【www.zhangdahai.com--其他范文】
潘新宇，伍玩秋，林毅贞
（阳江职业技术学院 机电系，广东 阳江 529500）
磨削工艺是刀剪加工制造的一项重要工序，刀剪磨削工艺直接影响刀具的表面痕迹、刃口质量、几何尺寸、锋利度等重要的性能指标，磨削质量的高低对刀剪品质的优劣起决定性作用。刀具的磨削加工一般采用磨床对刀具进行表面去除材料加工，常用的磨床有双面磨刀机、砂带机、数控抛磨机等加工设备。目前，刀剪磨削设备主要是以液压磨床仿形磨削为主，存在磨削精度差、生产效率低等缺点[1]；
普通数控磨床以两轴联动方式工作较多，不能满足刀具的加工质量要求。
在装备制造业转型升级、产业集群化的战略背景下，制造业高质量发展作为主攻方向，磨削技术朝着高精度、高效、高速、低粗糙度、自动磨削方向发展。在双面磨床设备中，伺服升降机构负责对刀具进行自动送料，其送料精度对加工质量有决定性作用。在经济全球化的推动下，刀剪加工装备制造业快速发展，双面磨床作为磨削加工的常用装备，降低设备设计开发成本、提高设计效率、提高双面磨床的加工精度和质量可靠性十分重要。本设计以双面磨床的伺服升降机构为研究对象，利用SolidWorks软件辅助设计，并对双面磨床伺服升降机构的主要部件进行结构设计分析。
1.1 双面磨床的结构总成介绍
双面磨床是一款运用于高精度、高效率、双面同时磨削加工的自动机床，主要有底座、左进石机构、右进石机构、送料平台、伺服升降机构、电箱、数控总成等组成，如图1所示。
图1 双面磨床的基本组成
安装在双面磨床底座的送料机构的作用是通过伺服电机联动丝杠传动机构实现工件在X轴方向的送料。伺服升降机构安装在送料机构上，其作用是通过丝杠传动机构实现工件在Z轴方向上的送料。进石机构的作用是实现砂轮在Y轴方向磨削加工的进给运行。该双面磨床通过数控系统控制送料机构、伺服升降机构和进石机构的配合，进行三轴联动磨削加工，可以实现刀具的双面、不同角度的磨削加工。
1.2 伺服升降机构的主要部件及工作原理
双面磨床伺服升降机构在磨床中负责对工件进行送料，磨削加工对其送料机构的精度和平衡性要求较高。现有的数控多功能磨床，只能通过单个升降机构对刀架进行升降，而且该磨床的升降机构驱动力没有位于中心位置，会造成上下升降时的不平衡[2]。为了解决上述技术问题，新设计了一种平衡性较高的双面磨伺服升降机构，主要有安装底座、伺服电机、刀架转盘、持刀架、支撑马仔、刀架安装座、光轴套筒、光轴、丝杠传动机构、轴承、同步带传动机构、轴承压盖、电机调节座等部件组成，其结构组成如图2所示。
图2 伺服升降机构结构组成
该平衡性较高的双面磨伺服升降机构，通过在安装座的正中间使用滚珠丝杠螺母副来实现上下驱动，两边用圆柱形筒套、自润滑复合轴套和光轴配合做辅助，并能够随着刀架安装板的升降，使光轴在筒套内部滑动，保证刀架在升降过程中的平衡稳定，提高工件磨削加工精度。
2.1 基于SolidWorks软件的结构设计布局
自顶向下的设计方法和自底向上的设计方法是目前结构设计常用的设计方法。自顶向下的设计方法适用于复杂产品的设计，设计人员先从产品需求分析开始进行原理或概念设计，然后进行产品的总体装配布局，再划分不同的子系统并确定各子系统的装配关系。最后根据预先规划的装配关系，对产品零部件进行详细设计，最后形成整机模型。该设计方法增加了零件之间的关联性，使设计层次变得更清晰，实现了设计信息的传递、共享、继承，特别适用于当今网络发达的并行工程和协同设计[3]。
SolidWorks软件是一个基于特征、参数化、实体建模的设计工具，可以实现三维物体的快速建模，并可以实现机构的装配和运动仿真，操作简单，应用范围广泛[4]。SolidWorks Treehouse作为SolidWorks CAD产品的一个模块，可以在一个独立的界面中打开。它可以让用户快速针对一个新产品创建装配体结构树，也可以将现有的模型结构拉入新产品结构树中进行组装[5]。针对传统设计方法的前期规划不充分、反复交流沟通及团队协同设计工作效率低的问题，本设计采用SolidWorks Treehouse通过拖放方式把零件和装配体添加到产品的结构树，并对其属性、配置和数量等进行编辑；
利用SolidWorks Treehouse提供的列表视图功能显示质量、材质、数量等信息，以Excel表格的形式输出明细表，并显示模型文件缩略图，便于进行产品结构分析。运用SolidWorks Treehouse对伺服升降机构创建装配体结构树，如图3所示。
图3 伺服升降机构的装配体结构树
2.2 伺服升降机构的滚珠丝杠传动机构设计应用
滚珠丝杠机构作为一种高精度的传动部件，大量应用在数控机床、自动化加工中心、电子精密机械进给机构、伺服机械手等领域[6]。为提高磨床磨削加工进给送料精度，本设计的伺服升降机构采用滚珠丝杠机构通过同步带连接伺服电机，将伺服电机的旋转运动高精度地转换为机构的所需的直线运动，从而驱动刀架精确送料，其传动结构如图4所示。
图4 滚珠丝杠传动结构
滚珠丝杠传动机构运送方向为垂直方向，刀架工作台导向方法是通过自润滑动轴承滑动导向。滚珠丝杠机构选用结构紧凑、刚性好的内循环式滚珠螺母；
滚珠丝杠采用轧制丝杠，精度等级为C7，运行距离误差±50 μm/300 mm。滚珠丝杠副按额定动载荷和额定静载荷选择主要尺寸型号[7]，由式（1）（2）计算得出。
式中：Ca为基本额定动载荷，Coa为基本额定静载荷，Kh为寿命系数，Kn为转速系数，KF为载荷系数，KH为硬度影响系数，K"H硬度影响系数，Lh为工作寿命，F为轴向载荷，KL为短行程系数，n为转速。导程的计算与选定，由式（1）得出
式中：PB为丝杠导程，NR为电机的额定转速，i为传动比，Vmax为最大进给速度。根据计算及选型资料选取丝杠外径直径为32 mm，导程为5 mm。
滚珠丝杠传动机构安装方式采用一端固定、一端自由的安装方式。固定端由安装底座、轴承盖、角接触球轴承、挡圈、锁紧螺母等零件组成，在轴承座内部采用一对角接触球轴承背对背安装支承丝杠端部，使丝杠固定端在轴向、径向均受约束。
2.3 伺服升降电机选用
本设计的伺服升降机构运动形式是电机的旋转运动变为刀架的直线运动，电机驱动转矩由公式（4）（5）计算得出。
式中：tanρ"=0.0025，T1为螺纹力矩，T2、T3为轴承摩擦力矩，F为轴向载荷，d0为公称直径，ρ"为螺纹升角，为当量摩擦角。
由于滚珠丝杠传动具有可逆性，驱动电机选用带电磁失电制动器的伺服电机，以达到精确定位的目的，电机额定电压220 V，功率Pn=1.5 kW，扭矩Tn=6 N·m。根据传动结构设计要求，选用电磁失电制动器制动，刀架进给到磨刀位置防止丝杠反转从而保证工件磨削加工位置不变，制动力扭大于等于8 N·m，电压为直流24 V，电流为0.55 A。
2.4 安装底座的结构设计与有限元分析
安装底座是伺服升降机构的重要支承部件，底座上设有伺服电机安装座孔、轴承座、光轴安装座孔，安装组件较多，使用环境复杂。利用SolidWorks软件的凸台拉伸、拉伸切除、异型孔工具、旋转、镜像、阵列、圆角等命令绘制安装底座的三维模型。
SolidWorks Simulation是一个与SolidWorks完全集成的设计分析系统。SolidWorks Simulation为线性和非线性静态、频率、扭曲、热力、疲劳、跌落测试、线性和非线性动态和优化分析提供了模拟解决方案。根据本设计工程需要，调用SolidWorks Simulation模块插件进行静应力分析。在安装底座设置夹具为固定。
添加载荷为作用在安装底座轴承孔上表面的压力，大小为2000 N；
安装底座的材料类型为HT200，弹性模量为1.999×105MPa，泊松比为0.32，屈服强度约为2.482×102MPa，质量密度为7000 kg/m3；
网格采用网格控制，网格大小为8 mm，比率为1.4。最后调用SolidWorks Simulation从静力学分析方面进行有限元计算分析，分析结果如图5、6所示。
从图5的应力分析云图中可以看出底座的最大应力发生在底座中间支撑板与底座横梁的连接处，最大值为0.206×102MPa，远小于材料的屈服强度，说明所选材料性能满足使用要求，结构较安全；
从图6的变形分析云图中可以看出安装底座在压力下，最大变形发生在丝杠安装孔的周边，最大变形量为24 μm，变形在所选材料的弹性变形范围内，去除压力后，底座变形消失恢复初始状态，所以满足设计工程需要。
图5 应力分布云图
图6 位移云图
根据产品装配体结构树划分的装配关系，利用SolidWorks软件装配体功能模块将各零部件装配起来，从装配的角度进行产品设计，分析伺服升降机构在各种工况是否存在干涉。最后根据装配体结构树装配关系和工程图完成伺服升降机构实机装配，并将伺服升降机构安装在双面磨床上完成工程样机整机试制，其双面磨床工程样机如图7所示。
图7 双面磨床工程样机
本设计的伺服升降机构为满足双面磨床进给送料加工的需要，配制专用夹具保证工件能够便捷、快速、安全地安装固定，其刀具加工夹具如图8所示。
图8 刀具加工夹具
经工程实践验证，双面磨床伺服升降机构结构设计满足生产加工要求、精度要求，可一次性完成刀具的双面加工，其加工产品如图9所示。
图9 磨削加工的产品
设计的双面磨床伺服升降机构用于磨床磨削加工的送料，保证了刀架在升降过程中的平衡稳定，提高了工件磨削加工精度；
采用SolidWorks三维软件进行自顶向下的参数化建模设计，实现结构设计整体装配关系规划布局，增加了零件之间的关联性，使设计层次变得更清晰；
利用SolidWorks Simulation对主要结构件进行有限元分析，通过仿真分析进行验证、修改和优化，保证了结构设计的正确、合理；
在试制物理样机之前通过SolidWorks软件辅助完成双面磨床伺服升降机构虚拟装配、运动干涉分析，可有效缩短机械设备的开发周期，同时降低设计成本，提高设计质量，增强企业的竞争力。经样机试制、产品试样实践检验，双面磨床伺服升降机构的结构满足了产品加工要求。
