螺旋槳數(shù)控拋光機結(jié)構(gòu)設(shè)計及功能分析＊

劉世豪 黃鵬飛 王 菲 李斌勇

（①海南大學(xué)機電工程學(xué)院，海南 ?？?570228；②浙江大學(xué)機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；③成都信息工程大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，四川 成都 610225）

螺旋槳葉片是船舶發(fā)動機最為關(guān)鍵的部件之一，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類數(shù)量多、幾何造型多變、加工難度大及質(zhì)量要求嚴(yán)格、影響航行效果等諸多特點[1]，由于螺旋槳葉片的整體造型由幾塊較為復(fù)雜的三維曲面構(gòu)成，所以傳統(tǒng)的螺旋槳葉片加工方法難以滿足螺旋槳葉片的各項加工指標(biāo)要求[2]。目前國內(nèi)外的船舶螺旋槳加工廠對葉片的拋光依然主要采用較為落后的手工加工方式，并且采用全自動化的拋光方法來拋光螺旋槳的工廠較少。拋光工人手工拋光螺旋槳，體力消耗非常大，而且存在著精度不足、槳面有裂紋、加工誤差超標(biāo)及使用壽命短等諸多問題[3]。

隨著自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，具備數(shù)字化控制功能的特殊拋光機床的設(shè)計不斷被提出[4-5]。本文根據(jù)螺旋槳葉片的加工工藝要求，以及葉片的不規(guī)則曲面，設(shè)計了一種專門針對船用螺旋槳葉片拋光的數(shù)控拋光機，借助數(shù)控技術(shù)自動完成螺旋槳拋光的工作，解決了螺旋槳拋光難的問題。

1 螺旋槳數(shù)控拋光機結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

1.1 設(shè)計要求與原則

數(shù)控機床按照預(yù)先編輯好的程序進(jìn)行加工，在工作過程中無需人為干涉[6]，因此對于數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)精度要求極高、并且可以做到在高強度的工作環(huán)境下持續(xù)穩(wěn)定地完成各項加工任務(wù)，以滿足所需的各項加工指標(biāo)。首先，從螺旋槳的加工工藝所需的各項指標(biāo)和要求作為突破口，同時結(jié)合螺旋槳的尺寸、造型和相對位置等有關(guān)參數(shù)，從而確定數(shù)控拋光機的工作方式以及其各個主要零部件之間的相對工作關(guān)系和達(dá)到指標(biāo)所需的配置條件；其次，全面多角度考慮數(shù)控拋光機的外部設(shè)計因素，例如外觀形狀、生產(chǎn)流程及保養(yǎng)維護(hù)等許多問題，對數(shù)控拋光機綜合布局進(jìn)行一系列的整體優(yōu)化。因為船用螺旋槳需要滿足高質(zhì)量的加工需求，所以在設(shè)計數(shù)控拋光機時，必須遵循精度高、結(jié)構(gòu)簡單及剛度高等原則[7]。

1.2 螺旋槳加工工藝要求

船用螺旋槳與航空螺旋槳葉片的區(qū)別在于其螺旋槳葉片的中間部位造型為鼓形，邊緣部位相對厚許多。此外，大型船用螺旋槳的體積十分龐大，整體加工的時間較長。船用螺旋槳主要由槳轂和葉片兩部分組成，槳穀的造型為近似于錐型，葉片的數(shù)目一般由3～5 個不等，都以槳轂為中心均勻地分布在其周圍，發(fā)動機通過使螺旋槳旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相應(yīng)的推力。螺旋槳葉片對著船舶尾部的一面稱為葉面，對著船舶頭部的一面稱為葉背；當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)動的時候，螺旋槳葉片先進(jìn)入水的一邊稱為為導(dǎo)邊，之后進(jìn)入水的一邊稱為隨邊[8]，船用螺旋槳結(jié)構(gòu)的組成如圖1 所示。

圖1 船用螺旋槳葉片

船舶航行一般需要很大的動力，而螺旋槳在產(chǎn)生巨大推力時往往會產(chǎn)生劇烈振動，并且也會受到十分復(fù)雜的合力[9]。因此，對于加工螺旋槳來說，必須保證其表面不能有任何裂痕或劃痕，還要滿足較高的加工精度。因此，螺旋槳的精密加工有以下要求：螺旋槳表面粗糙度值小于或等于3.2 μm，局部螺距誤差不能高于2.0%，截面螺距誤差不能高于1.5%，平均螺距誤差不能高于1.0%[10]。

1.3 螺旋槳數(shù)控拋光機整體規(guī)劃

在設(shè)計螺旋槳數(shù)控拋光機時，本著滿足功能強大、效率高以及環(huán)保節(jié)能等諸多要求，對數(shù)控拋光機按照相應(yīng)的功能，劃分成電氣系統(tǒng)、拋光機器和數(shù)控系統(tǒng)三大模塊進(jìn)行研究設(shè)計，如圖2 所示，最后用完整的程序?qū)⑷竽K相互聯(lián)系，形成一個可以實現(xiàn)制定加工任務(wù)的有機整體。

圖2 數(shù)控拋光機模塊組成

此外，在滿足基本設(shè)計原則的前提下，要實現(xiàn)數(shù)控拋光機的設(shè)計最優(yōu)化還需符合以下要求：

（1）盡可能實現(xiàn)全通用。由于需加工的螺旋槳種類繁多，因此數(shù)控拋光機的設(shè)計需要做到滿足大部分甚至全類型的螺旋槳的拋光工序。

（2）盡可能實現(xiàn)全自動化。隨著數(shù)控拋光機自動化程度的不斷提高，在螺旋槳拋光過程中，工人可以最小程度干預(yù)其中，這樣不僅降低了人工成本，而且可以減少人為因素而產(chǎn)生的加工誤差。

（3）盡可能增加外部拓展性。由于數(shù)控拋光機無論是設(shè)計過程還是制造過程，都需要花費大量時間、人力以及物力，因此在設(shè)計數(shù)控拋光機的過程中，盡可能考慮到增加外部可拓展的能力，這樣即使當(dāng)加工過程中需要增加工序來實現(xiàn)加工的多樣化，也可以通過外部拓展來實現(xiàn)相應(yīng)的功能，將時間和成本降到最低。

2 螺旋槳數(shù)控拋光機傳動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 傳動機構(gòu)的設(shè)計

對于螺旋槳數(shù)控拋光機，選擇合適的傳動機構(gòu)至關(guān)重要。常見的傳動機構(gòu)有齒輪傳動、帶傳動、蝸輪蝸桿傳動和絲杠螺母傳動等[11]。作為傳動方式之一，絲杠螺母傳動機構(gòu)有著諸多優(yōu)勢和競爭力：絲杠螺母傳動傳動效率很高，平均可達(dá)到0.93～0.97，是其他傳統(tǒng)傳動機構(gòu)的的2 倍，甚至可達(dá)到4 倍；絲杠螺母傳動之間配合緊密，在運行過程中不會產(chǎn)生很大的熱變形及振動，平均使用壽命可以達(dá)到傳統(tǒng)傳動機構(gòu)的10 倍左右；絲杠螺母機構(gòu)的高速性能十分強，在滿負(fù)載工作狀態(tài)下，也可實現(xiàn)高達(dá)120 m/min 高速驅(qū)動的線速度；絲杠螺母傳動機構(gòu)可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，也可以做到將直線運動轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運動，具有傳動可逆性，并且正向傳動效率與逆向傳動效率基本相同[12]。

綜上，本文設(shè)計的數(shù)控拋光機選擇采用了絲杠螺母傳動機構(gòu)，來實現(xiàn)砂輪拋光臂相對于加工對象的移動，如圖3 所示。

圖3 絲杠螺母傳動機構(gòu)

2.2 伺服電機的選擇

本文設(shè)計的數(shù)控拋光機的傳動機構(gòu)為絲杠螺母傳動，選擇穩(wěn)定、動力足的驅(qū)動電機是保證整個傳動系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求的關(guān)鍵。機械傳動的驅(qū)動電機主要有直流電機和交流電機，由于我國供電均由交流電網(wǎng)供電，交流電機不需要使用直流電源或者轉(zhuǎn)換器也能正常工作[13]，綜合考慮各方面因素，本文在設(shè)計傳動系統(tǒng)時選擇交流電機為動力源。

目前市面上的伺服交流電機種類繁多、功能強弱不一，經(jīng)過比較和篩選，決定選擇三菱品牌中的HG-KN 系列伺服交流電機。該系列的伺服電機精度高，實現(xiàn)了閉環(huán)控制；轉(zhuǎn)速高，額定轉(zhuǎn)速高于其他伺服電機；適應(yīng)性高，可以適應(yīng)高負(fù)載和瞬間過負(fù)載的場合；穩(wěn)定性高，運行穩(wěn)定流暢，工作噪聲??；反應(yīng)速度快，能在短時間內(nèi)對控制命令做出反應(yīng)。

2.3 連接裝置的選擇

在數(shù)控拋光機的工作過程中，絲杠和伺服電機連接可靠是保證整個傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)。目前，伺服電機與絲杠的可動連接方式分為聯(lián)軸器、齒輪和同步帶3 種。在設(shè)計過程中，只要距離足夠，首先選擇聯(lián)軸器連接。市場上聯(lián)軸器的品種多樣，有機械式、電磁式及液壓式等許多類型[14]，但是機械式聯(lián)軸器的應(yīng)用范圍最廣，其通過借助機械構(gòu)件夾緊后所傳產(chǎn)生的相互作用力來傳遞動力，由于本文設(shè)計的傳動系統(tǒng)滿足距離足夠的條件，綜合考慮多種條件后選擇使用機械聯(lián)軸器將絲杠與伺服電機連接。

3 螺旋槳數(shù)控拋光機關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 砂輪拋光臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

對螺旋槳拋光加工而言，主要采用砂輪和砂帶[15-16]兩種加工方式，砂輪動力足、可以形成較大的磨削力，砂帶動力小、但是拋光程度高。由于本文設(shè)計的數(shù)控拋光機的加工對象是船用螺旋槳，所需磨削力較大，因此拋光臂采用了砂輪來完成整個設(shè)計。砂輪拋光需要足夠的動力以及合理的傳動方式，齒輪傳動有較高的傳動精度、運行持續(xù)穩(wěn)定，但成本很高，此外需要保持好的潤滑條件,所以不合適在有很多灰塵以及很遠(yuǎn)距離的兩傳動軸之間使用[17]；帶傳動結(jié)構(gòu)簡單、易保養(yǎng)維修，制造及安裝成本都較低，并且具有非常好的彈性以及撓性，在工作過程中能減小振動和噪聲，使機床運行平穩(wěn)，適合中心距稍大的傳動，并且在運行過載時可以保護(hù)零部件不被損壞；鏈傳動可以實現(xiàn)傳動的平穩(wěn)，并且傳動效率較大，但是鏈傳動在運行過程中，不能一直保持恒定的瞬時傳動比，不適合在急速反向的傳動中使用。對比上述傳動方式的優(yōu)缺點后，本文設(shè)計的砂輪拋光臂采用帶傳動方式。

如圖4 所示，整個砂輪拋光臂以中間支架為主要載體，支架前端連接的是砂輪機構(gòu)，后端連接的是旋轉(zhuǎn)電機，最后整個砂輪拋光臂通過圓形底座與數(shù)控拋光機主體相連。支架中間安裝一個小型高速旋轉(zhuǎn)電機，通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動所連接的齒輪一起轉(zhuǎn)動，接著在皮帶的連接作用下，砂輪機構(gòu)的齒輪一起同步轉(zhuǎn)動，砂輪機構(gòu)將砂輪和齒輪通過砂輪軸和軸承連接在一起，可在減小振動和摩擦的同時，使砂輪獲得較大動力，來完成相應(yīng)的拋光任務(wù)。

圖4 砂輪拋光臂整體結(jié)構(gòu)

3.2 旋轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計旋轉(zhuǎn)工作臺時，考慮到要使螺旋槳可以轉(zhuǎn)動到目標(biāo)位置，讓砂輪拋光機構(gòu)完成拋光任務(wù)，設(shè)計了幾種參考方案，最終選擇了大功率電機直接帶動夾緊機構(gòu)，驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動。

整個旋轉(zhuǎn)工作臺主體由平臺支架和工作臺面組成，在支架的中間位置是一個可以承受大載荷的電機座，因為需要承受旋轉(zhuǎn)電機和螺旋槳的一部分重量，所以需要做到加固處理。旋轉(zhuǎn)電機的頂部與轉(zhuǎn)軸相連，轉(zhuǎn)軸的上端有一個螺旋槳夾緊裝置，最后整個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)固定在電機座上。當(dāng)進(jìn)行拋光加工時，將螺旋槳放置在工作臺上，夾緊裝置與螺旋槳槳轂互相固定，然后旋轉(zhuǎn)電機運行，帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，此外螺旋槳底部需要添加潤滑油，保持和工作臺面之間的潤滑，旋轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)

4 螺旋槳數(shù)控拋光機建模及分析

在完成上述設(shè)計的基礎(chǔ)上，為了盡量滿足通用性，本文采用數(shù)控機床標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系來確定螺旋槳在各個方向的位置坐標(biāo)、拋光機器換拋光頭點、參考點等，從而確定螺旋槳和數(shù)控拋光機之間的相對位置關(guān)系，獲得各項加工所需的數(shù)據(jù)信息。數(shù)控機床標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系采用的是右手直角笛卡爾定則[18]，如圖6所示。

圖6 數(shù)控機床標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系

本文設(shè)計的螺旋槳數(shù)控拋光機使用五軸四聯(lián)動[19-20]來完成拋光螺旋槳的任務(wù)，采用X軸、Y軸、Z軸3 個基本坐標(biāo)軸實現(xiàn)控制拋光機器相對于待加工螺旋槳的前后、左右、上下的移動；然而僅只使用3 個直線坐標(biāo)軸，顯然無法滿足具有復(fù)雜扭轉(zhuǎn)曲面的螺旋槳的拋光任務(wù)，所以必須增設(shè)B軸、C軸2 個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，使砂輪可以適應(yīng)螺旋槳的曲面加工，達(dá)到更高的拋光精度，該型螺旋槳數(shù)控拋光機的各項技術(shù)參數(shù)具體如表1 所示。

表1 螺旋槳數(shù)控拋光機技術(shù)參數(shù)

完成結(jié)構(gòu)整體設(shè)計、關(guān)鍵零部件及其功能設(shè)計后，最終設(shè)計得到的數(shù)控拋光機整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 數(shù)控拋光機整體結(jié)構(gòu)

拋光砂輪連接在旋轉(zhuǎn)電機上，兩者固定在Y軸滑板上，可以沿著Y軸完成上下移動；Y軸立柱與Z軸滑板固定在一起，可以沿著Z軸完成前后移動；砂輪拋光臂和Y軸立柱連同Z軸滑板整體一同安裝在X軸滑板上，可以沿著X軸完成左右移動。

螺旋槳通過旋轉(zhuǎn)工作臺上的夾緊裝置，使其與旋轉(zhuǎn)工作臺相互固定，然后旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)可以帶動螺旋槳一起轉(zhuǎn)動。當(dāng)數(shù)控拋光機開始拋光加工時，X、Y、Z軸3 個直線坐標(biāo)軸和B、C軸2 個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸互相運動，使拋光砂輪可以到達(dá)螺旋槳需要拋光的任何位置，來執(zhí)行對任意結(jié)構(gòu)形狀的船用螺旋槳的拋光加工。

該型螺旋槳數(shù)控拋光機樣機研制后，進(jìn)行了一種螺旋槳毛坯的試加工，毛坯材料為錳青銅；采用五軸聯(lián)動加工方式對螺旋槳毛坯進(jìn)行拋光，為了提高拋光精度和效率，按照螺旋槳的型面幾何特征編寫了相應(yīng)的加工代碼，并嚴(yán)格按照加工精度指標(biāo)要求，運用數(shù)控系統(tǒng)對整個過程進(jìn)行實時監(jiān)測和校正，盡量降低外部因素對拋光精度的影響。在完成螺旋槳數(shù)控拋光后，對螺旋槳的幾何參數(shù)和精度指標(biāo)進(jìn)行了檢測，結(jié)果如表2 所示，分析表2 可知：螺旋槳的幾何型面特征符合設(shè)計要求，表面粗糙度滿足船用螺旋槳的航行要求、即劃痕較小，從而有利于降低螺旋槳在海水中受到的阻力；這說明所研制的螺旋槳數(shù)控拋光機具有較好的加工功能。

表2 螺旋槳拋光質(zhì)量指標(biāo)對比

5 結(jié)語

本文針對船用螺旋槳的整體結(jié)構(gòu)特點，提出了數(shù)控拋光機結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，包括砂輪拋光臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，旋轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行了傳動系統(tǒng)的設(shè)計，確定了傳動機構(gòu)、伺服電機及二者的連接方式，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新的螺旋槳數(shù)控拋光機。該數(shù)控拋光機解決了船用螺旋槳拋光難的問題，有利于大幅提升螺旋槳葉片的拋光精度、使用壽命等基礎(chǔ)性能，并減少所需人力及減小人工拋光強度。