高精度球面的数控磨削加工.pdf

高精度球面的数控磨削加工 黄宏伟 陈相志 余英良 漯河职业技术学院 河南漯河4 6 2 0 0 2 摘要 通过对石油输送管道用大型球体的数控磨削加工 阐述普通磨床的数控改造 应用数控系统的 直线指令 将被控坐标两直线运动的联动运动 转换为两旋转运动的联动运行 实现了等速旋 转运行的球面数控磨削 巧用数控系统的圆弧指令 将被控两坐标的联动运行 转换为两旋转 运动的变速联动运行 很好的解决了因球面各截面旋转时切削线速度不同而造成的球面表面粗 糙度不一致的加工缺陷 实现了变速旋转运行的球面数控磨削 利用数控技术的优越性 实现 了对砂轮磨损的瞬时自动补偿 关键词 球体磨削 机床改造 数控磨削加工 数控变速旋转磨削 参数转换 中图分类号 T G 6 5 9文献标识码 B 文章编号 10 0 9 0 13 4 2 0 0 6 0 6 0 0 5 4 一0 4 受机床结构限制 普通磨床不能磨削如图1 所 示的球体类零件 此大型球体为广泛应用于天燃气 石油管道以及化工类企业毒酸废气流通管道的大型 球阀的核心零件 本文介绍数控改造普通磨床 应 用数控技术磨酎大型球体的原理与具体应用 1 球体成型的运动条件和加工条件 如图1 所示 实现球体绕xj 轴即自身轴线旋转的同时亦绕z庶 轴旋转 具备上述两相互垂直翟丝缓霪纨 的旋转运动 即可满足球体零 件加工的运动成形要求 在上十一一一斋一 x 述基础上 另外控制高速旋转 的砂轮 沿Y 轴方向上进行球体 琵笏荔彩 径向的直线进给 即可满足球心r 体零件所需的加工条件 图I 球体示意图 2 普通磨床的数控改造 数控改造采用S I N U M E R I K8 0 2 S 数控系统 在 M Q 3 1 5 0 E 普通磨床上进行 如图2 所示 把装夹固 定球体零件的工装芯轴 通过双顶尖联接在前支座 和后尾座上 第一台步进电动机 x 向 联接控制 前支座中的主轴顶尖 用来实现球体零件沿自身轴 线的旋转运动 并将前支座和后尾座固定在圆盘工 作台的中心线上 两顶尖连线与圆盘工作台的旋转 中心重合 第二台步进电动机 z 向 联接控制圆 盘工作台的输入蜗杆 用来实现前支座和后尾座以 及球体零件在水平面上的旋转 图2 球体磨削专用数控装置 在装夹固定球体零件的工装芯轴上 用两锥堵 装于球体零件的两端 每端分别用双螺母紧固 芯 轴装于前支座和后尾座后 通过调整来找正球体零 件的球心与圆盘工作台的中心线重合 待找正球心 后 用外螺母锁紧并固定球体零件 即可保证球体 零件与圆盘工作台的同心 用鸡心夹连接 装夹球 体零件的 芯轴与 前支座 顶尖 上述相互垂直 的旋转运动 能够满足球体零件的成型运动 再将 此装置固定在M Q 3 1 5 0 E 磨床的工作台面上 用第三 台步进电动机 Y 向 联接控制磨床砂轮头架运行 的进给丝杠 用来控制实现磨床砂轮头架的进给运 行 由此实现了普通磨床磨削球体零件的专用数控 改造 S I N U M E R I K8 0 2 S 数控系统具有多坐标联动的 功能 当控制X Z 坐标方向上的运动联动运行时 即 控制装夹球体的工装芯轴及球体零件以较快的 速度进行旋转运行 同时控制圆盘工作台以较慢的 收稿日期 2 0 0 5 0 5 2 5 修回日期 2 0 0 6 0 2 2 3 作者简介 黄宏伟 1 9 6 9 一 男 河南漯河人 漯河职业技术学院副教授 硕士 研究方向为机械制造技术 数控技术 研究与实际应用等 1 5 4 1 第2 8 卷第6 期2 0 0 6 0 6 万方数据 速度作转动运行 Y 向坐标的单动运行 用来调整 球体加工的径向进给 因此实现了球面的数控磨削 加工 3 球体 等速旋转和匀变速旋转 的 数控磨削原理 在数控磨削球体中 应用斜线指令 当给定X 向z 向不同长度的位移值时 可以控制x z 坐标方 向上的运动以不同的速度等速旋转运行 由上可知 在应用直线指令进行的数控加工 中 球体零件的自转是等速旋转运行的 由于球体 表面w T 两点 参见图1 所在球体回转圆的截面 直径不同 所以在加工中 球体零件两点处的自转 线速度必定不等量 并因此使得磨削后的球体表面 粗糙度不一致 消除这一缺陷的根本措施 在于球 体实现变速旋转或球体实现匀变速旋转运动 由此 来实现球体自转时线速度恒定的自动变化 应用圆 弧指令磨削球体 可以使这一问题得到圆满解决 在数控系统中 控制圆弧轨迹的运行 采用的 是逐点比较插补法 逐点比较插补法的方法是控制 一个坐标方向每运行位移一步 都与给定轨迹的曲 线坐标进行一次比较 从而决定下一步的运行方向 并以折线来逼近圆弧轨迹 走一步 比较一次 当 两坐标均如此控制运行时 从而完成圆弧轨迹的插 补运行 圆弧轨迹插补运行的误差为步进控制精度 本次改造中此坐标向的步进控制精度为0 0 0 5 m m 由插补原理分析可知 在圆弧轨迹运行中 参 见图3 若从B 点运行至A 点 按数控加工的控制 方式 将其分解为两个坐标方向的运动 可以看出 X 向在A 点处无位移 而在B 点处位移最大 x 向 运动的运行长度在各点处各不相同 因为在圆弧轨 迹中的运行速度F 为恒定值 所以可以判断出 X 向 在B 点处的位移最大且运行速度最快 即给定运行 速度 X 向在A 点处的位移最小且运行速度为零 说明x 向的运行速度在B A 段圆弧轨迹的运行中是 由快达到慢变化的 是变速运行的 而分解的Z 向 运动正好与此相反 并且两者呈互逆变化 即 分 解圆弧轨迹的运行 一分解运动的运行长度越来越 大且运行速度越来越快 另一分解运动的运行长度 越来越小且运行速度越来越慢 或两分解运动互 反 上述变化均呈余弦渐变趋势变化 在如图2 所示的球体磨削专用数控装置上 应 用圆弧指令 来运行B A 段圆弧轨迹来进行球体的 磨削加工时 可以使得X 向步进电动机带动球体零 件的自转速度呈0 一m a x 自动变化 Z 向步进电动 机驱动圆盘工作台的转动 速度呈m a x 0 自动变化 万方数据 图4 参数转换图 零件的自转速度 参见图1 中球体 零件w 点 先以最 高速度逐渐变慢 至最低速度 图1 中球体零件T 点 然后自转速 度再从最低速度 逐渐变快至最高 速度 因此单条 圆弧指令仅运行球面弧长之半 当给定圆盘工作台的旋转角度之半a 2 球体 自转此时到达最低转速 是z 向旋转所需的实际位 移长度 L P 尘 竺 P 竺 6 3 6 028 将上述各值L L u L L 代入圆弧轨迹中 参见图4 可知 球体自转所需位移长度为L L w 延长线段E F 与X 轴相交于H 点 可以证明此 点处球体的自转速度为零 所需位移长度也为零 经推导可得控制运行中圆弧半径R 的计算公式 R 晤丽 式中L L 为段圆弧中的球体自转所需位移 L 产 w b 为段圆弧中的球体旋转所需位移 L z L P L 一 由数控系统插补原理可知 在数控系统控制各 坐标轴运行时 是以给定的速度来运行完成所需轮 廓轨迹的拟和 所以在数控加工运行的瞬间 只有 单坐标方向在运行 而且此运行以给定的速度进 行 另一坐标方向的运行也是如此 两坐标方向的 运动和 才是数控指令中给定的运行速度F 因此在 确定了磨削时间T 球面弧长L 与球面单位时间磨 削长度L 的比值 数控指令中运行速度F 按下式 计算 F L L z 十L 2 5 应用实例 磨削如图5 所示的球体零件 编程参数计算 如下 球面夹角即圆盘工作台的旋转角度为 a 9 7 1 8 0 7 5 5 7 8 选择确定 球面单位时间的磨 削长度 L i 1 8 m m m i n 球体零件的单位时间 转速N 1 7 r m i n 由此可得 球面磨削所需的时 间T 为 1 1 8 8 4 5 8 2 3 9 8 m i n 球体自转即X 向所 1 5 6 1第2 8 卷第6 期2 0 0 6 0 6 需的位移长度 L x 1 9 2 2 2 7 4 0 5 m m 圆盘工作台 的旋转即Z 向旋转所需的全长位移长度 L 备 1 4 5 7 7 11 3 3 7 m m 先进行球体零件等速自转的试磨削 可以得到 最好的表面粗糙度对比 球体数控磨削的加工轨迹 运行路线参见图6 结果为球体最小直径处的表面 粗糙度最好 球体匀变速旋转的参数计算如下 球体最小直径处自转所需的位移长度 L w 1 9 2 2 2 7 4 0 5 m m 由线速度相等 可知球体最大直径处的自转转 速 N I1 4 0 7 r m i n 球体最大直径处自转所需的位移长度 L r 1 2 8 9 8 4 5 8 8 5 m m 圆盘工作台的旋转即Z 向旋转所需的实际位移 长度 L 7 7 2 8 8 5 5 6 7 m m F E 段圆弧的所需位移长度 X 向 L x L w L 6 3 2 4 2 8 16 5 m m Z 向 L L z L f 13 5 0 0 0 0 0 0 0 2 m m 所需圆弧半径为 尺 晤面 1 3 1 8 9 1 5 6 9 程序指令中的运行速度为 F 1 0 5 8 6 7 m m m i n 6 砂轮磨损的瞬时自动补偿 在进行球体磨削的过程中 必然存在着砂轮磨 损 当精磨进给量f 很小时 砂轮磨损量近似呈线性 关系均匀发生 砂轮磨损并随着磨削时间的延长而 呈正比例加剧 从而使得球体零件的尺寸一端大 一端小 并使得球体的最大直径尺寸不在球心上 而是偏向球体零件的某一端 上述误差使得球体的 i f C 一j 卜 一 旷 I 一 n i B 心爱缈 i 匝1 1 n n 图5 零件图 型面精度遭到严重破 坏 数控加工可以实现 对砂轮磨损进行瞬时 的自动补偿 具体做法 如下 通过定值进给量 f 的试磨削 根据磨削 中的磨削次数和磨削 时间 砂轮的材料 进 给量的大小等因素 实 际测定砂轮的磨损量 或者球体一端尺寸的 增大值 设定其为A r 在磨床的数控改造 万方数据 中 Y 向步进电动机用来控制砂轮磨头的进给运行 即 控制球体零件的径向进给 此坐标向步进控制精度改 造中设计为0 0 0 0 2 r a m 提高此方向步进控制精度的目 的 就在于对砂轮磨损进行瞬时的自动补偿 例如设 定砂轮的磨损量A r 0 1 0 m m 当进行球体零件的磨削 时 在z 向 x 向步进电动机控制球体零件的旋转运 行和控制球体自转转动的等同运行时间内 Y 向步进 电动机也同时控制砂轮磨头径向进给运行 卸 1 0 m m 等于在磨削球体零件的同时 砂轮自动沿球体零件径 向进给了砂轮的磨损量 由于此进给是在磨肖I j 力 工中 瞬时自动实现的 所以实现了球体磨削中砂轮磨损的 瞬时自动补偿 应用圆弧指令进行数控磨削加工时 砂轮磨损 的瞬时自动补偿是应用螺旋线插补指令的控制来实 现的 螺旋线指令用x 向和z 向来插补圆弧轨迹 用Y 向来插补螺旋线轨迹的螺距 应用螺旋线指令 的螺距来控制砂轮磨损的瞬时自动补偿的计算如 下 砂轮的磨损A r 0 1 0 m m 是在磨削球面夹角 x 2 4 8 5 9 0 3 7 7 8 9 的等同时间内磨损的 所以螺 旋线指令的螺距为 Y 0 7 4 0 8 8 7 4 2 5 m m 球体的数控磨削中 在进行了砂轮磨损瞬时自 动补偿后 仍需要再进行数次无进给的球面磨削 更可使球面磨削的精度得以可靠的保证和提高 球体的数控磨削中 应使砂轮在一次磨削后与 工件相脱离 所以圆盘工作台的旋转长度L 匕 2 B 式中B 为砂轮厚度 参考文献 1 张新义 经济犁数控机床系统设计 M 北京 机械工业出 版社 1 9 9 4 2 林其骏 微机控制机械系统设计 M 上海 上海科学技术 出版社 1 9 9 1 3 余英良 机床数控改造设计与实例 M 北京 机械工业出 版社 1 9 9 8 4 王永章 等 机床的数字控制技术 M 哈尔滨 哈尔滨工业 大学出版社 1 9 9 5 出 j 出 毫 童 j 直 矗岛 南岛 j 岛 出 寺岛 毒品 品 品 岛 矗 矗Ig k 涵k 柚k 岛 岛 j 出I 妇j 蠢 上接第6 页 结最佳实践的经验 为新的评价提供参考模版 该研究工作对于信息化评价体系和方法研究与 实践的进一步推进提供了方法论 图5 企业信息化评价框架 参考文献 1 李清 陈禹六 企业信息化总体设计 M 清华大学出版社 北京 2 0 0 4 2 姜奇平 胡建生 国内外企业信息化指标体系比较研究 O E B L h t t p w w w e c o r g c 1 1 2 0 0 4 0 5 0 8 c o n t e n L l 4 5 6 7 5 h t m 2 0 0 4 0 5 0 8 3 C o m m i t t e eo nv i s i o n a r ym a n u f a c t u r i n gc h a l l e n g e s A V i s i o n a r ym a n u f a c t u r i n gc h a l l e n g e sf o r2 0 2 0 C 1 N a t i o n a lA c a d e m yP r e s s W a s h i n g t o n D C 1 9 9 8 4 W H I T M A NL R A M A C H A N D R A NK K E T K A RV A t a x o n o m yo fal i v i n gm o d e lo ft h ee n t e r p r i s e J S i m u l a t i o n C o n f e r e n c e P r o c e e d i n g so f t h eW i n t e r 2 0 0 1 2 2 8 4 8 8 5 5 5 T H O M A SLS M o d e l s m e t h o d s c o n c e p t sa n da p p l i c a t i o n so f t h ea n a l y t i ch i e r a r c h y M P r o c e s s w i t hL G V a r g a s K l u w e r A c a d e m i cP u b l i s h e r s B o s t o n 2 0 0 0 6 T H O M A SL S A A T Y C r e a t i v et h i n k i n g p r o b l e ms o l v i n g d e c i s i o nm a k i n g M R W SP u b l i c a t i o n s 4 9 2 2E l l s w o r t h A v e n u e P i t t s b u r g h P A1 5 2 1 3 2 0 0 1 7 D O U M 匣I N G T SG D U C QY V A L L E S P I RB K L E I N H A N s S P r o d u c t i o nm a n a g e m e n ta n d e n t e r p r i s e