專利名稱:機床實時自動分度系統及控制方法
技術領域:
本發明涉及機床分度領域,尤其是一種機床實時自動分度系統及控制方法。
背景技術:
傳統分度裝置的使用方法十分繁瑣,操作前需要根據工件不同等分的要求手動計算確定分度手柄搖的圈數和分度盤的定位孔數;分度時要人工搖動分度手柄,并且對分度盤上排列的大量同心孔進行計數和定位操作,稍有不慎即會出錯;加工螺旋槽或對一些特殊值的差動分度時,需要根據運動傳動比的要求,運用傳動鏈的運動平衡方程式計算和安裝交換掛輪。這種分度方法勞動強度大效率低,配置的分度裝置還必須包括大量的備用掛輪以供選用。
2004年5月8日申請的實用新型“機床實時自動分度裝置”提供了一種可進行機床分度操作的裝置,以步進電機或伺服電機驅動傳動機構來代替傳統分度裝置中的分度孔盤裝置、內部螺旋齒輪副和外部掛輪等,該裝置結構簡單,可由步進電機或伺服電機進行精密控制完成作業,從而減少大量的人工操作。如何能利用該裝置實現高效率和智能化的實時自動分度,則是現有技術有待解決的問題。
發明內容
本發明的目地在于針對現有技術中存在的問題提供一種機床實時自動分度系統及控制方法。
為實現本發明所述目的,本發明提供一種機床實時自動分度系統,包括機床實時自動分度裝置,具有系統控制裝置,以及將機床工作臺位移信息提供給系統控制裝置的位移檢測裝置。
而且,系統控制裝置由單片機電路、鍵盤/顯示電路、驅動器、控制機床實時自動分度裝置的電磁離合器組件的制動電路構成,單片機通過接口電路連接鍵盤/顯示電路、驅動器和制動電路,并根據位移檢測裝置提供的機床工作臺位移信息向驅動器輸出信號,驅動器控制機床實時自動分度裝置的步進電機或伺服電機。
而且,所述制動電路包括一個繼電器、一個驅動繼電器的三極管、一個與繼電器線圈并聯的二極管,三極管的基極接入單片機的控制信號,繼電器的輸出接機床實時自動分度裝置的電磁離合器組件。
而且,位移檢測裝置具有經彈性聯軸器與機床的進給絲杠相聯的光電旋轉編碼器,光電旋轉編碼器的輸出信號送入系統控制裝置的單片機電路。
本發明的另一方案是提供一種機床實時自動分度系統的控制方法,該方法包括以下步驟(1)初始化;(2)設定分度參數,確定走刀的對刀點和結束點;(3)等待走刀正向到達對刀點;(4)每往復經過對刀點和結束點一次,累加走刀次數;(5)判斷走刀次數是否符合設定的分度參數,否則回到步驟(4);(6)若步驟(5)中的判斷結果為是,累加已加工分齒數;(7)判斷是否已加工完所有分齒,(8)若步驟(7)的判斷結果為否,向步進電機或伺服電機發送分度信號,然后返回進行步驟(3);(9)若步驟(7)的判斷結果為是,選擇是否繼續加工同型零件。
而且,設定分度參數前根據加工要求選擇加工模式。
根據本發明,系統通過鍵盤實時掃描獲取零件的加工模式和分度參數,通過位移檢測裝置監控工作臺移動位置,實時自動地控制驅動電機轉動的時間和角度,支持不同工藝要求下的機床實時自動分度裝置控制,支持零件的自動記憶分度和智能分度,加工機床實時自動分度裝置的操作更加容易,提高了生產效率。
圖1機床實時自動分度系統結構示意圖;圖2制動電路的具體電路圖;圖3機床實時自動分度裝置的控制方法流程圖;圖4A和圖4B是本發明具體實施例的系統工作流程圖。
具體實施例方式
參見圖1,機床實時自動分度裝置主要由工件夾持機構1、經傳動機構3驅動的分度主軸2、經傳動機構3驅動分度主軸2的步進電機5或伺服電機、當分度主軸2靜止時限制其微動的電磁離合器組件4構成,為了實現該裝置的實時自動控制,設置系統控制裝置6,以及將機床工作臺位移信息提供給系統控制裝置6的位移檢測裝置7。
系統控制裝置6由單片機電路、鍵盤/顯示電路、驅動器、控制機床實時自動分度裝置的電磁離合器組件4的制動電路構成,單片機通過接口電路連接鍵盤/顯示電路、驅動器和制動電路,并根據位移檢測裝置提供的機床工作臺位移信息向驅動器輸出信號,驅動器控制機床實時自動分度裝置的步進電機5或伺服電機。分度加工過程中,機床工作臺的運動位置、速度、方向由位移檢測裝置檢測,并將檢測信號輸入單片機,單片機按照設定的工作模式、分度參數和起始條件進行實時處理和運算,運算結果和指令送入驅動器來控制步進電機5或伺服電機的運行。步進電機5或伺服電機經過傳動機構3驅動分度主軸2,然后通過工件夾持機構1帶動工件進行實時自動分度。在需要鎖緊分度主軸2的情況下,單片機通過制動電路控制機床實時自動分度裝置的電磁離合器組件4,實現分度主軸2及工件的可靠定位。單片機電路部分可用MCS-51系列單片機配上鎖存器、數據存儲器,以及與鍵盤/顯示電路、制動電路及驅動器相應的I/O接口電路等基本電路構成,當程序過大時,可以選用片內程序存儲空間更大的MCS-52系列等。單片機電路屬于現有技術,市場上有成熟的產品可以直接使用,如啟東公司生產的SCB-51功能板。鍵盤/顯示電路也屬于現有技術,采用可編程鍵盤/顯示接口芯片8279配合單片機可以實現鍵盤的掃描輸入和數碼顯示器件(LED)的掃描顯示輸出的自動操作,即掃描顯示不占用CPU時間。并且8279編程方便,編程時定義機床實時自動分度系統的控制中用到的數字鍵和功能鍵(如起確定走刀位置作用的“起始鍵”、“終止鍵”)所在的鍵盤位置,機床實時自動分度系統的控制過程中,8279自動掃描鍵盤,掃描到有鍵按下時查詢鍵的鍵盤位置并傳給單片機CPU,同時在LED上顯示。
參見圖2,為了實現分度主軸2自動鎖緊,制動電路包括一個繼電器U、一個驅動繼電器U的三極管V、一個與繼電器線圈并連的二極管D,三極管V的基極接入單片機的控制信號,繼電器U的輸出接機床實時自動分度裝置的電磁離合器組件4。三極管V可采用NPN型三極管S8050,二極管D可采用硅開關二極管IN4148。單片機的控制信號CON使三極管S8050導通,繼電器U吸合并放大控制信號CON,加在機床實時自動分度裝置的電磁離合器組件4的線圈上令電磁離合器組件4鎖緊。當單片機不給信號時,三極管S8050截止,繼電器U斷電釋放,電磁離合器組件4斷開。繼電器線圈兩端反相并聯的二極管IN4148起到吸收反向電動勢的作用,保護驅動三極管S8050。當工件在靜止狀態并對其進行切削加工時(如加工直齒輪)時,電磁離合器組件4鎖緊,以避免在加工時因工件微動而影響加工質量,所述“微動”主要是指微小的徑、軸心竄動或振動。
為了準確提取機床位移信息,位移檢測裝置7具有經彈性聯軸器9與機床的進給絲杠12相聯的光電旋轉編碼器8,光電旋轉編碼器8的輸出信號送入系統控制裝置6的單片機電路。機床工作臺11的移動由機床的進給絲杠和傳動螺母結構決定。傳動螺母10固定,進給絲杠12轉動并帶動機床工作臺11直線移動,可見進給絲杠12的轉動和機床工作臺11的位移具有確定的傳動比關系,光電旋轉編碼器8檢測進給絲杠12的轉動以獲取機床工作臺11的位移信息。彈性聯軸器9調節進給絲杠12和光電旋轉編碼器8相連接的同軸度誤差,防止因進給絲杠12和光電旋轉編碼器8不同軸產生運動干涉。具體實施中,為了固定位移檢測裝置7與機床之間的聯系,還要設相應的連接座。
參見圖3,機床實時分度裝置作為各類通用型機床實現零件自動分度的輔助設備,根據不同類型機床的各自特點(銑削、刨削、磨削、插削等加工方法)成形加工直齒輪、斜齒輪、螺旋槽、花鍵槽、牙嵌式離合器等各種具有對稱等分特征的工件,即利用分度裝置實現等分地對工件進行加工,工件上的等分加工部位可以是齒、槽、孔等不同形狀,本說明書統稱為分齒。加工具有對稱等分特征的工件通常要由機床實時分度裝置的分度主軸2旋轉一定角度完成,機床實時分度裝置還能在系統控制裝置支持下令分度主軸2整周連續轉動、變速轉動、換向轉動,以便進行特殊工藝加工。為了自動實時地分度加工出各種具有對稱等分特征的工件,本系統的控制方法如下在步驟01中,執行初始化操作,設定好單片機等硬件。在步驟02中,通過實時掃描鍵盤獲取加工零件必要的分度參數(并在顯示器上顯示出來),然后確定機床走刀的對刀點和結束點,即分別按下8279在鍵盤上設定的“起始鍵”、“終止鍵”。(注意走刀是指工件隨機床工作臺11移動時,刀具對工件做相對運動,機械術語稱為“走刀”。控制系統需要的走刀信息來自位移檢測系統提供的工作臺位移信息。)在步驟03中,等待機床走刀正向到達對刀點,以便準確計算加工走刀數。(正向方向是操作者所設定的,刀具的相對運動由左往右或由右往左均可,機動或手動都可以實現機床走刀正向到達對刀點。)在步驟04中,每往復經過對刀點和結束點一次,即不論走刀方向,凡走刀一次,都要累加走刀次數。在步驟05中,判斷走刀次數是否符合設定的分度參數,否則回到步驟04,繼續根據機床走刀情況計算走刀次數。在步驟06中,若步驟05中的判斷結果為是,說明已經工件的當前分齒已經加工好了,累加已加工分齒數。在步驟07中,判斷是否已加工完所有分齒。在步驟08中,若步驟07的判斷結果為否,向步進電機5或伺服電機發送分度信號,令機床實時自動分度裝置的分度主軸2轉動,以便機床加工下一分齒,然后回到步驟03,繼續根據機床走刀情況計算走刀次數。在步驟09中,若步驟07的判斷結果為是,選擇是否繼續加工同型工件,按下8279在鍵盤上設定的“確定鍵”沿用原參數重新加工,按下8279在鍵盤上設定的“RESET鍵”則是復位以便加工新型零件。
為了對不同類型工件進行適當的分度加工,設定分度參數前根據工件種類或加工要求選擇加工模式。機床實時自動分度裝置可以不同加工模式加工各種具有對稱等分特征的工件,其中點動、直齒輪、斜齒輪、單螺旋槽加工模式最具有代表性,這四種模式不僅用來加工齒輪和螺旋槽工件,對于其他對稱等分特征的工件也具有普遍適用性,本發明實施例提供了這四種加工模式的具體控制流程,加工時需要根據加工要求選擇加工各種具有對稱等分特征的工件,如直齒輪、斜齒輪、單螺旋槽、多螺旋槽、花鍵槽、牙嵌式離合器等,工件上的等分加工部位可以是齒、槽、孔等不同形狀,并可選擇由直齒輪、斜齒輪、單螺旋槽加工模式之一實現;與此同時,如遇不等分加工工件或是調整工件加工位置時,可選擇由點動模式實現。
上述四種分度加工模式由自動分度裝置的兩種運動狀態組合實現一種為分齒運動狀態,另一種為螺旋運動狀態。自動分度裝置作分齒運動時,系統中的光電旋轉編碼器8進行工作臺位移檢測的目的是使系統控制裝置6對工件齒槽加工的起始和終止位置進行判斷。在加工具有對稱等分特征的工件時,每當一個齒槽加工完畢,根據設定的等分值,由自動分度裝置進行分齒運動,帶動工件旋轉一定的角度。在有特別加工要求時,也可通過系統控制裝置6控制自動分度裝置做特殊的分齒運動,如分度主軸2帶動工件整周連續轉動、變速轉動、換向轉動等。做螺旋運動時,系統中的光電旋轉編碼器8進行工作臺位移監測的目的是通過系統控制裝置6將機床工作臺11縱向移動與工件的轉動之間建立起內聯系的傳動鏈,使機床工作臺11縱向移動工件螺旋槽的一個導程L時,工件正好轉過一周。這兩種運動狀態有時只使用一種,有時需兩種運動交替使用。加工直齒輪時只用分齒運動,加工單螺旋槽時只用螺旋運動,加工斜齒輪由兩種運動交替進行。因此不同的加工模式在具體的系統流程中有部分區別。
參見圖4A和圖4B,本發明實施例提供了上述四種加工模式相應的具體控制流程。在開始步驟001之后,步驟002進行初始化操作,對單片機的計時/計數器、可編程鍵盤/顯示接口芯片8297進行控制方式和工作方式設定,對變量、輸入輸出口、鍵盤功能鍵和數字鍵進行定義,對電機驅動器的各個控制線進行設定。然后進行步驟003,單片機根據循環掃描鍵盤所獲得的鍵盤輸入數據選擇判斷加工模式,根據結果選擇執行步驟101、201、301、401其一,進入點動、直齒輪、斜齒輪、單螺旋槽加工模式的相應子流程。
(1)直齒輪模式在步驟201后,進入步驟202在LED屏幕上顯示設定的相應數字222以供提示,步驟203、204分別輸入直齒輪的齒數N分和一個齒加工過程中需要的走刀次數M,即直齒輪加工需要輸入的加工參數。在步驟205中按下8279在鍵盤上設定的“起始鍵”,在步驟206中按下按下8279在鍵盤上設定的“終止鍵”,確定機床走刀的對刀點和結束點。在步驟207中等待機床走刀正向到達對刀點,以便準確計算加工走刀數。在步驟208中,根據位移檢測裝置提供的信息,每往復經過對刀點和結束點一次,累加走刀次數。在步驟209中,判斷是否已經走刀M次,即是否符合步驟204設定的走刀次數。如果符合,在步驟210中累加已加工齒數,然后在步驟211中,判斷是否所有N分個分齒都已加工完畢。若結果為否,進行步驟212向步進電機5或伺服電機發送分度信號脈沖N沖,然后返回執行步驟207繼續加工下一分齒(附圖中用①標記)。若已加工完所有分齒,進入步驟213選擇是否要繼續加工同一零件選擇繼續的在步驟214中按下8279在鍵盤上設定的“確定鍵”沿用原參數重新加工,否則進行步驟215按下8279在鍵盤上設定的“RESET鍵”復位以便加工新型零件。注意在直齒輪加工中,工件在靜止狀態時,單片機向制動電路發送信號con控制電磁離合器組件4,鎖緊分度主軸2,要進行分齒時不發送該信號令電磁離合器組件4松開,分齒運動完成后再發送信號con保證分度主軸2和工件可靠定位和鎖緊。
(2)斜齒輪模式在步驟301后,進入步驟302在LED屏幕上顯示設定的相應數字333以供提示,步驟303、304分別輸入斜齒輪的齒數N分、一個齒加工過程中需要的走刀次數M和斜齒輪螺旋線導程L,即斜齒輪加工需要輸入的加工參數。在步驟305中按下8279在鍵盤上設定的“起始鍵”,在步驟306中按下按下8279在鍵盤上設定的“終止鍵”,確定機床走刀的對刀點和結束點。在步驟307中等待機床走刀正向到達對刀點,以便準確計算加工走刀數。因為工件的轉動由步進電機5或伺服電機通過傳動機構3驅動分度主軸2轉動來實現,為了保證斜齒輪加工時機床工作臺11的縱向移動與工件的轉動有確定的傳動比關系,分度主軸2必須在系統控制裝置6的指令控制下隨動。這種隨動的實現由具體控制裝置對光電旋轉編碼器8發的脈沖數進行實時記憶,并按建立的運動平衡式及數學模型和算法進行計算,根據計算結果對步進電機5或伺服電機發送一定比例的脈沖數(保證斜齒輪或螺旋槽的螺旋角β和斜齒輪螺旋線導程L)。步驟308中分度主軸2開始隨動,即建立起分度主軸2轉動與機床工作臺移動的準確傳動比關系。在步驟309等待走刀到結束點,在步驟310中繼續令分度主軸2保持隨動,而分度主軸2轉動方向根據走刀方向而決定,走刀方向由光電旋轉編碼器8提供。在步驟311中根據位移檢測裝置7提供的信息,每往復經過對刀點和結束點一次,累加走刀次數。在步驟312中,判斷是否已經走刀M次,即是否符合步驟304設定的走刀次數,結果為否就返回執行步驟311。如果符合設定的走刀次數,在步驟313中解除分度主軸2的隨動,并累加已加工齒數。然后在步驟314中,判斷是否所有N分個分齒都已加工完畢。若結果為否,進行步驟315向步進電機5或伺服電機發送分度信號脈沖N沖,然后返回執行步驟307繼續加工下一分齒(附圖中用②標記)。若已加工完所有分齒,進入步驟316選擇是否要繼續加工同一零件選擇繼續的在步驟317中按下8279在鍵盤上設定的“確定鍵”沿用原參數重新加工,否則進行步驟318按下8279在鍵盤上設定的“RESET鍵”復位以便加工新型零件。
(3)單螺旋槽模式加工單螺旋槽不需要自動分度裝置作分齒運動,該模式的具體控制程序省去相關操作,但和斜齒輪模式類似需要自動分度裝置作螺旋運動,即要求保證機床工作臺11的縱向移動與工件的轉動之間具有嚴格的傳動比隨動關系。在步驟401后,進入步驟402在LED屏幕上顯示設定的相應數字444以供提示,步驟403、404分別輸入單槽需要走刀次數M、螺旋槽導程L,即單螺旋槽加工需要輸入的加工參數。在步驟405中按下8279在鍵盤上設定的“起始鍵”,在步驟406中按下按下8279在鍵盤上設定的“終止鍵”,確定機床走刀的對刀點和結束點。在步驟407中等待機床走刀正向到達對刀點,以便準確計算加工走刀數。步驟408中分度主軸2開始隨動,即建立起分度主軸2轉動與機床工作臺11移動的準確傳動比關系。在步驟409等待走刀到結束點,在步驟410中繼續令分度主軸2保持隨動,而分度主軸2轉動方向根據走刀方向而決定,走刀方向由光電旋轉編碼器8檢測機床工作臺11的位移而提供。在步驟411中根據位移檢測裝置7提供的信息,每往復經過對刀點和結束點一次,累加走刀次數。在步驟412中,判斷是否已經走刀M次,即是否符合步驟404設定的走刀次數,結果為否就返回執行步驟411。如果符合設定的走刀次數,即已完成了該單螺旋槽工件的加工,在步驟413選擇是否要繼續加工同一零件選擇繼續的在步驟414中按下8279在鍵盤上設定的“確定鍵”沿用原參數重新加工,否則進行步驟415按下8279在鍵盤上設定的“RESET鍵”復位以便加工新型零件。
(4)點動模式為可能出現的生產需要提供了一種基本的工作模式。相應的具體流程的主要部分只保留了向步進電機5或伺服電機發送脈沖信號N沖以令分度主軸2旋轉的步驟,是最簡單的分齒運動。在步驟101后,進入步驟102在LED屏幕上顯示設定的相應數字111以供提示,步驟103輸入點動分齒角度α,即點動加工需要輸入的加工參數。在步驟104中向步進電機或伺服電機發送分度信號脈沖N沖,令分度主軸2旋轉α角度。進入步驟105選擇是否要繼續令分度主軸2旋轉α角度選擇繼續的在步驟106中按下8279在鍵盤上設定的“確定鍵”繼續加工,否則進行步驟107按下8279在鍵盤上設定的“RESET鍵”復位以便進行其他加工。和直齒輪加工相同,工件在靜止狀態時,單片機向制動電路發送信號con控制電磁離合器組件4,鎖緊分度主軸2,要進行分齒時不發送該信號令電磁離合器組件4松開,分齒運動完成后再發送信號con保證分度主軸2和工件可靠定位和鎖緊。
為了方便實施,提供本發明實施例采用步進電機時,分齒運動和螺旋運動的運動平衡方程式及數學模型和算法,采用伺服電機時的情況與之相似。
(1)分齒運動時的運動平衡式 式中N沖為等分齒時系統控制裝置6向步進電機5發出的每齒驅動脈沖數;N分為工件等分齒數;N步為步進電機5每轉步數;本發明實施例中機床實時自動分度裝置的傳動結構3采用蝸桿蝸輪,Z1、Z2為蝸桿和蝸輪的頭數和齒數,i1-2為蝸桿蝸輪副的傳動比。
其中,N步可以根據工件等分齒數N分的要求,利用步進電機5的步進細分功能,實時確定其具體值的大小,使N沖的值為整數。從而解決了傳統分度裝置對于工件特殊等分值(如大于100的質數齒等)難以簡單分度,必須進行煩瑣的差動分度的難題。
(2)螺旋運動時的運動平衡式 (進給絲杠轉動一周)式中,L為工件螺旋槽導程;T為進給絲杠11的縱向螺距(T隨機床類型設定);N光為光電旋轉編碼器8的線數;N步為步進電機5的每轉步數;本發明實施例中機床實時自動分度裝置的傳動結構3采用蝸桿蝸輪,Z1、Z2為蝸桿和蝸輪的頭數和齒數;ik為控制系統傳動比,即輸入控制系統的脈沖數與輸出控制系統的脈沖數之比,也就是光電旋轉編碼器8輸出脈沖數與步進電機5輸入脈沖數之比。
其中,比值N光/N步=i光-步、Z1/Z2=i1-2根據具體系統硬件設計確定。而ik值可由控制系統軟件程序按算法和規則確定,并能根據不同工件導程的要求,隨時用鍵盤輸入導程值,由控制系統自動獲得ik值。
所以,上式整理后為
權利要求
1.一種機床實時自動分度系統,包括機床實時自動分度裝置,其特征在于具有系統控制裝置,以及將機床工作臺位移信息提供給系統控制裝置的位移檢測裝置。
2.根據權利要求1所述的機床實時自動分度系統,其特征在于系統控制裝置由單片機電路、鍵盤/顯示電路、驅動器、控制機床實時自動分度裝置的電磁離合器組件的制動電路構成,單片機通過接口電路連接鍵盤/顯示電路、驅動器和制動電路,并根據位移檢測裝置提供的機床工作臺位移信息向驅動器輸出信號,驅動器控制機床實時自動分度裝置的步進電機或伺服電機。
3.根據權利要求1或2所述的機床實時自動分度系統,其特征在于所述制動電路包括一個繼電器、一個驅動繼電器的三極管、一個與繼電器線圈并聯的二極管,三極管的基極接入單片機的控制信號,繼電器的輸出接機床實時自動分度裝置的電磁離合器組件。
4.根據權利要求1或2所述的機床實時自動分度系統,其特征在于位移檢測裝置具有經彈性聯軸器與機床的進給絲杠相聯的光電旋轉編碼器,光電旋轉編碼器的輸出信號送入系統控制裝置的單片機電路。
5.根據權利要求3所述的機床實時自動分度系統,其特征在于位移檢測裝置具有經彈性聯軸器與機床的進給絲杠相聯的光電旋轉編碼器,光電旋轉編碼器的輸出信號送入系統控制裝置的單片機電路。
6.一種機床實時自動分度系統的控制方法,其特征在于該方法包括下列步驟,(1)初始化;(2)設定分度參數,確定走刀的對刀點和結束點;(3)等待正向到達對刀點;(4)每往復經過對刀點和結束點一次,累加走刀次數;(5)判斷走刀次數是否符合設定的分度參數,否則回到步驟(4);(6)若步驟(5)中的判斷結果為是,累加已加工分齒數;(7)判斷是否已加工完所有分齒;(8)若步驟(7)的判斷結果為否,向步進電機或伺服電機發送分度信號,然后返回進行步驟(3);(9)若步驟(7)的判斷結果為是,選擇是否繼續加工同型零件。
7.根據權利要求6所述的控制方法,其特征在于設定分度參數前根據加工要求選擇加工模式。
全文摘要
本發明公開了一種機床實時自動分度系統及其控制方法,該系統包括機床實時自動分度裝置,其特征在于具有系統控制裝置,以及將機床工作臺位移信息提供給系統控制裝置的位移檢測裝置。系統控制裝置實時接收輸入的零件的加工模式和分度參數信息,通過位移檢測裝置監控機床工作臺移動位置,實時自動地控制驅動電機轉動的時間和角度,支持不同工藝要求下的機床實時自動分度裝置控制,簡化了機床實時自動分度裝置的操作,提高了生產效率。
文檔編號B23Q15/20GK1586811SQ20041006061
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月23日 優先權日2004年7月23日
發明者潘衛平 申請人:武漢大學