喬龍陽，楊智聰，林 進

(1.陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 陽江 529500； 2.廣東科拓自動化機械設(shè)備有限公司，廣東 陽江 529500)

0 引 言

廣東陽江是全球最大的刀剪制造基地，近幾年，行業(yè)刀剪磨削設(shè)備自動化程度普遍較低，直接制約了刀剪產(chǎn)品的全球市場競爭力。 刀剪端面磨削是指利用筒形砂輪的端面磨削刀剪毛坯的整個端面或者端面的一部分從而形成一個磨削面。 由于多數(shù)刀剪的磨削面為空間三維曲面，為實現(xiàn)磨削工藝，設(shè)備必須具備至少包括一個旋轉(zhuǎn)軸三軸以上的聯(lián)動功能[1]。傳統(tǒng)刀剪磨削設(shè)備受機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的制約，存在磨削工藝落后、機械傳動精度低及數(shù)控系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題[2-4]。

為滿足現(xiàn)代刀剪產(chǎn)品的制造工藝要求，進一步提升產(chǎn)品的市場競爭力，陽江刀剪裝備制造產(chǎn)業(yè)急需研發(fā)高精度多軸聯(lián)動的數(shù)控磨床。 筆者依據(jù)刀剪多軸磨削工藝特點，構(gòu)建數(shù)控磨床四軸坐標(biāo)系，設(shè)計開發(fā)主軸副控制機構(gòu)，進行角度控制軸A軸蝸桿蝸輪傳動機構(gòu)設(shè)計，有效提升了旋轉(zhuǎn)軸的力矩輸出和穩(wěn)定性。 還對機床數(shù)控系統(tǒng)進行了技術(shù)升級，優(yōu)化設(shè)計了人機交互功能和圖形編程功能等模塊，配合選用高精度的導(dǎo)軌和軸承附件，有效保證機床的穩(wěn)定性和制造精度，大幅提升了刀剪產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 四軸聯(lián)動數(shù)控磨床設(shè)計方案

1.1 設(shè)計要求

根據(jù)刀剪磨削工藝特點及機床主體床身結(jié)構(gòu)特點，數(shù)控磨床的設(shè)計應(yīng)滿足以下幾點。

(1) 機床主體床身設(shè)計。 要保證機床剛度要求，避免機床產(chǎn)生共振現(xiàn)象，達到機床運行平穩(wěn)、準確的目的。

(2) 主軸機構(gòu)設(shè)計。 在滿足刀剪磨削轉(zhuǎn)矩要求的條件下，保證主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度、剛性、壽命和阻尼，并降低噪音。

(3) 進給傳動機構(gòu)設(shè)計[5]。 要求傳動精度高、響應(yīng)快，有足夠的動力輸出，滿足高強度磨削加工要求，滿足刀具磨削時機械裝置的剛性和穩(wěn)定性要求。

(4) 導(dǎo)軌設(shè)計選用。 滿足在高負載的情況下實現(xiàn)高精度直線運動的要求，可以承擔(dān)一定的扭矩。

(5) 數(shù)控控制系統(tǒng)設(shè)計選用[6-8]。 數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)保證定位精度和重復(fù)定位精度能滿足磨削刀具工藝要求，能完成對二軸、三軸和四軸聯(lián)動的精確控制。

1.2 機床基本組成及原理

依據(jù)上述設(shè)計要求，數(shù)控磨床主要由機床主體機座、主軸箱機構(gòu)、進給傳動機構(gòu)、數(shù)控控制系統(tǒng)等部分組成。

刀剪專用數(shù)控磨床設(shè)計原理:磨削砂輪安裝在主軸上，主電動機通過帶傳動將動力傳輸?shù)街鬏S，主軸帶動砂輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)主運動(Z軸)。 直線軸X、Y進給運動由機床進給伺服系統(tǒng)控制伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)橫、縱向進給運動。 旋轉(zhuǎn)軸A軸是繞直線軸X軸旋轉(zhuǎn)的角度控制軸，由伺服電機帶動蝸桿蝸輪機械傳動裝置，驅(qū)動工作臺達到所需的擺角角度。 設(shè)備配置高精度數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)設(shè)計相應(yīng)控制功能模塊，數(shù)控系統(tǒng)控制X、Y、Z、A四條軸聯(lián)動，實現(xiàn)二軸、三軸或四軸的聯(lián)動控制磨削加工。

2 四軸聯(lián)動數(shù)控磨床關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計開發(fā)

在傳統(tǒng)數(shù)控單面磨床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新設(shè)計，研制四軸聯(lián)動多功能數(shù)控磨床。 數(shù)控機床具備四軸聯(lián)動功能，可實現(xiàn)一次裝夾，完成對被加工工件的平面或曲面的多次磨削加工。 其進給傳動機構(gòu)、主軸副機構(gòu)及機床控制系統(tǒng)都具有專用特性，需進行關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計。

2.1 主軸副結(jié)構(gòu)設(shè)計

主軸副機構(gòu)是機床傳動系統(tǒng)的主要機構(gòu)，作用是實現(xiàn)砂輪旋轉(zhuǎn)主運動，要求滿足刀剪磨削的轉(zhuǎn)矩輸出，保證主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度、剛性、壽命和阻尼，并降低噪音。 主軸副結(jié)構(gòu)主要由主軸、帶輪、角接觸軸承、軸承螺母、軸承端蓋、砂輪安裝盤和主軸箱體等構(gòu)件組成，如圖1 所示。 主軸高溫調(diào)質(zhì)處理，主軸支撐軸承采用角接觸球軸承副結(jié)構(gòu)，具備可靠徑向、軸向負荷承載能力，保證主軸高速旋轉(zhuǎn)的精度要求。 主軸錐孔設(shè)計規(guī)格為A2-6，額定轉(zhuǎn)速為4 500 r/min，各結(jié)合面跳動小于0.003 mm，安裝端面及內(nèi)孔跳動小于0.01 mm。

圖1 主軸傳動機構(gòu)圖

1.主電動機 2.帶輪 3.軸承端蓋 4.軸承螺母 5，6.角接觸軸承 7.主軸 8，9. 角接觸軸承 10.軸承端蓋 11.砂輪安裝盤12.主軸箱體

2.2 進給傳動機構(gòu)設(shè)計

數(shù)控機床具有X、Y、Z、A四個控制軸，如圖2 所示。 其中Z軸為主運動砂輪直線進給軸，X、Y軸為機床橫向、縱向直線進給軸，旋轉(zhuǎn)軸A軸是繞直線軸X軸旋轉(zhuǎn)的角度控制軸。

圖2 機床坐標(biāo)系示意圖

2.2.1 直線軸X、Y軸運動設(shè)計

數(shù)控磨床橫、縱向進給傳動系統(tǒng)實現(xiàn)機床X、Y軸的直線進給運動，機構(gòu)主要由伺服電機、同步帶機構(gòu)、直線導(dǎo)軌、滑塊、直線軸承、聯(lián)軸器等組成。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)軸A軸控制機構(gòu)設(shè)計

旋轉(zhuǎn)軸A軸進給傳動系統(tǒng)主要由伺服電機、連軸器、蝸桿蝸輪、A軸芯軸、芯軸旋轉(zhuǎn)底座、軸承、工作臺和箱體等構(gòu)件組成，如圖3 所示。

圖3 傳動機構(gòu)圖

為解決刀剪磨削生產(chǎn)時所需的受力要求，提高機構(gòu)剛性和穩(wěn)定性，機構(gòu)采用傳動比為50 ∶1 的一對蝸桿蝸輪，利用蝸輪蝸桿機構(gòu)傳動功率大、工作平穩(wěn)和結(jié)構(gòu)緊湊優(yōu)點，有效提升了旋轉(zhuǎn)軸的力矩輸出和穩(wěn)定性。 蝸桿4 與定制蝸輪5 安裝在傳動箱體內(nèi)，通過嚙合傳動連接，改變運動方向及傳遞動力，蝸輪5 與A軸芯軸11 通過銷鍵固定連接，將A軸伺服電機1 的旋轉(zhuǎn)方向以及動力平穩(wěn)傳遞并轉(zhuǎn)變?yōu)锳軸芯軸的角度旋轉(zhuǎn)運動。

X軸、Y軸為十字交叉直線軸，在同一平面上，為實現(xiàn)繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸功能，將旋轉(zhuǎn)軸A軸底座13安裝在X、Y軸工作臺面上，A軸芯軸采用兩端軸承支撐的芯軸設(shè)計，安裝在機構(gòu)底座的軸承座內(nèi)，右端與傳動機構(gòu)蝸桿蝸輪機構(gòu)相連。 工作臺12 通過內(nèi)六角螺釘安裝固定在A軸芯軸上。

2.3 導(dǎo)軌設(shè)計選用

導(dǎo)軌作用是支撐和引導(dǎo)運動部件，使機床獲得快速進給速度并按給定的方向做往復(fù)直線運動，它可以承擔(dān)一定的扭矩，以保證在高負載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動。 其主要結(jié)構(gòu)由直線導(dǎo)軌、滑塊、端蓋、潤滑系統(tǒng)和防塵系統(tǒng)等構(gòu)件組成。 文中的導(dǎo)軌滑塊采用滾柱型滾動體取代了鋼珠，滾動體與導(dǎo)軌為接觸角度45°的線接觸方式，滾動體在承受高負荷時僅僅形成微量的彈性變形，使得直線導(dǎo)軌達到四方向等高剛性、等高負荷能力特性，保證了Z軸與X軸兩垂直進給軸的穩(wěn)定性，大幅提升加工精度。

2.4 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計選用

機床控制系統(tǒng)具備X、Y、Z、A四個聯(lián)動控制軸，采用工控一體機搭配總線型驅(qū)動器，數(shù)控系統(tǒng)通過CPU 處理對輸入的數(shù)據(jù)進行分析后，將運算出的信號同時同步發(fā)送到每條軸的運動控制卡上，實現(xiàn)四軸聯(lián)動同步控制，大幅提升數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。 對數(shù)控系統(tǒng)功能模塊進行如下優(yōu)化設(shè)計。

2.4.1 數(shù)控系統(tǒng)人機交互優(yōu)化設(shè)計

進行數(shù)控系統(tǒng)人機交互優(yōu)化設(shè)計，如圖4 所示。根據(jù)被加工刀具產(chǎn)品的設(shè)計外形輪廓，繪制軌跡DXF 文件，選擇文件載入，設(shè)定產(chǎn)品厚度參數(shù)，修改磨削參數(shù)，執(zhí)行加工，即能實現(xiàn)四軸聯(lián)動磨削加工，簡化了操作步驟。

圖4 數(shù)控系統(tǒng)人機交互優(yōu)化設(shè)計

2.4.2 數(shù)控系統(tǒng)圖形編程功能設(shè)計

刀剪產(chǎn)品刃口曲線復(fù)雜，磨削面多為曲面圓弧，G 代碼編程刀路不易管理。 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)了圖形編程功能，系統(tǒng)通過圖形化和參數(shù)化編程方式，根據(jù)刀具圖紙(夾具、刀形)繪制DXF 圖形，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)對DXF 進行翻譯，可用于加工或生成NC 文件，提高了編程工作效率。

2.4.3 控制系統(tǒng)工控一體機設(shè)計

刀剪的磨削工序中，應(yīng)用的是水冷卻，整體的操作環(huán)境離不開水，加工環(huán)境惡劣具有腐蝕性。 機床控制系統(tǒng)采用工控一體機，具有防塵、防潮、防振、防輻射的能力，具有較好的電磁兼容性和高抗干擾能力，可解決因潮濕的工作環(huán)境造成工作短路及不穩(wěn)定的問題。

3 四軸聯(lián)動數(shù)控磨床的應(yīng)用

根據(jù)文中方法設(shè)計的四軸聯(lián)動數(shù)控磨床已在國內(nèi)外多家刀剪企業(yè)內(nèi)投入使用，機床實物圖如圖5 所示。

圖5 在用的四軸聯(lián)動數(shù)控磨床

機床數(shù)控系統(tǒng)通過編程數(shù)據(jù)以及參數(shù)控制X、Y、Z、A四條聯(lián)動軸及砂輪旋轉(zhuǎn)主運動，主軸轉(zhuǎn)速為4 500 r/min，設(shè)備床身采用灰鑄鐵材料，并采用加重工藝，機床的總質(zhì)量達到2.4 t，機床的運行更加平穩(wěn)、準確。 經(jīng)各廠家的應(yīng)用，四軸聯(lián)動數(shù)控磨床性能穩(wěn)定，平均無故障工作時間達到30 000 h，磨削刀具產(chǎn)品的表面粗糙度可達Ra0.2 μm。 四軸聯(lián)動數(shù)控磨床具有以下特點。

(1) 加工效果好:機床數(shù)控系統(tǒng)X、Y、Z、A四軸聯(lián)動加工，滿足各類刀剪平面、曲面磨削加工要求，磨削精度高、加工效率高，實現(xiàn)刀具研磨自動化。

(2) 多功能特點:①只需一次裝夾，按照分級程序的組合數(shù)據(jù)輸入，完成一個面內(nèi)的多次端面磨削，最多次數(shù)可達六次；②根據(jù)被加工產(chǎn)品的設(shè)計外形輪廓，繪制線軌跡的DXF 文件，通過厚度參數(shù)，就能實現(xiàn)四軸的聯(lián)動加工；③具備砂輪損耗自動補償功能，根據(jù)不同質(zhì)量的砂輪，設(shè)定加工時的自動砂輪補償量，補償砂輪的消耗。

(3) 應(yīng)用范圍廣:可磨削各種規(guī)格和材質(zhì)的小刀、廚刀、剪刀等產(chǎn)品，也可以磨削各類醫(yī)療、美容、園藝等特種用途且形狀復(fù)雜的刀剪產(chǎn)品。

(4) 經(jīng)濟性特點:四軸聯(lián)動數(shù)控磨床均為國內(nèi)自主研發(fā)設(shè)計，與國外同級別的數(shù)控機床比，具有穩(wěn)定性好、成本低、經(jīng)濟性好的特點。

(5) 人性化特點:數(shù)控磨床的冷卻方式是水冷，工作環(huán)境惡劣，新型磨床的人性化防水外殼，即不影響機床內(nèi)部電氣控制，又能對刀剪磨削四濺的冷卻水花產(chǎn)生阻擋作用，減少加工時對操作人員的影響，提高機床整體的安全以及穩(wěn)定性能，優(yōu)化產(chǎn)品加工環(huán)境。

4 結(jié) 語

新型刀剪制造四軸聯(lián)動數(shù)控磨床設(shè)計的主軸副結(jié)構(gòu)、進給傳動機構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)控四軸聯(lián)動磨削加工，文中對機床數(shù)控系統(tǒng)進行了技術(shù)升級，設(shè)計開發(fā)了人機交互功能和圖形編程功能等模塊，配合選用高精度的導(dǎo)軌和軸承附件，大幅提升了設(shè)備的穩(wěn)定性和操控性。 生產(chǎn)實踐表明，四軸聯(lián)動數(shù)控磨床滿足各類刀剪平面、曲面的磨削加工要求；開發(fā)設(shè)計的機械裝置和數(shù)控系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性好、成本低、經(jīng)濟性好的特點，大幅提升了刀剪磨削的質(zhì)量和效率，對提升我國刀剪研磨自動化水平具有一定的實踐意義。