刨床数控改造后的自动刀架及其控制

在机械制造行业，经常需要加工截面是复杂曲线的柱面零件，如罗茨真空泵转子。根据零件是柱面的特点易于在刨床上加工，为了在刨床上精确加工复杂曲线柱面，我们对BC6063普通牛头刨床进行了数控改造。数控系统是自己设计的单片机系统，CPU为80C196KC，传动部件采用滚珠丝杠，步进电机驱动，为实现平面曲线的加工，需要两坐标联动，原工作台纵向运动改为由步进电动驱动。考虑到工作台较重，垂直进给运动由改造后的刀架实现，工作台的垂直移动保留，用于调整不同规格零件的加工范围。因为普通刨床无自动抬刀机构，刨刀在回程中要从工件上滑过，这不仅加大了刀具的磨损、降低了刀具耐用度，而且容易划伤工件表面。为此，我们采用下列措施对刀架加以改进：

1.  取消原刀具抬刀部分，改为刀具固定安装；

2.  每次刀具回程时，首先自动抬刀(应用中设定抬刀高度为0.5mm)，在滑枕下次前冲之前刀具下降所移动的抬刀量；

3.  为了使刀具精确移动抬刀量，在步进电机轴上连接有光电编码盘，以精确控制步进电机运行步数，防止因电机丢步或过冲所造成的误差。

滑枕运动位置检测及刀架进给控制

根据刨床的切削性质，切削过程中不允许工作台或刀架进给，否则将损坏刀具和工件。因此，刀架及工作台必须在滑枕换向的空刀期间完成进给运动，包括自动抬刀。为了检测滑枕的运动位置，在滑枕座上设置两个接近开关，安装位置如图1。

图1 接近开关的安装位置

图1中虚线表示刀架运动路线，接近开关ST1、ST2的信号由80C196KC端口P0.0和P0.1接收，并且两信号经或门输出到高速输入端口HSI.0。通过调整两块金属块的位置，使刀具经过图中位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ时ST1和ST2发信号的顺序为：

在HSI.0的中断处理程序中检测P0口数据，并且循环指令给某一设定标志单元赋值，可以得出标志单元的数据呈规律性变化，如表1所示。由此，刀架及工作台的进给控制过程为：1)刀具过位置Ⅲ后刀架自动抬刀；2)在滑枕退回过程中并且在位置Ⅱ、Ⅰ期间内，刀架首先下降走完抬刀量，然后，刀架和工作台完成动进给运动。

自动进给中断服务程序处理为：插补进给前先检查标志单元的内容，单元数值为12H时，刀架进给完成抬刀；单元数值为21H时刀架和工作台完成进给运动；同时刀架进给量与来自光电编码盘的脉冲数进行比较，补偿由于步进电机丢步或过冲引起的误差。

表1 标志单元的数据变化规律

滑枕运动方向

滑枕经过位置

P0.1

P0.0

标志单元数值

进

Ⅱ
Ⅲ

0
1

1
0

01
12

退

Ⅲ
Ⅱ

1
0

0
1

22
21

进

Ⅱ
Ⅲ

0
1

1
0

11
12

退

Ⅲ
Ⅱ

1
0

0
1

22
21

循环

应用

经过数控改造后的牛头刨床用于加工罗茨真空泵转子，转子在其他机床上初步加工后，留有3mm余量，再由数控刨床完成粗、精加工，采用的刀具参数为：刀尖角约50°，主、副后角约4°～8°，刀尖直径r为2mm。应用证明，零件加工精度符合图纸设计要求，刀具经过修形后精加工转子的粗糙度可达R_a3.2。