摘要:将两套二轴数控系统并联，通过对系统脉冲频率的调整，来控制两套系统每段程序的运行时间，使两套系统对应的程序段能同时起动、同步运行又同时结束，以此实现两套系统的4轴联动，完成螺旋喷头的加工。

图1 螺旋喷头
图2 放射状喷雾

1 前言

目前，国内的炼油分离冷却设备、烟囱除尘设备中使用的老式喷头，由于易堵塞且价格贵而逐渐被一种结构简单，不会堵塞的新型螺旋喷头(参见图1)取代。但由于新型螺旋喷头的螺旋槽加工工艺要求高，所以基本采用进口的成品，价格偏高。经过多方论证、合理设计及反复试验，终于在现有设备的基础上，成功地用两套二轴系统并联，设计制造了一套4联动加工形式的喷头螺旋槽加工专用机床，大大降低了成本。

2 螺旋喷头的结构分析及加工过程分析

螺旋喷头整体成宝塔型，在其中心有一锥孔，直通喷头的小端部，水流从底部孔进入，沿螺旋槽放射状喷出，形成半球状水雾(参见图2)，以起到气体冷却与除尘的作用。

进刀时状态
退刀时状态图3 加工过程示意图

这样的零件，即使使用常见的配备了FANUC 0-MC系统或SIEMENS 840系统的数控铣床都无法加工。因为铣刀从喷头的小端部开始加工，一般取铣刀轴线与喷头轴线的夹角为60°，加工过程中必须完成以下复合运动:①喷头必须绕其轴线转动(设为X₁轴)：②喷头还必须沿其轴向移动(设为Y₁轴)，以完成普通螺旋槽的加工：③喷头轴线与铣刀轴线的夹角必须逐渐减小(设为X₂轴)，以实现喷射角度的变化，如图2 所示：④喷头与铣刀应有相对移动(设为Y₂轴)，以控制槽的宽度，保证水雾的均匀。这4轴必须同时进行以上运动才能完成喷头螺旋槽的加工(参见图3)，最后喷头工件沿Y₂向退出。为此试用国内经济性好、且较稳定的二轴系统并联，来完成4联动加工，具有很强的实用意义。

3 方案设计及自制部件设计

方案设计

1.转接头 2.齿轮减速机构 3.转动部分步进电动机
4.进给部分步进电动机 5.滑块移动机构
图4 自制机构示意图
由于工件相对轻小(全长52mm，螺旋槽加工部分长仅34mm)，考虑到单位的实际情况，用闲置的一台X8126万能工具铣，采用卧铣方式，在其工作台上配TS320A型回转工作台，又在回转工作台上安装一套自制的转动及进给机构：为保证整体刚性，在设计时尽量降低自制部件的高度(参见图4)。用一套二轴系统控制自制机构的转动(即X₁轴)和进给(即Y₁轴)，用另一套二轴系统控制回转工作台的转动(即X₂轴)和铣床工作台的横向进给(即Y₂轴)，并将两套系统(选用南京南微数控的JWK-15T二轴车床系统)并联(配4个110BC380C 步进电动机)以完成4 联动加工。即两套系统通过电路联接，使它们同时启动，并通过系统脉冲频率的调整，来控制两套系统每段程序的运行时间，使两套系统对应的程序段能同时起动、同步运行、又同时结束。
自制转动部分设计
转动部分(X₁轴)由步进电动机通过齿轮减速，增加扭矩，来克服盘形铣刀(高速钢)切削喷头(材料为不锈钢或铜)时产生的主切削力矩。
自制部分转动扭矩分析
转动部件选用的110BC380C步进电动机的最大力矩为9.8N·m，步距角为0.75°(每接收一个脉冲，步进电动机轴转动0.75°)。为了提高自制部分转动的最大扭矩以满足大于切削力矩的要求，我们采用自制齿轮减速机构。为确保输出端转接头实际转动角度与系统的显示及编程相匹配，取自制转动部分脉冲当量Q=0.1°/脉冲。由 Q=q×I(3)式中：q——步距角
I——传动比
得出:I=2:15。即自制转动部分齿轮减速机构的减速比为15:2，则自制部件转动输出的最大扭矩为73.5N·m。
根据以上自制部分输出的最大扭矩计算结果，可以看出其足以满足大于切削力矩的要求。同时，事实也证明上述减速机构设计的可行性。

自制进给部分设计

进给部件仍选用转动部件相同型号的步进电动机，取自制进给部分脉冲当量q=0.01mm/脉冲，齿轮减速比为5 : 4，因螺旋喷头的精度不太高，为降低成本，采用螺距为6mm 的普通丝杠螺母副。

4 结束语

进给机构普通丝杠螺母副的摩擦损耗相对较大，为避免进给时出现爬行现象，我们在编程时不再使用快速点定位指令“G00”。特别是铣床工作台的横向进给Y₂轴，其运行时负载最大，极易出现失步现象，因此它的快进、快退程序指令只能用“G01”，进给速度取“F500”以确保运动平稳。该装置已在宁波高桥喷嘴厂使用了一年多，工作情况良好，系统的稳定性令人满意。现已开发了近20 种规格的螺旋喷头，喷雾水流量从每分钟几十升到几百升，产品已销往全国各地，性能达到甚至超过进口产品。这一试验的成功，充分说明了二轴系统并联实现多轴加工的可行性。对于精度要求不高，而工艺过程极为复杂的零件加工更为有效，可节省设备开支，达到事半功倍的效果。

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