机床实时自动分度系统及控制方法.pdf

本发明公开了一种机床实时自动分度系统及其控制方法，该系统包括机床实时自动分度装置，其特征在于：具有系统控制装置，以及将机床工作台位移信息提供给系统控制装置的位移检测装置。系统控制装置实时接收输入的零件的加工模式和分度参数信息，通过位移检测装置监控机床工作台移动位置，实时自动地控制驱动电机转动的时间和角度，支持不同工艺要求下的机床实时自动分度装置控制，简化了机床实时自动分度装置的操作，提高了生产效率。

1.  一种机床实时自动分度系统，包括机床实时自动分度装置，其特征在于：具有系统控制装置，以及将机床工作台位移信息提供给系统控制装置的位移检测装置。

2.  根据权利要求1所述的机床实时自动分度系统，其特征在于：系统控制装置由单片机电路、键盘/显示电路、驱动器、控制机床实时自动分度装置的电磁离合器组件的制动电路构成，单片机通过接口电路连接键盘/显示电路、驱动器和制动电路，并根据位移检测装置提供的机床工作台位移信息向驱动器输出信号，驱动器控制机床实时自动分度装置的步进电机或伺服电机。

3.  根据权利要求1或2所述的机床实时自动分度系统，其特征在于：所述制动电路包括一个继电器、一个驱动继电器的三极管、一个与继电器线圈并联的二极管，三极管的基极接入单片机的控制信号，继电器的输出接机床实时自动分度装置的电磁离合器组件。

4.  根据权利要求1或2所述的机床实时自动分度系统，其特征在于：位移检测装置具有经弹性联轴器与机床的进给丝杠相联的光电旋转编码器，光电旋转编码器的输出信号送入系统控制装置的单片机电路。

5.  根据权利要求3所述的机床实时自动分度系统，其特征在于：位移检测装置具有经弹性联轴器与机床的进给丝杠相联的光电旋转编码器，光电旋转编码器的输出信号送入系统控制装置的单片机电路。

6.  一种机床实时自动分度系统的控制方法，其特征在于：该方法包括下列步骤，
(1)初始化；
(2)设定分度参数，确定走刀的对刀点和结束点；
(3)等待正向到达对刀点；
(4)每往复经过对刀点和结束点一次，累加走刀次数；
(5)判断走刀次数是否符合设定的分度参数，否则回到步骤(4)；
(6)若步骤(5)中的判断结果为是，累加已加工分齿数；
(7)判断是否已加工完所有分齿；
(8)若步骤(7)的判断结果为否，向步进电机或伺服电机发送分度信号，然后返回进行步骤(3)；
(9)若步骤(7)的判断结果为是，选择是否继续加工同型零件。

7.  根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：设定分度参数前根据加工要求选择加工模式。

机床实时自动分度系统及控制方法
技术领域
本发明涉及机床分度领域，尤其是一种机床实时自动分度系统及控制方法。
背景技术
传统分度装置的使用方法十分繁琐，操作前需要根据工件不同等分的要求手动计算确定分度手柄摇的圈数和分度盘的定位孔数；分度时要人工摇动分度手柄，并且对分度盘上排列的大量同心孔进行计数和定位操作，稍有不慎即会出错；加工螺旋槽或对一些特殊值的差动分度时，需要根据运动传动比的要求，运用传动链的运动平衡方程式计算和安装交换挂轮。这种分度方法劳动强度大效率低，配置的分度装置还必须包括大量的备用挂轮以供选用。
2004年5月8日申请的实用新型“机床实时自动分度装置”提供了一种可进行机床分度操作的装置，以步进电机或伺服电机驱动传动机构来代替传统分度装置中的分度孔盘装置、内部螺旋齿轮副和外部挂轮等，该装置结构简单，可由步进电机或伺服电机进行精密控制完成作业，从而减少大量的人工操作。如何能利用该装置实现高效率和智能化的实时自动分度，则是现有技术有待解决的问题。
发明内容
本发明的目地在于针对现有技术中存在的问题提供一种机床实时自动分度系统及控制方法。
为实现本发明所述目的，本发明提供一种机床实时自动分度系统，包括机床实时自动分度装置，具有系统控制装置，以及将机床工作台位移信息提供给系统控制装置的位移检测装置。
而且，系统控制装置由单片机电路、键盘/显示电路、驱动器、控制机床实时自动分度装置的电磁离合器组件的制动电路构成，单片机通过接口电路连接键盘/显示电路、驱动器和制动电路，并根据位移检测装置提供的机床工作台位移信息向驱动器输出信号，驱动器控制机床实时自动分度装置的步进电机或伺服电机。
而且，所述制动电路包括一个继电器、一个驱动继电器的三极管、一个与继电器线圈并联的二极管，三极管的基极接入单片机的控制信号，继电器的输出接机床实时自动分度装置的电磁离合器组件。
而且，位移检测装置具有经弹性联轴器与机床的进给丝杠相联的光电旋转编码器，光电旋转编码器的输出信号送入系统控制装置的单片机电路。
本发明的另一方案是提供一种机床实时自动分度系统的控制方法，该方法包括以下步骤：(1)初始化；(2)设定分度参数，确定走刀的对刀点和结束点；(3)等待走刀正向到达对刀点；(4)每往复经过对刀点和结束点一次，累加走刀次数；(5)判断走刀次数是否符合设定的分度参数，否则回到步骤(4)；(6)若步骤(5)中的判断结果为是，累加已加工分齿数；(7)判断是否已加工完所有分齿，(8)若步骤(7)的判断结果为否，向步进电机或伺服电机发送分度信号，然后返回进行步骤(3)；(9)若步骤(7)的判断结果为是，选择是否继续加工同型零件。
而且，设定分度参数前根据加工要求选择加工模式。
根据本发明，系统通过键盘实时扫描获取零件的加工模式和分度参数，通过位移检测装置监控工作台移动位置，实时自动地控制驱动电机转动的时间和角度，支持不同工艺要求下的机床实时自动分度装置控制，支持零件的自动记忆分度和智能分度，加工机床实时自动分度装置的操作更加容易，提高了生产效率。
附图说明
图1机床实时自动分度系统结构示意图；
图2制动电路的具体电路图；
图3机床实时自动分度装置的控制方法流程图；
图4A和图4B是本发明具体实施例的系统工作流程图。
具体实施方式
参见图1，机床实时自动分度装置主要由工件夹持机构1、经传动机构3驱动的分度主轴2、经传动机构3驱动分度主轴2的步进电机5或伺服电机、当分度主轴2静止时限制其微动的电磁离合器组件4构成，为了实现该装置的实时自动控制，设置系统控制装置6，以及将机床工作台位移信息提供给系统控制装置6的位移检测装置7。
系统控制装置6由单片机电路、键盘/显示电路、驱动器、控制机床实时自动分度装置的电磁离合器组件4的制动电路构成，单片机通过接口电路连接键盘/显示电路、驱动器和制动电路，并根据位移检测装置提供的机床工作台位移信息向驱动器输出信号，驱动器控制机床实时自动分度装置的步进电机5或伺服电机。分度加工过程中，机床工作台的运动位置、速度、方向由位移检测装置检测，并将检测信号输入单片机，单片机按照设定的工作模式、分度参数和起始条件进行实时处理和运算，运算结果和指令送入驱动器来控制步进电机5或伺服电机的运行。步进电机5或伺服电机经过传动机构3驱动分度主轴2，然后通过工件夹持机构1带动工件进行实时自动分度。在需要锁紧分度主轴2的情况下，单片机通过制动电路控制机床实时自动分度装置的电磁离合器组件4，实现分度主轴2及工件的可靠定位。单片机电路部分可用MCS-51系列单片机配上锁存器、数据存储器，以及与键盘/显示电路、制动电路及驱动器相应的I/O接口电路等基本电路构成，当程序过大时，可以选用片内程序存储空间更大的MCS-52系列等。单片机电路属于现有技术，市场上有成熟的产品可以直接使用，如启东公司生产的SCB-51功能板。键盘/显示电路也属于现有技术，采用可编程键盘/显示接口芯片8279配合单片机可以实现键盘的扫描输入和数码显示器件(LED)的扫描显示输出的自动操作，即扫描显示不占用CPU时间。并且8279编程方便，编程时定义机床实时自动分度系统的控制中用到地数字键和功能键(如起确定走刀位置作用的“起始键”、“终止键”)所在的键盘位置，机床实时自动分度系统的控制过程中，8279自动扫描键盘，扫描到有键按下时查询键的键盘位置并传给单片机CPU，同时在LED上显示。
参见图2，为了实现分度主轴2自动锁紧，制动电路包括一个继电器U、一个驱动继电器U的三极管V、一个与继电器线圈并连的二极管D，三极管V的基极接入单片机的控制信号，继电器U的输出接机床实时自动分度装置的电磁离合器组件4。三极管V可采用NPN型三极管S8050，二极管D可采用硅开关二极管IN4148。单片机的控制信号CON使三极管S8050导通，继电器U吸合并放大控制信号CON，加在机床实时自动分度装置的电磁离合器组件4的线圈上令电磁离合器组件4锁紧。当单片机不给信号时，三极管S8050截止，继电器U断电释放，电磁离合器组件4断开。继电器线圈两端反相并联的二极管IN4148起到吸收反向电动势的作用，保护驱动三极管S8050。当工件在静止状态并对其进行切削加工时(如加工直齿轮)时，电磁离合器组件4锁紧，以避免在加工时因工件微动而影响加工质量，所述“微动”主要是指微小的径、轴心窜动或振动。
为了准确提取机床位移信息，位移检测装置7具有经弹性联轴器9与机床的进给丝杠12相联的光电旋转编码器8，光电旋转编码器8的输出信号送入系统控制装置6的单片机电路。机床工作台11的移动由机床的进给丝杠和传动螺母结构决定。传动螺母10固定，进给丝杠12转动并带动机床工作台11直线移动，可见进给丝杠12的转动和机床工作台11的位移具有确定的传动比关系，光电旋转编码器8检测进给丝杠12的转动以获取机床工作台11的位移信息。弹性联轴器9调节进给丝杠12和光电旋转编码器8相连接的同轴度误差，防止因进给丝杠12和光电旋转编码器8不同轴产生运动干涉。具体实施中，为了固定位移检测装置7与机床之间的联系，还要设相应的连接座。
参见图3，机床实时分度装置作为各类通用型机床实现零件自动分度的辅助设备，根据不同类型机床的各自特点(铣削、刨削、磨削、插削等加工方法)成形加工直齿轮、斜齿轮、螺旋槽、花键槽、牙嵌式离合器等各种具有对称等分特征的工件，即利用分度装置实现等分地对工件进行加工，工件上的等分加工部位可以是齿、槽、孔等不同形状，本说明书统称为分齿。加工具有对称等分特征的工件通常要由机床实时分度装置的分度主轴2旋转一定角度完成，机床实时分度装置还能在系统控制装置支持下令分度主轴2整周连续转动、变速转动、换向转动，以便进行特殊工艺加工。为了自动实时地分度加工出各种具有对称等分特征的工件，本系统的控制方法如下：在步骤01中，执行初始化操作，设定好单片机等硬件。在步骤02中，通过实时扫描键盘获取加工零件必要的分度参数(并在显示器上显示出来)，然后确定机床走刀的对刀点和结束点，即分别按下8279在键盘上设定的“起始键”、“终止键”。(注意走刀是指工件随机床工作台11移动时，刀具对工件做相对运动，机械术语称为“走刀”。控制系统需要的走刀信息来自位移检测系统提供的工作台位移信息。)在步骤03中，等待机床走刀正向到达对刀点，以便准确计算加工走刀数。(正向方向是操作者所设定的，刀具的相对运动由左往右或由右往左均可，机动或手动都可以实现机床走刀正向到达对刀点。)在步骤04中，每往复经过对刀点和结束点一次，即不论走刀方向，凡走刀一次，都要累加走刀次数。在步骤05中，判断走刀次数是否符合设定的分度参数，否则回到步骤04，继续根据机床走刀情况计算走刀次数。在步骤06中，若步骤05中的判断结果为是，说明已经工件的当前分齿已经加工好了，累加已加工分齿数。在步骤07中，判断是否已加工完所有分齿。在步骤08中，若步骤07的判断结果为否，向步进电机5或伺服电机发送分度信号，令机床实时自动分度装置的分度主轴2转动，以便机床加工下一分齿，然后回到步骤03，继续根据机床走刀情况计算走刀次数。在步骤09中，若步骤07的判断结果为是，选择是否继续加工同型工件，按下8279在键盘上设定的“确定键”沿用原参数重新加工，按下8279在键盘上设定的“RESET键”则是复位以便加工新型零件。
为了对不同类型工件进行适当的分度加工，设定分度参数前根据工件种类或加工要求选择加工模式。机床实时自动分度装置可以不同加工模式加工各种具有对称等分特征的工件，其中点动、直齿轮、斜齿轮、单螺旋槽加工模式最具有代表性，这四种模式不仅用来加工齿轮和螺旋槽工件，对于其他对称等分特征的工件也具有普遍适用性，本发明实施例提供了这四种加工模式的具体控制流程，加工时需要根据加工要求选择：加工各种具有对称等分特征的工件，如直齿轮、斜齿轮、单螺旋槽、多螺旋槽、花键槽、牙嵌式离合器等，工件上的等分加工部位可以是齿、槽、孔等不同形状，并可选择由直齿轮、斜齿轮、单螺旋槽加工模式之一实现；与此同时，如遇不等分加工工件或是调整工件加工位置时，可选择由点动模式实现。
上述四种分度加工模式由自动分度装置的两种运动状态组合实现：一种为分齿运动状态，另一种为螺旋运动状态。自动分度装置作分齿运动时，系统中的光电旋转编码器8进行工作台位移检测的目的是使系统控制装置6对工件齿槽加工的起始和终止位置进行判断。在加工具有对称等分特征的工件时，每当一个齿槽加工完毕，根据设定的等分值，由自动分度装置进行分齿运动，带动工件旋转一定的角度。在有特别加工要求时，也可通过系统控制装置6控制自动分度装置做特殊的分齿运动，如分度主轴2带动工件整周连续转动、变速转动、换向转动等。做螺旋运动时，系统中的光电旋转编码器8进行工作台位移监测的目的是通过系统控制装置6将机床工作台11纵向移动与工件的转动之间建立起内联系的传动链，使机床工作台11纵向移动工件螺旋槽的一个导程L时，工件正好转过一周。这两种运动状态有时只使用一种，有时需两种运动交替使用。加工直齿轮时只用分齿运动，加工单螺旋槽时只用螺旋运动，加工斜齿轮由两种运动交替进行。因此不同的加工模式在具体的系统流程中有部分区别。
参见图4A和图4B，本发明实施例提供了上述四种加工模式相应的具体控制流程。在开始步骤001之后，步骤002进行初始化操作，对单片机的计时/计数器、可编程键盘/显示接口芯片8297进行控制方式和工作方式设定，对变量、输入输出口、键盘功能键和数字键进行定义，对电机驱动器的各个控制线进行设定。然后进行步骤003，单片机根据循环扫描键盘所获得的键盘输入数据选择判断加工模式，根据结果选择执行步骤101、201、301、401其一，进入点动、直齿轮、斜齿轮、单螺旋槽加工模式的相应子流程。
(1)直齿轮模式：在步骤201后，进入步骤202在LED屏幕上显示设定的相应数字222以供提示，步骤203、204分别输入直齿轮的齿数N_分和一个齿加工过程中需要的走刀次数M，即直齿轮加工需要输入的加工参数。在步骤205中按下8279在键盘上设定的“起始键”，在步骤206中按下按下8279在键盘上设定的“终止键”，确定机床走刀的对刀点和结束点。在步骤207中等待机床走刀正向到达对刀点，以便准确计算加工走刀数。在步骤208中，根据位移检测装置提供的信息，每往复经过对刀点和结束点一次，累加走刀次数。在步骤209中，判断是否已经走刀M次，即是否符合步骤204设定的走刀次数。如果符合，在步骤210中累加已加工齿数，然后在步骤211中，判断是否所有N_分个分齿都已加工完毕。若结果为否，进行步骤212向步进电机5或伺服电机发送分度信号脉冲N_冲，然后返回执行步骤207继续加工下一分齿(附图中用①标记)。若已加工完所有分齿，进入步骤213选择是否要继续加工同一零件：选择继续的在步骤214中按下8279在键盘上设定的“确定键”沿用原参数重新加工，否则进行步骤215按下8279在键盘上设定的“RESET键”复位以便加工新型零件。注意在直齿轮加工中，工件在静止状态时，单片机向制动电路发送信号con控制电磁离合器组件4，锁紧分度主轴2，要进行分齿时不发送该信号令电磁离合器组件4松开，分齿运动完成后再发送信号con保证分度主轴2和工件可靠定位和锁紧。
(2)斜齿轮模式：在步骤301后，进入步骤302在LED屏幕上显示设定的相应数字333以供提示，步骤303、304分别输入斜齿轮的齿数N_分、一个齿加工过程中需要的走刀次数M和斜齿轮螺旋线导程L，即斜齿轮加工需要输入的加工参数。在步骤305中按下8279在键盘上设定的“起始键”，在步骤306中按下按下8279在键盘上设定的“终止键”，确定机床走刀的对刀点和结束点。在步骤307中等待机床走刀正向到达对刀点，以便准确计算加工走刀数。因为工件的转动由步进电机5或伺服电机通过传动机构3驱动分度主轴2转动来实现，为了保证斜齿轮加工时机床工作台11的纵向移动与工件的转动有确定的传动比关系，分度主轴2必须在系统控制装置6的指令控制下随动。这种随动的实现由具体控制装置对光电旋转编码器8发的脉冲数进行实时记忆，并按建立的运动平衡式及数学模型和算法进行计算，根据计算结果对步进电机5或伺服电机发送一定比例的脉冲数(保证斜齿轮或螺旋槽的螺旋角β和斜齿轮螺旋线导程L)。步骤308中分度主轴2开始随动，即建立起分度主轴2转动与机床工作台移动的准确传动比关系。在步骤309等待走刀到结束点，在步骤310中继续令分度主轴2保持随动，而分度主轴2转动方向根据走刀方向而决定，走刀方向由光电旋转编码器8提供。在步骤311中根据位移检测装置7提供的信息，每往复经过对刀点和结束点一次，累加走刀次数。在步骤312中，判断是否已经走刀M次，即是否符合步骤304设定的走刀次数，结果为否就返回执行步骤311。如果符合设定的走刀次数，在步骤313中解除分度主轴2的随动，并累加已加工齿数。然后在步骤314中，判断是否所有N_分个分齿都已加工完毕。若结果为否，进行步骤315向步进电机5或伺服电机发送分度信号脉冲N_冲，然后返回执行步骤307继续加工下一分齿(附图中用②标记)。若已加工完所有分齿，进入步骤316选择是否要继续加工同一零件：选择继续的在步骤317中按下8279在键盘上设定的“确定键”沿用原参数重新加工，否则进行步骤318按下8279在键盘上设定的“RESET键”复位以便加工新型零件。
(3)单螺旋槽模式：加工单螺旋槽不需要自动分度装置作分齿运动，该模式的具体控制程序省去相关操作，但和斜齿轮模式类似需要自动分度装置作螺旋运动，即要求保证机床工作台11的纵向移动与工件的转动之间具有严格的传动比随动关系。在步骤401后，进入步骤402在LED屏幕上显示设定的相应数字444以供提示，步骤403、404分别输入单槽需要走刀次数M、螺旋槽导程L，即单螺旋槽加工需要输入的加工参数。在步骤405中按下8279在键盘上设定的“起始键”，在步骤406中按下按下8279在键盘上设定的“终止键”，确定机床走刀的对刀点和结束点。在步骤407中等待机床走刀正向到达对刀点，以便准确计算加工走刀数。步骤408中分度主轴2开始随动，即建立起分度主轴2转动与机床工作台11移动的准确传动比关系。在步骤409等待走刀到结束点，在步骤410中继续令分度主轴2保持随动，而分度主轴2转动方向根据走刀方向而决定，走刀方向由光电旋转编码器8检测机床工作台11的位移而提供。在步骤411中根据位移检测装置7提供的信息，每往复经过对刀点和结束点一次，累加走刀次数。在步骤412中，判断是否已经走刀M次，即是否符合步骤404设定的走刀次数，结果为否就返回执行步骤411。如果符合设定的走刀次数，即已完成了该单螺旋槽工件的加工，在步骤413选择是否要继续加工同一零件：选择继续的在步骤414中按下8279在键盘上设定的“确定键”沿用原参数重新加工，否则进行步骤415按下8279在键盘上设定的“RESET键”复位以便加工新型零件。
(4)点动模式：为可能出现的生产需要提供了一种基本的工作模式。相应的具体流程的主要部分只保留了向步进电机5或伺服电机发送脉冲信号N_冲以令分度主轴2旋转的步骤，是最简单的分齿运动。在步骤101后，进入步骤102在LED屏幕上显示设定的相应数字111以供提示，步骤103输入点动分齿角度α，即点动加工需要输入的加工参数。在步骤104中向步进电机或伺服电机发送分度信号脉冲N_冲，令分度主轴2旋转α角度。进入步骤105选择是否要继续令分度主轴2旋转α角度：选择继续的在步骤106中按下8279在键盘上设定的“确定键”继续加工，否则进行步骤107按下8279在键盘上设定的“RESET键”复位以便进行其他加工。和直齿轮加工相同，工件在静止状态时，单片机向制动电路发送信号con控制电磁离合器组件4，锁紧分度主轴2，要进行分齿时不发送该信号令电磁离合器组件4松开，分齿运动完成后再发送信号con保证分度主轴2和工件可靠定位和锁紧。
为了方便实施，提供本发明实施例采用步进电机时，分齿运动和螺旋运动的运动平衡方程式及数学模型和算法，采用伺服电机时的情况与之相似。
(1)分齿运动时的运动平衡式：

式中N_冲为等分齿时系统控制装置6向步进电机5发出的每齿驱动脉冲数；N_分为工件等分齿数；N_步为步进电机5每转步数；本发明实施例中机床实时自动分度装置的传动结构3采用蜗杆蜗轮，Z₁、Z₂为蜗杆和蜗轮的头数和齿数，i_1-2为蜗杆蜗轮副的传动比。
其中，N_步可以根据工件等分齿数N_分的要求，利用步进电机5的步进细分功能，实时确定其具体值的大小，使N_冲的值为整数。从而解决了传统分度装置对于工件特殊等分值(如大于100的质数齿等)难以简单分度，必须进行烦琐的差动分度的难题。
(2)螺旋运动时的运动平衡式：
(进给丝杠转动一周)
式中，L为工件螺旋槽导程；T为进给丝杠11的纵向螺距(T随机床类型设定)；N_光为光电旋转编码器8的线数；N_步为步进电机5的每转步数；本发明实施例中机床实时自动分度装置的传动结构3采用蜗杆蜗轮，Z₁、Z₂为蜗杆和蜗轮的头数和齿数；i_k为控制系统传动比，即输入控制系统的脉冲数与输出控制系统的脉冲数之比，也就是光电旋转编码器8输出脉冲数与步进电机5输入脉冲数之比。
其中，比值：N_光/N_步＝i_光-步、Z₁/Z₂＝i_1-2根据具体系统硬件设计确定。而i_k值可由控制系统软件程序按算法和规则确定，并能根据不同工件导程的要求，随时用键盘输入导程值，由控制系统自动获得i_k值。
所以，上式整理后为