刀剪制造四軸聯動數控磨床關鍵技術研究*

喬龍陽，楊智聰，林 進

(1.陽江職業技術學院，廣東 陽江 529500； 2.廣東科拓自動化機械設備有限公司，廣東 陽江 529500)

0 引 言

廣東陽江是全球最大的刀剪制造基地，近幾年，行業刀剪磨削設備自動化程度普遍較低，直接制約了刀剪產品的全球市場競爭力。 刀剪端面磨削是指利用筒形砂輪的端面磨削刀剪毛坯的整個端面或者端面的一部分從而形成一個磨削面。 由于多數刀剪的磨削面為空間三維曲面，為實現磨削工藝，設備必須具備至少包括一個旋轉軸三軸以上的聯動功能[1]。傳統刀剪磨削設備受機械結構和控制系統的制約，存在磨削工藝落后、機械傳動精度低及數控系統不穩定等問題[2-4]。

為滿足現代刀剪產品的制造工藝要求，進一步提升產品的市場競爭力，陽江刀剪裝備制造產業急需研發高精度多軸聯動的數控磨床。 筆者依據刀剪多軸磨削工藝特點，構建數控磨床四軸坐標系，設計開發主軸副控制機構，進行角度控制軸A軸蝸桿蝸輪傳動機構設計，有效提升了旋轉軸的力矩輸出和穩定性。 還對機床數控系統進行了技術升級，優化設計了人機交互功能和圖形編程功能等模塊，配合選用高精度的導軌和軸承附件，有效保證機床的穩定性和制造精度，大幅提升了刀剪產品的質量。

1 四軸聯動數控磨床設計方案

1.1 設計要求

根據刀剪磨削工藝特點及機床主體床身結構特點，數控磨床的設計應滿足以下幾點。

(1) 機床主體床身設計。 要保證機床剛度要求，避免機床產生共振現象，達到機床運行平穩、準確的目的。

(2) 主軸機構設計。 在滿足刀剪磨削轉矩要求的條件下，保證主軸組件的旋轉精度、剛性、壽命和阻尼，并降低噪音。

(3) 進給傳動機構設計[5]。 要求傳動精度高、響應快，有足夠的動力輸出，滿足高強度磨削加工要求，滿足刀具磨削時機械裝置的剛性和穩定性要求。

(4) 導軌設計選用。 滿足在高負載的情況下實現高精度直線運動的要求，可以承擔一定的扭矩。

(5) 數控控制系統設計選用[6-8]。 數控系統應保證定位精度和重復定位精度能滿足磨削刀具工藝要求，能完成對二軸、三軸和四軸聯動的精確控制。

1.2 機床基本組成及原理

依據上述設計要求，數控磨床主要由機床主體機座、主軸箱機構、進給傳動機構、數控控制系統等部分組成。

刀剪專用數控磨床設計原理:磨削砂輪安裝在主軸上，主電動機通過帶傳動將動力傳輸到主軸，主軸帶動砂輪旋轉，實現主運動(Z軸)。 直線軸X、Y進給運動由機床進給伺服系統控制伺服電機驅動，實現橫、縱向進給運動。 旋轉軸A軸是繞直線軸X軸旋轉的角度控制軸，由伺服電機帶動蝸桿蝸輪機械傳動裝置，驅動工作臺達到所需的擺角角度。 設備配置高精度數控系統，開發設計相應控制功能模塊，數控系統控制X、Y、Z、A四條軸聯動，實現二軸、三軸或四軸的聯動控制磨削加工。

2 四軸聯動數控磨床關鍵技術設計開發

在傳統數控單面磨床結構的基礎上，通過創新設計，研制四軸聯動多功能數控磨床。 數控機床具備四軸聯動功能，可實現一次裝夾，完成對被加工工件的平面或曲面的多次磨削加工。 其進給傳動機構、主軸副機構及機床控制系統都具有專用特性，需進行關鍵技術設計。

2.1 主軸副結構設計

主軸副機構是機床傳動系統的主要機構，作用是實現砂輪旋轉主運動，要求滿足刀剪磨削的轉矩輸出，保證主軸組件的旋轉精度、剛性、壽命和阻尼，并降低噪音。 主軸副結構主要由主軸、帶輪、角接觸軸承、軸承螺母、軸承端蓋、砂輪安裝盤和主軸箱體等構件組成，如圖1 所示。 主軸高溫調質處理，主軸支撐軸承采用角接觸球軸承副結構，具備可靠徑向、軸向負荷承載能力，保證主軸高速旋轉的精度要求。 主軸錐孔設計規格為A2-6，額定轉速為4 500 r/min，各結合面跳動小于0.003 mm，安裝端面及內孔跳動小于0.01 mm。

圖1 主軸傳動機構圖

1.主電動機 2.帶輪 3.軸承端蓋 4.軸承螺母 5，6.角接觸軸承 7.主軸 8，9. 角接觸軸承 10.軸承端蓋 11.砂輪安裝盤12.主軸箱體

2.2 進給傳動機構設計

數控機床具有X、Y、Z、A四個控制軸，如圖2 所示。 其中Z軸為主運動砂輪直線進給軸，X、Y軸為機床橫向、縱向直線進給軸，旋轉軸A軸是繞直線軸X軸旋轉的角度控制軸。

圖2 機床坐標系示意圖

2.2.1 直線軸X、Y軸運動設計

數控磨床橫、縱向進給傳動系統實現機床X、Y軸的直線進給運動，機構主要由伺服電機、同步帶機構、直線導軌、滑塊、直線軸承、聯軸器等組成。

2.2.2 旋轉軸A軸控制機構設計

旋轉軸A軸進給傳動系統主要由伺服電機、連軸器、蝸桿蝸輪、A軸芯軸、芯軸旋轉底座、軸承、工作臺和箱體等構件組成，如圖3 所示。

圖3 傳動機構圖

為解決刀剪磨削生產時所需的受力要求，提高機構剛性和穩定性，機構采用傳動比為50 ∶1 的一對蝸桿蝸輪，利用蝸輪蝸桿機構傳動功率大、工作平穩和結構緊湊優點，有效提升了旋轉軸的力矩輸出和穩定性。 蝸桿4 與定制蝸輪5 安裝在傳動箱體內，通過嚙合傳動連接，改變運動方向及傳遞動力，蝸輪5 與A軸芯軸11 通過銷鍵固定連接，將A軸伺服電機1 的旋轉方向以及動力平穩傳遞并轉變為A軸芯軸的角度旋轉運動。

X軸、Y軸為十字交叉直線軸，在同一平面上，為實現繞X軸旋轉的A軸功能，將旋轉軸A軸底座13安裝在X、Y軸工作臺面上，A軸芯軸采用兩端軸承支撐的芯軸設計，安裝在機構底座的軸承座內，右端與傳動機構蝸桿蝸輪機構相連。 工作臺12 通過內六角螺釘安裝固定在A軸芯軸上。

2.3 導軌設計選用

導軌作用是支撐和引導運動部件，使機床獲得快速進給速度并按給定的方向做往復直線運動，它可以承擔一定的扭矩，以保證在高負載的情況下實現高精度的直線運動。 其主要結構由直線導軌、滑塊、端蓋、潤滑系統和防塵系統等構件組成。 文中的導軌滑塊采用滾柱型滾動體取代了鋼珠，滾動體與導軌為接觸角度45°的線接觸方式，滾動體在承受高負荷時僅僅形成微量的彈性變形，使得直線導軌達到四方向等高剛性、等高負荷能力特性，保證了Z軸與X軸兩垂直進給軸的穩定性，大幅提升加工精度。

2.4 數控系統設計選用

機床控制系統具備X、Y、Z、A四個聯動控制軸，采用工控一體機搭配總線型驅動器，數控系統通過CPU 處理對輸入的數據進行分析后，將運算出的信號同時同步發送到每條軸的運動控制卡上，實現四軸聯動同步控制，大幅提升數控系統的控制精度。 對數控系統功能模塊進行如下優化設計。

2.4.1 數控系統人機交互優化設計

進行數控系統人機交互優化設計，如圖4 所示。根據被加工刀具產品的設計外形輪廓，繪制軌跡DXF 文件，選擇文件載入，設定產品厚度參數，修改磨削參數，執行加工，即能實現四軸聯動磨削加工，簡化了操作步驟。

圖4 數控系統人機交互優化設計

2.4.2 數控系統圖形編程功能設計

刀剪產品刃口曲線復雜，磨削面多為曲面圓弧，G 代碼編程刀路不易管理。 數控系統設計開發了圖形編程功能，系統通過圖形化和參數化編程方式，根據刀具圖紙(夾具、刀形)繪制DXF 圖形，系統根據參數對DXF 進行翻譯，可用于加工或生成NC 文件，提高了編程工作效率。

2.4.3 控制系統工控一體機設計

刀剪的磨削工序中，應用的是水冷卻，整體的操作環境離不開水，加工環境惡劣具有腐蝕性。 機床控制系統采用工控一體機，具有防塵、防潮、防振、防輻射的能力，具有較好的電磁兼容性和高抗干擾能力，可解決因潮濕的工作環境造成工作短路及不穩定的問題。

3 四軸聯動數控磨床的應用

根據文中方法設計的四軸聯動數控磨床已在國內外多家刀剪企業內投入使用，機床實物圖如圖5 所示。

圖5 在用的四軸聯動數控磨床

機床數控系統通過編程數據以及參數控制X、Y、Z、A四條聯動軸及砂輪旋轉主運動，主軸轉速為4 500 r/min，設備床身采用灰鑄鐵材料，并采用加重工藝，機床的總質量達到2.4 t，機床的運行更加平穩、準確。 經各廠家的應用，四軸聯動數控磨床性能穩定，平均無故障工作時間達到30 000 h，磨削刀具產品的表面粗糙度可達Ra0.2 μm。 四軸聯動數控磨床具有以下特點。

(1) 加工效果好:機床數控系統X、Y、Z、A四軸聯動加工，滿足各類刀剪平面、曲面磨削加工要求，磨削精度高、加工效率高，實現刀具研磨自動化。

(2) 多功能特點:①只需一次裝夾，按照分級程序的組合數據輸入，完成一個面內的多次端面磨削，最多次數可達六次；②根據被加工產品的設計外形輪廓，繪制線軌跡的DXF 文件，通過厚度參數，就能實現四軸的聯動加工；③具備砂輪損耗自動補償功能，根據不同質量的砂輪，設定加工時的自動砂輪補償量，補償砂輪的消耗。

(3) 應用范圍廣:可磨削各種規格和材質的小刀、廚刀、剪刀等產品，也可以磨削各類醫療、美容、園藝等特種用途且形狀復雜的刀剪產品。

(4) 經濟性特點:四軸聯動數控磨床均為國內自主研發設計，與國外同級別的數控機床比，具有穩定性好、成本低、經濟性好的特點。

(5) 人性化特點:數控磨床的冷卻方式是水冷，工作環境惡劣，新型磨床的人性化防水外殼，即不影響機床內部電氣控制，又能對刀剪磨削四濺的冷卻水花產生阻擋作用，減少加工時對操作人員的影響，提高機床整體的安全以及穩定性能，優化產品加工環境。

4 結 語

新型刀剪制造四軸聯動數控磨床設計的主軸副結構、進給傳動機構和數控系統，實現了數控四軸聯動磨削加工，文中對機床數控系統進行了技術升級，設計開發了人機交互功能和圖形編程功能等模塊，配合選用高精度的導軌和軸承附件，大幅提升了設備的穩定性和操控性。 生產實踐表明，四軸聯動數控磨床滿足各類刀剪平面、曲面的磨削加工要求；開發設計的機械裝置和數控系統，具有穩定性好、成本低、經濟性好的特點，大幅提升了刀剪磨削的質量和效率，對提升我國刀剪研磨自動化水平具有一定的實踐意義。