數(shù)控車削凸輪時(shí)實(shí)現(xiàn)刀具角度實(shí)時(shí)控制的擺動(dòng)刀架設(shè)計(jì)

洪美琴

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，湖南 株洲 412001）

0 引 言

在車床上車削凸輪時(shí)，凸輪隨車床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，車削刀具沿徑向要快速往復(fù)移動(dòng)，移動(dòng)距離的大小由凸輪的輪廓與主軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系來(lái)決定。除此之外，無(wú)論是采用仿形車削還是數(shù)控車削來(lái)加工凸輪，需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

1）由于凸輪輪廓的非圓度的影響，車削半徑的改變導(dǎo)致切削刀具的工作前、后角產(chǎn)生變化。凸輪的工作升、降程范圍越大，則刀具的工作前、后角變化越大，導(dǎo)致車削凸輪輪廓時(shí)，有時(shí)切削條件好，有時(shí)切削條件差，使得凸輪輪廓加工質(zhì)量不均，且影響刀具的使用壽命。

2）同樣由于凸輪輪廓的非圓度引起的車削半徑變化，在轉(zhuǎn)速恒定的情況下，使切削速度變化很大，切削溫度會(huì)加劇變化，影響產(chǎn)品加工質(zhì)量，加快刀具的磨損。

因此車削凸輪時(shí)，為了獲得良好的加工質(zhì)量，以及延長(zhǎng)刀具使用壽命，在實(shí)現(xiàn)刀具往復(fù)快速移動(dòng)情況下，車床刀架應(yīng)隨車削凸輪的輪廓位置實(shí)時(shí)擺動(dòng)相應(yīng)的角度，使刀具在車削凸輪過(guò)程中工作前、后角保持一致。

1 刀具工作角度可實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)臄[動(dòng)刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．1 擺動(dòng)刀架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

擺動(dòng)刀架要滿足對(duì)刀具的工作角度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，必須設(shè)置有驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，其工作驅(qū)動(dòng)信號(hào)與刀具擺動(dòng)角度值相對(duì)應(yīng)，擺動(dòng)角度值是根據(jù)凸輪的曲線輪廓方程與主軸的轉(zhuǎn)角計(jì)算得出。另外考慮數(shù)控車削凸輪時(shí)因凸輪輪廓的非圓度較大，除刀具的工作角度要實(shí)時(shí)調(diào)整外，刀具還要作高速往復(fù)移動(dòng)，這要求轉(zhuǎn)動(dòng)刀架自身重量小，因此整體結(jié)構(gòu)緊湊，要滿足大減速比。車削過(guò)程中刀具的工作角度實(shí)時(shí)可變，則刀具要繞一個(gè)回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，車削刀具相當(dāng)于懸臂結(jié)構(gòu)，剛性及自鎖性能要好。刀具工作角度實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)慕嵌扔姓?fù)值，轉(zhuǎn)動(dòng)刀架要正反轉(zhuǎn)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)若存在間隙會(huì)影響回轉(zhuǎn)，從而影響刀具工作角度的實(shí)時(shí)補(bǔ)償精度，因此要有消除傳動(dòng)間隙機(jī)構(gòu)。

1．2 轉(zhuǎn)動(dòng)刀架的剛性問(wèn)題

圖1 車削刀具的受力分析圖

圖1 為車削刀具的受力分析圖,根據(jù)受力平衡分析,得

M=FL=F（l1＋l2）。式中：M 為回轉(zhuǎn)進(jìn)給扭矩；F 為切削力；l1為刀架座端面到回轉(zhuǎn)中心的距離；l2為刀具刀尖到刀架座端面的距離。

車削時(shí)作用在刀具上的切削力使轉(zhuǎn)動(dòng)刀架受到彎矩作用。當(dāng)切削力F 較大、力臂較長(zhǎng)時(shí)，彎矩很大，在這種狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動(dòng)刀架的抗力性能不佳，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝刀具時(shí)應(yīng)盡量使l1、l2值小。

1．3 轉(zhuǎn)動(dòng)刀架的傳動(dòng)方式選擇

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)刀架傳動(dòng)方式圖

傳動(dòng)方式可以采用全齒輪傳動(dòng)方式及蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式，但從整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、減速比大考慮，轉(zhuǎn)動(dòng)刀架傳動(dòng)方式選用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式，此傳動(dòng)方式采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)與蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的組合。蝸輪蝸桿傳動(dòng)易達(dá)到大減速比，傳動(dòng)級(jí)數(shù)少，且具有自鎖性，適合整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要。傳動(dòng)方式如圖2 所示。

1．4 轉(zhuǎn)動(dòng)刀架的支承方式與潤(rùn)滑方式

支承方式與潤(rùn)滑方式對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的精度、剛性及穩(wěn)定性非常重要?？紤]凸輪車削時(shí)主軸轉(zhuǎn)速不高，實(shí)現(xiàn)刀具擺動(dòng)補(bǔ)償?shù)臄[動(dòng)軸與凸輪輪廓車削同步，因而蝸輪蝸桿的線速度相對(duì)較小，選用高質(zhì)量的油脂潤(rùn)滑方式。支承方式可以采用角接觸球軸承支承結(jié)構(gòu)或圓錐滾子軸承支承結(jié)構(gòu)，但考慮整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)速度較小，線速度較低，切削力不是很大的情況下，也可采用深溝球軸承支承結(jié)構(gòu)。

1．5 轉(zhuǎn)動(dòng)刀架機(jī)構(gòu)的防塵與密封

轉(zhuǎn)動(dòng)刀架機(jī)構(gòu)中安裝刀具的擺動(dòng)頭部分呈開放式的，需要防止灰塵及切屑進(jìn)入傳動(dòng)鏈及支承結(jié)構(gòu)中。在滿足性能要求的前提下，盡量采用簡(jiǎn)單方法來(lái)達(dá)到目的，如使用帶防塵罩的軸承等。

2 轉(zhuǎn)動(dòng)刀架刀具擺動(dòng)角度的設(shè)計(jì)計(jì)算

2．1 凸輪與刀架的幾何關(guān)系

數(shù)控車削凸輪時(shí)安裝刀具的刀架既能左右移動(dòng)又要以回轉(zhuǎn)中心回轉(zhuǎn)來(lái)補(bǔ)償?shù)毒吖ぷ髑?、后角的變化，因此車削時(shí)，凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、刀架的復(fù)合運(yùn)動(dòng)確保車刀刀尖的切削點(diǎn)與回轉(zhuǎn)中心的連線與過(guò)切削點(diǎn)的法線n-n 重合，即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)刀架的回轉(zhuǎn)中心，因而車削過(guò)程中刀具工作前角始終不變。如圖3 所示。安裝刀具時(shí)，在切削的起始位置，刀尖應(yīng)與刀架回轉(zhuǎn)中心在同一個(gè)水平位置，車削時(shí)刀尖繞回轉(zhuǎn)中心擺動(dòng)，相對(duì)于刀架，刀尖的軌跡是以回轉(zhuǎn)中心為圓心，以刀尖到回轉(zhuǎn)中心的距離，即前面所述的l1+l2距離之和為半徑R 的圓。

圖3 中O 為凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，O1為刀架的回轉(zhuǎn)中心，B 為切削點(diǎn)，也即刀尖運(yùn)動(dòng)的軌跡圓與凸輪的切點(diǎn)，α角即為刀具實(shí)時(shí)擺動(dòng)對(duì)應(yīng)的角度。當(dāng)?shù)都芟蛑馆喼行囊苿?dòng)時(shí)，刀具逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)α 角，背離凸輪中心移動(dòng)時(shí)，刀具順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)α 角，以實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)毒咔?、后角的變化，因此，在擺動(dòng)車削過(guò)程中，刀尖點(diǎn)B 一般不在刀架的往復(fù)移動(dòng)直線OO1上，而是偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，但刀尖點(diǎn)B 的運(yùn)動(dòng)軌跡仍然是待加工凸輪的實(shí)際輪廓曲線。

圖3 凸輪與刀架的幾何關(guān)系

2．2 刀具擺動(dòng)角度的計(jì)算分析

圖4 滾子從動(dòng)件凸輪結(jié)構(gòu)示意圖

擺動(dòng)車削凸輪時(shí)，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)，其回轉(zhuǎn)中心可假想成凸輪的滾子中心，如圖4 所示。圖4 中回轉(zhuǎn)中心O1點(diǎn)為滾子對(duì)心從動(dòng)件的理論廓線一點(diǎn)，而過(guò)回轉(zhuǎn)中心的理論法線上等距R 點(diǎn)即B點(diǎn)為實(shí)際廓線上一點(diǎn)，在直角坐標(biāo)系XOY 中，轉(zhuǎn)子中心O1的直角坐標(biāo)為

B 點(diǎn)直角坐標(biāo)為

由高等數(shù)學(xué)可知，曲線上任一點(diǎn)的法線斜率與該點(diǎn)的切線斜率互為倒數(shù)，故理論廓線上O1點(diǎn)的法線n-n 斜率為

則

在三角形OBO1中，有OB2=OO21+R2-2OO1·Rcos α，則

則根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）、式（4）及凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程、主軸的角速度，從而運(yùn)用數(shù)控系統(tǒng)的宏程序功能可方便計(jì)算出刀具的實(shí)時(shí)擺角。

2．3 刀具實(shí)時(shí)擺動(dòng)角度的宏程序計(jì)算

從上面推導(dǎo)出的刀具擺動(dòng)角度計(jì)算公式可知，要計(jì)算擺動(dòng)角度α，首先要確定凸輪的轉(zhuǎn)角φ，即主軸的實(shí)時(shí)角度位置，然后按推導(dǎo)的公式進(jìn)行宏程序編程計(jì)算擺動(dòng)角度α。

主軸的轉(zhuǎn)角φ 計(jì)算公式：

1）φ＝ωt=2πnt/60。其中，n 為主軸的轉(zhuǎn)速，t 為主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的計(jì)算時(shí)間，從如圖4 所示切削起始角度0°開始計(jì)時(shí)，主軸轉(zhuǎn)一圈計(jì)時(shí)結(jié)束，此式不適用于恒線速切削。

上述主軸轉(zhuǎn)角的兩個(gè)計(jì)算公式要實(shí)現(xiàn)宏程序運(yùn)算，則要利用數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)變量來(lái)讀取時(shí)間t、主軸轉(zhuǎn)速n或脈沖數(shù)ΔN。在數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控系統(tǒng)有很多可用的系統(tǒng)變量，這些系統(tǒng)變量能獲取包含在機(jī)床處理器或NC內(nèi)存中的只讀或讀/寫信息，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，不同的數(shù)控系統(tǒng)，使用的系統(tǒng)變量規(guī)定不同，使用時(shí)要按使用手冊(cè)來(lái)設(shè)定。例如FANUC 0i 中運(yùn)用系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)變量#3001及主軸轉(zhuǎn)速系統(tǒng)變量#4119，作為宏程序的局部變量，按照式（1）利用宏程序就能方便計(jì)算出主軸的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角。

3 結(jié) 論

宏程序計(jì)算出的刀具工作角度實(shí)時(shí)擺動(dòng)的角度值信號(hào)輸入到數(shù)控驅(qū)動(dòng)裝置，經(jīng)驅(qū)動(dòng)裝置輸出的驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)。因刀具擺動(dòng)的角度與凸輪的輪廓有關(guān)聯(lián)，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮刀架擺動(dòng)一個(gè)周期要與主軸轉(zhuǎn)一圈同步。刀具實(shí)時(shí)擺動(dòng)角度可以根據(jù)凸輪的輪廓函數(shù)關(guān)系式利用宏程序計(jì)算，能夠快速適應(yīng)不同凸輪輪廓的加工。

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