全自動鞋底磨邊機研制

李恒，沈輝，呂明明，陳徐兵，嚴偉明，蔣波

（1.揚州大學機械工程學院，江蘇揚州225127;2.華中科技大學國家數控系統工程技術研究中心揚州研發中心，江蘇揚州 225127）

0 引言

制鞋業是我國重要的制造及出口行業，在我國國民經濟生產中占有重要的地位。目前，我國的制鞋企業普遍存在著制鞋設備自動化水平低、產品科技含量不高、工藝水平低、產品品質參差不齊等問題［12］。鞋底磨邊作為制鞋工藝中的重要一步，對制鞋的品質有著較大的影響，目前國內制鞋企業大都在使用效率低的手工鞋底磨邊機，鞋底磨邊品質受人的影響因素很大，難以保障產品品質，一定程度上阻礙了我國制鞋業的發展。如何提高鞋底磨邊的品質和提高企業的經濟效益是制鞋業亟待解決的問題。

根據企業需求，研制出專門用于鞋底磨邊的數控機床，用全自動鞋底磨邊機取代手工鞋底磨邊機，具有較大的意義。這將對提高制鞋的效率和品質，改變現在制鞋企業人員不足的情況，生產出高品質的鞋類產品，推動我國制鞋業的發展，起到巨大的作用。

1 鞋底磨邊機總體布局設計

開發鞋底磨邊機的目的是用數控技術取代存在于制鞋企業中的手工對鞋底磨邊的狀況，提高企業效率。開發出的鞋底磨邊機的主要功能是實現對鞋底貼邊和貼跟中存在的參差不齊部分進行少量的切削，然后對鞋底邊進行粗磨和精磨加工，實現鞋底邊曲線的光滑處理。

根據要實現的功能和鞋底加工的特點，在對鞋底磨邊機進行分析中，可以看出該機床具有銑床和磨床的功能，由于鞋底為不規則曲線，材料為橡膠、塑料等，形狀較小，質量輕，機床的切削力小，加工精度要求不太高，但要求機床質量比較輕，成本低，因此在這里采用平行立式結構，主要由x，c，t三個軸組成，具體設計為:

1）由于機床比較輕，且要求便于移動，在加工過程中切削力比較小，因此整個機床采用矩形槽鋼焊接而成。機床主軸與工作臺豎直方向平行放置。

2）機床主軸t軸與換刀裝置裝配在一起，通過齒輪帶動刀架的轉動，而主軸通過皮帶與刀架上的刀具軸連接，帶動三把刀同時轉動，實現對鞋底的加工。

3）進給軸x軸實現水平方向的進給運動，加緊旋轉軸c軸實現鞋底的旋轉運動。機床通過數控系統控制x軸和c軸的聯動，來進行鞋底的磨邊。進給運動通過滾珠絲杠和滾動導軌來實現，旋轉運動則通過蝸輪蝸桿結構帶動上下鞋模來實現。

4）鞋底夾緊裝置通過氣缸來實現對鞋底的固定。

5）機床電器控制柜放置機床（正對機床）右面。

6）控制器安裝在由一連桿引出的控制器架上，放在鞋底磨邊機右前面，便于操作時對鞋底磨邊機情況的觀察。

2 鞋底磨邊機加工工藝過程

對于鞋底這種不規則物體的加工，加工工藝流程對鞋底的加工精度和鞋邊的品質具有較大影響。鞋底磨鞋機中采用了進給軸x軸和旋轉軸c軸兩軸聯動，刀具軸t固定不動的加工方式，實現對鞋底邊的加工。在加工中進給軸x軸的運動包括進給運動和往復跟隨運動。具體的工藝流程為:c軸通過旋轉實現鞋底的對刀，以鞋底的最后端為加工的起點，x軸快速進給直到鞋底最后端距刀具0.5 mm為止，此時，x軸和c軸開始進行聯動加工，當切削完后，x軸后退到一定的安全距離，換刀后重復上面的動作進行粗磨，然后進行精磨。

3 鞋底磨邊機結構設計

鞋底磨邊機的機械機構主要由主軸機構、進給系統、夾緊旋轉轉置及其附屬裝置組成，其整體結構如圖1所示。

圖1 鞋底磨邊機整體結構

3.1 主軸傳動結構設計

主傳動系統應能保證執行部件具有一定的轉速和足夠的變速范圍，以適應不同的加工要求［3-4］。鞋底磨邊機主軸傳動系統的結構設計如圖2所示。

主傳動系統運動過程如下:主軸電動機通過變速機構、聯軸器直接與傳動軸相聯，通過皮帶把動力傳遞給刀具。其具體的過程為:起動機床—控制系統輸入工藝參數—主軸電動機工作—皮帶輪轉動—皮帶—帶動刀架上3把刀具同時轉動。

由于鞋底磨邊機需要銑削、粗磨和精磨3個步驟，使用3把刀來進行加工，因此還需要實現一個基本的換刀功能。換刀裝置工作過程:換刀電動機接到指令，開始轉動－通過齒輪裝置，帶動與傳動軸同軸向的齒輪轉動，該齒輪與刀架傳動機構連接－刀架傳動機構一起轉動－由于行星刀架與該機構連接，因此最終帶動刀架的轉動－當刀架轉動120°后，準停機構開始運動，使刀具準確的停在所在位置，準停機構還有在刀具工作過程中起固定刀架的作用。

圖2 主軸傳動結構

3.2 進給系統的設計

進給系統是鞋底磨邊機的一個重要組成部分，進給系統直接控制著工件的進與退，其靈敏度、穩定性及傳動精度直接影響著鞋底的加工精度和質量。在條件允許的情況下應該盡量降低運動部件的質量，減小慣性力，盡量減小摩擦阻力，提高進給系統的性能。鞋底磨邊機進給系統采用了數控機床最常用的驅動方式“伺服電動機+滾珠絲杠”的驅動方式，由于滾珠絲杠的歷史悠久、成本較低、技術成熟，在中等載荷，行程范圍不太大的數控機床和加工中心中被廣泛采用。

3.3 夾緊旋轉裝置設計

為了實現鞋底形狀的加工，設計中采用刀軸固定、工件移動的方式來實現。加工的軌跡是由一個直線運動和一個旋轉運動合成的，直線進給運動上文已介紹，這里將介紹旋轉運動。所謂旋轉即使鞋模在加工的過程中能實現360°的圓周運動，使其在一次裝夾中能完成鞋底整個邊線的加工。為了讓鞋底能旋轉，本項目采用的是將鞋底下模與一根傳動軸進行連接，通過電動機使傳動軸轉動，從而帶動鞋模的轉動。

鞋底在加工的過程中需要一夾緊裝置對其進行固定，本設計中將夾緊裝置和旋轉機構裝配在一起，因此在旋轉的過程中同時使上下模具轉動。

夾緊裝置采用下模固定，上模壓緊的方法，整個壓緊力是通過一個氣缸來完成，氣缸的作用是帶動升降軸動，從而產生壓緊力。整個夾緊旋轉裝置圖如圖3所示。

4 數控系統選型

基于鞋底磨邊機控制的特點，本設計選用了經濟型數控系統DNC-11，本數控系統為基于ARM+FPGA的硬件體系結構，有4個脈沖口、32路數字輸入、32路數字輸出和4路0—10 V模擬輸出接口（圖4），具有結構緊湊、穩定性高的特點。軟件為基于Linux+Xenomai的實時操作系統，鞋底磨邊機數控系統的軟件由底層軟件和用戶軟件兩個層次組成（圖5），其中底層軟件為數控系統的核心部分。在底層軟件中，Xenomai為Linux的實時擴展，主要負責數控系統實時任務的調度。NCSHELL為底層與用戶界面的接口，主要管理插補計算、PLC調度、內部監視、位置控制等所有的外部控制對象。底層軟件通過定義的完備的接口，可以向上層提供所有的底層服務。應用軟件則為用戶與底層軟件的接口。

圖5 基于Linux+Xenomai的數控系統結構

5 結論

試驗結果表明，所研制的全自動鞋底磨邊機其加工出的鞋底，各項指標均符合要求。在制鞋業自動化水平要求越來越高的今天，全自動鞋底磨邊機在今后將得到廣泛的應用與推廣，在制鞋領域發揮較大的作用。

［1］章獻忠.我國鞋類設計現狀分析與發展策略［J］.西部皮革，2009，31（4）:9.

［2］陳建良，童水光，胡揚五.數控刻楦機研制［J］.機床與液壓，2005（11）:10-11.

［3］周利平.數控裝備設計［M］.重慶:重慶大學出版社，2011.

［4］王愛玲.現代數控機床結構與設計［M］.北京:兵器工業出版社，1999.

［5］楊賀來.數控機床［M］.北京:清華大學出版社，2009.