精密卡規(guī)磨床自動化設(shè)計方案的研究
2019-7-15 來源： 桂林廣陸數(shù)字測控有限公司 作者：盧煥寧
摘 要：提出了一種數(shù)控磨床的自動化方案，并通過對該方案的各功能部件的分析和研究，找出了問題所在，也提供了相應(yīng)的解決方案，理論聯(lián)系實踐的論述了該方案的可行性。
關(guān)鍵詞：磨床；數(shù)控；精密；磨削
一直以來，在我國傳統(tǒng)的量具生產(chǎn)過程中，卡尺的大小量面都是最后通過人工研磨來保證其最后的精度的，且因為傳統(tǒng)的加工設(shè)備和加工工藝的局限性，每一把卡尺的單件尺寸都是唯一的，即毫無互換性可言，這也給卡尺的售后服務(wù)帶來了很大的局限性，同時大大地提高了成本（因為卡尺上的零件損壞后只能整把郵寄回工廠維修，不能實現(xiàn)零件的隨時更換）。與此同時，國際上已經(jīng)出現(xiàn)大批量生產(chǎn)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了勞動力和極大的減輕了勞動強度，也提高了生產(chǎn)效率。是發(fā)展技術(shù)向前看，還是固步自封的夜郎自大，這已經(jīng)是一個急需做出抉擇的現(xiàn)實問題。有鑒于此，本文提出一種針對卡尺量面磨削加工的自動化方案，該自動化磨削方案可以通過一系列自動化技術(shù)，實現(xiàn)卡尺量面的自動磨削，從而極大地提升了卡尺量面磨削的效率和可靠性。
該自動化磨削方案包括了零件自動上下料機構(gòu)、夾具、數(shù)控磨床等多個自動化環(huán)節(jié)可以實現(xiàn)卡尺量面整個磨削過程的全自動化控制，整個磨削過程完全脫離了對工人的依賴，提升了磨削的效率，降低了工人的工作強度，提升了卡尺量面的質(zhì)量。
1 、數(shù)控精密磨床的設(shè)計與研究
1.1 磨床主要加工要求
（1）卡尺大量面的平面度，要求在 0.002 mm 以內(nèi)，用平晶檢查必須肉眼能看到發(fā)散的彩色光帶。
（2）要實現(xiàn)互換性，必須保證每把卡尺的大小量面之間的距離的誤差在 0.005 mm 以內(nèi)，考慮用絕對式光柵來保證。
（3）要保證卡尺尺身與尺框安裝完畢后大小量面對貼合縫隙在 0.005 mm 以內(nèi)，即尺身的大小量面與尺身定位面的垂直度必須在 0.002 5 mm 以內(nèi)，同時尺框的大小量面與尺框的定位面的垂直度也要保證在 0.002 5 mm 以內(nèi)。
（4）卡尺大小量面對粗糙度要求在 Ra0.2 以內(nèi)。
以上四個方面的綜合研究與分析是本項目成敗的關(guān)鍵，也是卡尺量面質(zhì)量是否合格、可靠的關(guān)鍵，基于以上四個方面的影響因素，本項目最后選擇了絲桿線軌傳動，電主軸磨頭的法那科數(shù)控系統(tǒng)磨床。
1.2 數(shù)控精密磨床的設(shè)計
（1）機床的外形尺寸不能太大，為了體現(xiàn)現(xiàn)代機械設(shè)計的人性化特點，該機床的操作者應(yīng)以坐姿來操作。
（2）數(shù)控系統(tǒng)的選擇，目前比較常用的數(shù)控系統(tǒng)主要有三種，它們是：西門子數(shù)控系統(tǒng)、法那科數(shù)控系統(tǒng)、華中數(shù)控系統(tǒng)。根據(jù)各個系統(tǒng)的可靠性和性價比，決定選擇法那科數(shù)控系統(tǒng)。
（3）磨頭的選擇，磨頭也面臨著兩個選擇，第一是采用傳統(tǒng)的磨頭，用電機帶動，即磨頭和電機是分開的，并通過皮帶聯(lián)接；第二是采用最新的技術(shù)，即采用磨削電主軸。這兩種的特點是：第一種技術(shù)比較成熟，對設(shè)計來說比較有把握，缺點是因為電機和磨頭是分開并通過皮帶聯(lián)接的，所以出現(xiàn)振動的可能性比較大，可能會影響零件的表面加工質(zhì)量；第二種因為采用的是電主軸，所以振動的可能性比較小，表面質(zhì)量比較容易保證，但缺點就是該技術(shù)屬于比較新型的技術(shù)，可靠性和技術(shù)成熟性還有待觀察。
（4）過濾裝置的選擇，因為要求很好的表面質(zhì)量和平面度，所以砂輪加工必須選擇水冷式加工，冷卻液的過濾是一個大問題，在過濾裝置的選擇上選擇了精密紙帶過濾機，通過高精度的紙帶過濾來實現(xiàn)冷卻液的循環(huán)使用。
（5）砂輪的選擇，傳統(tǒng)的砂輪大多采用的是白剛玉和綠碳化硅，棕剛玉等材料，這些材料的砂輪的特點是：砂輪采購成本低，生產(chǎn)技術(shù)成熟，加工性能可靠，容易修整，切削進給量大等，但是加工精度不高，并容易磨損，且線速度普遍不高；新型的立方氮化硼砂輪的特點是：加工精度高，不容易磨損，且有很高是線速度，這剛好彌補了傳統(tǒng)砂輪的缺陷，但因為是新型產(chǎn)品，其技術(shù)的成熟度不夠，切因為太硬不容易修整，切削進給量也相對較小，這就導(dǎo)致零件容易燒傷。
（6）線軌的選擇。磨床要求運動平穩(wěn)，無振動和無阻力過大等形象，同時還要能夠?qū)崿F(xiàn)高速磨削和往復(fù)運動，又因為對磨床的具體尺寸都做了相應(yīng)的限制和規(guī)定，所以在比較了傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)軌和現(xiàn)代化技術(shù)的線性滾動導(dǎo)軌后，決定采用線性滾動導(dǎo)軌來實現(xiàn)該磨床的導(dǎo)向運動，依據(jù)如下：在比較了國內(nèi)外多個線性滾動導(dǎo)軌生產(chǎn)廠家的多種產(chǎn)品后，例如國內(nèi)的南京工藝，濟南博特，還有中國臺灣的上銀集團，德國的力士樂和日本的 THK 等等，我們最終選定了日本 THK 的一款阻尼相對較大的 SNS25R2DD球保持型 LM 線性滾動導(dǎo)軌。該滾動導(dǎo)軌不僅適合穩(wěn)定的磨削，更能實現(xiàn)工件的高速進給，并能保證極高的進給和導(dǎo)向精度，這樣不僅有利于工件的加工，同時與法那科數(shù)控系統(tǒng)的配合也更能夠全方位的體現(xiàn)該數(shù)控系統(tǒng)的各種功能的優(yōu)越性。
（7）絲桿的選擇，根據(jù)磨床的具體要求，在傳動方式上摒棄了傳統(tǒng)的液壓油缸驅(qū)動的傳動方式，決定采用滾珠絲桿傳動，因為這樣不僅可以更好的實現(xiàn)磨床的告訴進給和可靠進給，更是節(jié)約了后續(xù)的維護成本，同時也可以把磨床的外形尺寸做到更小更精致，這也極大地節(jié)約了磨床的生產(chǎn)成本。滾珠絲桿的選擇依據(jù)如下：同樣是在比較了國內(nèi)外多個滾珠絲桿生產(chǎn)廠家的多種產(chǎn)品后，例如國內(nèi)的南京工藝，濟南博特，還有中國臺灣的上銀集團，德國的力士樂和日本的 THK 等等，最終選定了日本的 THK 的一款 BNFN2505-3.5RRG0 型滾珠絲桿。該種滾珠絲桿不僅定位精準(zhǔn)，運動平穩(wěn)，同時還可以實現(xiàn)頻繁的往復(fù)運動，相比傳統(tǒng)的驅(qū)動方式更靈活，更耐磨，售后的維護成本更低，更經(jīng)久耐用，幾何精度更持久可靠，同時也能更好的配合法那科數(shù)控系統(tǒng)的使用，可謂是一舉多得。
（8）潤滑的設(shè)計和選擇，對線軌和絲桿的潤滑，主要采取的是油潤滑，相比油脂潤滑，油潤滑的特點是：容易添加潤滑油、對零件的潤滑更加全面、對線軌和絲桿的保護更好。缺點是設(shè)計走線比較麻煩，相對附件比較多，但由于磨床是使用頻率很高的機械設(shè)備，所以還是采用油潤滑，這樣不僅能增加設(shè)備的使用壽命，同時也更能保護設(shè)備的精度的持久性，對零件的加工也能得到更好的加工質(zhì)量。潤滑元件的供給產(chǎn)家在南京貝奇爾和浙江流遍之間選擇了后者，因為后者有更高的性價比和更好的服務(wù)態(tài)度。數(shù)控精密磨床設(shè)計方案的確定，以及機床零件加工質(zhì)量，磨床裝配精度，是保證卡尺量面磨削質(zhì)量最為關(guān)鍵的部分。好的機床設(shè)計方案布局，零件加工以及裝配精度，才能制造出穩(wěn)定，耐用的加工設(shè)備。
2 、卡尺夾具的設(shè)計與研究
根據(jù)卡尺量面的加工要求，以及磨床加工進給方向等多方面的考量，不單要考慮夾具與機床布局是否干涉，更要考慮夾具本身的可靠性和重復(fù)性等諸多變量。根據(jù)圖 1 的夾具布局示意圖，卡尺的夾緊主要通過一套自動定位裝置來進行保證，加工卡尺量面通過機械手抓取卡尺放置在定位夾具上，再通過夾具中的主定位氣缸和側(cè)定位氣缸的二次重復(fù)定位和夾緊確保卡尺的定位和固定，然后再通過數(shù)控精密磨床加工，完成卡尺量面的磨削。本自動化機構(gòu)的難點與關(guān)鍵：
（1）卡尺的定位精度和固定可靠。
（2）固定壓緊力的選擇導(dǎo)致的卡尺位置移動對加工結(jié)果的影響。
（3）機械手抓取位置與夾具的布局的干涉問題。
（4）夾具的固定方式和夾緊力對卡尺量面加工結(jié)果的影響。
圖 1 夾具與磨床的布局
以上列舉的四個方面的影響是本項目在實施過程中的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)點，也是決定項目成敗的主因所在，通過以上四點的技術(shù)攻關(guān)，卡尺量面加工結(jié)果得以良好的保證與輸出，很的滿足了零件后續(xù)加工的需要。3 卡尺自動上下料機構(gòu)的設(shè)計與研究3.1 卡尺自動上下料機構(gòu)的參數(shù)與技術(shù)要求根據(jù)卡尺的自動上下料要求，結(jié)合加工的節(jié)拍與相關(guān)配合機構(gòu)的交互等因素，確定了以下的技術(shù)參數(shù)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）機械手抓取工位：2 個。
（5）機械手配備抓取和松開到位感應(yīng)開關(guān)。
3.2 零件自動上下料機構(gòu)的方案設(shè)計
根據(jù)自動上下料機構(gòu)的技術(shù)要求，本項目設(shè)計了如圖 2、3、4 的機構(gòu)方案.
圖2 自動上下料機構(gòu)
圖3 自動上下料機構(gòu)
圖4 自動上下料機構(gòu)
根據(jù)圖 2、3、4 的自動上下料機構(gòu)方案圖，本機構(gòu)的機械手可以實現(xiàn)零件的抓取和放置，同時通過傳輸機構(gòu)實現(xiàn)零件從自動送料機構(gòu)到夾具的移動，從而實現(xiàn)零件的上料抓取和下料放置的功能。本自動化機構(gòu)的難點與關(guān)鍵：
（1）零件抓取的可靠性和定位的準(zhǔn)確度。
（2）零件傳輸?shù)钠椒€(wěn)性和效率性。
（3）機構(gòu)本身的剛性與可靠性。
（4）機械手抓取力的大小與零件、抓緊機構(gòu)的匹配。
（5）機構(gòu)的制造成本與經(jīng)濟性的平衡。
（6）抓取工位的交換的可靠性與持久性。
（7）機構(gòu)的分拆零件的加工性和裝配性。
以上七個方面是該自動上下料機構(gòu)的難點，也是其運行可靠與否的關(guān)鍵點，通過對以上各點的研究與分析，逐個突破是解決問題的關(guān)鍵。
3.3 項目自動化解決方案
（1）機械手采用單臂支撐結(jié)構(gòu)，要求支撐臂剛性滿足，并考慮加工過程的工藝性和成本。
（2）機械臂橫向（Y 向）進給A、采用線性模組傳動方案，選擇線性模組 tkk8620C-740A1-F1C.B、選擇私服電機，通過聯(lián)軸器連接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，選擇線性模組tkk6010C-300a1f1c.B、選擇私服電機，通過聯(lián)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、 采用線性模組傳動方案，選擇線性模組B、選擇私服電機，通過聯(lián)軸器連接伺服電機和線性模組，實 X 向進給。
4 、結(jié)束語
通過精密卡規(guī)磨床自動化設(shè)計，實現(xiàn)了卡尺的自動送料、自動上下料、自動加工等功能，該類型卡尺量面磨削的設(shè)計研究，不僅可以提升卡尺量面的準(zhǔn)確度，同時也能提升卡尺量面加工的效率，降低人工制造的成本，改善工人的工作環(huán)境。同時該方案的設(shè)計具有廣泛的推廣價值和意義，可以針對不同行業(yè)的磨削加工自動化的改造和升級。
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