劉 偉 童慧芬 李 梅 李和仙

(閩南理工學(xué)院精密工程研究所，福建 石獅 362700)

隨著大型機(jī)床向高速、重載、高精度以及自動(dòng)化方向發(fā)展，如何提高并保持機(jī)床導(dǎo)軌的精度日益引起人們的關(guān)注。為了提高導(dǎo)軌性能，國內(nèi)外普遍采用的做法是對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行刮研加工，特別是對(duì)于高精度機(jī)床設(shè)備，這一工藝是必需的［1］。刮研加工，除了能提高導(dǎo)軌間的配合精度外，還在導(dǎo)軌表面形成可存儲(chǔ)潤滑油、容納磨料的微細(xì)紋理，從而改善導(dǎo)軌潤滑條件、降低磨損。

目前，刮研工藝大都是由鉗工通過手工完成的，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗費(fèi)大，且加工質(zhì)量和加工效率完全取決于操作工人的熟練程度。國內(nèi)外研究比較成熟的替代產(chǎn)品是動(dòng)力刮刀，如瑞士BIAX 機(jī)器股份有限公司生產(chǎn)的系列電動(dòng)刮刀及其配套刀片和附件。它可通過刀片的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作代替人力去除工件材料，但仍需人工手持進(jìn)行定位，其切削壓力等也需要人工進(jìn)行控制［2］。

本文根據(jù)人工刮研原理，設(shè)計(jì)了一套導(dǎo)軌自動(dòng)刮研系統(tǒng)，可在保證刮研質(zhì)量的前提下，大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度并提高刮研效率。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 人工刮研原理

刮研工藝是涂顯示劑、配研、刮削3 個(gè)步驟的循環(huán)反復(fù)，其中刮削為其主要步驟［3-4］。圖1 所示為刮削操作的基本方式。以挺刮式為例，鉗工將平面刮刀刀柄頂住胯骨，雙手握住刀具，使平面刮刀與被刮表面形成一定的切削角度并對(duì)刀頭施加壓力。當(dāng)人給刀柄以推力時(shí)，使刀刃切入金屬表面并在深入向前過程中切去研磨的黑點(diǎn)。然后將刀頭快速提起以離開工件表面，從而完成了一次刀跡成形過程，并刮去一層極薄的金屬。從刮削過程看，刮削是合力作用的過程，其質(zhì)量的優(yōu)劣取決于工人操作熟練程度。

1.2 導(dǎo)軌自動(dòng)刮研系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

導(dǎo)軌自動(dòng)刮研控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，在三自由度大型操作臺(tái)上進(jìn)行改裝，以氣缸驅(qū)動(dòng)刮刀，控制刮刀參數(shù)實(shí)現(xiàn)刮研運(yùn)動(dòng)，從而在導(dǎo)軌表面形成不同形狀、尺寸、分布情況的表面紋理;由計(jì)算機(jī)控制的CCD 獲取配研后導(dǎo)軌表面圖像，經(jīng)圖像處理后獲得表面刮削點(diǎn)信息。刮削和配研反復(fù)進(jìn)行，直至最后一次配研后導(dǎo)軌表面形貌與設(shè)計(jì)相同。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是在XYZ 方向可以直接精確定位的加工裝置，由氣缸的末端部位加裝CCD 攝像機(jī)和刮刀作為刮研的工具構(gòu)成的。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。床身采用支撐底盤和鑄鐵側(cè)壁組合而成，確保機(jī)身變形小，剛性好，強(qiáng)度大;采用高精度三自由度直角坐標(biāo)系工作平臺(tái)，其導(dǎo)軌為進(jìn)口方形直線導(dǎo)軌，精度高，承重冗余大，壽命長(zhǎng)。

2.2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用可調(diào)節(jié)的氣動(dòng)系統(tǒng)。由優(yōu)質(zhì)氣源處理元件和氣動(dòng)控制元件集成的氣動(dòng)控制單元，確保氣動(dòng)壓力機(jī)可以長(zhǎng)久、穩(wěn)定、高效地工作;刮研刀柄安裝在氣缸活塞桿端部的安裝孔內(nèi)，安裝穩(wěn)定可靠，在導(dǎo)向桿和防轉(zhuǎn)板的共同作用下，可以無轉(zhuǎn)動(dòng)的上下平穩(wěn)運(yùn)動(dòng);氣缸可通過電氣控制系統(tǒng)控制刮刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)，速度在0～200 mm/min范圍可調(diào)，行程范圍在50～100 mm 可調(diào)。

刮研動(dòng)力系統(tǒng)以壓縮空氣作為動(dòng)力源，操作簡(jiǎn)單。沒有油壓系統(tǒng)待機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的嗓聲和電力消耗，可有效降低生產(chǎn)成本;利用空油壓原理，可達(dá)到動(dòng)作速度快、高出力的要求;出力調(diào)整容易，只要調(diào)節(jié)氣壓增壓段壓力，就能達(dá)到需要的工作壓力;結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，操作簡(jiǎn)便，符合高效工作標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 刮刀設(shè)計(jì)

采用自主設(shè)計(jì)的刮刀如圖4。為模仿工人刮研的實(shí)際動(dòng)作，刮刀的刀柄在其2/3 長(zhǎng)度處有120°彎角，使刀頭與工件呈一定的角度，這樣當(dāng)工件在工作臺(tái)水平移動(dòng)時(shí)，只要刮研刀上下運(yùn)動(dòng)，就能夠合成一個(gè)作用在工件上的刮研動(dòng)作。根據(jù)刀頭寬度以及工作臺(tái)進(jìn)給速度的不同，從而可獲得不同精度等級(jí)的刮研效果。由于刮刀的刀頭與工件接觸，在刮研過程中會(huì)受到一定的摩擦力與擠壓力，因此刀頭選強(qiáng)度高、耐磨損的硬質(zhì)合金。

2.4 圖像采集分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用數(shù)字技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法是現(xiàn)今科技發(fā)展趨勢(shì)。該圖像采集分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)如圖5所示，具體流程如下［5］:

(1)圖像采集。用CCD 采集刮研后的導(dǎo)軌平面黑點(diǎn)圖像，并通過計(jì)算機(jī)接口將圖像文件直接傳入計(jì)算機(jī)。

(2)對(duì)所獲圖像進(jìn)行二值化處理。用計(jì)算機(jī)計(jì)算黑點(diǎn)的灰度值，對(duì)采集獲得的圖像進(jìn)行二值化處理，并除去背景及噪聲對(duì)黑點(diǎn)的干擾，形成只有黑、白兩種像素的二值圖像。

(3)計(jì)算被檢表面黑點(diǎn)面積和點(diǎn)數(shù)。對(duì)二值化后的圖像用計(jì)算機(jī)程序從左至右、從上到下(按檢測(cè)技術(shù)要求，移動(dòng)步距為2.5 mm)進(jìn)行掃描，依次獲得所有25 mm×25 mm 的子方圖，統(tǒng)計(jì)每個(gè)子方圖中黑點(diǎn)所占像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，并求均值。

(4)由計(jì)算機(jī)輸出顯示最終檢測(cè)結(jié)果。

3 加工實(shí)驗(yàn)

在刮研加工過程中，不同的刮研參數(shù)對(duì)刮研加工的影響不同，刮研質(zhì)量的高低主要是由刮研后的刮研點(diǎn)數(shù)、粗糙度來確定的。

試驗(yàn)中，加工材料為鑄鐵，其尺寸為90 mm ×120 mm。加工臺(tái)x 方向的進(jìn)給速度為5 mm/s，刮刀沿著試樣表面水平運(yùn)動(dòng)，由加工臺(tái)y 方向進(jìn)給控制工件的平移，由可旋轉(zhuǎn)夾具控制試樣與刮刀的相對(duì)位置。刮刀在試樣表面縱向和橫向各刮研一遍為一次刮研次數(shù)。

3.1 刮刀進(jìn)給速度的影晌

氣缸通過控制面板控制刮刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其速度在0～100 mm/min 范圍可調(diào)，其他參數(shù)不變，刮研行程為70 mm，刮研5 次，刮刀進(jìn)給速度對(duì)刮研點(diǎn)數(shù)的影響如圖6。

由圖6 可知，隨著刮刀進(jìn)給速度增加，試樣表面刮研點(diǎn)數(shù)先增加，后減少，在速度為75 mm/min 時(shí)達(dá)到最多，為25 點(diǎn)。這是由于刮刀進(jìn)給速度過慢時(shí)，刮研軌跡相交的點(diǎn)數(shù)少;刮刀進(jìn)給速度過快時(shí)，同方向的刮研軌跡會(huì)產(chǎn)生相交，破壞刮研質(zhì)量。

3.2 刮刀進(jìn)給行程的影響

氣缸通過控制面板控制刮刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其行程在50～100 mm 范圍可調(diào)，其他參數(shù)不變，刮刀進(jìn)給速度為75 mm/min，刮研5 次，刮刀進(jìn)給行程對(duì)表面粗糙度的影響如圖7。

由圖7 可知，隨著刮刀進(jìn)給行程的增加，試樣表面粗糙度值先減小，后增大，在行程為80 mm 時(shí)達(dá)到最小，為4 μm。這是由于隨著刮刀進(jìn)給行程的增加，單位時(shí)間內(nèi)試樣表面受到刮刀的壓力逐漸增大。當(dāng)壓力較小時(shí)，壓力增大會(huì)提高刮研質(zhì)量;當(dāng)壓力較大時(shí)，壓力的增大會(huì)破壞試樣表面，使得粗糙度和平面度均增大。

3.3 刮研次數(shù)的影響

刮刀往復(fù)行程為80 mm，刮刀進(jìn)給速度為75 mm/min，其他參數(shù)不變，分別刮研3～12 次，試驗(yàn)結(jié)果如圖8。

由圖8 可知，隨著刮研次數(shù)的增加，刮研點(diǎn)數(shù)逐漸增加。但是刮研次數(shù)在8 次之后，刮研點(diǎn)數(shù)增加緩慢。因此，在達(dá)到一定的要求之后，再去增加刮研次數(shù)是沒有必要的。

4 結(jié)語

基于正交試驗(yàn)可知，在其他條件不變的情況下，刮刀往復(fù)行程為80 mm，刮研刀進(jìn)給速度為75 mm/min，刮研8 次，最終可得到的最佳刮研點(diǎn)數(shù)25，此時(shí)表面粗糙度值Ra為3.5 μm。但是，隨著刮研次數(shù)的增加，以及壓力和轉(zhuǎn)速等的調(diào)整，有可能會(huì)得到更高的刮研質(zhì)量。今后，還需要針對(duì)紅丹(顯示劑)附著量大的部分和附著量小的部分的刮研面，對(duì)刮研方法進(jìn)行調(diào)整;對(duì)設(shè)備做進(jìn)一步的改進(jìn)，以獲得刮研壓力的精確測(cè)量和控制。應(yīng)用本文所設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌自動(dòng)刮研系統(tǒng)，可以通過較少次數(shù)的刮研作業(yè)達(dá)到機(jī)械制造行業(yè)的要求。這對(duì)取代傳統(tǒng)的手工刮削加工方法，加工出高精度、低磨損的產(chǎn)品，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］中國機(jī)械工程學(xué)會(huì).機(jī)修手冊(cè)［M］.3 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］李小朋，孫雷雷，劉永紅.刮研加工自動(dòng)化研究現(xiàn)狀及發(fā)展分析［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012(7):97 -100.

［3］李志強(qiáng).淺談鉗工刮研方法［J］.黑龍江造紙，2009(3).

［4］謝懷湘.機(jī)床修理工具及修理技術(shù)問答［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［5］李和仙.導(dǎo)軌表面刮研用圖像識(shí)別及檢驗(yàn)系統(tǒng)研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012(5):51 -53.