哈爾濱中天數(shù)控工具有限責(zé)任公司
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摘 要：在刀剪專用數(shù)控單頭磨床的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高刀剪加工效率，設(shè)計(jì)了一款刀剪專用數(shù)控雙頭單面磨床。 磨床采用了雙驅(qū)動(dòng)雙主軸結(jié)構(gòu)，一次裝夾完成粗、精加工；開發(fā)數(shù)控專用指令，加工工藝穩(wěn)定；開發(fā)專用工作臺(tái)、主傳動(dòng)鏈系統(tǒng)、專用伺服驅(qū)動(dòng)裝置等關(guān)鍵技術(shù)。 該磨床經(jīng)相關(guān)企業(yè)使用后，達(dá)到了高轉(zhuǎn)速、高效率、高精度磨削刀剪的目的。
關(guān)鍵詞: 數(shù)控雙頭單面磨床 雙主軸運(yùn)動(dòng) 專用程序 G66 L88 G66 L8
1 、概述
刀剪行業(yè)是我國(guó)歷史悠久的傳統(tǒng)行業(yè)，近年來，刀剪五金產(chǎn)品行業(yè)有了較大的發(fā)展， 出口貿(mào)易額在逐年增加。 刀剪五金產(chǎn)品，包括菜刀、套刀、小刀、陶瓷刀和工業(yè)用剪刀、民用剪刀、裁縫剪刀等，名副其實(shí)地呈現(xiàn)“小商品，大市場(chǎng)”的喜人形勢(shì)。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)從事刀剪生產(chǎn)的企業(yè)約有 3 000 家， 刀剪產(chǎn)品年工業(yè)總產(chǎn)值約在 100 多億元， 年出口創(chuàng)匯超過 4 億美元。 這些五金產(chǎn)品刀類， 必須要有相當(dāng)高的硬度才能達(dá)到其鋒利度和耐用性， 通常是通過磨削來達(dá)到剪切面及刃口的鋒利要求、幾何尺寸及外觀要求。
目前，生產(chǎn)刀剪的工藝裝備已比較成熟，由通用機(jī)床到普通專用機(jī)床到數(shù)控專用機(jī)床， 在不斷進(jìn)步和更新，如今，已研制出技術(shù)成熟的高精刀剪專用單面數(shù)控磨床［1-6］。
雖然數(shù)控專用單面磨床磨削的精度已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，加工精度可以和進(jìn)口的如德國(guó)“雙立人”、日本“莊山郎”等世界知名品牌的刀剪產(chǎn)品比美，磨刀效果可達(dá)到：刀剪的表面粗糙度 Ra=0.4～0.2 μm，刀刃口厚薄均勻，刀圓弧外表面美觀，刀紋路細(xì)膩，不留刀痕，剪刀的上下刃口在工作長(zhǎng)度內(nèi)始終保持圓弧線相切的點(diǎn)接觸，刃口鋒利耐用，磨頭可在 2 800～3 200 r/min 高轉(zhuǎn)速的條件下連續(xù)工作等， 基本實(shí)現(xiàn)了高效高精度磨削。
但是當(dāng)前刀剪專用磨床無論是國(guó)產(chǎn)的，還是進(jìn)口的，無論是傳統(tǒng)液壓式的，還是新發(fā)展起來的數(shù)控式，它們都是單動(dòng)力頭磨床，其生產(chǎn)工藝基本為：一是在同一臺(tái)磨床上采用工作臺(tái)兩次來回往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)粗、精磨削，即用同一砂輪完成粗、精磨削，其磨削表面精度自然不高；另一種是采用兩臺(tái)機(jī)床，安裝不同粒度的砂輪，通過兩次工件安裝來實(shí)現(xiàn)粗、精磨削，這樣雖然能提高磨削表面精度，但由于兩次裝夾，難以保證磨削表面的尺寸精度，而且加工效率低［7-11］。
因此， 在保證精度的前提下， 更新和完善磨刀工藝，更進(jìn)一步提高加工效率，即磨削工藝由原來的一次裝夾只能完成粗加工或精加工一道工序， 改為一次裝夾完成粗精加工順序磨削兩道工序， 提高磨削效率和降低加工成本［12］，這就需要研發(fā)一種具有雙磨頭的磨刀設(shè)備。因此研發(fā)一種高效率、高精度磨削刀剪的數(shù)控雙頭單面專用磨床顯得十分重要， 是提高刀剪產(chǎn)品質(zhì)量的高精、高效磨削設(shè)備。
2 、刀剪專用數(shù)控雙頭單面磨床總體方案
2.1 設(shè)計(jì)要求
目的在于克服現(xiàn)有的工藝技術(shù)局限和不足， 提供一種雙磨頭結(jié)構(gòu)、裝夾快捷、定位精度高、適用于多種規(guī)格和各種材料的磨削刀剪的數(shù)控雙頭單面專用數(shù)控機(jī)床。 因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)。
?。?） 主傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)。 要求雙動(dòng)力頭頭， 雙傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)效率高，有足夠的動(dòng)力和在較大范圍變載荷下有較穩(wěn)定的高轉(zhuǎn)速。
（2） 機(jī)床主體的基礎(chǔ)件床身及底座的設(shè)計(jì)要比一般機(jī)床的剛度要高。在滿足支承雙磨頭結(jié)構(gòu)的情況下，保證在任何負(fù)載條件下不允許出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。
?。?） 雙主軸設(shè)計(jì)。 在滿足轉(zhuǎn)矩要求的條件下，應(yīng)保證主軸徑向、軸向的跳動(dòng)精度；保證長(zhǎng)期在高壓水霧工作環(huán)境下具有足夠的密封效果；選用主軸副形式，應(yīng)配專用的調(diào)隙機(jī)構(gòu)。
?。?） 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用。 數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)保證定位精度和重復(fù)定位精度滿足磨削刀具要求， 能完成三軸聯(lián)動(dòng)的輪廓控制。
?。?） 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 采用半閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控雙磨頭動(dòng)作。
2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)
主軸轉(zhuǎn)速最大值為 4 000 r/min； 主軸徑向跳動(dòng)≤0.01 mm；主軸軸向跳動(dòng)≤0.005 mm。機(jī)床定位精度為 0.002 mm；機(jī)床重復(fù)定位精度為0.004 mm。
導(dǎo)軌縱向直線度≤0.02/1 000 mm；導(dǎo)軌橫向平行度≤0.04/1 000 mm。每件磨削時(shí)間為 40～50 s。 磨削效果：表面粗糙度要求 Ra=0.4～3.2 μm，刃口、剪切表面粗糙度要求 Ra=0.2～0.4 μm。粗磨削深度為 3 mm；精磨削深度為 0.5 mm；最大進(jìn)給量為 5 mm/s。專用磨削指令：設(shè)計(jì)專用數(shù)控指令和刀剪 PLC 專用程序。
其它要求：低能耗，低噪聲，低污染。
2.3 主傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)
電機(jī) 1—皮帶輪 1—主軸 1； 電機(jī) 2—皮帶輪 2—主軸 2。
2.4 整機(jī)布局
整機(jī)由數(shù)字控制系統(tǒng)及機(jī)械本體組成，其總體布局如圖 1 所示。
圖 1 刀剪專用數(shù)控雙頭單面磨床總體布局圖
1. 床身底座 2.床身 3.中滑座 4.上滑座 5.工作臺(tái) 6.旋轉(zhuǎn)消隙機(jī)構(gòu) 7.刀架機(jī)構(gòu) 8.砂輪頭架 9.砂輪頭架座 10.雙主軸驅(qū)動(dòng)組件 11.數(shù)控系統(tǒng)控制面板 12.被動(dòng)皮帶輪 13.主動(dòng)皮帶輪 14.主電機(jī) 15.主電機(jī) 16.Z向伺服驅(qū)動(dòng)裝置 17.底板 18.X 向伺服驅(qū)動(dòng)裝置 19.工作臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)裝置 20.砂輪頭架 21.電機(jī)底板 22.數(shù)控系統(tǒng) 23.雙主軸驅(qū)動(dòng)部件支承架24.雙主軸驅(qū)動(dòng)組件 25.電機(jī)底板
3 、工作原理及關(guān)鍵技術(shù)
3.1 工作原理
電機(jī)通過帶輪，將動(dòng)力傳輸?shù)街鬏S副，主軸帶動(dòng)砂輪安裝盤旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)。 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制， 伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿副旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)縱、橫向進(jìn)給。 同時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿螺母副旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒條齒輪嚙合，完成刀座旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過數(shù)控系統(tǒng)控制而使數(shù)控磨床能完成三軸聯(lián)動(dòng)切運(yùn)動(dòng)。
圖1所示為磨削刀剪的數(shù)控雙頭單面專用磨床， 機(jī)架一側(cè)沿 X 軸方向安裝有雙主軸組件， 每套主軸組件前端安裝砂輪頭架， 后端接有由電機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)的皮帶輪； 機(jī)架上表面安裝可沿 X 軸移動(dòng)的下滑座， 下滑座上面安裝了可沿 Z 軸移動(dòng)的中滑座， 中滑座的上表面安裝可沿 X 軸移動(dòng)的上滑座，在上滑座上面安裝工作臺(tái)，工作臺(tái)上安裝刀架機(jī)構(gòu)， 刀架機(jī)構(gòu)上安裝有刀座，刀座上安裝有刀座夾板，其中，主軸組件安裝在主軸組件支座上，電機(jī)安裝在電機(jī)支座上。
刀架機(jī)構(gòu)是可調(diào)的，一端通過鉸軸與工作臺(tái)鉸接，另一端通過鎖銷安裝在工作臺(tái)上的滑槽內(nèi)， 并安裝有鎖銷的松緊手柄，松開松緊手柄，刀架機(jī)構(gòu)可繞水平面擺動(dòng)，從而可調(diào)節(jié)磨削角度，同時(shí)刀座固定在旋轉(zhuǎn)消隙機(jī)構(gòu)上，隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸通過消隙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與伺服電機(jī)連接， 通過伺服系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)刀架繞刀架軸轉(zhuǎn)動(dòng)。雙主軸組件的軸心位于同一水平面上，等高平行放置，兩個(gè)砂輪頭架上分別安裝粗、精加工砂輪。
下滑座、中滑座、上滑座分別由各自的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置控制，可分別控制其直線移動(dòng)。
磨削時(shí)刀具安裝于刀座上， 由中滑座的 Z 軸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)磨削深度的進(jìn)給控制，由上滑座的 X 軸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)磨削主進(jìn)給移動(dòng)， 由刀座的擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具面的曲面控制磨削， 由下滑座的快速移動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具從一個(gè)砂輪的磨削轉(zhuǎn)移到另一個(gè)砂輪的磨削， 達(dá)到了在同一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)刀具的粗精磨削加工工藝。
數(shù)控系統(tǒng)選用廣州數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的980T數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的數(shù)字控制功能。
3.2 關(guān)鍵技術(shù)
設(shè)計(jì)刀剪專用數(shù)控雙頭單面磨床的主要目的是在具備高精度的前提下，能更好地提高加工效率，因而在主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、 工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及專用加工指令等關(guān)鍵技術(shù)方面的設(shè)計(jì)顯得非常重要。
3.2.1 工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
刀剪專用數(shù)控雙頭單面磨床的最關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是雙主運(yùn)動(dòng)雙主軸結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示，因而相應(yīng)的工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置需與之相應(yīng)設(shè)計(jì)，并應(yīng)具有的特點(diǎn)是：一次裝夾實(shí)現(xiàn)粗、精加工的順序進(jìn)行，選擇的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)需滿足使用要求，且要具有反向間隙自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)。
圖 2 刀剪專用數(shù)控雙頭單面磨床工作臺(tái)布局圖
工作臺(tái)由底座及上拖板兩部分組成， 其上安裝了回轉(zhuǎn)刀架部件［13-14］，配合縱、橫向兩軸移動(dòng)，磨床可完成三軸聯(lián)動(dòng)磨削?；剞D(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì)的消隙機(jī)構(gòu)，可消除刀架回轉(zhuǎn)時(shí)的反向間隙，保證磨削精度，同時(shí)刀架機(jī)構(gòu)是可調(diào)的，一端通過鉸軸與工作臺(tái)鉸接，另一端通過鎖銷安裝在工作臺(tái)上的滑槽內(nèi)，并安裝有鎖銷的松緊手柄，可根據(jù)刀剪幾何形狀的不同，調(diào)整不同擺角安裝刀剪；工作臺(tái)底座和上拖板的配合面選用雙線性導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，因線性導(dǎo)軌精度高，一方面可保證運(yùn)動(dòng)精度，另一方面雙導(dǎo)軌更能滿足工作臺(tái)高剛性及高穩(wěn)定性的要求。 橫向驅(qū)動(dòng)由伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)， 線性導(dǎo)軌及滾珠絲桿兩者配合工作， 是保障機(jī)床的定位精度及重復(fù)定位精度的雙重結(jié)構(gòu)。
3.2.2 主運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
主運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)床的主要關(guān)鍵部分， 因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是雙磨頭，所以需兩條主運(yùn)動(dòng)路線，其結(jié)構(gòu)布局如圖 3 所示。
圖 3 刀剪專用數(shù)控雙頭單面磨床工作臺(tái)布局圖
兩套主軸組件采用主軸副［4，12-13］，在兩臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，由皮帶輪帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)，安裝時(shí)需保證兩主軸的軸心位于同一水平面上，等高平行放置，兩個(gè)砂輪頭架上分別安裝粗、精加工砂輪。
3.2.3 專用程序設(shè)計(jì)［5］
為了更好地發(fā)揮雙磨頭高效切削的功能， 在設(shè)計(jì)時(shí)， 根據(jù)磨刀工藝， 對(duì)所選用的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，如圖 4 所示，開發(fā)專用加工程序 G66L8，運(yùn)行本機(jī)床時(shí)，可直接調(diào)用該程序運(yùn)行，不用重編程序，當(dāng)然，不同的加工刀具及加工材料，可以靈活修改加工參數(shù)。其格式如下。
圖 4 專用程序指令示意圖
G66 L88、G66 L8 為三軸磨刀專用指令，該指令是根據(jù)刀具表面的曲面形狀要求而設(shè)置的， 其運(yùn)行軌跡是：通過參數(shù)賦值后，由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，通過伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，磨床刀架作 X、Z 向聯(lián)動(dòng)的同時(shí)刀架可繞 X軸旋轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡與刀背面的形狀一致，因此用此指令編制的程序其磨削軌跡與刀面形成原理一致， 從而保證加工質(zhì)量。 該指令的格式及涵義如下：
4 、專用數(shù)控磨床的應(yīng)用
現(xiàn)以廣東銀鷹實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司使用該刀剪專用數(shù)控雙頭單面磨床為例， 分析說明本專用磨床的具體使用情況。 該公司使用專用數(shù)控磨床磨削家用小刀及剪刀的圓弧曲面。
家用小刀及剪刀的加工工序是: 先加工好基準(zhǔn)平面，以基準(zhǔn)平面定位，利用專用夾具裝夾好，安放于磨削刀剪的數(shù)控雙頭單面專用磨床的工作臺(tái)上。啟動(dòng)機(jī)床，機(jī)床作原點(diǎn)復(fù)位，對(duì)刀，建立零件加工原點(diǎn)，調(diào)用專用程序，調(diào)整加工參數(shù)。加工工件過程為：
先粗磨圓弧曲面，由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行指令，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線移動(dòng)；
Z 軸進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使中滑座起作用，使刀具作縱向直線移動(dòng)；
X 軸進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使上滑座起作用， 使刀具作 X 向移動(dòng)；兩機(jī)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)消隙機(jī)構(gòu)和刀架機(jī)構(gòu)同時(shí)作用， 達(dá)到磨削圓弧曲面切削。
粗加工完成后，由下滑座的快速移動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具從粗加工砂輪的磨削轉(zhuǎn)移到精加工砂輪的磨削加工，即在同一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)刀具的粗、精磨削。
加工效果為： 內(nèi)圓弧面的表面粗糙度值可達(dá) Ra=0.2—0.4 μm，表面光滑，無任何刀痕。
每件刀剪完成加工時(shí)間為 40—50 s，達(dá)到高效高精度的設(shè)計(jì)目的。
5 、結(jié)束語(yǔ)
高精刀剪專用數(shù)控雙頭單面磨床的特點(diǎn)如下。（1） 實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成刀剪圓弧曲面的粗、 精加工，提高加工效率，解決了刀剪加工效率低、成本高、表面加工精度低等問題，有效縮短了加工時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)成本，提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。（2） 在主軸轉(zhuǎn)速 4000 r/min、 磨削深度 0.5 mm、定位精度 0.002 mm、 每把刀剪加工時(shí)間 40～50 s 的參數(shù)下，達(dá)到了高效、高精度磨削刀剪的目的。
來源： 廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 廣東省茂名市永順機(jī)械有限公司 廣東省茂名市技工學(xué)校
作者： 陳銀清 李凱 任明 鄭澤鈿 李觀輝
