專利名稱：在數(shù)控機(jī)床上加工石英玻璃管件的方法和控制模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械加工領(lǐng)域，特別地涉及一種在數(shù)控機(jī)床上加工石英玻璃管件的技 術(shù)。
背景技術(shù)：
石英玻璃制品的加工，經(jīng)常需要把一種形狀和尺寸的管件改變?yōu)榱硪环N形狀和尺 寸的管件，這一過程叫作管件的變徑。管件按其截面形狀不同可分為圓形管和異形管兩類。圓形管的任一截面都是兩個 同心圓，可以用直徑D和壁厚H或外半徑Y(jié)和內(nèi)半徑Y(jié)1兩個參數(shù)來表示，如

圖1所示。如果圓形管的外徑和壁厚不隨截面的位置的不同而變化，則稱其為圓形直管；如 果外徑或壁厚之一隨截面位置呈線性變化，則稱其為圓形錐管；如果這種變化是非線性的， 則稱其為圓形弧管。圓形錐管有等壁厚和變壁厚之分，如圖2A-圖2D所示。其中圖2A為等壁厚錐管， 圖2B、圖2C和圖2D為變壁厚錐管。圓形弧管的內(nèi)、外半徑隨截面的位置呈曲線形狀變化，最常見的曲線是圓弧，但也 可能是一般二次曲線或其他函數(shù)曲線。所以一般說來圓形弧管的半徑和壁厚都是隨截面位 置變化的量?！粚?shí)際的管件有可能是由一種或幾種上述形狀的管段首尾銜接而成，如圖1所 示。加工這樣的管件需要根據(jù)管件不同段落的形狀和尺寸逐段依次進(jìn)行。異形管的截面形狀較圓形管復(fù)雜，很難用固定的參數(shù)來描述。常見的異形管有橢 圓、圓弧、直線及它們的組合圖形。如圖3A-圖3E所示，異形直管截面的形狀和尺寸均保持 不變，而且要求管壁的法向厚度處處相同。把一段已知形狀和尺寸的管件裝夾于機(jī)床的頭架中，其一端用耐熱橡膠塞封堵， 橡膠塞開有小孔，可通入一定壓力的氣體。機(jī)床尾架夾持一段同材質(zhì)的管，俗稱底把，其一 端是密閉的，另一端與所述已知管件熔焊在一起，形成一個密閉腔體。開動機(jī)床使頭架、尾 架同步旋轉(zhuǎn)，帶動管件繞定軸轉(zhuǎn)動。用火焰或其他熱源將管件局部加熱，形成一段寬度不大 的環(huán)形高溫區(qū)使管材軟化?？刂乒軆?nèi)氣體壓力，可使環(huán)形軟化區(qū)域的直徑膨脹或收縮并與 刀具相接觸。刀具內(nèi)有冷卻水通過，使變過形的材料溫度迅速降至軟化點(diǎn)以下，避免再次變 形。這樣當(dāng)連續(xù)移動刀具及加熱區(qū)位置時便可得到一段另一種形狀和尺寸的管件。通常把 上述已知管件稱作母管，將獲得的另一種形狀和尺寸的管件稱作子管。這一變徑過程可在 玻璃車床上進(jìn)行。圖4所示為母管和子管均為圓形直管時的變徑過程。其中，刀具右側(cè)為 已經(jīng)變徑的子管，左側(cè)尚待變徑仍為母管。被加熱的高溫環(huán)形區(qū)位于刀具運(yùn)動的前方，在此 圖中為刀具的左側(cè)。目前石英玻璃制品的主要生產(chǎn)廠家所采用的管件變徑工藝多是針對母管和子管 均為圓形直管的管件的，而且機(jī)床各軸運(yùn)動的控制也多是由人工簡單操作實(shí)現(xiàn)的，因此加 工效率和質(zhì)量在很大程度上受到了制約。尤其是對于非直形圓管和異形管件的變徑加工則更是現(xiàn)有技術(shù)所沒有或無法完成的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種在數(shù)控機(jī)床上加工石英玻璃管件的方法和數(shù)控機(jī) 床的控制模塊，以提高管件變徑加工的質(zhì)量和效率。為解決上述問題，本發(fā)明提供如下的技術(shù)方案第一種在數(shù)控機(jī)床上加工圓形石英玻璃管件的控制方法，用于將母管加工為子 管，母管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足Y = F(X),內(nèi)壁輪 廓曲線滿足Y1 = F1 (X)，子管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿 足y = f(x)，內(nèi)壁輪廓曲線滿足I1 = fjx)，將管件夾持在機(jī)床的頭架和尾架之間，頭架和 尾架同步繞管件軸線旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域使該區(qū)域管件與刀具 接觸位置的外徑改變，在加工過程中，固定頭架位置，在刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū) 域的同時，驅(qū)動尾架和刀具運(yùn)動，其中當(dāng)?shù)毒哐毓芗S向接近頭架運(yùn)動，刀具沿管件徑向的運(yùn)動以遠(yuǎn)離軸線的方向?yàn)檎?向，尾架沿管件軸向運(yùn)動并以遠(yuǎn)離頭架的方向?yàn)檎?，其中尾架的速度Vw=V，其中V表示刀具端部與子管外壁相切點(diǎn)P的軸向
權(quán)利要求
1.一種在數(shù)控機(jī)床上加工圓形石英玻璃管件的控制方法，用于將母管加工為子管，母 管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足Y = F(X)，內(nèi)壁輪廓曲 線滿足Y1 = F1(X),子管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足y =f(x)，內(nèi)壁輪廓曲線滿足Y1 = fjx)，將管件夾持在機(jī)床的頭架和尾架之間，頭架和尾架 同步繞管件軸線旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域使該區(qū)域管件與刀具接觸 位置的外徑改變，在加工過程中，固定頭架位置，在刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域的 同時，驅(qū)動尾架和刀具運(yùn)動，其中當(dāng)?shù)毒哐毓芗S向接近頭架運(yùn)動，刀具沿管件徑向的運(yùn)動以遠(yuǎn)離軸線的方向?yàn)檎颍?尾架沿管件軸向運(yùn)動并以遠(yuǎn)離頭架的方向?yàn)檎?，其中尾架的速度Vw= KzK-1 7，其中V表示刀具端部與子管外壁相切點(diǎn)P的軸向位移速度，Y和Y1分別表示母管外廓曲線函數(shù)和內(nèi)廓曲線函數(shù)在所述P點(diǎn)處的函數(shù)值；y和yi分 別表示子管外廓曲線函數(shù)和內(nèi)廓曲線函數(shù)在所述P點(diǎn)處的函數(shù)值；刀具沿管件徑向的運(yùn)動速度Vy根據(jù)Vy確定，所述Vy SP點(diǎn)的徑向位移速度，ν,，k為子管外廓函數(shù)曲線上P點(diǎn)的切線的斜率。
2.如權(quán)利要求ι所述的控制方法，其特征在于，當(dāng)所述子管為圓形直管時，所述Vy等于(Y2-Y2 \零，所述.、,= ~ ； -1 其中Vd為刀具沿管件軸向接近頭架的運(yùn)動速度，d和h分 w yh{d-h) J別表示子管的外徑和壁厚。
3.如權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，當(dāng)所述母管為圓形直管時，所述V A^-1Tr-AvD ,其中=D和H分別表示母管的外徑和壁厚。 w I n(d-h) J
4.一種控制數(shù)控機(jī)床加工圓形石英玻璃管件的控制模塊，所述數(shù)控機(jī)床用于將母管加 工為子管，母管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足Y = F(X), 內(nèi)壁輪廓曲線滿足Y1 = F1(X),子管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓 曲線滿足y = f(x)，內(nèi)壁輪廓曲線滿足Y1 = fjx)，將管件夾持在機(jī)床的頭架和尾架之間， 頭架和尾架同步繞管件軸線旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域使該區(qū)域管件 與刀具接觸位置的外徑改變，在加工過程中，固定頭架位置，在刀具施力于管件受熱軟化的 環(huán)形區(qū)域的同時，驅(qū)動尾架和刀具運(yùn)動，當(dāng)?shù)毒哐毓芗S向接近頭架運(yùn)動，刀具沿管件徑向 的運(yùn)動以遠(yuǎn)離軸線的方向?yàn)檎?，尾架沿管件軸向運(yùn)動并以遠(yuǎn)離頭架的方向?yàn)檎驎r，所 述控制模塊包括用于控制尾架的速度Vw= ^fK'1廠的單元，其中V表示刀具端部與子管外壁相切點(diǎn)P的軸向位移速度，Y和Y1分別表示母管外廓曲線函數(shù)和內(nèi)廓曲線函數(shù)在所述P點(diǎn)處的 函數(shù)值；y和Y1分別表示子管外廓曲線函數(shù)和內(nèi)廓曲線函數(shù)在所述P點(diǎn)處的函數(shù)值；用于控制刀具沿管件徑向的運(yùn)動速度Vy的單元，所述Vy根據(jù)Vy確定，所述Vy為P點(diǎn)的徑向位移速度，ν, =^\kV，k為子管外廓函數(shù)曲線上P點(diǎn)的切線的斜率。y -yi
5. 一種在數(shù)控機(jī)床上加工圓形石英玻璃管件的控制方法，用于將母管加工為子管，母 管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足Y = F(X)，內(nèi)壁輪廓曲 線滿足Y1 = F1(X),子管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足y =f(x)，內(nèi)壁輪廓曲線滿足Y1 = fjx)，將管件夾持在機(jī)床的頭架和尾架之間，頭架和尾架 同步繞管件軸線旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域使該區(qū)域管件與刀具接觸 位置的外徑改變，在加工過程中，固定頭架位置，在刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域的 同時，驅(qū)動尾架和刀具運(yùn)動，其中當(dāng)?shù)毒哐毓芗S向遠(yuǎn)離頭架運(yùn)動，刀具沿管件徑向的運(yùn)動以遠(yuǎn)離軸線的方向?yàn)檎颍?尾架沿管件軸向運(yùn)動并以遠(yuǎn)離頭架的方向?yàn)檎?，其中r 尾架的速度K=/-J121- 2 2V其中V表示刀具端部與子管外壁相切點(diǎn)P的軸向位移速度，Y和Y1分別表示母管外廓曲線函數(shù)和內(nèi)廓曲線函數(shù)在所述P點(diǎn)處的函數(shù)值；y和yi分 別表示子管外廓曲線函數(shù)和內(nèi)廓曲線函數(shù)在所述P點(diǎn)處的函數(shù)值；刀具沿管件徑向的運(yùn)動速度Vy根據(jù)Vy確定，所述Vy為P點(diǎn)的徑向位移速度，Vy = _kV。
6.如權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，當(dāng)所述子管為圓形直管時，所述\等于零，所述~ =h、d-K)、Y2-Y2 . 1 1IVD，其中VD為刀具沿管件軸向遠(yuǎn)離頭架的運(yùn)動速度，d和h分別表示子管的外徑和壁厚。
7.如權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，當(dāng)所述母管為圓形直管時，所述 Vd，其中D和H分別表示母管的外徑和壁厚tH{D-H)
8. —種控制數(shù)控機(jī)床加工圓形石英玻璃管件的控制模塊，所述數(shù)控機(jī)床用于將母管加 工為子管，母管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足Y = F(X), 內(nèi)壁輪廓曲線滿足Y1 = F1(X),子管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓 曲線滿足y = f(x)，內(nèi)壁輪廓曲線滿足Y1 = fjx)，將管件夾持在機(jī)床的頭架和尾架之間， 頭架和尾架同步繞管件軸線旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域使該區(qū)域管件 與刀具接觸位置的外徑改變，在加工過程中，固定頭架位置，在刀具施力于管件受熱軟化的 環(huán)形區(qū)域的同時，驅(qū)動尾架和刀具運(yùn)動，當(dāng)?shù)毒哐毓芗S向遠(yuǎn)離頭架運(yùn)動，刀具沿管件徑向 的運(yùn)動以遠(yuǎn)離軸線的方向?yàn)檎?，尾架沿管件軸向運(yùn)動并以遠(yuǎn)離頭架的方向?yàn)檎驎r，所 述控制模塊包括？ Λ用于控制尾架的速度K=ν盧兄F的單元，其中V表示刀具端部與子管外壁相切點(diǎn)P的軸向位移速度，Y和Y1分別表示母管外廓曲線函數(shù)和內(nèi)廓曲線函數(shù)在所述P點(diǎn)處的函 數(shù)值；y和Y1分別表示子管外廓曲線函數(shù)和內(nèi)廓曲線函數(shù)在所述P點(diǎn)處的函數(shù)值；用于控制刀具沿管件徑向的運(yùn)動速度Vy的單元，Vy根據(jù)Vy確定，所述Vy為P點(diǎn)的徑向 位移速度，Vv = -kv，k為子管外廓函數(shù)曲線上P點(diǎn)的切線的斜率。
9. 一種在數(shù)控機(jī)床上加工圓形石英玻璃管件的控制方法，用于將母管加工為子管，母 管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足Y = F(X)，內(nèi)壁輪廓曲 線滿足Y1 = F1(X),子管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足y =f(x)，內(nèi)壁輪廓曲線滿足Y1 = fjx)，將管件夾持在機(jī)床的頭架和尾架之間，頭架和尾架 同步繞管件軸線旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域使該區(qū)域管件與刀具接觸 位置的外徑改變，在加工過程中，固定刀具軸向位置，在刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū) 域的同時，驅(qū)動頭架和尾架運(yùn)動，其中當(dāng)頭架沿管件軸向遠(yuǎn)離刀具運(yùn)動，尾架與頭架同向運(yùn)動，刀具沿管件徑向的運(yùn)動以遠(yuǎn) 離軸線的方向?yàn)檎?，其中尾架的速?br> 10.如權(quán)利要求9所述的控制方法，其特征在于，當(dāng)所述子管為圓形直管時，所述Vy等于零，所述
11.如權(quán)利要求10所述的控制方法，其特征在于，當(dāng)所述母管為圓形直管時，所述
12.—種控制數(shù)控機(jī)床上加工圓形石英玻璃管件的控制模塊，所述數(shù)控機(jī)床用于將母 管加工為子管，母管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足Y = F(X)，內(nèi)壁輪廓曲線滿足Y1 = F1(X),子管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外 壁輪廓曲線滿足y = f(x)，內(nèi)壁輪廓曲線滿足Y1 = fjx)，將管件夾持在機(jī)床的頭架和尾 架之間，頭架和尾架同步繞管件軸線旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域使該 區(qū)域管件與刀具接觸位置的外徑改變，在加工過程中，固定刀具軸向位置，在刀具施力于管 件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域的同時，驅(qū)動頭架和尾架運(yùn)動，當(dāng)頭架沿管件軸向遠(yuǎn)離刀具運(yùn)動，尾 架與頭架同向運(yùn)動，刀具沿管件徑向的運(yùn)動以遠(yuǎn)離軸線的方向?yàn)檎驎r，所述控制模塊包 括用于控制尾架的速度
13. 一種在數(shù)控機(jī)床上加工圓形石英玻璃管件的控制方法，用于將母管加工為子管，母管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足Y = F(X)，內(nèi)壁輪廓曲 線滿足Y1 = F1(X),子管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足y =f(x)，內(nèi)壁輪廓曲線滿足Y1 = fjx)，將管件夾持在機(jī)床的頭架和尾架之間，頭架和尾架 同步繞管件軸線旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域使該區(qū)域管件與刀具接觸 位置的外徑改變，在加工過程中，固定刀具軸向位置，在刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū) 域的同時，驅(qū)動頭架和尾架運(yùn)動，其中當(dāng)頭架沿管件軸向接近刀具運(yùn)動，尾架與頭架同向運(yùn)動，刀具沿管件徑向的運(yùn)動以遠(yuǎn) 離軸線的方向?yàn)檎?，其中尾架的速?br> 14.如權(quán)利要求13所述的控制方法，其特征在于，當(dāng)所述子管為圓形直管時，所述Vy等于零，所述& =T7r\Vt，其中Vt為頭架沿管件軸向接近刀具的運(yùn)動速度，d和h分別表 h(d — h)示子管的外徑和壁厚。
15.如權(quán)利要求14所述的控制方法，其特征在于，當(dāng)所述母管為圓形直管時，所述
16.一種控制數(shù)控機(jī)床上加工圓形石英玻璃管件的控制模塊，所述數(shù)控機(jī)床用于將母 管加工為子管，母管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外壁輪廓曲線滿足Y = F(X)，內(nèi)壁輪廓曲線滿足Y1 = F1(X),子管在以軸線為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)平面上的投影中，外 壁輪廓曲線滿足y = f(x)，內(nèi)壁輪廓曲線滿足
17.一種在數(shù)控機(jī)床上加工石英玻璃管件的控制方法，用于將母管加工為子管，母管為 圓形直管，子管為異形直管，母管和子管的橫截面積相等，并且母管的壁厚等于子管的法向 壁厚，將管件夾持在機(jī)床的頭架和尾架之間，頭架和尾架同步繞管件軸線旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動刀具施 力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域使該區(qū)域管件與刀具接觸位置的截面形狀發(fā)生改變，其特征 在于在加工過程中，保持頭架和尾架軸向相對靜止；刀具的徑向速度根據(jù)刀具與管件外壁相切點(diǎn)P的徑向位移速度Vy確定， v,=t = /'( t)，其中P為切點(diǎn)P到轉(zhuǎn)動軸心的距離，f' ( t)表示函數(shù)P =f(cn)的Ot導(dǎo)函數(shù)，ω為管件旋轉(zhuǎn)的角速度，t表示頭架、尾架和刀具徑向聯(lián)動的時間。
18.—種控制數(shù)控機(jī)床上加工石英玻璃管件的控制模塊，用于控制數(shù)控機(jī)床將母管加 工為子管，母管為圓形直管，子管為異形直管，母管和子管的橫截面積相等，并且母管的壁 厚等于子管的法向壁厚，將管件夾持在機(jī)床的頭架和尾架之間，頭架和尾架同步繞管件軸 線旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動刀具施力于管件受熱軟化的環(huán)形區(qū)域使該區(qū)域管件與刀具接觸位置的截面形 狀發(fā)生改變，所述控制模塊包括用于在加工過程中，保持頭架和尾架軸向相對靜止的單元；用于控制刀具的徑向速度Vy的單元，所述Vy根據(jù)刀具與管件外壁相切點(diǎn)P的徑向位移 速度Vy確定，=其中P為切點(diǎn)P到轉(zhuǎn)動軸心的距離，f' ( t)表示函數(shù)P =f("t)的導(dǎo)函數(shù)，ω為管件旋轉(zhuǎn)的角速度，t表示頭架、尾架和刀具徑向聯(lián)動的時間。
全文摘要
本發(fā)明涉及機(jī)械加工領(lǐng)域，提供一種在數(shù)控機(jī)床上加工石英玻璃管件的方法和控制模塊，以提高管件變徑加工的質(zhì)量和效率，根據(jù)管件材料在變徑加工中所遵循的變形規(guī)律，計算出機(jī)床設(shè)備各運(yùn)動軸之間的位置或速度關(guān)系，并采用數(shù)控技術(shù)成果對設(shè)備各運(yùn)動軸進(jìn)行聯(lián)動控制，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜截形管件變徑的自動加工。它不僅解決了現(xiàn)有技術(shù)中由人工操作加工圓形直管反映出來的低效率和低質(zhì)量問題，同時還解決了圓形錐管、圓形弧管以及異形截面管變徑加工中人工操作所無法實(shí)現(xiàn)的工藝難題。此外，本發(fā)明也為專門用于管件變徑加工的數(shù)控設(shè)備的研發(fā)與改進(jìn)提供了理論依據(jù)。
文檔編號B23B1/00GK102059348SQ200910237880
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者孫麗麗, 張曉風(fēng), 張錦, 王明 申請人:久智光電子材料科技有限公司, 北大方正集團(tuán)有限公司