螺旋齿刀具的数控刃磨系统的研究及开发
摘要：在对螺旋齿刀具的数控刃磨方法进行研究的基础上，提出了获取螺旋线形切削刃几何参数的方法，对刃磨螺旋齿刀具的经济型数控工具磨床控制系统的软硬件的设计及开发实施技术进行了介绍。
1 前言
螺旋齿刀具是指切削刃为螺旋线形的切削刀具，如圆柱形铣刀、立铣刀及螺旋槽铰刀等。这类刀具的刃磨一般是在工具磨床上借助附件由工艺操作人员手工完成，根据火花判断砂轮与刀齿接触与否，凭手感掌握背吃刀量，而且一个刀齿必须一次刃磨完成。因此，对操作者要求较高，且难以保证刃磨质量，刃磨效率也不高。笔者对螺旋齿刀具的数控刃磨方法进行了研究，并据此设计了一种小型经济型数控工具磨床，从而可解决未知参数螺旋齿刀具的数控刃磨问题。
2 数控工具磨床的传动系统
图1是该数控工具磨床机械部分的传动系统。图中，Y、Z轴为工作台横、纵向运动；X轴为磨头升降运动；C轴为刀具(工件)旋转运动。通过手动可以调整磨头绕X轴转动；砂轮及刀具的上仰、下俯；刀具变速箱在水平面内转动。
图1 传动系统简图
3 控制系统硬件结构
控制系统硬件结构如图2所示，以单片机8031为CPU，通过其P2口的低7位和P0口外扩32KBEPROM27256存放系统程序，P2口的低3位和P0口外扩2KBRAM6116存放数据，P2口的高五位用于地址译码，用以选通LED显示电路、接口芯片(8155、8255)、数据存储器(6116)和锁存器(273)，P1口接步进电动机手动控制电路，步进电动机驱动脉冲信号由P0口输出经锁存器(273)送至步进电动机驱动器；8255的PA口接系统程序的启动、暂停按钮和工作方式(参数输入方式、测量方式、对刀方式及自动方式)转换开关，PB口用于刀具螺旋齿测量信号和其它辅助功能信号输入，PC口用于输出辅助功能信号；8155的PA口和PC口分别接键盘的行线和列线，PB口接刃磨刀具种类选择开关。
图2 硬件构成框图
4 螺旋齿几何参数测量
数控刃磨时，需确定刀具轴向进给与周向进给之间的对应关系，由于生产中，螺旋齿刀具的螺旋角β和导程户一般都是未知的，所以在刃磨前，需测出螺旋齿的有关参数。为此，将螺旋齿展开成图3所示的一条直线。设轴向进给长度(包括磨人长度l1、刀刃长度l2及磨出长度l3)为l，则与其对应的周向进给弧长(包括磨人弧长s1、刀刃弧长s2及磨出弧长s3)为s0为确定弧长s，可先测一段螺旋线的几何参数，再根据相似三角形，求出弧长‘。为此，刃磨前，在磨头上装一测量头，测量头的测量电路与刀具一起组成闭合回路(图4)。测量时，在测量方式下，利用手动功能，首先使测量头与刀齿接触，然后使刀具直线移动或转动，测量头相对于刀具的运动轨迹如图3中的1或2，这时控制系统自动记录下刀具直线移动步数Z1和转动步数C1，且根据Z轴的脉冲当量将由操作面板输入的进给长度/转换成步进电动机转动步数Ze，利用已测得的Z1、C1和图3的几何关系，求出C轴转动步数Ce，以(Ze、Ce)为直线的终点坐标，由刀具直线移动和转动作两轴联动直线插补。
图3 螺旋线的展开
为防止C向的测量超程误差(因刀齿与测量头之间距离不足一个脉冲当量产生的，该误差小于一个脉冲当量)影响螺旋线导程精度，一方面应尽可能减小步—进电动机每步刀具转过的弧长当量δ。选用步距角较小的步进电动机，刃磨较大直径刀具时用小的传动比可以减小δ值。α=o.36°，u=，d=80mm。
式中：α为步进电动机步距角；d为刀具直径；u为变速箱传动比。
图4 测量电路
另一方面，增大Z向测量长度也可减小C向超程误差对螺旋线导程精度的影响。
5 控制系统软件
软件采用模块化结构，模块的执行取决于操作面板上的方式开关状态。系统主程序在完成I/O口的设置及将各项数据存放单元清零等初始化工作后，根据方式开关的状态，进入其中的一种，其主要的工作方式如下：
(1)参数输入方式。根据系统提示符，从键盘依次输入刀齿数、刀齿旋向、进给长度、刃磨余量、进给次数、进给速度、Z轴和C轴的测量下限控制值Z1min和C1min等现场参数。
(2)测量方式。图5为测量程序流程图，利用Z轴和C轴的手动功能，使刀齿接触测量头，确定测量起始点。测量时，系统根据刀齿旋向确定刀具轴向和周向进给方向。当测量值达到或超过预置的Z1min和C1min时，按下C键，使刀齿转向测量头，两者一经接触，Z向和C向键按下无效，避免产生人为超程误差和损坏测量装置，然后完成计算返回主程序。
(3)对刀方式。刃磨前后刀面时，首先转动砂轮架刻度盘，使接触点的火花与该点切线方向一致，在手动方式下调整好对刀点，这时系统内部自动记录起点至对刀点的刀具移动步数Z2，然后置方式开关为对刀方式。启动对刀程序后，系统首先取出内部记录的参数Z1、C1及Z2，根据计算刀具退回起点时，刀具的转动步数C2，最后以 (Z2、C2)为起点，做直线插补，刀具退回到刃磨起点(0，0)。
图5 测量程序流程图
图6 自动刃磨程序流程图
(4) 自动方式。自动刃磨程序流程图如图6所示，其中，厂为每个刀齿的刃磨余量；i为刃磨每个刀齿的进给次数；n为刀齿数。
在循环中以刀齿为内循环，进给次数为外循环，即每进给一次，全部刀齿刃磨一遍，这样刀齿受热变形均匀，磨去的余量相同，能保证刃磨后刀齿位于同一圆周上。分度步数m带小数时，取整，小数累加到下一次分度步数中。
6 结论
(1)采用数控循环刃磨，可减小磨削温度对刃磨精度的影响，刃磨精度将高于手工刃磨，且质量稳定。
(2)测量一次即可刃磨完一把刀的全部刀齿，刃磨效率及自动化程度高。
(3)批量刃磨，无需重复测量，只需选定同一装夹基准即可，操作简单方便。
(4)只适用于等分螺旋齿刀具的刃磨。
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