數控內圓復合磨床的設計開發

2013-05-30 05:18:38

裝備機械 2013年1期

0 前言

隨著我國汽車行業的不斷發展，汽車變速箱用齒輪的需求量也隨之大幅增加，故對應加工該類零件內孔、端面及外圓的機床需求量也大幅增加。我國現有加工該類機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。針對國內該類汽車變速箱用齒輪的尺寸規格和需求量，應對我國現有的市場需求，面向高精度、高效率零件加工的磨削加工要求，研制開發了MK2110型數控內圓復合磨床。MK2110型可實現被加工工件的內孔、端面、外圓的同時加工，配備有自動測量儀和消空程防碰撞裝置，配有齒輪零件專用夾具，并可配置工業機器人自動上下料，可實現自動生產線中的無人操作要求，大大提高生產效率。

1 MK2110型數控內圓復合磨床介紹

MK2110型數控內圓復合磨床（如圖1所示）基于FANUC系統開發，數控四軸控制；工件采用專用彈性薄膜夾具裝夾；機床配置兩個磨頭，床身上分別安裝有能夠沿床身縱向及橫向進給的十字拖板，端面外圓磨頭和內圓磨頭分別安裝在兩個十字拖板之上，通過對應的驅動裝置驅動兩個磨頭的進給。十字拖板安裝在床身的中間偏后及右端，保證兩個磨頭在同時進給時不會發生干涉，滿足工件一次裝夾同時對內圓、外圓及端面進行磨削加工，完成自動循環磨削；機床并具有砂輪自動進給，粗、精、無火花磨削、工件無級調速、自動修整砂輪、自動測量工件等多種功能。

機床頭架底座安裝在床身之上，頭架安裝于頭架底座上。測量機構安裝在頭架前方，通過氣缸的翻轉控制，可以方便有效地進行工件的測量。

端面外圓砂輪修整器安裝在測量機構的側面，內圓砂輪修整器則安裝在頭架底座處向外突出的一個支架上，該結構能夠保證端面外圓砂輪及內圓砂輪可以同時進行修整，提高砂輪修整效率。

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

圖1 MK2110型數控內圓復合磨床

1.1 機床主要技術參數和工作精度

表1 機床主要技術參數和工作精度

1.2 機床控制系統

MK2110型數控內圓復合磨床電氣系統采用日本FANUC 0i-TD系統，系統為模塊化結構。主CPU板上除了主CPU及外圍電路外，還集成了FROMaLSRAM模塊、儲存器和主軸模塊、伺服模塊等。系統具有HRV（高速矢量響應）功能，理論上可使輪廓加工誤差減小一半。系統內裝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19 200 b/s，可以通過HSSB（高速串行總線）與PC相連，使用儲存卡實現數據的輸入/輸出。良好的中文人機界面，顯示各數控軸的參數，實現工件各工序的磨削控制及砂輪修整控制。

控制系統具有自診斷功能，可自診斷機床故障并通過顯示器顯示各種故障報警和輸入、輸出狀態，便于調試和維修。系統還可使機床在快速移動或進給移動過程中實現不同的間隙補償及參數自動補償。機床在快速定位和切削進給等不同工作狀態下，反向間隙補償效果更為理想，有利于提高零件加工精度。

機床配備MARPOSS-E20N消空程裝置，采用超聲波技術探測磨削時產生的微小聲音變化，在砂輪接觸到工件或砂輪修整器時會提供非常精確的反饋信號給機床控制系統。消空程裝置對于防止碰撞和探測機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床上，以縮短加工循環周期，提高加工效率，降低費用。

機床采用數控四軸控制，數控軸數包括：

內圓磨頭橫向進給X1軸

內圓磨頭縱向進給Z1軸

端面外圓磨頭橫向進給X2軸

端面外圓磨頭縱向進給Z2軸

內圓磨頭縱向進給軸Z1和橫向進給軸X1，可實現內圓砂輪在工件加工時的磨削進給控制；端面外圓磨頭縱向進給軸Z2和橫向進給軸X2，可實現端面外圓砂輪在工件加工時的磨削進給控制。數控四軸進給伺服電機均采用FANUC αiF系列電機，數控四軸分別由伺服電機的編碼器形成半閉環控制。

機床還具有多種安全保護功能，如供氣系統的壓力保護、電機的過載保護、十字拖板的超程保護、電源開關開門斷電保護等電氣保護及安全連鎖功能。

1.3 機床主要部件結構

1.3.1 床身

機床床身采用整體式結構（見圖2），采用高強度低合金孕育鑄鐵，內部筋板呈蜂窩狀布置，較之箱型結構具有更好的剛度、強度以及更小的變形量。經過二次時效處理，保證機床整體結構的剛度、強度及低變形。滿足機床高效、復合、高精度的磨削要求。

圖2 床身平面布置

1.3.2 內圓磨頭

內圓磨頭主軸前、后兩端均采用高精度滾動球軸承支承，通過交流變頻器實現內圓砂輪的無級調速。內圓磨頭與磨桿連接采用HSK標準的聯結方式，即磨桿的端面和短錐同時與內圓磨頭主軸的端面和內錐接觸，磨桿短錐為1：9.98錐度，內圓磨頭主軸內錐為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 內圓磨頭結構

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組滾動球軸承支承，后端采用高精度和高剛度的滾動圓柱軸承支承，增加了端面磨頭磨削時剛度。磨頭主體采用套筒式安裝方式，降低了加工和安裝時難度。磨頭通過交流變頻器實現砂輪的無級調速。

圖4 端面磨頭結構

1.3.4 內圓磨頭、端面磨頭進給系統

內圓磨頭、端面磨頭的橫向進給和縱向進給系統布局型式，均為十字交叉型式布局，如圖5所示。進給系統采用交流伺服電機驅動滾珠絲杠副實現傳動，進給導軌均采用高剛度滾柱直線滾動導軌副。

圖5 橫向、縱向進給系統結構

1.3.5 頭架

頭架主軸轉速由交流變頻電機通過三角皮帶減速，經變頻器實現無級調速；主軸采用高精度滾動球軸承支承。頭架下面設有頭架回轉機構，可對在磨削過程中出現的工件內孔錐度變化進行微量調整，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現對不同種類工件的加工。比如，更換為專用的彈性薄膜夾具，采用齒輪節圓定位，可實現對汽車變速箱齒輪的內孔、端面、外圓的加工。

圖6 頭架結構

1.3.6 翻轉測量裝置

磨削工件內孔及端面時用的翻轉測量裝置同時裝有兩套測量頭，通過調整測量頭范圍從而測量不同內徑的工件孔及端面。其結構簡單，測量精度高，整體通過支架固定在頭架底座上。內圓測量頭通過滑座裝在導軌上，通過上下兩個螺桿調節滑座的位置，從而定心及測量不同內徑的工件。端面測量頭同樣裝在滑座上并通過調整螺釘調整測量頭左右位置，滑座固定在擺臂上。

擺臂由氣缸驅動，氣缸的行程確定后，擺臂的翻轉角度即可確定,翻轉角度為90°。擺臂繞轉軸翻轉到固定位置，然后通過機床氣路驅動測量頭到達測量位置。

圖7 翻轉測量裝置結構

1.3.7 彈性膜片卡盤

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

彈性膜片卡盤通過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力來實現，恢復力的大小取決于預張量的大小。工件的松開是通過拉桿或氣壓推動彈性膜片使其變形實現。此類卡盤除了包括離心力的補償以消除由于機床主軸高速旋轉而產生影響的特征外，還包括后拉動作，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床主軸和軸承系統的磨損與損壞。

彈性磨片卡盤采用密封設計，能夠承受包括研磨污泥和冷卻殘液等惡劣的工作環境。

圖8 彈性膜片卡盤結構

2 MK2110型數控內圓復合磨床主要部件的設計

2.1 頭架電機的驅動力計算

主要驗證頭架電機能否帶動工件運動。

2.1.1 驗證條件

工件重量G=30 kg ，工件直徑d=100 mm

摩擦因數μ=0.1，減速比i=1∶1.8

電機額定轉速N=1 500 r/min

額定功率P=2.2 kW

傳遞效率η=0.92，起動加速時間t=30 s

2.1.2 計算

工件轉速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

工件轉動慣量J=md2/2=0.15 kg·m2

工件慣性力矩T=Jθ=0.435 Nm

帶動工件起動的功率

從計算結果可知P＜P額，滿足驅動要求。

2.2 內圓磨頭十字滑臺的驅動力驗證

主要驗證伺服電機能否帶動內圓磨頭十字滑臺作縱向和橫向運動。

2.2.1 驗證條件

十字滑臺上零部件總重量G縱=470 kg

導軌靜摩擦因數μ=0.08

伺服電機M額=8 Nm

絲杠導程P=10 mm

傳遞效率η=0.9

絲杠額定靜載荷C=52.2 kN

絲杠額定動載荷C0=25.7 kN

安全系數s=0.625

2.2.2 計算

內圓磨頭十字滑臺縱向移動需克服的摩擦力：

內圓磨頭十字滑臺縱向移動需要的扭矩：

電機需輸出扭矩：M電=0.42 Nm

從計算結果可知F＜C,M電＜M額，滿足驅動要求。

由于G橫＜G縱，絲杠和電機型號相同，所以伺服電機能夠帶動內圓磨頭十字滑臺作橫向運動。

2.3 端面外圓磨頭十字滑臺的驅動力驗證

主要驗證伺服電機能否帶動端面磨頭十字滑臺作縱向和橫向運動。

2.3.1 驗證條件

端面十字滑臺上零部件的總重量G縱=670 kg

導軌靜摩擦因數μ=0.08

伺服電機M額=8 Nm

N額=3 000 r/min

P額=1.6 kW

絲杠導程P=10mm

傳遞效率η=0.9

絲杠額定靜載荷C=52.2 kN

絲杠額定動載荷C0=25.7 kN

安全系數s=0.625

2.3.2 計算

端面磨頭十字滑臺縱向移動需克服的摩擦力：

端面磨頭十字滑臺橫向移動需要的扭矩：

電機需輸出扭矩M電=0.59 Nm

從計算結果可知F＜C,M電＜M額，滿足驅動要求。

由于G橫＜G縱，絲杠和電機型號相同，所以伺服電機能夠帶動端面磨頭十字滑臺作橫向運動。

3 MK2110型數控內圓復合磨床水平

3.1 國內外技術現狀

在汽車、摩托車行業中所用的磨床往往需要對齒輪、軸類零件的內圓、外圓及端面進行磨削。現有的國內廠商生產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圓、外圓及端面；而國外及臺灣地區廠商生產的同類型復合磨機床多為多工位（臺灣省容光機械生產的雙主軸磨床，為兩工位加工）或是帶刀庫的復合磨床（德國STUDER公司生產的復合磨床）雖在工序集合程度上強很多，但不如該磨床可同時加工內圓、外圓及端面，完成自動循環磨削。