精密卡規(guī)磨床自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案的研究
2019-7-15 來源： 桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限公司 作者：盧煥寧
摘 要：提出了一種數(shù)控磨床的自動(dòng)化方案，并通過對(duì)該方案的各功能部件的分析和研究，找出了問題所在，也提供了相應(yīng)的解決方案，理論聯(lián)系實(shí)踐的論述了該方案的可行性。
關(guān)鍵詞：磨床；數(shù)控；精密；磨削
一直以來，在我國(guó)傳統(tǒng)的量具生產(chǎn)過程中，卡尺的大小量面都是最后通過人工研磨來保證其最后的精度的，且因?yàn)閭鹘y(tǒng)的加工設(shè)備和加工工藝的局限性，每一把卡尺的單件尺寸都是唯一的，即毫無互換性可言，這也給卡尺的售后服務(wù)帶來了很大的局限性，同時(shí)大大地提高了成本（因?yàn)榭ǔ呱系牧慵p壞后只能整把郵寄回工廠維修，不能實(shí)現(xiàn)零件的隨時(shí)更換）。與此同時(shí)，國(guó)際上已經(jīng)出現(xiàn)大批量生產(chǎn)且具有可互換性的，完全靠機(jī)械加工保證的卡尺，這種新型的加工工藝在很大程度上解放了勞動(dòng)力和極大的減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，也提高了生產(chǎn)效率。是發(fā)展技術(shù)向前看，還是固步自封的夜郎自大，這已經(jīng)是一個(gè)急需做出抉擇的現(xiàn)實(shí)問題。有鑒于此，本文提出一種針對(duì)卡尺量面磨削加工的自動(dòng)化方案，該自動(dòng)化磨削方案可以通過一系列自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)卡尺量面的自動(dòng)磨削，從而極大地提升了卡尺量面磨削的效率和可靠性。
該自動(dòng)化磨削方案包括了零件自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)、夾具、數(shù)控磨床等多個(gè)自動(dòng)化環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)卡尺量面整個(gè)磨削過程的全自動(dòng)化控制，整個(gè)磨削過程完全脫離了對(duì)工人的依賴，提升了磨削的效率，降低了工人的工作強(qiáng)度，提升了卡尺量面的質(zhì)量。
1 、數(shù)控精密磨床的設(shè)計(jì)與研究
1.1 磨床主要加工要求
（1）卡尺大量面的平面度，要求在 0.002 mm 以內(nèi)，用平晶檢查必須肉眼能看到發(fā)散的彩色光帶。
（2）要實(shí)現(xiàn)互換性，必須保證每把卡尺的大小量面之間的距離的誤差在 0.005 mm 以內(nèi)，考慮用絕對(duì)式光柵來保證。
（3）要保證卡尺尺身與尺框安裝完畢后大小量面對(duì)貼合縫隙在 0.005 mm 以內(nèi)，即尺身的大小量面與尺身定位面的垂直度必須在 0.002 5 mm 以內(nèi)，同時(shí)尺框的大小量面與尺框的定位面的垂直度也要保證在 0.002 5 mm 以內(nèi)。
（4）卡尺大小量面對(duì)粗糙度要求在 Ra0.2 以內(nèi)。
以上四個(gè)方面的綜合研究與分析是本項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵，也是卡尺量面質(zhì)量是否合格、可靠的關(guān)鍵，基于以上四個(gè)方面的影響因素，本項(xiàng)目最后選擇了絲桿線軌傳動(dòng)，電主軸磨頭的法那科數(shù)控系統(tǒng)磨床。
1.2 數(shù)控精密磨床的設(shè)計(jì)
（1）機(jī)床的外形尺寸不能太大，為了體現(xiàn)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的人性化特點(diǎn)，該機(jī)床的操作者應(yīng)以坐姿來操作。
（2）數(shù)控系統(tǒng)的選擇，目前比較常用的數(shù)控系統(tǒng)主要有三種，它們是：西門子數(shù)控系統(tǒng)、法那科數(shù)控系統(tǒng)、華中數(shù)控系統(tǒng)。根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)的可靠性和性價(jià)比，決定選擇法那科數(shù)控系統(tǒng)。
（3）磨頭的選擇，磨頭也面臨著兩個(gè)選擇，第一是采用傳統(tǒng)的磨頭，用電機(jī)帶動(dòng)，即磨頭和電機(jī)是分開的，并通過皮帶聯(lián)接；第二是采用最新的技術(shù)，即采用磨削電主軸。這兩種的特點(diǎn)是：第一種技術(shù)比較成熟，對(duì)設(shè)計(jì)來說比較有把握，缺點(diǎn)是因?yàn)殡姍C(jī)和磨頭是分開并通過皮帶聯(lián)接的，所以出現(xiàn)振動(dòng)的可能性比較大，可能會(huì)影響零件的表面加工質(zhì)量；第二種因?yàn)椴捎玫氖请娭鬏S，所以振動(dòng)的可能性比較小，表面質(zhì)量比較容易保證，但缺點(diǎn)就是該技術(shù)屬于比較新型的技術(shù)，可靠性和技術(shù)成熟性還有待觀察。
（4）過濾裝置的選擇，因?yàn)橐蠛芎玫谋砻尜|(zhì)量和平面度，所以砂輪加工必須選擇水冷式加工，冷卻液的過濾是一個(gè)大問題，在過濾裝置的選擇上選擇了精密紙帶過濾機(jī)，通過高精度的紙帶過濾來實(shí)現(xiàn)冷卻液的循環(huán)使用。
（5）砂輪的選擇，傳統(tǒng)的砂輪大多采用的是白剛玉和綠碳化硅，棕剛玉等材料，這些材料的砂輪的特點(diǎn)是：砂輪采購(gòu)成本低，生產(chǎn)技術(shù)成熟，加工性能可靠，容易修整，切削進(jìn)給量大等，但是加工精度不高，并容易磨損，且線速度普遍不高；新型的立方氮化硼砂輪的特點(diǎn)是：加工精度高，不容易磨損，且有很高是線速度，這剛好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)砂輪的缺陷，但因?yàn)槭切滦彤a(chǎn)品，其技術(shù)的成熟度不夠，切因?yàn)樘膊蝗菀仔拚邢鬟M(jìn)給量也相對(duì)較小，這就導(dǎo)致零件容易燒傷。
（6）線軌的選擇。磨床要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無振動(dòng)和無阻力過大等形象，同時(shí)還要能夠?qū)崿F(xiàn)高速磨削和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，又因?yàn)閷?duì)磨床的具體尺寸都做了相應(yīng)的限制和規(guī)定，所以在比較了傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌和現(xiàn)代化技術(shù)的線性滾動(dòng)導(dǎo)軌后，決定采用線性滾動(dòng)導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)該磨床的導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)，依據(jù)如下：在比較了國(guó)內(nèi)外多個(gè)線性滾動(dòng)導(dǎo)軌生產(chǎn)廠家的多種產(chǎn)品后，例如國(guó)內(nèi)的南京工藝，濟(jì)南博特，還有中國(guó)臺(tái)灣的上銀集團(tuán)，德國(guó)的力士樂和日本的 THK 等等，我們最終選定了日本 THK 的一款阻尼相對(duì)較大的 SNS25R2DD球保持型 LM 線性滾動(dòng)導(dǎo)軌。該滾動(dòng)導(dǎo)軌不僅適合穩(wěn)定的磨削，更能實(shí)現(xiàn)工件的高速進(jìn)給，并能保證極高的進(jìn)給和導(dǎo)向精度，這樣不僅有利于工件的加工，同時(shí)與法那科數(shù)控系統(tǒng)的配合也更能夠全方位的體現(xiàn)該數(shù)控系統(tǒng)的各種功能的優(yōu)越性。
（7）絲桿的選擇，根據(jù)磨床的具體要求，在傳動(dòng)方式上摒棄了傳統(tǒng)的液壓油缸驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式，決定采用滾珠絲桿傳動(dòng)，因?yàn)檫@樣不僅可以更好的實(shí)現(xiàn)磨床的告訴進(jìn)給和可靠進(jìn)給，更是節(jié)約了后續(xù)的維護(hù)成本，同時(shí)也可以把磨床的外形尺寸做到更小更精致，這也極大地節(jié)約了磨床的生產(chǎn)成本。滾珠絲桿的選擇依據(jù)如下：同樣是在比較了國(guó)內(nèi)外多個(gè)滾珠絲桿生產(chǎn)廠家的多種產(chǎn)品后，例如國(guó)內(nèi)的南京工藝，濟(jì)南博特，還有中國(guó)臺(tái)灣的上銀集團(tuán)，德國(guó)的力士樂和日本的 THK 等等，最終選定了日本的 THK 的一款 BNFN2505-3.5RRG0 型滾珠絲桿。該種滾珠絲桿不僅定位精準(zhǔn)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，相比傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式更靈活，更耐磨，售后的維護(hù)成本更低，更經(jīng)久耐用，幾何精度更持久可靠，同時(shí)也能更好的配合法那科數(shù)控系統(tǒng)的使用，可謂是一舉多得。
（8）潤(rùn)滑的設(shè)計(jì)和選擇，對(duì)線軌和絲桿的潤(rùn)滑，主要采取的是油潤(rùn)滑，相比油脂潤(rùn)滑，油潤(rùn)滑的特點(diǎn)是：容易添加潤(rùn)滑油、對(duì)零件的潤(rùn)滑更加全面、對(duì)線軌和絲桿的保護(hù)更好。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)走線比較麻煩，相對(duì)附件比較多，但由于磨床是使用頻率很高的機(jī)械設(shè)備，所以還是采用油潤(rùn)滑，這樣不僅能增加設(shè)備的使用壽命，同時(shí)也更能保護(hù)設(shè)備的精度的持久性，對(duì)零件的加工也能得到更好的加工質(zhì)量。潤(rùn)滑元件的供給產(chǎn)家在南京貝奇爾和浙江流遍之間選擇了后者，因?yàn)楹笳哂懈叩男詢r(jià)比和更好的服務(wù)態(tài)度。數(shù)控精密磨床設(shè)計(jì)方案的確定，以及機(jī)床零件加工質(zhì)量，磨床裝配精度，是保證卡尺量面磨削質(zhì)量最為關(guān)鍵的部分。好的機(jī)床設(shè)計(jì)方案布局，零件加工以及裝配精度，才能制造出穩(wěn)定，耐用的加工設(shè)備。
2 、卡尺夾具的設(shè)計(jì)與研究
根據(jù)卡尺量面的加工要求，以及磨床加工進(jìn)給方向等多方面的考量，不單要考慮夾具與機(jī)床布局是否干涉，更要考慮夾具本身的可靠性和重復(fù)性等諸多變量。根據(jù)圖 1 的夾具布局示意圖，卡尺的夾緊主要通過一套自動(dòng)定位裝置來進(jìn)行保證，加工卡尺量面通過機(jī)械手抓取卡尺放置在定位夾具上，再通過夾具中的主定位氣缸和側(cè)定位氣缸的二次重復(fù)定位和夾緊確保卡尺的定位和固定，然后再通過數(shù)控精密磨床加工，完成卡尺量面的磨削。本自動(dòng)化機(jī)構(gòu)的難點(diǎn)與關(guān)鍵：
（1）卡尺的定位精度和固定可靠。
（2）固定壓緊力的選擇導(dǎo)致的卡尺位置移動(dòng)對(duì)加工結(jié)果的影響。
（3）機(jī)械手抓取位置與夾具的布局的干涉問題。
（4）夾具的固定方式和夾緊力對(duì)卡尺量面加工結(jié)果的影響。
圖 1 夾具與磨床的布局
以上列舉的四個(gè)方面的影響是本項(xiàng)目在實(shí)施過程中的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)點(diǎn)，也是決定項(xiàng)目成敗的主因所在，通過以上四點(diǎn)的技術(shù)攻關(guān)，卡尺量面加工結(jié)果得以良好的保證與輸出，很的滿足了零件后續(xù)加工的需要。3 卡尺自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究3.1 卡尺自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的參數(shù)與技術(shù)要求根據(jù)卡尺的自動(dòng)上下料要求，結(jié)合加工的節(jié)拍與相關(guān)配合機(jī)構(gòu)的交互等因素，確定了以下的技術(shù)參數(shù)和要求：
（1）自動(dòng)上下料機(jī)械手移動(dòng)速度：40 m/min.
（2）機(jī)械手抓取力：10 kg.
（3）機(jī)械手移動(dòng)定位精度：±0.1 mm.
（4）機(jī)械手抓取工位：2 個(gè)。
（5）機(jī)械手配備抓取和松開到位感應(yīng)開關(guān)。
3.2 零件自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)
根據(jù)自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了如圖 2、3、4 的機(jī)構(gòu)方案.
圖2 自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)
圖3 自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)
圖4 自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)
根據(jù)圖 2、3、4 的自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)方案圖，本機(jī)構(gòu)的機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)零件的抓取和放置，同時(shí)通過傳輸機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)零件從自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)到夾具的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)零件的上料抓取和下料放置的功能。本自動(dòng)化機(jī)構(gòu)的難點(diǎn)與關(guān)鍵：
（1）零件抓取的可靠性和定位的準(zhǔn)確度。
（2）零件傳輸?shù)钠椒€(wěn)性和效率性。
（3）機(jī)構(gòu)本身的剛性與可靠性。
（4）機(jī)械手抓取力的大小與零件、抓緊機(jī)構(gòu)的匹配。
（5）機(jī)構(gòu)的制造成本與經(jīng)濟(jì)性的平衡。
（6）抓取工位的交換的可靠性與持久性。
（7）機(jī)構(gòu)的分拆零件的加工性和裝配性。
以上七個(gè)方面是該自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的難點(diǎn)，也是其運(yùn)行可靠與否的關(guān)鍵點(diǎn)，通過對(duì)以上各點(diǎn)的研究與分析，逐個(gè)突破是解決問題的關(guān)鍵。
3.3 項(xiàng)目自動(dòng)化解決方案
（1）機(jī)械手采用單臂支撐結(jié)構(gòu)，要求支撐臂剛性滿足，并考慮加工過程的工藝性和成本。
（2）機(jī)械臂橫向（Y 向）進(jìn)給A、采用線性模組傳動(dòng)方案，選擇線性模組 tkk8620C-740A1-F1C.B、選擇私服電機(jī)，通過聯(lián)軸器連接伺服電機(jī)和線性模組，實(shí) Y 向進(jìn)給。
（3）機(jī)械臂垂向（Z 向）進(jìn)給A、 采用線性模組傳動(dòng)方案，選擇線性模組tkk6010C-300a1f1c.B、選擇私服電機(jī)，通過聯(lián)軸器連接伺服電機(jī)和線性模組，實(shí) Z 向進(jìn)給。
（4）送料盤（X 向）進(jìn)給A、 采用線性模組傳動(dòng)方案，選擇線性模組B、選擇私服電機(jī)，通過聯(lián)軸器連接伺服電機(jī)和線性模組，實(shí) X 向進(jìn)給。
4 、結(jié)束語
通過精密卡規(guī)磨床自動(dòng)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了卡尺的自動(dòng)送料、自動(dòng)上下料、自動(dòng)加工等功能，該類型卡尺量面磨削的設(shè)計(jì)研究，不僅可以提升卡尺量面的準(zhǔn)確度，同時(shí)也能提升卡尺量面加工的效率，降低人工制造的成本，改善工人的工作環(huán)境。同時(shí)該方案的設(shè)計(jì)具有廣泛的推廣價(jià)值和意義，可以針對(duì)不同行業(yè)的磨削加工自動(dòng)化的改造和升級(jí)。
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