专利名称：一种同心不等径对称分布圆弧的数控车削方法及车削装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及数控加工技术领域，特别涉及一种专门针对同心不等径对称分布圆弧的非圆回转体工件的数控车削方法及其数控车削装置。
背景技术：
在很多机械结构中都会采用非圆回转体零件，如内燃机活塞、凸轮轴、盘形凸轮等。在这些零件的加工中，往往需要采用专用设备以满足加工要求，普遍存在投资成本高， 设备柔性化程度低等问题。目前，对于非圆回转体零件的加工技术主要有两种一种是采用硬靠模加工法，另一种是软靠模加工法(数控加工法)。其中，硬靠模加工法即利用仿形加工原理，根据所加工零件的轮廓设计一个或一组靠模，然后通过靠模驱动刀具作切削进给运动，加工出与靠模形状一致的零件，一般采用机械或液压驱动机构。如图1所示为凸轮的硬靠模加工法，通过靠模1的转动，使带有刀具 2的靠轮3作往复运动，从而实现对凸轮4的车削。但是这种方法加工存在设备成本高，机床调整周期长，易磨损等问题，而且其加工精度较低，柔性差。非圆回转体零件加工的另外一种方法是软靠模法(数控加工法)。软靠模加工是借助计算机技术，将非圆轮廓尺寸各参数数据化，形成数字化靠模，并以此进行编程控制相应的机构实现车削加工。其数控系统或在DOS平台下搭建，其电机控制系统采用单片机；或者其数控系统采用上下位机、多处理器协调控制的结构。然而这种方法也存在以下缺点1、 由于单片机处理能力有限，因此系统的控制性能不高，无法满足实现新的控制算法及高速、 高频加工的目的；2、若数控系统采用上下位机、多处理器协调控制，则存在成本很高的问题，并且该机床仍是一种专用设备，柔性差。如图2和3所示为某型曲轴的结构示意图，该曲轴在轴向上分布有8个平衡块，每个平衡块的截面由对称分布、同心但半径不同的两段圆弧R74和R72构成。该零件的平衡块是典型的非圆回转体，要实现对其R74和R72圆弧的加工，可采用传统的硬靠模法或软靠模法，但是，采用这些方法无法回避这些方法的缺点，即设备成本高、精度低(硬靠模法)、柔性差。
发明内容
本发明的发明目的在于针对上述存在的问题，提供一种能有效解决同心不等径对称分布圆弧的非圆回转体零件车削问题，设备成本低、设备柔性强、车削精度高的基于 PMAC运动控制系统的同心不等径对称分布圆弧数控车削方法及其数控车削装置。本发明的技术方案是这样实现的一种同心不等径对称分布圆弧的数控车削方法，包括以下步骤a)、将同心不等径对称分布圆弧的非圆回转体零件一端卡接在主轴卡盘上，若所述零件较长，则通过尾座抵靠在零件的另一端；b)、通过设置在机床上的刀架对通过步骤a)夹持的非圆回转体零件进行车削；其特征在于
在所述步骤a)中，主轴箱中的主轴通过卡盘带动所述非圆回转体零件旋转，在所述主轴的尾端设置有编码器，所述编码器能将主轴实时旋转频率反馈到PMAC控制器；
在所述步骤b)中，所述刀架在X轴滚珠丝杆和Z轴滚珠丝杠的带动下在X轴方向和Z 轴方向运动，PMAC控制器捕获编码器反馈的脉冲信号后，更新刀架在X轴方向上的目标位置信息，控制与X轴滚珠丝杆驱动连接的X轴伺服电机，带动刀架上的刀具作沿X轴方向的往复运动，同时控制与Z轴滚珠丝杆驱动连接的Z轴伺服电机，带动刀架上的刀具作沿Z轴方向的进给运动。本发明所述的同心不等径对称分布圆弧的数控车削方法，其在所述步骤b)中， PMAC的时基控制用编码器反馈的主轴旋转的频率控制刀架的执行速率，所述刀架的运动速度与主轴旋转频率成正比，刀架在所有位置保持与主轴同步。一种同心不等径对称分布圆弧的数控车削装置，其特征在于包括机床主体、PMAC 控制器、电动刀架、X轴伺服电机及滚珠丝杠、Z轴伺服电机及滚珠丝杠，在机床主轴箱中设置有主轴，所述主轴的动力输出端设置有卡盘，在所述主轴的尾端设置有编码器，所述X轴滚珠丝杆和Z轴滚珠丝杠设置在机床主体上，所述X轴滚珠丝杆和Z轴滚珠丝杠分别与对应的X轴伺服电机和Z轴伺服电机驱动连接，所述电动刀架通过X轴滚珠丝杆和Z轴滚珠丝杠分别在X轴方向上作往复运动，在Z轴方向上作进给运动，所述编码器、X轴伺服电机和ζ轴伺服电机分别与所述PMAC控制器连接。本发明所述的同心不等径对称分布圆弧的数控车削装置，其所述编码器安装在机床主轴尾端，实时检测主轴旋转频率。本发明所述的同心不等径对称分布圆弧的数控车削装置，其所述X轴滚珠丝杆和 Z轴滚珠丝杠通过无齿隙联轴器分别与X轴伺服电机和Z轴伺服电机连接。本发明所述的同心不等径对称分布圆弧的数控车削装置，其所述X轴滚珠丝杆和 Z轴滚珠丝杠采用角接触轴承支撑。本发明通过与主轴同轴旋转的编码器将主轴旋转的实时频率反馈到PMAC控制器，PMAC控制器捕获该反馈脉冲信号后，更新电动刀架(X轴)的目标位置信息，使电动刀架上的刀具在X轴方向上作高频高精度往复运动，即X轴进时车削小径圆弧，X轴退时车削大径圆弧，同时，Z轴实现车削过程中电动刀架在Z方向上的进给运动。综上所述，由于采用了上述技术方案，其有益效果是
1、该方法成功地解决了同心不等径对称分布圆弧的车削问题，主轴转速可控制在 200r/min 以内。
2、该设备成本低，整机成本仅8万人民币左右。3、该设备利用PMAC控制器的强大编程功能，可实现轴类、盘类零件的加工，具有一般数控车床的功能，设备的柔性强。
图1是采用现有硬靠模加工法加工凸轮的结构示意图。图2是某型曲轴的结构示意图。图3是图2中A-A剖面图。图4是本发明数控车削装置的结构示意图。图5是本发明的数控系统结构图。
图中标记1为靠模，2为刀具，3为靠轮，4为凸轮，5为机床主体，6为电动刀架，7 为主轴箱，8为尾座，9为卡盘，10为X轴滚珠丝杆，11为Z轴滚珠丝杆，12为X轴伺服电机， 13为Z轴伺服电机，R72、R74为同心不等径对称分布的两段圆弧半径。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明作详细的说明。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图4和5所示，一种同心不等径对称分布圆弧的数控车削装置，包括机床主体5、 PMAC控制器、电动刀架6、设置在所述机床主体1上的主轴箱7和尾座8，其中，所述机床主体5采用C6140车床光机进行数控化改造，床身材料为耐磨铸铁，床身导轨跨度390mm，导轨经超音频淬火和精磨，拖板道轨贴耐磨聚四氟乙烯软带；在所述主轴箱7中设置有主轴，主轴孔径Φ82πιπι，切削力大，可进行强力切削，主轴运行平稳，精度高，所述主轴的动力输出端设置有卡盘9，在所述主轴的尾端设置有IOM线/转同轴旋转编码器，PMAC控制器是机床的控制中心，PMAC控制器内部RAM上能固化IOM个运动程序，32个PLC程序，由于开放式数控系统的灵活性和高性能，该数控车床既可以完成非圆截面加工，同时有具有普通数控车床的全部功能。在所述机床主体1上设置有X轴滚珠丝杆10和Z轴滚珠丝杠11，所述X轴滚珠丝杆10和Z轴滚珠丝杠11分别与对应的X轴伺服电机12和Z轴伺服电机13通过无齿隙联轴器驱动连接，传动平稳、无噪声，所述X轴滚珠丝杆10和Z轴滚珠丝杠11采用角接触轴承支撑，克服了采用消隙齿轮传动造成的噪音、振动和传动误差；所述电动刀架6通过X轴滚珠丝杆10和Z轴滚珠丝杠11分别在X轴方向上作往复运动，在Z轴方向上作进给运动， 所述编码器、X轴伺服电机12和Z轴伺服电机13分别与所述PMAC控制器连接。该装置的非圆截面车削功能主要是通过PMAC特殊的软件功能实现的，首先获取非圆截面数据信息，根据对主轴编码器信号的解码，插补，完成时基基准计算和装夹定位点的固化，根据主轴编码器时基输出频率，通过特有的时基跟随功能完成对刀具位置的实时调整，实时调整刀具位置来跟随加工非圆截面的轮廓。一种同心不等径对称分布圆弧的数控车削方法，包括以下步骤a)、将同心不等径对称分布圆弧的非圆回转体零件一端卡接在主轴卡盘上(零件较长则通过尾座抵靠在所述零件的另一端)，主轴箱中的主轴通过卡盘带动所述非圆回转体零件旋转，在所述主轴的尾端设置有同轴旋转编码器，所述编码器能将主轴实时旋转频率反馈到PMAC控制器；
b)、通过设置在机床上的刀架对通过步骤a)夹持的非圆回转体零件进行车削；PMAC的时基控制用编码器反馈的主轴旋转的频率控制刀架的执行速率，所述刀架的运动速度与主轴旋转频率成正比，刀架在所有位置保持与主轴同步；所述刀架在X轴滚珠丝杆和Z轴滚珠丝杠的带动下在X轴方向和Z轴方向运动，PMAC控制器捕获编码器反馈的脉冲信号后，更新刀架在X轴方向上的目标位置信息，控制与X轴滚珠丝杆驱动连接的X轴伺服电机，带动刀架上的刀具作沿X轴方向的往复运动，同时控制与Z轴滚珠丝杆驱动连接的Z轴伺服电机，带动刀架上的刀具作沿Z轴方向的进给运动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种同心不等径对称分布圆弧的数控车削方法，包括以下步骤a)、将同心不等径对称分布圆弧的非圆回转体零件一端卡接在主轴卡盘上，若所述零件较长，则通过尾座抵靠在零件的另一端；b)、通过设置在机床刀架上的刀具对通过步骤a)夹持的非圆回转体零件进行车削；其特征在于在所述步骤a)中，主轴箱中的主轴通过卡盘带动所述非圆回转体零件旋转，在所述主轴的尾端设置有编码器，所述编码器能将主轴实时旋转频率反馈到PMAC控制器；在所述步骤b)中，所述刀架在X轴滚珠丝杆和Z轴滚珠丝杠的带动下在X轴方向和Z 轴方向运动，PMAC控制器捕获编码器反馈的脉冲信号后，更新刀架在X轴方向上的目标位置信息，控制与X轴滚珠丝杆驱动连接的X轴伺服电机，带动刀架上的刀具作沿X轴方向的往复运动，同时控制与Z轴滚珠丝杆驱动连接的Z轴伺服电机，带动刀架上的刀具作沿Z轴方向的进给运动。
2.根据权利要求1所述的同心不等径对称分布圆弧的数控车削方法，其特征在于在所述步骤b)中，PMAC的时基控制用编码器反馈的主轴旋转的频率控制刀架的执行速率，所述刀架的运动速度与主轴旋转频率成正比，刀架在所有位置保持与主轴同步。
3.一种同心不等径对称分布圆弧的数控车削装置，其特征在于包括机床主体、PMAC 控制器、电动刀架、X轴伺服电机及滚珠丝杠、Z轴伺服电机及滚珠丝杠，在机床主轴箱中设置有主轴，所述主轴的动力输出端设置有卡盘，在所述主轴的尾端设置有编码器，所述X轴滚珠丝杆和Z轴滚珠丝杠设置在机床主体上，所述X轴滚珠丝杆和Z轴滚珠丝杠分别与对应的X轴伺服电机和Z轴伺服电机驱动连接，所述电动刀架通过X轴滚珠丝杆和Z轴滚珠丝杠分别在X轴方向上作往复运动，在Z轴方向上作进给运动，所述编码器、X轴伺服电机和ζ轴伺服电机分别与所述PMAC控制器连接。
4.根据权利要求3所述的同心不等径对称分布圆弧的数控车削装置，其特征在于所述编码器安装在机床主轴尾端，实时检测主轴旋转频率。
5.根据权利要求3或4所述的同心不等径对称分布圆弧的数控车削装置，其特征在于 所述X轴滚珠丝杆和Z轴滚珠丝杠通过无齿隙联轴器分别与X轴伺服电机和Z轴伺服电机的主轴连接。
6.根据权利要求5所述的同心不等径对称分布圆弧的数控车削装置，其特征在于所述X轴滚珠丝杆和Z轴滚珠丝杠采用角接触轴承支撑。
全文摘要
本发明公开了一种同心不等径对称分布圆弧的数控车削方法及车削装置，包括机床主体、PMAC控制器、电动刀架、X轴伺服电机及滚珠丝杠、Z轴伺服电机及滚珠丝杠，在机床主轴箱中设置有主轴，所述主轴的动力输出端设置有卡盘，在所述主轴的尾端设置有编码器，所述X轴和Z轴滚珠丝杠分别与对应的X轴伺服电机和Z轴伺服电机驱动连接。本发明通过安装在主轴上的编码器将主轴旋转的实时频率反馈到PMAC控制器，PMAC控制器捕获该反馈脉冲信号后，更新电动刀架(X轴)的目标位置信息，使电动刀架上的刀具在X轴方向上作高频高精度往复运动，即X轴进时车削R72圆弧，X轴退时车削R74圆弧，同时，Z轴实现车削过程中电动刀架在Z方向上的进给运动。
文档编号B23B1/00GK102151844SQ20111004376
公开日2011年8月17日 申请日期2011年2月24日 优先权日2011年2月24日
发明者曹辉, 李自胜, 要小鹏, 龚伟 申请人:西南科技大学