（机械工程专业论文）叶片砂带磨削数控机床结构设计与研究.pdf

二坐塑塑堂坠生! o 叶片砂带磨削数控机床结构设计与研究 机械工程专业 研究生邹寒松指导教师龙伟吉洪高 随着世界航空工业的高速发展，航空燃气涡轮发动机所装用的叶片数量越 来越多，工作条件越来越恶劣，且因气体动力性要求叶片不规则的空间复曲面 越来越复杂，这给叶片加工技术提出了严峻考验，给叶片研制和制造质量的保 证带来了更大挑战。当前，世界上叶片型面磨削加工普遍采用的传统机械专用 加工设备存在不适应多品种小批量产品的生产，修改工艺需要较长时间和较多 费用，产品试制周期特别长、产品质量不稳定、容易发生叶片烧伤等诸多问题， 严重削弱了制造企业业参与市场竞争的能力。为r 缩短叶片研制与生产周期， 提高叶片加工质量及加工效率，降低叶片生产成本，增强企业参与市场竞争的 能力，提高燃气涡轮发动机叶片的工作可靠性，本文运用数控加工原理、利用 现代数控加工设备的成熟技术，结合长期的叶片型面加工经验，经过反复研究 和探索，投入较少经费，对数控砂带磨削机床进行了深入研究，成功研制了九 台数控砂带磨床并应用于叶片研制和批量生产之中。本文主要研究了数控砂带 磨削机床的结构设计及其相关的加工工艺技术。通过对叶片结构特征、技术要 求与加工工艺的分析，确立i 数控砂带磨削机床的设计要求。根据设计要求， 提出了研制数控砂带磨削机床的总体结构设计思路，对其主要结构和系统进行 了详细设计，并通过对设计过程中遇到的一些问题的讨论，确定了各部件和系 统的合理的设计参数，最终满足了设计要求。本文还就数控砂带磨削机床的安 装和调试展开了讨论，并提出了安装和调试应注意的问题。最后，为验证所设 计的数控砂带磨削机床的性能和指标是否满足使用要求，考察采用数控砂带縻 削机床加工的叶片的质量水平，我们用研制出的数控砂带磨削机床试加工了一 批某型军用航空涡轮喷气式发动机的一级压气机叶片，不仅根除了叶片烧伤的 质量隐患，还通过与用传统机械专用加工设备加工叶片的对比分析，确认研制 的数控砂带磨削机床性能和指标达到了预定要求，且加工出的叶片质量一致性 四川大学工程硕士学位论文 更好。同时，通过对数控砂带磨削机床结构及其制造的叶片质量的分析，也发 现了一些研制的数控砂带磨削机床还存在一些不足，为今后进一步提高该类设 备的性能指标、加工精度和加工效率提出了一些有益的建议。 关键词：数控机床砂带垂削叶片 2 四川大学工程硕士学位论文 d e s i g na n dr e s e a r c hf o rt h es t r u c t u r eo fn cs a n d b e l tg r i n d i n gm a c h i n ef o rb l a d e m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gf i e l d p o s t g r a d u a t e z o uh a n s o n g a d v i s o rl o n gw e ij ih o n g g a o a c c o m p a n y i n gb yt h er a p i dd e v e l o p m e n to fa e r o i n d u s t r yi nt h ew o r l d ， t h eb l a d e sareb e i n gl a r g e l ya p p li e di ng a st u r b i n e ，w i t hw o r k c i r c u m s t a n c e sb e c o m i n gm o r e s e v e r e ，m o r e o v e r ，d u et ot h em o r e s o p h i s t i c a t e dn o n r e g u l a rs p a t i a lm u l t i c u r v a c e o u ss u r f a c e so fb l a d e s r e q u i r e db ya e r o d y n a m i c ，t h a ti sar i g o r o u st e s tf o rb l a d e sm a n u f a c t u r e a n dc h a ll e n g ef o rb l a d e sr e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eq u a l i t y n o w a d a y s ， t h e r earem a n yd r a w b a c k sb yu s i n gg r i n d i n gf o rc u r v a c e o u ss u r f a c e so f b l a d e sa d a p tn o r m a lt r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls p e c i a lm a c h i n e ，f o re x a m p l e ， d i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n to fd i v e r s i t ya n ds m a l lb a t c hp r o d u c t i o n c h a n g i n gp r o c e s sn e e dt ot a k eal o n gt i m ea n dc o s t ：1 e a d t i m ed e l a yi n t r i a lp r o d u c t i o n ，u n s t a b l ep r o d u c tq u a l i t y ，a n db l a d e sb u r n e da 1 lt h e s e p r o b l e m sw o h i dr e d u c et h ec o m p a n y sc o m p e t i t i v e n e s si nt h em a r k e t i n o r d e rt os h o r t e nt h el e a d t i m eo fr e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r e ，t oi m p r o v e t h em a n u f a c t u r eq u a l i t ya n de f f i c i e n c y ，t or e d u c et h em a n u f a c t u r ec o s t ， t oe n h a n c et h ec o m p a n y sc o m p e t i t i v e n e s si nt h em a r k e t ，t oi n c r e a s et h e r e l i a b i l i t yo fb l a d e so fg a st u r b i n e ，t h i sa r t i c l ew e n ti n t od e e p l yf o r x c s a n db e l tg r i n d i n gm a c h i n e ，t h r o u g hu s i n gn ct h e o r e ma n dm o d e r n m a t u r i t yt e c h n o l o g yo fn cm a c h i n e ，c o m b i n i n gt h el o n gt e r mm a n u f a c t u r i n g e x p e r i e n c eo fc u r v a c e o u ss u r f a c e so fb l a d e s ，r e s e a r c h i n ga n ds t u d y i n g o v e ra n do v e r ，l e s sf u n di n v e s t e d ，9n cs a n d b e l tg r i n d i n gm a c h i n e sh a v e b e e nd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y ，w h i c hb e i n ga p p l i e dt om a n u f a c t u r ea n df u l l p r o d u c t i o nf o rb l a d e s t h ea r t i c l em a i n l yf o c u s e do nt h es t u d yo f 3 四川太学工程硕士学位论文 s t r u c t u r e d e s i g n o f n cs a n d b e l tg r i n d i n gm a c h i n ea n dr e l e v a n t m a n u f a c t u r i n gp r o c e s st e c h n o l o g y t h ed e s i g nr e q u i r e m e n ti sd e f i n e db y a n a l y z i n gf o rp r o p e r t yo fs t r u c t u r ea n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n ta n d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fb l a d e s b a s e do nd e s i g nr e q u i r e m e n t ， g e n e r a l s t r u c t u r ed e s i g nc o n c e p tf o rr e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo f n cs a n d b e l t g r i n d i n gm a c h i n eb e e nr o s e ，d e s i g n e dm a i ns t r u c t u r ea n ds y s t e m i n p a r t i c u f a r ，d e f i n e dj u s t i f i e dd e s i g np a r a m e t e rf o rc o m p o n e n ta n ds y s t e m ， m e td e s i g nr e q u i r e m e n tf i n a l l y t h ea r t i c l ed i s c u s s e dt h ei n s t a ll a t i o n a n da d j u s t m e n to f n cs a n db e l tg r i n d i n gm a c h i n ea n dt or a i s eap r o p o s a w h e r en e e dt op a ya t t e n t i o n f i n a l l y ，t ov e r i f yt h ec a p a b i l i t ya n di n d e x o ft h en cs a n db e l tg r i n d i n gm a c h i n ew h e t h e rm e e tu s i n gr e q u i r e m e n t ，t o e x p l o r et h eq u a l i t yo fb l a d e sm a c h i n e db yt h en cs a n d b e l tg r i n d i n g m a c h i n e ，ab a t c ho fs t a g en o 1c o m p r e s s o rb 1 a d e s f o r t u r b o j e to f m i l i t a r y a v i a t i o nb e e nm a n u f a c t u r e db yn cs a n db e i tg r i n d i n gm a c h i n e n o to n l y t h ep o t e n t i a lr i s ko fb l a d e sb u r nb e e ne r a d i c a t e d ，b u ta l s ot h eq u a l i t y c o n s i s t e n c yo fb l a d e si sb e t t e rd e f i n e db yt h ec a p a b i l i t ya n di n d e xo f n cs a n db e l tg r i n d i n gm a c h i n em e e tt h ed e s t i n e dr e q u i r e m e n tc o m p a r et o t h a tm a n u f a c t u r e db yt r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls p e c i a lm a c h i n e m e a n w h i l e s o m ei n s u f f i c i e n c yo fn cs a n db e l tg r i n d i n gm a c h i n eb e e n f o u n dt h r o u g h a n a l y z ef o rs t r u c t u r eo fn cs a n db e l tg r i n d i n gm a c h i n ea n dt h eq u a lit y o fb l a d e sb e e nm a n u f a c t u r e db yi t s t a b l es o m ep r o p o s a lt oi m p r o v e c a p a c i t yi n d e x ，m a n u f a c t u r ep r e e i s i o na n dm a n u f a c t u r ee f f i c i e n c yi nt h e f u r t h e r k e yw o r d ：n cm a c h i n e ，s a n db e l tg r i n d i n g ，b l a d e 4 心川大学一程磺1 = 学位论文 1 概述 二十世纪以来，航空发动机技术方丽所取得的进步，很大程度上取决于能 瀵蹩发凌爨缝稳经憝要求翁零部 孚生产掰震羹撬庆秘攘工工艺豹鬻步发震。在 航空燃气涡轮发动机中，主簧由盘和时片组合而成的眶气机和涡轮蹩两个极其 关键的部件，它们的设计、制造与用材水平不仅直接决定着整个发动机的性能 水平，丽且煮犊关系发动枫的往用可豢髓。在发动机运转过程中，出压气枫出 来的高压空气经燃烧室增滋届送入漏轮，经过漏轮时片通道稻葶囱时片通道产 生降压增速过程，高温高速燃气喷出发动机产生推力，同时，驱动涡轮转予旋 转，将热能转变成机械能，带动压气机转予高速旋转，空气不断避入发动机， 缀遗转动豹时冀秀疆速，淘嚣滚蠢稿邻一缀豹静止时冀，空气在通过转子时冀遵 道和静止叶片通道时产生扩压减速过程，因而压力和温度逐缴得以提高，同时 产生发动机推力。压气机和涡轮叶片均在高速旋转状态下：【作，承受着机械离 心力及其弯楚、气动力、热受麓窝撂动受麓。出于簸空发动机时冀+ 瓣数量多， _ i 作条俸恶劣，因而其失效的概率相对较高，在发动机零部俸的失效事件中， 转子叶片占7 0 以上。叶片任何模式的失效，都是在所承受的外力( 包括环境 因豢) 超过了零件本身的挽力所造成的，两造成时片失效抗力下醛的主要因素 旃：耱缓、表舔完整一莲、坪麓导蘩鹃老纯或运往等h l 。表瑟完整稳较差或在使 用中遭受破坏均会造成零件的力学性能、物理和化学性能下降，从而诱发裂纹 在这些部位萌生。表面完熬性不仅包括淡层的组织结构、表面粗糙度、表面防 护屡豹致密接、宠整性及努舞围素遥或瓣组城损伤篝，嚣且包括l 鸯予撬械壹l 工、 热处理等工艺不当而造成残余应力。压气丰几和涡轮时片具有气动力翼形截面， 为保持气流有非常均匀的轴向速度，确保气流流场稳定，减少气流能量损失， 从垮掇到叶尖有。个逐渐增大的扭角，造成时片型礤蹙。+ 个不规则的空间复杂 藏嚣，典型数压气帮t 唾冀鞠满轮时j ? 结秘及疆转秀形懿搿l 、2 掰示，给税械捷 c 和产锚质量的保证带来较大的难度。目时我国航空发动机叶j l 叶型的半精加 ，j ：较多地采用了点接触式仿型j 3 n _ l 线接触式衙生埘_ l l 1 3 _ - ，线接触式共轭加：1 ：_ = ， 嫒液法热：【等多程；形式f t j 妙带寮囊方法，它翻邦嚣予袄缀式，罄需爱靠摸装爱， 楚二：p 世纪鬣令传统的q 34 线眺工埘机床p j 。这类静i 床盯f 慧擎用机床，通 用性差，i 塞l 丽建赢制造过氍较难h ，_ + 地1 1 _ 【i 积大。机械式钏朝机床受诸多i 封索 l f t l q 人学t 糕琐 ：学位论文 影响( 如靠模精度、机械佼动等) ，使得加工不稳定，加工精度不能提高，时片 质量的一致性麓，这种加工方法，由于怒次加工到位，磨削余爨大，加工残 余应力也大，邂容易造成时片烧伤而破坏时片材质的缀织结构。 图1典型压气机叶片结构及扭转外形 鑫二卡煎缎年代以来，首先由予市场竞争激烈，试制时片品种芟耨极为 迅速，试制过程中对叶片的技术要求变化也比较频繁。其次，随着航空发动机 技术的快速发髅，叶片型酥艇曲面越来越复杂，精度要求越来越搿。再次，胍 气嚣砖片鞍漏轮时冀是燃汽发动掇上数繁最多懿零馋，台发动蔽跨片数釜霹 达3 0 0 0 片以内，其制造劳动量是整台发动机总劳动餐的2 5 3 5 ，而叶片加下 劳助精中有近4 0 机械加：工作是山熟练的抛光 二在抛光机上用手i ：来完成的 t 3 1o 二述三个方巍的客理现实使得f 统嘏缓等溺蜘 ：浚器不适应多 强糖小拙繁 ，“r i 湘7 i 产，修改工艺需要较长时闻和较多费用，妨褥了1 ：艺技术进步，产t 镰 试制周期特别长，因而发聪叶片r 旺调的莱r e 自动化加l = 成为必然趋势。为了顺 凹川大学 二程硕：学位论文 应这种发展趋势，在激烈的市场竞争中占据更大的市场份额，我们运用数控加 原理、利用现代数控加工设备的成熟技术，结合长期的叶片型面加工经验，经 过反复研究和探索，投入较少经费，。研制成功了数控砂带磨床，不仪实现了叶 片型面( 简称叶型) 精加工的柔性自动化，缩短了叶片研制与生产周期，提高 了叶片加工质量及加工效率，降低了叶片生产成本，增强了企业参与市场竞争 的能力，还为实现整个叶片柔性自动化加工奠定了坚实的基础，探索出了利用 现有工艺装备发展叶片柔性自动化加工的道路。 卅一 il 卜、，习 堤 扭角 气流方向lr 、一刀 4 l 逸瞄4 旋转方向 4 j l l t h 忑= 歹 蓼 in 秽 图2 典型涡轮叶片结构及扭转外形 数控砂带磨床是一个装有程序控制系统的砂带癌床，是一种高度机电一体 化的生产i 殳备。目前，国际 ：除德国m e t a b o 打癣抛光设备有限公司把数控技术 应用于叶型光整加t 外，其它国家都均沿用传统的特殊 j i l - e 专用砂带磨床，即 使德国生产的各种数控抛光设备，也只能进行叶型的光整加： ( 依原形状抛光) ， 不能对几何尺寸的偏差进行修i e i “。我们设计制造出的通用性强的数控砂带磨 床弥补了田内外叶型砂带螗削柔性自动化精加l ：的空白。它的研制成功标志着 3 四川1 大学工程硕士学位论文 我国叶片型面的半精加工或精加工由传统的机械式加工跨越到了数控式光整加 工。从此，叶片型面的半精加工或精加工在国内进入到了数控砂带磨加工的崭 新时代，在国内外均属首创。通过我们对某型军用航空发动机2 级压气机叶片 的加工验证，其叶型质量稳定性和一致性得到较大提高，表面完整性好，未发 生叶片烧伤的现象，降低了后续手工抛光加工的劳动强度和难度，使产品一次 合格率有了较大提高。 参与叶片砂带磨削数控机床整机研制的除了四川大学龙伟教授、成发科技 股份有限责任公司吉洪高高：亡和本文作者外，还包括冯家才高工、崔双全高工 等专家和成发科技股份有限责任公司叶片分厂设备保障中心工人师傅。在龙伟 教授和吉洪高高工的悉心指导下，本文作者完成了叶片砂带磨削数控机床结构 设计与研究，在此向两位老师和付出辛勤劳动的其他同志表示感谢。 四川大学_ t 程硕士学位论文 2 数控砂带磨床研制思路 数控砂带麟床就是把数控技术应用予砂带磨削的机床，其原理是把磨轮与 王释豹运动坐标分聱成一黧簸小静荸霞纛，帮最枣绶移爱，赉数控系统按照零 件程序的要求，使坐标移动游于个最小位移量，从而实现磨轮与工件的相对运 动，以完成零件的加工蟑j 。 图3 是数羧砂荣赛廉加工时片型线豹暇理图1 6 】。 y 熬3 数控砂带壤艇芏鞭理圈 x 例如在叶片某一截面二，要加工叶型曲线。要求磨轮t 沿叶型曲线轨迹运 动进行加工，可将曲线分解成：al o ，l 1 ，l 2 ，l 3 。l i 等线段。 浚瘗裁矗瓢鹃时闻为t i 则当a t o ，折线段之和接近曲线 _ 二0 一6 = 如莱在t i 时闫内，在x 坐标及y 燮标方南移动激分嗣是 矗x i ，y i ， 即： a l i = ( x i 2 + a y i 2 ) 。； 遂绘邃爱 v i = l i , t i = ( a x i ! ，、t i ) 2 + ( 。、y i a t i ) 2 o 5 在v i = c 常数保持不变时，称为恒定进给速度。幽户al i 的斜率是不断变 气 四川大学工程硕士学位论文 化的，因此进给速度在x 方向及y 方向的分量v x i 与、 方向的比值也是 在不断变化的。只要能连续地自动控制x 、y 两个坐标方向运动的速度的比值， 就可实现叶型曲线的数控磨削加工。 在数控磨削加工中，使数控磨床动作的是数控装置给数控磨床传递运动命 令的脉冲群，每一个脉冲对应于机床的单位位移量。 在进行曲线磨削加工时，可以用一个给定的数学函数来模拟线段l i 。 根据给定的数学函数，在理想的轨迹或轮廓上的己知点方向进行数据点的 密化，确定一些中间点的方法，称之为插补。处理这些插补的算法称之为插补 运算。 数控装置，就是一台能够接受零件图样加工信息，并按照一定数学模型进 行插补运算。实时地向各坐标轴发出速度控制指令( v x i ，v y i 等) 及 磨削用量的特殊用途的电子计算机 除了数控装置以外，为了使数控砂带磨床运动，还需要有一个足够功率， 能快速响应的驱动装置。 要实现数控砂带磨削加工，还必须有能满足和实现上述加工方式要求的机 床主机，磨具以及其它一整套辅助、配套设备。 只要具备了数控装置、驱动装嚣、机床主机以及相应的配套设备，就可以 组成一台数控砂带磨床，完成各类叶型复曲面轮廓的细、精加工。 2 1 对数控砂带磨床基本要求的提出 1 ) 减少叶型的抛光余量，真实余量不大于01 m m ； 2 ) 改善工作环境，噪音不大于8 5 分贝； 3 ) 结构简单，操作方便可靠； 4 ) 机床工艺性好，便于调整； 5 ) 砂带线速度v = 3 5 米秒： 6 ) 行程：x 6 5 0 m m y 3 0 0 m m z 2 5 0 m m ； 7 ) x 、y 、z 、a 四轴联动； 8 ) 安全防护； 6 叫川火学工程硕j ：学位论文 9 ) 冷却与润滑。 2 2 总体结构设计思路 为了满足设计基本要求，缩短研制周期和设计制造费用，充分发挥设备潜 力，而又不需花费太大功夫，我们拟选用现有成熟的数控铣床，辅以适合砂带 磨削加工工艺的主运动部件，借用其相应的控制系统来控制磨具与工件的相对 位置、运动速度、运动轨迹及运动循环，使砂带磨削加工按规定的程序自动进 行，完成加工任务。砂带磨削实现自动化不仅可以减轻工人的劳动强度，节约 劳动力，而且可以提高产品加工精度，提高劳动生产率，提高生产的综合技术 效果。经过充分的调研和筛选，从以下理由我们决定选用x k 6 0 3 2 数控铣床作 为数控砂带磨床的主体。 1 、x k 6 03 2 数控铣床具有四轴联动实现叶片型面的复曲面加工。该机床除了 保留普通升降台铣床的特点外，还具有如下特点1 7 】： 1 ) 采用了高性能的伺服系统，机床的机械传动结构得到简化，传动链短； 2 ) 机床本身具有足够的刚性，能承受重负荷切削i ：作； 3 ) 操作台与电柜采取分体式，安装于机床的前面，便于操作： 4 ) 操作简单方使，工作台各项运动有限位挡块，保证安全； 5 ) 机床能迅速有效地进行制动，当加工完毕或其它原因需要，可随时停止 机床，你只需按一下“停止”按钮，机床的所有运动便立即停止。重新起动程 序键，仍能正常工作： 6 ) 工作台三个方向都能快速移动，以减少辅助时问提高生产效率； 7 ) 机床有完善的自动润滑系统； 8 ) 采用高效传动部件如滚珠丝杠副，各重要轴均安装在滚动轴承上，提高 了传动效率。 2 、x k 6 032 数控铣床的技术规格能满足叶片型面磨削加工要求吵 1 ) 工作台 工作台： 作面积( 宽x 长) ( 毫米) 3 2 0 xl3 2 0 工作台最火纵向行程( 毫米) 6 7 0 ： 作台最大横向行程( 毫米) 2 5 0 作台最大升降行程( 毫米) 3 0 0 7 四川大学工程硕士学位论文 工作台t 形槽数3 、 工作台t 形槽宽( 毫米) 1 8 工作台t 形槽间距离( 毫米) 7 0 2 ) 部件间主要尺寸 床身垂直导轨到工作台中心距离 最小( 毫米) 2 2 0 最大( 毫米) 4 7 0 3 ) 动力外形 进给速度( 毫米，分) o - 1 0 0 0 工作台快速移动速度( 毫米分) x 、z5 0 0 0 y3 0 0 0 伺服电机额定扭矩( 牛米) x 、z 向 1 2 y 向2 2 4 ) 定位精度( 毫米) x 向0 0 6 0 y向0 0 5 0 z 向o 0 4 0 5 ) 重复定位精度( 毫米) 00 3 0 因此，我们主要考虑了主运动部件的设计及其与机床的可靠联接。应由砂 带架，砂带轮系和驱动部分组成。主运动部件安装在床身的上面，砂带架通过 燕尾板和床身顶部燕尾槽联结固定，通过电机，传动系统带动砂带轮系实现砂 带主运动，不需变速。砂带架上应有砂带内张式液压张紧装置，张紧力可根据 实际需要调整，以改善砂带断带产生及砂带工作后伸长变化所需的恒定张紧力。 砂带架上还应备有磨轮手动微调进机构。 8 四川大学t 程硕 学位论文 3 数控砂带磨各系统设计 3 1 构成 经改造后的数控砂带床由下列部分组成( 见图4 ) 31 1 主机 主机是数控砂带磨的主体，是完成砂带磨削的机械部件。 1 床身部分：由床身和底座组成，是连接各部件的主体部件 2 升降台：位于机床的i “方，把工作台与床身联系起来，并传递纵向、横 向及升降的进给运动。升降台与床身的连结彤式为燕尾形式导轨连接，用楔铁 调整导轨的配合间隙。 升降台顶部有矩形导轨，用以安装工作台底座，升降台的前下部装有型号 a1 2 2 0 0 0 的伺服电机通过齿形皮带轮和齿形皮带带动机床横向丝杠产生工作 台横向( z 向) 运动。 升降台的左侧装有a1 2 15 0 0 的伺服电机，产生升降台垂直方向( y 向) 运 动。 3 工作台：工作台由两部分组成，卜部分直接用来安装央具和工件的称为 工作台，下面是与升降台矩形导轨相连接的床鞍，工作台右下面装有o1 2 2 0 0 0 伺服电机，它是通过齿形皮带轮齿形皮带与纵向丝杠连接实现最后的纵向( x 向) 进给运动。工作台纵向燕尾导轨和横向矩形导轨的配合间隙都是用楔铁条 来调整。 4 主运动部件( 磨头部件) ：主运动部件安装在床身的上面，砂带架通过燕 尾板和床身顶部燕尾槽联结固定，通过电机x 9 0 l 2 ，皮带轮，三角皮带带动砂 带轮系实现砂带主运动，不需变速。砂带架上装有砂带内张式液压张紧装置， 张紧力可根据实际需要调整，以改善砂带断带产生及砂带工作后伸长变化所需 的恒定张紧力，比机械式砂带磨靠拉伸弹簧_ _ = 乏实现砂带张紧方便得多。 砂带架上还备有磨轮手动微调进机构，它是通过微调手轮，伞形齿轮、丝 杠实现磨轮的微调进给。 9 四川火学工程硕士学位论文 图4 数控砂带磨构成图 、主机2 、c n c 堤簧3 、驱动犍胃4 、辅助捉黄 1 n 四川大学工程硕士学位论文 3 1 2 c n c 装置 c n c 装置是数控砂带磨床的核心，由硬件和相应的软件组成。由软件实现 砂带磨床所需的所有功能。 3 1 3 驱动装置 驱动装置是数控砂带磨床执行机构的驱动部件。包括主运动驱动单元和进 给驱动单元等。 3 14 机床的辅助装置 辅助装置是保证数控砂带磨床功能充分发挥所需要的配套部件，阱保i 正数 控砂带磨床运行。它包括液压装置系统、冷却装置系统，机床润滑系统，数控 转台等。 1 ) 冷却装置 冷却装置置于升降台的下部，冷却泵将冷却液沿管子输送到喷嘴，为使冷 却准确地喷向切削部分，喷嘴的移动有足够的灵活性，它能按任意角度回转调 整，以便于工件获得充分冷却。冷却目的是防止工件烧伤，降低噪音( 比风冷 大大改善) ，减少粉尘污染，改善工作环境。冷却液的输送量通过阀门来调节。 2 ) 润滑系统 润滑系统安装于升降台的右侧面，油泵将润滑油沿管子输送到纵向导轨副 横向导轨副、立式导轨副、轴承等部位进行定时定量润滑。 3 ) 液压系统 液压系统置于床身的左侧，通过电机带动液压泵将液压油沿管子输送到油 缸驱动活塞实现砂带的张紧及数控转台的松紧。 4 ) 数控转台 工作台上装有台湾亘阳生产的c n c - 2 0 1 r i b 转台实现a 轴转动。 墨2 传动系统 传动系统是指把动力机产生的机械能传送给执行机构，使之实现预定动作 的装置。以传送动力为主的传动称为动力传动。以传送运动为主的传动称为运 1 l 旧川大学t 程碳i ：学位论文 动传动【射。 3 2 1 进给系统( 见图5 ) 数控机床的进给传动系统必须对数控装置的速度阶跃指令有快速的响应特 性和稳定性。一个好的进给传动系统应能以很小的时间滞后跟上这个速度阶跃， 否则将产生较大的随动误差。 影响进给传动系统特性主要有以下几方面： 1 ) 间隙。传动系统中的间隙引起一个直接的时问滞后，使滑台不能马上跟 着输入的信号运动，即间隙造成了随动误差，同时增加不稳定倾向。所以传动 链必须尽可能减少并有消除间隙措施。 2 ) 刚性。传动链的弹性变形也会引起时间的滞后，使滑台不能马上跟着输 入信号运动。刚性不足的传动链使随动误差变大，且易引起不稳定的振荡。在 传动链中要有尽可能高的刚度。 3 ) 加速度与加速度力矩。具有较大的驱动力矩和低的负载惯量的驱动系统 随动误差较小，但加速度不能太大，以免零件超载损坏。 4 ) 摩擦。磨擦减小有用的力矩，使加速度降低。磨擦损失应保持尽可能小。 静磨擦力与动磨擦力之差尽可能减至最小，以防引起磨擦自振或爬行 5 ) 阻尼。阻尼虽然有增大随动误差的作用，但在系统刚度不足时有使系统 稳定的作用。因此希望系统内有适当的阻尼。 机床的进给驱动采用三坐标分离传动直传式，即出伺服电机通过齿形皮带 轮和齿形皮带与滚珠杆相联接直接驱动运动部件，获得三个坐标的直线运动。 采用同步齿形带传动是为保证传动同步准确，其特点是靠齿啮合传动，强力层 保证带齿节距不变，传动比准确，传动平稳，轴压力小，结构紧凑，耐油耐磨 性较好，具的高的运动精度，但安装制造精度要求高。 采用滚动螺旋传动是将旋转运动变为直线运动。滚珠丝杆副传动其特点是 磨擦阻力小，传动效率高，能以较小的扭矩获得很大的轴向力，传动平稳无噪 声。起动时无颤动，低速时不爬行，螺埘与丝卡t 经调整后，可得到很高的定位 精度和重复定位精度，) = - - t 心提高轴向刚度。工作寿命长，不易发生故障，但 结构复杂，制造较难，抗冲。u i - 能较差。 四川大学工程硕士学位论文 | l 一 图5 机床传动系统图 1 ，慷璨丝杠2 ，齿形皮带艳3 ，齿形皮带4 伺服电机5 、齿形皮带艳 6 ，齿形皮带轮7 齿形皮带8 齿形皮带轮9 ，伺服电机l o 漾璩丝枉 1 1 、齿形皮带轮12 ，伺服电机13 、齿形皮带1 4 、滚珠丝枉1 5 、齿形皮带轮 1 3 四川i 大学t 程硕l 二学位论文 图中伺服电机4 通过齿形皮轮轮5 ，齿形皮带3 ，齿形皮带轮2 与纵向丝杠 1 联接实现x 坐标轴直线驱动。伺服电机9 通过齿形皮带轮8 ，齿形皮带7 ，齿 形皮带轮6 与横向丝杠l o 联接，实现z 坐标轴的直线驱动。伺服电机1 2 通过 齿形皮带轮1 l ，齿形皮带1 3 ，齿形皮带轮1 5 与升降滚珠丝杠1 4 联接实现y 坐 标轴的直线驱动。 伺服电机必须要有足够大的额定扭矩，以保证各运动部件的驱动。 数控砂带磨进给系统驱动采用现成的数控铣床驱动装置，因数控砂带磨的 磨削远比铣削时切削力要小，因此该系统能满足砂带磨削工作。现就铣削情况 计算各坐标系扭矩，以确定伺服电机1 9 】o a x 坐标拖力计算 p = x t 4 x b o9 z s ，o7 1 x d 一1 1 4 = 5 0 1 5 0 4 5 0 9 x1 0 x 06 3 07 2 2 0 0 1 1 4 = 1 0 9 9 0 ( n ) t 切削宽 b 铣刀宽 s z 每齿进给量 z 齿数 d 刀直径 工作台采用燕尾导轨，进给拖力如下： q x = 1 4 p x + o 2 ( p z + 2p y + g ) = 1 a 3 8 4 6 5 + 0 2 ( 6 0 4 4 5 + 2 9 8 9 1 + 5 6 0 、 = l1 6 4 6 ( n ) p x ，p y ，p z 切削分力 e 一工作台重量 by 坐f ， i 拖力汁弹 y 坐标的切削分力1 i 大，设为1 0 0 0 n ，j j 二作台、升降台部件，工作台底座 部件( 即运动部件) 总蘑为9 0 0 k g ，则 q v = 9 0 0 x9 8 + l0 0 0 = 9 8 2 0 f n l 1 4 四川大学工程硕士学位论文 c 步进电机计算： y 坐标步进电机扭矩： 。 m = ( z d z 2 ) q y d s t g ( b + 0 ) 】( 2 u ) = ( 2 4 4 8 ) 9 8 2 0 5 0 t g ( 2 1 8 7 。+ 5 7 1 。) ( 2 0 9xo 9 7x o 9 6 ) j = 2 0 5 ( n ) u = u l u 2 u 3 = o 9 o 9 7xo 9 6 z i ，z 2 齿数 b 丝杠螺旋角 o 蜗杠螺旋角 d s 丝杠直径 x 坐标步进电机扭矩： m = ( q s ) l ( 2 x u i ) 2 ( 1 1 6 4 6 6 1 0 0 0 ) 【2 0 9 o 9 7 o 9 6 x ( 3 0 2 0 ) 】 = 8 5 ( n m ) s 丝杠螺距 i 传动比 z 坐标步进电机的扭矩比x 向还要小，故选x 坐标的电机。 故x ，z 向的伺服电机的扭矩选为1 2n m ，y 向的伺服电机的扭矩选为 2 2n m 。伺服电机型号为：ac 1 2 2 0 0 0 oc 2 2 15 0 0 1 1 。 3 2 2 主运动系统 主运动系统是山砂带架，砂带轮系和驱动部分组成( 见图6 ) ，砂带架是用 刚性足够的钢板制成，砂带轮系是由主动轮、导轮、张紧轮、磨轮组成，主动 轮、导轮、张紧轮、磨轮均由n f l ：, t 3 l j 作。主动轮有导向槽，外圆是圆弧形足起 砂带导向、防止砂带窜动作用的。导向轮外圆也是网弧形，也是超砂带定一h 防i j 二砂带窜动的。张紧轮采用内张式液压张紧，所谓内张式张紧是指张紧轮与 l i 四川大学工程硕士学位论文 砂带非磨削面接触的张紧。其优点是克服了张紧轮与砂带磨削面的接触而产生 的磨损及砂带消耗缺点，提高了砂带的使用寿命。磨轮实际上是弹性轮，在外 圈上压有一层耐油橡胶，外圆是一个弧形，起定心，防砂带窜动及理论上的点 接触加工。主运动驱动由电机2 通过皮轮3 ，三角皮带4 ，皮带轮5 带动砂带轮 系实现砂带以3 5 m s 的线速度旋转。 1 6 塑型查兰三堡堡主兰些丝苎 四川i 大学j 呈硕士学位论文 3 。3 c n c 装置 3 。3 + l 数控妙豢磨c n c 系统 豳7c n c 系统框图 数控砂带麽在数控系统的控制下，自动地按绘定的程序j 行叶片型面的磨 削加工。泼数控砂带磨采用的北京f a n u c o m d 系统足f a n u c 公司依世界 c n c 市场襦求所开发的小型低价格、高精度、高性能的软件固定彤c n c ，控制 回路采用高速微处理器，专用l s i 及半导体技术。是目前世界上运用最广泛的 c n c 系统之一。数控系统足由程序输入、输出设备，计算机数字控制装鹫，可 编程控制器，主运动装置和迸给驱动装置等组成( 见圈7 ) 。 3 3 2 数控砂带磨c n c 装葫的组成 c n c 装蓠即计算机数字控稍装置，它是数控砂带磨的孩心，c n c 装置是采 用存储程序的专用计算机，它其有良好的“柔僬”，由软件实现所需的全部功能。 c n c 装置包括硬件和相应的软件，软件在硬件的支持下运行，离开软件， 硬件也无法工作，二者缺一不可，硬侮的缀成觅胬8 ，较件的组成觅圈9 。 3 3 3 数控移蒂瘗c n c 装豢静功畿 c n c 装置是整个数控砂带麽的核心，通道软件来实现其掰要求静功畿，主 要功能如下： 四川大学工程硬士学位论文 圉8c 装硬件组成 一誓产妻碧待爨臻秘貉 - i 。：_ _ | 0 一 _ 毫 f 一了薯_ - i 。套 。 i 垮一。跨衢j 。薯。i | f 謦誓黔j 鞲参 t 曩毫i 五。o _ o 黪警筵臻鞲躐。： |? 缸r | 。一。| ： i 曩i i i i i 鬻专甓纂囊瓣一 t 。j 誊。誊麓 淹蘩_ 图9 洲c 装置软件组成 天，赣巍 3 3 3 1 控制功能 c n c 装置的控制功能是指其能够控制以及同时控制的轴数，数控砂带磨 c n c 控制四轴四联动，实现三维连续控制( 如图1 0 所示) 。 1 9 四川大学工程硕士学位论文 图1 0 四辘联动数控加工 3 33 2 准备功能 准备功能也称g 功能，用来指令机床动作方式的功能，包括基本移动，程 序暂停，平面选择、坐标设定，基准点返回，固定循环，公英制转换等功能。 33 3 3 插补功能 c n c 装置是通过软件进行插补计算，实现叶型曲面的轮廓加工，插补的任 务是在己知曲线上进行数据点的密化。由于插补所计算出的微小直线数据段( a x a y ) 都足够小，从压气机各叶型轮廓坐标及u g 分析( 除边缘外) 这个误 差对叶型现论轮廓影响很小，足以保证型面的精度要求( 一般叶片型面的精度 在0 1 一o2 r a m 之间) 。图l l 是连续轮廓插补加工。 y 图1 1c n c 装置的连续轮廓播补加工 3 33 4 固定循环加工功能 使用固定循环功能可大大简化程序编制。图1 2 砂带磨削固定循环动作组成。 2 0 四j i i 大学工程硕士学位论文 h 动作1初始位置 动律己一 动俸? 。点- j b 表承切削进给 耋冀：一 动健表示快速进给 动作i 5 一“。”“4 “1 圈1 2 砂带磨剐固定循环工作 动 乍l x 、y 辘窥位( 起始使纛) 动作2 快速进给到r 点 动作3 磨削进给 动终4 蘑潮 动作5 快速返回r 点 动作6 快速移动到起始位置 3 335 透给功能 是指直接指令各轴的滋给速度，磨削速度，快速进给速度，溅给倍率等。 3 。3 3 8 壤劝磅瞧 指令主轴的起、停、转向，冷却泵接通段开等。 3 3 3 7 $ 搂功缒 由于辊械传动的误差及发自间豫等函索，使实蕲掬工出静零 牛尺寸与程序 规定的尺寸不致而造成加工误差，因此，数字控制器采用补偿功能，即把柏 应的误差孙偿蹙输入c n c 装置的存储器，按补偿量黧麟计算出磨轮的运动轨遮 耧坐标只寸，钛磊纛工鑫镣台要求懿零f 睾。 2 l 二川大学工程硕士学位论文 3 + 3 。3 。8 字转翳影显示磅姥 数控砂带麟c n c 装置配遴9 英j j 。，简分辨率单邑c r t ，通过软件栖聂。头 废芋 哥和倒形照行，可显示槛序、参数，各种补偿量，坐标位置，零件图形等。 3 3 3 9 鑫我诊断痨瞧 c n c 装j l c 中设置各种诊断程序，通过微处理器能随时监视内部的动作状态， 能将c n c 内部的状态分类监视，具有发缴故障，立刻使c n c 停止静亮警示灯， 娆分辨蔽漳痰容及鄂疆，显示馥漳滚霆。 3 3 3 1 0 通信功能 滁配置有躲建翡r s 一2 3 2 c 接口静，还可与m a p 藤连接入工厂避售掇终中。 3 4 数控砂带磨的液压装置 液压传动系统有液压泵、阀、控制结构及辅件等液压元件( 如袭1 ) 组成， 戆魏工 乍蒹理霞鬻滚匿象撼藏镌豹撬簸巍转交为液囊戆，熊嚣逶避控痞l 透节耀 和液压执行机构活塞，把液压能转变成直线运动的机械能，以驱动砂带的张 紧和数控转台的紧松动作。图1 3 为数控砂带磨砂带张紧和数控转台紧松液压原 毽黧， 3 4 1 砂带的张紧 根掘数控砂带磨砂带张避机构运动鞠结构的要求，活塞缸选用单枉双作用 i 蜜繇，其结褐螯嚣瀚1 4 掰示。 四川大学工程硕士学位论文 表1 液压元件种类与作用 种类作用 叶片泵将机械能转变成液压能 执行机构将液压能转换成机械能 电机输出旋转运动 液压油缸输出直线运动 液压阀控制液体压力