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精密卡規（guī）磨床自動化設計方（fāng）案的（de）研（yán）究

2019-7-15 來源（yuán）：桂林廣陸數字測控有限公司（sī）作者：盧煥寧

摘要：提出了一種數控磨床的自動化方案，並通過對該方案的各功能（néng）部件的分（fèn）析和研究，找出了問（wèn）題（tí）所在，也提供了相應的解決方案，理論聯係實踐的論述了該方案的可行（háng）性（xìng）。

關鍵詞：磨床；數（shù）控；精密；磨削

一直（zhí）以來，在我國（guó）傳統的量具生產過程（chéng）中，卡尺的（de）大小量（liàng）麵都是最後通過人工研（yán）磨來保證其最後的精（jīng）度的，且因為傳統的加工（gōng）設備和加工工藝的局限性（xìng），每一把卡尺的單件尺寸都是唯一的，即毫無互換性可言（yán），這也給卡尺的售後服（fú）務帶來了很大的局限性，同時大（dà）大地提高了成（chéng）本（因為卡尺上的零件損壞後（hòu）隻能整把郵寄回工廠維修，不能實現零件的隨時更換）。與（yǔ）此同時，國（guó）際上已經出現大批量生產且具有可互換（huàn）性的，完全靠機械加工保證的（de）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（dù），也（yě）提高了生產效（xiào）率。是發展技術向前看，還是（shì）固步自封的夜郎（láng）自（zì）大，這已經是（shì）一（yī）個急需做出抉擇的現實問題。有（yǒu）鑒於此（cǐ），本文提出一種針對卡尺量麵磨削加（jiā）工的自動化方案，該自動化磨削方案可以通過一係列自動（dòng）化技術，實現卡尺量麵的自動磨削，從而極大地提升了卡尺量麵磨削的效率和可靠性。

該自動化磨削方案包（bāo）括了零件自動上下料機構、夾具、數控磨床等多個自動化環節可以（yǐ）實現卡尺量麵整個磨（mó）削過程的全自動化控製，整（zhěng）個磨削過程完全（quán）脫離了對工人的依賴，提升（shēng）了磨削的效率，降低了工（gōng）人的工作強度，提升了卡尺量麵的質量。

1 、數控精密磨床的設計（jì）與研究

1.1 磨床主要加工要求

（1）卡尺大量麵的平麵度（dù），要求在 0.002 mm 以（yǐ）內，用平晶檢查必須肉眼能看到發散的彩色光帶。

（2）要實現互換（huàn）性，必（bì）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（nèi），考（kǎo）慮（lǜ）用絕對式（shì）光柵（shān）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合縫隙在 0.005 mm 以內，即尺身的大小量麵與尺身定位（wèi）麵的垂直度必須在 0.002 5 mm 以內，同（tóng）時尺框的大小量麵與尺框的定位麵的垂直（zhí）度也要保證在 0.002 5 mm 以內。

（4）卡尺大小量麵對粗糙度要求在 Ra0.2 以內。

以上四個方麵的綜合研究與分析（xī）是本項目成敗的關鍵，也是卡尺量麵質（zhì）量是否合格、可靠（kào）的關鍵，基於（yú）以上四個方麵的影響因素，本項目最後選擇了絲杆線軌傳動，電主軸磨頭（tóu）的法那科（kē）數控係統磨床。

1.2 數控精密磨床的設計

（1）機床的外形尺（chǐ）寸不能太大，為了體現（xiàn）現代機械設計（jì）的人（rén）性化特點，該機床的操作者應以坐姿來（lái）操作。

（2）數控係統的選擇，目前比較常用的數控係統主要有三種，它們是：西門子數控係統、法那科數控係統、華中數控係統。根據各（gè）個係統的可靠性和性價比，決定選擇法那科數（shù）控係統。

（3）磨頭的選擇，磨頭也麵（miàn）臨著兩（liǎng）個選擇，第一（yī）是采用傳統的磨頭，用電機帶動，即磨頭和電機是分（fèn）開的，並（bìng）通過皮帶聯接；第二是采（cǎi）用最新的技術，即采（cǎi）用磨削電主軸。這兩種的特點是：第一種技術比較成熟，對（duì）設計來說比較有（yǒu）把握，缺點是因為電機和磨頭是（shì）分開並通過皮帶聯接的，所以出現振動的可（kě）能性比較大，可能會影響零件的表麵（miàn）加工質量；第二種因為采用的是電（diàn）主軸，所以振（zhèn）動的可能性比較小，表麵質量比（bǐ）較容易保證，但缺點就是該技術屬於比較新型的技術，可靠性和技術成熟性還有（yǒu）待觀察。

（4）過濾裝置的選擇，因為要求很好的表麵質量和平麵度，所以砂輪加工必（bì）須選擇水冷式加工，冷卻液的過濾是一個大問題，在（zài）過濾裝置的選擇（zé）上選擇了精密紙帶過濾機，通過高精度的紙帶過濾來實現冷（lěng）卻液的循環使用。

（5）砂輪的選擇，傳統的砂（shā）輪大多采用的是白（bái）剛玉和綠碳（tàn）化矽，棕（zōng）剛玉等材料（liào），這些材料的砂輪的（de）特點是：砂輪采購成本低，生產技術成熟，加工（gōng）性能可靠，容易修整，切（qiē）削進給量大等，但是加工精度不高（gāo），並容易磨損，且線速度（dù）普遍不高；新型的立方氮化硼砂輪的特（tè）點是：加工精度高，不容易磨損（sǔn），且有很高是線速度，這剛好彌（mí）補了（le）傳統砂輪的（de）缺陷（xiàn），但因（yīn）為（wéi）是（shì）新型產品，其技術（shù）的成熟度不夠，切（qiē）因為太硬不容易修整，切削（xuē）進給量也相對較小，這就導致零件容易燒傷。

（6）線軌的選擇。磨床要求運動平穩，無振動和無阻力過大等形象，同時還要（yào）能夠實現高速磨削和往複運動，又因為對磨床的具體尺寸都做了相應的限（xiàn）製（zhì）和規定，所以在（zài）比（bǐ）較了傳統的滑動導軌（guǐ）和現代化技術的線性滾（gǔn）動導軌後，決定采用線性滾動導軌來實現該磨床的（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（guó）內的南京工藝，濟南（nán）博特，還有中國台灣（wān）的上銀集（jí）團（tuán），德國的力士樂（lè）和日本的 THK 等等，我們最終選定了日本 THK 的一款（kuǎn）阻（zǔ）尼相對較大（dà）的 SNS25R2DD球保持型（xíng） LM 線性滾動導軌。該滾（gǔn）動導軌不僅適合穩定（dìng）的磨削（xuē），更能實現工件的高速（sù）進給，並能保證極高的進給和導向精度，這樣不僅有（yǒu）利（lì）於工件的加工，同時（shí）與法那科數控係統的（de）配合也更（gèng）能夠全方位的體現該數控係統的各種功（gōng）能的優越性。

（7）絲杆的選擇（zé），根據磨床的具體要求，在傳動方式上摒棄了傳統的液壓油（yóu）缸驅動的（de）傳動方式，決定采用滾珠絲杆傳動，因（yīn）為這樣（yàng）不僅可以更好的實（shí）現磨床的告訴進給（gěi）和可靠進給，更是節約了後續的維護成本，同時也可以把磨床的外形尺寸做到更（gèng）小更精致，這（zhè）也極大地節約了磨床的生產（chǎn）成本（běn）。滾珠絲杆的選擇依據如下：同樣是在（zài）比較了國內外多（duō）個滾珠絲杆生產廠（chǎng）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（dé）國的力士樂和（hé）日本的 THK 等等，最（zuì）終選定（dìng）了日（rì）本（běn）的 THK 的一款 BNFN2505-3.5RRG0 型滾珠絲杆。該種滾（gǔn）珠（zhū）絲杆不僅定位精準，運動平穩，同時還可以實（shí）現頻（pín）繁的往複運動，相比傳統的驅動（dòng）方式更靈（líng）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（tóng）時也能更好的配合法那科數控係（xì）統的使用，可謂是（shì）一舉多得。

（8）潤滑的設計和選擇，對線軌和絲杆的潤滑，主要采取的是油潤滑，相比油脂（zhī）潤滑，油潤（rùn）滑的特點是：容易（yì）添加潤滑油、對零（líng）件的潤滑更加全（quán）麵、對線軌和絲杆的保護更好。缺（quē）點（diǎn）是設計走線比較（jiào）麻煩，相對附件比較多，但由於磨床是使用（yòng）頻率很（hěn）高的機械設（shè）備，所以還是采用油潤滑，這樣不僅能增加（jiā）設備的使用壽命，同（tóng）時也更能保護設備的精度的持（chí）久（jiǔ）性，對零件的加（jiā）工也能得到更好的加工質量。潤滑元件的供（gòng）給產家在南京貝奇爾和浙江流遍之間選擇了後者，因（yīn）為（wéi）後（hòu）者（zhě）有更高的性價比和更好的服務態度。數控精密磨（mó）床設計方案的確定，以及機床零件加工質量，磨床裝配精（jīng）度，是保證卡尺量麵磨削質量最為關鍵的部分（fèn）。好的機床設計方案布局，零（líng）件加工以及裝配精度，才能製造出穩定，耐用（yòng）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，以及磨床加工進給方向等多方麵的考量（liàng），不單（dān）要考慮夾具與機床布（bù）局（jú）是否幹（gàn）涉，更要考慮夾具本身的可靠性和重複（fù）性等諸多變量。根據圖 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（zhì）來進行保證，加工卡尺量麵通過機械（xiè）手抓取卡尺放置（zhì）在定位夾具上，再通過夾具中的主定位氣（qì）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，然後再通過數控精密磨床加工，完成卡尺量麵的磨削。本自動（dòng）化機構的難點（diǎn）與關鍵：

（1）卡尺的定位精度和固定可（kě）靠。

（2）固定壓緊力的（de）選擇導致的卡尺位置移（yí）動對加工結果的影（yǐng）響。

（3）機械手抓（zhuā）取位置與（yǔ）夾具的布局的幹涉問題。

（4）夾具（jù）的固定方式和夾緊力對卡尺量麵（miàn）加工結果的影響。

圖 1 夾具與磨（mó）床的布局

以上列舉的（de）四個方麵的（de）影響是本項目在實施過程中的關鍵技術攻關點，也是決定項目成敗（bài）的主因所在，通過以上四點的技術攻關，卡尺量麵加工結（jié）果得以良好（hǎo）的保證與（yǔ）輸（shū）出，很的滿足了零件後續加工的需要。3 卡尺自動上下料機構的設計與研究3.1 卡尺自動上下料機構的參（cān）數與技術（shù）要求根據卡尺的自動上下料要求，結合（hé）加工的節拍與相關配合機構（gòu）的交互等（děng）因素，確定了以下的（de）技術參數和要求：

（1）自動上下料機械手移（yí）動速度：40 m/min.

（2）機械（xiè）手抓取力：10 kg.

（3）機械手移動定位精度：±0.1 mm.

（4）機（jī）械手抓取工位：2 個。

（5）機械手配備抓取和鬆開到位感應開關。

3.2 零件自（zì）動上下料機構的方案設計

根據自動上下料機構的技術要（yào）求，本項目設計了如（rú）圖 2、3、4 的機構方案.

圖（tú）2 自動上下料機構

圖3 自動上下料機構

圖4 自動上下料機構（gòu）

根據圖 2、3、4 的自動（dòng）上下料機構方案圖，本機構的機械手可以實現零（líng）件的抓取和放置，同（tóng）時通過傳輸機構實現零件從自動送（sòng）料機（jī）構到夾具的移動，從而實現零件（jiàn）的上料抓取和下料放置的功能。本自（zì）動化機構的難點與關鍵：

（1）零件抓取的可（kě）靠性和定位（wèi）的準確度（dù）。

（2）零件傳輸的（de）平穩性和效率性（xìng）。

（3）機構本身的剛性與可靠（kào）性。

（4）機械手抓取力的大小與零件、抓緊機構的匹配。

（5）機構的製造成本與經濟性（xìng）的平衡。

（6）抓（zhuā）取工位的交換的可靠性與持久性。

（7）機（jī）構（gòu）的（de）分拆零件的加（jiā）工性和裝配性。

以上七（qī）個方麵是該自（zì）動上下料機構的難點（diǎn），也是（shì）其（qí）運行可靠與否的關鍵點，通過對以（yǐ）上各點的研究與分析，逐個突破是（shì）解決問題（tí）的關鍵。

3.3 項目自動化解決方案

（1）機械手采用（yòng）單臂支撐結構，要求支撐臂剛性滿足，並考慮加（jiā）工過程的工藝性和成本。

（2）機械臂橫向（Y 向（xiàng））進給A、采用線性模組傳動方案，選（xuǎn）擇線性模組 tkk8620C-740A1-F1C.B、選擇私服（fú）電（diàn）機，通（tōng）過聯軸器連接（jiē）伺服電機（jī）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（dòng）方案，選擇線性模組tkk6010C-300a1f1c.B、選擇私服電機，通過聯軸器連接伺服電機（jī）和線性模組，實 Z 向進給（gěi）。

（4）送料盤（X 向）進給A、采用線性模組傳動方案（àn），選擇線性模組（zǔ）B、選擇私服電機，通過聯軸器連接伺服電（diàn）機和線性模組，實 X 向（xiàng）進（jìn）給。

4 、結（jié）束語

通過精密卡（kǎ）規磨床自動化設計，實現了卡尺（chǐ）的自動送料、自動上下料、自（zì）動加工等功能，該類型卡尺量麵磨（mó）削的設計研究（jiū），不僅可以提升卡尺量麵的準確（què）度，同時（shí）也能（néng）提升卡尺量麵（miàn）加工的效率，降低人工製（zhì）造的成本（běn），改善工人的工作環境。同時該方（fāng）案的設計具（jù）有廣（guǎng）泛（fàn）的推廣價值和意義，可以針對不同行業的磨削加工自動化的改造和升級。

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