在對(duì)螺旋齒刀具的數(shù)控刃磨方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了獲取螺旋線形切削刃幾何參數(shù)的方法，對(duì)刃磨螺旋齒刀具的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)的軟硬件的設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)實(shí)施技術(shù)進(jìn)行了介紹。 

    1 前言 

    螺旋齒刀具是指切削刃為螺旋線形的切削刀具，如圓柱形銑刀、立銑刀及螺旋槽鉸刀等。這類(lèi)刀具的刃磨一般是在工具磨床上借助附件由工藝操作人員手工完成，根據(jù)火花判斷砂輪與刀齒接觸與否，憑手感掌握背吃刀量，而且一個(gè)刀齒必須一次刃磨完成。因此，對(duì)操作者要求較高，且難以保證刃磨質(zhì)量，刃磨效率也不高。筆者對(duì)螺旋齒刀具的數(shù)控刃磨方法進(jìn)行了研究，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種小型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控工具磨床，從而可解決未知參數(shù)螺旋齒刀具的數(shù)控刃磨問(wèn)題。 

    2 數(shù)控工具磨床的傳動(dòng)系統(tǒng) 

    數(shù)控工具磨床機(jī)械部分的傳動(dòng)系統(tǒng)圖中，Y、Z軸為工作臺(tái)橫、縱向運(yùn)動(dòng)；X軸為磨頭升降運(yùn)動(dòng)；C軸為刀具(工件)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)手動(dòng)可以調(diào)整磨頭繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)；砂輪及刀具的上仰、下俯；刀具變速箱在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。 

    3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 

    控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以單片機(jī)8031為CPU，通過(guò)其P2口的低7位和P0口外擴(kuò)32KBEPROM27256存放系統(tǒng)程序，P2口的低3位和P0口外擴(kuò)2KBRAM6116存放數(shù)據(jù)，P2口的高五位用于地址譯碼，用以選通LED顯示電路、接口芯片(8155、8255)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(6116)和鎖存器(273)，P1口接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)手動(dòng)控制電路，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)由P0口輸出經(jīng)鎖存器(273)送至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器；8255的PA口接系統(tǒng)程序的啟動(dòng)、暫停按鈕和工作方式(參數(shù)輸入方式、測(cè)量方式、對(duì)刀方式及自動(dòng)方式)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，PB口用于刀具螺旋齒測(cè)量信號(hào)和其它輔助功能信號(hào)輸入，PC口用于輸出輔助功能信號(hào)；8155的PA口和PC口分別接鍵盤(pán)的行線和列線，PB口接刃磨刀具種類(lèi)選擇開(kāi)關(guān)。 

    4 螺旋齒幾何參數(shù)測(cè)量 

    數(shù)控刃磨時(shí)，需確定刀具軸向進(jìn)給與周向進(jìn)給之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由于生產(chǎn)中，螺旋齒刀具的螺旋角β和導(dǎo)程戶一般都是未知的，所以在刃磨前，需測(cè)出螺旋齒的有關(guān)參數(shù)。為此，將螺旋齒展開(kāi)成一條直線。設(shè)軸向進(jìn)給長(zhǎng)度(包括磨人長(zhǎng)度l1、刀刃長(zhǎng)度l2及磨出長(zhǎng)度ll)為l，則與其對(duì)應(yīng)的周向進(jìn)給弧長(zhǎng)(包括磨人弧長(zhǎng)s1、刀刃弧長(zhǎng)s2及磨出弧長(zhǎng)s3)為s0，為確定弧長(zhǎng)s，可先測(cè)一段螺旋線的幾何參數(shù)，再根據(jù)相似三角形，求出弧長(zhǎng)。 

    為此，刃磨前，在磨頭上裝一測(cè)量頭，測(cè)量頭的測(cè)量電路與刀具一起組成閉合回路。測(cè)量時(shí)，在測(cè)量方式下，利用手動(dòng)功能，首先使測(cè)量頭與刀齒接觸，然后使刀具直線移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量頭相對(duì)于刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡中的1或2，這時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)記錄下刀具直線移動(dòng)步數(shù)Z1和轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)C1，且根據(jù)Z軸的脈沖當(dāng)量將由操作面板輸入的進(jìn)給長(zhǎng)度/轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)Ze，利用已測(cè)得的Z1、C1的幾何關(guān)系，求出C軸轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)Ce，以(Ze、Ce)為直線的終點(diǎn)坐標(biāo)，由刀具直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)作兩軸聯(lián)動(dòng)直線插補(bǔ)。 

    為防止C向的測(cè)量超程誤差(因刀齒與測(cè)量頭之間距離不足一個(gè)脈沖當(dāng)量產(chǎn)生的，該誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量)影響螺旋線導(dǎo)程精度，一方面應(yīng)盡可能減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每步刀具轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)當(dāng)量δ。 

選用步距角較小的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，刃磨較大直徑刀具時(shí)用小的傳動(dòng)比可以減小δ值。 另一方面，增大Z向測(cè)量長(zhǎng)度也可減小C向超程誤差對(duì)螺旋線導(dǎo)程精度的影響。 

    5 控制系統(tǒng)軟件 

    軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，模塊的執(zhí)行取決于操作面板上的方式開(kāi)關(guān)狀態(tài)。系統(tǒng)主程序在完成I/O口的設(shè)置及將各項(xiàng)數(shù)據(jù)存放單元清零等初始化工作后，根據(jù)方式開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，進(jìn)入其中的一種，其主要的工作方式如下： 

    (1)參數(shù)輸入方式。根據(jù)系統(tǒng)提示符，從鍵盤(pán)依次輸入刀齒數(shù)、刀齒旋向、進(jìn)給長(zhǎng)度、刃磨余量、進(jìn)給次數(shù)、進(jìn)給速度、Z軸和C軸的測(cè)量下限控制值Z1min和C1min等現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)。 

    (2)測(cè)量方式。測(cè)量程序流程利用Z軸和C軸的手動(dòng)功能，使刀齒接觸測(cè)量頭，確定測(cè)量起始點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)刀齒旋向確定刀具軸向和周向進(jìn)給方向。當(dāng)測(cè)量值達(dá)到或超過(guò)預(yù)置的Z1min和C1min時(shí)，按下C鍵，使刀齒轉(zhuǎn)向測(cè)量頭，兩者一經(jīng)接觸，Z向和C向鍵按下無(wú)效，避免產(chǎn)生人為超程誤差和損壞測(cè)量裝置，然后完成計(jì)算返回主程序。 

    (3)對(duì)刀方式。刃磨前后刀面時(shí)，首先轉(zhuǎn)動(dòng)砂輪架刻度盤(pán)，使接觸點(diǎn)的火花與該點(diǎn)切線方向一致，在手動(dòng)方式下調(diào)整好對(duì)刀點(diǎn)，這時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)記錄起點(diǎn)至對(duì)刀點(diǎn)的刀具移動(dòng)步數(shù)Z2，然后置方式開(kāi)關(guān)為對(duì)刀方式。啟動(dòng)對(duì)刀程序后，系統(tǒng)首先取出內(nèi)部記錄的參數(shù)Z1、C1及Z2，根據(jù)計(jì)算刀具退回起點(diǎn)時(shí)，刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)C2，最后以(Z2、C2)為起點(diǎn)，做直線插補(bǔ)，刀具退回到刃磨起點(diǎn)(0，0)。 

    (4)自動(dòng)方式。自動(dòng)刃磨程序流程圖中，i為刃磨每個(gè)刀齒的進(jìn)給次數(shù)；n為刀齒數(shù)。 

    在循環(huán)中以刀齒為內(nèi)循環(huán)，進(jìn)給次數(shù)為外循環(huán)，即每進(jìn)給一次，全部刀齒刃磨一遍，這樣刀齒受熱變形均勻，磨去的余量相同，能保證刃磨后刀齒位于同一圓周上。分度步數(shù)m帶小數(shù)時(shí)，取整，小數(shù)累加到下一次分度步數(shù)中。 

    6 結(jié)論 

    (1)采用數(shù)控循環(huán)刃磨，可減小磨削溫度對(duì)刃磨精度的影響，刃磨精度將高于手工刃磨，且質(zhì)量穩(wěn)定。 

    (2)測(cè)量一次即可刃磨完一把刀的全部刀齒，刃磨效率及自動(dòng)化程度高。 

    (3)批量刃磨，無(wú)需重復(fù)測(cè)量，只需選定同一裝夾基準(zhǔn)即可，操作簡(jiǎn)單方便。 

    (4)只適用于等分螺旋齒刀具的刃磨。