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双主轴柔性组合机床的主轴干涉研究 |
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作者：长春设备工艺研究所 徐向兰 赖利国 陶俐言 |
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主轴控制过程
双主轴柔性组合机床的主轴控制过程同一般数控机床一样，零件加工程序进入数控系统后，应用计算机运行实时操作系统，组织和调用相应的数控软件和硬件，输出主轴转速、位置等命令给伺服控制系统，由伺服控制系统驱动主轴转动和移动，如图1所示。不同的是，由于是双主轴系统，主轴驱动需要8个伺服系统。对于组合钻床进行加工时(包括工进、工退、下刀、抬刀)计算机依次输出1轴转速、2轴转速、1轴Z向进给、2轴Z向进给命令。当主轴快进、快退时，多轴控制器依次输出1轴X1n、2轴X2n、1轴Y1n、2轴Y2n4个位置。对于计算机而言，不仅仅是增加了1个轴的控制，而且还要对双主轴的位置进行检验，以避免2个主轴发生干涉。
图1 主轴系统控制示意图
主轴干涉检验
双主轴箱的机械结构示意图见图2。由图2可以看到，双主轴在X-Y方向移动过程中有可能发生干涉、碰撞。为了避免发生主轴干涉的情况，计算机实时操作系统必须向各伺服系统输出准确的位置指令。因此，计算机主CPU必须在输出NC指令之前对主轴的运动过程进行仿真模拟。仿真过程中如果没有发生干涉，则可以向多轴运动控制器输出这些指令。如果发生干涉，对于工进指令，就要进行单主轴加工，对于跳刀指令则要对主轴运动过程中的双主轴间距逐点进行计算，并判断是否小于规定尺寸S(发生干涉的最大距离)：若双主轴间距大于S则不会发生干涉，计算机进行下一点计算；若小于S，则发生干涉，计算机必须对主轴运动指令进行处理。干涉检验处理的程序逻辑方框图见图3。
图2 双主轴箱结构示意图
图3 主轴干涉检验逻辑框图
在一般的数控系统中，跳刀指令一般是将坐标位置送达伺服驱动系统，伺服系统分别驱动各轴伺服电机按照跳刀速度直接到达各坐标位置，中间位置不作控制。一般X、Y轴的跳刀速度相同。图4为双主轴轨迹发生干涉示意图。A1、A2分别是双主轴跳刀的起始点，C1、C2分别是双主轴跳刀的终点。如果不对主轴的运动指令进行处理，主轴的运动轨迹分别是A1-B1-C1和A2-B2-C2。图中双主轴在A1-B1和A2-B2段的G1和G2点发生了干涉，直至Y2轴到位后，Y1轴再前进一段距离，2轴才脱离干涉。 
图4 双主轴轨迹发生干涉示意图 图5 修改后双主轴轨迹示意图
假设X1、Y1、X2、Y2为1轴、2轴某一点的位置坐标，显然，如果|X1-X2|或|Y1-Y2|>S则肯定不会发生干涉，反之则需要继续验算。如果验算结果表明该点没有干涉，则进行下一点验算3若该点确实会发生干涉，则将上一点作为跳刀插入点输出。然后再将该插入点的X轴坐标和Y轴的终点坐标作为跳刀的第2插入点输出。最后执行跳刀的终点指令。如图5所示，干涉检验后的2个主轴的轨迹分别是A1-G1-H1-C1和A2-G2-H2-C2。由于G1-H1和G2-H2段的距离不相等，将使2个主轴不能分别同时到达H1和H2点。因此NC指令要等待2个主轴都能到达Y轴终点。其等待时间将视具体情况而定。
上述是主轴在X-Y方向做跳刀运动时的干涉检验。对于加工程序目标点干涉的情况，进行上述检验如不能解决干涉问题，就必须进行单轴加工。可以事先规定1轴先加工，然后2轴再加工的程序，反之亦可。
为了避免主轴误动作导致双主轴发生干涉、撞击，2个主轴应安装相互距离感应装置，当其感应到相互距离小于安全距离后，立即给控制系统发出停机信号，控制系统立即响应，停止走刀。
加工工艺规划方法
应用双主轴柔性组合机床加工机械零件时，因其双主轴结构既不同于一般的组合机床，又不同于一般的NC机床，因此，有必要对其加工工艺路线进行研究、规划，总结、归纳出一系列规律、方法，并用于实际加工中。
如图6中所示的加工零件，其中的小孔多达37个，如果采用组合钻床，由于孔距过于密集，主轴较难布置。如果采用NC机床，由于是单轴加工，加工效率较低，而采用双主轴柔性组合机床加工则将成倍提高加工效率，同时起到节约投资、场地的效果。 
图6 工件示意图 图7 双主轴工作区域划分示意图
由于孔距过小，因此，不应该任意安排加工路线，否则将不能达到预定的要求。为此，加工应遵循以下4个原则。
1) 2个主轴工作负荷尽量保持平衡，充分发挥2个主轴的效能。显然，如果2个主轴工作负荷不同，会使刀具磨损亦不一样，致使单轴加工时间延长，工作效率降低。在大批量生产过程中，由于工作负荷不平衡，长期累积下来，将使2个主轴系统机械磨损不一致，使2个主轴加工精度降低程度，大修期也各异，这就给大修期的安排造成了一定的困难，影响生产。
2) 应使主轴干涉减少到最低限度。如前所述，如果是跳刀产生干涉，主轴将会发生停转、避让，这将使跳刀的时间较不发生干涉的时间延长。如果是工进或工退时发生干涉，将改用单轴加工，不能充分发挥双主轴的工作效率。
3) 在保证上述2个条件基础上尽量缩短刀具路线，加工节省时间。
对于图6所示的加工零件按上述原则分配加工区域，见图7。图7中B-B为区域分割线，左边主轴加工18个孔，右边主轴加工19个孔，两轴工作负荷基本平衡。从图中可以看到，2个主轴间的距离基本保持一致，使主轴间距不致过小。整个工序不致发生干涉。
4) 如果工作台大小允许，并且在主轴加工范围内，可以在工作台上装卡2个工件，工件的间距要大于主轴干涉距离，这样2个主轴可以同时加工同样的2个工件，加工指令、主轴动作完全相同。当然亦可以2个主轴完成同一工件的不同工步，这时要注意主轴的干涉问题，必要的情况下要进行主轴干涉检验，确保加工过程中主轴不发生干涉。
结语
避免双主轴发生干涉是双主轴柔性组合机床安全加工最基本的要求。工艺人员必须在加工试制之前认真检查双主轴的走刀路线，对有可能发生干涉的刀具路径一定要反复检查，确保无误。试刀时，对危险路径一定要慢走刀，发现干涉及时停车。加工过程中，一定要使用经过干涉检验并经试切验证无误的加工程序。如局部改动加工程序，必须重新进行干涉检验和试切。同时应加强管理，专机专人负责，避免误走刀造成设备损害。 (end)
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(2/4/2005) |
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