數(shù)控刀具螺旋齒刀具數(shù)控刃磨系統(tǒng)的研究

在對(duì)螺旋齒刀具的數(shù)控刃磨方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了獲取螺旋線形切削刃幾何參數(shù)的方法，對(duì)刃磨螺旋齒刀具的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)的軟硬件的設(shè)計(jì)及開發(fā)實(shí)施技術(shù)進(jìn)行了介紹。 

    1 前言 

    螺旋齒刀具是指切削刃為螺旋線形的切削刀具，如圓柱形銑刀、立銑刀及螺旋槽鉸刀等。這類刀具的刃磨一般是在工具磨床上借助附件由工藝操作人員手工完成，根據(jù)火花判斷砂輪與刀齒接觸與否，憑手感掌握背吃刀量，而且一個(gè)刀齒必須一次刃磨完成。因此，對(duì)操作者要求較高，且難以保證刃磨質(zhì)量，刃磨效率也不高。筆者對(duì)螺旋齒刀具的數(shù)控刃磨方法進(jìn)行了研究，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種小型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控工具磨床，從而可解決未知參數(shù)螺旋齒刀具的數(shù)控刃磨問題。 

    2 數(shù)控工具磨床的傳動(dòng)系統(tǒng) 

    數(shù)控工具磨床機(jī)械部分的傳動(dòng)系統(tǒng)圖中，Y、Z軸為工作臺(tái)橫、縱向運(yùn)動(dòng)；X軸為磨頭升降運(yùn)動(dòng)；C軸為刀具(工件)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過手動(dòng)可以調(diào)整磨頭繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)；砂輪及刀具的上仰、下俯；刀具變速箱在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。 

    3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 

    控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以單片機(jī)8031為CPU，通過其P2口的低7位和P0口外擴(kuò)32KBEPROM27256存放系統(tǒng)程序，P2口的低3位和P0口外擴(kuò)2KBRAM6116存放數(shù)據(jù)，P2口的高五位用于地址譯碼，用以選通LED顯示電路、接口芯片(8155、8255)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(6116)和鎖存器(273)，P1口接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)手動(dòng)控制電路，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)由P0口輸出經(jīng)鎖存器(273)送至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器；8255的PA口接系統(tǒng)程序的啟動(dòng)、暫停按鈕和工作方式(參數(shù)輸入方式、測(cè)量方式、對(duì)刀方式及自動(dòng)方式)轉(zhuǎn)換開關(guān)，PB口用于刀具螺旋齒測(cè)量信號(hào)和其它輔助功能信號(hào)輸入，PC口用于輸出輔助功能信號(hào)；8155的PA口和PC口分別接鍵盤的行線和列線，PB口接刃磨刀具種類選擇開關(guān)。 

    4 螺旋齒幾何參數(shù)測(cè)量 

    數(shù)控刃磨時(shí)，需確定刀具軸向進(jìn)給與周向進(jìn)給之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由于生產(chǎn)中，螺旋齒刀具的螺旋角β和導(dǎo)程戶一般都是未知的，所以在刃磨前，需測(cè)出螺旋齒的有關(guān)參數(shù)。為此，將螺旋齒展開成一條直線。設(shè)軸向進(jìn)給長(zhǎng)度(包括磨人長(zhǎng)度l1、刀刃長(zhǎng)度l2及磨出長(zhǎng)度ll)為l，則與其對(duì)應(yīng)的周向進(jìn)給弧長(zhǎng)(包括磨人弧長(zhǎng)s1、刀刃弧長(zhǎng)s2及磨出弧長(zhǎng)s3)為s0，為確定弧長(zhǎng)s，可先測(cè)一段螺旋線的幾何參數(shù)，再根據(jù)相似三角形，求出弧長(zhǎng)。 

    為此，刃磨前，在磨頭上裝一測(cè)量頭，測(cè)量頭的測(cè)量電路與刀具一起組成閉合回路。測(cè)量時(shí)，在測(cè)量方式下，利用手動(dòng)功能，首先使測(cè)量頭與刀齒接觸，然后使刀具直線移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量頭相對(duì)于刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡中的1或2，這時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)記錄下刀具直線移動(dòng)步數(shù)Z1和轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)C1，且根據(jù)Z軸的脈沖當(dāng)量將由操作面板輸入的進(jìn)給長(zhǎng)度/轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)Ze，利用已測(cè)得的Z1、C1的幾何關(guān)系，求出C軸轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)Ce，以(Ze、Ce)為直線的終點(diǎn)坐標(biāo)，由刀具直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)作兩軸聯(lián)動(dòng)直線插補(bǔ)。 

    為防止C向的測(cè)量超程誤差(因刀齒與測(cè)量頭之間距離不足一個(gè)脈沖當(dāng)量產(chǎn)生的，該誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量)影響螺旋線導(dǎo)程精度，一方面應(yīng)盡可能減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每步刀具轉(zhuǎn)過的弧長(zhǎng)當(dāng)量δ。 

選用步距角較小的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，刃磨較大直徑刀具時(shí)用小的傳動(dòng)比可以減小δ值。 另一方面，增大Z向測(cè)量長(zhǎng)度也可減小C向超程誤差對(duì)螺旋線導(dǎo)程精度的影響。 

    5 控制系統(tǒng)軟件 

    軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，模塊的執(zhí)行取決于操作面板上的方式開關(guān)狀態(tài)。系統(tǒng)主程序在完成I/O口的設(shè)置及將各項(xiàng)數(shù)據(jù)存放單元清零等初始化工作后，根據(jù)方式開關(guān)的狀態(tài)，進(jìn)入其中的一種，其主要的工作方式如下： 

    (1)參數(shù)輸入方式。根據(jù)系統(tǒng)提示符，從鍵盤依次輸入刀齒數(shù)、刀齒旋向、進(jìn)給長(zhǎng)度、刃磨余量、進(jìn)給次數(shù)、進(jìn)給速度、Z軸和C軸的測(cè)量下限控制值Z1min和C1min等現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)。 

    (2)測(cè)量方式。測(cè)量程序流程利用Z軸和C軸的手動(dòng)功能，使刀齒接觸測(cè)量頭，確定測(cè)量起始點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)刀齒旋向確定刀具軸向和周向進(jìn)給方向。當(dāng)測(cè)量值達(dá)到或超過預(yù)置的Z1min和C1min時(shí)，按下C鍵，使刀齒轉(zhuǎn)向測(cè)量頭，兩者一經(jīng)接觸，Z向和C向鍵按下無效，避免產(chǎn)生人為超程誤差和損壞測(cè)量裝置，然后完成計(jì)算返回主程序。 

    (3)對(duì)刀方式。刃磨前后刀面時(shí)，首先轉(zhuǎn)動(dòng)砂輪架刻度盤，使接觸點(diǎn)的火花與該點(diǎn)切線方向一致，在手動(dòng)方式下調(diào)整好對(duì)刀點(diǎn)，這時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)記錄起點(diǎn)至對(duì)刀點(diǎn)的刀具移動(dòng)步數(shù)Z2，然后置方式開關(guān)為對(duì)刀方式。啟動(dòng)對(duì)刀程序后，系統(tǒng)首先取出內(nèi)部記錄的參數(shù)Z1、C1及Z2，根據(jù)計(jì)算刀具退回起點(diǎn)時(shí)，刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)C2，最后以(Z2、C2)為起點(diǎn)，做直線插補(bǔ)，刀具退回到刃磨起點(diǎn)(0，0)。 

    (4)自動(dòng)方式。自動(dòng)刃磨程序流程圖中，i為刃磨每個(gè)刀齒的進(jìn)給次數(shù)；n為刀齒數(shù)。 

    在循環(huán)中以刀齒為內(nèi)循環(huán)，進(jìn)給次數(shù)為外循環(huán)，即每進(jìn)給一次，全部刀齒刃磨一遍，這樣刀齒受熱變形均勻，磨去的余量相同，能保證刃磨后刀齒位于同一圓周上。分度步數(shù)m帶小數(shù)時(shí)，取整，小數(shù)累加到下一次分度步數(shù)中。 

    6 結(jié)論 

    (1)采用數(shù)控循環(huán)刃磨，可減小磨削溫度對(duì)刃磨精度的影響，刃磨精度將高于手工刃磨，且質(zhì)量穩(wěn)定。 

    (2)測(cè)量一次即可刃磨完一把刀的全部刀齒，刃磨效率及自動(dòng)化程度高。 

    (3)批量刃磨，無需重復(fù)測(cè)量，只需選定同一裝夾基準(zhǔn)即可，操作簡(jiǎn)單方便。 

    (4)只適用于等分螺旋齒刀具的刃磨。