專利名稱：自控行程數(shù)控鉆削動力頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及數(shù)控鉆床，特別是一種利用轉矩監(jiān)視電壓自動控制鉆削動力頭進給行程、無需事先輸入進給行程數(shù)據(jù)的自控行程數(shù)控鉆削動力頭。
背景技術：
一般數(shù)控鉆床的鉆削動力頭不能自動控制主軸行程，需要事先根據(jù)鉆頭長度、工件厚度和空行程留量，計算出快進、工進、快退行程并輸入有關數(shù)據(jù)，通過數(shù)控裝置和接近開關進行控制，或通過對刀確定工進起始位置，鉆頭在進到此位置后轉換為工進，工進行程大小為起始位置到工件鉆透后的距離。鉆透后鉆頭快退，從而完成一個通孔的加工過程。由于針對不同鉆頭和不同厚度的工件，操作者必須經常輸入不同的數(shù)值，使操作煩瑣并容易出現(xiàn)因輸入值有誤而導致撞壞鉆頭或鉆不透的現(xiàn)象，同時存在一定的空行程損失。
中國《實用新型專利公報》第19卷、第43號公開了名稱是“自控行程鍋筒數(shù)控鉆床”的專利，專利號ZL02268044.6、公告號CN2581101Y。其目的是提供一種采用液壓控制的自控行程動力頭并應用于鍋筒數(shù)控鉆床。其構成是由鉆削動力頭及其沿鍋筒縱向移動的驅動裝置、鍋筒自轉驅動裝置、電控線路及液壓系統(tǒng)組成。鉆削動力頭由鉆削頭和液壓滑臺組成。鉆削頭由電機、減速箱、鉆頭組成。液壓滑臺由油缸、平臺、導軌、前導向套、后導向套、彈簧及調節(jié)螺栓組成。鉆頭的工進行程不事先設定，而由鉆頭與鍋筒接觸時阻力的變化自動控制，即鉆頭未接觸工件時為快進、接觸工件后自動變?yōu)楣みM、鉆透后又自動變?yōu)榭焱?。不足之處是加工效率偏低、維護成本高且只能鉆通孔。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有自控行程數(shù)控鉆削頭加工效率偏低、維護成本高、只能鉆通孔的不足，本實用新型提供一種自控行程數(shù)控鉆削動力頭，該鉆削動力頭不僅能自控進給行程，而且結構簡單、加工效率高、維護成本低，還可鉆沉孔。
本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是自控行程數(shù)控鉆削動力頭由動力頭部分、進給部分及控制部分組成。動力頭部分主要由電機、減速器、鉆頭組成。進給部分主要由運動導軌副、絲杠螺母副、伺服電機及其傳動件組成。控制部分主要由伺服驅動器、控制器及進給行程自控部分組成。該進給行程自控部分的進給方式為當鉆頭未接觸工件時為快進、接觸工件后自動變?yōu)楣みM、鉆孔鉆完后又自動變?yōu)榭焱?。伺服驅動器要采用有能監(jiān)視伺服驅動器輸出轉矩的轉矩監(jiān)視單元的，或稱驅動器要有轉矩監(jiān)視輸出端。進給行程自控部分由轉矩監(jiān)視單元、電壓檢測和轉換裝置兩部分組成。電壓檢測和轉換裝置的輸入端與伺服驅動器的轉矩監(jiān)視單元的輸出端、即轉矩監(jiān)視輸出端連接，電壓檢測和轉換裝置的輸出端與控制器的輸入端連接；它將轉矩監(jiān)視單元的輸出電壓、即轉矩監(jiān)視電壓，轉換為快進/工進轉換的有用輸入信號與工進/快退轉換的有用輸入信號輸入到控制器。
本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案還可以是自控進給行程的進給方式，在鉆沉孔時為當鉆頭未接觸工件時為快進、接觸工件后自動變?yōu)楣みM、鉆至控制器輸入的沉孔深度值時自動變?yōu)榭焱恕?br> 電壓檢測和轉換裝置的電路可采用兩電壓比較器構成，它們分兩路分別輸出快進/工進轉換的有用輸入信號、工進/快退轉換的有用輸入信號；也可采用模數(shù)轉換器構成，將轉矩監(jiān)視輸出電壓轉換為數(shù)字信號的有用輸入信號。
電壓檢測和轉換裝置的電路采用兩只集成電壓比較器構成。其中，一路電壓比較器的同相輸入端接伺服驅動器的轉矩監(jiān)視輸出端，由電阻和電位器組成的分壓電路跨接于電源正負極之間，設定高閾值信號電位的電位器調節(jié)端接電壓比較器的反相輸入端，組成快進/工進轉換的電壓檢測電路。光電耦合器輸入部分的LED和上拉電阻串聯(lián)、呈正向跨接于電源正負極之間，二者的連接點與電壓比較器的輸出端連接，光耦的輸出端接控制器輸入端，組成信號轉換電路。另一路電壓比較器及其外圍元件電阻、電位器、光耦組成工進/快退轉換的電壓檢測和信號轉換電路。除了電壓比較器的反相輸入端接轉矩監(jiān)視輸出端、其同相輸入端接設定低閾值信號電位的電位器調節(jié)端、光耦輸出端接控制器另一輸入端外，其電路與快進/工進轉換的電壓檢測和信號轉換電路相同。
電壓檢測和轉換裝置采用由模數(shù)轉換器構成的模數(shù)轉換模塊，模數(shù)轉換模塊的兩輸入端分別與伺服驅動器的轉矩監(jiān)視單元的兩輸出端連接，模數(shù)轉換模塊通過總線與控制器連接。
本實用新型的有益效果是鉆削動力頭的快進/工進轉換和工進/快退轉換，通過檢測伺服驅動器輸出的轉矩監(jiān)視電壓來完成，除了鉆沉孔需輸入深度值，無需事先輸入進給行程數(shù)據(jù)。采用這種進給行程自控方式不用直接檢測鉆頭所受軸向力大小，只需拾取伺服驅動器的轉矩監(jiān)視電壓，信號取樣簡單，簡化了結構。由于采用伺服控制方式，不但能鉆通孔還可以鉆沉孔，而且比液壓控制方式加工效率高、維護成本低，結構簡單，有利環(huán)保。


圖1本實用新型自控行程數(shù)控鉆削動力頭的機械結構示意圖總圖圖2本實用新型的伺服驅動控制部分的方框圖圖3采用模數(shù)轉換模塊的電壓檢測和轉換裝置的模塊接線圖圖4采用電壓比較器的電壓檢測和轉換裝置的電路原理圖圖中1-電機、2-減速器、3-鉆頭、4-工件、5-運動導軌副、6-絲杠螺母副、7-伺服電機、8-同步帶、9-電機電纜、10-編碼器電纜、11-伺服驅動器、12-轉矩監(jiān)視電壓信號線、13-電壓檢測和轉換裝置、14-有用輸入信號線、15-控制器、16-控制指令信號線、17-模數(shù)轉換模塊、18-控制基板、19-CPU具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
實施例1在圖1中，本實用新型自控行程數(shù)控鉆削動力頭主要由動力頭部分、進給部分和電控部分組成。動力頭部分主要由電機(1)、減速器(2)、鉆頭(3)組成。進給部分主要由運動導軌副(5)、絲杠螺母副(6)、同步帶(8)和伺服電機(7)組成。動力頭部分與運動導軌副(5)的可動部分聯(lián)為一體，絲杠螺母副(6)的絲杠與伺服電機(7)通過同步帶(8)傳動。伺服電機(7)與電控部分連接。
鉆頭(3)的切削動力由電機(1)通過減速器(2)提供。伺服電機(7)旋轉，經同步帶(8)和絲杠螺母副(6)傳動，使動力頭沿運動導軌副(5)的導軌作進給運動。伺服電機(7)的運轉由電控部分控制。鉆削動力頭的進給行程采用伺服驅動方式實現(xiàn)自動控制。
在圖2中，電控部分主要由伺服驅動器(11)、電壓檢測和轉換裝置(13)、控制器(15)組成。伺服電機(7)通過電機電纜(9)、編碼器電纜(10)分兩路與伺服驅動器(11)連接，伺服驅動器(11)的轉矩監(jiān)視輸出端經轉矩監(jiān)視電壓信號線(12)與電壓檢測和轉換裝置(13)連接，電壓檢測和轉換裝置(13)通過有用輸入信號線(14)與控制器(15)連接，控制器(15)通過控制指令信號線(16)與伺服驅動器(11)連接。其中，伺服驅動器(11)的轉矩監(jiān)視單元、電壓檢測和轉換裝置(13)為進給行程自控部分。該自控部分由控制器(15)、伺服驅動器(11)配合，實現(xiàn)進給行程的自控，即在鉆通孔時，當鉆頭未接觸工件時為快進、接觸工件后自動變?yōu)楣みM、鉆透后又自動變?yōu)榭焱?；在鉆沉孔時，當鉆頭未接觸工件時為快進、接觸工件后自動變?yōu)楣みM、鉆至輸入沉孔深度值時自動變?yōu)榭焱恕?br> 伺服驅動器(11)采用松下產品，型號為MHDA103A1A。伺服電機(7)采用松下產品，型號為MHMA102A1A，額定輸出功率為1.0KW，電機自帶旋轉編碼器。
在圖4中，電壓檢測和轉換裝置的電路主要由雙集成電壓比較器構成。本電路采用±24V雙電源供電，電源濾波電容(C1、C2)分別跨接于兩組電源正負極與0V端之間。電壓比較器(U1A)及其外圍電路構成快進/工進轉換的電壓檢測電路電壓比較器(U1A)的同相輸入端接伺服驅動器(11)的轉矩監(jiān)視輸出端(IM)，轉矩監(jiān)視輸出接地端(GND)接電源0V端；電阻(R1)、電阻(R3)和電位器(R2)組成分壓電路、跨接于電源的正負極之間，電位器(R2)的調節(jié)端接電壓比較器(U1A)的反相輸入端。光電耦合器(U2)和上拉電阻(R4)組成信號轉換電路光耦(U2)輸入部分的LED與上拉電阻(R4)串聯(lián)、呈正向跨接于電源正負極之間，二者的連接點與電壓比較器(U1A)的輸出端連接；光耦(U2)的輸出端接控制器(15)的有用輸入信號輸入端(X0)、輸入公共端(COM)。
電壓比較器(U1B)及其外圍元件電阻(R5)、電阻(R7)、電位器(R6)及光耦(U3)構成工進/快退轉換的電壓檢測和轉換電路。其電路結構與快進/工進轉換的電壓檢測電路基本相同；區(qū)別僅在于電壓比較器(U1B)反相輸入端接轉矩監(jiān)視輸出端(IM)、其同相輸入端接分壓電路的電位器(R6)調節(jié)端，光耦(U3)的輸出端接控制器(15)的另一有用輸入信號輸入端(X1)及輸入公共端(COM)。
電路原理電壓比較器(U1A)實現(xiàn)快進/工進轉換的電壓檢測，通過調節(jié)電位器(R2)來設定高閾值信號電位、加到電壓比較器(U1A)反相輸入端，伺服驅動器的轉矩監(jiān)視輸出端(IM)的轉矩監(jiān)視電壓，加到電壓比較器(U1A)同相輸入端進行比較，當轉矩監(jiān)視電壓高于高閾值信號電位時，電壓比較器(U1A)輸出高電平信號。電壓比較器(U1B)實現(xiàn)工進/快退轉換的電壓檢測，通過調節(jié)電位器(R6)來設定低閾值信號電位、加到電壓比較器(U1B)的同相輸入端，伺服驅動器的轉矩監(jiān)視輸出端(IM)的轉矩監(jiān)視電壓，加到電壓比較器(U1B)的反相輸入端進行比較，當轉矩監(jiān)視電壓低于低閾值信號電位時，電壓比較器(U1B)輸出高電平信號。光電耦合器(U2、U3)起轉換和隔離作用。兩光耦(U2、U3)組成的信號轉換電路在電壓比較器(U1A、U1B)輸出高電平信號時，向控制器(15)的兩開關量輸入端(X0、X1)分別輸出兩路信號快進/工進轉換的開關型有用輸入信號與工進/快退轉換的開關型有用輸入信號。
由于動力頭的實際安裝結構可能不同，伺服驅動器(11)輸出的轉矩監(jiān)視電壓可能隨動力頭正向運動時受到的阻力增大而增大，也可能隨動力頭正向運動時受到的阻力增大而減小。本例轉矩監(jiān)視電壓為-3V～+3V、隨動力頭正向運動時受到的阻力增大而增大，否則可在本電路輸入時顛倒轉矩監(jiān)視電壓的極性。適當設定各分壓電阻(R1～R3、R5～R7)的比例，使高閾值信號電位的可調范圍是0～+3V，低閾值信號電位的可調范圍是-3V～+1V。因每臺動力頭的安裝情況不同，高、低閾值信號電位，可根據(jù)伺服驅動器(11)在不同加工過程中輸出的實際工作轉矩，按照輸出轉矩與轉矩監(jiān)視電壓的比例關系，通過調試而確定。電阻(R1～R3、R5～R7)的阻值可在數(shù)KΩ～數(shù)百KΩ之間選擇；電阻(R4、R8)可選阻值5.1KΩ～24KΩ；兩光耦(U2、U3)可選TIL117、4N25等，兩電容(C1、C2)可選100～470μF/50V。
工作原理動力頭工作時，控制器(15)通過控制指令信號線(16)發(fā)出指令，控制伺服驅動器(11)經電機電纜(9)驅動伺服電機(7)旋轉，伺服電機(7)經同步帶(8)和絲杠螺母副(6)傳動，動力頭沿運動導軌副(5)作進給運動。動力頭前進位置，即伺服電機(7)旋轉角位移經編碼器電纜(10)反饋給伺服驅動器(11)。動力頭啟動后，電壓檢測和轉換裝置(13)一直檢測伺服驅動器(11)的轉矩監(jiān)視電壓，此電壓的大小與伺服電機(7)實時輸出轉矩成正比，電壓的極性反映輸出轉矩的方向。轉矩監(jiān)視電壓在電壓比較器電路中與高、低閾值信號電位進行比較。當鉆頭快進接觸到工件后，因快進受阻，伺服驅動器(11)的驅動轉矩必然增大，其轉矩監(jiān)視電壓也必然增大，此電壓與設定的高閾值信號電位進行比較，當前者大于后者，電壓比較器電路輸出高電平信號、即輸入控制器(15)的有用輸入信號，控制器(15)收到此信號后會發(fā)出控制指令信號、控制伺服驅動器(11)、經電機電纜(9)驅動伺服電機(7)以工進速度旋轉。工進過程中，轉矩監(jiān)視電壓一直與設定的低閾值信號電位進行比較，當前者小于后者，表明工件已鉆透，電壓比較器電路輸出高電平信號、即輸入控制器(15)的另一路有用輸入信號，控制器(15)收到此信號后會發(fā)出控制指令信號、控制伺服驅動器(11)經電機電纜(9)驅動伺服電機(7)以快退速度旋轉，完成一個通孔的加工過程。
本實用新型還可擴展應用于鉆沉孔。鉆沉孔時，控制器(15)只采用轉矩監(jiān)視電壓與高閾值信號電位比較的結果，控制快進/工進轉換。動力頭工進后，控制器(15)不檢測工件鉆透信號，而由操作者給控制器(15)輸入沉孔深度值，工進達到此深度值，控制器(15)控制動力頭快退，完成一個沉孔加工過程。
實施例2本例的自控行程數(shù)控鉆削動力頭，其電壓檢測和轉換裝置采用模數(shù)轉換模塊。其余均與實施例1相同。
在圖3中，電壓檢測和轉換裝置的模數(shù)轉換模塊(17)的輸入端(V+)接伺服驅動器(11)的轉矩監(jiān)視輸出端(IM)，其輸入端(V-)接轉矩監(jiān)視輸出接地端(GND)，轉矩監(jiān)視電壓信號線用屏蔽雙絞線，屏蔽線接至屏蔽端(SLD)。接地端(FG)接地，電流信號接入端(I+)和模擬信號電平地端(A.G)在此不接。模數(shù)轉換模塊(17)通過總線與控制器的控制基板(18)相連接，控制器的CPU(19)與各模塊通過控制基板(18)上的總線相連接。
模數(shù)轉換模塊(17)采用型號Q64AD，控制基板(18)采用型號Q38B，CPU(19)采用型號Q00，均為三菱產品。Q64AD是兩路模數(shù)轉換的模塊，本例只用一路，圖中只畫出一路的接線端子。Q38B最多可插八個功能模塊。Q00和Q64AD以及其它模塊都插到Q38B上，一起組成控制系統(tǒng)。Q00、即CPU(19)，與各模塊通過控制基板Q38B上的總線進行連接和數(shù)據(jù)交換。
本電路同樣能將伺服驅動器(11)的轉矩監(jiān)視電壓轉換為輸入控制器(15)的有用輸入信號。此時的有用輸入信號為數(shù)字信號，其大小與轉矩監(jiān)視電壓成正比，并反映極性。模數(shù)轉換模塊(17)接到控制器(15)上，進行數(shù)據(jù)自動通訊。
模數(shù)轉換模塊Q64AD設定的可輸入的模擬電壓范圍是-10V～+10V。經轉換后的有用輸入信號的數(shù)據(jù)范圍為-4000～+4000，與其輸入端的模擬電壓成正比關系。轉矩監(jiān)視電壓為-3V～+3V，且隨動力頭正向運動時受到的阻力的增大而增大，否則可在本電路輸入端顛倒轉矩監(jiān)視電壓的極性。本例假設用戶程序設定的高閾值數(shù)據(jù)和低閾值數(shù)據(jù)分別為400和40，對應模數(shù)轉換模塊(17)輸入端的轉矩監(jiān)視電壓分別為1V和0.1V。控制器(15)在執(zhí)行數(shù)控程序中，使有用輸入信號的數(shù)據(jù)始終同時與高閾值數(shù)據(jù)和低閾值數(shù)據(jù)進行比較。
高閾值數(shù)據(jù)和低閾值數(shù)據(jù)可通過人機界面設定。因每臺動力頭的安裝情況不同，可根據(jù)伺服驅動器(11)在不同加工過程中輸出的實際工作轉矩，按照輸出轉矩與轉矩監(jiān)視電壓的比例關系及有用輸入信號的數(shù)據(jù)與模數(shù)轉換模塊(17)輸入端的模擬電壓的比例關系，通過調試而確定。
模數(shù)轉換模塊一般由A/D芯片及其調理電路、存儲器、定時器、總線接口構成。模數(shù)轉換模塊也可用A/D芯片及相關集成塊、元件組裝的電路替代。
工作原理當動力頭快進時，如果模數(shù)轉換模塊(17)輸送給控制器(15)的有用輸入信號的數(shù)據(jù)大于高閾值數(shù)據(jù)，表明檢測到快進/工進轉換信號，再通過程序使控制器(15)發(fā)出控制指令信號，控制伺服驅動器(11)驅動伺服電機(7)使動力頭工進。當動力頭工進時，如果有用輸入信號的數(shù)據(jù)小于低閾值數(shù)據(jù)，表明檢測到工進/快退轉換信號，通過程序使控制器(15)發(fā)出控制指令信號，由伺服驅動器(11)、伺服電機(7)控制動力頭快退，完成一個通孔的加工過程。
鉆沉孔時，控制器(15)只采用轉矩監(jiān)視電壓轉換的有用輸入信號數(shù)據(jù)與高閾值數(shù)據(jù)比較的結果，控制快進/工進轉換；而不監(jiān)測工件鉆透的信號。工進行程由操作者給控制器(15)輸入沉孔深度值決定。
權利要求1.一種自控行程數(shù)控鉆削動力頭，包括動力頭部分、進給部分以及控制部分，動力頭部分包括電機(1)、減速器(2)、鉆頭(3)；進給部分包括運動導軌副(5)、絲杠螺母副(6)、伺服電機(7)及其傳動件；控制部分包括伺服驅動器、控制器(15)及進給行程自控部分；該自控部分是進給方式為當鉆頭未接觸工件時為快進、接觸工件后自動變?yōu)楣みM、鉆完后又自動變?yōu)榭焱说倪M給行程自控部分；其特征在于所說的伺服驅動器有能監(jiān)視伺服驅動器輸出轉矩的轉矩監(jiān)視單元，該轉矩監(jiān)視單元是進給行程自控部分的一組成部分；進給行程自控部分還包括將轉矩監(jiān)視單元的輸出電壓轉換為有用輸入信號、輸入控制器(15)的電壓檢測和轉換裝置(13)；電壓檢測和轉換裝置(13)的輸入端與伺服驅動器(12)的轉矩監(jiān)視單元輸出端相連接，其輸出端與控制器(15)的輸入端相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的自控行程數(shù)控鉆削動力頭，其特征在于所說的進給行程自控部分的進給方式為當鉆頭未接觸工件時為快進、接觸工件后自動變?yōu)楣みM、鉆至控制器(15)事先輸入的沉孔深度值時自動變?yōu)榭焱恕?br> 3.根據(jù)權利要求1所述的自控行程數(shù)控鉆削動力頭，其特征在于所說的電壓檢測和轉換裝置(13)的電路包括分別輸出快進/工進轉換有用輸入信號與工進/快退轉換有用輸入信號的兩電壓比較器。
4.根據(jù)權利要求1所述的自控行程數(shù)控鉆削動力頭，其特征在于所說的電壓檢測和轉換裝置(13)的電路包括輸出數(shù)字型有用輸入信號的模數(shù)轉換器。
5.根據(jù)權利要求3所述的自控行程數(shù)控鉆削動力頭，其特征在于所說的兩電壓比較器為集成電壓比較器，其中，電壓比較器(U1A)的同相輸入端接伺服驅動器的轉矩監(jiān)視輸出端(IM)，電阻(R1、R3)和電位器(R2)組成的分壓電路跨接于電源正負極之間，設定高閾值信號電位的電位器(R2)調節(jié)端接電壓比較器(U1A)反相輸入端，組成快進/工進轉換電壓檢測電路；光電耦合器(U2)輸入部分的LED和上拉電阻(R4)串聯(lián)、呈正向跨接于電源正負極之間，二者的連接點與電壓比較器(U1A)輸出端相連接，光耦(U2)輸出端接控制器(15)輸入端(X0、COM)，組成信號轉換電路；另一電壓比較器(U1B)及其外圍元件電阻(R5、R7)、電位器(R6)、光耦(U3)組成工進/快退轉換的電壓檢測和信號轉換電路；除了電壓比較器(U1B)的反相輸入端接轉矩監(jiān)視輸出端(IM)、其同相輸入端接設定低閾值信號電位的電位器(R6)調節(jié)端、光耦(U3)輸出端接控制器(15)另一輸入端(X1)以外，其余與電壓比較器(U1A)的電路相同。
6.根據(jù)權利要求4所述的自控行程數(shù)控鉆削動力頭，其特征在于所說的包括模數(shù)轉換器的電壓檢測和轉換裝置(13)為模數(shù)轉換模塊(17)，其兩輸入端(V+、V-)分別與伺服驅動器的轉矩監(jiān)視單元的兩輸出端(IM、GND)相連接；模數(shù)轉換模塊(17)通過總線與控制器(15)相連接。
專利摘要一種數(shù)控鉆床用的自控行程數(shù)控鉆削動力頭，由動力頭的電機、減速器、鉆頭，與進給部分的運動導軌副、絲杠螺母副、伺服電機、傳動件及控制部分的伺服驅動器、控制器、進給行程自控部分組成。進給行程自控部分包括伺服驅動器的監(jiān)視輸出轉矩的轉矩監(jiān)視單元、電壓檢測和轉換裝置；該自控部分通過檢測伺服驅動器的轉矩監(jiān)視電壓，經信號轉換，通過控制器、伺服驅動器，以伺服驅動方式實現(xiàn)數(shù)控鉆削動力頭自控進給行程，即進給方式為當鉆頭接觸工件時為快進、接觸工件后自動變?yōu)楣みM、鉆透或鉆至沉孔深度時自動變?yōu)榭焱?。該自控方式，除沉孔深度值外無需輸入進給行程數(shù)據(jù)；不但能鉆通孔還可以鉆沉孔，而且加工效率高、維護成本低、結構簡單，有利環(huán)保。
文檔編號B23B47/00GK2677064SQ20042003788
公開日2005年2月9日 申請日期2004年1月12日 優(yōu)先權日2004年1月12日
發(fā)明者封學平, 黃玉新 申請人:山東法因數(shù)控機械有限公司