，相對于麻花鉆有著無可比擬的優(yōu)勢［6］，從而提高了加工工效。此外，深孔槍鉆還采用鉆頭保護(hù)套，避免鉆頭歪斜。目前深孔槍鉆廣泛應(yīng)用于汽車、模具、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、食品機(jī)械和航空航天等裝備制造領(lǐng)域的機(jī)械加工中［1］。此外，一些較復(fù)雜的工件排孔數(shù)很多，往往有幾萬個孔需要鉆削，如果采用單頭深孔槍鉆，加工一個工件往往需要晝夜 24 小時連續(xù)加工半個月左右。
雙頭深孔槍鉆的優(yōu)勢在于可以用兩個鉆頭同時對工件進(jìn)行鉆削加工，理論上講，可以節(jié)省加工時、提高加工工效近 50% 。但是，雙頭深孔槍鉆編程較為復(fù)雜，需要確定鉆孔模式。如果工件類型改變，排孔數(shù)發(fā)生變化，則需要重新進(jìn)行編程、調(diào)試。用戶使用起來較為麻煩，因此，本文提出了雙頭深孔槍鉆的最優(yōu)加工模式，可以根據(jù)工件的總排數(shù)、每排的孔數(shù)以及排間距等相關(guān)參數(shù)自動生成最優(yōu)加工模式的 G 代碼程序。從而極大地簡化用戶的編程和調(diào)試。
1.問題描述
1.1 雙頭深孔槍鉆鉆床的主要結(jié)構(gòu)
數(shù)控雙頭深孔槍鉆主要部件結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。左鉆頭和右鉆頭之間的距離可以通過手工調(diào)節(jié)后，保持固定。當(dāng)左右鉆頭同時沿 X 軸方向移動時，可以分別同時對準(zhǔn)圓筒工件上的兩排孔; 當(dāng)工件繞 C 軸旋轉(zhuǎn)時，左右鉆頭可以分別對準(zhǔn)圓筒工件上位于同一列的兩排孔; 當(dāng)左右鉆頭同時沿 Z 軸移動時，左右鉆頭可以對圓筒工件上位于同一列的兩排孔進(jìn)行鉆孔。
圖 1 雙頭深孔槍鉆主要部件結(jié)構(gòu)示意圖
1． 2 最優(yōu)化鉆孔模式要求
最優(yōu)的雙頭深孔槍鉆鉆孔模式應(yīng)該是: 盡量采用雙鉆模式進(jìn)行鉆孔，即左右鉆頭同時鉆孔，以提高加工效率。若實(shí)在無法采用雙鉆模式鉆孔的孔位，采用單鉆模式鉆孔，即只用左鉆頭或只用右鉆頭鉆孔，因此，如何根據(jù)工件的總排數(shù)、每一排的總孔數(shù)以及排間距，自動確定左右鉆頭之間的距離，確定哪些排孔采用雙鉆模式，哪些排孔采用單鉆模式，是雙頭深孔槍鉆實(shí)現(xiàn)自動最優(yōu)化鉆孔模式的關(guān)鍵所在。
2.雙頭深孔槍鉆最優(yōu)鉆孔模式分析
一個圓筒工件及其展開后的排序號和孔序號示意圖如圖 2 所示。由于奇數(shù)排的孔和偶數(shù)排的孔沿 X軸線方向不在一條直線上，且相互錯位半個孔間距，因此，左鉆頭和右鉆頭無法分別鉆奇數(shù)排的孔和偶數(shù)排的孔。左鉆頭和右鉆頭只能同時鉆奇數(shù)排的孔，或者同時鉆偶數(shù)排的孔。
如圖 3 所示為工件總排數(shù)為 8 排時的鉆孔模式。如果工件的總排數(shù)為 8 排，顯然，最合理的鉆孔模式是左鉆頭和右鉆頭的間距為孔的排間距的 4 倍最為合理。這樣，左鉆頭對準(zhǔn)第 1 排時，右鉆頭對準(zhǔn)第 5 排。在左右鉆頭同時完成對第 1 排和第 5 排的全部鉆孔之后，左右鉆頭分別對準(zhǔn)第 2 排和第 6 排，同時完成第 2排和第 6 排的全部鉆孔。同理，左右鉆頭可以同時完成第 3、7 排，第 4、8 排的全部鉆孔。可以將該過程描述為: 用雙鉆模式，第 1 輪完成對第 1、5 排的鉆孔; 第2 輪完成對第 2、6 排的鉆孔; 第 3 輪完成對第 3、7 排的鉆孔; 第 4 輪完成對第 4、8 排的鉆孔。一共進(jìn)行 4輪鉆孔，所花時間相當(dāng)于鉆 4 排孔的時間。
圖 2 圓筒工件展開后的排序號和孔序號示意圖
圖 3 工件總排數(shù)為 8 排時的鉆孔模式
如果工件的總排數(shù)為 9 排時，顯然，最合理的鉆孔模式是: 按照總排數(shù)為 8 排的模式，完成對 8 排孔的鉆孔之后，拆掉一個鉆頭，用剩下的一個鉆頭進(jìn)行第 5 輪鉆孔，完成對第 9 排全部孔的鉆孔。一共進(jìn)行 5 輪鉆孔，所花時間相當(dāng)于鉆 5 排孔的時間。
如果工件的總排數(shù)為 10 排，顯然，最合理的鉆孔模式是: 按照總排數(shù)為 8 排的模式，完成對 8 排孔的鉆孔之后，拆掉一個鉆頭，用剩下的一個鉆頭進(jìn)行第 5輪、第 6 輪鉆孔，完成對第 9、10 排全部孔的鉆孔。一共進(jìn)行 6 輪鉆孔，所花時間相當(dāng)于鉆 6 排孔的時間。
但是，當(dāng)工件的總排數(shù)為 11 排時，如果仍然按照總排數(shù)為 8 排的模式，完成對 8 排孔的鉆孔之后，拆掉一個鉆頭，用剩下的一個鉆頭進(jìn)行第 5、6、7 輪鉆孔，完成對第 9、10、11 排全部孔的鉆孔。這樣一共進(jìn)行 7 輪鉆孔，所花時間相當(dāng)于鉆 7 排孔的時間。事實(shí)上，當(dāng)工件的總排數(shù)為 11 排時，最合理的鉆孔模式是: 左右鉆頭的間距設(shè)定為孔的排間距的 6 倍，圖 4 所示為工件總排數(shù)為 11 排時的最優(yōu)鉆孔模式。這樣，左鉆頭對準(zhǔn)第 1 排時，右鉆頭對準(zhǔn)第 7 排。鉆孔過程可以描述為:用雙鉆模式，第 1 輪完成對第 1、7 排鉆孔; 第 2 輪完成對第 2、8 排鉆孔; 第 3 輪完成對第 3、9 排鉆孔; 第 4 輪完成對第 4、10 排鉆孔; 第 5 輪完成對第 5、11 排鉆孔;第 6 輪拆掉一個鉆頭，用一個鉆頭采用單鉆模式完成對第 6 排的鉆孔。這樣一共進(jìn)行 6 輪鉆孔，所花時間相當(dāng)于鉆 6 排孔的時間。
圖 4 工件總排數(shù)為 11 排時的最優(yōu)鉆孔模式
從上述分析可以看出，工件總排數(shù)為 4 的整數(shù)倍，即 4n( n = 1，2，…) 時，左右鉆頭的間距應(yīng)該為排間距的 2n 倍。一共進(jìn)行 2n 輪雙鉆模式鉆孔。總排數(shù)為4n 時的最優(yōu)鉆孔模式如表 1 所示。
表 1 總排數(shù)為 4n 時的最優(yōu)鉆孔模式
工件總排數(shù)為 4 的整數(shù)倍余 1，即 4n + 1，( n = 1，2，3，…) 時，左右鉆頭的間距應(yīng)該為排間距的 2n 倍，鉆孔的輪次數(shù) 2n + 1 輪次。其中 2n 輪次為雙鉆模式，1 輪次為單鉆模式，總排數(shù)為 4n + 1 時的最優(yōu)鉆孔模式如表 2 所示。
表 2 總排數(shù)為 4n + 1 時的最優(yōu)鉆孔模式
工件總排數(shù)為 4 的整數(shù)倍余 2，即 4n + 2，( n = 1，2，3，…) 時，左右鉆頭的間距應(yīng)該為排間距的 2n 倍，鉆孔的輪次數(shù) 2n + 2 輪次。其中 2n 輪次為雙鉆模式，2 輪次單鉆模式。總排數(shù)為 4n + 2 時的最優(yōu)鉆孔模式如表 3 所示。
表 3 總排數(shù)為 4n + 2 時的最優(yōu)鉆孔模式
當(dāng)工件總排數(shù)為 4 的整數(shù)倍余 3，即 4n + 3，( n =1，2，…) 時，左右鉆頭的間距應(yīng)為排間距的 2n + 1 倍，鉆孔的輪次數(shù) 2n + 2 輪次。其中( 2n + 1) 輪次為雙鉆模式，1 輪次為單鉆模式。總排數(shù)為 4n + 3 時的最優(yōu)鉆孔模式如表 4 所示。
表 4 總排數(shù)為 4n + 3 時的最優(yōu)鉆孔模式
3.結(jié)語
根據(jù)上述雙頭深孔槍鉆最優(yōu)鉆孔模式算法，在華中 21 型數(shù)控系統(tǒng)平臺上進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了本方案的應(yīng)用。用戶只需輸入工件的總排數(shù)、每排的孔數(shù)、排間距和鉆孔時的速度等相關(guān)參數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)即可自動生成最后的鉆孔加工程序，從而極大地簡化了用戶的編程和調(diào)試。
加工后尺寸精度難以把控的特點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了運(yùn)用五軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床對其表面進(jìn)行高效高精度打磨，機(jī)床的工藝靈活性與加工適應(yīng)性均得到了較高程度的提升。最后進(jìn)行了實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明葉片型面磨削效果與磨削效率遠(yuǎn)高于現(xiàn)階段高強(qiáng)度且磨削質(zhì)量難以管控的手工作業(yè)方式。
2) 本文在不犧牲數(shù)控砂帶磨床原有加工效率的前提下優(yōu)化了磨削工具進(jìn)入葉根圓角難加工區(qū)域的位姿形態(tài)，使磨削工具的可達(dá)磨削區(qū)域得到了一定程度上的提升。
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