高速隨動非圓磨床高響應(yīng)砂輪架設(shè)計

姚 權(quán) 王君昌 陳 坤 張婧婕

(陜西秦川格蘭德機床有限公司 陜西寶雞721300)

隨著電氣技術(shù)及控制技術(shù)的發(fā)展，軸類零件的非圓截面（如曲軸連桿頸、凸輪軸桃頸、RV減速機偏心軸、軸類零件上的四方及三角等異形截面等）普遍采用隨動磨加工。隨動磨床加工此類零件的優(yōu)點是：加工精度高，一般兩軸都采用直驅(qū)方式；加工工序短，工件一次裝夾可完成所有的外圓、非圓面的加工；加工柔性高，對不同的非圓截面，只需調(diào)用不同的加工程序即可實現(xiàn)換型，取代了大量的靠模板。

近幾年國內(nèi)隨動磨床制造也日漸成熟。在隨動非圓磨領(lǐng)域國內(nèi)也有涉足?！案咚匐S動非圓磨床”砂輪架的特點是“四高”：高響應(yīng)，高速度，高精度，高效率。對砂輪架要求：X軸驅(qū)動采用直線電機；輕量化設(shè)計；砂輪架采用電主軸，恒線速度在110 m/s~130 m/s的范圍內(nèi)。

直線電機的優(yōu)缺點：直線電機克服了以前滾珠絲杠傳動精度差、機械誤差環(huán)節(jié)多、維修更換配件頻繁、保養(yǎng)成本高等的缺點。關(guān)于直線電機運用中的初極和次極之間的磁力問題、防水、防磁等方面做了大量的實驗，積累了很多成功和失敗的經(jīng)驗。

1 高響應(yīng)砂輪架的模型簡化與理論計算

建立隨動磨簡化模型，根據(jù)速度函數(shù)，先計算速度，然后根據(jù)時間計算出加速度。模型簡化：最終磨削形成的工件表面是一個圓，將連桿頸磨削通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，變?yōu)橥鈭A磨削形式，這就可用已成熟的外圓磨理論解決隨動磨削計算過程中的速度問題。轉(zhuǎn)變方式如下：把砂輪中心和連桿頸中心看作靜止點（轉(zhuǎn)化為外圓磨削），同時把砂輪當(dāng)作靜止不轉(zhuǎn)動，工件速度為磨削點沿工件表面移動的瞬時速度，磨削點沿砂輪圓周表面移動的速度為砂輪與曲軸速度的疊加量[1]，如下圖1所示。

圖1 隨動磨削過程各速度分量

圖中Rs為砂輪半徑；RW為連桿頸半徑，ω為自轉(zhuǎn)角度；R為連桿頸偏心；vt為砂輪架（X軸）和頭架（C軸）的合成速度；v0為曲軸繞主軸頸軸心轉(zhuǎn)動帶動連桿頸軸心運動速度；vx為砂輪架速度方向。

速度函數(shù)如下[2]：

以某型號曲軸為例（最大磨削回轉(zhuǎn)直徑Φ630 mm；最大磨削長度3000 mm），連桿頸直徑Φ80 mm，磨削時的轉(zhuǎn)速在80 rpm左右，砂輪為Φ750 mm。根據(jù)圖1所示：假設(shè)在α=0°時速度為0，計算α=90°時速度，根據(jù)頭架轉(zhuǎn)速80 rpm，0°至90°的時間為0.1875 s。根據(jù)計算，它對砂輪架切點跟蹤的加速度要求最大可達(dá)近2 m/s2的加速度。

推力計算如下：

式中：F為總推力；M為總質(zhì)量； a為加速度； F1為加速度摩擦力；F2為其它外界力。

通過總體方案布置，查詢計算，砂輪靜壓電主軸與砂輪的質(zhì)量為210 kg，砂輪架的總質(zhì)量在500 kg，這時需要達(dá)到2 m/s2加速度，隨動磨削加工過程中，如果砂輪架的移動加速度過大，則有可能對工件表面造成損傷并對最終的加工效果造成影響[3]。通過計算確定了直線電機的最大推力，繼而確定直線電機型號。

2 直線電機應(yīng)用設(shè)計要點

2.1 直線電機的安裝位置設(shè)計

直線電機的驅(qū)動位置重心和磨削點的合理分布，國際上最先進的機床刀架的驅(qū)動概念是“重心驅(qū)動”，本次開發(fā)研制的機床由于直線電機和砂輪切點的變化限制，不可能做到完全的“重心驅(qū)動”，但在設(shè)計及制造中，可盡量使驅(qū)動平面與砂輪架的中心和切點位置接近。在X軸線上，驅(qū)動平面的集中點在整個砂輪架的重心點上，這一點容易做到；在Z軸軸線上，驅(qū)動點接近重心且稍靠近砂輪端，以平衡砂輪的切削力。實際加工時磨削力隨切點的變化而變化，綜合砂輪架體的質(zhì)量、主軸與砂輪的質(zhì)量、砂輪架附件的質(zhì)量和吸力的因素，確定驅(qū)動位置。在與水平垂直的方向內(nèi)，由于直線電機和體殼的限制，不可能做到驅(qū)動點通過重心，但要盡量提高驅(qū)動點，與重心接近。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計和剛度

直線電機初級和次級之間，持續(xù)存在較大磁力，而且隨著速度的變大磁力也將增大，所以設(shè)計砂輪架體殼時，應(yīng)該考慮體殼剛性，同時也要兼顧考慮重量。本次設(shè)計通過UG進行三維建模，然后經(jīng)過分析軟件進行剛度分析。兼顧了重量與剛性的要求。

2.3 直線電機防護設(shè)計

直線電機線圈及接線端子遇到水后極易產(chǎn)生短路或者漏電。機床在實際運行過程中，有壓力超過5 MPa的切削液、水霧、磨削造成的鐵屑、砂輪屑等。防護的設(shè)計時主要考慮切削液和鐵屑的影響，直線電機有磁，有較強的吸力，應(yīng)在移動部件上，設(shè)計鐵屑刮除裝置，也要避免鐵屑的堆積。國內(nèi)外較為先進的防護設(shè)計一般是兩層，上層為不銹鋼防護（不導(dǎo)磁材料），下層為“皮老虎”。此種結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，完全滿足直線電機的防護要求。

2.4 直線電機的防撞設(shè)計

直線電機的防撞設(shè)計正常使用時不會發(fā)生碰撞，但是，為了避免意外撞擊事故，造成直線電機的損壞，所以在兩側(cè)安裝了聚氨酯防撞塊。防撞塊受力點應(yīng)避免在線圈或線軌滑塊上。

3 砂輪架體殼的設(shè)計

砂輪架的質(zhì)量在500 kg以內(nèi)。砂輪靜壓電主軸與砂輪的質(zhì)量為210 kg，且集中在砂輪架的最前端，這使得整個砂輪架的重量分布很不均勻。如重量過分集中且不通過驅(qū)動中心，將會在加速度最大點時形成傾覆力矩，進而使砂輪架整體產(chǎn)生微變形，使磨削時切點產(chǎn)生微量偏離，造成工件的幾何精度誤差和表面缺陷的產(chǎn)生。設(shè)計時，通過有限元分析法布置體殼重量，盡量加長在X軸方向的長度，使驅(qū)動在最大加速度時砂輪架的變形量最小，同時盡量縮小驅(qū)動平面與砂輪架重心的距離。通過本公司以往磨削實驗得出加速度變化時的變形量與相位角的關(guān)系，可在系統(tǒng)的誤差補償軟件上進行調(diào)整。

經(jīng)查閱廠家樣本，此電機在通電時它的初極和次極之間的吸引力（磁力）可達(dá)到3000 kg以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了它的質(zhì)量，并且此推力隨著電機電流變化也在發(fā)生變化。這需要在布置整個體殼結(jié)構(gòu)時要做到在使用最小質(zhì)量的同時，使吸力造成的變形量做到最?。ㄈ缱冃瘟窟^大，會使電機的氣隙不均勻，推力也會隨之波動）。建三維模型和受力模型，分布重量和筋板，目標(biāo)是要做到在帶電和不帶電時氣隙的變化量在0.01 mm以內(nèi)，在通電時電流的變化引起吸力變化造成的氣隙差在0.004 mm以內(nèi)。在設(shè)計完成之后，通過實驗驗證，再合理配置配重及蓋板。要求重量減輕和剛性要足夠強之間的矛盾。主軸采用同步靜壓電主軸，由裝在主軸內(nèi)部的電動機直接驅(qū)動，省去了皮帶、齒輪或聯(lián)軸器的傳動環(huán)節(jié)，使機床主軸傳動鏈的長度縮短為零，最大限度減少砂輪架的質(zhì)量，提高響應(yīng)跟蹤性能。砂輪直徑根據(jù)工件的實際情況選擇Φ750 mm，恒線速度在110 m/s~130 m/s的范圍內(nèi)，根據(jù)砂輪和工件的實際情況選擇某一速度值。機床對受迫振動的抗振能力主要在于避開共振[4]。調(diào)節(jié)速度的目的是可有效地避免共振現(xiàn)象對加工造成的影響。

通過UG進行三維模型的設(shè)計，經(jīng)過ANSYA有限元軟件分析砂輪體殼的受力情況。得出結(jié)論砂輪架體殼在受拉力的最大變形量上面為0.004 mm，下面最大0.006 mm。此變形量對砂輪架的磨削影響不大。說明砂輪架體殼結(jié)構(gòu)合理。砂輪架體殼示意圖如圖2所示，砂輪架體殼受力情況變化如圖3、圖4所示。

圖2 砂輪架體殼結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 砂輪架體殼受磁力（拉力）變化后體殼上面的變形量

圖4 砂輪架體殼受磁力（拉力）變化后體殼下面的變形量

4 導(dǎo)軌的設(shè)計

靜壓導(dǎo)軌優(yōu)點：減震性能優(yōu)異，可大大提高表面磨削精度；低速時沒有摩擦阻力；無跳動，進給可小于0.1 μm；低速時沒有摩擦力?？蓾M足直線導(dǎo)軌的運動需求，同時可提高工件的加工表面質(zhì)量。

5 光柵尺的安裝

光柵尺的安裝方式、安裝位置、安裝精度及氣路密封設(shè)計等對機床機床的精度及光柵尺的壽命影響很大。安裝方式按廠家樣本及結(jié)構(gòu)確定。

(1)光柵尺的安裝位置設(shè)計時，盡量靠近直線電機及導(dǎo)軌，盡量遠(yuǎn)離加工區(qū)域，但同時盡可能減少阿貝誤差。

(2)外部要設(shè)計防護，同時磨床上安裝方式開口側(cè)盡量朝下，開口不要正對冷卻區(qū)，鐵屑及臟東西飛濺，會對光柵尺污染。

(3)光柵尺需要氣路密封，壓縮空氣必須經(jīng)過過濾和干燥。其質(zhì)量必須符合要求。同時，在光柵尺這一段氣路上，應(yīng)當(dāng)設(shè)計安裝檢測空氣反饋元件，當(dāng)氣壓過低時發(fā)出報警。

6 直線電機的失電保護、光柵的失電或意外情況保護

普通的滾珠絲杠在電機失電時，由于絲杠的自鎖作用使砂輪架停止運動，直線電機是非接觸驅(qū)動，無法形成自鎖。在系統(tǒng)或電機有意外情況失電時，直線電機運動時會切割磁力線，產(chǎn)生反向的制動力，迫使砂輪架在較短的距離停下，但其停止距離會大于絲杠傳動，所以砂輪架會以斷電前的運動狀態(tài)繼續(xù)移動而處于失控狀態(tài)。在實際加工過程中，這種失控的狀態(tài)會造成機床的砂輪、測量儀、主軸等關(guān)鍵部件的損壞。通過設(shè)計液壓自鎖機構(gòu)，可在意外情況下砂輪架停止運動，保護機床部件不受損壞。

7 結(jié)語

本文對隨動磨床高響應(yīng)砂輪的設(shè)計進行了概述，2003年，公司研制的數(shù)控高速凸輪軸磨床得到了市場的一定認(rèn)可。隨動技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用包含了：直驅(qū)技術(shù)、C軸力矩電機、X軸直線電機等。直線電機在高檔數(shù)控機床的應(yīng)用越來越多，隨著技術(shù)和應(yīng)用的不斷進步和推廣，將逐步替代傳動驅(qū)動。