摘要：手動(dòng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控刀架采用類似于仿行刀架的布局形式，提出了一種新的數(shù)控插補(bǔ)方法，通過(guò)對(duì)單坐標(biāo)的控制實(shí)現(xiàn)了兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的功能。
1 問(wèn)題的提出
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及制造技術(shù)的進(jìn)步，以及社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化的需求愈加強(qiáng)烈，產(chǎn)品的更新?lián)Q代加速，產(chǎn)品品種的多樣化，使得生產(chǎn)規(guī)模已由過(guò)去的大批量生產(chǎn)方式為主轉(zhuǎn)向以中、小批量輪番生產(chǎn)占主導(dǎo)地位的局面，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展出現(xiàn)了向兩端擴(kuò)展的方向，即一端是發(fā)展高技術(shù)、高功能的數(shù)控產(chǎn)品，另一端是發(fā)展簡(jiǎn)易、廉價(jià)的數(shù)控機(jī)床及兼有手動(dòng)與NC功能的手動(dòng)型數(shù)控機(jī)床(HAND NC) ，以滿足生產(chǎn)中多層次的要求。
在現(xiàn)行通用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床中，其縱、橫向的自動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均由步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)，共需要兩套伺服系統(tǒng)。而在普通車床中，其縱、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則是由相互自鎖的機(jī)械傳動(dòng)加以實(shí)現(xiàn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)功能。唯仿形車床例外，它具有兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)功能，可以車削圓柱面、圓錐面和圓弧面等。其斜向仿形運(yùn)動(dòng)在標(biāo)準(zhǔn)樣件(硬靠模)的控制下，通過(guò)液壓伺服控制系統(tǒng)，作出與縱向主進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相適應(yīng)的仿形進(jìn)給，從而實(shí)現(xiàn)了兩坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)功能。其中，將兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)的是標(biāo)準(zhǔn)樣件(硬靠模)和液壓伺服控制系統(tǒng)。在具體使用中，需考慮諸如標(biāo)準(zhǔn)樣件的精度、液壓系統(tǒng)的可靠性等問(wèn)題。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
從仿形機(jī)床的加工方式以及仿形刀架的布局特點(diǎn)，再結(jié)合經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的驅(qū)動(dòng)方式，我們得到啟發(fā)：用軟靠模(數(shù)控編程)取代硬靠模(標(biāo)準(zhǔn)樣件)的工作原理，采用類似于仿形加工的刀架布局，通過(guò)對(duì)刀架拖板的單坐標(biāo)控制，實(shí)現(xiàn)刀架縱、橫向兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，簡(jiǎn)化了數(shù)控原理，通過(guò)鍵盤手動(dòng)輸入加工程序，與此同時(shí)，還保留了機(jī)床原有的操縱手柄，使得加工操作極為方便，并具有良好的柔性。為此，提出了開發(fā)手動(dòng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控刀架的構(gòu)想。手動(dòng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控刀架系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)圖如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)圖
整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)控刀架、Inter8031單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源、用于拾取主軸信號(hào)的編碼器以及檢測(cè)縱向起始信號(hào)的位置檢測(cè)元件再加上機(jī)床本體組成。系統(tǒng)改裝是在原普通車床的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，整個(gè)改裝工作量并不大，只需作以下工作：
1）將原車床的小刀架換下，換上專用的數(shù)控刀架；
2）在機(jī)床主軸上安裝用于拾取主軸信號(hào)的編碼器；
3）在床身導(dǎo)軌上安裝用于檢測(cè)縱向起始信號(hào)的霍爾元件，與之對(duì)應(yīng)，則在縱向拖板上安裝磁鐵，以便產(chǎn)生縱向起始信號(hào)。
保留了原機(jī)床的縱、橫向操作手柄，這對(duì)整個(gè)加工帶來(lái)極大方便。整個(gè)數(shù)控刀架由刀架本體即機(jī)械部分與步進(jìn)電機(jī)兩部分組成。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)絲桿，帶動(dòng)刀架運(yùn)動(dòng)。由數(shù)控刀架的安裝可知：數(shù)控刀架移動(dòng)軸線與工件端面(垂向)方向之間成a角。數(shù)控刀架所作運(yùn)動(dòng)，類似于仿形加工中的斜向仿形運(yùn)動(dòng)。所不同的是仿形加工中的斜向仿形運(yùn)動(dòng)由硬靠模(標(biāo)準(zhǔn)樣件)加以控制，通過(guò)液壓運(yùn)動(dòng)加以實(shí)現(xiàn)。而數(shù)控刀架所作的斜向運(yùn)動(dòng)則是由零件加工程序(軟靠模功口以控制，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的伺服運(yùn)動(dòng)加以實(shí)現(xiàn)。
整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)由原機(jī)床的縱向自動(dòng)走刀運(yùn)動(dòng)與數(shù)控刀架的斜向運(yùn)動(dòng)兩部分構(gòu)成，其合成運(yùn)動(dòng)可加工圓柱面、圓錐面及圓弧面。
作為主運(yùn)動(dòng)的縱向自動(dòng)走刀與原機(jī)床的縱向運(yùn)動(dòng)完全一樣，由主軸通過(guò)掛輪、走刀箱、縱向絲桿、開合螺母帶動(dòng)工作臺(tái)作縱向運(yùn)動(dòng)。通過(guò)安裝在主軸上的用于拾取主軸信號(hào)的編碼器將主軸旋轉(zhuǎn)信號(hào)經(jīng)變換后，送入單片機(jī)。同時(shí)，將安裝在床身導(dǎo)軌上的霍爾元件所檢測(cè)的縱向起始信號(hào)也一并送入單片機(jī)中。根據(jù)零件輪廓形狀編制的加工程序通過(guò)鍵盤事先輸入到單片機(jī)中。經(jīng)微處理器處理后，按照加工工件輪廓形狀，發(fā)出一系列脈沖，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)數(shù)控刀架作與縱向自動(dòng)走刀相適應(yīng)的斜向運(yùn)動(dòng)，形成所加工工件的輪廓形狀。
由上可知，本系統(tǒng)為單坐標(biāo)控制實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，關(guān)鍵在于尋求縱向自動(dòng)走刀與數(shù)控刀架斜向運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系，這一任務(wù)由安裝于主軸上的編碼器加以實(shí)現(xiàn)。如何尋找適合于單坐標(biāo)控制實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的插補(bǔ)方法則成為本課題的一大特色。
整個(gè)加工過(guò)程分幾次進(jìn)刀，完全由零件加工程序確定。
由前述可知：所采用的加工方式與“仿形加工”方式一致，不同之處在于：沒(méi)有靠模零件存在，而是采用軟靠模即數(shù)控編程方式代替?？梢钥闯?，它具有如下特點(diǎn)：
1）編程方式簡(jiǎn)單；
2）整個(gè)零件在不同輪廓要素段的加工余量一致，這對(duì)于保證零件的加工精度十分重要。
整個(gè)程序編制可分為兩大部分：
1）只有步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)刀主運(yùn)動(dòng)；
2）步進(jìn)電機(jī)與縱向自動(dòng)走刀相配合的輪廓加工子程序。
在整個(gè)加工過(guò)程中，可視為：在進(jìn)刀主程序的執(zhí)行過(guò)程中，多次反復(fù)調(diào)用輪廓加工子程序。
3 插補(bǔ)原理
在現(xiàn)代CNC數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控裝置采用的軌跡控制方式，可分為兩大類：一類為參考脈沖法；一類為數(shù)據(jù)采樣法。所謂參考脈沖法就是插補(bǔ)程序每運(yùn)行一次，根據(jù)各坐標(biāo)軸進(jìn)給比例決定各軸的單個(gè)進(jìn)給脈沖增量，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給；而數(shù)據(jù)采樣法則是指插補(bǔ)程序以一定的采樣頻率運(yùn)行，得到由各軸進(jìn)給比例關(guān)系決定的與進(jìn)給速度有關(guān)的、數(shù)字量形式的坐標(biāo)軸在一個(gè)采樣周期里的增長(zhǎng)段，常用的數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)技術(shù)的算法是時(shí)間分割法、擴(kuò)展的數(shù)字積分法和直接計(jì)算法。
上面提到的各種插補(bǔ)方法，可謂多種多樣，但有一個(gè)共同的地方在于：所適用系統(tǒng)皆為兩套或兩套以上的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
手動(dòng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控刀架系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有一個(gè)明顯的地方在于希望它只有一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，則由原機(jī)床的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。
對(duì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，便成為本數(shù)控系統(tǒng)的一大難題，其關(guān)鍵在于尋找一套合適自身的插補(bǔ)算法。作為任何一種插補(bǔ)算法，應(yīng)嚴(yán)格地做到實(shí)時(shí)控制，這就要求其插補(bǔ)運(yùn)算不能過(guò)于繁瑣，應(yīng)盡量簡(jiǎn)捷。結(jié)合手動(dòng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控刀架自身的特點(diǎn)，綜合各種因素，在選用晶振12MH，的8031CPU的基礎(chǔ)上，采用了數(shù)據(jù)采樣法中的直接計(jì)算法。盡管這樣，與其它兩坐標(biāo)或三坐標(biāo)控制系統(tǒng)的插補(bǔ)算法相比較，仍然顯得計(jì)算過(guò)多，但通過(guò)周密細(xì)致的理論分析及實(shí)驗(yàn)論證，進(jìn)行這些運(yùn)算，完全可以做到實(shí)時(shí)控制。
由數(shù)控刀架的安裝可知：數(shù)控刀架移動(dòng)軸線與工件端面方向之間成a角。刀架拖板的縱向移動(dòng)，由主軸通過(guò)掛輪、進(jìn)給箱、溜板箱帶動(dòng)縱向拖板運(yùn)動(dòng)，主軸每轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的縱向走刀量F可以從進(jìn)給箱的銘牌中讀得。走刀的信號(hào)由安裝于主軸卡盤上的主軸編碼器產(chǎn)生，主軸每轉(zhuǎn)均勻發(fā)出M個(gè)脈沖，表示縱向拖板移動(dòng)了距離F。當(dāng)主軸發(fā)出NZ個(gè)脈沖時(shí)，對(duì)應(yīng)于表示縱向拖板移動(dòng)了距離NZ*F/M。將此信號(hào)輸入微處理器控制數(shù)控刀架沿U軸移動(dòng)，U軸脈沖當(dāng)量設(shè)為己dU(mm/脈沖)?？刂芔軸的脈沖數(shù)用NU表示。
加工圓柱面、圓錐面和端面輪廓時(shí)，NZ與NU之間的關(guān)系可以用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型表示為
當(dāng)q=0°時(shí)，加工圓柱面，刀架U向維持不動(dòng)；
當(dāng)q=90°時(shí)，加工端面，NZ與NU之間維持一線性關(guān)系；
當(dāng)q=0°～90°時(shí)，加工錐面，NZ與NU之間維持一線性關(guān)系。
加工圓弧曲面時(shí)，因其斜率不斷變化，在主軸脈沖與步進(jìn)電機(jī)脈沖之間，不存在一恒定的比例關(guān)系，所以步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率在加工過(guò)程中作不停的變化，為變頻率控制。
圖2 凹圓弧插補(bǔ)原理圖
建模方法：用弦長(zhǎng)逼近弧長(zhǎng)。整個(gè)插補(bǔ)過(guò)程分為粗插補(bǔ)、精插補(bǔ)兩部分。以加工凹圓弧為例，由圖2可知
粗插補(bǔ)：qi+1=qi+Dqi(i=0,1,2 …)
初值：q0為前一輪廓段終點(diǎn)的斜率，Dq0=0所以，關(guān)鍵在于求Dqi，利用遞推可求出任意Dqi+1
式中：i為主軸加工圓弧時(shí)產(chǎn)生的第i個(gè)脈沖；Nui為主軸產(chǎn)生第i個(gè)脈沖時(shí)對(duì)應(yīng)U軸的脈沖數(shù)。
經(jīng)計(jì)算得
精插補(bǔ)：由計(jì)算所得的Nui并不一定為整數(shù)，存在小數(shù)部分。而步進(jìn)電機(jī)所走步數(shù)必須為整數(shù)，將前次插補(bǔ)所留余數(shù)即小數(shù)部分，再加上本次插補(bǔ)的計(jì)算結(jié)果，然后對(duì)和進(jìn)行取整，將取整結(jié)果作為該次插補(bǔ)值，又將余數(shù)留待下一次插補(bǔ)再作處理。
引入粗、精插補(bǔ)后，雖每次插補(bǔ)都存在較小誤差，但在整個(gè)插補(bǔ)過(guò)程中，累積誤差不會(huì)大于1 個(gè)脈沖當(dāng)量。
終點(diǎn)判別：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)際所走脈沖數(shù)與該加工段所需的總脈沖數(shù)相等時(shí)，則停止插補(bǔ)運(yùn)算。
4 結(jié)論
以刀架為突破口，采用類似與仿形加工的刀架布局，加上專門提出并研制完成的數(shù)控插補(bǔ)方式，通過(guò)對(duì)刀架拖板的單坐標(biāo)控制，實(shí)現(xiàn)了刀架縱、橫向兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。既保留了普通機(jī)床操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，又具有數(shù)控機(jī)床可以加工錐面、圓弧面等功能，以一套伺服系統(tǒng)代替通常需要的兩套伺服系統(tǒng)的低成本，簡(jiǎn)便易學(xué)的程序編制加上易于接受的加工方式都為該方案在機(jī)床改造中的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的保證。手動(dòng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控刀架已獲國(guó)家實(shí)用新型專利，專利號(hào)：ZL 95 2 41997.1。
渝州大學(xué) 譚偉 重慶大學(xué) 張濟(jì)生 張根保
