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1 兩種攻絲方式的比較

以前的加工中心為了攻絲, 一般都是根據所選用的絲錐和工藝要求, 在加工程序中編入一個主軸轉速和正/反轉指令, 然后再編人 G84/G74 固定循環, 在固定循環中給出有關的數據, 其中 Z 軸的進給速度是根據 F =絲錐螺距×主軸轉速得出, 這樣才能加工出需要的螺孔來。雖然從表面上看主軸轉速與進給速度是根據螺距配合運行的, 但是主軸的轉動角度是不受控的, 而且主軸的角度位置與 Z 軸的進給沒有任何同步關系, 僅僅依靠恒定的主軸轉速與進給速度的配合是不夠的。主軸的轉速在攻絲的過程中需要經歷一個停止－正轉－停止－反轉－停止的過程, 主軸要加速－制動－加速－制動, 再加上在切削過程中由于工件材質的不均勻, 主軸負載波動都會使 主軸速度不可能恒定不變。對于進給 Z 軸, 它的進給速度和主軸也是相似的, 速度不會恒定, 所以兩者不可能配合得天衣無縫。這也就是當采用這種方式攻絲時, 必須配用帶有彈簧伸縮裝置的夾頭, 用它來補償 Z 軸進給與 主軸轉角運動產生的螺距誤差。如果我們仔細觀察上述攻絲過程, 就會明顯地看到, 當攻絲到底,Z 軸停止了而主軸沒有立即停住(慣量), 攻絲彈簧夾頭被壓縮一段距離, 而當 Z 軸反向進給時, 主軸正在加速, 彈簧夾頭被拉伸, 這種補償彌補了控制方式不足造成的缺陷, 完成了攻絲的加工。對于精度要求不高的螺紋孔用這種方法加工 尚可以滿足要求, 但對于螺紋精度要求較高,6H 或以上的螺紋以及被加工件的材質較軟(銅或鋁)時, 螺紋精度將不能得到保證。還有一點要注意的是, 當攻絲時主軸轉速越高,Z 軸進給與螺距累積量之間的誤差就越大, 彈簧夾頭的伸縮范圍也必須足夠大, 由于夾頭機械結構的限制, 用這種方式攻絲時, 主軸轉速只能限制在 600r/min 以 下。

剛性攻絲就是針對上述方式的不足而提出的, 它在主軸上加裝了位置編碼器, 把主軸旋轉的角度位置反饋給 技控系統形成位置閉環, 同時與 Z 軸進給建立同步關系, 這樣就嚴格保證了主軸旋轉角度和 Z 軸進給尺寸的線 生比例關系。因為有了這種同步關系, 即使由于慣量、加減速時間常數不同、負載波動而造成的主軸轉動的角度 或 Z 軸移動的位置變化也不影響加工精度, 因為主軸轉角與 Z 軸進給是同步的, 在攻絲中不論任何一方受干擾發生變化, 則另一方也會相應變化, 并永遠維持線性比例關系。如果我們用剛性攻絲加工螺紋孔, 可以很清楚地 看到, 當 Z 軸攻絲到達位置時, 主軸轉動與 Z 軸進給是同時減速并同時停止的, 主軸反轉與 Z 軸反向進給同樣 保持一致。正是有了同步關系, 絲錐夾頭就用普通的鉆夾頭或更簡單的專用夾頭就可以了, 而且剛性攻絲時, 只要刀具(絲錐)強度允許, 主軸的轉速能提高很多, 4 000r/min 的主軸速度已經不在話下。加工效率提高 5 倍以上, 螺紋精度還得到保證, 目前已經成為加工中心*的一項主要功能。

2 剛性攻絲功能的實現

從電氣控制的角度來看, 數控系統只要具有主軸角度位置控制和同步功能, 機床就能進行剛性攻絲, 當然還需在機床上加裝反饋主軸角度的位置編碼器。要正確地反映主軸的角度位置, 把編碼器與主軸同軸聯接, 如果限于機械結構必需通過傳動鏈聯接時, 要堅持 1:1 的傳動比, 若用皮帶, 則非同步帶不可。還有一種可能, 那就是機床主軸和主軸電動機之間是直連, 可以借用主軸電動機本身帶的內部編碼器作主軸位置反饋, 節省二項開支。

除去安裝必要的硬件外, 主要的工作是梯形圖控制程序的設計調試。市面上有多種數控系統, 由于廠家不 同, 習慣各異, 對剛性攻絲的信號安排和處理是*不一樣的。我們曾經設計和調試過幾種常用數控系統的剛性攻絲控制程序, 都比較繁瑣。調試人員不易理解梯形圖控制程序, 特別是臺樣機調試周期長, 不利于推廣和使用。盡管如此, 加工中心有了該項功能, 擴大了加工范圍, 受到用戶的青睞。

3 不用設計梯形圖實現剛性攻

在 FANUC Oi 數控系統里, 參數 N0.5200#0 如果被設定為 0, 那么剛性攻絲就需要用 M 代碼。一般情況下, 我們都使用 M29, 而在梯形圖中也必須設計與之相對應的順序程序, 這對初次嘗試者來說還有一定的困難。 正常的情況下, 沒有特殊要求時, 主軸參數初始化后把參數 No.5200#0 設定為 1, 其它有關參數基本不動, 也不用增加任何新的控制程序, 這樣就簡單多了。在運行調試中要根據機床本身的機械特性設置剛性攻絲必須的一組參數(見表1)。參數設置好后就可以直接使用固定循環 G84/G74 指令編程, 其格式舉例如下

以上剛性攻絲編程由于將參數 No.5200#0 設置為 1, 固定循環 G84/ 成為剛性攻絲的指令, 所以它的編程格式就*與原固定循環 G84/G74 普通攻絲是一樣的。根據用戶的使用調查, 剛性攻絲性能大大優于普通攻絲。