1 問題的提出
通常，礦泉水、可樂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(xiàn)在收頭收尾、分段、分段收頭收尾、收短頭收短尾等方面，有時甚至是幾個特征綜合在一起。收頭收尾是一個專業(yè)的俗稱，又叫做螺紋螺旋線收頭收尾或老鼠尾，意指一段螺紋，在螺距不變的情況下，開始部分由淺而深，逐漸變“ 粗”，結(jié)束部分由深而淺，逐漸變“ 細”。常見收頭收尾往往在1/3周～1 周內(nèi)完成。在1/3周內(nèi)甚至1/10周內(nèi)“ 迅速”完成的收頭收尾稱作收短頭收短尾。而常見的螺紋因有進刀槽、退刀槽，往往只見螺紋的中間部分，不見頭尾。這種帶有特殊螺紋的塑料瓶的用量之大不言而喻，以至我國模具之鄉(xiāng)—黃巖有上百家的模具廠及模具加工個體戶專業(yè)生產(chǎn)這類塑料瓶模具。這種模具加工的技術難點之一就是特殊螺紋的加工。許多廠家嘗試過手工、電加工、銑削(包括數(shù)控銑削)、鑄造等加工方式，效果均不理想。
目前，高檔數(shù)控設備中，單臺價格在七八十萬元的全功能數(shù)控車床或立式加工中心還不能直接加工這類特殊螺紋，只有帶動力刀塔的車削中心及帶復雜工裝或者數(shù)控旋轉(zhuǎn)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(shù)控編程而言，其難度相當大，只有數(shù)學功底厚實、富有經(jīng)驗的高級編程人員才能完成。因此，不利于中小企業(yè)。
那么，如果能開發(fā)一種單價在十來萬元的專用數(shù)控車床，既能作為一般數(shù)控車床用，又能加工這些特殊螺紋，其市場前景及社會效益顯然是樂觀的。為此，我們進行了下述研究。
2 數(shù)控車床車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(shù)控車床車削一般螺紋的過程：
如圖1所示，每車一刀分三段，A-B段為加速段或叫助跑段，刀尖由靜止加速至車削速度；B-C段為恒速段，也是車削螺紋段，其速度應為當主軸轉(zhuǎn)一圈時，刀尖剛好均勻前進一個螺距(導程)；D-C段為減速段，刀尖由車削速度降至靜止。也就是說，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(shù)控系統(tǒng)的控制器先根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速及螺距信息，結(jié)合系統(tǒng)自身設置或“ 內(nèi)定”的各項參數(shù)事先“ 計劃”好，編排出加速段及降速段的固定模式，每刀車削的開始階段與結(jié)束階段，嚴格按模式進行。
一般螺紋加工不可能僅一刀就車好，往往要車幾刀或幾十刀，那么車第二刀、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，即找到起跑點，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、助跑段、降速段三者之一略有改變，就會發(fā)生后一刀蓋不住前一刀的現(xiàn)象，即俗稱的“ 亂牙”，根本車不出螺紋來。
數(shù)控車床在車螺紋時，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(zhuǎn)時，由檢測裝置將主軸轉(zhuǎn)動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(jù)脈沖按螺距要求及時地發(fā)出“ 向前進指令，如果有錐度、收頭收尾則更繁忙了。其示意圖如圖2。
圖2
以上四點是數(shù)控車床車螺紋的基本處理特點。再分析收頭收尾，如圖3。
圖3
收頭收尾是在螺紋車削過程中，在螺距不變的情況下，X軸作進刀及退刀運動。它有如下幾個特點：
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。
實際上，收頭收尾段B-E及F-C段內(nèi)也有助跑與降速，只是因為X向運動鏈的機械慣量比Z向小多了，所以響應快，升降速就快而短。同時，因為是Z軸在確保螺距，這時的升降速無論對視覺效果或是使用效果均無明顯影響，一般不做專門考慮。
收頭收尾時一個值得注意的問題是，同一時間內(nèi)，X向的指令脈沖數(shù)不宜過分大于Z向的指令脈沖數(shù)，因為車削螺紋時的核心問題是確保螺距正確，Z軸為主運動，重點是Z軸的運算，X軸只能作為“穿插”而已，如果“穿插”過分，會影響控制器的處理速度與能力。我們從圖3中可看出這點。
3 從瓶蓋、瓶口模具的螺紋加工工藝概括出的基本特點
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。其特點如下：
如圖4，每刀螺紋一開始加工后，“向始終按螺距運動，而X向分段作收短頭—停住(正常車螺紋)—收短尾—自然空出一段(不車螺紋)—收短頭的循環(huán)運動，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。Z向僅在這時作加減速，加工過程中，在分段收頭收尾時，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。
個別工件收頭收尾太短、太陡、太急，所見極端的產(chǎn)品是，一周螺紋分12段，每段上，空處:收頭:正常螺紋:收尾的弧長比大致為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(zhuǎn)速車螺紋，那么收頭或收尾對應的時間僅為1/90s，再假定牙深為2mm，螺距為2mm。這意味著X軸在1/90s內(nèi)要完成2mm的進給量，Z軸在這段時間內(nèi)前進路程則為2/90mm，這是一組重要數(shù)據(jù)。
此類工件材料為模具鋼，不易加工，其螺紋加工只能分幾十刀進行。按照工藝規(guī)律，應避免起刀時崩刃，進刀量要合理分配，應單向進刀以避免起振和最后修光。
4 要解決的幾個問題
車床X向的響應必須快而可靠，1/90s完成2mm進給量相當于9600mm/min的加工速度，明顯高出一般經(jīng)濟型數(shù)控的相應技術指標。因為是帶負載重復運行，必須保證萬無一失，這對執(zhí)行機構的驅(qū)動單元提出了較高的要求。
同一時間內(nèi)，X向的運動路程為2mm，而Z向為2/90mm，這違背了車螺紋時X向的進給量不能過分大于Z向的規(guī)律，顯然，這個問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，不但分幾十刀車削，每一刀還可能分為幾十段，其編程無現(xiàn)成指令，只能考慮專門的復合循環(huán)程序，這就要求我們根據(jù)現(xiàn)有的編程習慣，開發(fā)一種特殊指令讓操作工在編程時按要求填制一些必要的尺寸數(shù)據(jù)及工藝數(shù)據(jù)即可。
考慮到加工的科學性與實用性，應允許用戶合理分配每刀加工時X向的吃刀量。開始加工時，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，并且讓刀具沿著單一方向進刀(少數(shù)數(shù)控系統(tǒng)已開發(fā)出相關功能)。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題，我們采用了全數(shù)字交流伺服電機及驅(qū)動器作為驅(qū)動單元。在選型時，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(zhuǎn)速較高的電機以滿足高速要求。因交流伺服系統(tǒng)是一自帶反饋能自我檢測位置、速度、驅(qū)動電流、力矩等指標且能進行實時調(diào)整的性能卓越的執(zhí)行單元，其可靠性及準確性也就有了保證。
交流伺服驅(qū)動器的控制部分實際上也是集軟硬件于一體的微機單元，通過它可進行多種操作和設置多種參數(shù)。我們專門選用了一種帶動態(tài)電子齒輪比功能的驅(qū)動器，比如說，我們已設定了一個電子齒輪比，在這個電子齒輪比作用下，當驅(qū)動器從數(shù)控系統(tǒng)控制器接收一個脈沖信號時，驅(qū)動執(zhí)行機構運動1μm。如果我們再設定第二個電子齒輪比，其比值是第一個比值的X/倍，那么，在它的作用下，如果驅(qū)動器收到一個信號時，執(zhí)行機構不再是運行1μm，而是20μm。 在加工過程中，能按要求自動切換，就稱作動態(tài)電子齒輪比功能。我們利用這個功能，在處理螺紋收頭收尾時，由數(shù)控系統(tǒng)先發(fā)出一切換信號至驅(qū)動器，在數(shù)控系統(tǒng)控制器內(nèi)，利用軟件預先處理，視20為1，達到少發(fā)脈沖，保證X向脈沖不過分大于Z向的目的，而驅(qū)動器接收切換信號后，調(diào)用第2電子齒輪比，見1運行20，還原成我們想要的運動尺寸。換言之，把問題交驅(qū)動器處理，螺紋加工之后，再復原。
在設計專門針對特殊螺紋的加工指令時，反復考慮螺紋車削過程中如前所述的各種問題，包括三方面：第一是X軸的電子齒輪切換信號和見編程尺寸的“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(jié)束階段，如何處理進刀量。設計步驟是先列出問題清單，整理出一條一條的解決方法，再編制成數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部支持軟件。我們最終用G77作為此類特殊螺紋的專用數(shù)控加工指令，給出的專用指令格式如下：
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)
說明如下：
G77為專用指令代碼，數(shù)控系統(tǒng)讀到此指令后先發(fā)電子齒輪比切換信號，進行20變1的數(shù)據(jù)處理工作，然后開始處理一系列專門工作，并在結(jié)束后復原。“()”中的a、b、c……q分別表示如下尺寸數(shù)據(jù)或工藝數(shù)據(jù)(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X軸進給量；每刀分段重復次數(shù)；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(shù)；螺紋外徑；螺紋半徑差；螺距等等。
給出以上專用指令代碼后，操作工在具體編程時，如果需要請求幫助，系統(tǒng)顯示器上會有提示內(nèi)容，編程序就象填表一樣方便。
6 試驗結(jié)果
針對上述問題，已從各方面做了大量的工作，包括試驗與修改，以及相關廠家配合與支持。現(xiàn)在，該種特殊螺紋的數(shù)控車削設備已市場化并已投入運行，使用效果良好，基本上實現(xiàn)了預期的目標。
