数控机床加工圆弧曲面极值点过切问题研究

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图1 熔铸耐火陶瓷唇砖零件图
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1、6.步进电动机 2.滚珠丝杠 3.主电动机 4.立导轨 5.周边铣磨头 7.端面铣磨头 8.工作台
8 v/ r# F' \* `8 M3 N7 n8 G# k! K+ G图2 数控铣磨床结构
/ ]9 I( m, X$ M" F: S2 w+ _! T1 问题的提出
笔者为研制“熔铸耐火材料精加工设备”试制出一台数控铣磨床。在样机试切工件时，发现工件过切。工件材料为a-bAl2O3，是玻璃熔窖流道槽中的关键零件，属难加工的高硬、脆性材料，其形状如图1 所示。
经过各种工况的反复试验，过切总在既定的位置，即位于零件的最高处(半径为50mm 的圆弧极值点处)。为此，笔者进行了空载模拟加工，磨具上安装的铅笔在白纸上描绘出各种加工曲线，结果证实机床的Z向进给在极值点均出现失控下滑的现象，在纸上表现的加工轨迹就是极值点过切。
$ ^5 p  Z* G4 O, @2 机床进给系统
" ?9 A. p+ m% @数控铣磨床样机如图2所示，它采用龙门框架结构，具有较大的整体刚度。机床设置了立滑枕(Z轴)、模向滑座(Y轴)及纵向工作滑台，且均由步进电动机分别驱动，脉冲当量均为0.01mm，其中Y、Z两轴为二坐标联动。滑枕、滑座、滑台的导轨面采用贴塑软带(YT塑料导轨软带)新技术，具有低摩擦、无爬行、耐磨、抗振的特点。立滑枕(含磨具，计450kg)采用气囊式蓄能器液压配重装置，避免了铅块配重的缺陷，惯性小，动作快捷灵敏。
2 |4 h4 i( _# @+ a5 |. p从设计的角度看，该机床Y方向的进给运动是由步进电动机通过一对齿轮传动后驱动滚珠丝杠实现的。滚珠丝杠两端采用双支承结构，通过对支承轴承、丝杠螺母副及丝杠本身的预紧，传动刚度较大。X轴方向的进给与Y方向相同，且它对加工质量的影响甚微。Z轴方向的进给与X轴方向相比，滚珠丝杠的下端处于自由状态，因此支承刚度较小，丝杠本身无法预紧。此丝杠驱动立滑枕作上、下进给运动，其结构原理如图3所示。它与Y轴丝杠联动可实现Y-Z平面上的曲线加工。此轴是引起过切的根源。
3 过切现象研究
现以与磨具刚性联接的立滑枕为研究对象，它受到重力G，配重拉力F，立滑枕与导轨面的摩擦力Ff以及滚珠丝杠对立滑枕的驱动力T的作用。在原理上配重力F要与重力G相等。当立滑枕向上运动时，由于Z轴进给要换向，电动机接受反向插补脉冲指令而顺时针运转。假如由于制造或装配原因，传动齿轮副存在间隙，电动机接受反向进给指令后，最初的若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用，因此产生传动误差的结果是欠切而不是过切。在实际控制软件中，齿轮传动间隙已采取补偿措施，欠切也不会发生。

3 O; l/ s4 L1 H+ q7 C# W* n1.横向滑座 2.Y轴丝杠 3.横梁 4.蓄能器 5.油缸 6.步进电动机 7.钢丝绳 8.主电动机 9.主传动轴 10.滚珠丝杠 11.立滑枕 12.磨具
图3 Z轴进给系统工作原理
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6 }1 @0 L7 ]) w3 s. b  [# k图4 进给控制系统

图5 逐步比较法插补速度分析
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+ U  a" d3 j" _" J; I2 ^图6 速度误差引起过切原理图

经现场观察及理论计算，发现所选用的配重蓄能器公称容积V0偏小，导致配重力F在立滑枕的工作行程范围内变化幅度较大。根据蓄能器的工作原理，配重力F的变化幅度取决于蓄能器的公称容积V0、油缸的缸径及工作行程。当V0偏小时，以工作行程的中点为临界点，愈是在工作行程的下端部，F值越大：愈是在工作行程的上端部，F值愈小。在试切工件时，极值点位于工作行程的上半部较高位置，此时测出配重力F