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精密卡規磨床自動（dòng）化設計方案的研究（jiū）

2019-7-15 來源：桂林（lín）廣陸數字測控有限公司作者：盧煥寧

摘要：提出了一種數控磨床的自動（dòng）化方案，並通過對該方案的（de）各功能部件的分析（xī）和研究，找出了問題（tí）所在（zài），也提供了相應的解（jiě）決方案（àn），理論聯係實（shí）踐的論述了該（gāi）方案的可行性。

關鍵詞：磨床；數控；精（jīng）密；磨削

一直以來，在（zài）我國（guó）傳統的量具生產過程中，卡尺的大小量麵都是最後通過人工研磨來保證其最（zuì）後的（de）精度的，且因為傳統的加工（gōng）設備和加工工藝的局（jú）限性（xìng），每一把卡尺的單件尺寸都是（shì）唯一的，即毫無互換性可（kě）言，這也給卡尺的售後服務帶來了很大的局限性，同時大大地（dì）提高了成本（因為卡尺上的零件損壞後隻能整把郵寄回工廠（chǎng）維修，不能實現零件的隨時更換）。與此同時，國（guó）際上已經出（chū）現大批量生產且具有可互換性的，完全靠機械加工保證的卡尺，這種新型的加工工藝在很大程度上解放（fàng）了勞動力和極（jí）大的減輕了勞動強（qiáng）度，也提高了生產效率。是發展技術向前看，還是固步自封的夜郎自大，這已經是一個急需做出抉擇的現實問題（tí）。有鑒於此，本文提出一種針對卡尺量麵磨削加工的自動化方案，該自動化磨削方案可以（yǐ）通過一係列自動（dòng）化技術，實現（xiàn）卡尺量麵的自動磨削（xuē），從而極大地提升了卡尺量麵磨削的效率和（hé）可（kě）靠性。

該自動化磨削方（fāng）案包括了零件自動上下料機構、夾具、數控磨床等多（duō）個自動化環節可以實現卡尺（chǐ）量麵整個（gè）磨削過程的全自動化控製，整個（gè）磨削過程完全脫（tuō）離了對工人的依賴，提升了磨削的效率，降低（dī）了工人的工作強度（dù），提升了卡（kǎ）尺量麵（miàn）的質量。

1 、數控精密（mì）磨床的設計與研（yán）究

1.1 磨床主要加工（gōng）要（yào）求

（1）卡尺大量麵的（de）平麵度，要求（qiú）在 0.002 mm 以內，用平晶（jīng）檢查必須肉眼能看到發散的（de）彩色光帶（dài）。

（2）要實現互換性，必須保證每把卡尺的大小量麵之間的距離的誤差在 0.005 mm 以內，考慮用絕對（duì）式（shì）光柵來保證。

（3）要保證卡尺尺身與尺框安裝完畢後大小量麵對貼（tiē）合縫隙在 0.005 mm 以內，即（jí）尺身的（de）大小量麵與尺（chǐ）身定位麵的垂直度必須在 0.002 5 mm 以內，同時尺框的大小（xiǎo）量麵（miàn）與尺框的定位麵的垂直度也要保證在 0.002 5 mm 以內。

（4）卡尺大小量麵對粗（cū）糙度要（yào）求在 Ra0.2 以內。

以上四（sì）個方麵（miàn）的綜合研究與分（fèn）析是本項目成敗的關鍵，也是卡尺量麵質量是否合格、可靠的關鍵，基於以上四個方麵的影響因素，本（běn）項目最後選擇了絲杆線軌傳（chuán）動，電主軸磨頭的法那科數控係統磨床。

1.2 數控精密磨床的設計

（1）機床的（de）外形（xíng）尺寸不能太大，為了體現現代機械設計的（de）人性（xìng）化特點，該機床（chuáng）的操作者（zhě）應以坐姿來操作。

（2）數（shù）控係統的選擇，目前比較常用的（de）數控係統主要（yào）有三種，它們是：西門子數控係統、法那科數控係統、華中數控係統（tǒng）。根據各個係統的可靠性（xìng）和性價比，決定選擇法那科數控係（xì）統。

（3）磨頭的選擇，磨頭也麵臨著兩個選擇（zé），第一是（shì）采用傳統的（de）磨頭，用電機（jī）帶動，即磨頭和電機（jī）是分開的，並通過皮帶聯接；第（dì）二是（shì）采用最新的技術（shù），即采用磨削電主軸。這兩種的特點是：第一種技術比較成熟，對設計（jì）來說比（bǐ）較有把握，缺點是因為電機和磨頭是分開並通過皮帶聯接的，所以出現振（zhèn）動的可能性比較大，可能會影響零（líng）件的（de）表麵加工質量；第二種因為采用的是電主軸，所以（yǐ）振動的可能性比較小（xiǎo），表（biǎo）麵質量（liàng）比較容易保證，但缺點就是該技（jì）術屬於比較新型的技術，可靠性和技術成熟性還（hái）有待觀察（chá）。

（4）過濾裝置的選擇，因為要求（qiú）很好的表麵質量和平（píng）麵度，所以砂輪加工必須選擇水冷式加工，冷卻液的過濾是一個（gè）大問題，在過濾裝置的選擇上選擇了精密紙帶（dài）過濾機，通（tōng）過高精度的（de）紙帶過濾（lǜ）來實現（xiàn）冷卻液的循環使用。

（5）砂輪的選擇，傳統的砂輪大多采（cǎi）用的是白剛玉和綠（lǜ）碳（tàn）化矽（guī），棕剛玉等材（cái）料（liào），這些材料的砂輪的特（tè）點是：砂輪采購成本低，生產技（jì）術成熟，加工性（xìng）能可靠，容易（yì）修整，切削（xuē）進給量大等，但是加工精度不高（gāo），並容易（yì）磨損，且（qiě）線速度普遍不高；新型的（de）立方氮化硼砂輪的特點是：加工精度高，不容（róng）易磨損，且有很高是線速度，這剛好彌補了傳（chuán）統砂輪的缺陷，但因為是新型產品，其技術的（de）成熟度不夠，切因為太（tài）硬不容易修（xiū）整，切削（xuē）進給量（liàng）也相對較小，這就導致零（líng）件容（róng）易（yì）燒傷。

（6）線軌的選擇（zé）。磨床要求運動平穩，無振動和無阻力過大等形象（xiàng），同時還要能夠實現高（gāo）速磨削和往複運（yùn）動，又因為對（duì）磨床的具體尺寸都做了相應的限製和規定，所（suǒ）以在比較了傳統的滑動導軌和現代化技術的線（xiàn）性滾動導軌後，決定（dìng）采用線性滾動導軌來實現該磨（mó）床的（de）導向運動，依據如下：在比較了國內外多個線性滾動導軌生產廠家的多種產品後，例如國內的南京工藝，濟南博（bó）特，還有中國台灣的上銀集團，德國的力士樂和日本的 THK 等等，我們最終選（xuǎn）定了日本 THK 的一款阻尼相對較大（dà）的 SNS25R2DD球保持（chí）型 LM 線性滾動導軌。該滾動導軌不僅適合穩定的磨削，更能實現（xiàn）工件的高速進給，並能保證極高的進給和導向精度，這樣不（bú）僅有利於（yú）工件的加工，同時與法那科數（shù）控係（xì）統的配合也更能夠全方位（wèi）的體現（xiàn）該數控係統的各種功能的優越性。

（7）絲杆的選擇，根據磨床的具體要求，在傳動方（fāng）式上摒（bìng）棄了傳統的液壓油缸驅動的傳（chuán）動方式，決定采用滾珠絲杆傳動，因為這樣不僅可（kě）以（yǐ）更好的實現磨床的告訴進（jìn）給和可（kě）靠（kào）進給，更（gèng）是節約了後續的維護成（chéng）本，同時也可以把磨床的外形尺（chǐ）寸做到更小更精（jīng）致，這也極大地節約了磨床的生產成本。滾珠絲杆的選擇依據如下：同樣是在比較了國內外（wài）多個滾珠絲杆生（shēng）產廠家的多（duō）種產品後，例如國（guó）內的南京工藝，濟南博（bó）特，還有（yǒu）中國台灣的上銀（yín）集（jí）團，德國的力士樂和日本的 THK 等等，最（zuì）終選定了日本的（de） THK 的一款 BNFN2505-3.5RRG0 型滾珠絲杆（gǎn）。該種滾珠絲杆不僅定位精準，運（yùn）動（dòng）平穩，同時還可以實現頻繁的往複運動，相比傳統的驅動方式（shì）更靈活，更耐磨，售後的維護成本更低，更經久耐用，幾何精度更持久可靠，同時也能更好的配合（hé）法那科（kē）數控係統的使用，可謂是（shì）一舉多得。

（8）潤（rùn）滑的設（shè）計和選擇，對線軌和（hé）絲杆的（de）潤滑（huá），主要采取的是油潤滑，相比油脂潤滑（huá），油潤滑（huá）的特點是：容易添加潤滑油、對零件的潤滑更加全麵、對線軌和絲（sī）杆的保護更好。缺（quē）點是設計走線比較麻（má）煩，相對附件比較多，但（dàn）由於磨床是使用頻率很高的機械設備，所以還是采用油潤滑，這樣不僅能增加設備的使用（yòng）壽命，同時也更能保護設備的精度（dù）的持久（jiǔ）性，對零（líng）件的加工（gōng）也能得到更好的加工質量。潤滑元件的供給產家在南京貝奇爾和浙江流遍之（zhī）間選擇了後者，因為後者有更高的性價（jià）比和更（gèng）好的（de）服務態度。數控精密（mì）磨床設計方案的確定，以及機床零件加工質量，磨床裝配精度，是保證卡尺（chǐ）量麵（miàn）磨削質量最為關（guān）鍵（jiàn）的部分。好的（de）機床設計方案布（bù）局，零件加工以及裝配精度，才能製造出穩定，耐（nài）用的加工設備。

2 、卡尺夾具的設計與研究

根據卡尺量麵的加工要求，以及磨床加工（gōng）進給方向等多方麵的考量，不單要考（kǎo）慮夾具與機床布局（jú）是否幹（gàn）涉，更要考慮夾具本身的可靠性和重複性等諸（zhū）多變量。根據圖 1 的夾具布局示意圖，卡尺的（de）夾緊主要（yào）通過一套自動定位裝置來進行保證，加工卡尺量（liàng）麵通過機械手抓取卡尺放置在定位夾（jiá）具（jù）上，再通過夾具中的主定（dìng）位氣缸和側定位氣缸的二次重複定位和夾緊確保卡尺的定位和固定，然後（hòu）再通（tōng）過數控精密磨床加工，完成卡（kǎ）尺（chǐ）量麵的磨削。本自動（dòng）化機構（gòu）的難點與關鍵：

（1）卡尺的定位精度和固定可靠。

（2）固定壓緊力的選擇（zé）導致的卡尺位置（zhì）移動對（duì）加工結果的影響。

（3）機械手（shǒu）抓取位置（zhì）與（yǔ）夾具（jù）的布局的幹涉問題。

（4）夾具的固（gù）定方式和夾緊力對（duì）卡尺量麵加工結果的影響。

圖 1 夾具與磨床的布局

以上列舉的四個方麵的（de）影響是本項目在實施過程中（zhōng）的關鍵技術（shù）攻（gōng）關（guān）點，也是決定項目成敗的主因所在，通過以上四點的技術攻關（guān），卡尺量麵（miàn）加工結果得以良好的保證與輸出，很（hěn）的滿足了零件後（hòu）續加工的需要。3 卡尺自（zì）動上下料（liào）機構的設（shè）計與研究3.1 卡尺自動上下料機構的參數與技術要求根據卡尺的（de）自動上下料要求，結合加工（gōng）的節拍與相關配合機構的交互等因素，確定了以下的技術參數和要求：

（1）自動上下料機械手移動速度：40 m/min.

（2）機械手抓取力：10 kg.

（3）機械手移動定位精度：±0.1 mm.

（4）機械手（shǒu）抓（zhuā）取工位：2 個。

（5）機械手配備抓（zhuā）取（qǔ）和鬆開到位感應開關（guān）。

3.2 零件自動上下料機構的方案設（shè）計

根據自動上下料機構的技術要求，本（běn）項目設計了如圖 2、3、4 的機構方案.

圖2 自動上下料機構

圖3 自動上下料（liào）機構

圖4 自動上（shàng）下料機構

根（gēn）據圖 2、3、4 的（de）自動上下料機構方案圖，本機（jī）構的機械手可以實現零件的抓取和放置，同時通（tōng）過傳輸機構實現零件從（cóng）自動送料機構到夾具的移動，從而實現零（líng）件的上料抓取和下料放置的（de）功能。本自動化機構的難點與關鍵（jiàn）：

（1）零件抓（zhuā）取的可靠性和定位的準確度。

（2）零件傳輸的平穩性和（hé）效率性。

（3）機（jī）構本身的剛性與可（kě）靠性。

（4）機械手抓取力的大小與零件、抓緊機構的（de）匹（pǐ）配。

（5）機構的製造成本與經濟性的平衡。

（6）抓取（qǔ）工位的交換的可靠性與持久性。

（7）機構的分拆零（líng）件的加工性（xìng）和裝（zhuāng）配性。

以上七個方麵是該自動（dòng）上下料機構的難點，也是其運行可靠與否的關鍵點，通過對以上各點的研（yán）究與分析，逐（zhú）個突破是解決問題的關鍵。

3.3 項（xiàng）目（mù）自動化解決方案

（1）機（jī）械（xiè）手采用單（dān）臂（bì）支撐結構，要求支撐臂剛性（xìng）滿足，並考慮加工過程的（de）工藝性和成本。

（2）機械臂橫向（Y 向）進給A、采用線性模組傳動方案，選擇線性（xìng）模組 tkk8620C-740A1-F1C.B、選擇私服電機，通過聯軸器連接（jiē）伺服電機和線性模組，實 Y 向進給。

（3）機械臂垂向（Z 向）進給A、采用線性模組傳動方案，選擇線（xiàn）性模組tkk6010C-300a1f1c.B、選擇（zé）私服電（diàn）機，通過聯軸器連接伺服電機和線性模組，實 Z 向進給。

（4）送料盤（X 向）進給A、采（cǎi）用線性模組傳（chuán）動方案，選擇線性模組B、選擇私服電機，通過聯軸器連接伺服電機和線性模組，實 X 向（xiàng）進給。

4 、結束語

通過精密卡規磨床自動化設計，實（shí）現了卡（kǎ）尺的自動送料、自動上下料、自動加工等功能，該類型卡尺量麵磨削的（de）設計研究，不僅可以提升卡尺量（liàng）麵的準確度，同時也能提（tí）升卡尺量麵加工的效率，降低（dī）人工製（zhì）造的成（chéng）本，改善工人的工作環境。同時該方案的設計具（jù）有廣泛的推（tuī）廣價值和意義（yì），可以針對不（bú）同行業的磨削加（jiā）工自動化的改造和升級（jí）。

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