復(fù)雜曲面型面柔性砂帶磨削關(guān)鍵技術(shù)研究

王隆太，項余建

(揚州大學(xué) 機械學(xué)院，江蘇揚州 225009)

由于復(fù)雜曲面零件的特殊功能，在機械制造、船舶、冶金、輕工、航天、航空、國防以及尖端科學(xué)領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用，但復(fù)雜曲面型面的光整加工卻是一項技術(shù)難度大、理論性強的加工工藝，多年來一直是機械制造業(yè)瓶頸性的工藝難題。砂帶磨削具有磨削效率高、磨削溫度低、磨削抗力小的特點，被普遍認(rèn)為是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗以及用途廣泛的機械加工工藝方法［1-2］。然而，用柔性砂帶進(jìn)行復(fù)雜曲面型面磨削的光整加工，存在著磨削運動多、磨削精度難于控制的技術(shù)難題［3］。為此，本文針對復(fù)雜曲面型面柔性砂帶磨削要求，開展了曲面型面砂帶磨削運動分析以及磨削模型建立、磨床結(jié)構(gòu)組成及其結(jié)構(gòu)實現(xiàn)、磨削壓力補償控制以及數(shù)控編程及后置處理等關(guān)鍵技術(shù)研究，最終完成可控磨削力六軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床樣機產(chǎn)品的開發(fā)。

1 曲面型面砂帶磨削運動分析及磨削模型的建立

曲面型面的砂帶磨削，首先要解決所需的磨削運動以及各運動之間的關(guān)聯(lián)，以此可根據(jù)被磨削對象的型面信息求取所要求的磨削刀具控制運動。如圖1所示，汽輪機葉片型面的砂帶磨削加工，是通過柱形或鼓形砂帶接觸輪驅(qū)動著砂帶相對于葉片型面進(jìn)行磨削包絡(luò)成形，除了需有接觸輪相對葉片3個方向的直線運動和葉片繞自身軸線的回轉(zhuǎn)運動之外，還需有接觸輪繞磨削點2個方向的擺動，為此可使砂帶接觸輪軸線矢量與曲面型面磨削點處的最小曲率方向一致。滿足這一曲面包絡(luò)理論要求，可最大限度地減小欠切或過切的磨削過程干涉［4］。因而曲面型面的砂帶磨削加工，必須配置有3個直線運動和3個回轉(zhuǎn)運動的六軸聯(lián)動控制。

圖1 曲面型面砂帶磨削運行分析

在串行機床切削加工中，刀具位置和姿態(tài)通常是根據(jù)被加工型面參數(shù)經(jīng)各自獨立的控制運動按照先后次序串行轉(zhuǎn)換求得。如圖2所示，工件型面上某點位置矢量r0，經(jīng)n個獨立運動(k1，k2，…，kn)轉(zhuǎn)換后，可求得加工刀具的運動控制矢量rt：

式(1)既表達(dá)了工件與刀具間信息的關(guān)聯(lián)，又包含了各控制運動的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可作為曲面型面砂帶磨削的運動關(guān)系模型。式(1)中運動關(guān)系矩陣T與機床的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的機床組成結(jié)構(gòu)其各轉(zhuǎn)換運動先后次序不一樣，其運動關(guān)系矩陣T也不盡相同。

圖2 串行加工運動關(guān)系模型

2 曲面型面砂帶磨床布局方案及結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

任何機床均可認(rèn)為是由床身基礎(chǔ)件和不同運動部件組成，正是由于這些運動部件間的相互移動或轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了刀具對工件型面的成形加工。

機床運動部件的合理組成和優(yōu)化配置是機床設(shè)計的一項重要任務(wù)，不同運動部件間的不同組合，可構(gòu)成不同的機床結(jié)構(gòu)方案。例如，六軸聯(lián)動機床的 X，Y，Z，A，B，C 6 個獨立運動控制軸加上機床床身基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件，可構(gòu)成(6+1)!=5 040種不同的機床布局方案。當(dāng)然，實際的機床結(jié)構(gòu)由于受到被加工對象、機床結(jié)構(gòu)實現(xiàn)以及結(jié)構(gòu)剛性等條件的約束，可行的機床結(jié)構(gòu)方案將大為減少，如圖1所示汽輪機葉片的磨削加工，將受到如下條件的約束：

a．從工件到刀具之間各運動部件排列次序分析，控制葉片回轉(zhuǎn)的A軸應(yīng)為第一部件;

b．從長葉片磨削特點考慮，機床的其余兩回轉(zhuǎn)軸B，C最好設(shè)置在刀具端;

c．沿葉片軸線進(jìn)給的X控制軸位于工件端，緊貼A軸布置;

d．從機床剛度考慮，回轉(zhuǎn)軸不宜夾于任意兩直線軸之間;

e．直線軸 X，Y，Z之一必須與機床床身 O相聯(lián)。

在上述條件約束下，可行的葉片磨削機床結(jié)構(gòu)將大為減少，僅有如下12種機床結(jié)構(gòu)布局方案：

AXOYZBC、AXOYZCB、AXOZYBC、AXOZYCB、

AXYOZBC、AXYOZCB、AXZOYBC、AXZOYCB、

AXYZOBC、AXYZOCB、AXZYOBC、AXZYOCB。

若再考慮工件端床身O上僅允許布置有回轉(zhuǎn)軸A和直線軸X兩個運動部件，那么上述12種布局方案僅有如圖3所示的4種可選機床布局結(jié)構(gòu)。在這可選布局結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步從制造成本、裝配操作方便性、安全性等方面進(jìn)行權(quán)衡，本文最終選擇了AXOYZBC型布局方案作為曲面型面數(shù)控砂帶磨床的組成結(jié)構(gòu)。

圖3 六軸聯(lián)動砂帶機床4種可行結(jié)構(gòu)方案

將運動控制軸看作一個個獨立的運動控制節(jié)點，每個節(jié)點連接著機床兩個相關(guān)部件，從而構(gòu)成了如圖4所示的運動控制鏈。設(shè)TPQ為各節(jié)點運動轉(zhuǎn)換矩陣，其上標(biāo) P(A，B，C，X，Y，Z)為坐標(biāo)軸，下標(biāo)Q為位移或旋轉(zhuǎn)角，則AXOYZBC型機床布局方案的運動關(guān)系模型為：

圖5為依據(jù)AXOYZBC型布局方案所研制的六軸聯(lián)動汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床。葉片零件由A軸伺服電機驅(qū)動夾持在頭架與尾座之間，頭架和尾座架設(shè)在工作臺上并由X軸伺服電機驅(qū)動沿前床身左右方向移動;立柱位于后床身由Y軸電機驅(qū)動實現(xiàn)前后方向的移動;砂帶磨頭垂直設(shè)置在立柱上由Z軸電機驅(qū)動實現(xiàn)上下移動，磨頭上兩個擺動軸可控制砂帶接觸輪繞B，C兩軸擺動。

圖4 AXOYZBC型機床布局運動控制鏈

圖5 六軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

3 砂帶柔性磨削的精度控制技術(shù)

砂帶為一次性柔性磨削工具，在磨削作業(yè)中砂帶自身的砂粒也逐漸被鈍化，砂帶厚度也不斷在減小，磨削過程砂帶一般不予修整，磨削鈍化后通常通過更換新砂帶以恢復(fù)其磨削能力，而新、舊砂帶的厚度之差往往達(dá)0．2～0．3mm之多。因此，砂帶數(shù)控磨削存在著精度控制的難題。

磨削過程中，在保持砂帶線速度、進(jìn)給速度等磨削參數(shù)不變的條件下，其磨削力F磨往往隨磨削深度(即磨削余量)的變化而變化，若磨削深度保持不變則磨削力基本為一常數(shù)。反之，若在磨削過程中將磨削力控制為一常數(shù)，則磨削深度也將為一基本不變值。為此，可通過控制砂帶磨削力實現(xiàn)對磨削深度的控制，從而達(dá)到對柔性砂帶磨削精度控制的目的［5］。

為此，筆者通過電氣比例閥、驅(qū)動氣缸、補償彈簧以及平行四邊形機構(gòu)設(shè)計開發(fā)了如圖6(a)所示的可控磨削力砂帶磨頭。若忽略氣缸及各運動副間的摩擦力，則磨頭滿足如下力平衡方程(圖6(b))：

式中，F(xiàn)氣為氣缸壓力;F重為磨頭重力;F彈為補償彈簧力;F磨為砂帶磨削力?？梢?，當(dāng)F重和F彈給定條件下，磨削力F磨將由氣缸壓力F氣所決定，而F氣可根據(jù)磨削對象要求由磨削數(shù)控程序自行設(shè)定。圖6(c)為氣缸壓力F氣的控制回路，它是一個包含由電氣比例閥、伺服氣缸、壓力傳感器等組成的反饋回路。

圖6 可控磨削力的砂帶磨頭

圖6 所示的砂帶磨頭在按給定軌跡磨削時，F(xiàn)氣，F(xiàn)重和F彈均為定值。隨著磨削過程的進(jìn)行，砂帶磨損及砂帶厚度的減小將導(dǎo)致磨削深度減小，磨削力F磨降低，式(3)不再平衡

在F氣和F磨作用下磨頭有下降趨勢，這將導(dǎo)致磨削深度的增加，磨削深度增加反過來又使磨削力F磨增加，使磨頭重新恢復(fù)到力平衡狀態(tài)。

同樣，若工件毛坯余量不均，致使磨削深度增加，導(dǎo)致磨削力F磨增加，式(3)變?yōu)椋?/p>

此時在F氣和F磨作用下使磨頭上升偏離工件，從而使磨削深度減小，磨削力F磨降低，系統(tǒng)又重新歸于平衡。

由此可見，應(yīng)用上述可控磨削力砂帶磨頭，可在曲面型面上均勻地磨除一層多余材料，從而解決了柔性砂帶磨削精度控制的難題。

4 曲面型面砂帶磨削數(shù)控編程及后置處理

自動數(shù)控編程是曲面型面砂帶磨削的重要環(huán)節(jié)，目前市場上提供的自動編程系統(tǒng)尚不完全支持六軸聯(lián)動砂帶磨削加工。為此，筆者以UG/API為開發(fā)工具，用VC++在UG平臺上開發(fā)了六軸砂帶磨削編程系統(tǒng)，包括參數(shù)輸入、刀位計算、后置處理以及主控模塊等功能模塊［6］。

如圖7所示，在所開發(fā)的自動編程系統(tǒng)中包含有一個壓力軸編程模塊，用于砂帶磨頭磨削力的編程，該模塊為用戶提供了磨削力參數(shù)輸入界面及磨削力插值計算功能。例如，對于汽輪機葉片的磨削加工，用戶僅需根據(jù)界面要求輸入葉根、葉冠、進(jìn)氣邊和出氣邊4個角點所需的磨削壓力，系統(tǒng)便應(yīng)用二維插值計算出葉片型面各磨削點所需的磨削壓力，并按規(guī)定格式要求自動將各磨削力數(shù)值添加到各個數(shù)控加工程序段，如圖8所示。

圖7 自動編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

圖8 磨削力編程模塊

5 多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)

曲面砂帶磨削有一些特殊的功能，如壓力軸編程與控制等，這是通用數(shù)控系統(tǒng)無法提供的。為此，在某電子科技公司協(xié)助下，筆者基于工控機+運動控制器為平臺開發(fā)了曲面型面砂帶磨削專用數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持六軸聯(lián)動控制，標(biāo)準(zhǔn)G代碼編程，內(nèi)置軟PLC模塊，支持各伺服控制軸反向間隙補償、限位保護(hù)等功能;提供急停開關(guān)、伺服使能、磨頭啟停、腳踏開關(guān)、砂帶張緊、磁性分離器、冷卻潤滑等開關(guān)量控制;此外，還提供磨削力控制以及磨頭主軸調(diào)速控制兩個模擬量控制功能。

系統(tǒng)操作界面在Windows環(huán)境下開發(fā)，包括手動控制、連續(xù)控制、參數(shù)設(shè)置、程序編制、系統(tǒng)診斷、加工仿真等屏幕按鈕功能。

6 結(jié)束語

經(jīng)過多年不懈的努力，并先后得到江蘇省高技術(shù)研究計劃和江蘇省科技支撐計劃項目的支持，在揚州力創(chuàng)機床公司的配合下，完成了復(fù)雜曲面型面砂帶磨削的一個個關(guān)鍵技術(shù)研究，最終研制成功一臺可控磨削力六軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床樣機產(chǎn)品，并經(jīng)對汽輪機葉片曲面型面實際磨削試驗驗證，無論是功能、效率，還是磨削精度均能滿足曲面型面零件光整加工要求，達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)。

［1］ 王先逵，李慶祥．精密加工技術(shù)實用手冊［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2001．

［2］ 李伯民，趙波．現(xiàn)代磨削技術(shù)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2003．

［3］ 楊長棋，劉海江，賈維．多軸機床加工自由曲面的干涉避免與刀軸優(yōu)化［J］．同濟大學(xué)學(xué)報，2007，35(11)：1530-1534．

［4］ 梅向明，黃敬之．微分幾何［M］．北京：高等教育出版社，2003．

［5］ 姚召華．汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析［D］．揚州：揚州大學(xué)，2010．

［6］ 李靜偉．六聯(lián)動葉片砂帶磨削編程系統(tǒng)的開發(fā)及仿真技術(shù)研究［D］．揚州：揚州大學(xué)，2011．