0 前 言

隨著我國(guó)汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車變速箱用齒輪的需求量也隨之大幅增加，故對(duì)應(yīng)加工該類零件內(nèi)孔、端面及外圓的機(jī)床需求量也大幅增加。我國(guó)現(xiàn)有加工該類機(jī)床的加工精度及效率與歐、美、日本相比還存在著一定的差距。針對(duì)國(guó)內(nèi)該類汽車變速箱用齒輪的尺寸規(guī)格和需求量，應(yīng)對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的市場(chǎng)需求，面向高精度、高效率零件加工的磨削加工要求，研制開發(fā)了MK2110型數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床。MK2110型可實(shí)現(xiàn)被加工工件的內(nèi)孔、端面、外圓的同時(shí)加工，配備有自動(dòng)測(cè)量?jī)x和消空程防碰撞裝置，配有齒輪零件專用夾具，并可配置工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)線中的無(wú)人操作要求，大大提高生產(chǎn)效率。

1 MK2110型數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床介紹

MK2110型數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床（如圖1所示）基于FANUC系統(tǒng)開發(fā)，數(shù)控四軸控制；工件采用專用彈性薄膜夾具裝夾；機(jī)床配置兩個(gè)磨頭，床身上分別安裝有能夠沿床身縱向及橫向進(jìn)給的十字拖板，端面外圓磨頭和內(nèi)圓磨頭分別安裝在兩個(gè)十字拖板之上，通過(guò)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)兩個(gè)磨頭的進(jìn)給。十字拖板安裝在床身的中間偏后及右端，保證兩個(gè)磨頭在同時(shí)進(jìn)給時(shí)不會(huì)發(fā)生干涉，滿足工件一次裝夾同時(shí)對(duì)內(nèi)圓、外圓及端面進(jìn)行磨削加工，完成自動(dòng)循環(huán)磨削；機(jī)床并具有砂輪自動(dòng)進(jìn)給，粗、精、無(wú)火花磨削、工件無(wú)級(jí)調(diào)速、自動(dòng)修整砂輪、自動(dòng)測(cè)量工件等多種功能。

機(jī)床頭架底座安裝在床身之上，頭架安裝于頭架底座上。測(cè)量機(jī)構(gòu)安裝在頭架前方，通過(guò)氣缸的翻轉(zhuǎn)控制，可以方便有效地進(jìn)行工件的測(cè)量。

端面外圓砂輪修整器安裝在測(cè)量機(jī)構(gòu)的側(cè)面，內(nèi)圓砂輪修整器則安裝在頭架底座處向外突出的一個(gè)支架上，該結(jié)構(gòu)能夠保證端面外圓砂輪及內(nèi)圓砂輪可以同時(shí)進(jìn)行修整，提高砂輪修整效率。

由于以上特點(diǎn)，能夠集合零件多工序、多工步同時(shí)加工，大大地提高了零件的加工效率。

圖1 MK2110型數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床

1.1 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)和工作精度

表1 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)和工作精度

1.2 機(jī)床控制系統(tǒng)

MK2110型數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床電氣系統(tǒng)采用日本FANUC 0i-TD系統(tǒng)，系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)。主CPU板上除了主CPU及外圍電路外，還集成了FROMaLSRAM模塊、儲(chǔ)存器和主軸模塊、伺服模塊等。系統(tǒng)具有HRV（高速矢量響應(yīng)）功能，理論上可使輪廓加工誤差減小一半。系統(tǒng)內(nèi)裝PLC，10.4英寸LCD液晶彩色中文顯示，配有電子手輪、RS232接口，RS232接口通訊波特率達(dá)19 200 b/s，可以通過(guò)HSSB（高速串行總線）與PC相連，使用儲(chǔ)存卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出。良好的中文人機(jī)界面，顯示各數(shù)控軸的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)工件各工序的磨削控制及砂輪修整控制。

控制系統(tǒng)具有自診斷功能，可自診斷機(jī)床故障并通過(guò)顯示器顯示各種故障報(bào)警和輸入、輸出狀態(tài)，便于調(diào)試和維修。系統(tǒng)還可使機(jī)床在快速移動(dòng)或進(jìn)給移動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)不同的間隙補(bǔ)償及參數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償。機(jī)床在快速定位和切削進(jìn)給等不同工作狀態(tài)下，反向間隙補(bǔ)償效果更為理想，有利于提高零件加工精度。

機(jī)床配備MARPOSS-E20N消空程裝置，采用超聲波技術(shù)探測(cè)磨削時(shí)產(chǎn)生的微小聲音變化，在砂輪接觸到工件或砂輪修整器時(shí)會(huì)提供非常精確的反饋信號(hào)給機(jī)床控制系統(tǒng)。消空程裝置對(duì)于防止碰撞和探測(cè)機(jī)床和砂輪間的異常情況、砂輪破損和砂輪修整器故障均是非常有效的。該超聲波傳感器安裝在機(jī)床上，以縮短加工循環(huán)周期，提高加工效率，降低費(fèi)用。

機(jī)床采用數(shù)控四軸控制，數(shù)控軸數(shù)包括：

內(nèi)圓磨頭橫向進(jìn)給X1軸

內(nèi)圓磨頭縱向進(jìn)給Z1軸

端面外圓磨頭橫向進(jìn)給X2軸

端面外圓磨頭縱向進(jìn)給Z2軸

內(nèi)圓磨頭縱向進(jìn)給軸Z1和橫向進(jìn)給軸X1，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)圓砂輪在工件加工時(shí)的磨削進(jìn)給控制；端面外圓磨頭縱向進(jìn)給軸Z2和橫向進(jìn)給軸X2，可實(shí)現(xiàn)端面外圓砂輪在工件加工時(shí)的磨削進(jìn)給控制。數(shù)控四軸進(jìn)給伺服電機(jī)均采用FANUC αiF系列電機(jī)，數(shù)控四軸分別由伺服電機(jī)的編碼器形成半閉環(huán)控制。

機(jī)床還具有多種安全保護(hù)功能，如供氣系統(tǒng)的壓力保護(hù)、電機(jī)的過(guò)載保護(hù)、十字拖板的超程保護(hù)、電源開關(guān)開門斷電保護(hù)等電氣保護(hù)及安全連鎖功能。

1.3 機(jī)床主要部件結(jié)構(gòu)

1.3.1 床身

機(jī)床床身采用整體式結(jié)構(gòu)（見圖2），采用高強(qiáng)度低合金孕育鑄鐵，內(nèi)部筋板呈蜂窩狀布置，較之箱型結(jié)構(gòu)具有更好的剛度、強(qiáng)度以及更小的變形量。經(jīng)過(guò)二次時(shí)效處理，保證機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度及低變形。滿足機(jī)床高效、復(fù)合、高精度的磨削要求。

圖2 床身平面布置

1.3.2 內(nèi)圓磨頭

內(nèi)圓磨頭主軸前、后兩端均采用高精度滾動(dòng)球軸承支承，通過(guò)交流變頻器實(shí)現(xiàn)內(nèi)圓砂輪的無(wú)級(jí)調(diào)速。內(nèi)圓磨頭與磨桿連接采用HSK標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)結(jié)方式，即磨桿的端面和短錐同時(shí)與內(nèi)圓磨頭主軸的端面和內(nèi)錐接觸，磨桿短錐為1：9.98錐度，內(nèi)圓磨頭主軸內(nèi)錐為1：10錐度，以保證磨桿的連接剛度，提高被加工工件的加工精度。

圖3 內(nèi)圓磨頭結(jié)構(gòu)

1.3.3 端面外圓磨頭

端面外圓磨頭主軸前端采用高精度的四聯(lián)組滾動(dòng)球軸承支承，后端采用高精度和高剛度的滾動(dòng)圓柱軸承支承，增加了端面磨頭磨削時(shí)剛度。磨頭主體采用套筒式安裝方式，降低了加工和安裝時(shí)難度。磨頭通過(guò)交流變頻器實(shí)現(xiàn)砂輪的無(wú)級(jí)調(diào)速。

圖4 端面磨頭結(jié)構(gòu)

1.3.4 內(nèi)圓磨頭、端面磨頭進(jìn)給系統(tǒng)

內(nèi)圓磨頭、端面磨頭的橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給系統(tǒng)布局型式，均為十字交叉型式布局，如圖5所示。進(jìn)給系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，進(jìn)給導(dǎo)軌均采用高剛度滾柱直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。

圖5 橫向、縱向進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3.5 頭架

頭架主軸轉(zhuǎn)速由交流變頻電機(jī)通過(guò)三角皮帶減速，經(jīng)變頻器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；主軸采用高精度滾動(dòng)球軸承支承。頭架下面設(shè)有頭架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可對(duì)在磨削過(guò)程中出現(xiàn)的工件內(nèi)孔錐度變化進(jìn)行微量調(diào)整，以保證被加工工件的高精度要求。頭架上更換不同的專用夾具可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類工件的加工。比如，更換為專用的彈性薄膜夾具，采用齒輪節(jié)圓定位，可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車變速箱齒輪的內(nèi)孔、端面、外圓的加工。

圖6 頭架結(jié)構(gòu)

1.3.6 翻轉(zhuǎn)測(cè)量裝置

磨削工件內(nèi)孔及端面時(shí)用的翻轉(zhuǎn)測(cè)量裝置同時(shí)裝有兩套測(cè)量頭，通過(guò)調(diào)整測(cè)量頭范圍從而測(cè)量不同內(nèi)徑的工件孔及端面。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，整體通過(guò)支架固定在頭架底座上。內(nèi)圓測(cè)量頭通過(guò)滑座裝在導(dǎo)軌上，通過(guò)上下兩個(gè)螺桿調(diào)節(jié)滑座的位置，從而定心及測(cè)量不同內(nèi)徑的工件。端面測(cè)量頭同樣裝在滑座上并通過(guò)調(diào)整螺釘調(diào)整測(cè)量頭左右位置，滑座固定在擺臂上。

擺臂由氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸的行程確定后，擺臂的翻轉(zhuǎn)角度即可確定,翻轉(zhuǎn)角度為90°。擺臂繞轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)到固定位置，然后通過(guò)機(jī)床氣路驅(qū)動(dòng)測(cè)量頭到達(dá)測(cè)量位置。

圖7 翻轉(zhuǎn)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)

1.3.7 彈性膜片卡盤

在加工齒輪內(nèi)孔時(shí)，為保證齒輪齒圈齒型面與內(nèi)孔的同軸度，減少裝夾工件時(shí)間，需采用以齒輪節(jié)圓為定位基準(zhǔn)的彈性膜片卡盤。

彈性膜片卡盤通過(guò)連接盤安裝在頭架主軸上。工件的夾緊是靠彈性膜片的彈性恢復(fù)力來(lái)實(shí)現(xiàn)，恢復(fù)力的大小取決于預(yù)張量的大小。工件的松開是通過(guò)拉桿或氣壓推動(dòng)彈性膜片使其變形實(shí)現(xiàn)。此類卡盤除了包括離心力的補(bǔ)償以消除由于機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生影響的特征外，還包括后拉動(dòng)作，使工件牢固定位在定位塊上，保證加工精度和工件的重復(fù)定位精度。彈性磨片卡盤由于重量輕，有助于最大限度的減少機(jī)床主軸和軸承系統(tǒng)的磨損與損壞。

彈性磨片卡盤采用密封設(shè)計(jì)，能夠承受包括研磨污泥和冷卻殘液等惡劣的工作環(huán)境。

圖8 彈性膜片卡盤結(jié)構(gòu)

2 MK2110型數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床主要部件的設(shè)計(jì)

2.1 頭架電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

主要驗(yàn)證頭架電機(jī)能否帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)。

2.1.1 驗(yàn)證條件

工件重量G=30 kg ，工件直徑d=100 mm

摩擦因數(shù)μ=0.1，減速比i=1∶1.8

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速N=1 500 r/min

額定功率P=2.2 kW

傳遞效率η=0.92，起動(dòng)加速時(shí)間t=30 s

2.1.2 計(jì)算

工件轉(zhuǎn)速n=N/i=1 500/1.8=833.3 r/min，

工件速度V=πdn/(60×103)=4.36 m/s

工件角速度ω=2πn/60=87.3 rad/s

工件角加速度θ=ω/t=2.9 rad/s2

工件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=md2/2=0.15 kg·m2

工件慣性力矩T=Jθ=0.435 Nm

帶動(dòng)工件起動(dòng)的功率

從計(jì)算結(jié)果可知P＜P額，滿足驅(qū)動(dòng)要求。

2.2 內(nèi)圓磨頭十字滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力驗(yàn)證

主要驗(yàn)證伺服電機(jī)能否帶動(dòng)內(nèi)圓磨頭十字滑臺(tái)作縱向和橫向運(yùn)動(dòng)。

2.2.1 驗(yàn)證條件

十字滑臺(tái)上零部件總重量G縱=470 kg

導(dǎo)軌靜摩擦因數(shù)μ=0.08

伺服電機(jī)M額=8 Nm

絲杠導(dǎo)程P=10 mm

傳遞效率η=0.9

絲杠額定靜載荷C=52.2 kN

絲杠額定動(dòng)載荷C0=25.7 kN

安全系數(shù)s=0.625

2.2.2 計(jì)算

內(nèi)圓磨頭十字滑臺(tái)縱向移動(dòng)需克服的摩擦力：

內(nèi)圓磨頭十字滑臺(tái)縱向移動(dòng)需要的扭矩：

電機(jī)需輸出扭矩：M電=0.42 Nm

從計(jì)算結(jié)果可知F＜C,M電＜M額，滿足驅(qū)動(dòng)要求。

由于G橫＜G縱，絲杠和電機(jī)型號(hào)相同，所以伺服電機(jī)能夠帶動(dòng)內(nèi)圓磨頭十字滑臺(tái)作橫向運(yùn)動(dòng)。

2.3 端面外圓磨頭十字滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力驗(yàn)證

主要驗(yàn)證伺服電機(jī)能否帶動(dòng)端面磨頭十字滑臺(tái)作縱向和橫向運(yùn)動(dòng)。

2.3.1 驗(yàn)證條件

端面十字滑臺(tái)上零部件的總重量G縱=670 kg

導(dǎo)軌靜摩擦因數(shù)μ=0.08

伺服電機(jī)M額=8 Nm

N額=3 000 r/min

P額=1.6 kW

絲杠導(dǎo)程P=10mm

傳遞效率η=0.9

絲杠額定靜載荷C=52.2 kN

絲杠額定動(dòng)載荷C0=25.7 kN

安全系數(shù)s=0.625

2.3.2 計(jì)算

端面磨頭十字滑臺(tái)縱向移動(dòng)需克服的摩擦力：

端面磨頭十字滑臺(tái)橫向移動(dòng)需要的扭矩：

電機(jī)需輸出扭矩M電=0.59 Nm

從計(jì)算結(jié)果可知F＜C,M電＜M額，滿足驅(qū)動(dòng)要求。

由于G橫＜G縱，絲杠和電機(jī)型號(hào)相同，所以伺服電機(jī)能夠帶動(dòng)端面磨頭十字滑臺(tái)作橫向運(yùn)動(dòng)。

3 MK2110型數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床水平

3.1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

在汽車、摩托車行業(yè)中所用的磨床往往需要對(duì)齒輪、軸類零件的內(nèi)圓、外圓及端面進(jìn)行磨削?，F(xiàn)有的國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)的磨床往往只能分工步、工序分別使用不同類型的磨床加工內(nèi)圓、外圓及端面；而國(guó)外及臺(tái)灣地區(qū)廠商生產(chǎn)的同類型復(fù)合磨機(jī)床多為多工位（臺(tái)灣省容光機(jī)械生產(chǎn)的雙主軸磨床，為兩工位加工）或是帶刀庫(kù)的復(fù)合磨床（德國(guó)STUDER公司生產(chǎn)的復(fù)合磨床）雖在工序集合程度上強(qiáng)很多，但不如該磨床可同時(shí)加工內(nèi)圓、外圓及端面，完成自動(dòng)循環(huán)磨削。

圖9 臺(tái)灣省容光機(jī)械生產(chǎn)的雙主軸磨床

圖10 德國(guó)STUDER公司生產(chǎn)的復(fù)合磨床

3.2 機(jī)床的應(yīng)用

由于汽車變速箱用齒輪的外形尺寸和加工要求都比較符合MK2110數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床的規(guī)格參數(shù)，故該機(jī)床主要可作為汽車生產(chǎn)線上的加工設(shè)備。另外，也可通過(guò)更換該機(jī)床的夾具，使之成為應(yīng)用于一般用途的內(nèi)孔加工設(shè)備。

圖11 配置工業(yè)機(jī)器人的布局

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本項(xiàng)目的開發(fā)，將會(huì)促進(jìn)這類機(jī)床的發(fā)展，加快縮短我國(guó)同國(guó)外同類機(jī)床的差距，使我國(guó)在精密內(nèi)圓制造技術(shù)方面獲得突破，對(duì)提高我國(guó)的機(jī)床制造業(yè)水平起到一定的推動(dòng)作用。

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