數(shù)控車床主軸自動(dòng)定位修復(fù)螺紋方法的探討與應(yīng)用*

范芳洪 石金艷

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院車機(jī)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)基本都具有加工螺紋功能，螺紋加工應(yīng)用已經(jīng)很普遍了，成為數(shù)控車床的一項(xiàng)基本功能。螺紋修復(fù)在實(shí)際生產(chǎn)中也經(jīng)常遇到，例如螺紋加工好拆卸下來測(cè)量發(fā)現(xiàn)螺紋深度不夠;有些螺紋使用磨損后為了節(jié)省成本通過修復(fù)還可以使用的，在進(jìn)行螺紋修復(fù)時(shí)操作者往往感到很棘手困難大，因?yàn)閷?duì)工件重新裝夾后，螺紋的入刀位置很難和原螺紋的入刀位置一致，螺紋軌跡和原螺紋軌跡不一致，容易發(fā)生亂扣導(dǎo)致整個(gè)工件報(bào)廢。因此有很多操作者寧肯用普通車床來修復(fù)螺紋也不用數(shù)控車床。

1 問題的提出

目前數(shù)控機(jī)床上常用修復(fù)螺紋的方法有螺紋入刀位置動(dòng)態(tài)修正法和零位信號(hào)線標(biāo)記法。螺紋入刀位置動(dòng)態(tài)修正法是先大概確定螺紋的入刀位置，慢速空車螺紋，觀察螺紋的軌跡是否和原螺紋的螺旋槽重合，再動(dòng)態(tài)地修正螺紋的入刀位置，直到螺紋的軌跡和原螺紋重合。這種方法修復(fù)螺紋費(fèi)時(shí)、麻煩且很難找準(zhǔn)螺紋的入刀位置和原來位置重合，易亂扣，修復(fù)成功率低［1］。零位信號(hào)線標(biāo)記法就是在卡盤圓周表面相應(yīng)位置刻零位信號(hào)標(biāo)記，以確定螺紋車削起點(diǎn)，使零位信號(hào)標(biāo)記刻線和工件螺紋的起始位置在同一軸向剖面內(nèi)。這種方向找正的時(shí)間長(zhǎng)，加工效率低［2］。修復(fù)螺紋的難點(diǎn)就是找到主軸一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置，如果在修復(fù)螺紋中主軸能自動(dòng)停止在一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置，就容易保證螺紋軌跡沿著原來的螺旋槽，使得螺紋修復(fù)變得簡(jiǎn)單。下面介紹數(shù)控車床主軸自動(dòng)定位修復(fù)螺紋的實(shí)現(xiàn)方法。

2 數(shù)控車床切削螺紋的原理

數(shù)控車床切削螺紋實(shí)際是主軸對(duì)Z軸進(jìn)給的插補(bǔ)，即主軸工作旋轉(zhuǎn)1周刀具沿Z軸進(jìn)給1個(gè)螺紋導(dǎo)程［3］。所以數(shù)控車床要實(shí)現(xiàn)切削螺紋功能必須要在主軸上加一個(gè)1:1傳動(dòng)的主軸位置編碼器，位置編碼器輸出A、B、C三相信號(hào)，其中C相信號(hào)是一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)［4］。刀具在Z軸方向上檢測(cè)到編碼器的一轉(zhuǎn)零脈沖后才開始進(jìn)刀，每次進(jìn)刀都會(huì)在同一個(gè)位置，螺紋切削過程中主軸與工件之間沒有相對(duì)旋轉(zhuǎn)，這樣才不會(huì)發(fā)生螺紋的亂扣。

3 修復(fù)螺紋關(guān)鍵問題

螺紋的修復(fù)要進(jìn)行二次裝夾，很難保證螺紋工件的入刀位置與主軸位置編碼器的一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置重合，會(huì)形成一定的角度，并且對(duì)刀的難度也很大，所以螺紋的修復(fù)加工比較困難，操作不好，很容易破壞原來的螺紋形狀。從螺紋的切削原理可知，在螺紋修復(fù)中只要能保證主軸位置編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)的位置和螺紋的起始位置重合，并且螺紋的入刀位置在螺紋起始位置外的N導(dǎo)程處就不會(huì)發(fā)生亂扣。這樣修復(fù)螺紋要解決的關(guān)鍵問題總結(jié)歸納如下:

(1)主軸的定位，即主軸停止在位置編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)的位置;

(2)要保證編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)的位置和原螺紋的起始位置重合;

(3)測(cè)量和確定螺紋的入刀位置。

4 主軸自動(dòng)定位修復(fù)螺紋的方法提出

螺紋修復(fù)的最關(guān)鍵的問題是找到主軸編碼器的一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置，在螺紋修復(fù)中主軸若能夠自動(dòng)定位在編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置，調(diào)整工件通過螺紋刀尖找到螺紋的起始位置，這樣螺紋的起始位置和編碼器的一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置重合了，由于入刀位置在螺紋起始位置外N個(gè)導(dǎo)程處，那么螺紋的入刀位置也和編碼器的一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置重合了。然后通過對(duì)刀確定修復(fù)螺紋的入刀位置，來完成螺紋的修復(fù)加工。主軸定位后就不能轉(zhuǎn)動(dòng)，否則在找螺紋的起始位置和對(duì)刀時(shí)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使螺紋的入刀位置和編碼器的一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置發(fā)生相對(duì)偏移導(dǎo)致螺紋亂扣。

5 主軸自動(dòng)定位修復(fù)螺紋方法的實(shí)現(xiàn)

5.1 主軸的自動(dòng)定位

多功能數(shù)控車床具有主軸定向的功能［5］，只要修改主軸定向偏轉(zhuǎn)角度，就可以實(shí)現(xiàn)主軸能停在任何位置。如果設(shè)置主軸定向偏轉(zhuǎn)角度參數(shù)為0，主軸就停在編碼器的一轉(zhuǎn)零脈沖位置。實(shí)現(xiàn)主軸的定位比較容易。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床不具有定向功能，怎么來實(shí)現(xiàn)主軸的自動(dòng)定位即主軸自動(dòng)停止在編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置上呢?經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的編碼器的一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)的主要作用是切削螺紋和每轉(zhuǎn)進(jìn)給的同步信號(hào)，通過顯示器能查看到編碼器的一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)狀態(tài)，該信號(hào)狀態(tài)為“1”，表示主軸的位置正好在編碼器的一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置，為0表示主軸在其它位置，可以通過編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)主軸的自動(dòng)定位。以FANUC 0i－mate tc系統(tǒng)CK6150經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床為例來說明在修復(fù)螺紋中主軸自動(dòng)定位的實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)的接口信號(hào)F47.0［6］是編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖診斷信號(hào)，信號(hào)狀態(tài)為1表示主軸在一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置。在機(jī)床停止?fàn)顟B(tài)下，用手轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到F47.0信號(hào)從0變化到1時(shí)，主軸的電磁抱閘裝置制動(dòng)主軸，主軸就停止在編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置，實(shí)現(xiàn)了主軸的自動(dòng)定位。為了使電磁抱閘裝置在編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置制動(dòng)主軸，需要設(shè)計(jì)主軸的一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)制動(dòng)功能。

5.2 主軸一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)制動(dòng)設(shè)計(jì)

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床為了主軸快速的停止，都設(shè)置了主軸停車制動(dòng)，最常用的主軸制動(dòng)方式是電磁抱閘制動(dòng)［7］。當(dāng)有主軸停車命令時(shí)，電磁抱閘裝置制動(dòng)主軸使主軸快速停下來，主軸停止后，電磁抱閘裝置松開，主軸可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。為了只在修復(fù)螺紋主軸定位時(shí)，有編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)時(shí)才制動(dòng)主軸，在操作面板上設(shè)置了一個(gè)帶指示燈的“螺紋修復(fù)功能鍵”按鈕，根據(jù)系統(tǒng)的I/O資源給按鈕開關(guān)分配輸入輸出地址，在本機(jī)床中的該按鈕的輸入地址為X20.3，按鈕指示燈輸出地址為Y16.3。按下該鍵螺紋修復(fù)功能有效按鈕指示燈亮，再按下該鍵解除螺紋修復(fù)功能按鈕指示燈熄滅。只要在螺紋修復(fù)功能有效情況下，主軸處于停止?fàn)顟B(tài)并且檢測(cè)到編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)電磁抱閘裝置才制動(dòng)主軸，避免了在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)中制動(dòng)主軸引起意外事故。主軸一轉(zhuǎn)零脈沖制動(dòng)電路可以利用主軸停車時(shí)的電磁抱閘制動(dòng)電路，只要增加相應(yīng)的主軸一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)制動(dòng)的PLC控制程序。主軸一轉(zhuǎn)零脈沖制動(dòng)電路和PLC控制程序如圖1所示。

5.3 對(duì)刀

主軸定位后主軸停在一轉(zhuǎn)零脈沖位置，電磁制動(dòng)使主軸不能旋轉(zhuǎn)，松開工件夾緊裝置(卡盤)旋轉(zhuǎn)工件，使得螺紋的起始位置和螺紋刀尖對(duì)齊，夾緊工件，這就保證了編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)位置和螺紋起始位置重合了。對(duì)刀是螺紋工件能否成功修復(fù)的很重要的一步，對(duì)刀過程中主軸不能旋轉(zhuǎn)，對(duì)刀的方法如圖2所示，一般以螺紋的右端面為工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)，盡量將刀尖對(duì)入螺紋底部，記錄對(duì)刀坐標(biāo)值P1(X1，Z1)X1是該處螺紋底徑，將(X1，Z1+nL)的值輸?shù)铰菁y刀的形狀坐標(biāo)值中［8］，完成對(duì)刀。其中n是對(duì)刀點(diǎn)離螺紋起始位置的導(dǎo)程個(gè)數(shù)，L是螺紋的導(dǎo)程。

5.4 螺紋入刀點(diǎn)的計(jì)算

螺紋入刀點(diǎn)要在螺紋端面以外的一或兩個(gè)導(dǎo)程處，入刀點(diǎn)到對(duì)刀點(diǎn)的Z向距離必須為螺紋導(dǎo)程的整數(shù)倍NL，L為導(dǎo)程，N為入刀點(diǎn)到對(duì)刀點(diǎn)的導(dǎo)程個(gè)數(shù)，設(shè)螺紋入刀點(diǎn)坐標(biāo)為P2(X2，Z2)螺紋入刀點(diǎn)的示意圖如圖3所示。對(duì)于圓柱直螺紋的入刀點(diǎn)P2的值為X2=X1，Z2=(N－n)·L。對(duì)于圓柱錐螺紋入刀點(diǎn)P2的值為:

6 主軸自動(dòng)定位修復(fù)螺紋的應(yīng)用

某一加工好的錐螺紋拆卸下來測(cè)量發(fā)現(xiàn)螺紋牙的深度淺了2mm，該工件的圖紙如圖3所示，螺紋的導(dǎo)程為2mm。

(1)按下面板上的“螺紋修復(fù)功能鍵”按鈕，按鈕指示燈亮，主軸一轉(zhuǎn)零脈沖制動(dòng)有效。用手低速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，當(dāng)編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)，電磁抱閘裝置制動(dòng)主軸，主軸不能轉(zhuǎn)動(dòng)。松開卡盤轉(zhuǎn)動(dòng)工件，將螺紋的起始位置對(duì)準(zhǔn)螺紋刀尖位置并將工件夾緊。

(2)將螺紋刀尖移動(dòng)到距螺紋端面第4個(gè)導(dǎo)程螺紋底部，記住此時(shí)P1(X1，Z1)的坐標(biāo)值，將(X1，Z1+8)值輸?shù)铰菁y刀具形狀坐標(biāo)值中完成了螺紋刀具的對(duì)刀。

(3)計(jì)算螺紋入刀點(diǎn)P2(X2，Z2)值，螺紋入刀點(diǎn)選在螺紋起始位置外一個(gè)導(dǎo)程處，離對(duì)刀點(diǎn)5個(gè)導(dǎo)程，根據(jù)以上的計(jì)算公式得到P2點(diǎn)的坐標(biāo)值為:

(4)根據(jù)P2的值修改螺紋程序，再按一次面板上的“螺紋修復(fù)功能鍵”按鈕，按鈕指示燈熄滅，解除主軸一轉(zhuǎn)零脈沖制動(dòng)功能，主軸恢復(fù)自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。原螺紋加工程序如下:

計(jì)算出P2值后，只要將X130中的130改成X2，Z4中4改成Z2就可以加工了。

(5)加工修復(fù)螺紋，修改螺紋底徑X2的值，直到符合要求為止。

7 結(jié)語

主軸自動(dòng)定位修復(fù)螺紋的方法無需對(duì)機(jī)床增加硬件，只需要稍微修改主軸制動(dòng)的PLC控制程序，就能方便地修復(fù)螺紋，解決了數(shù)控車床傳統(tǒng)螺紋修復(fù)中螺紋起始位置和一轉(zhuǎn)零脈沖對(duì)準(zhǔn)難的問題，使得螺紋修復(fù)簡(jiǎn)單效率高，并且操作快捷方便。該方法已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，原來半個(gè)小時(shí)修復(fù)不好的螺紋，現(xiàn)在幾分鐘就能修好，是一種較好的數(shù)控車床修復(fù)螺紋的方法，使操作者在數(shù)控車床上修復(fù)螺紋不再是一件困難的事。本方法的研究思路對(duì)同行的技術(shù)人員也有一定的借鑒作用［9］。

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［8］FANUC.FANUC 0i數(shù)控系統(tǒng)操作說明書［M］.北京:北京發(fā)那科數(shù)控有限公司，2008.

［9］范芳洪.CNC－1250立式龍門加工中心第四軸的改造［J］.機(jī)電工程，2013(9):1068－1072.