銑磨機新型厚度控制裝置的結構設計

馬質璞 王 偉 張 抗 劉宏偉

(①南陽農業職業學院機電工程系， 河南 南陽 473000； ②南陽理工學院機械與汽車工程學院， 河南 南陽 473000)

隨著現代科技不斷發展，各種光學元件需求量與日俱增，由此對元件加工的生產質量和生產效率的要求也越來越高。雖然目前非球面加工工藝發展迅速，成為當今研究熱點，但是非球面加工難度大、價格昂貴，所以傳統球面光學元件加工的地位也不容忽視，并且對效率和精度提出了更高的要求。

為實現這一要求，部分資金雄厚的大型企業選擇引進國外的自動化磨削設備，但其結構復雜，體積龐大且價格不菲，動輒數十萬乃至數百萬元，最重要的是核心技術秘而不宣，維護起來比較麻煩。

按照“工件加工需求分析—總體方案設計—3D結構設計—主體結構有限元分析—設計結果”的思路,介紹一種立式球面銑磨機厚度控制裝置的結構設計[1]。

該裝置采用模塊化創新設計，拋棄了傳統銑磨機的手柄與彈簧聯動控制的方式，也未采用時下流行的高成本的伺服電動機與滾珠絲杠副的方式，而是采用氣壓缸與柔性機構結合的方式，成本低且易于大量推廣。

1 工件加工需求分析

1.1 加工工藝分析

球面銑磨成型原理[2]，如圖1所示。

球面的曲率半徑為R，磨輪的中徑為Dm，磨輪的刃口曲率半徑為r，金剛石磨輪刃口通過工件頂點，磨輪軸線和工件軸線相交于O點，兩軸夾角為α；球面曲率半徑的大小與兩軸的夾角α有關。當磨具選定后，中徑Dm和刃口半徑r為定值。

磨輪繞自身軸高速旋轉，工件繞自身軸低速轉動，這種運動軌跡包絡面就形成球面。調節不同的α角，即可加工出不同曲率半徑R的球面。

R與α的關系如下：

其中，凸面取“+”號，凹面取“-”號。

1.2 傳統銑磨機厚度控制裝置的缺點

以占據球面銑磨市場半壁江山的XM-18臥式球面銑磨機(圖2)為例，傳統的球面銑磨機的厚度控制裝置借助彈簧拉力進行進給，由工人手動操作。工件軸內裝有彈簧驅動的芯桿，當工件軸退回時，工件軸自動停止，夾頭松開。

加工工件的尺寸通過調整磨輪軸和工件軸的位置來實現，其表面粗糙度可以通過設置計時器控制粗精磨時間來達到。此類設備，加工精度取決于操作工人的熟練程度及個人狀態[3]，另由于人為因素容易出現破邊或工件碎裂現象，報廢率較高，由于工件主軸水平布置，精度受到重力因素影響。

2 設計方案

本文設計一臺用于立式銑磨機的磨削厚度控制裝置。立式銑磨機比臥式銑磨機有著不可比擬的優勢：工件軸鉛垂布置，使精度不受重力影響；夾具水平放置，這樣尺寸可以做得更大，可以加工更加大型的工件；便于全自動化改進。

2.1 參數要求

厚度控制裝置的技術參數要求如表1所示。

表1 厚度控制裝置技術參數

項目數值行程/mm70軸向跳動量/mm≤0003轉速/(r/min)18～22主軸精度/mm≤0003定位精度/μm5重量/kg≤50

2.2 設計原則

(1)精度先行，兼顧效率

在設計時必須保證嚴格的精度，因此對于裝置的設計必須優先考慮精度[4]；對于球面光學元件，加工步驟簡單，批量化成為常態，效率就是第一生產力，因此提高效率也要作為目標之一。

(2)結構要有足夠的剛度

因為要保持足夠的精度，加工時要保證工件進給的直線度和跳動度，裝置的結構剛度和穩定性必須要保障。

(3)成本低廉

因為本裝置針對的都是中小型企業，并且以技術改造為主，所以成本因素也亟需考慮，因此在設計時力求結構簡單且盡量采取標準件。

2.3 總體方案

立式銑磨機中的厚度控制裝置是關鍵部件，因為它包含了工件進給和厚度控制兩個功能，其性能的高低直接影響到工件的質量和加工的效率[5]。

為了實現高效率的加工效果，我們選用氣壓缸來控制工件的上下快速運動，這樣可以縮短大量的空行程時間，使工件快速到達加工位。

因為氣壓缸活塞的運動方式快速且穩定性差，所以我們在設備上加裝一套柔性進給機構，柔性機構由一個液壓阻尼器[6]和相關的調整設備構成，可以消除升降氣缸壓力的波動[7]所導致對工件夾具的沖擊,使其平穩地上升,防止工件的損壞,把工件的運動變成勻速的緩慢的進給運動保證磨削質量。

升降氣缸上裝有旋鈕可以調節壓力的大小,使升降氣缸的壓力保持適度,即可避免鏡片的破碎[8],保證磨削的正常進行。

裝置可以通過設置的進給補償機構對磨削砂輪的磨損進行補償[9],基本消除了人為因素引起的誤差，因此能可靠地保證鏡片磨削厚度尺寸的精度,同時具有結構簡單,制作調整方便,造價低廉等優點。

該裝置的工件軸部分來源于老式的球面銑磨機，這樣可以極大地降低成本，裝置的主體部分選用Q235結構鋼。

3 厚度控制裝置結構組成及工作原理

3.1 結構組成

如圖3所示，整個裝置由上滑套13通過螺栓連接在銑磨機的箱體上。升降氣缸1通過螺栓連接在氣缸固定板2上，15為氣壓缸壓力調整螺母。氣缸固定板上有四根氣缸固定拉桿4，拉桿與電動機固定板7固定連接，電動機固定板7下方裝有帶驅動電動機的30減速器5，上方固定連接四根滑套拉桿9，滑套拉桿上方與下滑套10固定連接。30減速器5通過花鍵與工件轉軸相連，工件轉軸頂端為工件夾頭14。氣缸1的活塞桿與凸字型的氣缸頂板3固定連接，氣缸頂板3上端用螺紋連接三根頂桿6，這三根頂桿6與電動機固定板7滑動連接，可以通過電動機固定板7上的小孔垂直滑動。三根頂桿6頂部與夾板8固定連接，夾板8與工件轉軸套相連，其一側裝有液壓速度控制器16和主調整螺栓。下滑套10上裝有副調整螺栓和微調旋鈕及鎖定螺母。

3.2 工作原理

開機之前，旋動調節主調整螺母和副調整螺母，調整夾具上升到最大空行程高度,然后啟動驅動電動機和升降氣缸,夾具上升并使工件與磨頭接觸,隨后使夾具下降，調整微調旋鈕，調定至需要加工的深度。

開始加工時，氣缸活塞桿上升，使工件快速到達加工位，隨后在液壓減速控制器的作用下，工件緩緩上升，直至達到最終厚度。

升降氣缸的進氣管上設置壓力傳感器和調壓閥,便于通過調整升降氣缸的壓力使控制升降氣缸的壓力保持適度,即可避免工件的破碎,保證磨削的正常進行。

當工件磨削至設定厚度時,夾具即上升至限定的最高高度，壓力繼電器得電并停止上升,隨后在時間繼電器的控制下保持8～10 s的光刀時間以達到規定的粗糙度，然后自動下降到原始位置，工件即磨削完成。

取下工件后，就可以進行下一個工作循環。在鏡片磨削一定數量后，硬質玻璃鏡片粗磨、半精磨數量一般在50件左右后會因磨頭砂片的磨損而導致磨削鏡片厚度超差[10],因而需要結合理論推算或實驗測量的確定,對進給限位及補償機構進行調整,即將微調旋鈕轉動一定角度,對砂輪磨損進行補償。

4 主體結構有限元分析

為了對該裝置的強度和形變進行校核，這里應用SolidWorks的Simulation功能對其主體結構進行有限元分析[11]。

4.1 模型建立

建立有限元模型時,對總的實體模型作如下簡化[12]：

(1)刪去功能件和非承載構件。這些構件僅為滿足結構或使用上的要求而設計,并非根據強度的要求而設計,例如電動機、減速器、液壓緩沖裝置、調整螺母等。這些構件對機床結構的內力分布和變形影響都較小,因此在建模時將其忽略。

(2)部分構件上的圓弧過渡簡化為直角過渡,工藝上需要的倒角,拔模斜度等都一概刪去,這樣是為了提高劃分網格的精度和建模速度。

(3)對于一些構件上的孔、凹槽、翻邊在截面形狀特性等效的基礎上盡量簡化,對截面特性影響不大的特征直接予以忽略。

4.2 材料選擇

該裝置的主體部分選用Q235結構鋼，單元對應的彈性模量為E=2.1×1011Pa2，泊松比P=0.28,密度為ρ=7 800 kg/m3，屈服強度σs=235 MPa。

4.3 算例生成

4.3.1 連接方式

簡化后的厚度控制裝置共有11個零件組成，分別是主軸滑套、電動機固定板、升降氣缸固定板、4根主軸滑套拉桿和4根主軸氣缸固定拉桿，連接方式選擇螺紋固定連接[13]。

4.3.2 固定方式

因為該裝置通過滑套與銑磨機箱體由螺栓固定連接，所以選擇滑套上表面作為基準面來固定幾何體[14]。

4.3.3 外部載荷

裝置主體結構采取左右對稱布置，除了工件軸的轉動外，僅有升降氣壓缸推動相關零件上下移動，不存在切向力，主軸滑套部分負責承載著整個裝置的重量(≤50 kg)，因此最大外部載荷即為所受重力490 N。

4.4 分析結果

計算結果如圖6、7所示。

由圖6～7可以得出以下兩個結論[15]：

(1)該裝置所受到最大的應力是6.551 5 MPa,遠遠小于Q235結構鋼的屈服強度，因此該裝置的結構強度足夠。

(2)該裝置的最大位移為0.001 95 mm,小于設計要求的0.003 mm,完全滿足精度要求。

5 結語

本設計并未采用當下國內主流的數控與步進電動機結合的設計方法，力圖從當下實際情況出發，對大量落后的產能進行改造。經過加裝該裝置后可以使主軸精度提高到0.003mm，效率提高3倍以上，

該款銑磨機厚度控制裝置結構簡單，體積小，重量輕，成本低，可以作為一個單獨模塊加裝在傳統球面銑磨機上(如圖8所示)，從而提高生產效率和加工精度，具有十分廣闊的市場。

對于我國保有量巨大的傳統球面銑磨機市場來說，可以用最小的投資獲得最高效的產出，并且技術都不必受制于人。如此一來，既響應了國家淘汰落后產能的目標，又實現了升級現有設備，提高生產效率的目的，是廣大中小企業首選，經濟效益及社會效益顯著。

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