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數(shù)控雕刻對(duì)刀裝置的設(shè)計(jì)
數(shù)控機(jī)床可以在圓柱，圓錐和平面上雕刻各種字符，曲線和圖案。單個(gè)CNC雕刻機(jī)的成本高并且處理效率不高。使用多位置固定裝置可以大大提高雕刻效率，但是多位置的最大問題是，由于加工和制造原因，每個(gè)工件的尺寸和公差不能完全一致。例如，如果刻度和字符刻在圓柱表面上，則劃線的深度通常為0.02-0.05mm。如果工件直徑有誤差(一般誤差為0.01-0.05mm)，如果有圓柱度誤差，則中心一側(cè)的線深度較深，偏向圓心一側(cè)刻線深度較深，不能滿足加工要求。同樣，在平面和圓錐面上雕刻時(shí)也存在上述問題。為了解決這個(gè)問題，特別是對(duì)于高精度雕刻，例如在儀器儀表上進(jìn)行刻度雕刻，必須使用專用的雕刻工具設(shè)定裝置。
一、對(duì)刀裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理
如圖1所示，雕刻機(jī)底座的主體以及工作臺(tái)，固定裝置和工件都是良好的導(dǎo)體，它們都連接到5V電源的接地端。當(dāng)?shù)窨填^固定在主體上時(shí)，中間使用一種特殊的絕緣材料，該絕緣材料與電路上的主體分開，并連接到5V電源的正極。 CNC系統(tǒng)發(fā)出對(duì)刀指令后，對(duì)刀裝置向Z軸進(jìn)給電機(jī)發(fā)出向下步進(jìn)脈沖(步進(jìn)距離為0.001mm)指令，然后檢測(cè)雕刻頭的電信號(hào)是否為低電平。例如，低電平指示雕刻頭接觸工件，例如高電平指示雕刻頭尚未接觸工件，并繼續(xù)發(fā)送進(jìn)給指令。刀具設(shè)置精度不得大于0.002mm。
多工位數(shù)控雕刻的對(duì)刀裝置采用多個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，控制每次雕刻進(jìn)給前多個(gè)雕刻頭的自動(dòng)對(duì)刀檢測(cè)(配備特殊的數(shù)控系統(tǒng)，每個(gè)對(duì)刀控制系統(tǒng)在進(jìn)給前后均獨(dú)立工作)刀具設(shè)置完成后，CNC系統(tǒng)統(tǒng)一發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令)。刀具設(shè)置采用電觸點(diǎn)檢測(cè)。雕刻頭和工件分別是5V電源的正極和負(fù)極。接觸后如果檢測(cè)到相應(yīng)的電信號(hào)，則將立即停止對(duì)刀。由于刀具處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，為了實(shí)現(xiàn)可靠的電信號(hào)檢測(cè)，有必要使用石墨碳刷壓緊雕刻頭外部固定部分與高速之間的接觸。旋轉(zhuǎn)主軸，以確保液位信號(hào)的可靠性和連續(xù)性。該方法的高靈敏度誤差小于0.002mm，結(jié)合的可能性小于0.0001%。
二、對(duì)刀裝置電路設(shè)計(jì)
多頭對(duì)刀裝置采用多個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)控制系統(tǒng)，主要功能如下：
(1)等待CNC系統(tǒng)發(fā)出刀具設(shè)定指令，并在收到刀具設(shè)定指令后開始刀具設(shè)定動(dòng)作。 刀具設(shè)置操作完成后，反饋的刀具設(shè)置完成信號(hào)被發(fā)送到CNC系統(tǒng)。
(2)CNC系統(tǒng)可以隨時(shí)釋放刀具設(shè)置狀態(tài)。
(3)切刀未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，從CNC系統(tǒng)接收z軸脈沖指令，然后將脈沖指令發(fā)送到MCU系統(tǒng)控制的電機(jī)。 實(shí)現(xiàn)Z脈沖的分配。
(4)根據(jù)面板撥盤開關(guān)確定是否為電動(dòng)機(jī)。 電路圖如圖2所示：
當(dāng)上位機(jī)發(fā)出刀具設(shè)置指令時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制卡輸出信號(hào)以開始刀具設(shè)置。 89C51單片機(jī)接收到該信號(hào)后，便開始控制74f157選擇單片機(jī)發(fā)送的脈沖信號(hào)，并通過光電隔離和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)對(duì)刀電機(jī)以開始對(duì)刀。 當(dāng)工具接觸到工件表面時(shí)，89C51微處理器可以立即捕獲該信號(hào)，并控制相應(yīng)的對(duì)刀電機(jī)停止移動(dòng)，并輸出該對(duì)刀完成信號(hào)的路徑。 完成所有工件刀具設(shè)置后，74LS32將輸出一個(gè)低點(diǎn)平面，該低點(diǎn)平面通知運(yùn)動(dòng)控制卡刀具設(shè)置已完成并準(zhǔn)備開始加工。
三、可靠性保證措施
引入對(duì)刀裝置可以解決上述一些列問題，但是也帶來了嚴(yán)重問題。如果對(duì)刀信號(hào)出現(xiàn)問題，就會(huì)出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象。刀具不停向下運(yùn)動(dòng)碰到工件表面仍繼續(xù)向下運(yùn)行，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重撞刀事故。，沙，不的這種現(xiàn)象一定要避免，否則雕刻機(jī)床根本無法正常運(yùn)行。為了避免扎刀現(xiàn)象，采取了以下可靠性保證措施:
(1)雕刻頭采取特殊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。雕刻頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。整個(gè)雕刻頭作為一個(gè)電極，但是在雕刻頭結(jié)構(gòu)圖中可以看到雕刻頭機(jī)體和中間高速旋轉(zhuǎn)軸是在做高速旋轉(zhuǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這兩個(gè)導(dǎo)體之間的接觸可以說不是100%可靠接觸，這樣檢測(cè)刀尖電信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)誤差。實(shí)驗(yàn)證明:這種結(jié)構(gòu)對(duì)刀扎刀率達(dá)到1% ~5%，嚴(yán)重影響使用性能。為了改進(jìn)檢測(cè)可靠性，在雕刻頭上端部加裝了一個(gè)壓緊的石墨碳刷裝置。石墨碳刷靠彈簧壓力緊貼高速主軸。采用這種結(jié)構(gòu)后實(shí)際扎刀率不超過0.0001%，目前在客戶使用中還未見扎刀報(bào)告。
(2)高速主軸電機(jī)采用無刷直流電機(jī)，一方面無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)10000r/min，相比同轉(zhuǎn)速交流電主軸價(jià)格要便宜許多。另外與普通直流電機(jī)相比，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，沒有電磁干擾，也極大減少了扎刀的概率。
(3)對(duì)刀裝置軟硬件也都采取了抗干擾措施。
四、結(jié)語
多工位數(shù)控雕刻對(duì)刀裝置成功運(yùn)用在全自動(dòng)數(shù)控五軸雕刻機(jī)上，并取得良好的效果，生產(chǎn)效率較以前提高了6~7倍。
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