1 問題的提出
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及制造技術(shù)的進步，以及社會對產(chǎn)品多樣化的需求愈加強烈，產(chǎn)品的更新?lián)Q代加速，產(chǎn)品品種的多樣化，使得生產(chǎn)規(guī)模已由過去的大批量生產(chǎn)方式為主轉(zhuǎn)向以中、小批量輪番生產(chǎn)占主導(dǎo)地位的局面，促進了數(shù)控機床的發(fā)展。數(shù)控機床的發(fā)展出現(xiàn)了向兩端擴展的方向，即一端是發(fā)展高技術(shù)、高功能的數(shù)控產(chǎn)品，另一端是發(fā)展簡易、廉價的數(shù)控機床及兼有手動與NC功能的手動型數(shù)控機床(HAND NC) ，以滿足生產(chǎn)中多層次的要求。
在現(xiàn)行通用的經(jīng)濟型數(shù)控車床中，其縱、橫向的自動進給運動均由步進電機伺服驅(qū)動，共需要兩套伺服系統(tǒng)。而在普通車床中，其縱、橫向進給運動則是由相互自鎖的機械傳動加以實現(xiàn)，無法實現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動功能。唯仿形車床例外，它具有兩坐標(biāo)聯(lián)動功能，可以車削圓柱面、圓錐面和圓弧面等。其斜向仿形運動在標(biāo)準(zhǔn)樣件(硬靠模)的控制下，通過液壓伺服控制系統(tǒng)，作出與縱向主進給運動相適應(yīng)的仿形進給，從而實現(xiàn)了兩坐標(biāo)的聯(lián)動功能。其中，將兩個方向運動聯(lián)系起來的是標(biāo)準(zhǔn)樣件(硬靠模)和液壓伺服控制系統(tǒng)。在具體使用中，需考慮諸如標(biāo)準(zhǔn)樣件的精度、液壓系統(tǒng)的可靠性等問題。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
從仿形機床的加工方式以及仿形刀架的布局特點，再結(jié)合經(jīng)濟型數(shù)控車床的驅(qū)動方式，我們得到啟發(fā)：用軟靠模(數(shù)控編程)取代硬靠模(標(biāo)準(zhǔn)樣件)的工作原理，采用類似于仿形加工的刀架布局，通過對刀架拖板的單坐標(biāo)控制，實現(xiàn)刀架縱、橫向兩坐標(biāo)聯(lián)動，簡化了數(shù)控原理，通過鍵盤手動輸入加工程序，與此同時，還保留了機床原有的操縱手柄，使得加工操作極為方便，并具有良好的柔性。為此，提出了開發(fā)手動經(jīng)濟型數(shù)控刀架的構(gòu)想。手動經(jīng)濟型數(shù)控刀架系統(tǒng)構(gòu)成簡圖如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)構(gòu)成簡圖
整個系統(tǒng)由數(shù)控刀架、Inter8031單片機、步進電機驅(qū)動電源、用于拾取主軸信號的編碼器以及檢測縱向起始信號的位置檢測元件再加上機床本體組成。系統(tǒng)改裝是在原普通車床的基礎(chǔ)上進行的，整個改裝工作量并不大，只需作以下工作：
將原車床的小刀架換下，換上專用的數(shù)控刀架；
在機床主軸上安裝用于拾取主軸信號的編碼器；
在床身導(dǎo)軌上安裝用于檢測縱向起始信號的霍爾元件，與之對應(yīng)，則在縱向拖板上安裝磁鐵，以便產(chǎn)生縱向起始信號。
保留了原機床的縱、橫向操作手柄，這對整個加工帶來極大方便。整個數(shù)控刀架由刀架本體即機械部分與步進電機兩部分組成。步進電機通過傳動絲桿，帶動刀架運動。由數(shù)控刀架的安裝可知：數(shù)控刀架移動軸線與工件端面(垂向)方向之間成a角。數(shù)控刀架所作運動，類似于仿形加工中的斜向仿形運動。所不同的是仿形加工中的斜向仿形運動由硬靠模(標(biāo)準(zhǔn)樣件)加以控制，通過液壓運動加以實現(xiàn)。而數(shù)控刀架所作的斜向運動則是由零件加工程序(軟靠模功口以控制，通過步進電機的伺服運動加以實現(xiàn)。
整個系統(tǒng)的運動由原機床的縱向自動走刀運動與數(shù)控刀架的斜向運動兩部分構(gòu)成，其合成運動可加工圓柱面、圓錐面及圓弧面。
作為主運動的縱向自動走刀與原機床的縱向運動完全一樣，由主軸通過掛輪、走刀箱、縱向絲桿、開合螺母帶動工作臺作縱向運動。通過安裝在主軸上的用于拾取主軸信號的編碼器將主軸旋轉(zhuǎn)信號經(jīng)變換后，送入單片機。同時，將安裝在床身導(dǎo)軌上的霍爾元件所檢測的縱向起始信號也一并送入單片機中。根據(jù)零件輪廓形狀編制的加工程序通過鍵盤事先輸入到單片機中。經(jīng)微處理器處理后，按照加工工件輪廓形狀，發(fā)出一系列脈沖，經(jīng)步進電機驅(qū)動電源進行功率放大后，驅(qū)動步進電機帶動數(shù)控刀架作與縱向自動走刀相適應(yīng)的斜向運動，形成所加工工件的輪廓形狀。
由上可知，本系統(tǒng)為單坐標(biāo)控制實現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動，關(guān)鍵在于尋求縱向自動走刀與數(shù)控刀架斜向運動的聯(lián)系，這一任務(wù)由安裝于主軸上的編碼器加以實現(xiàn)。如何尋找適合于單坐標(biāo)控制實現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動的插補方法則成為本課題的一大特色。
整個加工過程分幾次進刀，完全由零件加工程序確定。
由前述可知：所采用的加工方式與“仿形加工”方式一致，不同之處在于：沒有靠模零件存在，而是采用軟靠模即數(shù)控編程方式代替�？梢钥闯�，它具有如下特點：
編程方式簡單；
整個零件在不同輪廓要素段的加工余量一致，這對于保證零件的加工精度十分重要。
整個程序編制可分為兩大部分：
只有步進電機運動的進刀主運動；
步進電機與縱向自動走刀相配合的輪廓加工子程序。
在整個加工過程中，可視為：在進刀主程序的執(zhí)行過程中，多次反復(fù)調(diào)用輪廓加工子程序。
3 插補原理
在現(xiàn)代CNC數(shù)控機床中，數(shù)控裝置采用的軌跡控制方式，可分為兩大類：一類為參考脈沖法；一類為數(shù)據(jù)采樣法。所謂參考脈沖法就是插補程序每運行一次，根據(jù)各坐標(biāo)軸進給比例決定各軸的單個進給脈沖增量，從而實現(xiàn)進給；而數(shù)據(jù)采樣法則是指插補程序以一定的采樣頻率運行，得到由各軸進給比例關(guān)系決定的與進給速度有關(guān)的、數(shù)字量形式的坐標(biāo)軸在一個采樣周期里的增長段，常用的數(shù)據(jù)采樣插補技術(shù)的算法是時間分割法、擴展的數(shù)字積分法和直接計算法。
上面提到的各種插補方法，可謂多種多樣，但有一個共同的地方在于：所適用系統(tǒng)皆為兩套或兩套以上的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。
手動經(jīng)濟型數(shù)控刀架系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有一個明顯的地方在于希望它只有一套驅(qū)動系統(tǒng)，而另一個方向的運動，則由原機床的運動構(gòu)成。
對一個步進電機進行控制來實現(xiàn)兩坐標(biāo)聯(lián)動，便成為本數(shù)控系統(tǒng)的一大難題，其關(guān)鍵在于尋找一套合適自身的插補算法。作為任何一種插補算法，應(yīng)嚴(yán)格地做到實時控制，這就要求其插補運算不能過于繁瑣，應(yīng)盡量簡捷。結(jié)合手動經(jīng)濟型數(shù)控刀架自身的特點，綜合各種因素，在選用晶振12MH，的8031CPU的基礎(chǔ)上，采用了數(shù)據(jù)采樣法中的直接計算法。盡管這樣，與其它兩坐標(biāo)或三坐標(biāo)控制系統(tǒng)的插補算法相比較，仍然顯得計算過多，但通過周密細(xì)致的理論分析及實驗論證，進行這些運算，完全可以做到實時控制。
由數(shù)控刀架的安裝可知：數(shù)控刀架移動軸線與工件端面方向之間成a角。刀架拖板的縱向移動，由主軸通過掛輪、進給箱、溜板箱帶動縱向拖板運動，主軸每轉(zhuǎn)對應(yīng)的縱向走刀量F可以從進給箱的銘牌中讀得。走刀的信號由安裝于主軸卡盤上的主軸編碼器產(chǎn)生，主軸每轉(zhuǎn)均勻發(fā)出M個脈沖，表示縱向拖板移動了距離F。當(dāng)主軸發(fā)出NZ個脈沖時，對應(yīng)于表示縱向拖板移動了距離NZ*F/M。將此信號輸入微處理器控制數(shù)控刀架沿U軸移動，U軸脈沖當(dāng)量設(shè)為己dU(mm/脈沖)�？刂芔軸的脈沖數(shù)用NU表示。
加工圓柱面、圓錐面和端面輪廓時，NZ與NU之間的關(guān)系可以用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型表示為
NU= Fsinq NZ
dUMcos(q-a)
當(dāng)q=0°時，加工圓柱面，刀架U向維持不動；
當(dāng)q=90°時，加工端面，NZ與NU之間維持一線性關(guān)系；
當(dāng)q=0°～90°時，加工錐面，NZ與NU之間維持一線性關(guān)系。
圖2 凹圓弧插補原理圖
加工圓弧曲面時，因其斜率不斷變化，在主軸脈沖與步進電機脈沖之間，不存在一恒定的比例關(guān)系，所以步進電機脈沖頻率在加工過程中作不停的變化，為變頻率控制。
建模方法：用弦長逼近弧長。整個插補過程分為粗插補、精插補兩部分。以加工凹圓弧為例，由圖2可知
粗插補：qi+1=qi+Dqi(i=0,1,2 …)
初值：q0為前一輪廓段終點的斜率，Dq0=0所以，關(guān)鍵在于求Dqi，利用遞推可求出任意Dqi+1
Nui= Fsinqi *1
dUMcos(qi-a)
式中：i為主軸加工圓弧時產(chǎn)生的第i個脈沖；Nui為主軸產(chǎn)生第i個脈沖時對應(yīng)U軸的脈沖數(shù)。
經(jīng)計算得
Dqi= F
MR(sinqitga+cosqi)
精插補：由計算所得的Nui并不一定為整數(shù)，存在小數(shù)部分。而步進電機所走步數(shù)必須為整數(shù)，將前次插補所留余數(shù)即小數(shù)部分，再加上本次插補的計算結(jié)果，然后對和進行取整，將取整結(jié)果作為該次插補值，又將余數(shù)留待下一次插補再作處理。
總脈沖數(shù)= X縱-X起
引入粗、精插補后，雖每次插補都存在較小誤差，但在整個插補過程中，累積誤差不會大于1 個脈沖當(dāng)量。
終點判別：當(dāng)步進電機實際所走脈沖數(shù)與該加工段所需的總脈沖數(shù)相等時，則停止插補運算。
4 結(jié)論
以刀架為突破口，采用類似與仿形加工的刀架布局，加上專門提出并研制完成的數(shù)控插補方式，通過對刀架拖板的單坐標(biāo)控制，實現(xiàn)了刀架縱、橫向兩坐標(biāo)聯(lián)動。既保留了普通機床操作簡便的特點，又具有數(shù)控機床可以加工錐面、圓弧面等功能，以一套伺服系統(tǒng)代替通常需要的兩套伺服系統(tǒng)的低成本，簡便易學(xué)的程序編制加上易于接受的加工方式都為該方案在機床改造中的應(yīng)用提供了強有力的保證。手動經(jīng)濟型數(shù)控刀架已獲國家實用新型專利，專利號：ZL 95 2 41997.1。
