數(shù)控雕刻機(jī)脈沖當(dāng)量設(shè)置及分析計(jì)算*

蘇冬勝

(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西柳州 545000)

0 引言

數(shù)控雕刻機(jī)廣泛應(yīng)用于木工、廣告等行業(yè),可在木材、有機(jī)玻璃、塑料、金屬等各種平面材質(zhì)表面進(jìn)行文字雕刻、圖案鏤銑、輪廓切割、浮雕等雕刻加工,如家具、實(shí)木門(mén)、廣告標(biāo)識(shí)、標(biāo)牌、工藝品、裝飾板等雕刻制作。

數(shù)控雕刻機(jī)一般由計(jì)算機(jī)(PC)、雕刻機(jī)本體和數(shù)控(CNC)系統(tǒng)三部分組成。數(shù)控雕刻加工的一般工作過(guò)程是:先在電腦上通過(guò)專(zhuān)用CAD/CAM軟件完成圖案繪制、浮雕建模、工藝排版等設(shè)計(jì)建模工作,再把設(shè)計(jì)的圖案生成刀具路徑和轉(zhuǎn)化為數(shù)控系統(tǒng)能識(shí)別的NC代碼,然后把NC代碼傳輸(或用U盤(pán)等存儲(chǔ)介質(zhì)拷貝)到雕刻機(jī)控制器中,最后由數(shù)控雕刻機(jī)控制系統(tǒng)把這些信息轉(zhuǎn)化成能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào),再經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)刀架沿X、Y、Z軸向移動(dòng),完成刀具的走刀運(yùn)動(dòng)。同時(shí),雕刻機(jī)主軸上按加工材質(zhì)配置的高速旋轉(zhuǎn)刀具,對(duì)固定于工作臺(tái)上的加工材料進(jìn)行鏤銑切削,即可將在電腦中設(shè)計(jì)的平面圖案或浮雕圖案及文字雕刻出來(lái),實(shí)現(xiàn)雕刻自動(dòng)化作業(yè)。

數(shù)控雕刻機(jī)是許多院校家具設(shè)計(jì)與制造、廣告設(shè)計(jì)與制作、產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)常用的教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備之一。作為學(xué)校實(shí)訓(xùn)設(shè)備,由于操作人多和使用頻繁,個(gè)別學(xué)生可能出于好奇,在使用過(guò)程中隨意調(diào)整機(jī)床的一些參數(shù),導(dǎo)致雕刻加工尺寸不準(zhǔn)確,嚴(yán)重的還會(huì)造成機(jī)床損壞。筆者在一次指導(dǎo)學(xué)生操作數(shù)控雕刻機(jī)加工標(biāo)牌時(shí),就遇到了雕刻機(jī)的脈沖當(dāng)量數(shù)值被改動(dòng)造成加工尺寸不準(zhǔn)的情況。下面將通過(guò)一次數(shù)控雕刻加工中遇到的故障及其排除和解決的經(jīng)歷,重點(diǎn)對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)脈沖當(dāng)量的設(shè)置及計(jì)算分析進(jìn)行介紹[1]。

1 問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)

數(shù)控木工雕刻機(jī)是本校家具設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)業(yè)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備之一,使用的是比亞BIY-G1312型雕刻機(jī)。該機(jī)具有文字雕刻、區(qū)域雕刻、輪廓切割、鉆孔雕刻、加工模擬功能、路徑模擬功能等,可用于雕刻水晶字、胸牌、PVC字、有機(jī)標(biāo)牌和浮雕加工等。最近,學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)用該機(jī)在木板上雕刻加工時(shí),發(fā)現(xiàn)X軸和Y軸方向上的走刀尺寸偏差較大,經(jīng)粗略測(cè)量,走刀尺寸約為設(shè)計(jì)尺寸數(shù)值的2.5倍,即設(shè)計(jì)為1cm的長(zhǎng)度,實(shí)際走刀尺寸約為2.5cm。如此一來(lái),加工出的圖案尺寸比設(shè)計(jì)的尺寸大很多,甚至超出了雕刻范圍,實(shí)訓(xùn)無(wú)法正常繼續(xù)下去。此外,偏差也與機(jī)床標(biāo)定的“X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)定位精度0.02/300mm”相距甚遠(yuǎn)。由于該雕刻機(jī)購(gòu)買(mǎi)時(shí)間較長(zhǎng),早已過(guò)了廠家的售后質(zhì)保期,隨機(jī)配套的用戶(hù)手冊(cè)也早已丟失,因此,針對(duì)上述出現(xiàn)的問(wèn)題只能自行摸索解決。

2 問(wèn)題的分析

雕刻機(jī)走刀尺寸偏差過(guò)大的不正常現(xiàn)象,通常與程序編制錯(cuò)漏、機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)磨損、電機(jī)運(yùn)行故障和數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)有關(guān)。本著先易后難的原則,對(duì)產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行逐一排除和解決。

2.1 編程錯(cuò)漏的檢查分析

通過(guò)對(duì)整個(gè)程序的仔細(xì)檢查分析,并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯錯(cuò)誤?？紤]到實(shí)測(cè)得到的誤差約2.5cm,突然使我想到是否為程序中英制單位和公制單位設(shè)置的原因?qū)е碌哪?？因?yàn)?英寸約合2.54cm,與2.5cm接近。馬上在程序中加入G21(注:G代碼中G20為英制單位指令、G21為公制單位指令)程序段指定公制長(zhǎng)度單位,保存加載程序后開(kāi)動(dòng)機(jī)床試加工,但發(fā)現(xiàn)問(wèn)題依舊,由此基本排除了程序編制錯(cuò)誤導(dǎo)致的問(wèn)題。

2.2 機(jī)械磨損、電機(jī)故障檢查分析

對(duì)機(jī)械傳動(dòng)各部位進(jìn)行了仔細(xì)檢查未發(fā)現(xiàn)有明顯磨損和松動(dòng)現(xiàn)象,為確保可靠性,還特意在各機(jī)械傳動(dòng)部位加注和涂抹潤(rùn)滑油,然后開(kāi)動(dòng)機(jī)床調(diào)試也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的任何松動(dòng)和異響情況。因此,也可以排除機(jī)械傳動(dòng)異常導(dǎo)致的故障[2]。

2.3 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置檢查分析

比亞BIY-G1312型雕刻機(jī)采用的是維宏Ncstudio V5.4數(shù)控系統(tǒng),許多國(guó)內(nèi)數(shù)控雕刻機(jī)采用了這一數(shù)控系統(tǒng),其系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面見(jiàn)圖1。系統(tǒng)參數(shù)分“加工參數(shù)”和 “廠商參數(shù)”兩部分,經(jīng)過(guò)對(duì)各項(xiàng)可能導(dǎo)致故障的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了仔細(xì)檢查分析,并逐一排除,最后只剩下“電機(jī)參數(shù)”中脈沖當(dāng)量的設(shè)定值比較可疑。因?yàn)樵擁?xiàng)直接控制著刀具在控制器輸出一個(gè)定位控制脈沖時(shí)所產(chǎn)生的位移量,如果脈沖當(dāng)量設(shè)定值不恰當(dāng)會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)床走刀不準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)一番分析測(cè)量和計(jì)算得出了相應(yīng)脈沖當(dāng)量數(shù)值,然后按計(jì)算所得數(shù)值對(duì)相關(guān)參數(shù)作了相應(yīng)修改,即將X軸和Y軸均設(shè)置為0.00625毫米/脈沖,Z軸設(shè)置為0.003125毫米/脈沖,見(jiàn)圖2。脈沖當(dāng)量參數(shù)修改完成后,開(kāi)機(jī)測(cè)試X、Y、Z三坐標(biāo)方向走刀尺寸完全符合機(jī)床加工精度要求,加工恢復(fù)正常,故障排除。

圖1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面(參數(shù)修改前)Fig.1 System parameter setting interface (before parameter modification)

相對(duì)于其他系統(tǒng)參數(shù),普通操作者對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)脈沖當(dāng)量參數(shù)不容易理解,而且并非所有機(jī)床的脈沖當(dāng)量數(shù)值都一樣,其數(shù)值還有復(fù)雜易忘的特點(diǎn)。脈沖當(dāng)量參數(shù)值一旦被惡意或意外修改,如果沒(méi)有機(jī)床說(shuō)明書(shū)等原始資料指導(dǎo),只能根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況通過(guò)測(cè)量計(jì)算的方式得出正確的脈沖當(dāng)量值。因而,數(shù)控雕刻機(jī)管理員或操作者有必要掌握脈沖當(dāng)量參數(shù)的含義及其數(shù)值計(jì)算方法。

3 脈沖當(dāng)量分析與計(jì)算

3.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理

目前數(shù)控雕刻機(jī)多采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力輸出設(shè)備,數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中脈沖當(dāng)量值與步進(jìn)電機(jī)工作原理有關(guān),下面簡(jiǎn)單介紹步進(jìn)電機(jī)工作原理。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或線(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu),在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,不存在積累誤差。步進(jìn)電機(jī)除了電機(jī)本身外,還需要與控制器(脈沖信號(hào)發(fā)生器)、驅(qū)動(dòng)器配合才能正常工作。步進(jìn)電機(jī)控制器是指揮中心,它向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)脈沖,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器把接收到信號(hào)脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)所需的強(qiáng)電流信號(hào),從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”),電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比,相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。因此,可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量和角速度,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位和調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)步距角與控制繞組的相數(shù)、轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān),是電機(jī)出廠時(shí)確定的一個(gè)值,這個(gè)步距角可以稱(chēng)之為“電機(jī)固有步距角”。通常步距角越小,運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性越好。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分功能可以調(diào)整步距角,因此,步進(jìn)電機(jī)固有步距角不一定是電機(jī)工作時(shí)的實(shí)際步距角,實(shí)際工作的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。

圖2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面(參數(shù)修改后)Fig.2 System parameter setting interface (after parameter modification)

目前常用的步進(jìn)電機(jī)有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)三種,其中混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)二者的優(yōu)點(diǎn),具有步距角小、轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn),是應(yīng)用最為廣泛的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

3.2 脈沖當(dāng)量計(jì)算

數(shù)控雕刻機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)一般主要由滾珠絲杠組成,其傳動(dòng)過(guò)程是:步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn),再由滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)刀架沿X、Y、Z軸方向的導(dǎo)軌發(fā)生位移完成刀具的走刀運(yùn)動(dòng)。脈沖當(dāng)量就是一個(gè)脈沖所產(chǎn)生的坐標(biāo)軸位移量(mm/脈沖),對(duì)于數(shù)控雕刻機(jī),步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量是指當(dāng)控制器發(fā)出一個(gè)控制脈沖時(shí),步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)刀架所產(chǎn)生的位移量。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)原理,脈沖當(dāng)量按下式計(jì)算:

(式中,Δ-脈沖當(dāng)量(mm/脈沖);s-絲杠導(dǎo)程(mm);φ-步進(jìn)電機(jī)固有步距角(°/脈沖);k-步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分值。

從計(jì)算式中可以看出,計(jì)算脈沖當(dāng)量值需要確定機(jī)床的絲杠導(dǎo)程s、步進(jìn)電機(jī)的固有步距角φ和驅(qū)動(dòng)器細(xì)分值k三個(gè)參數(shù)。這些參數(shù)可以通過(guò)測(cè)量和相應(yīng)的銘牌標(biāo)簽上獲取。

從電機(jī)型號(hào)標(biāo)簽上看,前述使用的數(shù)控雕刻機(jī)所用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為86BYG250FA(其中數(shù)字或字母含義為:86-步進(jìn)電機(jī)外徑86mm,BYG-混合式,2-兩相,50-電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù),F-方形,A-序號(hào)),可見(jiàn)該電機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。查詢(xún)相關(guān)資料,可以確定兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的固有步距角一般為φ=1.8°。再打開(kāi)數(shù)控雕刻機(jī)電氣柜門(mén),可以從步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上的標(biāo)識(shí)看出,驅(qū)動(dòng)器采用的細(xì)分值為k = 8。再用游標(biāo)卡尺測(cè)得X、Y、Z方向上的絲杠導(dǎo)程s分別為:10mm、10mm、5mm。

將以上各值代入脈沖當(dāng)量計(jì)算式中,可以分別得出各軸的脈沖當(dāng)量值Δ,X軸-0.00625mm/脈沖,Y軸-0.00625 mm/脈沖,Z軸-0.003125mm/脈沖。再將X、Y、Z軸的脈沖當(dāng)量分別輸入維宏Ncstudio V5.4系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面中“電機(jī)參數(shù)”項(xiàng)中保存即可。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際生產(chǎn)中,當(dāng)數(shù)控雕刻機(jī)加工中出現(xiàn)走刀尺寸偏差過(guò)大的不正?，F(xiàn)象時(shí),要從多方面分析原因,可以參照上述方法逐一排除來(lái)解決問(wèn)題。還需要注意的是,如果數(shù)控雕刻機(jī)的操控電腦重新安裝維宏運(yùn)動(dòng)控制卡程序后,其脈沖當(dāng)量參數(shù)(即“電機(jī)參數(shù)”)也被重置為默認(rèn)值,需要重新計(jì)算修改為實(shí)際值,數(shù)控雕刻機(jī)才能正常運(yùn)行。