刀片周邊數(shù)控磨床關(guān)鍵部件研發(fā)
——B 軸+C 軸及相關(guān)部件

朱祝生， 楊 甫， 王 維， 徐 勇， 羅慶豐

（1.中國機(jī)械總院集團(tuán)云南分院有限公司，云南 昆明 650031；2.云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650031）

0 引言

2021 年8 月19 日，國資委召開擴(kuò)大會議，會議強(qiáng)調(diào)：要把科技創(chuàng)新擺在更加突出的位置，針對工業(yè)母機(jī)、高端芯片、新材料、新能源汽車等領(lǐng)域加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān)[1]，會議中將工業(yè)母機(jī)位于首位。切削加工仍是機(jī)械加工的主導(dǎo)方式，其總份額的機(jī)械制造90%以上，刀具及切削刀片的投入占整個系統(tǒng)投入的10%甚至更多，新型刀具制造技術(shù)的先進(jìn)材料的發(fā)展極大的推動了刀具行業(yè)的發(fā)展[2]?？赊D(zhuǎn)位刀片刀具的推廣應(yīng)用是金屬切削行業(yè)的重要發(fā)展方向之一，隨著我國制造業(yè)規(guī)模的不斷發(fā)展，可轉(zhuǎn)位刀具在使用過程中的優(yōu)勢會愈加明顯[3]。 作為刀片生產(chǎn)的重要裝備， 數(shù)控刀片磨床的技術(shù)水平對刀片的制造精度好質(zhì)量有著及其重要的影響。 近年來通過技改投入，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備， 刀具行業(yè)的技術(shù)及產(chǎn)能都取得了較大的提升。 但是高性能的數(shù)控刀片磨床與國外相比仍有較大的差距。 就此，通過對國內(nèi)外生產(chǎn)廠家進(jìn)行對比及市場分析后，確定研制MDPK40 型數(shù)控刀片磨機(jī)床。 論文就機(jī)床及其主要關(guān)鍵部件B 軸+C 軸刀片組合運(yùn)動及刀片定位、夾持及位置檢測等功能實(shí)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行闡述。

1 MDPK40 型數(shù)控刀片磨機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)控刀片磨機(jī)床由： 支撐整個機(jī)床各移動部件的床身，提供刀片磨削運(yùn)動主軸部件，金剛石砂輪的在線修整機(jī)構(gòu)，提供主軸移動的X、Z 軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)及相關(guān)構(gòu)建，滿足刀片周邊、刃口及各斜角磨削的B+C 軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀片夾持機(jī)構(gòu)，輔助上料機(jī)器人、料架、內(nèi)外防護(hù)，機(jī)床相關(guān)的液壓、氣動、冷卻設(shè)備、滅火設(shè)備、除霧裝置、控制系統(tǒng)等組成，布局見圖1。

圖1 刀片磨床整體布局圖

2 數(shù)控刀片磨床B 軸C 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足刀片加工需求，B 軸與C 軸的參數(shù)設(shè)置為B軸快移速度360°/S，定位精度為3″，重復(fù)定位精度1.5″； C軸行程-30°～30°，快移速度360°/S，定位精度3″，重復(fù)定位精度1.5″。 機(jī)床B 軸安裝在C 軸之上，C 軸安裝在機(jī)床所設(shè)定的位置見圖1。B 軸主要組成見圖2，按旋轉(zhuǎn)功能B軸分為主動機(jī)構(gòu)和從動機(jī)構(gòu)兩部分， 從動機(jī)構(gòu)后部設(shè)置有輔助夾緊裝置， 當(dāng)主動夾緊機(jī)構(gòu)伸出推動刀片夾緊機(jī)構(gòu)前移，將機(jī)械手傳遞過來的刀片夾緊時，輔助夾緊機(jī)構(gòu)同時伸出將刀片初步夾緊。與此同時，升降式定位機(jī)構(gòu)在氣缸作用下上移， 推動定位機(jī)構(gòu)至刀片位置對刀片的位置精度進(jìn)行確認(rèn)調(diào)整。升降式定位機(jī)構(gòu)在移動過程中，為了防止切削液及磨削污染導(dǎo)推桿， 在外圍安裝有伸縮式防護(hù)。 B 軸底盤旋轉(zhuǎn)通過C 軸電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動實(shí)現(xiàn)行程范圍內(nèi)的擺動，B 軸中心軸線與C 軸回轉(zhuǎn)軸線空間重合。

圖2 B 軸整體外形結(jié)構(gòu)與布局

2.1 B 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對機(jī)床B 軸的功能特點(diǎn)， 對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局設(shè)置見圖3， 其中B 軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置主要功能是在刀片加持成功后， 在磨削過程中提供360°旋轉(zhuǎn)以完成磨削過程中刀片旋轉(zhuǎn)軸線上的運(yùn)動， 從動機(jī)構(gòu)會在刀片傳遞驅(qū)動力的情況下同步轉(zhuǎn)動。推出夾緊裝置在外部設(shè)置有進(jìn)氣口，當(dāng)機(jī)械手將刀片送至制定位置后，數(shù)控系統(tǒng)提供指令，后端腔體進(jìn)氣推動活塞桿前移至刀片位置， 隨動裝置同時將刀片夾持器推出初步夾緊后， 如前述定位裝置上移進(jìn)行刀片初定位。位置檢測桿信號到位后，系統(tǒng)提示測頭安裝盒內(nèi)測頭可以進(jìn)行刀片周邊形狀及位置進(jìn)行檢測。 刀片測頭選擇日本基恩士型號為GT2-A32 接觸式數(shù)字傳感器帶安裝支架OP-84327， 測頭附帶氣缸和DP-77679平板式接觸件，測頭可實(shí)現(xiàn)刀片磨削前尺寸檢測，并將數(shù)據(jù)反饋至系統(tǒng)后確定磨削量； 在磨削結(jié)束后對刀片尺寸進(jìn)行測量， 系統(tǒng)根據(jù)測定數(shù)據(jù)判定刀片磨削加工是否達(dá)到要求以及下一工序進(jìn)行內(nèi)容。

圖3 B 軸總體機(jī)構(gòu)布局圖

根據(jù)上述B 軸的外形及功能描述， 在主動部分機(jī)構(gòu)中，具體布局見圖4。為了確保在磨削加工過程中，B 軸能為磨削時提供了回轉(zhuǎn)運(yùn)動的同時，會在一定程度上承受磨削力，為了與金剛石砂輪的磨削速度匹配，B 軸快移速度為360°/S，選擇通過力矩電機(jī)驅(qū)動B 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在力矩電機(jī)后部安裝有圓光柵進(jìn)行回轉(zhuǎn)位置檢測， 光柵尺位設(shè)計有防護(hù)性能優(yōu)異的防護(hù)罩。 B 軸旋轉(zhuǎn)軸支撐軸承選擇角接觸球軸承，整個軸系在刀片夾緊過程中夾緊力較大，使用要求為夾緊力2000～10000N，所以軸承數(shù)量選擇為前三后三的布局形式。前三列軸承外圈通過軸承壓蓋壓緊，內(nèi)圈使用鎖緊螺母將其并緊在旋轉(zhuǎn)軸上。 旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)設(shè)計有腔體，腔體內(nèi)安裝有活塞，在刀片輸送到位后通過進(jìn)氣推動活塞前移，推動前端的刀片夾頭伸出定位夾緊刀片。

圖4 B 軸主動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計布局

從動機(jī)構(gòu)包含兩個部分組成， 一為在B 軸力矩電機(jī)驅(qū)動作用下，通過刀片傳遞，跟隨主動機(jī)構(gòu)一起旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動，二為刀片定位夾緊動作，其結(jié)構(gòu)見圖5。 心部軸通過軸承支撐在套筒內(nèi)，在油缸伸出壓緊刀片時，軸承承受載荷較大，前端軸承選擇RB3510 型號的交叉滾子軸承，交叉滾子軸承載荷中，軸承的軸向動載荷為Fa，徑向動載荷Fr 和動載傾覆力矩Mk 參數(shù)， 具體計算選型參考軸承廠家樣本，滿足整套軸系中的軸向徑向載荷要求。后部軸承為B71907--T-P4S 型號的角接觸球軸承進(jìn)行軸的定心。軸承通過前端的壓蓋和后端的鎖緊螺母壓緊軸承，軸承安裝工藝及跑合嚴(yán)格按照軸承廠家裝配跑合要求進(jìn)行。 在基座上這只有進(jìn)油口和回油口，軸承使用油潤滑，整套機(jī)構(gòu)安裝有密封性能優(yōu)良的密封圈。 套筒安裝于基座內(nèi)，除支撐從動軸旋轉(zhuǎn)外，后端設(shè)置有相關(guān)位置安裝壓緊機(jī)構(gòu)， 壓緊機(jī)構(gòu)動作推動套筒及整套機(jī)構(gòu)前后移動實(shí)現(xiàn)刀片的夾緊和松開工作。

圖5 B 軸從動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)布局圖

如圖5 所示中的夾緊機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)布局與位置檢測機(jī)構(gòu)見圖6，機(jī)構(gòu)驅(qū)動原件為高壓油缸，油缸前端液壓控制閥組選用電液比例閥對輸出壓力進(jìn)行精準(zhǔn)控制， 該控制目的在于在刀片預(yù)定位及位置確認(rèn)后加大液壓壓力實(shí)現(xiàn)刀片的磨削夾緊功能，液壓活塞桿與壓桿通過圓柱銷進(jìn)行連接。壓桿上設(shè)置有三個銷或軸的安裝孔，中間位置孔安裝有定心軸，另一端與通過銷軸與隨動裝置連接，當(dāng)活塞推出或回縮時，壓桿在液壓力作用下，以定心軸為中心進(jìn)行擺動，便可拖動隨動機(jī)構(gòu)在B 軸基座的導(dǎo)向筒內(nèi)前后移動實(shí)現(xiàn)刀片的松夾功能。在隨動機(jī)構(gòu)后部安裝有隨動板，隨動板上安裝有檢測桿。 檢測桿選用日本基恩士GT2-P12K接觸式數(shù)字傳感器，帶安裝支架OP-76874 及DP-77678標(biāo)準(zhǔn)型接觸件，檢測桿在隨動板的帶動下前后移動，并將位置準(zhǔn)確提供至數(shù)控系統(tǒng)確定夾緊位置及動作是否準(zhǔn)確。

圖6 夾緊機(jī)構(gòu)布局圖

2.2 C 軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計及選型

C 軸支撐著B 軸并驅(qū)動B 軸在C 軸行程范圍內(nèi)進(jìn)行擺動運(yùn)動，C 軸的結(jié)構(gòu)布局見圖7。 C 軸整體為中空結(jié)構(gòu)布局，中間位置安裝有頂料器，頂料器通過氣缸推動實(shí)現(xiàn)上下移動。刀片被B 軸上安裝的刀片夾頭初步加持后，頂料器上移至刀片位置，對刀片位置準(zhǔn)確度進(jìn)行修正，修正完成后氣缸回縮至原位置，在移動行程內(nèi)，設(shè)置有伸縮式防護(hù)機(jī)構(gòu)。 C 軸通過轉(zhuǎn)臺軸承支承定位，為提高其回轉(zhuǎn)精度，在下端設(shè)置有兩列調(diào)心軸承進(jìn)行輔助定位?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動通過力矩電機(jī)驅(qū)動，定子安裝在電機(jī)安裝座內(nèi)，轉(zhuǎn)子與芯軸聯(lián)接， 在力矩電機(jī)下部設(shè)置有圓光柵對回轉(zhuǎn)精度進(jìn)行檢測。轉(zhuǎn)臺軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)臺通過相關(guān)尺寸定位，用螺釘聯(lián)接，B 軸基座安裝于轉(zhuǎn)臺之上。 C 軸力矩電機(jī)選用雅科貝思ADR180-PL-065-S-KB-N-030N-Z169，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為69.7Nm，峰值轉(zhuǎn)矩為167Nm，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速500rpm。電機(jī)定子配置有恒溫水冷。

圖7 C 軸機(jī)構(gòu)布局圖

由于C 軸在驅(qū)動B 軸回轉(zhuǎn)的過程中，B 軸結(jié)構(gòu)形式相對于回轉(zhuǎn)中心而言，屬于具有一定的偏心機(jī)構(gòu)，對回轉(zhuǎn)部件質(zhì)量進(jìn)行測量得總重為220kg，如圖2 所示，回轉(zhuǎn)部件形狀復(fù)雜，質(zhì)量分布不均勻、外形復(fù)雜的零件不能用公式轉(zhuǎn)動慣量， 只能通過試驗(yàn)的方法來精確測定或通過軟件來分析得出[4]。 具體操作方式：用三維軟件建完裝配模型并對部件所有零件材料和性能進(jìn)行定義后， 由于裝配體的顯示坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)中心不統(tǒng)一， 通過軟件質(zhì)量屬性功能里所顯示的慣性張量（①由重心決定，并對其輸出坐標(biāo)系；②由輸出坐標(biāo)系決定選項(xiàng)）均不能準(zhǔn)確反映實(shí)際旋轉(zhuǎn)體慣量。 此時，需新建一裝配體，將模型導(dǎo)入新的裝配體中，選擇裝配關(guān)系為浮動，在裝配基準(zhǔn)面中選擇兩平面，新建基準(zhǔn)軸（方向與X 向相同），調(diào)整裝配關(guān)系，使旋轉(zhuǎn)軸與該新建基準(zhǔn)（X）軸重合，此時顯示的慣性張量中以輸出坐標(biāo)系決定中Ixx=8463127.1055（kg·mm2）值為該裝配體相對于回轉(zhuǎn)中心的慣量，結(jié)果見圖8。根據(jù)上述分析結(jié)果，對其進(jìn)行單位統(tǒng)一換算，即Jm=8.46313kg·m2此時為對于回轉(zhuǎn)軸，T=Jα，其中：T 為驅(qū)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動所需的轉(zhuǎn)矩，J 為負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，α 為角加速度。 J=Jm+Jr，電機(jī)樣本顯示轉(zhuǎn)動慣量為Jr=0.0049kg·m2，得J=Jm+Jr=8.46803kg·m2，

圖8 B 軸慣量分析計算

則角加速度

α=T×安全系數(shù)/J=167Nm×0.7/8.46803≈13.8rad/s2，此時可以看出， 該電機(jī)的旋轉(zhuǎn)為C 軸提供了很好的加速能力以更好的匹配機(jī)床的運(yùn)行，具體計算按電機(jī)樣本進(jìn)行。

3 總結(jié)

機(jī)床B 軸與C 軸機(jī)構(gòu)的功能可分為兩個部分， 第一如論文所述的相關(guān)機(jī)構(gòu)對刀片進(jìn)行準(zhǔn)確的定位夾緊。定位動作由刀片輸送至系統(tǒng)指定位置后，夾具通過油氣壓力推動夾具伸出進(jìn)行處后進(jìn)行初定位，位于夾具下部的輔助定位裝置上移進(jìn)行刀片位置修正，油缸二次施加加緊力對刀片進(jìn)行夾緊， 通過上部設(shè)置的測頭裝置對刀片輪廓進(jìn)行檢測確定磨削加工余量及磨削完成后的刀片尺寸檢定，（夾緊是否準(zhǔn)確到位則有位置檢測開關(guān)進(jìn)行監(jiān)測）； 第二部分為B 軸與C 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，B 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為刀片提供以夾頭中心線為中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，C 軸為刀片提供以C 軸回轉(zhuǎn)中心的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 為提供性能可匹配直線電機(jī)驅(qū)動直線進(jìn)給軸運(yùn)動， 機(jī)床B 軸與C 軸選用力矩電機(jī)驅(qū)動，圓光柵位置檢測，實(shí)現(xiàn)無背隙、全閉環(huán)、高響應(yīng)的回轉(zhuǎn)軸進(jìn)給傳動系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

刀片磨床的B 軸與C 軸聯(lián)動匹配控制， 配合機(jī)床其余各軸及相關(guān)功能集成為刀片周邊磨削加工提供性能優(yōu)異的加工質(zhì)量及加工效率。 根據(jù)不同的刀片形式配置相應(yīng)的夾頭，選用可深度二次開發(fā)的控制系統(tǒng)，功能強(qiáng)大監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)可視化操作。 機(jī)床性能定位與開發(fā)滿足市場需求，同時具有較高的提升空間，配合機(jī)器人送料裝置等可組配柔性加工單元或柔性線。 較為優(yōu)良的參數(shù)配置確保機(jī)床在未來刀片加工行業(yè)占有廣闊的市場前景。