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1、变螺距螺杆的C轴数控加工工艺_乔龙阳_刘白_陈柏良_陈上涛 数控加工技术现代制造工程（ModernManufacturingEngineering）2016年第11期 变螺距螺杆的C轴数控加工工艺 刘白，陈柏良，陈上涛乔龙阳， （1阳江职业技术学院，阳江529500；2深圳信息职业技术学院，深圳518172） 摘要：目前，变螺距螺杆的加工存在工艺繁琐、精度不高等问题。以灌装机变螺距螺杆为例，对数控车床进行C轴功能改造，使得主轴旋转轴具备精确定位的C轴功能。根据零件结构特点，设计工艺路线，优化切削路径，利用C轴技术建立圆柱加工模型，开发相应的加工程序。变螺距螺杆的C轴数控加工工艺与传统加工工艺相
2、比，提高了效率，保证了零件的加工精度及表面质量。 关键词：C轴功能；数控；变螺距螺杆；加工 中图分类号：TG659文献标志码：A文章编号：16713133（2016）110056051211 DOI：1016731/jcnki16713133201611010 NCmachiningprocessforvaryingpitchscrewsbasedontheC-axis QiaoLongyang1，LiuBai2，ChenBoliang1，ChenShangtao1 （1YangjiangVocationalandTechnicalCollege，Yangjiang529500，Guangdo
3、ng，China； 2ShenzhenInstituteofInformationTechnology，Shenzhen518172，Guangdong，China） Abstract：TheprocessofmachiningvaryingpitchscrewsiscomplicatedandlowprecisionnowTakingthescrewoffillingma-chineasanexample，theC-axisfunctionistransformedbasedonNClathewhichmaketherotaryshaftofthespindlehavepin-pointfu
4、nctionOnthebasisofthestructuralcharacteristicsofthecomponent，theprocessrouteandcutterpathareoptimized，thenaccordingtotheC-axistechnology，acylindricalprocessingmodelwassetup，andcorrespondingprogramwasgene-ratedCom-paredwithtraditionmachiningmethods，themachiningefficiencyisimprovedandthemachiningpreci
5、sionandsurfacequantityareensuredbyusingthismethod Keywords：theC-axisfunction；numericalcontrol；varyingpitchscrew；machining 0引言1 11变螺距螺杆结构及加工条件分析变螺距螺杆的结构分析航空机械和船舶工在饮料灌装机械、注塑机械、 业等领域，广泛地应用着各种类型的螺杆。目前变 螺距螺杆加工的主要方法有：普通车床刀具变速移 12-3动切削法、改造普通车床铣切法和仿形铣削加 等。但这些方法皆因机床主轴缺少连续变 速运动功能（C轴功能）的限制，造成加工工艺复杂、工法 劳动强度大和质量
6、难以保证等问题，限制了这类加 工方法的应用和推广。用四坐标数控铣床和车削中 心等多坐标数控机床来加工变螺距螺杆，将成为主 6-9。流的加工方法 本文对经济型数控车床进行C轴功能改为此， 造，实现了主轴的旋转轴（C轴）与其他进给轴（X或 Z轴）联动进行插补编程，优化切削路径，可以经济 地、高质量地加工出大尺寸变螺距螺杆。 564-5下面以饮料灌装自动化生产线运送机构的变螺距螺杆为例进行说明。该变螺距螺杆的作用是将由传送带连续输送来的成批饮料瓶，按照给定的工艺要求经过螺杆逐个分离运送到包装工位，变螺距螺杆零件如图1所示 。图1变螺距螺杆零件该螺杆的初始螺距P=62mm，螺杆螺距增量P=8mm，螺旋
7、线圈数为4圈，螺距是按等差级数规 等：变螺距螺杆的C轴数控加工工艺乔龙阳，2016年第11期 律渐变排列的。若螺杆螺旋线圈数为i，则螺杆第i圈 （i4）螺距Pi为： Pi=P+（2i1）P 若设螺旋曲线上任意一点至起始点的距离为S，则可得变距螺杆螺旋线的数学方程为： S=iP+i2P 由i=/（2），则： 22 S=P/（2）+P/（4）式中：为螺杆转角。12 变螺距螺杆加工条件分析如图1所示，变螺距螺杆各段螺距相异、且螺距 132-6AC71，额定转矩为55Nm，配套安装单独的C轴光电编码器。双电动机驱动的优点不仅满足了系 统的功率要求，还可以通过采取适当的措施有效地消除传动链齿隙，提高控制
8、精度 10 。 双电动机带动两套相同的减速机构，如图2所示，主伺服电动机16通过联轴器15、连接蜗杆14和蜗轮13组成一条传动机构，从伺服电动机12、联轴器11、蜗杆10和蜗轮9构成另一条传动机构，两条传动机构分别驱动小齿轮17和小齿轮8带动主轴大齿轮7传动，两个输出小齿轮分别贴紧大齿轮的两个相反的啮合面，使主轴大齿轮不能在齿轮间隙中来回摆动，使主轴大齿轮在起动和换向的过程中始终受到偏置力矩的作用，从而达到消除间隙、提高系统精度的目的。另外，拆除数控车床的电动刀架，更换为动力铣头19，利用动力铣头19来夹持球头铣刀18，动力铣头由单独的电动机20控制 。 大，螺杆内型槽轴向端面的形状为圆弧形，
9、圆弧上任 意一点的轨迹是一条螺旋线，内型槽表面沿轴向是由无数条螺旋线组成的螺旋面。成形车刀在高速车削加工时，存在车削阻力大、变螺距拐角速度难以控制等难题；铣床球刀在铣削加工时，因辅助旋转角度分度装置精度低、低速稳定性差等原因，均很难加工出高质量的变螺距螺杆，因此，变螺距螺杆加工工艺设计应从突破以下两个技术壁垒着手：1）机床主轴的旋转轴（C轴）低速旋转的稳定性；2）螺杆转角（C轴变量）和刀具位移S联动精确定位的可编程控制。针对以上要求，对数控车床进行C轴功能改造。一方面通过双伺服电动机驱动双蜗轮蜗杆装置，在降低机床主轴转速的同时，通过双齿轮消隙原理消除了传动间隙，并保证主轴低速旋转时C轴精确定位
10、的稳定性；另一方面，更换机床的刀架台为动力铣头。通过研究C轴编程技术建立可编程的圆柱加工模型，精确控制主轴的旋转轴（C轴）和高速旋转的成形球头铣刀沿工件的轴向（Z轴）、径向（X轴）联动运行形成不等螺距的螺旋面，循环往复，即可实现变螺距螺杆的加工。 图2数控车床改造示意图 2数控车床的C轴功能改造 1尾座2顶尖3变螺距螺杆4三爪卡盘5机床主轴6螺母7大齿轮8、17小齿轮9、13蜗轮10、14蜗杆11、15联轴器12从伺服电动机16主伺服电动机 18球头铣刀19动力铣头20电动机 数控改造在CAK3675数控车床上进行，其示意图见图2。在车床主轴箱左端部位，拆除原同步带主动轮及主轴电动机，改装成双
11、伺服电动机，即主伺服电动机16和从伺服电动机12；两电动机控制方式是两个同步执行元件，主电动机是执行电动机，从电动机是作为执行电动机的跟踪对象而进行控制，并达到同步驱动的控制形式。在控制C轴的旋转速度、精度方面，主电动机执行用户给出的速度和位置给定值；从电动机将主电动机的速度和位置作为参考值，紧密跟踪主电动机，使系统的同步精度大为提高，从而大幅提升C轴的控制精度。伺服电动机选用型号为1FT6- 笔者针对C轴编程功能，还进行了系统梯形图设 计，并编写了系统控制语言，实现了C轴在机床数控Z轴联动的插补控制。系统内与X、 通过上面的改造解决了以下几个问题。 1）实现了C轴的可编程控制。C轴轮廓控制将
12、车床的主轴控制变为位置控制，实现了主轴按旋转角度的定位，并可与其他进给轴联动，进而实现插补编程，以加工出形状复杂的工件。2）保证了C轴的位置定位精度。通过双伺服电动机驱动两套蜗杆蜗轮装 57 2016年第11期现代制造工程（ModernManufacturingEngineering） 置，再通过相连的一对齿轮传动副的啮合传动带动主轴转动，实现准确定位，提高C轴分度定位的精度。另外，由于从伺服电动机到主轴传动比较大，输入传 C轴转矩也加大，动比增大，切削转矩的反转动对电动机影响很小，保证了主轴低速切削的稳定性。3）高速 铣刀加工，降低了切削阻力，提高了螺杆的加工质量。 点的位置；然后，通过运用
13、C轴编程技术，建立C轴与 Z轴联动的圆柱加工模型，在变螺距螺杆低速转动下，数控车床C轴旋转一周，铣刀Z向走刀一个螺距，循环往复，实现铣削螺杆圆弧槽的加工。32 工艺路线设计 由于本文研究的螺杆螺距大，圆弧槽径向（X向）和轴向（Z向）加工余量均较大，为了提高加工系统的稳定性，确保螺杆的高质量加工，螺杆的粗加工刀路采用分层左右赶刀法铣削加工，如图3a所示。具体做法是：径向（即X向）加工余量分为6层，采用分层法由外向内进行铣削；轴向（Z向）沿螺旋圆弧槽中线下刀，采用左右赶刀法铣削加工。螺杆的精加工刀路采用沿轮廓光刀法，如图3b所示，建立圆弧槽轮廓节点Z向存在的数学运算关系，插补，确定节点X向、逐点铣
14、削拟合圆弧槽轮廓，并最终形成高精度、高表面质量的螺旋槽曲面 。 3 31 变螺距螺杆的加工工艺设计 加工工艺分析 C轴技术的发展使得数控车床主轴具有按轮廓成 形要求连续旋转（不等速旋转）运动和进行连续精确的角度分度功能，大幅提升了机床的加工范围和加工 11-12 。在具有插补功能的条件下，质量主轴旋转轴（C 轴）与其他进给轴（X或Z）联动进行插补，可以加工 任意曲线。变螺距螺杆C轴数控铣削加工的实现途 X-Z联动精确定位螺杆粗、径如下：首先，精加工下刀 图3变螺距螺杆切削加工刀路设计示意图 33螺杆圆柱加工模型建立 通过将螺杆的圆柱面展开成平面，螺杆的轴向为 直线轴Z轴，螺杆的旋转角度方向为C
15、轴，建立纵轴为旋转轴（C轴），即横轴为直线轴（Z轴）的坐标系，圆柱插补坐标系。 圆柱插补功能将圆柱曲面上的轮廓编程转换为平面上的轮廓编程，实现了螺杆圆周上的螺旋槽编程可在建立的平面坐标系CZ上进行。变螺距螺杆圆柱加工模型示意图如图4所示 。 使得原本抽象的三维螺杆圆柱加工模型的建立， 加工空间转变为直观的二维圆柱插补坐标系（即CZ坐标系），旋转轴（C轴）要转过的在圆柱插补方式下，角度在系统内被转换成一个在圆柱面上的距离，是实现C轴精确定位、精密加工的高效途径。如图4所示，螺杆螺旋槽铣削加工的实现，可通过将球刀刀位点定位至X向坐标（直径d），螺杆旋转一周（即C轴 完成螺插补距离d），铣刀沿Z向进
16、给距离P+P， 3圈、4圈螺旋线加工原杆第1圈螺旋线加工，第2圈、 理相同。 Z因此，如图3所示，只要设计好球头铣刀的X、 向下刀位置，合理运用数控C轴技术，通过建立的圆柱加工模型，精确控制主轴的旋转轴（C轴）和高速旋转的球头铣刀沿工件的轴向（Z轴）联动运行形 图4变螺距螺杆圆柱加工模型示意图 成不等螺距的螺旋面，即可实现变螺距螺杆的加工。 58 等：变螺距螺杆的C轴数控加工工艺乔龙阳，2016年第11期 4 41 变螺距螺杆加工程序编制及加工 粗加工 xt=d2（r）sinzt=（r）cos 式中：d为螺杆的直径；为圆弧槽半径；r为球头铣刀 半径；为下刀点分度角 。 变螺距螺杆粗加工选择6的
17、球刀，由于切削量很大，直接进刀会造成切削力太大、加工系统不稳定，所以必须采用分层左右赶刀法铣削切除螺旋圆弧槽里的加工余量。粗加工刀路规划，如图3a所示。粗加工宏程序变量设置，见表1。 表1 变量#1#2#3#4#5 粗加工宏程序变量设置 变量说明C轴起始角度螺杆起始螺距螺杆螺旋线圈数 螺距增量下刀点起始角度 图5Z轴联动函数关系示意图精加工时铣刀下刀点X- 螺杆圆弧槽粗加工部分程序如下： M19；G0C#1；G0Z0； 主轴准停，加工准备 宏程序各变量初始赋值 C轴零点定位 刀具刀位点定位至Z轴的起刀点 刀具刀位点进给至X轴的加工位置，螺杆槽 宏程序开始，循环条件控制设置 Z轴和 #1=0，#
18、2=62，#3=1，#4=8； 由于螺杆的直径d、圆弧槽半径和球头铣刀半 径r均为已知的常量，设圆弧面下刀点分度角为变量，通过对变量进行逻辑数学运算，实现铣刀下刀点沿圆弧槽面的逐点插补，完成对螺杆螺旋圆弧槽面的精加工。精加工宏程序变量设置，见表1。 表2 变量#6#7#8 G1X480F30； 加工深度设置 精加工宏程序变量设置 变量说明螺杆直径螺杆圆弧槽半径球头铣刀半径 WHILE#3LT4DO1； G98G1Z#2+（2*#31）#4H（*#5）F30； C轴联动控制，槽粗加工铣削#3=#3+1；END1； 循环条件式，实现螺杆槽完整铣削宏程序结束 螺杆圆弧槽精加工部分程序如下： 精加工
19、M19； 主轴准停，加工准备宏程序各变量初始赋值 WHILE#5LT180DO2； 下刀点，先Z轴后X轴X#62（#7#8）cos#5；C#1； WHILE#3LT4DO1； #5）F30； #3=#3+1； 整切削END1；#5=#5+1；END2； 内圈宏程序结束 循环条件式，实现螺杆圆弧槽圆弧面逐点插补宏程序结束 刀具进给至精加工X轴下刀点宏程序嵌套 C轴旋转到加工起点位置 宏程序开始，循环条件控制设置 刀具进给至精加工Z轴 G01Z#7（#7#8）sin#5F50； #1=0，#2=62，#3=1，#4=8；#5=0，#6=60，#7=33，#8=4； 42 变螺距螺杆的精加工选择4的
20、球刀，控制高速 Z轴定位圆弧槽轮廓下旋转的球头铣刀沿螺杆的X-C-Z轴联动运行不等刀点位置，再通过圆柱加工模型， 螺距的螺旋面。由于精加工沿轮廓下刀点路径复杂，可通过确定各控制轴之间函数关系，编写并运行宏程序语句，来合成运行精加工刀路。Z轴坐标与图5所示为精加工时铣刀下刀点X-圆弧面半径及分度角度之间的联动函数关系示Z轴坐标意图，任意下刀点Kt对应刀具刀位点的X-zt分别为：xt、 xt=（r）sinzt=（r）cos 若螺杆数控加工编程坐标系的原点设在螺杆的右端面，则任意下刀点Kt对应刀具刀位点在编程坐标Z轴坐标xt、zt分别为：系中的X- G98G1Z#7（#7#8）sin#5+#2+（2
21、*#31）#4H（* 精加工至第二圈 实现螺杆槽从第一圈至第四圈完循环条件式， （下转） 59 张勇：液压提前器性能测试控制系统开发研究2016年第11期 如果下压力大于要求范围，表明提前器压油阻力过大，喷油困难；如果下压力低于要求范围，表明提前器吸油效果不充分，内泄漏过快、过大，造成供油量和压油力不足。 以此，可根据特性数据和曲线找出液压提前器对应的问题，有针对性的改进设计和加工。 2黄立荣，赵祎，刘云霞，等柴油机喷油提前器故障分析 J现代零部件，2014（1）：6971与排除 3牛建强基于LabVIEW的提前器性能测试系统设计与实 J机械管理开发，2008，23（6）：1315现 4刘平，
22、岳林，刘永富基于LabVIEW的旋转机械振动监 机械科学与技术，2011，30（4）：586测系统开发J589 北京：5西门子公司SIMATICS7200PLC用户指南Z 1999西门子公司， 6张勇，张贤明一种新型风电传动轴扭矩试验台开发研 J制造业自动化，2012，34（7）：139142究 4结语 本文采取结合液压提前器相关性能的测试需求，了一种综合测试新方法，开发了基于工控机和VB软件的测试控制系统，一方面解决了用户在新产品开发中有效测试产品和发现缺陷的困扰，为用户提供了可靠的研发数据；另一方面也为产品批量生产时在线高效、自动和精确地检测提供了保障，取得了较好的应用效果。本设计也可以作
23、为其他同类产品试验台开发的参考方案。 参考文献： 1王军，张幽彤，王宪成，等大功率柴油机电液供油提前器 J装甲兵工程学院学报，2007，21（2）：3740控制研究 副教授，博士，主要研究方向：机电集成控制技术、故障作者简介：张勇， 诊断信息融合技术等。 E-mail：zhypiger1116163com11-08收稿日期：2015- （上接） 5结语 针对数控机床的双伺服电动机驱生产实践表明，动C轴功能改造，实现了机床主轴旋转轴（C轴）的精Z联确定位，提高了C轴低速旋转的稳定性。运用C-动的圆柱加工模型，使变螺距螺杆的螺旋复杂轨迹曲面精度得到了准确的控制和保证，因此，螺杆的加工精度和加工质量
24、得到较大的提高。本工艺方法，既可以通过改造经济型数控车床实现，也可在高端车削中心上实现，对各种变螺距螺杆加工具有较好的适用性和推广意义。 参考文献： 1王永康变螺距螺杆加工方法J食品与机械，1987 （2）：782余英良，付璐，刘伟数控车铣加工大尺寸变螺距丝杠 J新技术新工艺，2004（3）：2124农业3刘伟，余英良大尺寸变螺距丝杆的数控加工J 2006，37（5）：148152机械学报，4白宇，J现代制造工程，王平变螺距螺杆的加工方法 2008（1）：24265陈朝阳，张凡娥变螺距螺杆加工工艺及数控程序的编 J机械制造，2004，42（479）：5455制 6孔杰，覃岭，高文博，等基于Ma
25、sterCAM的等牙顶宽变 J机床与液压，2013，41螺距螺杆的数控四轴铣削加工 （4）：6870 7赵战峰，战祥乐，余尚行供送异形截面容器的变螺距螺 机械设计与制造，2008（9）：158杆四轴数控加工J 159 8王官明，黄丹，顾吉仁，等变螺距不等深异形螺杆的几何建 J现代制造工程，2012（3）：3336模及数控加工9赵战峰变螺距变底径螺杆的四轴数控编程J制造业2014，36（3）：3133自动化，10赖天华高精度伺服传动系统的设计与实践双传 电子机械工程，动链伺服传动系统的设计与探讨J 1996（5）：4649 11李晓雷，颜克辉，王志鑫卧式车削中心的C轴介绍 J机床与液压，2011，39（20）：151612梁媛，孙建业，郭晓丽车铣加工中心的主轴控制研究J制造技术与机床，2009（8）：4041 作者简介：乔龙阳，讲师/工程师，研究方向为数控加工技术。E-mail：54353339qqcom08-25收稿日期：2015- 133