数控刨床在螺旋活塞泵的螺旋转子加工中的应用技巧

2013/10/15 19:46:18      点击:

摘要
介绍了一种用数控刨床加工螺旋活塞泵螺旋活塞转子的方法。文中详细说明了工件的加工原理及数控软件的结构。同时对加工过程中的几个关键问题提出了可行的解决办法。
关键词
螺旋活塞泵,螺旋活塞转子,液压刨床,数控系统,工件坐标系

 

螺旋活塞泵是一种典型的气体增压与输送机械, 具有机械效率高、结构简单、制造容易、操作方便等优点, 被广泛地应用于很多领域。作为鼓风机核心零部件的转子, 其性能直接影响到螺旋活塞泵的工作性能。转子按其头数可分为两叶转子与三叶转子; 按其形状可分为直叶转子与螺旋活塞转子。两叶转子均为直叶, 三叶转子有直叶和螺旋形两种形状 (如图 1所示)。就工作性能而言, 三叶优于两叶, 螺旋形优于直叶。但因加工条件的限制, 螺旋活塞转子很少在实际中被用到。 
本文介绍了一种用数控改造的普通牛头刨床自动加工三叶螺旋活塞转子的方法。 
图1 叶轮形状示意图
图2 普通牛头刨床的数控改造


1 牛头刨床的数控改造
图2是用普通牛头刨床 BY60100改造成的加工螺旋活塞泵螺旋活塞转子的数控刨床的示意图。具体改造方法是: 将牛头刨床滑枕头部的手动刀架变成由伺服电机驱动的数控刀架, 再安装一个由伺服电机驱动的回转工作台。回转工作台能够带动工件作顺、逆时针转动。回转工作台的轴线在刨刀的下方且平行于刨刀往复运动的方向。
同时, 在滑枕运动的导轨上安装了光栅尺及三个接近开关。由于滑枕的运动是靠液压系统来控制的,其运动速度和各个时刻的运动位置都不能精确控制。
在导轨上安装光栅尺, 可以通过其反馈值, 精确确定滑枕的位移, 从而确定其它相关轴的运动。接近开关用来确定光栅尺的原点坐标和回转轴旋转的起点和终点位置 (以下将在对刀部分作详细说明)。


2 零件的加工原理
螺旋活塞泵螺旋活塞转子具有明显的特点: 转子上各个平行于端面的截面绕中心线依次转过一定角度。
即: 端面轮廓上每个点的轨迹就是一条螺旋线。这就决定了滑枕 (X轴) 的位移与回转轴 (A轴) 的回转角度必须保持一定的比例关系。
如图3所示, BC段为工件的安装位置, AB段为滑枕运动的前超程, CD 段为后超程。零件的加工过程可以描述为:
(1) 滑枕向前运动, 从A点开始回转轴 (A轴) 根据光栅尺的位置反馈作回转运动; B 段开始切削工件; 从A点到点, A轴转过的角度记为;
(2) 刀具过点 后, 刀架 (Z轴) 自动抬刀;
(3) 在滑枕退回过程中, 在DB段, A轴反转一角度; 在BA段内, Z轴首先下降走完抬刀量,然后Z、A两轴插补, 运动到端面型线的下一个控制点。如此循环执行。
图3 工件运动位置简图


3 数控系统的软件结构
液压刨床的数控系统软件结构是在华中数控股份公司的 "世纪星" 数控系统上进行功能扩展实现的。
其软件的总体结构从上到下可以划分为以下四个大的部分: 操作系统层 (DOS、BIOS、定时管理、参数数据物理层)、机床输入输出层 (系统监控、位置环、MST输出、PL 管理)、插补及控制层 (插补、刀补及程序编译)、用户操作层 (程序编辑、参数编辑、加工仿真、位置和状态显示)。数控刨床自动编程软件就集成在用户操作层中。
对用户操作层中的各功能模块说明如下:
程序编辑: G代码文件的编写、复制、拷贝、删除等操作。 
参数编辑: 工件 (或毛坯) 信息、工艺参数、刀具信息的输入。采用 ?工艺卡# 式的输入模块,  简单明了。参数编辑好后, 系统就可以自动生成相应的加工工艺路线。 
加工仿真: 可以在系统上模拟工件的加工过程, 检查是否有干涉、打刀等现象, 从而判断工艺参数的正确与否。
为了增加软件的通用性, 在 ?参数编辑# 模块中, 我们通过设置工件的信息参数, 不仅可以加工各种扭转角度的三叶螺旋活塞转子, 还可以加工三叶直叶转子和两叶转子。 


4 加工过程中的关键技术
4.1 工件坐标系的确定
X轴: 由于X轴 (滑枕) 是液压轴, 不能精确回零; 光栅尺的坐标值在每次系统上电后是随机的, 并且只是相对值。因此, 我们在滑枕运动的导轨上安装一个接近开关, 用来确定光栅尺的工作原点。但是, 接近开关自身有一定的面积, 存在着重复检测误差。所以, 当用来确定原点时, 接近开关的信号只能采集一次。也就是说: 工件装夹好后, 先让垂直刀架抬起, X轴空走一个冲程, 记下接近开关发出信号时所对应的坐标值。此坐标值即为X 轴的坐标原点(在以后的加工过程中, 只需检测这个坐标值, 而不用再检测接近开关的信号了)。
Z轴: 理论上的Z轴坐标零点是工件的回转中心。该点在机床坐标系中的位置可以这样确定: 工件被装夹在一个回转心轴上面, 该回转心轴具有较高的精度和表面光洁度, 我们可以测得心轴上表面在机床坐标系中的Z坐标值, 然后减去心轴的半径, 就可以得到回转中心在机床坐标系中的坐标值。 
A轴: 当工件端面的最高点 (相对于回转中心) 落在Z轴上时, 此时的A轴的坐标为零。这个步骤可以在对刀时完成。
当上面三个轴的原点确定后, 工件坐标系就确定了。 
4.2 对刀
根据零件形状的要求, X轴在 B 段进行切削时, A轴必须同步作回转运动。若A轴在B点才开始转动, 那么, A轴在加速的过程中, X轴已经开始切削, 这样会造成工件加工起始段表面质量不高。因此, A轴必须提前运动起来。我们在图2中的A点安装一个接近开关, 当采集到信号时, A轴就开始回转。但是存在着这样的一个问题: 切削开始前进行对刀, 对刀点为工件端面的最高点。开始切削第一刀时, X轴运动到A点, A轴即开始转动, 当X轴运动到B点时, 工件已经转过了一定的角度, 刀具的切削起点不再是最高点了。因此, 为了保证第一刀的切入点为工件的最高点, 在完成对刀步骤后, 必须让A轴反转一个角度。这个角度值可根据AB段的距离计算出来。
4.3 X轴回程中的让刀处理
由于工件形状较特殊, 在X轴返回时, 必须作让刀处理, 否则会出现打刀现象。对于让刀的处理,有以下三种方案:
方案一: A轴转动一小角度让刀。即: 刀具在运动出切削区域 (B 段) 后, A轴继续正转或反转一小角度, 让刀具与工件之间保持一定的距离, 然后X轴返回到BA段内时, A轴再转动到下一个加工点。
但是A轴转动的小角度很难确定。因为, 影响这个角度的因素太多: 工件的旋向不同 (左旋或右旋),这个角度值的正负不同; 工件的转角和长度不同, 角度值的大小就不同。并且在端面上不同的加工点(叶谷或叶峰), 这个角度值的大小和方向都会不同。
如果采用这种方案, 不仅会增加程序的运算量, 而且会降低程序的通用性。
方案二: X轴返回行程中, X、A两轴仍然联动,即: 仍然不断读取光栅尺的反馈值, 从而确定A轴的反转角度。这样虽然能避免打刀, 但返回行程的两轴联动对加工没有什么意义, 相反还会带来一定的负面效应; 调试结果表明, 在X轴返回速度很快的情况下, A轴的运动会出现明显的滞后现象。这必然会影响到下一切削行程的落刀位置, 造成每次切削时起刀点不同。同时, 由于A轴不停地加速减速, 会增大A轴的误差
方案三: Z轴抬刀。即刀具在运动出切削区域(B 段) 后, Z轴立即上抬至安全区域, 然后A轴反转一角度( 为切削行程中从A点到 点, A轴转过的角度), 刀具再快速下落至下一加工点。这种让刀方法较简单。在工件的叶峰部分, 抬刀距离较短, 时间充裕。但在工件的叶谷附近, 抬刀距离较大, 这样DB段抬刀时间足够, 但BA段, Z轴的落刀时间就很紧张。通过适当加大BA段, 也就是前超程的距离, 可以解决这个问题
从以上分析可知, 第三种方案的可实施性更强。调试结果也表明, 运用方案三进行加工, 零件的表面质量更好。


5 结束语
用数控刨床加工螺旋活塞泵螺旋活塞转子, 既满足了控制灵活、精确加工的要求, 又大大提高了生产效率, 降低了加工的成本。同时, 数控系统与刨床加工两者的结合, 成功实现了大功率切削与空间曲面的加工, 为经济型数控机床的研究与开发提供了一条新思路。


参考文献
1 现代数控机床  北京: 机械工业出版社。
2 各种齿型螺旋泵面积利用系数的计算及比较 流体工程, 1989 (2)
3 螺旋活塞泵及其使用 长沙, 中南工业大学出版社, 199911
4 计算机数控系统原理、编程与操作 武汉: 华中理工大学出版社, 19995
5 回转压缩机 二版机械工业出版社, 1989
6 数字控制机床 武汉: 华中理工大学出版社, 19929
7 高级实用程序设计 北京: 清华大学出版社, 19966
8 微机原理及接口技术 北京: 中国科学技术出版社, 1990

 

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