小型龍門刨床進行數(shù)控改造

1.前言 
  長度較小的非圓柱面，可以采用數(shù)控銑床加工，也可以采用線切割加工（單件生產(chǎn)）。但當非圓柱面達到一定長度后，用上面的兩種方法就無能為力或加工成本太高了。如系列羅茨真空泵和羅茨鼓風機的轉(zhuǎn)子（圖1所示，其截面輪廓線由多段漸開線、外擺線和圓弧組成，長度在300mm以上）、大型水環(huán)泵葉輪模型的葉片（截面輪廓線由多段直線和圓弧組成，長度在500mm以上）。為了適應(yīng)截面輪廓線是復(fù)雜曲線的柱面工件的加工，筆者自行研制出了基于IPC的刨床CNC系統(tǒng)，并對某真空泵生產(chǎn)廠家的小型龍門刨床進行了數(shù)控改造。

1 小型龍門刨床的機械改造

            圖2所示是用小型龍門刨床改造而成的數(shù)控刨床的示意圖。

    小型龍門刨床數(shù)控改造的方法是將手動調(diào)節(jié)刀架變成由步進電動機驅(qū)動的數(shù)控刀架，Z步進電動機控制刀架在垂直方向的移動，X步進電動機控制刀架在水平方向的移動。在滑臺底座靠近滑塊的部位安裝三個接近開關(guān)，在滑塊上固定一個與三個接近開關(guān)平行又在運動過程中與三個開關(guān)都能接近的滑塊位置標志塊（鐵塊），兩者共同用于滑塊運動方向和位置的檢測。另外，在滑臺上安裝一個簡易的對刀裝置。經(jīng)過負載（摩擦力、轉(zhuǎn)動慣量等）計算，驅(qū)動刀架上下移動（Z坐標軸）和左右移動（X坐標軸）的步進電動機分別選用 110BF003型和 130BF003型。這兩個坐標移動的脈沖當量均為0.01mm。 

    2 刨床CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

   該數(shù)控系統(tǒng)采用PC總線、主頻為100MHZ的486CPU工業(yè)控制機作主機，具有標準16位數(shù)據(jù)總線和擴展功能靈活的插板式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)系統(tǒng)要求，進行結(jié)構(gòu)最優(yōu)化配置（圖3）。 圖 3刨床CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 該數(shù)控系統(tǒng)利用IO／TIMER(并行輸入輸出／定時器）接口板上的8255A來控制兩個步進電動機的運動，接收滑臺回程和位置傳感器信號、刀架限位開關(guān)信號、功能選擇開關(guān)信號，接口板上的8253定時器用于步進電動機中斷運行服務(wù)程序，時鐘頻率為2MHz。

    3 刨床CNC系統(tǒng)軟件 
   
     刨床CNC系統(tǒng)軟件以Windows操作系統(tǒng)為平臺，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的C語言編程，系統(tǒng)軟件的界面采用了中文菜單結(jié)構(gòu)，人機界面友好，操作方便。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)軟件主要由三個模塊組成：程序編制、刀具位置調(diào)整和運行控制，在每一個模塊中 又分多個子模塊。 

    3．1 程序編制模塊 
    
    一個正確的加工程序編制必須經(jīng)過以下階段：程序編制、語法檢查、模擬仿真和刀具的干涉、過切檢查。在該 CNC軟件系統(tǒng)中，加工程序編制可采用多種方式：圖形自動編程，手工編程，列表曲線編程。列表曲線文件的數(shù)據(jù)和加工程序可以通過軟驅(qū)輸人或利用全屏幕編輯器通過鍵盤輸人，也可以通過串行通訊接口輸人。

    圖形編程包括以下步驟： 
    （1）輪廓曲線的編輯輸人首先通過交互式圖形操作界面，按照曲線的走向輸入各段直線、圓弧、
    曲線輸入后可以進行修改、放大、縮小和對稱等編輯處理。 
    （2）求偏置曲線對上面編輯好的曲線，按要求的刀尖半徑，生成等距曲線，即偏置曲線。 
    （3）自動編程將偏置曲線按照給定的精度要求用直線進行擬合，并轉(zhuǎn)化成G代碼加工程序。 
    （4）模擬仿真運行以模擬運行方式運行加工程序，并動態(tài)地顯示刀尖運動軌跡。如果加工程序正
    確，模擬顯示的軌跡會與前面的偏置曲線相重合。
    列表曲線的編程也是在圖形編程界面下進行。首先讀人列表曲線數(shù)據(jù)文件，按照數(shù)據(jù)文件中點的順序，相鄰點以直線相連，并顯示出來。然后在此基礎(chǔ)上進行樣條擬合、光順和偏置處理，再按精度要求離散成小段直線，并自動生成加工程序。
    交互式圖形編程和模擬仿真運行，使得復(fù)雜曲線和列表曲線加工程序的編制不僅效率高，而且方便、直觀、可靠。 

                       圖 4 刨床CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

    3．2 運行控制 

    該CNC系統(tǒng)的運行主要包括以下方式：自動運行、快速空運行、手動運行和點動運行。
    
    自動運行是CNC系統(tǒng)運行控制的核心部分，它按加工程序運行。如果正在執(zhí)行的加工語句的最后一條指令是M32，則刀具根據(jù)滑臺的往復(fù)運動信號作間歇進給運動；如果是M33，則作連續(xù)移動，滑臺的往復(fù)運動信號對它不起作用，即作快速空運行。加工中如果 滑臺停止往復(fù)運動，則刀具的進給運動也停止。這一功能可以使工人沿用刨床的操作習慣，通過控制滑臺往復(fù)運動的啟�？刂频都苓M給運動的啟停。
    
    自動運行程序由前臺和后臺兩部分組成，后臺程序完成并行口 8255A和定時器8253的初始化、指令譯碼、控制中斷服務(wù)程序的執(zhí)行頻率（速度調(diào)節(jié)）、暫停、單段和啟動控制、加工軌跡動態(tài)跟蹤顯示和坐標翻轉(zhuǎn)顯示；前臺程序是中斷服務(wù)程序，它主要完成插補運 算、步進電動機運轉(zhuǎn)控制、升降速控制、接受滑臺往返和位置傳感器的信號。刀具的間歇進給運動是在滑臺的返程過程中完成的�；�臺一次往返刀具的進給量，可以通過功能鍵進行設(shè)定或修改，最小值為二個脈沖當量。自動運行程序的另外一個功能是在按下"連續(xù)"功能鍵時，刀具的間歇進給可以變成連續(xù)進給；該功能鍵抬起時，刀具又可恢復(fù)間歇進給。在粗加工毛坯件時，由于加工余量的不均勻，有的地方可能會作空進給，采用此功能可以快速躍過此處，大大提高加工效率。
    
    快速空運行也是按照加工程序控制刀具運動的，但它是作連續(xù)運行。通過它可以檢查刀具和工件毛坯的相對位置關(guān)系，從而確定初次加工的刀具高度位置。快速空運行程序也是由前、后臺兩部分組成，其結(jié)構(gòu)和自動運行程序的結(jié)構(gòu)類似，只是中斷服務(wù)程序不受滑臺往返運動的控制。 
    
    在選擇開關(guān)處于自動運行狀態(tài)下，點動功能只能在滑臺的返程中起作用，刀具連續(xù)移動最大位移量可以設(shè)定。該功能為加工過程中的刀具位置調(diào)整帶來了方便。如在吃刀太深時，可在不停止加工的情況下提刀。
    
    根據(jù)選擇，手動運行也可受滑臺往返運動的控制，作間歇運動。手動功能可以用于平面加工，而且不用編程。這種方式為平面加工帶來了方便。

    4 結(jié)束語
    
    筆者用自行研制的刨床CNC系統(tǒng)為某企業(yè)的小型龍門刨床進行了數(shù)控化改造，成功地實現(xiàn)了系列水環(huán)泵葉輪葉片模型的加工和系列羅茨真空泵轉(zhuǎn)子大批量生產(chǎn)，不僅加工效率高，而且加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。經(jīng)過近幾年的不斷改進和完善，該CNC系統(tǒng)已具有實時加工控制、圖形自動編程、復(fù)雜曲線和列表曲線擬合、編程、刀具磨損補償、自動對刀、模擬仿真和加工軌跡跟蹤顯示等功能。該刨床CNC系統(tǒng)，不僅適用于小型龍門刨床的數(shù)控化改造，也適用于其它形式的刨床的數(shù)控化改造。