成形聯(lián)接的數(shù)控車削研究

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:2683

1 引言

成形聯(lián)接是利用非圓剖面的軸與相應(yīng)輪廓的轂孔所構(gòu)成的軸轂聯(lián)接(圖1)。這種聯(lián)接不用鍵或花鍵,故又稱無(wú)鍵聯(lián)接,或型面聯(lián)接。

軸頭和轂孔可以是柱形的(圖1a)也可以是錐形的(圖1b)。柱形的除靜聯(lián)接外還可以用于無(wú)載荷作用下做軸向移動(dòng)的動(dòng)聯(lián)接;錐形的裝拆容易,還可承受單方向的軸向力。

由于成形聯(lián)接具有拆裝方便,能保證良好的對(duì)中性;聯(lián)接面上沒(méi)有鍵槽及尖角,減小了應(yīng)力集中,因而承載能力高,可傳遞大扭矩,疲勞強(qiáng)度高,可替代鍵或花鍵聯(lián)接。對(duì)于帶錐度的成形聯(lián)接軸(孔)能夠做到無(wú)間隙配合,性能更優(yōu)良,工作更可靠。這種理想的設(shè)計(jì),一直因?yàn)榧庸すに噺?fù)雜,對(duì)工藝過(guò)程研究不夠,尚無(wú)良好的加工設(shè)備及刀具、量具,至今使其廣泛應(yīng)用受到很大的限制。因此,要使其作為通用的基礎(chǔ)零件推廣應(yīng)用,關(guān)鍵在于正確地解決其加工方法。

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圖1 成形聯(lián)接

現(xiàn)有的加工方法中,典型的非圓成形軸加工可以采用靠模仿型法和機(jī)械式運(yùn)動(dòng)合成法實(shí)現(xiàn)。非圓型孔可以用成形插刀來(lái)加工,這些方法或需要硬靠模,或需要專用機(jī)床或系列專用刀具,制造柔性差,生產(chǎn)效率低,所以,采用數(shù)控加工已成為趨勢(shì)。浙江大學(xué)的鄔義杰,在一臺(tái)XK5040三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床上,對(duì)三角軸進(jìn)行了銑削加工試驗(yàn)。本文介紹的數(shù)控車削系統(tǒng)利用高響應(yīng)電液伺服油缸作進(jìn)給機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)刀架在工件的徑向作快速運(yùn)動(dòng),跟蹤加工成形聯(lián)接面。只用一套數(shù)控裝置,就能夠完成非圓軸截面和錐度的加工,對(duì)刀和調(diào)整十分方便。

2 成形聯(lián)接軸(孔)數(shù)控車削系統(tǒng)的構(gòu)成和加工原理

數(shù)控加工系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。在PC總線的工控機(jī)上,可通過(guò)軟件來(lái)改變成形軸(孔)的形狀、尺寸大小和錐度比例等。加工時(shí),工控機(jī)檢測(cè)車床主軸轉(zhuǎn)角和液壓伺服刀架位置,實(shí)時(shí)反饋控制伺服系統(tǒng)車削工件,做到了無(wú)靠模車削。

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1.伺服放大器 2.位移傳感器 3.閥控缸 4.工件 5.光電編碼器
圖2 加工系統(tǒng)構(gòu)成框圖

在成形聯(lián)接軸的車削過(guò)程中,以典型的帶錐度的PK-3成形軸的加工為例,本文采用一套數(shù)控系統(tǒng)同時(shí)完成錐度和PK-3成形軸截面兩種運(yùn)動(dòng)。加工時(shí),成形聯(lián)接軸表面的空間軌跡如圖3所示,該軌跡由工件繞主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(繞Z軸)、伺服刀架的往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(X軸方向)和伺服刀架的勻速走刀運(yùn)動(dòng)(沿Z軸方向)復(fù)合而成。伺服刀架的往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軌跡,是由計(jì)算機(jī)控制下的電液伺服系統(tǒng)跟蹤特定的輸入曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該輸入曲線被稱為跟蹤曲線,其本質(zhì)是液壓靠模仿形加工中仿形頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)跟蹤曲線由計(jì)算機(jī)生成時(shí),如果加工相同零件時(shí),跟蹤曲線能夠精確地保持不變;如果加工零件變化時(shí),跟蹤曲線能夠靈活地由軟件改變,完全代替靠模。因此,跟蹤曲線又稱為“軟靠!。

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圖3 成形聯(lián)接軸表面的空間軌跡

跟蹤曲線以工件繞主軸回轉(zhuǎn)一周的角度(2π弧度)為一個(gè)周期。本系統(tǒng)用光電編碼器檢測(cè)主軸回轉(zhuǎn)的角度,計(jì)算機(jī)控制跟蹤曲線與回轉(zhuǎn)的角度同步,電液伺服系統(tǒng)跟蹤曲線,使刀架運(yùn)動(dòng)與工件回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)保持協(xié)調(diào)同步。

在完成加工這一動(dòng)力學(xué)過(guò)程的問(wèn)題上,本設(shè)計(jì)采用的跟蹤方法與插補(bǔ)法完全不同。一般數(shù)控系統(tǒng)是指采用計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng),既包括基于插補(bǔ)原理的數(shù)值控制(Numerical Control),也包括基于動(dòng)力學(xué)的數(shù)字控制(Digital Control)。本文采用了后者。這就要求提高伺服刀架的頻寬和行程。本文采用的新型電液伺服進(jìn)給刀架,克服了一般電液伺服系統(tǒng)響應(yīng)低的缺點(diǎn),頻寬超過(guò)130Hz,設(shè)計(jì)的最大行程為8mm。

本文用PK—3成形軸的廓形曲線(又稱P3或K形成型軸聯(lián)接)來(lái)進(jìn)行討論。PK—3成形曲線有簡(jiǎn)明的表達(dá)式,在圖4中的參數(shù)方程為:

x(t0)=(R-ecos3t0)cost0+3esin3t0sint0
y(t0)=(R-ecos3t0)sint0-3esin3t0cost0

式中 R——平均半徑,mm
e——偏心量,mm
t0——角參數(shù),rad

由式(1)和(2),如圖4用極坐標(biāo)時(shí),計(jì)算截面廓形曲線的矢徑ρ(mm)和極角θ(rad)為

r=(x2+y2)½
q=arctg(y/x)

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圖4 PK-3成形軸的截面廓形 圖5 PK-3成形截面的跟蹤曲線

采用跟蹤法車削加工時(shí),伺服刀架刀尖往復(fù)的位置就是矢徑r的變化量,以下的跟蹤曲線均以矢徑r和極角q表示。PK—3成形軸截面的跟蹤曲線如圖5,圖例中取R=7mm,e=0.45mm,該曲線的傅立葉展開(kāi)式為

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式中 ω=3ω0,t∈[0,60L/Sn]
ω0——車床主軸角速度,rad/s
t——時(shí)間,s
n——車床主軸轉(zhuǎn)速,r/min,n=60w0/2π
L——PK—3成形軸加工部分長(zhǎng)度,mm
S——車床走刀量,mm/r

式(3)中的k實(shí)際并不取∞,而是根據(jù)精度要求選取,本文k取3。

根據(jù)kw,設(shè)計(jì)電液伺服系統(tǒng)的頻寬。

在進(jìn)行錐度PK—3成形軸加工時(shí),錐度的跟蹤曲線為

ρ1=αSωt/2π (4)

式中 α——PK—3成形軸的錐度比系數(shù)

圖6為錐度的跟蹤曲線。合成后的跟蹤曲線為

ρ=ρ0+ρ1

圖7為加工長(zhǎng)度L上的合成跟蹤曲線。

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圖6 錐度的跟蹤曲線 圖7 錐度PK-3成形軸的合成跟蹤曲線

當(dāng)采用伺服液壓缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí),很容易跟隨合成的跟蹤曲線。這樣,一套數(shù)控系統(tǒng)同時(shí)完成了錐度和PK—3成形軸截面兩種變化。刀架按合成的軌跡運(yùn)動(dòng),其行程大于單獨(dú)加工不帶錐度的PK—3成形軸時(shí)的行程。

3 系統(tǒng)控制方法和加工試驗(yàn)

采用電液伺服刀架作驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),具有切削力大,剛性好的特點(diǎn)。但由于電液伺服系統(tǒng)本身的非線性因素,一般線性系統(tǒng)的控制方法難以勝任,必須采用具有一定適應(yīng)能力的非線性控制策略。本系統(tǒng)采用筆者已研究的自適應(yīng)控制算法,具體可見(jiàn)《機(jī)床與液壓》雜志1995年第2期刊載的《高響應(yīng)高精度電液伺服系統(tǒng)自適應(yīng)控制的工程實(shí)現(xiàn)》一文。

PK—3成形軸的數(shù)控車削試驗(yàn)是在一臺(tái)普通MAZAK—J1車床上進(jìn)行的,結(jié)構(gòu)如圖2。改裝時(shí),首先,在原車床主軸尾端加上了一個(gè)光電編碼器,用來(lái)測(cè)主軸轉(zhuǎn)角。其次,將原車床刀架換成了液壓伺服刀架,并在液壓伺服刀架上加裝位移傳感器,用來(lái)測(cè)刀架位移,安裝十分方便。在控制系統(tǒng)中,主機(jī)為一PC總線的CONTEC工控機(jī),接口是12位的A/D和D/A,位移傳感器為L(zhǎng)VDT-1型壓差式傳感器,-3dB頻寬240Hz,測(cè)量范圍0~±3mm。伺服刀架為自制高響應(yīng)低摩擦液壓油缸,行程為±4mm,液壓剛度kh=66.8N/µm,固有頻率為fh=450.7Hz。試驗(yàn)時(shí),利用光電編碼器每周的零位脈沖,作為主軸回轉(zhuǎn)角與跟蹤曲線的周期同步信號(hào)。加工時(shí),無(wú)論成形軸或孔,車削刀具均采用普通通用刀具(外圓車刀和內(nèi)孔鏜刀),安裝在伺服刀架上。對(duì)刀時(shí),先由計(jì)算機(jī)將控制輸出量送零值,保持刀架不動(dòng),按一般車削圓工件方法,手動(dòng)試切對(duì)刀。試驗(yàn)加工零件為45號(hào)鋼,在主軸轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí),進(jìn)行了平均直徑20mm、錐度比為1∶40、帶錐度的PK—3成形軸和孔的車削。用加工好的錐度PK—3成形軸和孔,可以做到無(wú)間隙配合,取得較滿意的效果。

4 結(jié)論

1) 采用本文提出的方法車削加工成形聯(lián)接軸(孔)時(shí),設(shè)備簡(jiǎn)單,工件裝夾和對(duì)刀調(diào)整容易,使用方便,成形聯(lián)接件易于推廣應(yīng)用。
2) 作為一般應(yīng)用,帶錐度的成形聯(lián)接件,能做到無(wú)間隙配合,更便于使用推廣。
3) 作為產(chǎn)品,成形聯(lián)接件的檢驗(yàn)測(cè)量問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。
4) 試驗(yàn)表明,本文的理論分析、電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是正確可行的,該方法還可為其它非圓表面的加工提供借鑒。

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