精密数控

2024-07-01

精密数控（精选八篇）

精密数控篇1

关键词：开关电源,数控电源,直流稳压电源,电流保护,矩阵键盘,dsPIC30F4013

0 引言

在市面上,电源产品各式各样,有可调节的和固定式的。但是这些电源普遍存在一些问题,如转换效率低、功耗大、输出精度不高、可调节范围过小、不能满足特定电压的要求、输出不够稳定、纹波电流过大,并且普遍采用可调电阻器调节,操作难度大,易磨损老化[1]。

针对以上问题,笔者设计了一种精密数控直流电源,在传统电源的基础上增加了以单片机为基础的数字控制部分,克服了普通电源只能输出恒定电压值的缺点,即它能在其它硬件设备的支持下通过单片机编程来改变电压的输出范围和步进系数。

1 总体方案设计

精密数控直流电源总体方案设计框图如图1所示。

工作原理:采用AC-DC主电路输出直流电压,通过DC-DC斩波电路输出电压,并采用过流保护电路实现输出电流的保护。通过矩阵键盘给定输出电压值,通过I2C接口的数字电位器MAX5478控制DC-DC斩波电路的反馈端电压,达到调节输出电压的目的。输出电压经过采样,与矩阵键盘给定电压进行比较,实时改变数字电位器的阻值,构成闭环调节电路,该部分主要通过软件实现。闭环调节可提高稳压电源的带负载能力。

2 主要电路的设计

2.1 DC-DC斩波电路

DC-DC斩波电路采用LM2596开关稳压芯片设计。LM2596为降压型电源管理芯片,能够输出3 A的驱动电流,同时具有很好的线性和负载调节特性[2,3],LM2596可用在高效率降压调节器、单片开关电压调节器、正负电压转换器等电源设备中。本文采用2片LM2596,一片用于单片机等数字控制系统的+5 V供电,另一片用于0～24 V可调输出。DC-DC斩波电路如图2所示。

2.2 过电流保护电路

过电流保护电路采用美信公司的电流检测放大器MAX4374。MAX4374是一种微功耗电流检测集成电路,内部除了电流检测放大器外,还集成了电压比较器及基准电压源,提高了电流检测精度,工作电流典型值为50 μA,工作电压范围宽(2.7～28 V),输入失调电压低,最大值为1 mV,电流检测精度为2%。可用于组成电流检测器、过流保护器等设备中,用于控制精密电源设备。过电流保护电路如图3所示。

2.3 数字控制和显示电路

数字控制电路如图4所示,采用高性能16位数字信号控制器dsPIC30F4013为主控芯片,通过矩阵键盘检测输入电压设定值,经数字电位器MAX5478反馈调节LM2596的FB端(见图2),达到数字控制输出电压的目的。LCD1602用来实时显示电压电流值。

采用数字电位器MAX5478[4]可实现输出电压的微步进调节。MAX5478为非易失、双路、线性变化的数字电位器,能实现机械电位器的功能,采用简单的2线数字接口取代机械调节[5],其标称阻值为50 kΩ。

3 软件设计

在单片机dsPIC30F4013中实现电源各模块的功能,并最终实现总体功能。主程序流程如图5所示。

(1) 检测矩阵键盘的输入,确定输出电压值。

(2) 单片机周期性地对电源输出取样的信号进行转换,得到实时电压/电流数值,处理后经LCD1602显示。

(3) 循环方式对输出电压电流进行监控,如果超过限定值,自动断开主电路。

注意:主程序中应该加上看门狗复位程序,防止程序长时间运行发生错乱。

4 测试

为了验证该电路的可靠性及测试电源的稳定性能, 进行了最大输出电流和负载调试测试。

4.1 最大输出电流测试

最大输出电流的测试结果如表1所示。

从表1可看出,低压段的电流输出值很大,可以达到3.3 A以上;高压输出时,电源大电流的性能有所下降, 总体性能比较稳定,符合设计的要求。

4.2 负载调整率测试

输出电压负载率测试结果如表2所示。

ΔU=max[|U10 Ω-U20 Ω|,|U40 Ω-U20 Ω];α=(ΔU/U20 Ω)×100%。

从表2可看出,该电源的线性调整率较为平稳,在低压和高压输出段都保持着不错的带负载能力,高电压输出时负载调整率略有下降,总体性能比较稳定。

5 结语

高精度数控直流电源采用开关稳压芯片LM2596和16位数字信号控制器dsPIC30F4013,将开关直流稳压电源的高效率性和嵌入式系统的高精度数据采集处理能力相结合,实现了数字控制在精密智能电源模块中的应用。该电源利用数字电位器MAX5478实现输出电压的微步进调节,具有输出电流保护功能、实时显示电压电流、矩阵键盘人机交互等功能。由测试数据可以看出,该直流电源具有输出性能稳定、带负载能力强等优点,具有一定的实用价值。

参考文献

[1]张立祥.一种基于单片机的数控开关电源设计[J].电源世界,2007(4):36-39.

[2]李逾晖.交直交开关电源数控系统设计及关键问题研究[D].杭州:浙江大学,2004.

[3]胡进.一种低纹波输出仪用数控恒压/恒流直流电源的研究[D].杭州:浙江大学,2005.

[4]唐金元,王翠珍.0~24 V可调直流稳压电源电路的设计方法[J].现代电子技术,2008(4):12-14.

精密数控篇2

课题顺利通过验收

2012年10月15日，在首都航天机械公司（211厂）现场，“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项办组织召开了由北京市电加工研究所承担的《特种材料复杂型面加工的五轴联动精密数控电火花成形机床》科技重大专项课题验收会。验收专家组由技术专家和财务专家14名组成。验收会由专项办吴振凯主持。北京市科学技术研究院邵锦文副院长、科研处张经华处长，工信部财务司领导杨晓娟出席了验收会。课题负责人和承担单位代表出席了会议。

会上，课题负责人杨大勇研究员代表课题组就课题研发过程、执行情况、经费管理及使用情况、主要技术创新和取得的成果向专家们进行了汇报。课题参与单位负责人对子课题的完成情况也进行了汇报。技术专家和财务专家审查了相关文件资料，实地考察了生产现场，并进行了认真质询和讨论。专家组认为该课题圆满完成了合同书中规定的研究内容，完全达到了考核的技术指标要求，课题组提供的验收资料齐全，符合验收规范，一致同意该项目通过验收。熊院士及各位专家对课题取得的成果给予了高度评价：“04科技重大专项实施方案总体要求很高，在前期论证时，专家认为五轴联动精密数控电火花成形机床的研制是国家高端先进制造急需的技术装备，按照规划预计2020年完成，而该课题的实施使这个目标提前完成。课题成果在用户单位的实际应用也达到了良好的应用效果，得到了用户单位的认可，成绩来之不易。”

熊院士及各位专家还提出了殷切的希望，他们谈到“高、奇、缺的特种加工技术对中国航天航空事业至关重要，希望课题承担单位能够立足用户需求，进一步提高精度和可靠性，形成规模化生产，替代进口，继续保持技术领先水平！”

《特种材料复杂型面加工的五轴联动精密数控电火花成形机床》课题于2009年立项，北京市电加工研究所作为责任单位，与北京机床所精密机电有限公司、哈尔滨工业大学、大连理工大学、首都航天机械公司联合承担。五轴联动精密数控电火花加工设备代表着当今国际同行业技术的最高水平，发达国家对我国出口管制严格。本课题研制的工程化、可用于工业生产环境的五轴联动精密数控电火花加工装备，能解决常规机械加工及数控切削不能解决的加工难题，尤其是航天航空等国防高科技行业关键零部件的加工难题，突破西方国家“高、精、尖”设备对我国的技术壁垒，提升我国相关行业的生产能力。

数控精密车床装夹防错技术篇3

关键词：数控精密车床,防错,切削用量,光电传感器

图1中所示的工件,其毛坯采用压力铸造方法成型,虽然此种毛坯较为精密,但也会出现一些微小瑕疵;另外,此工件体积小,生产批量大,即使操作者很熟练,也难保证每个毛坯都装夹得十分可靠,因此导致一系列装夹故障出现,这就需要找到一种方法避免装夹故障。在产品设计阶段对其进行了PFEMA(潜在失效模式及后果分析),可得出如表1结论。

1 防错原理及加工系统分析计算

虽然工件毛坯的外观和关键尺寸在进货时抽验,但仍难免会有个别不良品流入生产现场,加上操作者的一些疏忽,就会带来一系列的装夹故障,为了有效地避免装夹故障,笔者经过潜心研究,并借鉴了日本的技术,找到了一种经济可靠的防错办法。原理及实施过程如下:

1.1 防错原理分析

按表1的分析绘制出工件装夹防错原理图(图1)。工件装夹在主轴端的夹具内,二者同步运动,可视为一个整体,记作“整体一”;推进器夹持座固定在刀塔上,光电传感器也固定在刀塔上,三者相对位置不变,亦可视为一个整体,记作“整体二”。当检测程序开始运行时,“整体二”便按图1所示的运动方向运动。弹力推进器装在推进器夹持座内,在弹力推进器左端面未与工件接触时,其与“整体二”同步运动。当其与工件接触后,便与“整体一”同步运动,而与“整体二”产生相对运动。当弹力推进器右端面运行到M58检测工位时,光电传感器指示灯未亮,机床按程序设定的M58指令执行,通过;当弹力推进器右端面运行到M59检测工位时,光电传感器指示灯刚好亮,机床按程序设定的M59指令执行,通过。设弹力推进器右端面从M58检测工位移动到M59检测工位的距离(工件安全偏移范围)为L,此距离要保证光电传感器指示灯由未亮转为刚好亮,则两个检测工位的检测均通过,证明工件装夹无故障,光电传感器产生表2中的状态1,加工程序继续运行;当工件轴向尺寸超差或有毛刺、飞边等缺陷时,或是操作者将工件未装牢、装偏、漏装时,都会造成弹力推进器右端面超出规定的运动范围L,这样会令光电传感器产生表2中的状态2、状态3、或状态4,机床报警,加工程序停止运行。这就是防错的基本原理,按此原理增设的数控精密车床防错系统实物如图2所示。

1.2 装夹故障逻辑分析

从表2看出,光电传感器状态2、3、4均有报警,加工程序将停止执行,只有在状态1时加工程序才继续进行,这样就确保了正确逻辑的唯一性。

1.3 计算工件安全偏移范围L

计算刀具系统中各刀具的端面最大理论切削用量(略),选出相比之下端面最大理论切削用量ap最小的刀具(图3、4、5所示即为此刀具),对其进行具体分析计算,算出其实际可用的切削用量ap,然后,再根据工件加工余量Δ推算出工件安全偏移范围L。

图中:ap为刀具切削用量(背吃刀量);kr为主偏角;Δ为工件加工余量;rε为刀尖圆弧半径;εr为刀尖角;S为刀尖长度

如图3、4、5所示,已知条件:de=oh=of=rε=0.2,S=2.7,求:最大ap

将式(2)-(6)和已知条件代入式(1)得出:

最大ap=rε+(S-rε+rεcos45°)cos15°/cos30°

≈0.2+(2.7-0.2+0.2×0.707)×0.966/0.866

≈3.146

此刀具使用参数中规定,许用切削用量取最大ap的65%,同时考虑到机床的气动夹具装夹力较小,则给定一个安全系数为0.8。此刀具实际可用的切削用量为:实际ap=最大ap×65%×0.8=1.636

工件加工余量Δ=0.5,刀具的实际ap>Δ,满足加工要求,且还余下1.136(1.636-0.5=1.136)的加工能力。由此,可以将工件安全偏移范围控制在0≤L≤1内。

2 编制防错数控程序

按工件安全偏移范围L(取其最大值1)进行编程如下:

注:程序中的-18.5-(-19.5)=1,即为零件安全偏移范围L。

3 结语

经过一年多的工程应用证明,此种数控精密车床装件防错技术方便、快捷、可靠,可检出因各种原因造成的装件故障,进而避免了撞刀、伤件、误工等对企业造成的损失,是一种值得在自动化数控加工系统中广泛采用的防错技术。

参考文献

[1]陈日耀.金属切削原理[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2]王启平.机械制造工艺学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1999.

[3]齐占庆.机床电气控制技术[M].北京:机械工业出版社,1999.

[4]张永乐.RC1/4圆锥内螺纹的数控铣削[J].现代制造工程,2007(4):32-34.

[5]王磊.加工工件棱边圆角的编程及加工技巧[J].现代制造工程,2007(4):35-36.

高强度中厚板精密数控开卷线浅析篇4

进入21世纪以来, 我国的钢铁工业以每年20%以上的增长率迅速发展, 已经接近10亿吨的产能, 其中中厚板作为重要的钢材品种, 一直占钢材总产量的20%左右。随着我国经济的高速发展, 对高强度、高韧性、耐腐蚀、低屈服比、焊接性能优良的中厚板的需求非常强劲, 已广泛应用于汽车、造船、工程机械等领域, 在国民经济中占有重要地位。

针对高强度中厚板矫平时内应力难以释放、易回弹、龟背不易消除、氧化皮难以清除、修边圆盘刀易崩刃等特点, 需要配置有高精度矫直机、自动调整修边机组、低噪声码垛、刷料除尘等功能的高强度中厚板精密数控开卷矫平生产线。

1 生产线工艺流程

如图1所示, 该生产线工艺流程为:上料→开卷→引料头→粗矫直机→切头→活套储料→纠偏→修边→碎边切断→活套储料→纠偏→精矫直机→测长→刷料除尘→剪切→输送→垛料→出料→液压系统、气动系统、电气系统。

2 生产线主要设备的性能特点

2.1 单辊独立调整式重型矫直机

如图2所示, 一般的重型矫直机的机架主要采用上滑块整体平行或倾斜式调整的焊接式机架, 由于高强度厚板卷材基本是热轧材质, 具有热处理性能不稳定、板厚不均匀、板内应力过大等特点, 在矫直过程中往往按通用标准设计的机身刚度不能承受局部特殊应力变形而产生整体弯曲, 造成矫直辊随机座的整体变形而弯曲, 进而使辊系间的辊缝呈抛物线状放大趋势, 既无法贴合原始板态又引起了支撑辊的严重偏载, 使得原始板料未能达到良好的矫直效果, 对于高强度中厚板的矫平质量更加无从保证。通用的解决方法是继续增加滑块和底座的高度, 缓解机身刚度变形, 但带来的是成本的增加, 同时由于卷材的不稳定性可能还会继续碰到类似问题, 因而并未能从根本上解决这类问题。

针对这种状况, 研发了单辊独立调整式重型矫直机, 如图3所示。该设备有以下特点:

(1) 采用了矫直机预应力机架。与焊接式机架相比, 这种机架具有结构紧凑、刚度大、重量轻的特点。预应力机架主要包括拉杆及液压螺母、立柱、上横梁和底座等几部分, 通过高强度预应力拉杆和液压螺母将底座、立柱和上横梁紧密连接在一起。当矫直机工作时受矫直力的作用, 预应力拉杆和立柱的受力得到再分配, 拉杆受力增加产生拉伸变形, 立柱受力减少发生压缩变形, 充分发挥了各部件材料的性能。

(2) 改多辊整体调整为单辊独立调整机构。根据中厚板矫直原理, 中厚板矫直时最佳的弯曲曲率在第3根矫直辊处最大, 沿矫直机出口方向逐渐减小。而目前大部分矫直机采用整体压下上矫直辊的调整方式, 这就很难进行上述调整以达到中厚板的最佳弯曲顺序。单辊独立调整式重型矫直机通过调整下辊处能够相互滑动的楔形块来实现矫直辊的单独调整, 实现了对中厚板料的反向弯曲和带负载压料。

(3) 由于板材在轧制过程中产生的纵向弯曲 (波浪形) 、横向弯曲、边缘浪形、中间瓢曲和镰刀弯等缺陷, 可通过对矫直辊上辊的挠度进行相应的曲率调整 (图4) , 改善板材的不良缺陷, 获得理想的板型。

(4) 在上滑块 (图5) 设计时, 采用高截面设计, 并对设计结构进行有限元分析, 满足了矫直机刚度的要求。在底座 (图6) 设计时, 由于增加中间支撑, 使得底座截面高度较横梁变低, 通过对底座进行有限元分析, 满足矫直机刚度要求。

(5) 采用单独传动方式, 即每根矫直辊都由各自的电动机提供矫直力矩, 因这些独立控制回路集中在一个负载补偿控制装置中, 所以控制了钢板在入矫直机时的力矩过载峰值, 保证矫直过程中负载分布均匀。解决了通常传动中因轴向力引起的各矫直辊的额外扭矩负载, 避免了传动装置中传动联接轴和齿轮的损坏。

2.2 自动调整径、轴向刀隙的全自动调整修边机组

现代中厚板生产线上常用的修边剪, 按剪切方式和结构可分为铡刀剪、摆动剪、圆盘剪、滚切剪和液压剪等类型。由于圆盘剪与其他剪切类型相比, 具有可连续滚动剪切、速度快、产量高、效率高、质量好等优点, 所以在高强度中厚板修边选用圆盘剪;其剪切原理如图7所示。圆盘剪主要由传动装置、固定机架、移动机架、上下刀轴、机座、宽度调整装置、刀盘调整机构及碎边切断等组成, 如图8所示。

传动装置分别布置在剪切线中心线的两侧, 两侧电机利用同步轴以及电气同步来保证对板两边同步剪切;由于两侧机架上分别安装了上下刀盘、刀盘调整机构和传动装置, 通过移动左右机架可以满足不同宽度钢板的修边要求;通过机械提升修边剪的上刀盘, 改变上下刀轴的中心距, 实现刀盘重合量的调整, 满足了不同厚度和材质的钢板对不同刀盘重合量的需求;由减速电机驱动旋转下刀轴的定位锁紧螺母, 使下刀轴轴向微移, 从而实现了圆盘刀的侧向间隙的调整, 保证剪切钢板的毛刺大小。

1.输送辊2.下托式电磁盘3.上圆盘剪刃4.下圆盘剪刃5.机体6.溜槽7.碎边剪剪刃8.料斗9.托盘

针对高强度中厚板对修边的废边难卷取的缺陷, 采用了废边在线连续切断, 减少操作工的劳动强度, 提高了生产效率。

2.3 低噪声动力对中机动翻转垛料装置

针对现有落料装置噪声大的缺点, 开发了低噪声动力对中机动翻转垛料装置, 如图9所示。采用带动力马蹄式托辊, 由于马蹄式托辊旋转时各部分的线速度不同, 实现了板料在运动过程中的自动对中, 避免了板料在输送过程中的跑偏现象。钢板在落料时采用机械翻转落料机构替代传统的液压或气动翻转落料机构, 这样可以实现板料的同步落料, 从而降低接料工位落差, 避免了以往钢板翻转落料不同步引起的摔板现象, 使落料噪声降到最低。

3 生产线的自动化技术

高强度中厚板精密数控开卷线的电气系统主要由PLC、人机界面、直流调速器组成, 并采用PROFIBUS-DP总线连接, 提高了通讯速度及抗干扰能力, 减少了连线故障率, 实现了设备运行速度在线调整补偿及整条生产线的速度匹配。并使用触模式液晶彩色显示器, 实现了人机对话, 使得各控制器故障代码直接显示, 加快了查找故障原因和排除故障的速度, 提高了生产效率。该电气系统具有长度尺寸设定、板料状态监控、自动计数、速度调整、自动/手动进给, 连续剪切、故障报警、系统保护等功能。因采用SIEMENS STEP7编程软件、SIEMENS PROTOOL组态软件, 所以实现了HMI与PLC的动态链接。

4 同类产品比较

该高强度中厚板开卷线与国外同类产品相比, 其主要技术水平达到国外同类产品指标, 属国际先进水平。表1按产品分类进行项目指标对比。

5 结束语

高强度中厚板精密数控开卷线的研发满足了汽车、造船、机车车辆、钢结构及钢材加工配送等行业对高精度、高效率板材加工的需求。

该生产线的主要特点可以概括为“五高、四节、三低、二少、一快”, 即:五高———生产效率高、自动化程度高、柔性化程度高、成品精度高、可靠性高;四节———节省原材料、节省能源、节省中间转序、节省人力;三低———制件废品率低、生产噪声低、劳动强度低;二少———设备投资少、维护费用少;一快———板厚变化后参数设置快。

参考文献

[1]王国栋.中国中厚板轧制技术与装备[M].北京:冶金工业出版社, 2009.

[2]崔甫.矫直原理与矫直机械[M].北京:冶金工业出版社, 2002.

[3]邹家祥.轧钢机械[M].北京:冶金工业出版社, 2000.

[4]边金生.轧钢机械设备[M].北京:冶金工业出版社, 1998.

精密数控设备专业化保养工作实践篇5

公司拥有1000多台精密数控设备,这些设备不仅价值高、技术含量高,而且维修工作复杂,在航空高科技产品的生产过程中起着至关重要的作用。由于高负荷运转,导致这些设备故障频发,技术状态劣化加剧,加大了维修成本,严重制约了企业正常的生产经营活动,对企业的长远与健康发展也极为不利。为此,通过推行TPM预防维护管理,成立了专业化的精密数控设备保养机构,即保养站,专门从事精密数控设备的三级保养工作。经过机构运行和内部各项管理措施的实施,使得设备三级保养数量和质量大幅提高,设备故障率明显下降,也使专业化保养的优势得到了充分发挥。

1专业化保养强化了预防维修工作

之前,精密数控设备的排故和保养工作均由数控站负责,三级保养是其中一项重要的工作内容。数控站人员是以室为单位分布在相应的分厂(车间)和中心,实行分片负责制,力量比较分散,再加上白班和夜班的缘故,要使各室人员集中起来比较困难。而各分厂(车间)和中心的零件加工的任务重,三级保养停机的时间存在着很大的不确定性,当维修室无维修任务时,设备停不下来;当设备停下来了,维修人员又在从事设备排故工作,所以如何妥善安排三级保养工作便成为了难点问题,经常导致设备的三级保养计划执行不到位或保养质量不高。为此,2009年6月,一批经过精编优化、以年轻人为主体的技术人员,组建了专业化的保养站。

1.1加大三级保养的执行力度

从管理体制上加大三级保养的执行力度,目的是做好设备三级保养工作,概括起来有清洁、润滑、紧固、调整、过滤或换油、精度检测、修理。它需要集体作业,需要员工间紧密合作、相互支持,使专业化保养站的优势得以进一步体现。

1.1.1解决了劳动强度大等问题

由于三级保养劳动强度大、工作时间长,一般人都不太喜欢从事此项工作,因而出现了应付差事现象严重,设备保养效果大打折扣等问题。因保养质量不到位,故障自然会增多,而故障多,又成为不愿保养的理由,如排故任务重,没时间进行保养,使设备技术状态进入了恶性循环。成立保养站后,把数控站的一部分员工集中起来,专司保养之职,既解决了每次保养时人员不足的矛盾,还能从管理入手,通过科学安排弹性作业,较好地适应了生产车间停机的不确定性问题。加上是专业化的保养队伍,设备保养已经不是愿做不愿做的事情,而是如何能做得更好的问题。

1.1.2考核难问题得到解决

虽然故障维修工作考核比较困难,但三级保养工作却相对容易量化。把三级保养与维修分开后,专职三级保养人员的绩效考核工作简单易行。例如,现将1台数控车床的三级保养工作量的系数定为1,经过测算和实践,确定出所有其他各型号设备的工作量系数,据此即可对各个保养组的工作绩效进行考核,确保了三级保养工作的顺利进行。自成立保养站后,每月的三级保养计划都是100%的按时完成。

1.2规范化促进了保养质量及效率的提高

成立保养站后,专业化管理的优势得到了充分发挥,广大员工通过实践、总结和再实践,很快就形成了一套较为严谨的保养工作流程,三级保养工艺也开始进行编写(行业内尚无做过),保养工作日趋科学化、规范化和高效化,保养质量、工作效率以及安全作业等方面,均有显著改善和提高。例如,60台精密数控设备在2009年8月~10月的故障次数是132次,总的维修时间是3573 h。在2010年6月~7月对上述设备进行了三级保养后,在8月~10月统计的故障次数是95次,总的维修时间是715 h。与上年同期相比,故障次数降低28%,维修时间降低80%。117台精密数控设备在2009年7月~12月的故障次数是658次,总的维修时间是18 653 h。2010年1月~6月在进行了三级保养后,故障次数是474次,总的维修时间是8580 h。与上年相比,故障次数降低27.9%,维修时间降低54%。以前,一年的“三保”数控设备约180台,成立保养站后,全年可完成300台的三级保养,从根本上解决了欠保养的问题。

1.3专业化保养中的经验

(1)在专业化保养的起步阶段,需要解决好管理、技术等方面的问题,如人员培训,摸索保养工作调度办法,建立量化考核指标,编制保养工艺规范等。当体系建立后,整个工作安排及工作内容就趋于程式化,对员工的技术要求就相对简单了。因专业化保养中涉及的设备排故情况较少,对员工的维修技能提升不利,所以需建立专业保养人员的流动机制。

(2)因为被安排在三级保养计划中的许多设备,都是带故障运行或存在隐患,在保养过程中容易发生意外,需要及时排故。所以需安排维修技能较高的人员参与该工作,否则会影响保养质量及工作效率。

(3)由于三级保养工作的专业性强,需连续性作业和劳动强度大等,如生产车间的生产节奏快,要求保养人员加班加点和赶进度。所以保证员工的人身安全和设备安全则是重中之重,不仅需妥善安排保养计划,科学的进行弹性作业安排。还要做好宣传等工作,能够相互理解和互相支持。

(4)由于三级保养中的精度检测工作量较大,特别是坐标定位精度和重复定位精度检测工作负荷太大。在实际工作中,对于直线坐标检测时使用的仪器是激光干涉仪,对于回转坐标检测使用的是准直仪,为减少检测工作负荷,对于直线坐标可部分采用步距规测量,以减轻工作量,另一方法就是考虑适当拉长坐标定位精度和重复定位精度的检测周期等。

2精密数控设备保养周期的探索

前人根据经验总结出的普通设备保养周期是:二级保养周期为500 h(即按一班制,每班7 h,每月22.5个工作日,设备运行约3个月进行1次二级保养);三级保养周期为1800 h(即按一班制,每班7 h,每月22.5个工作日,设备运行约12个月进行1次三级保养)。公司原来实行是的3个月进行1次二级保养,间隔3年进行1次三级保养,由于种种原因,逐渐演变成二级保养6个月1次,三级保养4年1次,不分普通和精密数控设备,均实行一刀切。但随着企业的发展,公司的生产规模连年递增,工作节奏也不断加快,生产安排也由一班制变成了两班制,甚至三班制。主要技术装备实现了数控化,集电子、计算机、传感检测、信息处理、网络通信、液压气动和光电技术为一身的特点更加突出。安装环境多在恒温状态下,二、三级保养周期的规定已明显不符合当前的需求,必须进行新的探讨与实践。

2.1常见的设备故障形式

2.1.1磨损

正常情况下设备的磨损失效进程是随着役龄增加而变化的,一般分为3个阶段:①跑合阶段,此阶段设备新的摩擦副表面有一定的粗糙度,实际接触面积较小,经过跑合阶段后表面逐渐磨平,使实际接触面积逐渐变大,磨损速度减缓。②稳定阶段,因磨损缓慢且稳定,所以故障率较低。③磨损阶段,由于磨损速度急剧增加,机械效率下降较快,功率和润滑油的损耗增加,精度丧失,产生噪声及异常振动增大,磨损速度急剧升高,最终导致零件失效,此时故障率上升处于高发期。

2.1.2连接件松动

一是机械传动长时间的振动,会使紧固件产生松动情况,如机械部分出现异常,管道出现泄漏,导线接触不良。二是摩擦副污染及润滑不良等。

2.1.3电器元件散热不良

控制模块积灰,轴流风机损坏,影响电路板散热,易造成电路板温度升高,参数发生改变,出现故障或模块损坏等。

2.2制定合理的保养周期

根据上述情况,应把导轨间润滑油的污染程度、机床精度的下降程度、设备故障率的异常等,均作为确定精密数控设备合理的保养周期的依据。

2.2.1二级保养周期的确定

精密数控设备的二级保养周期比较好定,因为导轨的污染时间间隔比较短,一旦润滑油和粉尘结合就在导轨之间形成了类似研磨膏类的混合物,造成磨料磨损,使机床精度下降。所以每隔一段时间就要打开防护罩,查看一下机床导轨的污染程度,用眼睛就能观察导轨间润滑油是否变色发黑。例如,对17台保养后的设备进行回访,按时间间隔从4个月起,5个月、6个月、7个月、8个月依次递增检查,发现数控设备的水平导轨副之间的润滑油会在保养后8~10个月变色发黑,所以7个月间隔就应该清理1次导轨,因此合理的二级保养周期应该定为7个月比较合适。

2.2.2三级保养周期的确定

精密数控设备三级保养的合理周期比较难定,因为精密数控设备的三保周期,观察间隔时间比较长,而且中间各种维修保养比较多,在短期内很难摸索出规律来。但是近几年投入运行的数控设备,都能够提供出相对完整的故障数据。因此,为了确定合理的三级保养周期,对近4年投入使用并进行过三级保养的38台设备的精度数据,以及保养前的故障记录等,都进行了梳理和归纳。

(1)设备使用期限在2年内、精度均在出厂制造精度范围内,无明显变化;到2.5年时只有少数设备的精度指标会出现轻微下降;第3年时普遍出现设备精度指标下降;第4年所有设备精度均在制造标准精度以下。

(2)发生故障的次数会在第2或第3年持续增加,到第4年故障增幅减小,表明第3年设备状态接近最坏的状态,必须进行三级保养了。

(3)及时观察数控控制模块的积灰及污染情况,在对设备进行分解后,一般控制模块使用3年时会有轻度污染。综合考虑设备精度下降等情况,设备故障报修情况以及电气模块污染等情况,最后认定2.5年进行一次三级保养较为合适。

由此可以得出结论,两班运行的数控设备的合理保养周期为:二级保养7个月进行1次。三级保养,2.5年进行1次。但需说明的是,由于所采集的数据有限,还需要通过实践、总结和检验,以不断对上述结论进行修正和完善。

3结论

精密数控篇6

螺旋锥齿轮是空间自由曲面, 需要五轴、六轴联动加工, 加工误差具有实时变化的随机性且对齿面不同部位误差的影响也有大小和正负之分[1]。理论齿面上任意一点的齿面误差可以认为是机床各轴微小变化引起的齿面误差的叠加[2]。在车间中, 通常采用离线误差测量而后依据经验手动调整的方法对初始齿坯安装和机床定位参数进行定性修正。随着数字化制造理论与技术的发展, 齿面误差补偿研究多集中在初始安装参数对接触区形状位置的影响分析上[3,4,5,6,7]。

但在实际加工过程中, 不确定影响因素所引起的实时加工路径变化对齿面精度存在很大影响。可是, 受机床结构的影响, 在螺旋锥齿轮加工机床上建立实时补偿系统很困难。例如, 五轴或六轴耦合运动增加了反馈补偿算法的复杂度;加工空间小妨碍了实时监测设备的安装调试。

为此, 本文采用机床精度设计和运动学标定两种途径对齿轮产品精度进行初步估算, 在已有安装误差补偿基础上建立一种可实时监控反馈调整的机床控制策略, 以提高系统动态特性, 增强各轴间运动协调与参数匹配能力, 实现螺旋锥齿轮精密数控加工。

1 基于集合理论的精度分析方法

定义1集合A为映射f的定义域, 记为D (f) 。

当机床由n个轴构成时, 机床各轴实时位置值为xi (i=1, 2, …, n) , 理论值为ai, 偏差为δi, 且δi>0, 单轴误差空间集合Ai可描述为{xi||xiai|<δi}。定义域则为各轴误差空间的拓扑叠加。

定义2集合B为映射f的值域, 记为R (f) 。产品质量的理论值为b, 偏差范围为μ, 且μ>0, 产品质量合格集合B为{y||y-b|<μ}。

定义3设A和B是两个非空集, 若存在一个对应规律f, 使得对于每一个x∈A有唯一的y∈B与之对应, 则f称为A到B的映射, 记为

y称为x在映射f下的像, 记为y=f (x) 。

使用基于集合理论的精度分析方法, 可将螺旋锥齿轮精密数控加工误差补偿方法描述为:建立对加工过程误差的补偿策略, 以缩小定义域A的波动范围, 经过函数f映射, 得到最小的产品质量波动空间B。定义域的波动空间由两部分误差造成:一部分为安装调试过程各轴的安装误差, 另一部分为动态加工过程中各轴的重复定位误差。

2 螺旋锥齿轮数控加工模型

本文选取国产YK2275数控铣齿机 (图1) 为对象, 以格里森齿制螺旋锥齿轮滚切法数控加工大轮为例, 进行具体研究。数控加工的基本原理就是保证切齿过程中刀轴 (或砂轮轴) 与工件轴在任一瞬时的相对位置与传统加工时相同, 运动关系相同。

1.床身2.X轴工作台3.Y轴工作台4.刀盘5.Z轴工作台6.工件主轴7.工件

2.1 含误差的齿面模型

基于多体系统理论描述机床拓扑结构, 为其各部分编号, 如图1所示。令大地编号为0, 将铣齿机系统分为两个分支: (1) 床身、X轴工作台、Y轴工作台、刀盘, 铣齿刀; (2) 床身、Z轴工作台、工件主轴、工件。

机床几何误差包含位置误差和运动误差[6?7]。机床的位置误差共有9项:X、Y、Z轴工作台参考轴之间的3个垂直度误差ηxy、ηxz、ηyz;A轴工作台回转轴线与B轴工作台局部坐标系轴线x6、y6之间的垂直度误差ηxa、ηya;B轴工作台回转轴线与Z轴工作台局部坐标系轴线x5、z5之间的垂直度误差ηxb、ηzb;刀盘C轴与Y轴工作台局部坐标系轴线x3、y3之间的垂直度误差ηxc、ηyc。机床的运动误差共有30项, 其中, X轴工作台平移时有6项误差元素:直线定位误差δ2sx, 沿Y、Z方向的直线度误差δ2sy、δ2sz, 由X轴工作台平移引起的滚转误差ε3sy、俯仰误差ε3sx、偏摆误差ε3sz。Y轴工作台平移时有6项误差元素:直线定位误差δ3sy, 沿X、Z方向的直线度误差δ3sx、δ3sz, 由Y轴工作台平移引起的滚转误差ε2sx、俯仰误差ε2sy、偏摆误差ε2sz。Z轴工作台平移时有6项误差元素:直线定位误差δ5sz, 沿X、Y方向的直线度误差δ5sx、δ5sy, 由Z轴工作台平移引起的滚转误差ε5sz、俯仰误差ε5sx、偏摆误差ε5sy。A轴工作台回转运动时有6项误差元素:轴向窜动误差δ7sz, 沿床身系统X、Y方向的径向跳动误差δ7sx、δ7sy, 旋转定位误差ε7sz, 由A轴转动引起的绕X、Y轴旋转的转角误差ε7sx、偏摆误差ε7sy。B轴工作台回转运动时有6项误差元素:轴向窜动误差δ6sy, 沿床身系统X、Z方向的径向跳动误差δ6sx、δ6sz, 旋转定位误差ε6sy, 由B轴转动引起的绕X、Z轴旋转的转角误差ε6sx、偏摆误差ε6sz。

依据YK2275型螺旋锥齿轮铣齿机各个部件之间的运动关系, 建立包含机床几何误差的相邻体变换矩阵如下。

(1) 刀盘与Y轴工作台之间变换矩阵为

(2) Y轴工作台与X轴工作台之间变换矩阵为

式中, y为垂直刀位和垂直轮位之和。

(3) X轴工作台与床身之间变换矩阵V12为

式中, x为水平刀位和轴向轮位的沿床身坐标系x1方向的分量之和。

(4) Z轴工作台与床身之间变换矩阵为

式中, z为床位和轴向轮位的沿床身坐标系在z1方向的分量之和。

(5) B轴工作台与床身之间变换矩阵为

式中, δM为轮坯安装角。

(6) A轴工作台与B轴工作台之间变换矩阵为

式中, φ为A轴转角。

(7) 轮坯与A轴工作台之间变换矩阵:

(8) 轮坯和刀盘之间变换矩阵V84为

依据啮合理论, 建立的含误差的齿面方程如下:

式中, rt为刀盘内外直线刃上任意点径矢;nt为刀盘锥面任意点处的单位法矢;r2为齿面加工点径矢;V84为刀盘坐标系与轮坯坐标系之间带有误差项的齐次变化矩阵;v (12) 为齿面上任意点的相对速度。

2.2 齿面离散

在工程实际测量中, 通常沿齿宽方向取9排齿面点, 每排取5个数据点, 在齿面上均匀地取45个点, 建立全齿面的离散曲面[8?9], 如图2所示。本文的齿面离散方法正是基于这种思想, 以已建立的齿面模型为基础, 在齿面上选取m×n个网格点作为数字化齿面。具体做法为:将理论齿面向过齿轮轴线的某一平面旋转投影, 形成拓扑平面;在该拓扑平面上取齿宽和齿高方向分别为X轴和Y轴, 其上任一点对应齿面点的法向误差值为该点的Z坐标值, 形成新曲面。新曲面上点的位置按照下式进行计算:

式中, x、y、z为理论曲面上某点的坐标值;x′、z′为新曲面上对应点的坐标值。

2.3 映射函数推导

各轴误差依据拉丁超立方抽样法[10]进行模拟, 抽样区间为[-0.01, 0.01], 平移量单位为mm, 旋转量单位为 (°) 。每项误差拟合样本数为10, 且在区间内均匀分布。抽样过程可分为单轴误差影响分析和综合误差分析两步进行。

各轴位置误差与运动误差对齿面误差的映射关系记为影响系数MG:

其中, aijk的下标含义如下:i表示检测点所在行, i=1, 2, …, 5;j表示检测点所在列, j=1, 2, …, 9;k表示几何误差编号, k=1, 2, …, 39。当k=1, 2, …, 9时, aijk表示位置误差, 各行取值相同, 表示在切齿过程中误差保持不变。当k=10, 11, …, 39时, aijk表示运动误差, 在各行取值不同, 表示在切齿过程中误差不断变化。

依据拟合样本计算齿面各点齿形偏差, 选用一阶、二阶或更高阶次回归方程进行数据拟合[8]。

经过拟合结果分析对比, 一阶模型预测效果较差, 三阶模型预测误差比二阶模型稍大。所以, 本文选用二阶模型公式

作为映射函数, 描述几何误差综合作用对齿形造成的影响。

2.4 误差补偿算法

在大轮加工过程中, X轴、Y轴、Z轴的运动始终描述刀盘原点相对于工件原点的位置矢量。B轴保持固定角度, 保证切削出根锥角。A轴按照摇台滚轮的滚比关系做轮坯回转运动, 此外, 在一个齿加工完成后, 做分度运动。数控加工模型如下:

其中, X轴、Y轴、Z轴运动的第一项均为机床基本参数调整的常数项, 与机床结构与被加工齿轮具体参数有关;第二项是动态变量, 表达为摇台运动参数的函数;Δq2为角向刀位, i02为滚比;δM为轮坯安装角;θ2为刀盘相位角。

不确定影响因素所引起的实时加工路径变化对齿面精度存在很大影响, 但由于在线检测补偿存在困难[9], 本文建立了先整体监测而后分析补偿的方法。首先在齿轮测量单元上逐齿测量齿面误差, 分析整理出齿面误差变化曲线图。随后, 将误差变化曲线作为补偿模型输入, 计算数控机构中X、Y、Z、A、B轴动态运动修正值, 并将其作为补偿模型的输出, 实现对整个加工过程中齿面误差的补偿。

图3为控制系统结构框图。

误差补偿算法推导过程可以理解为目标函数优化过程, 实质就是, 求得一组各轴运动调整参数, 使得由该组参数计算的理论齿面与测量标准齿面一致。优化目标为齿面上各点误差最小以及该时刻机床各轴运动修正量最优, 即选择最优Δδj, 使得代入离散齿面45个点参数后, 计算结果最小。采用非线性最小二乘优化方法[11]进行求解, 迭代初始值为包络出理论齿面的各轴运动值, 搜索范围为依据机床精度定义的各轴微动范围。优化函数如下所示:

式中, Δδj为第j轴微动变量;Sij为离散齿面第i点加工时第j轴微动使得刀盘原点相对于工件原点的位置关系微动矩阵中的元素;ΔRi为理论离散齿面第i点的误差。

由此, 齿面误差矢量ε解耦为沿各坐标轴方向的运动误差分量εx、εy、εz、εa、εb作为控制器的参考输入, 控制器输出为uεx、uεy、uεz、uεa、uεb。五轴位置控制器的输出为uEx、uEy、uEz、uEa、uEb。补偿模型如下:

3 仿真实验与结果分析

本文选取的YK2275型数控弧齿锥齿轮铣齿机, 最大加工直径为762mm, 加工精度为6级。为体现随机性, 设误差区间为[-0.01, 0.01], 其中平移量单位为mm, 旋转量单位为 (°) 。依据拉丁超立方抽样法进行机床误差抽样。每项误差拟合样本数为10且在区间内均匀分布。当一个齿面加工完成时, 重新随机选取误差值, 模拟整个齿轮的动态加工过程。

参照表1中齿轮副几何参数、机床调整参数, 建立的理论齿面如图4a所示, 采用离散齿面的形式;随机选取第5齿作为研究对象, 由不同机床几何误差生成不同的误差齿面, 如图4b~图4d所示, 分别为Y轴直线运动误差引起的误差齿面、A轴回转运动误差引起的误差齿面以及B轴定位误差引起的误差齿面。

依据国家标准GB/T11365-89, 选取单周节偏差描述齿面加工精度。如图5所示, 其定义为分度圆上, 实际齿廓上一点的位置与相邻齿同侧齿廓点的位置之间的距离与理论值间的距离的差。计算公式如下:

式中, dT为公差直径, 即中点锥距处与工作齿高中点相交处的直径;m为中点法向模数, 即在中点锥距处法平面上节圆直径与齿数的比值;b为精度等级。

表2显示了实时补偿值与补偿后的齿面单周节偏差。按照式 (17) 计算可知, 补偿前, 齿面精度为6级, 补偿后齿面精度达到4级。仿真结果证明, 采用螺旋锥齿轮加工误差补偿策略, 可以明显提高螺旋锥齿轮五轴联动数控系统的加工精度。

4 结论

(1) 依据机床精度与齿面加工质量间的映射关系数学模型, 建立两级数控加工误差补偿模型, 对加工过程不确定因素对齿面造成的加工质量误差进行了有益补偿, 实现了齿面轮廓补偿控制, 提高了齿面各点位置精度, 能够使产品更好地满足齿轮设计精度要求。

(2) 利用非线性最小二乘优化方法求解齿面上各点误差最小以及该时刻机床各轴运动修正量最优解。该方法能够准确有效地将齿面误差补偿分解到各轴运动补偿中。

(3) 为提高模型的准确性, 可重复加工过程, 对加工出的齿轮齿面误差进行统计分析计算, 建立误差范围与修正值的关系。另外, 将建立运动轴变化与齿面接触区变化的关系模型, 实现对接触区的动态修正。

摘要：为了更好地实现螺旋锥齿轮精密数控加工, 结合螺旋锥齿轮加工特点, 在欧式线性空间中建立了数控加工模型及误差补偿模型。补偿模型为二级补偿机制, 以齿面误差作为判断依据, 通过对机床安装调整误差的补偿和加工过程中运动误差的补偿及时修正加工质量。由此, 通过逐齿动态补偿, 使得加工过程中机床误差得到修正, 齿面加工精度得到提升。经仿真实验验证, 该方法可实现连续轨迹运动中的多轴协调, 有效提高螺旋锥齿轮数控加工机床的加工精度。

关键词：螺旋锥齿轮,精密加工,误差补偿,数控

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精密数控篇7

液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一。自19世纪问世以来发展很快,其已成为工业生产中必不可少的设备。由于液压机在工作中的广泛适应性,使其在国民经济各部门获得了广泛的应用,如板材成型;管、线、型材挤压;粉末冶金、塑料及橡胶制品成型;胶合板压制、打包;人造金刚石、耐火砖压制和炭极压制成型;轮轴压装、校直等等。各种类型液压机的迅速发展,有力地促进了各种工业的发展和进步[1]。

YH33系列精密数控双向压药液压机是国内压药行业控制先进的双向压药液压机,其电气控制采用工业控制计算机加PLC联合控制,液压系统采用比例闭环控制系统。该机研制成功为改变我国目前落后的粉末压制成型设备提供了可能,也将提高我国粉末压制的工艺手段,为我国的压药工艺提供先进的生产加工设备,该产品的研制成功对我国压药行业具有重要的意义。该机所达到的压力控制精度、位置控制精度和速度控制精度均具同行业领先水平,该机在机电一体化控制方面取得的成功经验,可以推广到大多数领域的液压机的数控系统,为我国压药行业提供了高性能设备。

2 主要技术指标

主要技术指标如表1所示。采用工控机控制。

3 总体设计方案

由于该机使用在防爆的特殊环境中,用户在综合了国内外同行业压药设备的技术特点后,对本产品提出了较高要求,其电气控制明确要求采用工业控制计算机加PLC联合控制,同时也对速度、压力和位移的控制提出了很高的要求,因此在设计方案制定中,液压系统采用了先进的比例闭环控制技术,针对用户的特点对产品的结构和液压系统进一步改进,充分发挥了比例控制技术的柔性度,按用户要求作出了设备的技术方案,并经过有关专家和用户的反复论证[2,3]。具体技术方案如下。

(1)机身

该机机身应用户要求采用四柱式结构,并根据工艺的不同,设计有三梁四柱式和五梁四柱式等几种结构,确保机床精度,四根拉杆采用螺帽预紧。

(2)滑块

滑块设有液压保护,滑块行程范围内位置指示采用了进口的直线位移传感器及二次仪表,位置显示精度0.1mm。

(3)密封

考虑到用户所提技术要求中的超慢速运行对油缸密封的要求,在油缸的结构设计和密封设计中充分考虑了加工能力及机器的超慢速运行和超长时间保压的苛刻要求,对结构进行了优化组合,确保系统的稳定运行。

(4)液压系统

该机液压系统采用了先进的二通插装阀系统,设计了一套专用的液压系统,该系统采用了比例闭环控制,压机采用了先进的压力检测元件和位置检测元件与特殊设计的液压系统有机的组合在一起,通过工控机进行精密控制。

(5)电气系统

由于本压机是用于压制炸药,所以在主机室内的电气元件采用防爆电气元件,考虑到压药工艺的危险性,为了确保安全,电气控制系统采用冗余技术,PLC控制系统可独立于CNC系统外,即使CNC系统出现故障,PLC也能独立工作。本系列压机控制系统采用数控“CNC”和可编程序“PLC”双重控制方案,即CNC+PLC。“CNC”作为主控系统,“PLC”完成一般输入/输出和顺序逻辑控制。CNC的主要功能是完成比例控制,包括两缸联动的速度和位置闭环插补控制和系统压力的闭环控制,负责系统的全面监控和管理。

4 双向压药液压机的具体设计

该机为框架式结构,机床精度高,电气采用触摸屏与PLC组合进行控制,液压系统采用比例闭环控制,通过数字PID进行精密控制,该机可实现对滑块位置预先设定,可以对工件压制过程中的压力、位置、温度、保压时间等参数进行记录保存和打印,具备故障诊断功能、液压支撑保险回路、过载保护、压力闭环控制回路、速度闭环控制回路[4]、温度闭环控制回路,可实现人机对话功能,很方便的在工控机的显示器上预置滑块的运行位置、运行速度、设定压力、选择保压方式、设定保压时间等技术参数,实现了数字化控制。

4.1 液压系统的设计

机器液压系统采用比例闭环控制,压机工作方式有调整、半自动及全自动三种。

(1)为满足制件在未最终成形前既要高速压制,又要对压力有一定的控制精度要求,采用德国PARK公司生产的高性能、大流量电子泵,液压系统的压力及流量实行预闭环控制,使系统压力与流量有一个较粗的控制精度,同时油缸下腔设有液压双回路支撑、过载保护,超高速稳定运行回路。

为确保压机超高速压制下在电子泵输出流量不到额定流量的1%最后成形的系统压力控制精度,液压系统设计中采用了比例闭环调压技术,利用阀响应速度快的特点,在泵控压力基础上,用比例阀对系统压力进行二次调节。机器采用进口意大利ATOS公司的大通径高频响比例压力阀,并在阀体自身压力小闭环基础上,通过技术创新,在液压缸体进油点处设置高性能的压力传感器,从而构成一个大闭环,实现压力双闭环控制,并通过数字修订,采用PID的分段处理技术,在超高速压制下确保系统压力的控制精度,整个系统的实际可控压力分辨率为±0.5%,完全可满足用户特殊压制工艺对系统压力的要求。而未采用该项技术前的普通压机压力控制精度一般在10%左右。

(2)压机配备高精度的进口压力传感器,其理论分辨率可以达到万分之一,在实际应用中由于系统的配置,其实际分辨率可以达到万分之四,完全可以满足程序压力控制增值幅度的要求。压机系统采用德国BULLFF公司的BTL5型位移传感器,分辨率0.01mm,配合液压系统组成位置闭环系统,实现位置与压力的配合控制,从而保证了系统的快速性、稳定性和精确性。

(3)压机配备油温检测及强制循环冷却系统,可以保证压机油温控制45℃以内。压机还设有自动检测油位功能,防止因油位过低而损坏液压系统。

4.2 电气控制系统的设计

电气控制面板如图1所示,本系列压机控制系统采用数控“CNC”和可编程序“PLC”双重控制方案,即CNC+PLC。“CNC”作为主控系统,“PLC”完成一般输入/输出和顺序逻辑控制。

(1)通过为本产品设计的专用软件,读入液压系统的压力、流量、位移等过程值,对液压系统的比例泵、比例阀进行控制,实现压力、流量和位置的闭环控制,在显示屏上以菜单提示方式预置压力的控制参数(控制压力、流量、位置、保压时间、速度转换点),通过间接寻址方式实现100套模具的储存,同时用棒图及数字窗口监控和显示系统的实时压力值、压制速度、位移值,检测数据自动储存,能以表格和曲线形式输出打印,如图2所示。

(2)采用高速板卡记录四路过程变量,具有如下优点:(1)4通道实时采样频率为1kHz,1s内能记录4通道各100个点的过程量数据;(2)能实时生产压力P=f(t)、位移S=f(t)曲线及P=f(s)合成曲线,以及数据报表系统,能非常清晰直观地反映出主缸及辅缸的压力动态响应特性,可供用户分析主缸压力动态及静态特性。

5 结论

经过严格的现场测试,该机各项指标均达到技术协议的要求,其速度在规定的范围内可无级调速。该机在开泵保压状态下压力波动<1kgf/cm2,在关泵保压状态不采用蓄能器补压系统能达到16小时内压降不大于25kgf/cm2的要求。在加热控制方面达到用户要求的在合模状态下加热的温度均匀性误差不超过±2℃,与环境温度相比主机台板温升不超过20℃的高要求。

YH33系列精密数控双向压药液压机的研制成功,不仅满足国内药柱成型工艺的需要,同时解决了国防工业的急需,可以适用各种粉末冶金和磁性材料的成型工艺。为我国的粉末压制成型工艺提供了先进的生产加工设备,可以实现对制品密度的控制和监测。首次实现了国产液压机的计算机控制,使国产液压机在机电一体化方面有了突破性的发展。

摘要：设计了一种用于压药工艺的精密数控液压机,简要叙述如何确定该机的总体方案,以及研制中的技术难点和解决措施等问题。

关键词：精密数控,闭环控制,双向压药液压机

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精密数控篇8

目前常用的数控程序编制方法有计算机辅助编程和面向机床的直接编程。计算机辅助编程针对复杂曲面的程序编制，其效率和精度得以充分体现，但是在实际生产中，常常会遇到一些几何结构相同，且可用数学函数描述的一类零件，除了尺寸不同外，其加工方法与工艺路径都相同，采用计算机辅助编程会因每次的尺寸变化，重复编制程序[1]。针对这类零件采用面向机床的直接编程可提高编程效率和质量。然而，面向机床的直接编程需直接使用数控系统提供的编程指令，目前现有的数控系统一般只有直线和圆弧两种运动指令，只能对某些仅由直线和圆弧曲线变换后形成的零件轮廓进行直接编程，极大地限制了面向机床的直接编程能力[2,3]。

针对目前数控系统存在的缺点，结合生产中遇到的多种尺寸三轴椭球精密曲面的数控铣削，为了提供用户采用面向机床编程，文章以FANUC数控系统为研究对象，开发椭球零件铣削的高效编程功能，使数控系统除了具备直线圆弧指令编程外，同时具备椭球曲面的指令编程能力，用户可通过直接调用机床本体指令来完成椭球精密曲面的编程。

1 椭球曲面铣削指令代码规划

FANUC数控系统是通过GM指令代码控制机床运动的。实现椭球曲面直接编程的铣削加工，首先必须开发其指令代码。选择G代码与变量组合的方式将加工参数和工件几何参数传输到数控系统内部，通过程序模块计算坐标位置完成机床运动。为了避免单一指令参数过于复杂，采用双指令代码，即加工信息指令代码和几何信息指令代码为一组程序指令[4,5,6]。

1.1 加工信息指令代码

加工信息指令代码是以切削要素与加工参数为基础的指令代码，描述的是需用户定义的加工类型及相关信息，包括切削参数、安全距离、加工留量、刀具信息等等。其结构采用G代码与变量的输入方式。

椭球曲面精加工铣削指令代码定义为：

G200 U＿D＿F＿C＿R＿B＿V＿，具体含义如表1所示。

1.2 几何信息指令代码

几何信息指令代码是以几何要素为基础的指令代码，描述的是加工的几何特征信息，其结构同样采用G代码与变量的输入方式。

三轴椭球曲面是椭圆在三维空间的推广，要完整表述一个图1所示的在XYZ坐标系中任意姿态的三轴椭球，所需的几何参数包括形状参数和位置参数两类。

三轴椭球的形状参数是决定所加工椭球的形状，包括XY平面内的两个赤道半径I和J、沿着Z轴的一个极半径K以及工件的实际高度H。其位置参数是决定椭球在XYZ坐标中的位置，包括椭球中心坐标X、Y和Z，椭球姿态即椭球中心线与X轴的夹角A。

因此，根据描述几何特征变量情况，定义椭球的几何信息指令代码为：

内曲面指令代码：G281 X＿Y＿Z＿I＿J＿K＿A＿H＿

外曲面指令代码：G282 X＿Y＿Z＿I＿J＿K＿A＿H＿

2 指令程序模块开发

2.1 程序开发技术途径

指令程序模块是按照几何特性对应的加工方法进行宏程序开发。每条指令对应一个宏程序模块。

加工信息程序模块完成将加工信息指令G代码传递的变量值存储到机床变量中，便于加工程序在执行中按照变量参数进行加工控制和计算。

几何信息程序模块一方面根据几何信息G代码传递的几何信息构建几何算法模型，另一方面，结合加工信息变量完成刀具轨迹计算、刀具过切检测、函数计算、细分算法以及控制机床加工运动等等。

2.2 三轴椭球刀位点的参数算法

三轴椭球采用球刀进行精密加工，沿加工刀具接触点的法向方向等距离偏置刀具半径，可获得刀具中心轨迹，从而进一步获得刀位点。

设椭球的半轴长度分别为a、b、c，则椭球方程为：

在分层铣削中，刀具沿着Z方向逐层铣削，图2、图3分别为球头刀铣削椭球内外曲面示意图。在Z轴某一高度c'上用XOY平面截椭球为一椭圆，设所截得的椭圆的半轴分别为a'、b'，则a'、b'、c'与椭球的半轴之间的关系为：

椭球面上点P的法线是椭球曲面与球刀球面的公法线，通过法线方程可求得球刀中心点Q的坐标值，即椭球曲面的内外等距参数方程：

从而可得出刀具轨迹点S的参数方程为：

2.3 指令代码封装

指令代码封装是将开发的宏程序模块转换成机床本体指令，其方法是在系统参数中设置G代码数字与对应地址参数和开发宏程序号。

指令G代码封装方式有两种，即：指定参数封装法和参数组设定封装法。指定参数法封装的G代码，其优先权高于用参数组设定封装的G代码[7]。椭球曲面精密铣削指令G代码采用指定参数法进行指令封装。即将系统参数#6050～#6059变量设置成调用用户宏程序（O9010～O9019）的G代码号（1～9999）进行封装。

3 应用实例

以生产中任意位姿半椭球的内曲面和外曲面的精密铣削为应用实例。

半椭球的赤道轴半径分别为100mm、50mm，极轴半径为50mm，曲面长轴与X夹角为30°，椭球中心均在XOY坐标系的O点。

曲面加工要求：曲面留量0mm、曲面残余高度0.01mm、切削速度1500m/Min、球刀半径5mm、空行程10mm、趋近/退刀长度5mm，内曲面采用由下向上切削，外曲面采用由上向下切削。

根据表1提取工件加工信息变量和按照图1提取工件几何信息变量，编制内外曲面双指令加工程序。加工实物如图4、图5所示。

4 结论

将文章提出的三轴椭球精密曲面数控双指令铣削加工技术，多次应用于实际，得出如下结论：

1）开发的三轴椭球精密曲面铣削双指令代码，提高了FANUC数控系统本体编程能力。用户能通过面向机床的编程方式快速实现多种尺寸椭球曲面的精密铣削程序编制。

2）双指令内核程序有高精度的算法和合理的刀具路径规划。经过多套产品的生产实际应用证明，采用开发的双指令能够实现椭球曲面的高精度和高表面质量的精密铣削加工。

3）三轴椭球精密曲面数控双指令铣削加工技术其方法可为同结构不同尺寸的工件的数控加工提供经验和借鉴。

参考文献

[1]孙明江.数控机床编程与仿真操作[M].西安:西北工业大学出版社,2010.