技术

1 两种攻丝方式的比较

    以前的加工中心为了攻丝, 一般都是根据所选用的丝锥和工艺要求, 在加工程序中编入一个主轴转速和正/反转指令, 然后再编人 G84/G74 固定循环, 在固定循环中给出有关的数据, 其中 Z 轴的进给速度是根据 F =丝锥螺距×主轴转速得出, 这样才能加工出需要的螺孔来。虽然从表面上看主轴转速与进给速度是根据螺距配合运行的, 但是主轴的转动角度是不受控的, 而且主轴的角度位置与 Z 轴的进给没有任何同步关系, 仅仅依靠恒定的主轴转速与进给速度的配合是不够的。主轴的转速在攻丝的过程中需要经历一个停止－正转－停止－反转－停止的过程, 主轴要加速－制动－加速－制动, 再加上在切削过程中由于工件材质的不均匀, 主轴负载波动都会使 主轴速度不可能恒定不变。对于进给 Z 轴, 它的进给速度和主轴也是相似的, 速度不会恒定, 所以两者不可能配合得天衣无缝。这也就是当采用这种方式攻丝时, 必须配用带有弹簧伸缩装置的夹头, 用它来补偿 Z 轴进给与 主轴转角运动产生的螺距误差。如果我们仔细观察上述攻丝过程, 就会明显地看到, 当攻丝到底,Z 轴停止了而主轴没有立即停住(惯量), 攻丝弹簧夹头被压缩一段距离, 而当 Z 轴反向进给时, 主轴正在加速, 弹簧夹头被拉伸, 这种补偿弥补了控制方式不足造成的缺陷, 完成了攻丝的加工。对于精度要求不高的螺纹孔用这种方法加工 尚可以满足要求, 但对于螺纹精度要求较高,6H 或以上的螺纹以及被加工件的材质较软(铜或铝)时, 螺纹精度将不能得到保证。还有一点要注意的是, 当攻丝时主轴转速越高,Z 轴进给与螺距累积量之间的误差就越大, 弹簧夹头的伸缩范围也必须足够大, 由于夹头机械结构的限制, 用这种方式攻丝时, 主轴转速只能限制在 600r/min 以下。

    刚性攻丝就是针对上述方式的不足而提出的, 它在主轴上加装了位置编码器, 把主轴旋转的角度位置反馈给 技控系统形成位置闭环, 同时与 Z 轴进给建立同步关系, 这样就严格保证了主轴旋转角度和 Z 轴进给尺寸的线 生比例关系。因为有了这种同步关系, 即使由于惯量、加减速时间常数不同、负载波动而造成的主轴转动的角度 或 Z 轴移动的位置变化也不影响加工精度, 因为主轴转角与 Z 轴进给是同步的, 在攻丝中不论任何一方受干扰发生变化, 则另一方也会相应变化, 并永远维持线性比例关系。如果我们用刚性攻丝加工螺纹孔, 可以很清楚地 看到, 当 Z 轴攻丝到达位置时, 主轴转动与 Z 轴进给是同时减速并同时停止的, 主轴反转与 Z 轴反向进给同样 保持一致。正是有了同步关系, 丝锥夹头就用普通的钻夹头或更简单的专用夹头就可以了, 而且刚性攻丝时, 只要刀具(丝锥)强度允许, 主轴的转速能提高很多, 4 000r/min 的主轴速度已经不在话下。加工效率提高 5 倍以上, 螺纹精度还得到保证, 目前已经成为加工中心不可缺少的一项主要功能。

2 刚性攻丝功能的实现

    从电气控制的角度来看, 数控系统只要具有主轴角度位置控制和同步功能, 机床就能进行刚性攻丝, 当然还需在机床上加装反馈主轴角度的位置编码器。要正确地反映主轴的角度位置, 最好把编码器与主轴同轴联接, 如果限于机械结构必需通过传动链联接时, 要坚持 1:1 的传动比, 若用皮带, 则非同步带不可。还有一种可能, 那就是机床主轴和主轴电动机之间是直连, 可以借用主轴电动机本身带的内部编码器作主轴位置反馈, 节省二项开支。

    除去安装必要的硬件外, 主要的工作是梯形图控制程序的设计调试。市面上有多种数控系统, 由于厂家不 同, 习惯各异, 对刚性攻丝的信号安排和处理是完全不一样的。我们曾经设计和调试过几种常用数控系统的刚性攻丝控制程序, 都比较繁琐。调试人员不易理解梯形图控制程序, 特别是第一台样机调试周期长, 不利于推广和使用。尽管如此, 加工中心有了该项功能, 扩大了加工范围, 受到用户的青睐。

3 不用设计梯形图实现刚性攻

    在 FANUC Oi 数控系统里, 参数 N0.5200#0 如果被设定为 0, 那么刚性攻丝就需要用 M 代码指定。一般情况下, 我们都使用 M29, 而在梯形图中也必须设计与之相对应的顺序程序, 这对初次尝试者来说还有一定的困难。 正常的情况下, 没有特殊要求时, 主轴参数初始化后把参数 No.5200#0 设定为 1, 其它有关参数基本不动, 也不用增加任何新的控制程序, 这样就简单多了。在运行调试中要根据机床本身的机械特性设置刚性攻丝必须的一组参数(见表1)。参数设置好后就可以直接使用固定循环 G84/G74 指令编程, 其格式举例如下:

表 1 刚性攻丝参数表

功 能                   参 数
攻丝最高主轴转速      N0.5241 - N0.5244
主轴与攻丝轴的时间常数    N0.5261 - No.5264
刚性攻丝轴回路增益    N0.5280 - N0.5284
刚性攻丝时攻丝轴移动位置偏差量的极限值    N0.5310
刚性攻丝时主轴移动位置偏差量的极限值    N0.5311
刚性攻丝时的攻丝轴停止时的位置偏差量极限值    N0.5312
刚性攻丝时的主轴停止时的位置偏差量极限值    N0.5313

(1) 每分钟进给编程 　　右螺纹 　　G94;　

Z 轴每分钟进给 　　M3　　Sl000;　

主轴正转（1000r/min) 　　G9O G84　X-300.Y-250.Z-150.R-120. P300 F1000;　

右螺纹攻丝 , 螺距 lmm 　　左螺纹 　　G94;　　　　　　　

Z 轴每分钟进给 　　M4　Sl000; 　　　　

主轴反转 （1000r/min) 　　G9O G74　X-300.Y-250.Zl50.R-120.P300 F1000;

左螺纹攻丝 , 螺距 lmm (2) 每转 ( 主轴 ) 进给编程 　　右螺纹 　　G95; 　　　　　　

Z 轴进给 / 主轴每转 　　M3　S1000; 　　　

主轴正转 (1000r/min) 　　G9O G84　X-300.Y-250.Z-150.R-120. P300 F1.0;

右螺纹攻丝 , 螺距 1mm 　　右螺纹 　　G95;　　　　　　　

Z 轴进给 / 主轴每转 　　M4　S1000;　　　　主

轴反转 (1000r/min) 　　G90 G74 X-300.Y-250.Z150.R-120. P300 F1.0;

左螺纹攻丝 , 螺距 l mm