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数控车床中螺纹加工控制功能的研究

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  引言

  在普通车床加工螺纹时,主轴与刀架间的同步是由复杂的机械传动链来保证的。在数控车床的螺纹加工中,主轴与进给机构之间不存在机械上的定比传动关系,而是依靠数控系统控制伺服电机驱动刀架的进给,与主轴的旋转相配合而实现的。

  1 光电编码器原理

  在经济型数控系统中,一般采用增量式光电编码器作为主轴脉冲发生器。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前主轴的转速。为判断旋转方向,编码器提供相位相差90°两路脉冲信号。这两路信号经比较电路、整形电路后得到相位相差90°的脉冲方波信号,如图1所示,如果A相比B相超前,则为正转,否则为反转。C为零脉冲线,每转一圈产生一个脉冲,作为加工螺纹的起始点。编码器安装于机床的主轴箱内,通常采用弹性联轴器与主轴安装或采用同步齿轮安装,实现1∶1传动。

 

  2 控制系统硬件设计

  在硬件电路设计中,如图2所示,主要采用D触发器作为脉冲发生器方波脉冲信号的接收端。被采集的主轴脉冲发生器的脉冲,经过8031单片机软件处理,以主轴脉冲编码器的脉冲输出为基准,通过8255PA、PB口驱动两个步进电机进行工作,使刀具沿X、Z两个方向按照一定的要求进给,通过步进电机推动刀架运动,完成螺纹加工。

  3 软件设计

  对于螺纹加工,把装有主轴脉冲发生器的主轴和Z向运动,看成、Z坐标系内的两轴联动,如图3所示,螺纹加工过程中实际上是保持图中直线斜率不变,可以把K(主轴编码器A相每转的脉冲数)、P (螺距值进行过脉冲当量转换后的脉冲数)作为直线的两个终点值,用逐点比较法进行直线插补。偏差Fi-1的判别式如下:

  Fi-1≥0时, Fi=Fi-1-K;进给Z轴

  Fi-1<0时, Fi=Fi-1+P;进给轴

  由图3可知,当主轴脉冲数固定后,螺距不同,得到不同斜率(K/P)的直线;主轴转速不同,脉冲频率不同,只影响沿Z轴的进给速度,由于K、P不变,对斜率无影响。

  螺纹加工的进给速度F由脉冲频率决定。F=v主P (v主为主轴转速),当螺距不变的情况下,主轴转速越快,走刀速度也越快,在主轴转速不变的情况下,螺距越长,则每转需中断的次数越多,走刀速度也越快。

 螺纹加工需要解决以下问题:

  (1)主轴每转1转,螺纹车刀必须在Z向精确地移动1个螺距P若K/P等于整数,将K与对应P的脉冲当量数之比n作为单片机计数器T0的计数常数,主轴旋转时,数控系统每接收到n个脉冲,计数器T0溢出,产生中断,发出一个进给脉冲,使刀架沿Z向进给一步。若K/P不等于整数,需进行补偿。例如,设主轴脉冲数K=2 048个/转,螺距P=2mm=200个脉冲当量(0·01mm/step),2 048/200不是整数,设计数常数K1=10,则K1×200=2 000,主轴只转过2 000个脉冲,还有48个脉冲。又设K2=K1+1=11,则只要K2在200步进给过程中使用48次, K1使用152次,主轴刚好在一个螺距中转过2 048个脉冲。即

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