短道速滑冰刀槽刃數控自動磨刀機的設計方案

摘 "要：冰刀結構、冰刀研磨、運動服裝等非運動員主體條件的技術創新不僅豐富了速度滑冰訓練理論的完善，對速度滑冰技術的改進亦起到決定性作用。短道速滑運動員使用槽刃冰刀可以增大運動員彎道滑行時法線方向冰刀與冰面之間的斜面的支撐力，可以讓運動員把身體向圓心方向傾斜的程度加大、產生更大的向心力，以更快的速度滑過彎道。在4軸聯動數控磨床基礎上設計一臺專門加工短道速滑冰刀槽刃的自動磨刀機，技術關鍵是將冰刀刀片與砂輪軸布置在同一水平面上、使用單斜邊砂輪，這樣才可以為短道速滑冰刀磨出槽刃。短道速滑冰刀槽刃數控自動磨刀機還包括工件夾具、電源、數控裝置、輔助裝置等其他功能組件。

關鍵詞：短道速滑;數控磨床;槽刃;自動磨刀機;設計

中圖分類號：G862.1 " " " " " "G818.3 " " " " " "文獻標識碼：A " " " " " "文章編號：1002–3488（2014）06–0093–04

Design of An Automatic Sharpener for the Reeded Double-wedge Blade in Short-track Speeding Based on CNC Grinding Machine

LIU Feng

（Physical Education College of Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： Skate structure， skates grinding， sportswear and other technical innovations non-athletes not only enriches speed skating training theory， also played a decisive role in improving the technique of speed skating. Short skate blade slots can be increased by using skaters glide slope of the curve and ice skates support force between the normal direction， allowing the skaters to increase the extent of the body tilted to the center， resulting in greater centripetal force at a faster rate over the corners. 4-axis CNC grinding machine designed on the basis of a specially machined reeded blade skates automatic sharpener， technology is the key to make skate blade and grinding wheel axis arrange in the same horizontal plane， a single-bevel wheel， so that it can get reeded wedeg for short track speed skating. CNC automatic blade skates groove sharpener also includes other functional elements including workholder， power supply， CNC equipment， auxiliary devices.

Key words： short track speed skating;CNC grinding machine;reeded wedge;automatic sharpener;design

目前，競技體育項目運動成績的突破性發展與現代科學技術的進步，與多學科的互相滲透、交叉和應用密切相關。從速度滑冰項目的競賽成績的發展看，運動員是競賽的主體條件，其自身的競技能力（體能、技能、戰術能力、運動智能、心理能力）的充分展現無不伴隨著競賽規則、比賽條件、競賽器材、裁判技術等客體條件（非運動技術條件）的創新而改變。

速度滑冰的世界紀錄有六次較大幅度提高 [1]，可稱其為世界速滑現代史上的六大飛躍，每次飛躍都伴隨著速滑場地、滑冰器材、冰刀研磨技術的創新[2-4]，這些非運動員主體條件的技術創新不僅豐富了速度滑冰訓練理論的完善，對速度滑冰技術的改進亦起到決定性作用。尤其在運動員體能、技能、戰術能力、運動智能、心理能力相差無幾的情況下，充分利用、改善客體條件，將對速度滑冰運動員臨場心理的穩定性、競技能力的發揮起到積極的作用，并成為提高運動成績的重要途徑。

運用運動成績提高的歷史觀和現代科技的發展觀揭示冰刀結構、冰刀研磨、運動服裝、檢測監控、場地環境，以及裁判系統等技術特性影響運動成績的關聯因素[5-10]，這些客體條件的物理特性創造了運動者之間客觀的物理條件不平等性。對速滑運動員群體來說，非運動技術條件的利用是“人為創造差異條件”——創造運動者之間客觀物理條件的不平等，從而影響不同運動員的成績，教練員、運動員對非運動技術條件的再挖掘、利用和創新有著不同尋常的意義[11]。在70年代以前，我國磨刀機的工作都是由手工進行操作;進入70年代以來，我國開始使用電動磨刀機，大大提高了工作效率，除了進口外，還進行了研發[12-16]。短道速滑運動員使用現在的平刃冰刀不能滿足用最快的速度滑過彎道的要求，而使用象花樣冰刀、冰球刀那樣的槽刃冰刀可以增大運動員彎道滑行時法線方向冰刀與冰面之間的斜面的支撐力，可以讓運動員把身體向圓心方向傾斜的程度加大、產生更大的向心力，以更快的速度滑過彎道。我們在過去發表的文章《短道速滑運動員使用槽刃冰刀的理論初探》中用力學知識對這個論點進行了論證[17]，并且建議相關部門研制給短道速滑冰刀加工槽刃的自動磨刀機，請短道速滑運動員使用槽刃冰刀做滑行試驗。

目前，國內外還沒有能夠給短道速滑冰刀加工槽刃的機器，研制短道速滑冰刀自動磨機刀這一塊兒還是空白，如果中國能夠從現在開始研制給短道速滑冰刀加工槽刃的自動磨刀機，就可以占得先機，在短道速度滑冰運動使用的設備、器材設計制造方面取得專利，在滑行技術上領先對手，在短道速滑冰刀自動磨刀機進入實用階段開始的幾年里，中國運動員就有可能因此多奪得幾個世界冠軍。本文提出了一個短道速滑冰刀自動磨機刀的設計方案供讀者探討。

1 " "數控自動磨刀機關鍵部件的選擇與安裝

現有的花樣冰刀、冰球刀加工槽刃的自動磨刀機由于砂輪在磨削過程中損耗變形，為花樣冰刀、冰球刀磨出的槽刃如果高倍放大了看并不是真正的銳角劈，尖端發生了鈍化（圖1），這種磨削方式加工出的槽刃不能用于短道速滑運動。要磨出真正的銳角劈，就要改目前磨花樣冰刀、冰球刀的自動砂輪磨刀機的立式布局形式為臥式布局形式[3-4]，將冰刀刀片的正中面與砂輪軸布置在同一水平面上（圖2），這樣可以使砂輪的形狀在磨削過程中保持較高的真圓度，磨削后的刀刃接近理想的劈。

2 " "數控自動磨刀機的微型4軸聯動數主體功能模塊

短道速滑冰刀的刀片形狀除很窄很長外，與冰面接觸的部分在矢狀面上呈一條曲率中心和曲率半徑逐點不同的曲線，短道速滑運動又是一個競速項目，實現砂輪的斜邊中點與較長的刀片正面任何一點相切和很高的加工面粗糙度等級，給短道速滑冰刀加工槽刃的難度遠大于給花樣冰刀、冰球刀加工槽刃，復雜的進給動作可以由一臺4軸聯動數控機床來完成。

2.1 " "Z軸

采用臥式機床，冰刀左右方向水平放置被夾具固定，砂輪在水平面與冰刀矢狀軸平行方向上的運動為Z軸（圖4）。傳遞切削力的主軸（砂輪軸）與冰刀矢狀軸、Z軸在同一水平面上，但是主軸與Z軸的方向并不完全相同，與冰刀矢狀軸在水平面上呈15o左右夾角（圖3）。因為短道速滑冰刀的刀片幾何形狀狹長，要使砂輪在水平面左右方向運動，不受阻礙地從刀尖開始磨削至刀尾，又要保證砂輪軸的剛度，就要使砂輪軸盡量短，就要使砂輪軸與冰刀矢狀軸有一定的夾角。

2.2 " "X軸

砂輪在水平面上與Z軸相垂直的方向前后平移為X軸，砂輪接近、接觸被夾具固定的冰刀刀片正面產生正壓力或離開。因為冰刀刀片與冰面接觸的部分在矢狀面上呈一條曲率中心和曲率半徑逐點不同的曲線，在加工不同部位時為了使砂輪能夠始終與刀片正面接觸且壓力大小不變，要有使砂輪在水平方向前后平移進給的伺服機械機構（圖4）。

2.3 " "Y軸

砂輪在與Z、X軸構成的平面相垂直的方向高低上下移動為Y軸。為了保證冰刀刀片的內側劈和外側劈是對稱的、溝槽的最低點在冰刀刀片的正中面上，砂輪軸與被夾具固定的冰刀刀片的正中面要在同一水平面上（圖2），砂輪要能夠在高低方向上下微調移動。

2.4 " "B軸

繞Y軸的旋轉軸。因為冰刀刀片與冰面接觸的部分在矢狀面上呈一條曲率中心和曲率半徑逐點不同的曲線，為了跟隨曲線的變化，使砂輪能夠與刀片正面逐點相切，并且是單斜邊砂輪的斜邊中點與刀片正面逐點相切，砂輪軸與與刀片矢狀軸之間的夾角并不是固定15o不變的，要通過砂輪軸繞著Y軸微量轉動對砂輪軸在水平面上與刀片矢狀軸的夾角進行補償（圖4），實質就是要保持砂輪軸與刀片正面任一切點的切線呈15o夾角。

2.5 " "床身

數控自動磨刀機需要配置一個質量不太大而又穩固的床身。為了便于搬運，整機總質量控制在50 kg以內為宜。

3 " "數控自動磨刀機其他功能組件

3.1 " "工件夾具

固定冰刀的夾具。能夠將水平放置的單只冰刀很牢固地夾住，并且在磨削過程中刀片受切削力作用產生的振動很小。

3.2 " "電源

因為砂輪與冰刀的接觸面積很小、切削量很小，所需最大切削力、主軸最大扭矩很小，主軸電機的功率很小，伺服機構各電動機的功率也很小，采用低電壓工作方式較為安全、方便。可以使用市電作為初級電源，次級輸出電壓12 v或者24 v，輸出3路，主要供給照明設備、計算機、機械動力使用。

3.3 " "數控裝置

一臺起控制、監視功能的小型計算機，負責每一雙冰刀的刀片矢狀面曲線、劈的角度（刀片正面槽的深淺）等數據的輸入、修改，輸出控制信號控制砂輪在4個軸向的伺服進給，保證砂輪按照程序與刀片正面相切。顯示安裝在砂輪附近的微型攝像機拍攝到的加工畫面，即時監視加工面的狀況。

3.4 " "輔助裝置

為了提高自動化程度和加工精度，需要想辦法在砂輪之前、盡可能靠近砂輪處安裝一個激光循跡裝置，并且與砂輪同步、同軌跡運動，利用拋物線的光學性質，把收集到的信號反饋給計算機，控制砂輪在Y軸方向上下移動，保證砂輪軸與被夾具固定的冰刀刀片正中面在同一水平面上。在砂輪之后、靠近砂輪處安裝一個微型攝像機，即時攝取加工面的狀況。這兩個裝置與砂輪的進給同步運動。

4 " " 結語

筆者認為上述觀點可能有不符合目前人們對項目競賽規律的認識或寫得有不好、不到之處，但重要的是，短道速滑刀未來需不需要用溝刃，怎么樣才能給短道速滑刀磨出達到實戰要求的溝刃來，筆者提出的辦法能不能給短道速滑刀磨出達到實戰要求的溝刃來，是不是提出了一個別人沒有想到的、有價值的點子。如果這篇文章能夠起到拋磚引玉的作用，提出了一個新的課題，甚至能夠使我們國家的運動員使用上了新式武器，在下一屆冬奧會、2022年冬奧會出其不意地多拿幾塊金牌，也是筆者應盡的一點微薄之力。作為一名冰雪體育工作者，最大的愿望就是冬奧會能在中國落地，運動員能在祖國的大地上爭金奪銀，展現中華兒女的風采。

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