小型龙门刨床进行数控改造

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1.前言
% Z, ~. c. J$ N: r长度较小的非圆柱面，可以采用数控铣床加工，也可以采用线切割加工（单件生产）。但当非圆柱面达到一定长度后，用上面的两种方法就无能为力或加工成本太高了。如系列罗茨真空泵和罗茨鼓风机的转子（图1所示，其截面轮廓线由多段渐开线、外摆线和圆弧组成，长度在300mm以上）、大型水环泵叶轮模型的叶片（截面轮廓线由多段直线和圆弧组成，长度在500mm以上）。为了适应截面轮廓线是复杂曲线的柱面工件的加工，笔者自行研制出了基于IPC的刨床CNC系统，并对某真空泵生产厂家的小型龙门刨床进行了数控改造。
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2 _, n- c8 p, V* N1 小型龙门刨床的机械改造
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图2所示是用小型龙门刨床改造而成的数控刨床的示意图。
8 ?. Q* s! T  M( U  N8 u小型龙门刨床数控改造的方法是将手动调节刀架变成由步进电动机驱动的数控刀架，Z步进电动机控制刀架在垂直方向的移动，X步进电动机控制刀架在水平方向的移动。在滑台底座靠近滑块的部位安装三个接近开关，在滑块上固定一个与三个接近开关平行又在运动过程中与三个开关都能接近的滑块位置标志块（铁块），两者共同用于滑块运动方向和位置的检测。另外，在滑台上安装一个简易的对刀装置。经过负载（摩擦力、转动惯量等）计算，驱动刀架上下移动（Z坐标轴）和左右移动（X坐标轴）的步进电动机分别选用 110BF003型和 130BF003型。这两个坐标移动的脉冲当量均为0.01mm。
! Q. w: ]5 t7 X2 刨床CNC系统硬件结构
/ k  J: Y9 C0 m该数控系统采用PC总线、主频为100MHZ的486CPU工业控制机作主机，具有标准16位数据总线和扩展功能灵活的插板式结构，可根据系统要求，进行结构最优化配置（图3）。 图 3刨床CNC系统硬件结构 该数控系统利用IO／TIMER（并行输入输出／定时器）接口板上的8255A来控制两个步进电动机的运动，接收滑台回程和位置传感器信号、刀架限位开关信号、功能选择开关信号，接口板上的8253定时器用于步进电动机中断运行服务程序，时钟频率为2MHz。
1 \. [: {" Q2 q: V" c# |9 S2 C/ [
3 A% e2 A- ~% Q) ]# Q3 刨床CNC系统软件
9 j: f2 d0 a* {/ B1 H+ H# y刨床CNC系统软件以Windows操作系统为平台，采用模块化、结构化的C语言编程，系统软件的界面采用了中文菜单结构，人机界面友好，操作方便。具体结构如图4所示。该系统软件主要由三个模块组成：程序编制、刀具位置调整和运行控制，在每一个模块中 又分多个子模块。
' w) R. f6 @4 }3．1 程序编制模块
一个正确的加工程序编制必须经过以下阶段：程序编制、语法检查、模拟仿真和刀具的干涉、过切检查。在该 CNC软件系统中，加工程序编制可采用多种方式：图形自动编程，手工编程，列表曲线编程。列表曲线文件的数据和加工程序可以通过软驱输人或利用全屏幕编辑器通过键盘输人，也可以通过串行通讯接口输人。
图形编程包括以下步骤：
, s1 e6 r7 r2 \" ^1 \( d" x（1）轮廓曲线的编辑输人首先通过交互式图形操作界面，按照曲线的走向输入各段直线、圆弧、
$ f* _9 i. P) q" N6 Z曲线输入后可以进行修改、放大、缩小和对称等编辑处理。
（2）求偏置曲线对上面编辑好的曲线，按要求的刀尖半径，生成等距曲线，即偏置曲线。
（3）自动编程将偏置曲线按照给定的精度要求用直线进行拟合，并转化成G代码加工程序。
+ K2 a0 Z8 ]0 |! s7 c' e（4）模拟仿真运行以模拟运行方式运行加工程序，并动态地显示刀尖运动轨迹。如果加工程序正
7 L) N% p" x- S确，模拟显示的轨迹会与前面的偏置曲线相重合。
! \8 Z4 h; S7 i列表曲线的编程也是在图形编程界面下进行。首先读人列表曲线数据文件，按照数据文件中点的顺序，相邻点以直线相连，并显示出来。然后在此基础上进行样条拟合、光顺和偏置处理，再按精度要求离散成小段直线，并自动生成加工程序。
交互式图形编程和模拟仿真运行，使得复杂曲线和列表曲线加工程序的编制不仅效率高，而且方便、直观、可靠。
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) w- c9 }( e) |% }5 ~  U图 4 刨床CNC系统软件结构
  Q' [7 R. C3 A7 s; i( {9 L3．2 运行控制
8 [5 r( [# ^3 b7 {$ p' g该CNC系统的运行主要包括以下方式：自动运行、快速空运行、手动运行和点动运行。
自动运行是CNC系统运行控制的核心部分，它按加工程序运行。如果正在执行的加工语句的最后一条指令是M32，则刀具根据滑台的往复运动信号作间歇进给运动；如果是M33，则作连续移动，滑台的往复运动信号对它不起作用，即作快速空运行。加工中如果 滑台停止往复运动，则刀具的进给运动也停止。这一功能可以使工人沿用刨床的操作习惯，通过控制滑台往复运动的启停控制刀架进给运动的启停。
自动运行程序由前台和后台两部分组成，后台程序完成并行口 8255A和定时器8253的初始化、指令译码、控制中断服务程序的执行频率（速度调节）、暂停、单段和启动控制、加工轨迹动态跟踪显示和坐标翻转显示；前台程序是中断服务程序，它主要完成插补运 算、步进电动机运转控制、升降速控制、接受滑台往返和位置传感器的信号。刀具的间歇进给运动是在滑台的返程过程中完成的。滑台一次往返刀具的进给量，可以通过功能键进行设定或修改，最小值为二个脉冲当量。自动运行程序的另外一个功能是在按下"连续"功能键时，刀具的间歇进给可以变成连续进给；该功能键抬起时，刀具又可恢复间歇进给。在粗加工毛坯件时，由于加工余量的不均匀，有的地方可能会作空进给，采用此功能可以快速跃过此处，大大提高加工效率。
+ \$ w/ M. r3 y* L7 E快速空运行也是按照加工程序控制刀具运动的，但它是作连续运行。通过它可以检查刀具和工件毛坯的相对位置关系，从而确定初次加工的刀具高度位置。快速空运行程序也是由前、后台两部分组成，其结构和自动运行程序的结构类似，只是中断服务程序不受滑台往返运动的控制。
# v$ E/ L* q5 p$ r5 s4 {在选择开关处于自动运行状态下，点动功能只能在滑台的返程中起作用，刀具连续移动最大位移量可以设定。该功能为加工过程中的刀具位置调整带来了方便。如在吃刀太深时，可在不停止加工的情况下提刀。
! v! S0 |7 l0 G4 i4 e根据选择，手动运行也可受滑台往返运动的控制，作间歇运动。手动功能可以用于平面加工，而且不用编程。这种方式为平面加工带来了方便。
, f' k; N- J( J  e' \2 e. i4 结束语
笔者用自行研制的刨床CNC系统为某企业的小型龙门刨床进行了数控化改造，成功地实现了系列水环泵叶轮叶片模型的加工和系列罗茨真空泵转子大批量生产，不仅加工效率高，而且加工质量稳定可靠。经过近几年的不断改进和完善，该CNC系统已具有实时加工控制、图形自动编程、复杂曲线和列表曲线拟合、编程、刀具磨损补偿、自动对刀、模拟仿真和加工轨迹跟踪显示等功能。该刨床CNC系统，不仅适用于小型龙门刨床的数控化改造，也适用于其它形式的刨床的数控化改造。
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