冰刀研磨機設計【含7張CAD圖紙、說明書】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 目 錄摘 要.1ABSTRACT.2 1緒論.31.1 研究的背景、目的和現(xiàn)實意義.31.2 冰刀研磨技術概述.41.3 國內(nèi)外研究狀況.61.4 主要內(nèi)容.62 冰刀研磨機總體結構.82.1 冰刀研磨機的主要指標.82.2 冰刀研磨機的基本要求.82.3 冰刀研磨機總體布局.82.4 主要部件的設計和選擇. 102.5 磨削力的計算 .122.6 冰刀的裝夾技術. 122.7 本章小結. 153 冰刀研磨的數(shù)控加工工藝. 163.1 數(shù)控研磨的特點. 163.2 影響冰刀研磨質(zhì)量的因素. 163.3 磨料的選擇. 183.4 砂輪的結構. .193.5冰刀與砂輪位置關系.193.6 砂輪的修整. 203.7 本章小結.224 冰刀研磨機控制系統(tǒng)方案.234.1 系統(tǒng)的硬件結構. 234.2 研磨的運動控制分析. 234.3 砂輪恒線速度的控制. 244.4本章小結.255 冰刀研磨機機械結構的幾何建模.265.1 SOLID Edge軟件簡介 .265.2 冰刀研磨機機械結構實體建模過程.265.3 本章小結 .276 總結與展望. 327 參考文獻.33冰刀研磨機設計摘 要冰上運動的發(fā)展對冰刀質(zhì)量提出了更高的要求，可是冰刀的手工研磨自動化程度低，研磨質(zhì)量和效率難以得到保證。在國內(nèi)，本文首次將數(shù)控方法應用到冰刀研磨當中去。冰刀的數(shù)控研磨需滿足設備便攜、工藝簡單、控制精確、研磨精度高等方面的要求。本文結合國家體育總局冬奧會攻關項目“便攜式數(shù)控冰刀測量與研磨機的研制”，圍繞上述要求進行了系統(tǒng)的深入研究，具體內(nèi)容如下：首先，冰刀數(shù)控研磨機的便攜性主要體現(xiàn)在其設備本身的質(zhì)量和體積上。本文針對影響冰刀研磨設備便攜性的因素，提出了兩點實現(xiàn)設備便攜性的方法。確定了冰刀研磨機的總體布局和關鍵元部件的選取，冰刀采取立式，工作臺采取臥式，盡量縮小設備的尺寸。PC 機通過打印機接口直接連接冰刀研磨設備，實現(xiàn) PC 機直接數(shù)控，從而去掉了傳統(tǒng)數(shù)控設備中的工控機，以滿足冰刀研磨機便攜性的要求。其次，本文分析了影響冰刀加工質(zhì)量的因素。結合這些因素，制定了冰刀研磨的加工工藝。冰刀采取粗磨、精磨、拋光磨三級研磨，控制系統(tǒng)根據(jù)研磨總量自動生成研磨工藝。研究設計了冰刀研磨的專用砂輪，同時根據(jù)砂輪的磨損機理，提出了砂輪修整方法。最后，在基于華中開放數(shù)控平臺的基礎上，開發(fā)了冰刀研磨的系統(tǒng)控制軟件。設計了冰刀研磨砂輪的特殊運動方式采用 CNC-PLC 模擬量單元的數(shù)據(jù)及信號處理環(huán)節(jié)，用變頻器來實現(xiàn)對砂輪主軸電機的控制從而保證砂輪以恒定的線速度進行研磨加工。將面向對象編程技術應用到冰刀的數(shù)控編程中，使數(shù)控編程變得簡單易懂。系統(tǒng)軟件提供了友好的人機界面，使人機交互變得容易，更適合于運動員操作使用，同時，系統(tǒng)還提供了加工在線仿真功能，使研磨加工過程變得形象而具體。關鍵詞：冰刀 數(shù)控研磨機 便攜式 砂輪修整 面向對象編程AbstractThe development of ice-sports brings more demands to the quality of skates. Aiming at the disadvantages of skates hand-whetting which are poor quality, low automation and efficiency, skates numerical control whetting is proposed in this thesis. Combining with the project of “Development and Research of Portable Numerical Control Skates Muller” from National P.H general bureau, systemic research on the portability and precision and whetting process of skates is madden in this thesis.Firstly, portability is a very important key demand of skates muller, it is mainly embodied in its equipment. After the analysis of effect factors of portability, two methods are put forward according to equipment portability. The general layout of skates muller and its key parts are brought out. Skates are equipped upright, workbench is mounted horizontally，shorten the size of equipment as possible as can. Through the self-made circuit board that connected with the print port, skates muller is treated as peripheral equipment and is controlled by PC directly. Special skates clamp is developed in order to ensure the fastness rigidity.Secondly, the factors that influence the precision of skates, are analyzed. Based on these analyses and general amounts of skates, the process of whetting can be created automatically by control system. The whetting can be carved off three steps: rough whetting, accurate whetting, and polishing whetting. the researches on the grade whet of skates, the structure of grinding wheel are given. The adjustment method of grinding wheel is given based on the research of wear and tear mechanism.Finally, on the basis of hardware system of HNC ( Numerical Control ), the control system of whetting of skates is brought out. the special motion of grinding wheel is proposed. Through CNC-PLC data and tache of signal disposals of simulation unit, principal axis AC motors is controlled by transducer. hence, the constant thread speed of grinding wheel combining with the principal axis motor is gained. the object-oriented programming is used in the mullers control system, which provides the friendly interface that causes the alternations between machine and operator to become easier, and suits for athletes. And system also provides online simulation of machining process which makes the whetting process more visually.Keywords: Skates NC muller Portable Adjustment of grinding wheelObject-Oriented Programming1 緒 論1.1 研究的背景、目的和意義本次研究課題來源于國家體育總局 2006 年冬奧會攻關項目“便攜式數(shù)控冰刀測量與研磨機的研制”，項目編號 03038，本文屬于項目中的冰刀數(shù)控研磨機部分?；\動起源于荷蘭。13世紀中葉,荷蘭出現(xiàn)鐵制冰刀。冰刀是冰上運動鞋下面的塊刀片，它是冰上運動的基礎。如圖 1.1圖 1.1 冰刀外形示意圖和 1.2 所示，冰刀的刀刃線一般是由幾段半徑（810 米）很大的圓弧線組成，刀刃一般厚 2 毫米。到了17世紀,溜冰逐漸發(fā)展成為一種運動項目。冰刀是冰上運動的基礎。今天,運動員和滑冰運動愛好者取得了越來越好的成績.冰刀的質(zhì)量是一個決定性的因素。然而,冰刀使用一段時間后,其刃口會變鈍,這時需要對其重新研磨,使其恢復原來的形狀。因此.冰刀的正確研磨對于保障冰刀的滑行質(zhì)量和提高運動員的運動成績起著至關重要的作用。冰刀的研磨分為手工研磨和數(shù)控研磨。從研磨質(zhì)量上說，數(shù)控研磨的加工質(zhì)圖 1.2 兩段圓弧的冰刀刀刃線量要比手工研磨的要高得多。目前，國外已經(jīng)有商品化的數(shù)控冰刀研磨機，而國內(nèi)目前在冰刀研磨機領域的研究和開發(fā)則比較落后,只有少數(shù)廠家能生產(chǎn)簡易磨刀架和磨刀機。產(chǎn)品技術含量低,自動化程度不高,冰刀的研磨質(zhì)量完全取決于操作者的熟練程度,嚴重影響冰刀研磨的效率和質(zhì)量,商品化的手工冰刀研磨機則尚屬空白,更談不上全自動的數(shù)控冰刀研磨機了,這對我國冰上運動的發(fā)展是一個極大的制約。因此,開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)數(shù)控冰刀研磨機勢在必行。本文目的是解決我國冰刀研磨行業(yè)的共性技術問題，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的數(shù)控冰刀研磨機，使冰刀由手工研磨過渡到全自動研磨，在冰刀研磨技術上產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，提高冰刀研磨的質(zhì)量和效率，促進滑冰運動的體育器材技術升級，提升我國滑冰運動員的運動成績。本文的開展，對提高我國滑冰運動訓練科學化水平和綜合實力，促進我國體育器材新產(chǎn)品的開發(fā)及科技成果的轉化，營造體育科技產(chǎn)業(yè)化環(huán)境，提高冰刀研磨技術，促進體育產(chǎn)品結構的調(diào)整，提高運動員備戰(zhàn)奧運會的運動成績都將具有非常重要的意義。本文研究的數(shù)控技術及其在冰刀研磨領域的應用，對于提高我國體育裝備水平和實力、提冰上項目競爭能力、促進社會生產(chǎn)率的發(fā)展等方面都具有很好的社會效益和經(jīng)濟效益。1.2 冰刀研磨技術概述冰刀在冰面上滑行產(chǎn)生磨損，其磨損量小，冰刀的研磨加工是一種磨削量小，精度要求高的加工方式。目前，冰刀的研磨方法主要有兩種，手工研磨和數(shù)控研磨1.2.1冰刀的手工研磨手工研磨是使用多級目數(shù)的精細磨料對工件表面進行多次的磨削加工。先將較粗的磨料混合豬油和煤油，在利用附著體（如鑄鐵）對零件表面給予一定的壓力，進行圓周運動，經(jīng)過多級的研磨，達到表面要求。如圖1.3圖1.3手工研磨冰刀方法但是手工研磨存在一些嚴重的問題，主要有（1）手工研磨時的作用力不易控制，在研磨的過程中容易出現(xiàn)各種問題，如圖1.4所示，當手壓磨具作用力過大，就會出現(xiàn)切屑向刀刃處堆積形成卷刃；若研磨冰刀用力不均還將造成偏刃和脊刃，如圖 1.5 所示。（2）用油石在冰刀側面研磨冰刀的卷刃時，手控制油石的平穩(wěn)度不夠，易產(chǎn)生偏斜，用力程度也難以控制到最佳狀態(tài)，常出現(xiàn)油石在刃側面滑掉，直接傷及刀刃造成局部鈍刀，如圖 1.6 所示；（3）現(xiàn)階段用的油石磨料粒度受限制，無法加工出最低粗糙度的冰刀鋒刃；（4）油石不易修平，平面度差的油石難以保證被研磨冰刀表面的幾何形狀；（5）手工研磨，冰刀的輪廓曲線難以與設計值吻合，這將影響冰刀的滑行質(zhì)量；（6）手工研磨精度不高、生產(chǎn)效率低，勞動強度大。圖 1.4冰刀的卷刃 圖 1.5 冰刀的偏刃和脊刃 圖 1.6 冰刀的局部鈍刀1.2.2 冰刀的數(shù)控研磨技術冰刀的數(shù)控研磨，是數(shù)控技術應用到冰刀研磨當中去。與手工冰刀研磨相比，數(shù)控冰刀研磨具有質(zhì)的飛躍，使得冰刀的研磨加工質(zhì)量更穩(wěn)定，效率更高，更可靠。數(shù)控冰刀研磨機，從本質(zhì)意義上講和一臺普通的數(shù)控磨床沒有什么區(qū)別，產(chǎn)品加工都要經(jīng)過數(shù)控編程、刀補、插補、最后控制運動軸加工的過程。所不同的是，冰刀數(shù)控研磨機床是一個非常專業(yè)化的數(shù)控機床。冰刀本身的結構小巧，研磨機是在體育項目中使用，要求能夠經(jīng)常隨運動隊攜帶，這決定了冰刀的數(shù)控研磨機應該是便攜式的體積小、重量輕利用數(shù)控的編程技術可以編出任何平面的冰刀刀刃線。數(shù)控系統(tǒng)可控制 X、Y、Z軸實現(xiàn)冰刀的測量、研磨、砂輪修整。利用工藝卡編程，可控制機床對冰刀進行粗、精、拋光 3 級研磨。粗磨完成主要的輪廓加工，精磨、拋光磨主要是提高精度和表面光潔度。利用以上數(shù)控技術，數(shù)控冰刀研磨機床具有很強的靈活性，能適應任何一把冰刀的研磨。手工冰刀研磨的精度主要取決于操作人的經(jīng)驗程度。而冰刀的數(shù)控研磨其精度則取決于控制系統(tǒng)的質(zhì)量和機床的機械傳動精度。1.3 國內(nèi)外研究狀況有關研磨冰刀的機器，在國外已有手工和數(shù)控兩種商品化的產(chǎn)品例如美國的 WISSOTA 公司就是生產(chǎn)手工冰刀研磨機的著名廠家，圖 1.7是該公司手工冰刀研磨機產(chǎn)品。Cag One 公司也提供一系列手工和數(shù)控冰刀研磨機，其產(chǎn)品如圖 1.8 所示。圖 1.7 WISSOTA 公司的手工冰刀研磨機 圖 1.8 Cag One 公司冰刀研磨機我國在冰刀研磨機領域的研究和開發(fā)則比較落后，只有少數(shù)廠家能生產(chǎn)簡易磨刀架和磨刀機，如圖 1.9 所示圖 1.9 國產(chǎn)手工冰刀磨刀機我國手工冰刀磨刀機產(chǎn)品技術含量低，自動化程度不高，冰刀的研磨質(zhì)量完全取決于作者的熟練程度，嚴重影響冰刀研磨的效率和質(zhì)量，商品化的手工冰刀研磨機則尚屬空白，更談不上全自動的數(shù)控冰刀研磨機了，這對我國冰上運動的發(fā)展是一個極大的制約。因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)數(shù)控冰刀研磨機勢在必行。1.4 主要內(nèi)容（1）針對數(shù)控冰刀研磨機便攜式、剛度、精度的要求，本文確定了冰刀研磨機床的總體布局和關鍵部件的選?。煌ㄟ^打印機接口外接自行設計的板卡把冰刀研磨機作為通用 PC 機的一個外設，從而實現(xiàn) PC 直接數(shù)控，滿足了冰刀研磨機便攜式的要求；同時研制了適合冰刀研磨加工的專用夾具。（2）冰刀的手工研磨，刀刃線形狀、研磨量、研磨的分級、控制過程全依賴操作員的手感和經(jīng)驗程度，難以達到形狀精度和表面精度的要求。本文分析了影響冰刀精度的各種因素，并針對研磨刀刃線的控制和工藝特點，對冰刀的分級研磨和砂輪的結構和運動進行了研究。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)研磨量，自動生成冰刀研磨的加工工藝卡。（3）本文結合了砂輪的磨損機理，提出了控制砂輪修整、補償?shù)姆椒?。?）在華中數(shù)控系統(tǒng)硬件體系的基礎上，詳細分析了冰刀研磨加工的控制過程，設計了研磨砂輪的特殊運動方法，采取了半閉環(huán)的伺服位置控制方案，采取CNC-PLC模擬量單元的數(shù)據(jù)及信號處理環(huán)節(jié)，用變頻器來實現(xiàn)對砂輪主軸電機的控制，從而保砂輪以恒定的線速度進行研磨加工。（5）本文對基于華中開放式數(shù)控平臺的專用機床控制軟件開發(fā)進行了的研究和探討，研制了冰刀研磨控制軟件，將面向對象編程技術應用到冰刀的數(shù)控編程中去。數(shù)控系統(tǒng)具備友好的人機界面和加工過程的在線仿真功能。2. 冰刀研磨機總體結構本文研究的數(shù)控冰刀研磨機是集機械、電氣、計算機和控制技術于一體的機械加工設備。其中，機械部分是冰刀研磨機的重要組成部分。機械部分的布局、結構設計、裝夾技術將對加工精度、系統(tǒng)可靠性和設備的便攜性具有十分重要的意義。2.1 冰刀研磨機的主要指標冰刀的數(shù)控研磨有其行業(yè)特點。首先，由于每個冰刀的磨損程度不同，其輪廓形狀位置是未知的。其次，冰刀數(shù)控研磨屬于成形加工，不但要將刀刃磨出來，還必須將冰刀輪廓形狀修復成規(guī)定的形狀。再次，冰刀的刀刃面要求有較低的粗糙度。最后，研磨冰刀時，在保證質(zhì)量的前提下，應盡量考慮冰刀的使用壽命，每把冰刀的研磨量設定要合理。綜合上述冰刀研磨的特點后，確定冰刀研磨機的主要指標為：1能夠按特定參數(shù)和仿形自動研磨 300450mm，拱高 10mm 的速滑、短道速滑冰刀的任意弧度。通過 X 、Y、Z 三個軸的伺服電機控制三維運動平臺和研磨運動。2冰刀研磨過程分粗磨、精磨、拋光三級研磨，磨輪驅動為變頻、低噪、小功率電機。冰刀刃平面粗糙度達到 Ra0.050.025，90邊刃角直接打磨。一次研磨時間為 35 分鐘。3采用弧度采集器、線陣 CCD 與 A/D 轉換卡、單片機進行接口通訊，能檢測冰刀弧度、刀刃磨損量；接收、運算采樣數(shù)據(jù)；顯示研磨過程圖形、進行數(shù)據(jù)對比和按弧度檢測數(shù)據(jù)分級研磨。2.2 冰刀研磨機的基本要求（1）該設備是用于運動員研磨冰刀，設備應簡單、可靠、易操作、精度高；（2）為了保障冰刀的形狀精度，機械夾持部分應具有良好的剛性和精度；（3）設備的布局、功能應適應不同種類冰刀研磨的要求。2.3 冰刀研磨機總體布局研磨機的總體布局是設計研磨機時影響全局性的決策部署。在總體布局確定后，才能確定部件之間的相對位置及運動關系，進一步具體設計研磨機?？傮w布局的影響因素是多方面的，其中，工件的表面形成方法，即冰刀與砂輪怎么做相對運動來加工刀刃是設計研磨機時首先要決定的。表面形成的方法確定后，研磨機的布局、傳動、結構及外形等就可初步?jīng)Q定。為了減少或消除研磨機的振動及熱變形，應特別注意主軸變速箱、電動機等的布局。此外，被加工工件的尺寸、重量和技術要求與研磨機的布局有密切關系。總體布局還必須考慮人的因素，能夠滿足操作要求，必須有利于減輕操作者的勞動強度，以提高工作效率，并應注意留出必要的維修空間。數(shù)控冰刀研磨機機械部分的總體布局如圖 2.1 所示，此冰刀研磨機采用立式設計，主要由 X 向進給裝置、Y 向進給裝置、Z 向進給裝置、夾具、砂輪裝置五部分組成。由于冰刀的長度在300450mm之間，Y向運動行程為60mm，Z 向運動行程只要 20mm，所以整個機床的尺寸可以設計成：長 850mm，寬300mm，高 565mm。冰刀的研磨過程主要有 X 向冰刀磨削運動，Y 向進給運動和 Z 向調(diào)節(jié)砂輪運動，通過這三個運動來實現(xiàn)對任意弧度冰刀的研磨。本文研究的數(shù)控冰刀研磨機體積、質(zhì)量較小，轉動慣量小，所以可將電機與絲杠直接相連。如圖 2.2所示，冰刀固定在夾具 11 上； X 軸電機 9 帶動絲杠 2 旋轉，使滑板 8 沿 X方向移動，從而帶動冰刀實現(xiàn) X 方向的運動，行程為 550mm，磨削刀刃表面和 90邊刃角；同理，Y 軸電機 5 帶動絲杠 6 旋轉，使滑板 3 沿 Y 方向移動，從而帶動冰刀實現(xiàn) Y 方向的運動，行程為 60mm，磨削冰刀的拱高，X 軸和 Y軸的聯(lián)動可實現(xiàn)砂輪的磨削運動；手輪 13（為了減輕重量，用手輪代替 Z 向電機）帶動絲杠 12 旋轉，實現(xiàn)砂輪 16 的上升下降即 Z 方向的運動。砂輪安裝在砂輪架 15 上，由砂輪電機 14 帶動砂輪 16 轉動。1X 軸支撐架 2X 軸絲杠 3Y 軸滑板 4底座5Y 軸電機 6Y 軸絲杠 7X 軸導軌 8X 軸滑板9X 軸電機 10夾具導軌 11夾具 12Z 軸絲杠13手輪 14砂輪電機 15砂輪架 16砂輪圖 2.1 數(shù)控冰刀研磨機的總體布局2.4 主要部件的設計和選擇對主要部件的設計和選擇要能滿足冰刀研磨機的精度、剛度等性能上的要求。2.4.1 進給軸的行程和尺寸冰刀的長度為 300450mm，工作臺的實際加工行程就是所加工冰刀的長度，即工作臺的實際加工行程為 300450mm。但在加工開始和結束時，工作臺要有一段加速行程和減速行程，所以將 X 軸的總行程設定為 550mm；再加上工作臺本身的長度（500mm）和裝夾尺寸，得出 X 軸的總尺寸為828mm。圖 2.2 冰刀加工尺寸示意圖刀刃可加工厚度不超過 30mm，如圖 2.2 所示，要給工作臺留出一段加、減速行程，所以 Y 軸的行程為 60mm；再加上工作臺本身的寬度（200mm）和裝夾尺寸，得出 Y 軸的總尺寸為 318mm。冰刀厚 2mm，砂輪厚 8mm；加上刀具的加、減速行程，Z 軸的行程設定為 20mm。由于工作臺本身的高度（220mm）度、砂輪架的高度（110mm）和裝夾尺寸，所以將 Z 軸的總尺寸設定為 400mm。2.4.2 絲杠的選取在本設計中，采用滾珠絲杠，梯形螺紋。絲杠的剛度與直徑大小直接相關，直徑大、剛度好，但直徑太大轉動慣量也大，考慮到研磨機屬于小型加工設備，取滾珠絲杠的直徑為20mm，所以選擇公稱直徑20mm，公稱導程6mm，絲杠外徑 20.3mm 的滾珠絲杠副。 根據(jù)機床運動軸的行程，確定絲杠的有效螺紋長度分別為 X 軸 600mm，Y 軸90mm，Z 軸 48mm。2.4.3砂輪架的設計砂輪架（磨具、磨頭）是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉的關鍵部件，圖2.3 是冰刀研磨機的砂輪架結構。經(jīng)過靜平衡的砂輪緊固在主軸上，主軸支撐在軸承上。整個砂輪架與 Z 軸絲杠相連，實現(xiàn) Z 方向的運動。1端蓋 2軸承 3砂輪 4支撐架 5主軸圖 2.3 砂輪架結構 其中，主軸與軸承是砂輪架的關鍵部分，主軸軸承系統(tǒng)剛性好，會提高磨削生產(chǎn)率、加工精度和工件表面光潔度。磨床的砂輪主軸多數(shù)采用兩點支承，主軸剛度的計算簡圖見圖 2.4，根據(jù)材料力學，式中 I主軸支撐之間那一段的當量慣性矩，主軸支撐之間那一段的當量外徑和孔徑。當 d / D 0.5時，孔對剛度的影響可以忽略，則，這里 D = 20mm。主軸的剛度為在本設計中，我們選擇單列向心球軸承，其簡化后的支點在軸承中部；通常，主軸前端的懸伸長度 a 由構造決定，根據(jù)冰刀研磨機的整體尺寸，取a = 20mm；一般情況下 I= (3 5)a，大型磨床取下限，中小型磨床取上限，故取 I= 60mm。將各個參數(shù)帶入式（3.2）中，得主軸剛度K = 1.15 N /mm，其中 E = 200GPa。圖 2.4 受彎主軸計算簡圖2.5 冰刀的裝夾技術加工冰刀時，為了保證冰刀良好的定位和冰刀的加工剛度，就必須有適合冰刀的夾具來裝夾冰刀。冰刀的裝夾設備對加工質(zhì)量有重要影響。根據(jù)對機床夾具的分析：（1）冰刀研磨機是一臺專門用來加工冰刀的機床；（2）運動隊員使用冰刀的加工數(shù)量不大；（3）冰刀小巧，形狀有自身特色，長度尺寸不一樣，長度方向具備一定的彎度。通用夾具對其難以勝任。根據(jù)以上分析，設計一套性能穩(wěn)定、結構緊湊、操作迅速方便的冰刀專用夾具是必須的也是可行的冰刀的裝夾質(zhì)量會對冰刀后續(xù)的加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，本文采取兩點定位的裝夾方法，不會影響冰刀的長度方向的彎度?？烧{(diào)節(jié)的夾爪和頂端，可以適合加工不同長度型號的冰刀。兩套緊固螺桿，操作方便，能起到有效的緊固定位作用。 總之，本文冰刀夾具操作方便、使用安全、定位精度好、結構性好、能滿足工藝的條件。2.6 磨削力的計算磨削力是工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和接合劑與工件表面之間的摩擦作用。磨削力可以分為相互垂直的切向磨削力，沿砂輪徑向的法向磨削力，以及沿砂輪軸向的軸向磨削力。一般磨削中，軸向磨削力 較小，可以忽略不計。由于砂輪磨粒具有較大的負前角，所以法向磨削力大于切向磨削力 ，通常情況下/ 在 1.53 范圍內(nèi)（稱/ 為磨削比），需要指出的一點，磨削比不但與砂輪的銳利程度有關，而且隨被加工材料特性的不同而不同。磨削普通鋼料時， / 1.53。磨粒開始接觸工件后，即刻受到工件的抗力作用，圖 2.5 所示為磨粒以平均磨粒切深 切入工件表面時的受力情況。在不考慮摩擦作用的情況下，切削力 垂直作用于磨粒錐面上。其分布范圍如圖2.5c 中的虛線范圍。從圖2.5a 可以看出，作用力分解為法向推力和側向推力。兩側推力相互抵消而法向推力則疊加起來使整個磨粒所受的法向磨削力明顯增大，所以無論是滑擦、耕犁或切削狀態(tài)下磨粒所受法向磨削力都大于切向磨削力。圖2.5 磨粒上的作用力根據(jù)圖 2.5，在 X X截面內(nèi)作用在磨粒上的切削力 可按下式求得：式中， 單位磨削力（N/2mm ）；接觸面積；磨粒半頂錐角； 切削力方向與x方向的夾角。 分布如圖 2.5c 中虛線范圍所示，設圖中磨粒是具有一定錐角的圓錐，中心線指向砂輪的半徑，且圓錐母線長度為 ，則接觸面積將式代入得因為將式（3.5）代入（3.6）則得因此，可求得作用于整個磨粒上的磨削力如下：于是可得到磨削力的計算式 ，為動態(tài)有效磨刃數(shù)， 為砂輪表面上的單位長度靜態(tài)有效刃數(shù)，為砂輪與工件的接觸弧長度， 為磨削寬度；當時，將 ，代入式中，可得 : ，當時，將代入式中，可得 : 2.7本章小結本章首先介紹了冰刀研磨機的主要技術指標；接著在深入分析了冰刀研磨運動的特點及研磨過程中對各個運動的不同要求的基礎上，確定了冰刀研磨機機械部分的總體布局；并對主要部件進行了設計和選則，包括進給軸的行程和尺寸、絲杠的選取和砂輪架的設計；計算了磨削力的大??；最后確定出研磨機的整體尺寸為：長 850mm，寬 400mm，高 440mm。3 冰刀研磨的數(shù)控加工工藝為了保障冰刀研磨的質(zhì)量、效率和可靠性，就必須對冰刀研磨工藝進行研究。本章結合冰刀數(shù)控研磨的特點，從砂輪磨料的選取，研磨量的確定，砂輪轉速，進給速度和砂輪的結構、位置、修整等對冰刀研磨工藝方面展開了深入的研究，并介紹了自動生成研磨工藝卡的方法。3.1 數(shù)控研磨的特點與冰刀的手工研磨相比，冰刀的數(shù)控研磨在控制過程、加工工藝、加工設備都有手工研磨具有明顯的不同。本節(jié)主要從加工工藝方面，來說明冰刀數(shù)控研磨加工的特點如下：（1）手工研磨是人工搓動砂輪或條砂輪，數(shù)控加工時，主軸帶動砂輪做高速旋轉，轉速達到 8000r/min，加工線速度達到 3060m/min。（2）加工進給時，手工加工是斷續(xù)的，一段一段的推。冰刀的數(shù)控進給加工是均勻的、連續(xù)的、穩(wěn)定的、可靠的，速度一般高于手工加工的速度。（3）手工加工靠操作員的手感，分級加工不明顯，加工過程由人工來控制。數(shù)控加工分級加工非常明顯，每一級的加工量和加工次數(shù)都很精確具體；由程序控制加工過程，所以數(shù)控加工穩(wěn)定性強，可靠性高。（4）手工加工產(chǎn)熱低，數(shù)控加工產(chǎn)熱相對較大。（5）手工加工速度慢，效率低，加工時間長，精度低。數(shù)控加工速度快，效率高，完成一把刀的加工時間只要 35 分鐘，加工精度高。3.2 影響冰刀研磨質(zhì)量的因素1）磨料數(shù)控研磨加工時，會產(chǎn)生較大的熱量和壓力，加工材料也研磨材料微觀分子將十分活躍，出產(chǎn)生復雜物理作用，機械作用，化學作用。這些作用都會明顯地影響加工的效果和質(zhì)量，只有在正確選取能與工件材料相匹配的研磨材料時，才會得到好的研磨質(zhì)量。在本章下一小中，會專門介紹本文冰刀磨料選擇的方法和選擇結果。2）單次磨削量機床控制砂輪對冰刀進行加工時，在單次的加工過程中，砂輪對冰刀的縱向的研磨量為單次研磨量。單從精度角度而言，單次研磨量越小，得到冰刀的研磨精度會越高，但這樣研磨效率會很低，所以，單次研磨量要根據(jù)研磨精度，研磨效率和研磨級別三重因素來綜合確定。不同的研磨級別，單次研磨量是會不相同的。在本文冰刀研磨過程中，粗磨時，單次研磨為 1020 微米；精磨時，單次研磨量為510 微米；拋光磨時，只進行表面拋光處理，基本上不設定加工量。3）主軸轉速在一定范圍內(nèi)，提高主軸的轉速會提高冰刀的研磨質(zhì)量，但高到一定值時，其研磨質(zhì)量卻會下降。是因為，在一定的研磨量時，主軸轉速越大，產(chǎn)生的熱就越大，磨料的微粒活性增大，離心的作用力也越大，起切削作用的微粒研磨砂粒就容易被摔落，所以研磨的質(zhì)量會下降，如圖 3.1 所示，橫坐標和縱坐標箭頭方向分別表示主軸速度增大，研磨精度增高的方向。同樣，主軸的轉速根據(jù)不同的研磨級別會不同。一般而言研磨級別越高轉速會越大。在本文冰刀研磨過程中，粗磨時，主軸轉速為 800010000r/min；精磨時，主軸轉速為 1000012000r/min；拋光磨時，主軸轉速為 1200018000r/min。圖 3.1 主軸轉速和加工精度的關系4）砂輪進給速度在一定單次研磨量和主軸轉速情況下，提高進給速度會使冰刀的研磨質(zhì)量下降，圖 3.2，橫坐標和縱坐標箭頭方向分別表示進給速度增大，研磨精度增高的方向原因是，當進給速度低時，冰刀同一微表面積得到的研磨時間就越長，磨削質(zhì)量就越好。但是考慮到研磨效率和產(chǎn)熱因素，進給速度不能太低。因為，如果進給速度太低，一方面會降低加工效率；另一方面，會使摩擦熱聚積，工件溫度升高，造成工件燒結。因此，應該根據(jù)不同的研磨級別，確定相應的進給速度。級別高時，研磨量較小，進給速度可以適當加大。在本文的冰刀研磨過程中，粗磨時，進給速度為400mm/min；精磨時，進給速度為 600mm/min；拋光磨時，進給速度為 800mm/min。圖 3.2 砂輪的進給速度和加工精度的關系5）磨粒尺寸在本文中，冰刀的研磨分三級，磨粒尺寸也相應分為三級，粗磨的磨粒尺寸大，精磨、拋光磨的磨粒尺寸小。在每一級的研磨中，只要能達到所在級別的研磨質(zhì)量要求的前提下，可以盡量選擇偏粗的磨粒，這樣可以提高研磨的效率。所以本文對冰刀磨粒的選擇為：粗磨時，選擇粒度號數(shù)為 4080 的砂粒，磨粒的顆粒數(shù)一般選擇在 200400/cm2；精磨時，選擇粒度號數(shù)為 100200 的砂粒，磨粒的顆粒數(shù)一般選擇在 400600/cm2；拋光磨時，選擇粒度號數(shù)為 200W20 的砂粒，磨粒的顆粒數(shù)一般選擇在 600800/cm2。6）砂輪補償技術砂輪補償技術是保證冰刀研磨質(zhì)量的重要因素。砂輪使用久了，會產(chǎn)生磨損，半徑會縮小，表面平整下降，圓度也會下降。這些因素會對精度要求較高的冰刀研磨質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。這時，需要對砂輪進行修整和半徑補償。在本章后續(xù)章節(jié)中會專門介紹冰刀研磨機砂輪的修整和補償方法。7）研磨機設備任何數(shù)控機床本身具備一定的精度等級，例如普通精度的數(shù)控機床位移精度一般為 0.010.001mm，精密級數(shù)控機床位移精度可高達 0.1m。機床重要組成元件如絲杠、導軌、電機、以及機床的剛度和裝夾技術會對機床精度產(chǎn)生重要的影響，從而對工件的加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。3.3 磨料的選擇冰刀數(shù)控研磨加工和一般的手工研磨加工相比，最明顯的特點是其加工速度快，產(chǎn)生熱量大，壓力高。加工材料微觀分子將十分活躍，產(chǎn)生復雜物理作用，機械作用，化學作用。這些作用都會明顯地影響加工的效果和質(zhì)量，其中對磨料的選擇起決定意義的作用是加工材料和被加工材料的物理作用和化學作用。在一定工藝方法前提下，只有在選定好與被加工材料能相匹配的研磨材料，才能得到理想的數(shù)控加工效果。本小節(jié)的研究目的就是：研究加工材料和被加工材料的研磨作用機理，選定好適合冰刀加工的研磨材料。工業(yè)中，常用的磨料材料有四種：剛玉，碳化硅，立方氮化硼，金剛石。剛玉與金屬材料的研磨時，粘附作用很明顯，不適合做本項目的磨料；研磨產(chǎn)生熱量時，碳化硅在容易和鋼鐵材料發(fā)生化學反應，所以也不適合做本項目的磨料；金剛石雖然硬度大，也不粘附鋼鐵材料，也不和鋼鐵材料發(fā)生化學反應。但在研磨的高溫下，金剛石容易和空氣中的氧的親和性大，而本文的研磨不使用研磨液，所以金剛石也不適合做冰刀的磨料。本文最終選擇的磨料是立方氮化硼，3.4 砂輪的結構砂輪的結構有利于簡化加工工藝。冰刀研磨分粗磨、精磨、拋光磨三級研磨，對應有粗磨、精磨、拋光磨三級砂輪。當從一種級別研磨向另一種級別轉換時，就要更換砂輪。冰刀是小型工件，加工冰刀的砂輪也是小型砂輪（本文所選擇是直徑40mm，厚 8mm 的砂輪），所以設計砂輪時，可以將三塊不同級別的砂輪合并成一塊，更換砂輪時，Y 軸帶動砂輪在 Y 軸進給一段位移，就可以轉換砂輪 。3.5 冰刀與砂輪位置關系冰刀與砂輪的位置關系也會對冰刀刀刃的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。冰刀手工研磨冰刀時，人工控制砂輪研磨冰刀，很難保證砂輪面和冰刀刀刃面始終平齊，很容易把刀刃面磨得不平整，產(chǎn)生偏刃。在冰刀的數(shù)控研磨時同樣要注意這個問題。冰刀與砂輪的位置關系需要保證兩點。（1）冰刀要能落在砂輪的加工范圍內(nèi)，如圖 3.3（a）所示。（2）砂輪的軸線 n1 與冰刀面的法線 n2（與冰刀面垂直的豎線）必須平行，否則就會產(chǎn)生偏刃，如圖 3.3（b），（c），（d）所示。圖3.3 砂輪與冰刀的位置關系3.6 砂輪的修整1）砂輪的磨損機理在磨削過程中，用于磨削力和磨削溫度的作用。砂輪工作表面上的磨粒會逐漸的磨鈍。磨鈍后的砂輪，將影響被磨工件的表面質(zhì)量和幾何精度，常引起振動、噪音、粗糙度增大、產(chǎn)生裂紋、燒傷和殘余應力等。因此，砂輪和其它切削工具一樣需要定期“刃磨”，也就是需要定期修整。磨料磨具的固有特性和被加工材料的物理化學作用是影響磨削質(zhì)量好壞的重要因素。砂輪的磨削加工過程中，砂輪的磨損形式主要有機械磨損、化學磨損和粘附磨損三種。砂輪的修整在磨削中占有重要的地位，是充分發(fā)揮磨料磨具優(yōu)異性能的必要條件。2）砂輪的參數(shù)由于砂輪在磨削過程中的熱變形和磨損作用，在砂輪停止加工后和加工中尺寸會有所變化，如圖 3.4 所示。因此在每次磨削前先要將砂輪修整一次，獲得一個比較準確的半徑初始值。當砂輪半徑小于設定最小值時系統(tǒng)要給出提示信息。砂輪數(shù)據(jù)保存在相應的砂輪文件中，可以隨時調(diào)出編輯。對冰刀研磨加工，采用普通砂輪，精度要求比較高，所以每磨削一定圈數(shù)要進行砂輪修整。對砂輪的磨削和修整是通過設定砂輪和工藝參數(shù)來實現(xiàn)的。冰刀砂輪的最主要的兩個參數(shù)是寬度和半徑，因為砂輪的寬度決定 Y 軸的移動幅度，半徑對砂輪恒線速度的控制和加工精度具有重要意義。圖 3.4 磨損砂輪的表面形狀（放大效果）3）砂輪修整方法本系統(tǒng)是根據(jù)計數(shù)器設定或手工測量來控制修整砂輪，砂輪的修整主要有兩方面的內(nèi)容：修形，修銳。（1）修形修形又包括兩個方面的內(nèi)容：修砂輪圓度與修砂輪圓柱表面的平整度。砂輪使用久了，其外表面就會出現(xiàn)如圖 3.4 所示的缺陷，而且砂輪的圓整度也會發(fā)生微小的變化，如圖 3.5所示。修形就是修整砂輪的外圓面和砂輪的圓整度。修形時，用金剛石筆將砂輪的外圓半徑磨掉一層，如圖 3.5所示。使砂輪重新恢復標準的圓柱形，然后量出砂輪新的半徑，再將新的半徑值補償?shù)娇刂葡到y(tǒng)中去。（2）修銳砂輪使用一段時間后，起切削作用的小磨粒會折斷或者被磨平，或者磨粒之間的空間被切削物所填滿，造成磨粒的磨削功能下降。這時需要用油石研磨砂輪，一方面將砂粒之間的微小填充物清洗出來，一方面將微小的磨粒打銳。圖3.5 砂輪的修形示意圖3.7 本章小結本章結合了數(shù)控研磨的特點，研究了影響冰刀研磨質(zhì)量的各種因素，確定了各種因素的工藝取值范圍，在此基礎上，介紹了自動生成冰刀研磨加工工藝卡的方法。設計了冰刀的砂輪結構，介紹了砂輪的修整方法。4 冰刀研磨機控制系統(tǒng)方案正確的研磨工藝是保證研磨質(zhì)量的必要前提，而穩(wěn)定可靠的研磨控制過程又是研磨工藝得以實現(xiàn)的技術保證。冰刀研磨的控制過程分為三個研磨級別的控制過程，而每一級別控制過程中又由多次單次加工循環(huán)組成。每單次加工過程中有許多細節(jié)控制步驟，對這些細節(jié)步驟的控制和把握會對冰刀的最后研磨質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。加工過程中，還要采取方法控制砂輪具有恒定的加工線速度。4.1 系統(tǒng)的硬件結構冰刀研磨機的控制系統(tǒng)以通用 PC 機作為基本的硬件平臺，通過打印機接口外接自行設計的板卡，把冰刀研磨機作為通用 PC 機的一個外設，實現(xiàn) PC 直接數(shù)控，從而將冰刀研磨機集成為便攜式的數(shù)控產(chǎn)品。采用通用 PC 機通過打印機接口與研磨機聯(lián)接， PC 機可以根據(jù)需要與機器本身分開，也可聯(lián)機共同工作，為該設備的便攜式提供了靈活的組成方式，可以把機床想打印機一樣的方面的連接在任何一臺普通的通用 PC 機上。同時，以通用 PC 機作為基本的硬件平臺也可省略專用控制器的接線和板卡設計，簡化了控制系統(tǒng)的自身的結構。4.2 研磨的運動控制分析冰刀的刀刃線形狀比較簡單，主要由幾段相切的圓弧線組成。冰刀加工時，由三個移動軸控制工作臺對冰刀進行加工。其運動可以分解為：旋轉主軸帶動砂輪作旋轉運動；Z、X 軸：兩軸聯(lián)動，完成對冰刀刀刃輪廓線的研磨；X、Y、Z 軸：三軸聯(lián)動，帶動砂輪走螺旋線的軌跡運動。1）砂輪的控制運動本文的砂輪是安裝在工作臺上，所以砂輪的運動方式有三種：（1）隨主軸做主旋轉運動。（2）隨 X 軸和 Z 軸聯(lián)動完成對冰刀刀刃輪廓線的研磨。（3）隨 Y 軸做來回的往復移動。以下重點對砂輪的第三種運動進行分析說明。如圖 4.1 所以，方框表示砂輪研磨圓柱面的展開，方框里的線條表示加工點在砂輪面上留下的研磨軌跡。圖(a)，砂輪不擺動，砂輪磨削面上的所有實際起磨削作用的有效磨削點將集中于一條線上。砂輪厚 8mm，冰刀刃厚 2mm，這樣很快就會將砂輪磨出一條槽，大大浪費了砂輪的使用效率。而圖(b)時，砂輪在做進給運動時，同時沿機床的Y 方向軸上做來回的往復擺動，這樣砂輪的整個外圓柱面就將參與冰刀的研磨加工，將砂輪從(a)中的一條線的徑向磨損均勻分散到一個圓柱面上的徑向磨損，大大提高砂輪的使用效率和使用壽命，節(jié)省成本，還能方便對以后的砂輪修整。圖 4.1 磨削點在砂輪面上的運動軌跡2）研磨的控制流程由工藝可知，冰刀的研磨分粗磨、精磨、拋光磨三級。每級研磨中，都需要多次研磨過程來完成，加工起始時，研磨機的測量部分給出冰刀的研磨量，控制系統(tǒng)會自動計算出每級研磨的研磨量和每級研磨的研磨次數(shù)，并以工藝卡的形式在人機界面中操作員顯示出來。操作員可以適當?shù)男薷膫€別的加工參數(shù)。在任何一級研磨中，砂輪每完成單次加工過程，控制系統(tǒng)都會做出判斷是否進入下一級的加工，或者是否完成加工。本文數(shù)控伺服系統(tǒng)中，有四個伺服軸：主軸、X 軸、Y 軸和 Z 軸。主軸帶動砂輪作回轉運動，由于工件質(zhì)量和體積都較小，機械慣量、機械常數(shù)也較小，所以其機械滯后比較小，在實際加工中形成輪廓曲線時只要有小的滯后誤差。而且，砂輪直接由主軸電機帶動，不經(jīng)過其它傳動裝置，傳動誤差很小。X 軸、Y 軸和 Z 軸，主要是帶動運動臺刀架上下左右運動