數(shù)控銑磨床精加工熔鑄耐火材料過切點(diǎn)問題研究

摘 要：本文介紹了熔鑄耐火材料精加工圓弧極值點(diǎn)加工分析，系統(tǒng)分析了多功能數(shù)控銑磨床樣機(jī)設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)介紹，它構(gòu)劃出以精加工耐火材料制品為主要對(duì)象的此種設(shè)備設(shè)備的結(jié)構(gòu)，為有關(guān)單位和用戶提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：熔鑄耐火材料加工；專用銑磨機(jī)床；數(shù)控系統(tǒng)

1 問題的提出

筆者為研制“熔鑄耐火材料精加工設(shè)備”試制出一臺(tái)數(shù)控銑磨床。在樣機(jī)試切工件時(shí)，發(fā)現(xiàn)工件過切。工件材料為a-bAl2O3，是玻璃熔窖流道槽中的關(guān)鍵零件，屬難加工的高硬、脆性材料。

經(jīng)過各種工況的反復(fù)試驗(yàn)，過切總在既定的位置，即位于零件的最高處（半徑為50mm 的圓弧極值點(diǎn)處）。為此，筆者進(jìn)行了空載模擬加工，磨具上安裝的鉛筆在白紙上描繪出各種加工曲線，結(jié)果證實(shí)機(jī)床的Z向進(jìn)給在極值點(diǎn)均出現(xiàn)失控下滑的現(xiàn)象，在紙上表現(xiàn)的加工軌跡就是極值點(diǎn)過切。

2 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)

數(shù)控銑磨床樣機(jī)，它采用龍門框架結(jié)構(gòu)，具有較大的整體剛度。機(jī)床設(shè)置了立滑枕（Z軸）、模向滑座（Y軸）及縱向工作滑臺(tái)，且均由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，脈沖當(dāng)量均為0.01mm，其中、Z兩軸為二坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。滑枕、滑座、滑臺(tái)的導(dǎo)軌面采用貼塑軟帶（YT塑料導(dǎo)軌軟帶）新技術(shù)，具有低摩擦、無爬行、耐磨、抗振的特點(diǎn)。立滑枕（含磨具，計(jì)450kg）采用氣囊式蓄能器液壓配重裝置，避免了鉛塊配重的缺陷，慣性小，動(dòng)作快捷靈敏。

從設(shè)計(jì)的角度看，該機(jī)床Y方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過一對(duì)齒輪傳動(dòng)后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)的。滾珠絲杠兩端采用雙支承結(jié)構(gòu)，通過對(duì)支承軸承、絲杠螺母副及絲杠本身的預(yù)緊，傳動(dòng)剛度較大。X軸方向的進(jìn)給與Y方向相同，且它對(duì)加工質(zhì)量的影響甚微。Z軸方向的進(jìn)給與X軸方向相比，滾珠絲杠的下端處于自由狀態(tài)，因此支承剛度較小，絲杠本身無法預(yù)緊。此絲杠驅(qū)動(dòng)立滑枕作上、下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)原理。它與Y軸絲杠聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)Y-Z平面上的曲線加工。此軸是引起過切的根源。

3 過切現(xiàn)象研究

現(xiàn)以與磨具剛性聯(lián)接的立滑枕為研究對(duì)象，它受到重力G，配重拉力F，立滑枕與導(dǎo)軌面的摩擦力Ff以及滾珠絲杠對(duì)立滑枕的驅(qū)動(dòng)力T的作用。在原理上配重力F要與重力G相等。當(dāng)立滑枕向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于Z軸進(jìn)給要換向，電動(dòng)機(jī)接受反向插補(bǔ)脈沖指令而順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)。假如由于制造或裝配原因，傳動(dòng)齒輪副存在間隙，電動(dòng)機(jī)接受反向進(jìn)給指令后，最初的若干個(gè)指令脈沖只能起到消除間隙的作用，因此產(chǎn)生傳動(dòng)誤差的結(jié)果是欠切而不是過切。在實(shí)際控制軟件中，齒輪傳動(dòng)間隙已采取補(bǔ)償措施，欠切也不會(huì)發(fā)生。

1. 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察及理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)所選用的配重蓄能器公稱容積V0偏小，導(dǎo)致配重力F在立滑枕的工作行程范圍內(nèi)變化幅度較大。根據(jù)蓄能器的工作原理，配重力F的變化幅度取決于蓄能器的公稱容積V0、油缸的缸徑及工作行程。當(dāng)V0偏小時(shí)，以工作行程的中點(diǎn)為臨界點(diǎn)，愈是在工作行程的下端部，F(xiàn)值越大：愈是在工作行程的上端部，F(xiàn)值愈小。在試切工件時(shí)，極值點(diǎn)位于工作行程的上半部較高位置，此時(shí)測(cè)出配重力F

2. 在設(shè)計(jì)上，驅(qū)動(dòng)立滑枕的滾珠絲杠為懸伸梁，即其下端沒有支承，顯然此傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度較小。文獻(xiàn)表明：數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中，絲杠和螺母將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成執(zhí)行部件的位移，這相當(dāng)于一個(gè)積分環(huán)節(jié)，而系統(tǒng)的其余部分可以簡化成一個(gè)增益為ks的比例環(huán)節(jié)，因此，進(jìn)給系統(tǒng)可以簡化形式。

從控制系統(tǒng)分類分析，這是一個(gè)Ⅰ型系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是對(duì)階躍位置指令的響應(yīng)沒有穩(wěn)態(tài)誤差，而對(duì)階躍速度，即斜坡位置指令輸入，其響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)位置偏差為e=V/ks，e為速度引起的誤差，是為了建立速度V所必需的指令位置與實(shí)際位置之間的誤差。

本數(shù)控系統(tǒng)采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理，在加工圓弧時(shí)可以認(rèn)為刀具在某點(diǎn)（如P點(diǎn)）附近很小的范圍內(nèi)，切線cd與圓弧非常接近。在這個(gè)范圍內(nèi)，對(duì)切線的插補(bǔ)和對(duì)圓弧的插補(bǔ)，刀具的進(jìn)給速度基本相等。因此，刀具的進(jìn)給速度為

式中：f———插補(bǔ)時(shí)鐘所發(fā)脈沖的頻率

d———脈沖當(dāng)量

a———直線op與Z軸的夾角

顯然Y、Z軸的進(jìn)給速度分別為

當(dāng)加工至極值點(diǎn)時(shí)，a=0°，代入式（2）、（3）得

Vy=fd，Vz=0

磨具中心沿著圓弧曲面的外側(cè)作兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)進(jìn)給，當(dāng)Y軸的位置指令到達(dá)圓弧的極值點(diǎn)B 瞬間，由于速度Vy=fd引起的位置誤差為ey=fd/ks，速度Vz=0 引起的誤差為0，因此磨具中心實(shí)際位置在A處，此時(shí)Z軸的進(jìn)給指令已從正向變成負(fù)向，并瞬時(shí)由補(bǔ)償軟件發(fā)出一定數(shù)量的補(bǔ)償脈沖，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越過傳動(dòng)間隙后，隨即從零開始按插補(bǔ)指令逐漸加速。也就是說，在Z軸換向進(jìn)給時(shí)，由于Y軸存在位置誤差ey=fd/ks，使磨具中心在A處已開始向下切削，這必然造成極值點(diǎn)過切。因此，進(jìn)給系統(tǒng)的速度誤差是造成極值點(diǎn)過切的另一主要原因。

4 消除過切的措施

1. 增大蓄能器的公稱容積V0。經(jīng)力學(xué)計(jì)算，當(dāng)配重力F的變化幅度控制在|F-G|≤0.1的范圍內(nèi)，立滑枕可以在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)失電的情況下靠滑動(dòng)摩擦力就可以在工作行程內(nèi)的任意位置處于靜平衡狀態(tài)，這樣就避免了立滑枕在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作齒隙補(bǔ)舉動(dòng)時(shí)趁機(jī)向下滑動(dòng)，以提高Z軸進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度。

2. 提高Z軸進(jìn)給系統(tǒng)的剛度。傳動(dòng)齒輪采用無間隙設(shè)計(jì)，在滾珠絲杠的下端增設(shè)一個(gè)支承，避免懸伸梁結(jié)構(gòu)。此外，對(duì)軸承、絲杠螺母副及絲杠本身進(jìn)行恰當(dāng)?shù)念A(yù)緊。

3. 在控制軟件設(shè)計(jì)上采用“慢速→延時(shí)”的控制策略，即當(dāng)插補(bǔ)計(jì)算快至圓弧極值點(diǎn)時(shí)，逐漸減小插補(bǔ)時(shí)鐘頻率），以減小速度誤差：當(dāng)?shù)竭_(dá)極值點(diǎn)時(shí)，使磨具停留一段時(shí)間（如40～50ms），然后Y-Z兩軸再按插補(bǔ)指令加速至規(guī)定的切削速度。

4. 根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量及加速度，使傳動(dòng)的增益ks取值最佳。