乔龙阳，杨智聪，林 进

(1.阳江职业技术学院，广东 阳江 529500； 2.广东科拓自动化机械设备有限公司，广东 阳江 529500)

0 引 言

广东阳江是全球最大的刀剪制造基地，近几年，行业刀剪磨削设备自动化程度普遍较低，直接制约了刀剪产品的全球市场竞争力。 刀剪端面磨削是指利用筒形砂轮的端面磨削刀剪毛坯的整个端面或者端面的一部分从而形成一个磨削面。 由于多数刀剪的磨削面为空间三维曲面，为实现磨削工艺，设备必须具备至少包括一个旋转轴三轴以上的联动功能[1]。传统刀剪磨削设备受机械结构和控制系统的制约，存在磨削工艺落后、机械传动精度低及数控系统不稳定等问题[2-4]。

为满足现代刀剪产品的制造工艺要求，进一步提升产品的市场竞争力，阳江刀剪装备制造产业急需研发高精度多轴联动的数控磨床。 笔者依据刀剪多轴磨削工艺特点，构建数控磨床四轴坐标系，设计开发主轴副控制机构，进行角度控制轴A轴蜗杆蜗轮传动机构设计，有效提升了旋转轴的力矩输出和稳定性。 还对机床数控系统进行了技术升级，优化设计了人机交互功能和图形编程功能等模块，配合选用高精度的导轨和轴承附件，有效保证机床的稳定性和制造精度，大幅提升了刀剪产品的质量。

1 四轴联动数控磨床设计方案

1.1 设计要求

根据刀剪磨削工艺特点及机床主体床身结构特点，数控磨床的设计应满足以下几点。

(1) 机床主体床身设计。 要保证机床刚度要求，避免机床产生共振现象，达到机床运行平稳、准确的目的。

(2) 主轴机构设计。 在满足刀剪磨削转矩要求的条件下，保证主轴组件的旋转精度、刚性、寿命和阻尼，并降低噪音。

(3) 进给传动机构设计[5]。 要求传动精度高、响应快，有足够的动力输出，满足高强度磨削加工要求，满足刀具磨削时机械装置的刚性和稳定性要求。

(4) 导轨设计选用。 满足在高负载的情况下实现高精度直线运动的要求，可以承担一定的扭矩。

(5) 数控控制系统设计选用[6-8]。 数控系统应保证定位精度和重复定位精度能满足磨削刀具工艺要求，能完成对二轴、三轴和四轴联动的精确控制。

1.2 机床基本组成及原理

依据上述设计要求，数控磨床主要由机床主体机座、主轴箱机构、进给传动机构、数控控制系统等部分组成。

刀剪专用数控磨床设计原理:磨削砂轮安装在主轴上，主电动机通过带传动将动力传输到主轴，主轴带动砂轮旋转，实现主运动(Z轴)。 直线轴X、Y进给运动由机床进给伺服系统控制伺服电机驱动，实现横、纵向进给运动。 旋转轴A轴是绕直线轴X轴旋转的角度控制轴，由伺服电机带动蜗杆蜗轮机械传动装置，驱动工作台达到所需的摆角角度。 设备配置高精度数控系统，开发设计相应控制功能模块，数控系统控制X、Y、Z、A四条轴联动，实现二轴、三轴或四轴的联动控制磨削加工。

2 四轴联动数控磨床关键技术设计开发

在传统数控单面磨床结构的基础上，通过创新设计，研制四轴联动多功能数控磨床。 数控机床具备四轴联动功能，可实现一次装夹，完成对被加工工件的平面或曲面的多次磨削加工。 其进给传动机构、主轴副机构及机床控制系统都具有专用特性，需进行关键技术设计。

2.1 主轴副结构设计

主轴副机构是机床传动系统的主要机构，作用是实现砂轮旋转主运动，要求满足刀剪磨削的转矩输出，保证主轴组件的旋转精度、刚性、寿命和阻尼，并降低噪音。 主轴副结构主要由主轴、带轮、角接触轴承、轴承螺母、轴承端盖、砂轮安装盘和主轴箱体等构件组成，如图1 所示。 主轴高温调质处理，主轴支撑轴承采用角接触球轴承副结构，具备可靠径向、轴向负荷承载能力，保证主轴高速旋转的精度要求。 主轴锥孔设计规格为A2-6，额定转速为4 500 r/min，各结合面跳动小于0.003 mm，安装端面及内孔跳动小于0.01 mm。

图1 主轴传动机构图

1.主电动机 2.带轮 3.轴承端盖 4.轴承螺母 5，6.角接触轴承 7.主轴 8，9. 角接触轴承 10.轴承端盖 11.砂轮安装盘12.主轴箱体

2.2 进给传动机构设计

数控机床具有X、Y、Z、A四个控制轴，如图2 所示。 其中Z轴为主运动砂轮直线进给轴，X、Y轴为机床横向、纵向直线进给轴，旋转轴A轴是绕直线轴X轴旋转的角度控制轴。

图2 机床坐标系示意图

2.2.1 直线轴X、Y轴运动设计

数控磨床横、纵向进给传动系统实现机床X、Y轴的直线进给运动，机构主要由伺服电机、同步带机构、直线导轨、滑块、直线轴承、联轴器等组成。

2.2.2 旋转轴A轴控制机构设计

旋转轴A轴进给传动系统主要由伺服电机、连轴器、蜗杆蜗轮、A轴芯轴、芯轴旋转底座、轴承、工作台和箱体等构件组成，如图3 所示。

图3 传动机构图

为解决刀剪磨削生产时所需的受力要求，提高机构刚性和稳定性，机构采用传动比为50 ∶1 的一对蜗杆蜗轮，利用蜗轮蜗杆机构传动功率大、工作平稳和结构紧凑优点，有效提升了旋转轴的力矩输出和稳定性。 蜗杆4 与定制蜗轮5 安装在传动箱体内，通过啮合传动连接，改变运动方向及传递动力，蜗轮5 与A轴芯轴11 通过销键固定连接，将A轴伺服电机1 的旋转方向以及动力平稳传递并转变为A轴芯轴的角度旋转运动。

X轴、Y轴为十字交叉直线轴，在同一平面上，为实现绕X轴旋转的A轴功能，将旋转轴A轴底座13安装在X、Y轴工作台面上，A轴芯轴采用两端轴承支撑的芯轴设计，安装在机构底座的轴承座内，右端与传动机构蜗杆蜗轮机构相连。 工作台12 通过内六角螺钉安装固定在A轴芯轴上。

2.3 导轨设计选用

导轨作用是支撑和引导运动部件，使机床获得快速进给速度并按给定的方向做往复直线运动，它可以承担一定的扭矩，以保证在高负载的情况下实现高精度的直线运动。 其主要结构由直线导轨、滑块、端盖、润滑系统和防尘系统等构件组成。 文中的导轨滑块采用滚柱型滚动体取代了钢珠，滚动体与导轨为接触角度45°的线接触方式，滚动体在承受高负荷时仅仅形成微量的弹性变形，使得直线导轨达到四方向等高刚性、等高负荷能力特性，保证了Z轴与X轴两垂直进给轴的稳定性，大幅提升加工精度。

2.4 数控系统设计选用

机床控制系统具备X、Y、Z、A四个联动控制轴，采用工控一体机搭配总线型驱动器，数控系统通过CPU 处理对输入的数据进行分析后，将运算出的信号同时同步发送到每条轴的运动控制卡上，实现四轴联动同步控制，大幅提升数控系统的控制精度。 对数控系统功能模块进行如下优化设计。

2.4.1 数控系统人机交互优化设计

进行数控系统人机交互优化设计，如图4 所示。根据被加工刀具产品的设计外形轮廓，绘制轨迹DXF 文件，选择文件载入，设定产品厚度参数，修改磨削参数，执行加工，即能实现四轴联动磨削加工，简化了操作步骤。

图4 数控系统人机交互优化设计

2.4.2 数控系统图形编程功能设计

刀剪产品刃口曲线复杂，磨削面多为曲面圆弧，G 代码编程刀路不易管理。 数控系统设计开发了图形编程功能，系统通过图形化和参数化编程方式，根据刀具图纸(夹具、刀形)绘制DXF 图形，系统根据参数对DXF 进行翻译，可用于加工或生成NC 文件，提高了编程工作效率。

2.4.3 控制系统工控一体机设计

刀剪的磨削工序中，应用的是水冷却，整体的操作环境离不开水，加工环境恶劣具有腐蚀性。 机床控制系统采用工控一体机，具有防尘、防潮、防振、防辐射的能力，具有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力，可解决因潮湿的工作环境造成工作短路及不稳定的问题。

3 四轴联动数控磨床的应用

根据文中方法设计的四轴联动数控磨床已在国内外多家刀剪企业内投入使用，机床实物图如图5 所示。

图5 在用的四轴联动数控磨床

机床数控系统通过编程数据以及参数控制X、Y、Z、A四条联动轴及砂轮旋转主运动，主轴转速为4 500 r/min，设备床身采用灰铸铁材料，并采用加重工艺，机床的总质量达到2.4 t，机床的运行更加平稳、准确。 经各厂家的应用，四轴联动数控磨床性能稳定，平均无故障工作时间达到30 000 h，磨削刀具产品的表面粗糙度可达Ra0.2 μm。 四轴联动数控磨床具有以下特点。

(1) 加工效果好:机床数控系统X、Y、Z、A四轴联动加工，满足各类刀剪平面、曲面磨削加工要求，磨削精度高、加工效率高，实现刀具研磨自动化。

(2) 多功能特点:①只需一次装夹，按照分级程序的组合数据输入，完成一个面内的多次端面磨削，最多次数可达六次；②根据被加工产品的设计外形轮廓，绘制线轨迹的DXF 文件，通过厚度参数，就能实现四轴的联动加工；③具备砂轮损耗自动补偿功能，根据不同质量的砂轮，设定加工时的自动砂轮补偿量，补偿砂轮的消耗。

(3) 应用范围广:可磨削各种规格和材质的小刀、厨刀、剪刀等产品，也可以磨削各类医疗、美容、园艺等特种用途且形状复杂的刀剪产品。

(4) 经济性特点:四轴联动数控磨床均为国内自主研发设计，与国外同级别的数控机床比，具有稳定性好、成本低、经济性好的特点。

(5) 人性化特点:数控磨床的冷却方式是水冷，工作环境恶劣，新型磨床的人性化防水外壳，即不影响机床内部电气控制，又能对刀剪磨削四溅的冷却水花产生阻挡作用，减少加工时对操作人员的影响，提高机床整体的安全以及稳定性能，优化产品加工环境。

4 结 语

新型刀剪制造四轴联动数控磨床设计的主轴副结构、进给传动机构和数控系统，实现了数控四轴联动磨削加工，文中对机床数控系统进行了技术升级，设计开发了人机交互功能和图形编程功能等模块，配合选用高精度的导轨和轴承附件，大幅提升了设备的稳定性和操控性。 生产实践表明，四轴联动数控磨床满足各类刀剪平面、曲面的磨削加工要求；开发设计的机械装置和数控系统，具有稳定性好、成本低、经济性好的特点，大幅提升了刀剪磨削的质量和效率，对提升我国刀剪研磨自动化水平具有一定的实践意义。