基于SolidWorks的雙面磨床伺服升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潘新宇，伍玩秋，林毅貞

（陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，廣東 陽江 529500）

0 引言

磨削工藝是刀剪加工制造的一項(xiàng)重要工序，刀剪磨削工藝直接影響刀具的表面痕跡、刃口質(zhì)量、幾何尺寸、鋒利度等重要的性能指標(biāo)，磨削質(zhì)量的高低對刀剪品質(zhì)的優(yōu)劣起決定性作用。刀具的磨削加工一般采用磨床對刀具進(jìn)行表面去除材料加工，常用的磨床有雙面磨刀機(jī)、砂帶機(jī)、數(shù)控拋磨機(jī)等加工設(shè)備。目前，刀剪磨削設(shè)備主要是以液壓磨床仿形磨削為主，存在磨削精度差、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)[1]；普通數(shù)控磨床以兩軸聯(lián)動方式工作較多，不能滿足刀具的加工質(zhì)量要求。

在裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、產(chǎn)業(yè)集群化的戰(zhàn)略背景下，制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展作為主攻方向，磨削技術(shù)朝著高精度、高效、高速、低粗糙度、自動磨削方向發(fā)展。在雙面磨床設(shè)備中，伺服升降機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對刀具進(jìn)行自動送料，其送料精度對加工質(zhì)量有決定性作用。在經(jīng)濟(jì)全球化的推動下，刀剪加工裝備制造業(yè)快速發(fā)展，雙面磨床作為磨削加工的常用裝備，降低設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)成本、提高設(shè)計(jì)效率、提高雙面磨床的加工精度和質(zhì)量可靠性十分重要。本設(shè)計(jì)以雙面磨床的伺服升降機(jī)構(gòu)為研究對象，利用SolidWorks軟件輔助設(shè)計(jì)，并對雙面磨床伺服升降機(jī)構(gòu)的主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。

1 雙面磨床伺服升降機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

1.1 雙面磨床的結(jié)構(gòu)總成介紹

雙面磨床是一款運(yùn)用于高精度、高效率、雙面同時磨削加工的自動機(jī)床，主要有底座、左進(jìn)石機(jī)構(gòu)、右進(jìn)石機(jī)構(gòu)、送料平臺、伺服升降機(jī)構(gòu)、電箱、數(shù)控總成等組成，如圖1所示。

圖1 雙面磨床的基本組成

安裝在雙面磨床底座的送料機(jī)構(gòu)的作用是通過伺服電機(jī)聯(lián)動絲杠傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工件在X軸方向的送料。伺服升降機(jī)構(gòu)安裝在送料機(jī)構(gòu)上，其作用是通過絲杠傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工件在Z軸方向上的送料。進(jìn)石機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)砂輪在Y軸方向磨削加工的進(jìn)給運(yùn)行。該雙面磨床通過數(shù)控系統(tǒng)控制送料機(jī)構(gòu)、伺服升降機(jī)構(gòu)和進(jìn)石機(jī)構(gòu)的配合，進(jìn)行三軸聯(lián)動磨削加工，可以實(shí)現(xiàn)刀具的雙面、不同角度的磨削加工。

1.2 伺服升降機(jī)構(gòu)的主要部件及工作原理

雙面磨床伺服升降機(jī)構(gòu)在磨床中負(fù)責(zé)對工件進(jìn)行送料，磨削加工對其送料機(jī)構(gòu)的精度和平衡性要求較高。現(xiàn)有的數(shù)控多功能磨床，只能通過單個升降機(jī)構(gòu)對刀架進(jìn)行升降，而且該磨床的升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動力沒有位于中心位置，會造成上下升降時的不平衡[2]。為了解決上述技術(shù)問題，新設(shè)計(jì)了一種平衡性較高的雙面磨伺服升降機(jī)構(gòu)，主要有安裝底座、伺服電機(jī)、刀架轉(zhuǎn)盤、持刀架、支撐馬仔、刀架安裝座、光軸套筒、光軸、絲杠傳動機(jī)構(gòu)、軸承、同步帶傳動機(jī)構(gòu)、軸承壓蓋、電機(jī)調(diào)節(jié)座等部件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 伺服升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成

該平衡性較高的雙面磨伺服升降機(jī)構(gòu)，通過在安裝座的正中間使用滾珠絲杠螺母副來實(shí)現(xiàn)上下驅(qū)動，兩邊用圓柱形筒套、自潤滑復(fù)合軸套和光軸配合做輔助，并能夠隨著刀架安裝板的升降，使光軸在筒套內(nèi)部滑動，保證刀架在升降過程中的平衡穩(wěn)定，提高工件磨削加工精度。

2 伺服升降機(jī)構(gòu)主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基于SolidWorks軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布局

自頂向下的設(shè)計(jì)方法和自底向上的設(shè)計(jì)方法是目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用的設(shè)計(jì)方法。自頂向下的設(shè)計(jì)方法適用于復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員先從產(chǎn)品需求分析開始進(jìn)行原理或概念設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行產(chǎn)品的總體裝配布局，再劃分不同的子系統(tǒng)并確定各子系統(tǒng)的裝配關(guān)系。最后根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的裝配關(guān)系，對產(chǎn)品零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后形成整機(jī)模型。該設(shè)計(jì)方法增加了零件之間的關(guān)聯(lián)性，使設(shè)計(jì)層次變得更清晰，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)信息的傳遞、共享、繼承，特別適用于當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的并行工程和協(xié)同設(shè)計(jì)[3]。

SolidWorks軟件是一個基于特征、參數(shù)化、實(shí)體建模的設(shè)計(jì)工具，可以實(shí)現(xiàn)三維物體的快速建模，并可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的裝配和運(yùn)動仿真，操作簡單，應(yīng)用范圍廣泛[4]。SolidWorks Treehouse作為SolidWorks CAD產(chǎn)品的一個模塊，可以在一個獨(dú)立的界面中打開。它可以讓用戶快速針對一個新產(chǎn)品創(chuàng)建裝配體結(jié)構(gòu)樹，也可以將現(xiàn)有的模型結(jié)構(gòu)拉入新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中進(jìn)行組裝[5]。針對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的前期規(guī)劃不充分、反復(fù)交流溝通及團(tuán)隊(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)工作效率低的問題，本設(shè)計(jì)采用SolidWorks Treehouse通過拖放方式把零件和裝配體添加到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)樹，并對其屬性、配置和數(shù)量等進(jìn)行編輯；利用SolidWorks Treehouse提供的列表視圖功能顯示質(zhì)量、材質(zhì)、數(shù)量等信息，以Excel表格的形式輸出明細(xì)表，并顯示模型文件縮略圖，便于進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析。運(yùn)用SolidWorks Treehouse對伺服升降機(jī)構(gòu)創(chuàng)建裝配體結(jié)構(gòu)樹，如圖3所示。

圖3 伺服升降機(jī)構(gòu)的裝配體結(jié)構(gòu)樹

2.2 伺服升降機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

滾珠絲杠機(jī)構(gòu)作為一種高精度的傳動部件，大量應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、自動化加工中心、電子精密機(jī)械進(jìn)給機(jī)構(gòu)、伺服機(jī)械手等領(lǐng)域[6]。為提高磨床磨削加工進(jìn)給送料精度，本設(shè)計(jì)的伺服升降機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)通過同步帶連接伺服電機(jī)，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動高精度地轉(zhuǎn)換為機(jī)構(gòu)的所需的直線運(yùn)動，從而驅(qū)動刀架精確送料，其傳動結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 滾珠絲杠傳動結(jié)構(gòu)

滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)送方向?yàn)榇怪狈较?，刀架工作臺導(dǎo)向方法是通過自潤滑動軸承滑動導(dǎo)向。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)選用結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好的內(nèi)循環(huán)式滾珠螺母；滾珠絲杠采用軋制絲杠，精度等級為C7，運(yùn)行距離誤差±50 μm/300 mm。滾珠絲杠副按額定動載荷和額定靜載荷選擇主要尺寸型號[7]，由式（1）（2）計(jì)算得出。

式中：Ca為基本額定動載荷，Coa為基本額定靜載荷，Kh為壽命系數(shù)，Kn為轉(zhuǎn)速系數(shù)，KF為載荷系數(shù)，KH為硬度影響系數(shù)，K'H硬度影響系數(shù)，Lh為工作壽命，F(xiàn)為軸向載荷，KL為短行程系數(shù)，n為轉(zhuǎn)速。導(dǎo)程的計(jì)算與選定，由式（1）得出

式中：PB為絲杠導(dǎo)程，NR為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，i為傳動比，Vmax為最大進(jìn)給速度。根據(jù)計(jì)算及選型資料選取絲杠外徑直徑為32 mm，導(dǎo)程為5 mm。

滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)安裝方式采用一端固定、一端自由的安裝方式。固定端由安裝底座、軸承蓋、角接觸球軸承、擋圈、鎖緊螺母等零件組成，在軸承座內(nèi)部采用一對角接觸球軸承背對背安裝支承絲杠端部，使絲杠固定端在軸向、徑向均受約束。

2.3 伺服升降電機(jī)選用

本設(shè)計(jì)的伺服升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動形式是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)榈都艿闹本€運(yùn)動，電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩由公式（4）（5）計(jì)算得出。

式中：tanρ'=0.0025，T1為螺紋力矩，T2、T3為軸承摩擦力矩，F(xiàn)為軸向載荷，d0為公稱直徑，ρ'為螺紋升角，為當(dāng)量摩擦角。

由于滾珠絲杠傳動具有可逆性，驅(qū)動電機(jī)選用帶電磁失電制動器的伺服電機(jī)，以達(dá)到精確定位的目的，電機(jī)額定電壓220 V，功率Pn=1.5 kW，扭矩Tn=6 N·m。根據(jù)傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，選用電磁失電制動器制動，刀架進(jìn)給到磨刀位置防止絲杠反轉(zhuǎn)從而保證工件磨削加工位置不變，制動力扭大于等于8 N·m，電壓為直流24 V，電流為0.55 A。

2.4 安裝底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析

安裝底座是伺服升降機(jī)構(gòu)的重要支承部件，底座上設(shè)有伺服電機(jī)安裝座孔、軸承座、光軸安裝座孔，安裝組件較多，使用環(huán)境復(fù)雜。利用SolidWorks軟件的凸臺拉伸、拉伸切除、異型孔工具、旋轉(zhuǎn)、鏡像、陣列、圓角等命令繪制安裝底座的三維模型。

SolidWorks Simulation是一個與SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。SolidWorks Simulation為線性和非線性靜態(tài)、頻率、扭曲、熱力、疲勞、跌落測試、線性和非線性動態(tài)和優(yōu)化分析提供了模擬解決方案。根據(jù)本設(shè)計(jì)工程需要，調(diào)用SolidWorks Simulation模塊插件進(jìn)行靜應(yīng)力分析。在安裝底座設(shè)置夾具為固定。

添加載荷為作用在安裝底座軸承孔上表面的壓力，大小為2000 N；安裝底座的材料類型為HT200，彈性模量為1.999×105MPa，泊松比為0.32，屈服強(qiáng)度約為2.482×102MPa，質(zhì)量密度為7000 kg/m3；網(wǎng)格采用網(wǎng)格控制，網(wǎng)格大小為8 mm，比率為1.4。最后調(diào)用SolidWorks Simulation從靜力學(xué)分析方面進(jìn)行有限元計(jì)算分析，分析結(jié)果如圖5、6所示。

從圖5的應(yīng)力分析云圖中可以看出底座的最大應(yīng)力發(fā)生在底座中間支撐板與底座橫梁的連接處，最大值為0.206×102MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，說明所選材料性能滿足使用要求，結(jié)構(gòu)較安全；從圖6的變形分析云圖中可以看出安裝底座在壓力下，最大變形發(fā)生在絲杠安裝孔的周邊，最大變形量為24 μm，變形在所選材料的彈性變形范圍內(nèi)，去除壓力后，底座變形消失恢復(fù)初始狀態(tài)，所以滿足設(shè)計(jì)工程需要。

圖5 應(yīng)力分布云圖

圖6 位移云圖

3 樣機(jī)裝配與試驗(yàn)

根據(jù)產(chǎn)品裝配體結(jié)構(gòu)樹劃分的裝配關(guān)系，利用SolidWorks軟件裝配體功能模塊將各零部件裝配起來，從裝配的角度進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，分析伺服升降機(jī)構(gòu)在各種工況是否存在干涉。最后根據(jù)裝配體結(jié)構(gòu)樹裝配關(guān)系和工程圖完成伺服升降機(jī)構(gòu)實(shí)機(jī)裝配，并將伺服升降機(jī)構(gòu)安裝在雙面磨床上完成工程樣機(jī)整機(jī)試制，其雙面磨床工程樣機(jī)如圖7所示。

圖7 雙面磨床工程樣機(jī)

本設(shè)計(jì)的伺服升降機(jī)構(gòu)為滿足雙面磨床進(jìn)給送料加工的需要，配制專用夾具保證工件能夠便捷、快速、安全地安裝固定，其刀具加工夾具如圖8所示。

圖8 刀具加工夾具

經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，雙面磨床伺服升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)加工要求、精度要求，可一次性完成刀具的雙面加工，其加工產(chǎn)品如圖9所示。

圖9 磨削加工的產(chǎn)品

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)的雙面磨床伺服升降機(jī)構(gòu)用于磨床磨削加工的送料，保證了刀架在升降過程中的平衡穩(wěn)定，提高了工件磨削加工精度；采用SolidWorks三維軟件進(jìn)行自頂向下的參數(shù)化建模設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體裝配關(guān)系規(guī)劃布局，增加了零件之間的關(guān)聯(lián)性，使設(shè)計(jì)層次變得更清晰；利用SolidWorks Simulation對主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，通過仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證、修改和優(yōu)化，保證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確、合理；在試制物理樣機(jī)之前通過SolidWorks軟件輔助完成雙面磨床伺服升降機(jī)構(gòu)虛擬裝配、運(yùn)動干涉分析，可有效縮短機(jī)械設(shè)備的開發(fā)周期，同時降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。經(jīng)樣機(jī)試制、產(chǎn)品試樣實(shí)踐檢驗(yàn)，雙面磨床伺服升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)滿足了產(chǎn)品加工要求。