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鐵(tiě)路客車軸承滾子磨削加工(gōng)在線檢測係統
2013-11-26  來源:  作者:河南科技大學機電工(gōng)程學院 韓宇,張洛平

摘要(yào): 由於鐵路客車軸承滾子(zǐ)磨削加工精度難以控製,介紹(shào)了(le)一種采用CBN 砂輪高速點接觸磨削滾子的新方法,重點對其在線檢測係統做(zuò)了深入的研究。確定了在線檢測係統(tǒng)的總體方案,設計(jì)了測頭機構,闡(chǎn)述並分(fèn)析了測量原理。

 

關鍵詞: 滾動軸(zhóu)承; 滾子; 精密磨削(xuē); 在線檢測

 

1 前言

 

      隨著列車速(sù)度的提高和運行距離的增加,對車輪(lún)軸承質量的要求也隨之提高[1]。目前,國內鐵路客車正(zhèng)常運行(háng)速度不超過160 km/h,車輪最高轉速為1 000 r /min,車軸所受載荷為148 96kN,最大軸向(xiàng)載荷為(wéi)59 6 74 5 kN,車輪軸承采用脂(zhī)潤(rùn)滑。滾子質量在很大程度上影響著軸承的使用(yòng)壽命和動態性能。由(yóu)於鐵路客車使用環境的特殊性,要求在磨削加工中(zhōng)同一組滾子(zǐ)直(zhí)徑變動量(liàng)≤2 μm,長(zhǎng)度變動量(liàng)≤10 μm

 

      磨削加工往往作為終加工工序,對工件的最終精度有直接的影響。鐵路客車(chē)常用軸承有圓柱滾子軸承(chéng)和圓錐滾子軸承,滾子素線常采用邊緣對數曲線修形,一般為修形砂(shā)輪(lún)切入式磨(mó)削加(jiā)工,其原理如圖(tú)1 所示。這種加工方(fāng)法要經常用金剛筆或金剛滾(gǔn)輪對砂輪進行修(xiū)形,修形後的砂輪外形很難保證與所(suǒ)需滾子外形素線一致,同一批滾子的直徑變動量難以控(kòng)製,容易造成滾(gǔn)子滾動麵素線的對稱度不高,表麵粗糙度控製有限,且頻繁修形造成工(gōng)作效率較低。

 

 

      針對現有技術的不足,設計了一種采用CBN砂輪高速點接觸磨削(xuē)滾子軌跡(jì)的新(xīn)方法。該方法(fǎ)集多種輪廓磨削加工工藝於一體,一次裝夾可完成多個表麵的磨削加工,不僅提高加工效率,還可以保證工件的形狀和位(wèi)置精度。

 

      在線檢測技術是一種基於計(jì)算機控製的檢測技術(shù),其檢測過(guò)程由數控程序控(kòng)製,通過工控機的處理得出檢測結果並做出相應的處理。將在線檢測技(jì)術應用於鐵路軸承滾子的磨削加工中,可減少工件裝夾次數,有效保證工(gōng)件的重複定位精度,對提高滾(gǔn)子質量將有著質的變(biàn)化。因此,研究設計(jì)了與上述磨削加工方法有機結合的在線檢測係統。

 

2 總體方案

 

      軸承滾子精密磨削機床在線檢測係統由雷尼紹測頭(tóu)係統和相應的檢測軟件結合機床本體構(gòu)成。係統借助機床上(shàng)的部(bù)分硬件,在不改變機床本身性能的基礎上,加(jiā)入三坐標測量機(jī)的主要功能,實現在線檢測(cè)和反饋控(kòng)製[3],總體方案如圖2所示。該係統由雷尼紹測頭,嵌入式運動控製器,人機界(jiè)麵,X 軸、Y 軸伺服電動機及伺服驅動器等相(xiàng)關部件組(zǔ)成。係統(tǒng)工作時,在X 軸、Y 軸伺服電動機的配合下,工件與測頭測針接觸產生觸發信號。信(xìn)號經處(chù)理後由專用I /O 接口傳(chuán)輸給嵌入式運動控製器,測量軟件結合(hé)同時反(fǎn)饋回的伺服電動機的位置信息,進行計算(suàn)、補償等數(shù)據處理工作,得出檢測結果(guǒ),完成檢測工作。

 

 

3 測頭機構

 

      在線檢測(cè)係統的測頭機構主要由測頭座和2個雷尼紹LP2 測頭構成,LP2 測頭(tóu)固(gù)定在測頭座上,其結構(gòu)如圖3 所示

 

 

      測針是LP2 測頭的重要組(zǔ)成部分,在線測(cè)量過程中與工件接(jiē)觸,對在線測量的完成和準確與否起(qǐ)著關鍵性的作用。測針通常分為球狀測針和柱狀測針。本在線檢測的實質是取得工件各縱截麵的最大直徑值。如果選擇球狀測針(zhēn),測針與工(gōng)件的(de)接觸實際(jì)上是(shì)空(kōng)間內點與線的接觸,測量(liàng)時測針接觸點所在的水平麵與工件中心(xīn)線所在(zài)的水平麵很難重合,實際測量值將小於測量截麵處工件的最大直徑,將不可避免地產生誤差; 而采(cǎi)用柱(zhù)狀測針時測針與工件的接觸實際上為空間(jiān)內兩條直線之間相交(jiāo),由空間內兩條不重合的直線(xiàn)相交隻有一個交點可知,測量時測針與工件之間的接觸(chù)點與工件水平中心線重合,可避免產生誤差,測量示意圖如圖4 所示。

 

 

4 檢測原理

 

     4 1 工件坐標係的建立(lì)

 

      在(zài)線檢測係統的作用是在機床磨削(xuē)滾(gǔn)子後,對磨削後滾子的縱向截麵直徑進行在線測量並將測量結果反饋給控製中心(xīn)。在此,以一(yī)種滾動麵素線中間為圓弧曲(qǔ)線,兩端為對數曲(qǔ)線修形的滾子為例闡述測量原(yuán)理。設滾子最大直徑(jìng)為Φm,有效接觸長度為L,滾動麵圓弧部分素線的半徑為R,對數(shù)修形部分素線的方程為y = aln1 ( 2x /L) 2]- 1 ( 其中a 為根據工況和(hé)材料性質決定的常數) 。測量(liàng)時,工件固定在機床(chuáng)上的兩個頂尖之間,所建立的工(gōng)件坐標係如圖5 所示,其中α,β 點為圓弧曲線與對(duì)數曲(qǔ)線的切點。

 

 

     在工件坐標係中,α 與β 點所(suǒ)在的截麵的直徑分別為

 

 

 

     其餘任意一點xi所(suǒ)在的截麵的直徑φi

 

 

      4 2 測量過程及原理

 

      測量過程及原理示意圖如圖3 所示。在線檢測時,測頭機構不動,被測工件與所在的工作台一起在X 軸、Y 軸電動機的配合下運動。當係統測量工件(jiàn)xi點所在截麵的直徑時(shí),X 軸伺服電(diàn)動機拖動縱向托板(bǎn)向前運動,當測(cè)針(zhēn)與工件接觸後,測頭產生一(yī)個觸發信號經傳輸器傳送到運動(dòng)控製器中,控製X 軸(zhóu)伺(sì)服電動機反方向( 即向後) 運動,並記錄下此時X 軸伺服電動機的位置。當工件與第2 個測針接觸時,測頭再(zài)次產生一(yī)個觸發信號傳(chuán)送給運動控製(zhì)器,控製X 軸伺(sì)服電動機反方向運動至開始檢測位(wèi)置( 即工件處於兩個測針正(zhèng)中間的位置(zhì)) ,同時記錄(lù)下此時X 軸的位置(zhì)。2 個觸發信(xìn)號之間X 軸電動機拖動托板運動的距(jù)離為hi,事先標定好(hǎo)的2 個測(cè)針之間的距離為H,則xi點所在的(de)截(jié)麵的直(zhí)徑Φi

 

 

      則xi點所(suǒ)在截麵的直(zhí)徑的實際測量值與理論值之間(jiān)的差值為Ci = Φi - Φi,該差值將作為機床下一步工作的重(chóng)要依據。

 

5 檢測程序

      在(zài)線檢測(cè)技術能否準(zhǔn)確實(shí)現的關鍵主要體現在檢測(cè)程序的編製上,檢測程序編製(zhì)質量直接影響到檢測效果的(de)好壞[4]。根據雷尼紹廠商提供的工具測量軟件,結合深圳固(gù)高公(gōng)司的運動控製器編程語法(fǎ),在Windows XP 操作環境下運用VC + +開發了專用(yòng)的測量軟件。該測量程序采用模塊化結構設計,主要包括數據(jù)采集模塊、通信模塊、顯示模塊、數據處理模塊和鍵盤中斷(duàn)子程序等。軟件總(zǒng)流程圖如圖(tú)6 所示(shì)。

 

      基於固高運動控製器(qì)編(biān)程語法(fǎ)的檢(jiǎn)測子程序(xù)部分程序(xù)段如下:

 

#CETOU 標號

SP 2000 初始速度(dù)

BGY Y 軸運動

AI 1 1#停止脈衝

APY return > 查詢並報告Y 軸位置

PRY 2000 Y 軸反向(xiàng)運(yùn)動

AI 2 2#停止脈衝

APY return > 查詢並報告Y 軸位置

……

EN 結束

 

 

6 結束語(yǔ)

 

       目前,上述滾子磨削加工機床已完成了論證和設計(jì)工作,正處於樣機的生產和調(diào)試階(jiē)段。若能實現數控軸承滾子(zǐ)磨(mó)床加工過程的在線檢測,將減少工件(jiàn)的裝(zhuāng)夾次數,既能(néng)保證磨削加工的精度,又可擴大數控磨削機床(chuáng)的功能,改善機床的性能及工作效率,降低工人的勞動強度,對提高(gāo)國產鐵路軸承滾子的整體品質也有一定的現實意義。

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