基于通用数控系统的异型螺杆加工

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主轴单元 采用变频器和三相异步变频电机，电机额定转速
分高、 低两档。 *!1782,345。手动换档，
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机床本体 包括 % ， 机床为卧式铣床结构， 如图 ( 所示， &， ’三
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应用情况 本设备加工的螺杆主要应用于注塑机和挤出机等
个伺服进给轴， 另外还有主轴头垂向（( 轴） 移动， 左右 摆动两个手动辅助调节轴。 （) 轴）
机械工程师
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基于通用数控系统的异型螺杆加工
徐建春 （华中科技大学， 湖北 武汉 !"##$!） 摘 要：介绍了一种利用通用数控系统的开放性和强大的计算能力针对零件的数学模型直接进行运算处理的 异型螺杆加工方法。 关键词： 异型螺杆 !"数学模型 !"通用数控系统 中图分类号： %&’() %*"+,-$" 文献标识码： . 文章编号： （(##"） ,##(/(""" #0/##$’/#"
控制 、主 轴 控 制 、 <&= 控 制 和 $%" 管 理。 过程层软件包括人机界面模块和 零件程序解释等模块。 系统设计有自动、单段、 0/<、 、 以及 ?=. -:@$和 手 摇 等 加 工 方 式 ， 参数输入、 故障诊断、 $%" 状态显示、 程序编辑、 文件管理、 刀具管理等功 能； 能够进行四轴联动加工； 采用内 。 置式软件 $%" 系统软件保留了底层部分， 对过 程层进行了二次开发， 异型螺杆曲线 的解释由系统软件的解释器完成， 并 根据精度要求选取合适的点密度即 位置控制模块有 ! 个位置检测接口，采集光电编 码器的脉冲信号， 作为机床各个坐标的位置反馈， 并通 过多路脉冲输出信号控制进给伺服单元； 输 入 输 出 模 块 是 "#" 系 统 内 置 式 $%" 的 硬 件 输 入输出接口， 分内 & 外两部分。其中内部 $%" 接口用于 编程面板和工程面板的按钮和指示灯的输入输出开关 外部 $%" 接口用于机床和 量， 由 $%" 程序实现其功能； 电柜的开关、 继电器、 驱动单元报警与输入等开关信号 与 器 件 的 检 测 与 控 制 ， 外 部 输 入 & 输 出 点 数 为 !’&() 点， 也可根据需要另外再扩展 *)+,*)+点； 配软驱单元和手摇脉冲发生器。 此时可以保证在螺距齿高变化量小 步距（通常选取 )!， 于 (77 33的情况下误差小于 *! 3） ， 实现粗插补的功 能，两点之间则由系统软件底层插补器按线性插补计 算后将指令发送到各进给单元，若速度较快时则解释 器直接起插补器的作用将数据直接发送到各进给单 元。这样既保证了精度， 又提高了资源利用率和计算速 度。在编写零件程序时可以任意采用增量（ .6*）或绝 ） 编程。程序处理框图如图 1 所示。 对（.67
输出模块等， 是组成数控系统的最基本单元。其中工业 、 显示卡和以太网口并可根据需要配 $% 机集成了 %$: 置内存、 硬盘或电子盘、 软驱等；
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机械工程师
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#";<=-模块主要管理数控系统与外
部的信息交换， 在本数控系统中主要 用 于 与 >"1(7* 板 的 接 口 ， 通 过
>"1(7*板实现系统功能中的进给轴
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刀具磨损 大工件加工时， 刀具的磨损比较严重， 除了需要选
择合适的刀具、 切削速度、 采用冷却液外， 还要合适地 选择最后精加工的切削量。
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机床间隙和螺距误差 因 为 行 程 超 过 )*&， 丝杠的螺距 & 轴的影响较大，
误差增大， 各个位置的反向间隙也不一致， 最大差别超 过 )%! &，采用双向螺补后很好的解决了这个方面的 影响。 在加工过程中有以下方面产生加工误差： 通过以上的调整， 机床最后加工的效果比较理想， 最终加工的工件在两个方面的误差均在 $%%! & 以内， 则可以控制在 )%! & 以内。 短螺杆（(*& 以内）
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系统软件实现 数控系统软件基于实时多任务操作系统，其底层
软件包括实时任务管理模块（9:0）和基本输入 , 输出 ） ， 系 统 （#";<=9:0 模 块 负 责 进 行 多 任 务 的 调 度 ，
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机械工程师
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工件毛坯为锻件， 必须进行自然时效处理， 但由于 残余应力在工件内部重新分布， 变形还是相当大。因此 在精加工之前必须进行调制。
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程应用工作。 收稿日期： &’’$%’(%!&
（编辑 李
博）
作者简介： 徐建春（!"#$% ）， 男， 主要从事数控系统的开发、 设计和 工
《机械工程师》"##$%& 期要目预告
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长工件产生变形 工件的变形主要有以下几个方面： 由于重力产生弯曲变形 （$） 对于长工件弯曲变形非常明显，不仅影响形状精 度，还会引起切削中的振颤影响表面粗糙度和损坏刀 具， 通过采用跟刀架可得到解决。 （ ’）热膨胀变形 对于大的工件一次加工时间较长， 在切削中， 由于 切削产生的热量使工件会产生比较大的热膨胀变形。 选择合适的刀具以及切削速度，并采用冷却液降温可 有效地减小热膨胀变形，在切削中还需要经常调整尾 顶尖。 （ (）应力变形 切削加工和刀具技术的现状及发展 可逆向车削技术及应用研究 饮料瓶吹塑模镶块的高速加工策略 数控铣削过程仿真技术的研究 复合管金属增强体结构优化设计 纳米陶瓷刀具材料的研究现状 虚拟现实技术在切削加工仿真中的应用 一种投影式水射流切割数控机床的软件设计 一种新型实用的牵引驱动增速刀柄的开发研制 机电一体化技术在现代机械制造中的应用 面向对象的锅炉 !"# 应用系统的设计 纳米机超精密平面抛光机工件微量去除的控制 方法
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例有：
（) ） —螺杆齿高为螺杆长度的函数 —— ’.( （+ ） — —— 螺杆长度为螺杆角度的函 数 ) ./*
以齿高 ’ 与螺杆长度 ) 为线性关系， 螺距变化量不变为
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典型零件的描述与建模 对异型螺杆零件主要有两个方面的要求： （(） 在螺杆不同的位置螺距不同； 在螺杆不同的位置螺杆齿高不同。 （&） 典型零件如图 ( 所示， 在加工中， 随着 ! 轴带动工
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进给电机特性调节不合适， 进给中产生爬行或过冲 这方面的影响在第一节已经进行了分析，通过仔
细调节驱动器的特性， 以及机械装配解决， 在全行程内 各点测量， 机床的分辨率均控制在 $%! & 以内。
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结
语
相对于传统异型螺杆加工设备采用专用系统、 机 械附件或样条函数的方式， 利用通用数控系统模块化、 升级方便、计算能力强的特点与标准工件的数学模型 相结合， 针对其数学模型直接进行插补计算， 大大降低 了整机成本， 简化了系统结构和用户程序， 并且可以随 时根据工件的数学特征以及精度等级要求自动对程序 进行调整， 从而提高了设备的柔性， 达到了先进与实用 的目的。
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伺服单元及电机 伺服单元及电机是系统可靠运行的最重要保证。
交流伺服单元采用安川公司的 ! 系列 -./.型伺服单 元， 具有自学习功能， 及配套的 -.0. 大惯量伺服电机， 最高 *1’’ 2,345。 光电编码器实现位置检测反馈， 编码器 的分辨率为 +*6) 个脉冲 &2 。 程序中的关键部分是目标点的计算，两种方式都 占用了三个程序解释周期，系统程序的解释周期为 ， 在取点密度为 )! 时， 设备最大进给速度可以达到 +83A 满足了加工要求。 1777!&345，
异型螺杆是压缩机、 冷冻机、 注塑机、 自动包装线 等设备的关键性基础零件，广泛应用于工业生产的各 个领域， 螺杆的加工质量直接影响这些设备的性能。但 异型螺杆存在着加工困难的弱点，制约了其应用。目 前，异型螺杆特别是各种规格的异型螺杆和普通螺杆 的一次性混合加工通常在专用机床上实现，普通机床 和经济型数控机床一般都不具备加工异型螺杆的功 能， 而这些专用机床则基本上依赖进口。 在现有的通用数控系统的基础上开发异型螺杆加 工设备， 可以实现异型螺杆的柔性加工， 大大扩展通用 数控系统的应用领域， 减少开发成本， 提高整机性价比 和市场竞争力。 通用数控系统一般具有下列特点： 系统硬件基于工业 $% 机， 升级换代非常方便。 （ #） （&）系 统 软 件 分 为 核 心 层 和 应 用 层 ， 用户可以在 核心层的基础上利用系统函数、 变量、 设备驱动程序灵 活地开发和配置应用层程序，从而满足使用者个性化 的要求。 系统的集成化与灵活性共存 （ ’） 集成化保证了系统的工艺、功能的一致性和稳定 性； 灵活性增加了系统的适应能力， 便于用户进行二次 开发。 同） 。 本方法的设计思路是： 在零件的理论曲线上， 均匀的取一系列的点， 各点 之间采用线性插补，即加工中， ! 轴每次转过固定的角 ， 同时系统根据零件的数学模型计算出 " 度（’+,1 -&） 向和 $ 向的移动量。当所取的点足够密时， 则可以满足 加工精度的要求。 典型的螺杆可以用下两式表达：
设备， 在实际应用中， 对工件的形状误差要求并不高， 高等级的螺杆不 一般直径和螺距误差在 *77! 3 以内， 超过 17! 3， 其中直径方面主要对外径有要求， 并且由 专门的车床加工保证， 底径则由螺杆铣床加工保证。本 设备由于在局部看是采用多段等距螺杆拟合变螺距螺 杆， 因此除加工误差外会产生计算误差， 在系统程序中 合适地选择步距可以完全消除计算误差。
" （) ） ’ ."( .") % $ , # $ )-* 0+ 1. . + &20# 34 . 1+ & & % 其中 % 为齿高总变化量， , 为螺杆长度， . 为螺距 变化量， # 3 为初始螺距。 " 数控系统硬件实现方案 /01 232 单元 采用 56%4&( 系列开放式通用型 %6%单元，包括 工业 $% 机 、 位置控制模块、 输入 789 英 寸 液 晶 显 示 器 、