全自動鞋底磨邊機研制

李恒，沈輝，呂明明，陳徐兵，嚴偉明，蔣波

（1.揚州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇揚州225127;2.華中科技大學(xué)國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心揚州研發(fā)中心，江蘇揚州 225127）

0 引言

制鞋業(yè)是我國重要的制造及出口行業(yè)，在我國國民經(jīng)濟生產(chǎn)中占有重要的地位。目前，我國的制鞋企業(yè)普遍存在著制鞋設(shè)備自動化水平低、產(chǎn)品科技含量不高、工藝水平低、產(chǎn)品品質(zhì)參差不齊等問題［12］。鞋底磨邊作為制鞋工藝中的重要一步，對制鞋的品質(zhì)有著較大的影響，目前國內(nèi)制鞋企業(yè)大都在使用效率低的手工鞋底磨邊機，鞋底磨邊品質(zhì)受人的影響因素很大，難以保障產(chǎn)品品質(zhì)，一定程度上阻礙了我國制鞋業(yè)的發(fā)展。如何提高鞋底磨邊的品質(zhì)和提高企業(yè)的經(jīng)濟效益是制鞋業(yè)亟待解決的問題。

根據(jù)企業(yè)需求，研制出專門用于鞋底磨邊的數(shù)控機床，用全自動鞋底磨邊機取代手工鞋底磨邊機，具有較大的意義。這將對提高制鞋的效率和品質(zhì)，改變現(xiàn)在制鞋企業(yè)人員不足的情況，生產(chǎn)出高品質(zhì)的鞋類產(chǎn)品，推動我國制鞋業(yè)的發(fā)展，起到巨大的作用。

1 鞋底磨邊機總體布局設(shè)計

開發(fā)鞋底磨邊機的目的是用數(shù)控技術(shù)取代存在于制鞋企業(yè)中的手工對鞋底磨邊的狀況，提高企業(yè)效率。開發(fā)出的鞋底磨邊機的主要功能是實現(xiàn)對鞋底貼邊和貼跟中存在的參差不齊部分進行少量的切削，然后對鞋底邊進行粗磨和精磨加工，實現(xiàn)鞋底邊曲線的光滑處理。

根據(jù)要實現(xiàn)的功能和鞋底加工的特點，在對鞋底磨邊機進行分析中，可以看出該機床具有銑床和磨床的功能，由于鞋底為不規(guī)則曲線，材料為橡膠、塑料等，形狀較小，質(zhì)量輕，機床的切削力小，加工精度要求不太高，但要求機床質(zhì)量比較輕，成本低，因此在這里采用平行立式結(jié)構(gòu)，主要由x，c，t三個軸組成，具體設(shè)計為:

1）由于機床比較輕，且要求便于移動，在加工過程中切削力比較小，因此整個機床采用矩形槽鋼焊接而成。機床主軸與工作臺豎直方向平行放置。

2）機床主軸t軸與換刀裝置裝配在一起，通過齒輪帶動刀架的轉(zhuǎn)動，而主軸通過皮帶與刀架上的刀具軸連接，帶動三把刀同時轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對鞋底的加工。

3）進給軸x軸實現(xiàn)水平方向的進給運動，加緊旋轉(zhuǎn)軸c軸實現(xiàn)鞋底的旋轉(zhuǎn)運動。機床通過數(shù)控系統(tǒng)控制x軸和c軸的聯(lián)動，來進行鞋底的磨邊。進給運動通過滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌來實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運動則通過蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)帶動上下鞋模來實現(xiàn)。

4）鞋底夾緊裝置通過氣缸來實現(xiàn)對鞋底的固定。

5）機床電器控制柜放置機床（正對機床）右面。

6）控制器安裝在由一連桿引出的控制器架上，放在鞋底磨邊機右前面，便于操作時對鞋底磨邊機情況的觀察。

2 鞋底磨邊機加工工藝過程

對于鞋底這種不規(guī)則物體的加工，加工工藝流程對鞋底的加工精度和鞋邊的品質(zhì)具有較大影響。鞋底磨鞋機中采用了進給軸x軸和旋轉(zhuǎn)軸c軸兩軸聯(lián)動，刀具軸t固定不動的加工方式，實現(xiàn)對鞋底邊的加工。在加工中進給軸x軸的運動包括進給運動和往復(fù)跟隨運動。具體的工藝流程為:c軸通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)鞋底的對刀，以鞋底的最后端為加工的起點，x軸快速進給直到鞋底最后端距刀具0.5 mm為止，此時，x軸和c軸開始進行聯(lián)動加工，當切削完后，x軸后退到一定的安全距離，換刀后重復(fù)上面的動作進行粗磨，然后進行精磨。

3 鞋底磨邊機結(jié)構(gòu)設(shè)計

鞋底磨邊機的機械機構(gòu)主要由主軸機構(gòu)、進給系統(tǒng)、夾緊旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)置及其附屬裝置組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鞋底磨邊機整體結(jié)構(gòu)

3.1 主軸傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

主傳動系統(tǒng)應(yīng)能保證執(zhí)行部件具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的變速范圍，以適應(yīng)不同的加工要求［3-4］。鞋底磨邊機主軸傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

主傳動系統(tǒng)運動過程如下:主軸電動機通過變速機構(gòu)、聯(lián)軸器直接與傳動軸相聯(lián)，通過皮帶把動力傳遞給刀具。其具體的過程為:起動機床—控制系統(tǒng)輸入工藝參數(shù)—主軸電動機工作—皮帶輪轉(zhuǎn)動—皮帶—帶動刀架上3把刀具同時轉(zhuǎn)動。

由于鞋底磨邊機需要銑削、粗磨和精磨3個步驟，使用3把刀來進行加工，因此還需要實現(xiàn)一個基本的換刀功能。換刀裝置工作過程:換刀電動機接到指令，開始轉(zhuǎn)動－通過齒輪裝置，帶動與傳動軸同軸向的齒輪轉(zhuǎn)動，該齒輪與刀架傳動機構(gòu)連接－刀架傳動機構(gòu)一起轉(zhuǎn)動－由于行星刀架與該機構(gòu)連接，因此最終帶動刀架的轉(zhuǎn)動－當?shù)都苻D(zhuǎn)動120°后，準停機構(gòu)開始運動，使刀具準確的停在所在位置，準停機構(gòu)還有在刀具工作過程中起固定刀架的作用。

圖2 主軸傳動結(jié)構(gòu)

3.2 進給系統(tǒng)的設(shè)計

進給系統(tǒng)是鞋底磨邊機的一個重要組成部分，進給系統(tǒng)直接控制著工件的進與退，其靈敏度、穩(wěn)定性及傳動精度直接影響著鞋底的加工精度和質(zhì)量。在條件允許的情況下應(yīng)該盡量降低運動部件的質(zhì)量，減小慣性力，盡量減小摩擦阻力，提高進給系統(tǒng)的性能。鞋底磨邊機進給系統(tǒng)采用了數(shù)控機床最常用的驅(qū)動方式“伺服電動機+滾珠絲杠”的驅(qū)動方式，由于滾珠絲杠的歷史悠久、成本較低、技術(shù)成熟，在中等載荷，行程范圍不太大的數(shù)控機床和加工中心中被廣泛采用。

3.3 夾緊旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計

為了實現(xiàn)鞋底形狀的加工，設(shè)計中采用刀軸固定、工件移動的方式來實現(xiàn)。加工的軌跡是由一個直線運動和一個旋轉(zhuǎn)運動合成的，直線進給運動上文已介紹，這里將介紹旋轉(zhuǎn)運動。所謂旋轉(zhuǎn)即使鞋模在加工的過程中能實現(xiàn)360°的圓周運動，使其在一次裝夾中能完成鞋底整個邊線的加工。為了讓鞋底能旋轉(zhuǎn)，本項目采用的是將鞋底下模與一根傳動軸進行連接，通過電動機使傳動軸轉(zhuǎn)動，從而帶動鞋模的轉(zhuǎn)動。

鞋底在加工的過程中需要一夾緊裝置對其進行固定，本設(shè)計中將夾緊裝置和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)裝配在一起，因此在旋轉(zhuǎn)的過程中同時使上下模具轉(zhuǎn)動。

夾緊裝置采用下模固定，上模壓緊的方法，整個壓緊力是通過一個氣缸來完成，氣缸的作用是帶動升降軸動，從而產(chǎn)生壓緊力。整個夾緊旋轉(zhuǎn)裝置圖如圖3所示。

4 數(shù)控系統(tǒng)選型

基于鞋底磨邊機控制的特點，本設(shè)計選用了經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)DNC-11，本數(shù)控系統(tǒng)為基于ARM+FPGA的硬件體系結(jié)構(gòu)，有4個脈沖口、32路數(shù)字輸入、32路數(shù)字輸出和4路0—10 V模擬輸出接口（圖4），具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高的特點。軟件為基于Linux+Xenomai的實時操作系統(tǒng)，鞋底磨邊機數(shù)控系統(tǒng)的軟件由底層軟件和用戶軟件兩個層次組成（圖5），其中底層軟件為數(shù)控系統(tǒng)的核心部分。在底層軟件中，Xenomai為Linux的實時擴展，主要負責數(shù)控系統(tǒng)實時任務(wù)的調(diào)度。NCSHELL為底層與用戶界面的接口，主要管理插補計算、PLC調(diào)度、內(nèi)部監(jiān)視、位置控制等所有的外部控制對象。底層軟件通過定義的完備的接口，可以向上層提供所有的底層服務(wù)。應(yīng)用軟件則為用戶與底層軟件的接口。

圖5 基于Linux+Xenomai的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，所研制的全自動鞋底磨邊機其加工出的鞋底，各項指標均符合要求。在制鞋業(yè)自動化水平要求越來越高的今天，全自動鞋底磨邊機在今后將得到廣泛的應(yīng)用與推廣，在制鞋領(lǐng)域發(fā)揮較大的作用。

［1］章獻忠.我國鞋類設(shè)計現(xiàn)狀分析與發(fā)展策略［J］.西部皮革，2009，31（4）:9.

［2］陳建良，童水光，胡揚五.數(shù)控刻楦機研制［J］.機床與液壓，2005（11）:10-11.

［3］周利平.數(shù)控裝備設(shè)計［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2011.

［4］王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與設(shè)計［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1999.

［5］楊賀來.數(shù)控機床［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.