数控车床上修复螺纹时的对刀问题

数控车床上修复螺纹时的对刀问题孟生才安工大职业技术学院摘要：针对数控车床修复钻杆螺纹及精加工蜗杆时，怎样使刀尖对准原螺旋线从而修复螺纹的问题，提出利用光电编码器的零位信号，通过光电隔离电路控制外部指示灯和发声器，通过发光和声音确定修复螺纹的零位和起始位置，实现旧螺纹的修复和蜗杆的精加工。该方法结构简单，对数控机床无大的改动，使用方便，效果较好。关键词：已有螺纹修复对刀光电编码器零位信号一、问题的提出：问题1：某地质企业大量加工钻杆螺纹，由于钻井内的温度高，压力大，所以其连接的锥管螺纹牙型容易损坏。因地质钻杆材料的性能高，优质管材大都是进口的。为节约材料，锥螺纹不是全部切除，而是修复。以外螺纹为例(见图1)，修复时，把端面切掉一定的长度L，台肩面也相应地切除厚度为L的余量，再把直径增大了的外锥面加工到要求的尺寸，最后再沿着原来螺纹螺旋槽的轨迹，把变浅的螺纹沟槽加工到设计深度，即可把损坏了的螺纹修复一新，使钻杆得到重复利用。而锥螺纹的大端有轴肩，螺纹精度又高，所以修复起来难度较大。因为该机械厂已购买了数控车床进行锥螺纹的加工，效率大大提高，但锥螺纹的修复却因为螺纹对刀时难以对准原螺旋槽，起始位置找不准，总是乱牙，所以修复成了棘手的的问题。图1锥螺纹修复方法问题2：数控车床在加工蜗杆和高精度螺纹时，往往都要分粗、精车，这就要有两把刀。现在大多数厂是同时对好两把刀，中途不换刀一次加工完工件。但在实际加工中，经常会出现刀具磨损，或者刀具损坏的情况，此时需要将刀取下，换好新刀后，重新加工，这时又存在着在已加工螺纹上的准确对刀问题。二、该问题的已有解决方法：1、NUM数控系统设置了“螺纹继续切削”功能。其思路是采用手工对刀的方式，在任意位置得到原有螺纹某点处的位置及主轴对应的转角，以此作为螺纹切削功能—G33指令中的两个参数，系统根据这两个参数自动计算出起刀点对应的主轴转角。加工时，当主轴转至该转角时，发出指令信号，使伺服轴进入随动状态。[1]该方法不适用于别的系统，因为别的系统没有此功能，而且编程时有主程序和子程序很麻烦。[2]2、在卡盘圆周表面相应位置刻零位信号线标记，以确定螺纹车削起点（即使刻线和试验圆棒上螺旋线起点在同一轴向剖面内）。此方法的加工效率很低。找正时花费大量的时间。[3]3、采用一套工件轮廓扫描系统，获得工件轮廓表面信息。[4]该方法系统复杂，装备成本大大增高。三、数控车床加工螺纹的原理1、数控机床一般由异步电机驱动车床主轴带动工件转动。要完成切削螺纹必须准确做到：工件转一转，刀具进给一个导程。异步电机的转速可通过变频器实现，但转角位置一般是不可控的。要具备切削螺纹的功能，必须用一个光电编码器与主轴1：1传动连接。[5]当主轴旋转时，编码器同步转动，并发出一系列脉冲信号进入数控系统，再由数控系统进行运算控制，发出指令控制伺服电机及刀具做进给运动。2、光电编码器的结构光电编码器的光电盘表面制成沿圆周等距的透光和不透光相间的条纹，构成圆光栅。指示光栅上有两段条纹组，两组条纹彼此错开1/4节距。光电元件A和B也错开1/4节距安装。当光电盘旋转一个节距时,在光源照射下,光电元件A和B得到的波形经放大整形输出为具有90°相位差的方波信号,数控系统根据A相和B相的相位关系判别编码器的旋转方向,从而获得车床主轴的旋转方向。在光电盘的里圈有一条透光的条纹C，编码器旋转一圈，就产生一个脉冲信号。C相产生的脉冲信号作为基准脉冲,又称零点脉冲，可用于螺纹加工。[6]3、螺纹加工在每次螺纹开始进刀切削前,数控系统扫描C相同步脉冲信号，当检测到C相信号到来时开始切削,否则处于等待状态。这样就保证每次切削的初始位置在被加工工件圆周上为一定点位置,保证了螺纹切削关系，也防止了多次切削乱扣现象的发生。可是在修复钻杆锥螺纹时，就会存在螺纹起始位置对刀问题。当把工件在数控车床上夹紧，使刀具正好对在与修复螺纹槽底相距n个导程的端头起始位置上，从外表看位置对准了，但由于光电编码器的零位信号与要修复螺纹的起始位置可能不一致，在主轴旋转时刀具不能立即沿着修复螺纹轨迹做进给运动，而是接收到零位信号后才进给，这时零位脉冲信号位置和工件上的螺纹的起始位置不同，因此会发生轴向干涉、撞刀或破坏原螺纹。所以在修复螺纹时必须做到光电编码器的零位信号与要修复螺纹的起始位置对应一致，这样就得先定位，再切削。这里讲的定位就是把光电编码器的零位信号作为基准，然后将螺纹起始位置和刀具向基准位置对齐，做到光电编码器的零位信号与要修复螺纹起始位置及刀具对应一致，从而实现定位，定位后，刀具就可顺着原轨迹运动。所以修复螺纹关键是定位问题。4、定位时零位信号的外部设置分析光电编码器的工作原理，当圆光栅转动时，其上的零位狭缝转到与指示光栅上的零位信号的狭缝对齐时就会发出零位信号（即C相脉冲）。如果把输出零位信号的接线端子引向外部，接上发光指示灯和一个喇叭，就可以通过发光和发声知道零位信号的位置。对刀时先转动主轴带动光电编码器同步转动，当指示灯亮且听到发声时即停止转动，此时的刀尖所在的位置即为零位信号位置，此时完成准确对刀。5、光电编码器的接口电路光电编码器的种类较多，数控车床用的光电编码器一般情况有9根输出端子，将其中的零位信号端子引出来。接口电路如图2。A、A和B、B是光电编码器的连续脉冲信号输出端，随主轴的旋转不断输出脉冲信号进入CNC系统。Vcc是电源端，0v是零伏端，均由CNC装置提供。G是接地端子。C和C是零位信号输出端子，每转输出一个脉冲信号，C是C的反相端，两个端子只引出一个即可。现将C端输出信号通过光电隔离引出控制指示灯和喇叭。为了防止干扰，该指示的电源独立，并在光电隔离器的输入端接入一个扳动开关S，以便独立控制。RRDCLCNCST光电编码器AABBCCVcc0vG图2光电编码器接口电路6、对刀原理对刀时，首先扳动开关S使其闭合，并转动主轴，当转到零位光栅位置时，C端输出零位信号。此时光电隔离器的输入端会有电流通过，使发光二极管发光，光敏三极管接收到光信号时处于导通状态，因此指示灯处于闭合回路而发光，同时并联的发声器发出声音。当操作者看到指示灯发光，同时听到声音时，就停止转动主轴，此时主轴的位置就是零位脉冲信号的位置。通过手摇脉冲发生器或点动按钮控制刀具移到某一螺旋槽里，然后再移动到距该螺纹槽底n个导程的右侧端起始位置。对刀结束后，将扳动开关断开。最后启动螺纹程序就可进行螺纹修复加工了。在光电隔离器的输入端接入一个扳动开关，只是对刀时用一下Z端零位信号，对刀结束扳动开关断开，对整个系统的工作不会产生任何影响，安全可靠。7、具体对刀操作（1）以锥螺纹的修复为例，将要修复的螺纹切去头部和肩部各L长后，将外圆车好（可以做成固定程序，以后直接调用），照前述的方法确定了零位信号位置后，而且也将刀具移到距螺纹槽底n个导程的右侧端起始位置，记下此时的机床Z′值。然后通过对刀操作，记下刀尖在端面处的Z″值。这时要修改程序中的起刀点的位置。起刀点的Z值为：Z=Z′-Z″如原程序为：T0101M03S500G00X32Z4（螺纹起刀点）G82X42Z-50I-5F2（车锥螺纹）……计算出Z值后，只需将Z4中的4改为求出的Z值即可进行加工。（2）对于蜗杆的精车问题[7]，一般情况下蜗杆没有从机床上拿下来，只是换一把精车刀，此时对刀更方便。因为工件没有取下来，那么零位脉冲信号的位置在工件的圆周上就是固定的。所以对刀时只要将刀尖对到起刀点即可。如上例中换刀后通过增量方式或手摇脉冲发生器使刀尖对准在（32，4），然后直接加工，就可完成蜗杆的精加工。四、结束语此种螺纹修复方法在某机械厂修复加工钻杆锥螺纹时，效果很好。原来工人在数控车床上几十分钟都不能对好刀，弄得工人不肯采用数控机床，而宁愿用普通管子机床修复。经采用改进方法后，工人修复时，不到一分钟就完成对刀，提高了工效，减轻了劳动强度，保证了加工质量，深受工人欢迎。参考文献：（1）唐宗军、谷艳玲、数控车床上已有螺纹的继续切削、制造技术与机床、2003年第12期、96页（2）陈劲松、螺纹的重复切削、制造技术与机床、2000年第12期、46页（3）向建平、解决数控车床精车蜗杆对刀难的方法、机械工人(冷加工)2004年第7期、24页（4）张耀辉等、石油钻杆接头螺纹的数控修复加工方法、中国机械工程、1999年10月、（6）45页（5）李宏胜、机床数控技术及应用、高等教育出版社、2001年8月、第一版、157页（6）白恩远、现代数控机床伺服及检测技术、国防工业出版社、2002年1月第一版、210页（7）肖春燕、梯形螺纹在数控车床上的变速车削加工、机械工人（冷加工）、2006年第4期、76页