凸轮转子泵数控刨削加工的总体方案

2013/10/28 19:06:38      点击:
1 刨床机械结构的改进
根据现有凸轮转子泵生产厂家的技术条件和设备情况,决定选用普通牛头刨床,对其进行数控化改造,从而完成凸轮转子泵扭叶转子的自动刨削加工。
该刨床的主运动由液压系统驱动。液压机床切削力大,加工效率高,成本较低。
如果主传动选用滚珠丝杠,由伺服电机驱动,那么,所需伺服电机的功率就很大,并且丝杠的磨损会比较严重。这样一方面会增加工件的制造成本,另一方面,也会影响工件的加工精度。因此,我们选用液压牛头刨床,对其进行数控改造。
图1 是用普通牛头刨床BY60100 改造成的加工凸轮转子泵扭叶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,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,从而确定其他相关轴的运动 。接近开关是用来确定光栅尺的原点坐标和回转轴旋转的起终点位置的(下文的运动分析部分将作详细说明)。
图1 数控改造后的普通牛头刨床示意图
这样,数控刨床各坐标轴的定义如下: 
X 轴——液压油缸驱动,完成主切削的水平直线往复运动;
Z 轴——交流伺服电机与滚珠丝杠直联,完成刀架垂直上下进给运动;
A 轴——交流伺服电机驱动,经三级圆柱齿轮传动,带动工件做回转运动;
BY60100 牛头刨床的最大刨削长度为1000mm,滑枕运动速度分为低、中、高三档,分别为:
低速档:进给速度3~12.5m/min,回程速度20m/min;
中速档:进给速度12.5~25m/min,回程速度40m/min;
高速档:进给速度25~44m/min,回程速度55m/min;
一般情况下,是用中速档进行加工。
在改造中,伺服电机的选用,尤其是A 轴伺服电机的选用非常关键。因为X 轴的运动速度很高,这样A 轴的转速必须很快。根据加工要求,A 轴必须在很短的时间内完成制动、反向和加速等动作。并且,由于工件体积大,质量重,这使得A 轴的转动惯量很大。因此,A 所用的伺服电机,必须具有以下特性:转速较高,动态响应快,能频繁启停和正反运动,有较大的启动和制动转矩。通过比较,Z 轴和A轴的电机均选用日本原产的SANYO 电机。
经计算,伺服电机的具体参数确定如下:
Z 轴:电机型号P60B13150HXS00,相关参数为:扭矩7.5N·m,转速2000 rpm,额定功率1.5KW;
A 轴:电机型号P60B18350MXS00,相关参数为:扭矩16N·m,转速1500 rpm,额定功率3.5KW;
与Z 轴直联的滚珠丝杠的螺距为5mm;安装在X 轴滑枕上的直线光栅尺的精度为:5μm;
作为机床的保护措施,Z 轴、A 轴以及工作台各装有相应的行程开关,以限定各轴的极限位置。
经过上述改造后的刨床,增加了一个回转轴,因此,其最显著的优势就是:可以加工各种具有回转螺旋形状的零件,不仅限于凸轮转子泵扭叶转子。同时,数控改造后的机床保留了原有的一切功能。当伺服电机不驱动时,可通过刨床本身的动力装置来驱动刀架及刀具的运行。这样可以满足生产厂家对刨床多用途的要求。

2 数控刨床运动控制分
作为截面形状相当复杂的圆柱螺旋面,其加工一方面要保证端面型线的正确,另一方面,要完成扭转型面的正确加工。因此,数控刨床加工扭叶转子时,运动可以分解为:
(1)Z、A 轴:两轴插补点位控制,实现工件的端面型线(如图3.2);
(2)X、A 轴:两轴联动,实现工件螺旋面加工;X 轴的位移与A 轴的回转角度必须保持一定的比例关系。
如图2 所示,设叶轮转子前、后两端面的扭转角为φ。在与前端面轴向距离为X 的位置上,叶轮断面与前端面的扭转角为:
γ =φ/L*X
式中 L ——叶轮长度
因此,X、A 两轴联动时的比例关系为:φ/L 。
图2 叶轮扭转角示意图
加工过程中X、A 两轴的位移只要保证上述比例关系即可。这样,实际操作过程中A 轴转角的具体控制方案可以有两种:(1)起、终点控制;(2)过程控制。
方案(1):只用确定X 轴位移的起始点和终止点。根据这两点间的距离按照上面的比例关系确定在这段位移中A 轴应该转过的总的角度α。同时,根据X 轴的速度,计算出与A 轴相匹配的速度。然后,指令A 轴以此速度转过角度α。
这种方法比较简单,A 轴位移量一次性给出,运动连续,不会产生滞后现象。
但是这种方法没有考虑到X 轴是由液压驱动,并且在加工过程中,由于各种因素的影响,速度不均匀,产生波动现象;这样 A 轴的位移量和速度也不是均匀分布的。因此,采用这种控制方法所得到的位置精度低,达不到厂家提出的要求。
方案(2):在X 轴运动过程中定时扫描光栅尺的位置,定时指令A 轴转过相应的角度。即:A 轴的运动被分成若干小段,分段执行。这种方案的控制精度较高,考虑了加工过程中的各种因素的影响。但A 轴的运动不连续,会产生一定的滞后及累积误差。对于这种现象,在程序的编写中,可采用绝对坐标编程的方法,将误差减到最低限度。
比较上面两种方案,决定采用第二方案。
相应的加工步骤如下:
如图3 所示:O 为光栅尺的工作原点;BC 段为工件的安装位置,AO 段为滑枕运动的前超程,CD 段为后超程。
图3 工件运动位置简图
1)前超程:数控刨床的滑枕作向前运动时,刨刀进入切削前的AO 段,Z、A 两轴联动,作插补运动,从端面型线的上一切削控制点运动到下一切削点。
2)切削行程:滑枕向前运动,从O 点开始回转轴(A 轴)根据光栅尺的位置反馈作回转运动;BC 段开始切削工件;从O 点到C 点,A 轴转过的角度记为α;
3)后超程:刀具过点C 后,刀架(Z 轴)自动抬刀到安全位置,抬刀量记为h ;
4 )回行程:刨刀随滑枕作后向运动。在DB 段,A 轴反转角度α,工件回到切削起点;在BA 段内,Z 轴由至安全位置向下运动,落刀量为h ;
这样,经过上面四个步骤,就完成了端面上一个切削点(离散控制点)的切削。
如此循环执行,就可以完成整个转子的加工了。加工流程图如4 所示:
图4 加工流程图

3 伺服机构的位置控制方案
进给伺服系统,是数控机床的重要组成部分。其性能在很大程度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质量和生产效率。
数控进给伺服系统是一个位置控制系统,按有无位置检测和反馈进行分类,可分为:开环进给伺服系统、半闭环进给伺服系统和闭环进给伺服系统。
1)开环进给伺服系统
开环进给伺服系统是最简单的进给系统,如图5 所示。这种系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。系统不需要对实际位移和速度进行测量,更无需将所测得的实际位置和速度反馈到系统的输入端与输入的指令位置和速度进行比较,故称之为开环系统。系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度以及系统的摩擦阻尼特性。
开环进给系统的结构较简单,调试、维修、使用都很方便,工作可靠,成本低廉。
在一般要求精度不太高的机床上曾得到广泛应用,但随着制造行业对数控加工精度要求的不断提高,开环系统已经很少被采用了。
图5 开环进给伺服系统
2)闭环和半闭环进给伺服系统
闭环和半闭环进给系统如图6 所示。系统所用的伺服驱动装置主要是:直流或交流伺服电机以及电液伺服阀——液压马达。与开环进给系统最主要的区别是:安装在执行部件或其他传动元件上的位置检测装置,将执行部件的实际位移量转换成电脉冲或模拟电压量后,反馈到输入端与输入位置指令信号进行比较,将两者的差值放大和变换,控制伺服驱动装置驱动执行部件以给定的速度向着消除偏差的方向运动,直到指令位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。在系统中,位移指令与位置检测反馈信号比较得到位置误差经变换放大作为速度指令的环节称为位置环,即位置控制回路。还有速度控制回路与电流控制回路,即速度环和电流环。
由于采用了位置检测反馈装置,所以,闭环和半闭环进给系统在结构上较开环进给系统复杂。但是,却具有较高的精度、速度和动态特性。在数控机床上得到了广泛的应用。
如图6 (a)所示,将检测元件装在执行部件上,直接测量执行部件的实际位移来进行反馈的进给系统称为闭环进给系统。如果将检测元件安装在中间传动件上,如图6 (b )所示,检测元件装在伺服电机轴上,间接测量执行部件的位置的系统称为半闭环系统。半闭环系统只能补偿系统环路内部元件的误差,而闭环系统却可以消除机械传动机构的全部误差。因此,闭环进给系统较半闭环进给系统具有更高的精度。

6 进给伺服系统

本数控刨床的伺服系统中,有两个伺服轴:A 轴和Z 轴。A 轴带动工件作回转运动,由于工件质量和体积都很大,故其机械惯量、机械常数也很大,这就造成A轴的机械滞后比较严重,在实际加工中形成轮廓曲线时有较大的滞后误差。同时,A轴经过三级齿轮传动,有较大的机械传动误差。因此在制定A 轴的位置控制方案时,我们决定采用全闭环控制。这样,一方面可以对A 轴的机械传动误差进行补偿;另一方面能使其达到同Z 轴相一致的指令跟踪性能。而对于Z 轴,主要是带动刀架上下运动,其机械惯量较小,响应较快。故,Z 轴采用一般的半闭环控制方式。
两个伺服轴的位置检测元件均选用增量式脉冲编码器。Z 轴的编码器为:2500线,编码盘装在电机轴上。A 轴的编码器为:5000 线,经数控系统四倍频后可以达到20000 线。编码盘安装在工件回转轴上。

4 小

对数控刨床的机械结构、运动控制及位置控制进行了分析,选择了相应的方案,为这一专用数控系统的实现奠定了理论基础。


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