1 問(wèn)題的提出
通常,礦泉水,可樂(lè )等飲料瓶或食用油及其它生活用液體物盛裝瓶的瓶蓋,瓶口為螺紋連接方式,且其中大部分為特殊螺紋.其特殊性表現在收頭收尾,分段,分段收頭收尾,收短頭收短尾等方面,有時(shí)甚至幾個(gè)特征綜合在一起.收頭收尾是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的俗稱(chēng),又叫做螺紋螺旋線(xiàn)收頭收尾或老鼠尾,意指一段螺紋,在螺距不變的情況下,開(kāi)始部分由淺而深,逐漸變" 粗",結束部分由深而淺,逐漸變" 細".常見(jiàn)收頭收尾往往在1/3周～1 周內完成.在1/3周內甚至1/10周內" 迅速"完成的收頭收尾稱(chēng)作收短頭收短尾.而常見(jiàn)的螺紋因有進(jìn)刀槽,退刀槽,往往只見(jiàn)螺紋的中間部分,不見(jiàn)頭尾.種帶有特殊螺紋的塑料瓶的用量之大不言而喻,以至我模具之鄉—黃巖有上百家的模具廠(chǎng)及模具加工個(gè)體戶(hù)專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)這類(lèi)塑料瓶模具.這種模具加工的技術(shù)難點(diǎn)之一就是特殊螺紋的加工.許多廠(chǎng)家嘗試過(guò)手工,電加工,銑削(包括數控銑削),鑄造等加工方式,效果均不理想.
目前,高檔數控設備中,單臺價(jià)格在七八十萬(wàn)元的全功能數控車(chē)床或立式加工中心還不能直接加工這類(lèi)特殊螺紋,只有帶動(dòng)力刀塔的車(chē)削中心及帶復雜工裝或者數控旋轉軸的立式加工中心才有解決的可能性,但要最終解決,單就數控編程而言,其難度相當大,只有數學(xué)功底厚實(shí),富有經(jīng)驗的高級編程員才能完成.因此,不利于中小企業(yè).
那么,如果能開(kāi)發(fā)一種單價(jià)在十來(lái)萬(wàn)元的專(zhuān)用數控車(chē)床,既能作為一般數控車(chē)床用,又能加工這些特殊螺紋,其市場(chǎng)前景及社會(huì )效益顯然是樂(lè )觀(guān)的.為此,我們進(jìn)行了下述研究.
2 數控車(chē)床車(chē)削一般螺紋的處理方式
為了找到突破口,應首先了解和分析數控車(chē)床車(chē)削一般螺紋的過(guò)程:
如圖1所示,每車(chē)一刀分三段,A-B段為加速段或叫助跑段,刀尖由靜止加速至車(chē)削速度;B-C段為恒速段,也是車(chē)削螺紋段,其速度應為當主軸轉一圈時(shí),刀尖剛好均勻前進(jìn)一個(gè)螺距(導程);D-C段為減速段,刀尖由車(chē)削速度降至靜止.也就是說(shuō),真正加工只是B-C段,A-B段和C-D段只是作為必不可少的助跑及降速段.
圖1
加速段及減速段是數控系統的控制器先根據主軸轉速及螺距信息,結合系統自身設置或" 內定"的各項數事先" 計劃"好,編排出加速段及降速段的固定模式,每刀車(chē)削的開(kāi)始階段與結束階段,嚴格按模式進(jìn)行.
一般螺紋加工不可能僅一刀就車(chē)好,往往要車(chē)幾刀或幾十刀,那么車(chē)第二刀,第三刀直至最后一刀,每刀都要在工件圓周上先找到圓周上的起始點(diǎn),即找到起跑點(diǎn),而且助跑段與降速段也要完全一致,僅僅是深度方向(即X向)改變而已.只要起跑點(diǎn),助跑段,降速段三者之一略有改變,就會(huì )發(fā)生后一刀蓋不住前一刀的現象,即俗稱(chēng)的" 亂牙",根本車(chē)不出螺紋來(lái).
數控車(chē)床在車(chē)螺紋時(shí),其控制器也就是微機部分處于" 精神高度集中"狀態(tài),主軸在旋轉時(shí),由檢測裝置將主軸轉動(dòng)信息以脈沖信號的方式源源不斷地送回到控制器,控制器根據脈沖按螺距要求及時(shí)地發(fā)出" 向前進(jìn)指令,如果有錐度,收頭收尾則更繁忙了.其示意圖如圖2.
圖2
以上四點(diǎn)是數控車(chē)床車(chē)螺紋的基本處理特點(diǎn).再分析收頭收尾,如圖3.
圖3
收頭收尾是在螺紋車(chē)削過(guò)程中,在螺距不變的情況下,X軸作進(jìn)刀及退刀運動(dòng).它有如下幾個(gè)特點(diǎn):
收頭收尾是在助跑與降速段之外,在恒速段兩端,即B-E和F-C段.
實(shí)際上,收頭收尾段B-E及F-C段內也有助跑與降速,只是因為X向運動(dòng)鏈的機械慣量比Z向小多了,所以響應快,升降速就快而短.同時(shí),因為是Z軸在確保螺距,這時(shí)的升降速無(wú)論對視覺(jué)效果或是使用效果均無(wú)明顯影響,一般不做專(zhuān)門(mén)考慮.
收頭收尾時(shí)一個(gè)值得注意的問(wèn)題是,同一時(shí)間內,X向的指令脈沖數不宜過(guò)分大于Z向的指令脈沖數,因為車(chē)削螺紋時(shí)的核心問(wèn)題是確保螺距正確,Z軸為主運動(dòng),重點(diǎn)是Z軸的運算,X軸只能作為"穿插"而已,如果"穿插"過(guò)分,會(huì )影響控制器的處理速度與能力.我們從圖3中可看出這點(diǎn).
3 從瓶蓋,瓶口模具的螺紋加工工藝概括出的基本特點(diǎn)
對于具有典型意義且難度較高的特殊螺紋就是分段且收短頭及收短尾的特殊螺紋.其特點(diǎn)如下:
如圖4,每刀螺紋一開(kāi)始加工后,"向始終按螺距運動(dòng),而X向分段作收短頭—停住(正常車(chē)螺紋)—收短尾—自然空出一段(不車(chē)螺紋)—收短頭的循環(huán)運動(dòng),分幾段則循環(huán)幾次,不分段則剛好為一標準收頭收尾螺紋.
圖4
這種螺紋還得把助跑段及減速段放在每刀起刀和收刀時(shí).Z向僅在這時(shí)作加減速,加工過(guò)程中,在分段收頭收尾時(shí),應忽略X向的加減速,也就是不允許X向的加速度明顯存在,這對X軸的快速響應提出了要求.
個(gè)別工件收頭收尾太短,太陡,太急,所見(jiàn)極端的產(chǎn)品是,一周螺紋分12段,每段上,空處:收頭:正常螺紋:收尾的弧比大致為2:1:4:1,那么,每次收頭收尾在不到4°的圓心角所對應的圓周上就完成.假定主軸以,60r/min的較低轉速車(chē)螺紋,那么收頭或收尾對應的時(shí)間僅為1/90s,再假定牙深為2mm,螺距為2mm.這意味著(zhù)X軸在1/90s內要完成2mm的進(jìn)給量,Z軸在這段時(shí)間內前進(jìn)路程則為2/90mm,這是一組重要數據.
此類(lèi)工件材料為模具鋼,不易加工,其螺紋加工只能分幾十刀進(jìn)行.按照工藝規律,應避免起刀時(shí)崩刃,進(jìn)刀量要合理分配,應單向進(jìn)刀以避免起振和最后修光.
4 要解決的幾個(gè)問(wèn)題
車(chē)床X向的響應必須快而可靠,1/90s完成2mm進(jìn)給量相當于9600mm/min的加工速度,明顯高出一般經(jīng)濟型數控的相應技術(shù)指標.因為是帶負載重復運行,必須保證萬(wàn)無(wú)一失,這對執行機構的驅動(dòng)單元提出了較高的要求.
同一時(shí)間內,X向的運動(dòng)路程為2mm,而Z向為2/90mm,這違背了車(chē)螺紋時(shí)X向的進(jìn)給量不能過(guò)分大于Z向的規律,顯然,這個(gè)問(wèn)題不能讓控制器去解決,而要尋找外圍的解決方案.
這種螺紋,不但分幾十刀車(chē)削,每一刀還可能分為幾十段,其編程無(wú)現成指令,只能考慮專(zhuān)門(mén)的復合循環(huán)程序,這就要求我們根據現有的編程習慣,開(kāi)發(fā)一種特殊指令讓操作工在編程時(shí)按要求填制一些必要的尺寸數據及工藝數據即可.
考慮到加工的科學(xué)性與實(shí)用性,應允許用戶(hù)合理分配每刀加工時(shí)X向的吃刀量.開(kāi)始加工時(shí),為避免刀尖崩掉,應靈活安排吃刀量;中間階段,為了避免起振也應合理安排吃刀量,并且讓刀具沿著(zhù)單一方向進(jìn)刀(少數數控系統已開(kāi)發(fā)出相關(guān)功能).為加工出較低的表面粗糙度,允許小吃刀量或零吃刀量"修光".
5 解決對策
為解決X向快而可靠的響應問(wèn)題,我們采用了全數字交流伺服電機及驅動(dòng)器作為驅動(dòng)單元.在選型時(shí),加大了功率,以保證輸出力矩,采用了大慣量電機以提高負載能力.選用極限轉速較高的電機以滿(mǎn)足高速要求.因交流伺服系統是一自帶反饋能自我檢測位置,速度,驅動(dòng)電流,力矩等指標且能進(jìn)行實(shí)時(shí)調整的性能卓越的執行單元,其可靠性及準確性也就有了保證.
交流伺服驅動(dòng)器的控制部分實(shí)際上也是集軟硬件于一體的微機單元,通過(guò)它可進(jìn)行多種操作和設置多種參數.我們專(zhuān)門(mén)選用了一種帶動(dòng)態(tài)電子齒輪比功能的驅動(dòng)器,比如說(shuō),我們已設定了一個(gè)電子齒輪比,在這個(gè)電子齒輪比作用下,當驅動(dòng)器從數控系統控制器接收一個(gè)脈沖信號時(shí),驅動(dòng)執行機構運動(dòng)1 m.如果我們再設定第二個(gè)電子齒輪比,其比值是第一個(gè)比值的X/倍,那么,在它的作用下,如果驅動(dòng)器收到一個(gè)信號時(shí),執行機構不再是運行1 m,而是20 m. 在加工過(guò)程中,能按要求自動(dòng)切換,就稱(chēng)作動(dòng)態(tài)電子齒輪比功能.我們利用這個(gè)功能,在處理螺紋收頭收尾時(shí),由數控系統先發(fā)出一切換信號至驅動(dòng)器,在數控系統控制器內,利用軟件預先處理,視20為1,達到少發(fā)脈沖,保證X向脈沖不過(guò)分大于Z向的目的,而驅動(dòng)器接收切換信號后,調用第2電子齒輪比,見(jiàn)1運行20,還原成我們想要的運動(dòng)尺寸.換言之,把問(wèn)題交驅動(dòng)器處理,螺紋加工之后,再復原.
在設計專(zhuān)門(mén)針對特殊螺紋的加工指令時(shí),反復考慮螺紋車(chē)削過(guò)程中如前所述的各種問(wèn)題,包括三方面:第一是X軸的電子齒輪切換信號和見(jiàn)編程尺寸的"視20為1"的處理與復原;第二是每一刀的助跑段,減速段的處理與每一段的收頭收尾,正常加工,空出階段的分段處理與循環(huán)處理;第三是多刀次加工的分刀工藝,分起刀階段,中間階段,結束階段,如何處理進(jìn)刀量.設計步驟是先列出問(wèn)題清單,整理出一條一條的解決方法,再編制成數控系統的內部支持軟件.我們最終用G77作為此類(lèi)特殊螺紋的專(zhuān)用數控加工指令,給出的專(zhuān)用指令格式如下:
G77 P(a)(b)(c) Q(d)(e)(f) R(g)(h)(i)
G77 X(j) Z9r) P(m)(n) Q(o)(p) F(q)
說(shuō)明如下:
G77為專(zhuān)用指令代碼,數控系統讀到此指令后先發(fā)電子齒輪比切換信號,進(jìn)行20變1的數據處理工作,然后開(kāi)始處理一系列專(zhuān)門(mén)工作,并在結束后復原."()"中的a,b,c……q分別表示如下尺寸數據或工藝數據(未按順序,也未列全).如:每段螺紋收頭部分,中間部分(正常切削部分),收尾部分,空出部分所對應圓心角;收頭收尾時(shí)X軸進(jìn)給量;每刀分段重復次數;第一刀吃刀量;最后一刀吃刀量;總吃刀量;精加工余量;精加工重復次數;螺紋外徑;螺紋半徑差;螺距等等.
給出以上專(zhuān)用指令代碼后,操作工在具體編程時(shí),如果需要請求幫助,系統顯示器上會(huì )有提示內容,編程序就象填表一樣方便.
6 試驗結果
針對上述問(wèn)題,已從各方面做了大量的工作,包括試驗與修改,以及相關(guān)廠(chǎng)家配合與支持.現在,該種特殊螺紋的數控車(chē)削設備已市場(chǎng)化并已投入運行,使用效果良好,基本上實(shí)現了預期的目標. |
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