全自動可轉位刀片周邊磨床整機設計製造技術
（1）概要
全自動可轉位刀片周邊磨床主要由主機和自動上料裝置組成，主機由床身、兩座標工作臺、臥式轉檯、立式轉檯、砂輪主軸、頭尾架、砂輪修整器，輔以計算機控制系統、液壓系統、潤滑系統、氣動系統、恆溫冷卻系統、吸霧分離系統。
（2）創新點
① 利用ANSYS對機床整機及關鍵部件結構進行分析最佳化，結合Deform環境下對關鍵部件進行熱力耦合和分析，最佳化關鍵部件結構和受力分佈，降低零部件熱變形對工件加工精度的影響，從而提高機床精度保持性和可靠性。
② 方案設計初期利用ANSYS對機床整機及關鍵部件結構進行分析最佳化，結合Deform環境下對關鍵部件進行熱力耦合和分析（見圖3），最佳化關鍵部件結構和受力分佈，降低零部件熱變形對工件加工精度的影響，從而提高機床精度保持性和可靠性。
圖3 整機及關鍵部件結構最佳化分析
③按照工具磨床運動和功能特性，對機床進行模組化劃分，構建機床單元模組庫（見圖4），根據使用者對工具磨床配置需求的差異，將模組化和可重構性設計理念貫穿產品設計生命全週期，得到數控工具磨床最優方案，旨在提高關鍵零部件的模組性，適應加工製造領域的整體搬運思路，縮短新產品開發週期，達到快速響應市場的目的。
圖4 模組化系統執行圖
④自動上下料裝置是由工業機器人和自動料庫組成，由主機數控系統與機器人控制系統協同控制，自動完成料盤出庫、工件抓取、調姿、檢測、裝夾定位等上料過程，和自動完工檢測、抓取、更換工件、清洗、乾燥、分裝及料盤入庫的過程。該裝置大大降低了輔助加工耗時，提高機床加工效率，降低了人工重複性勞動強度。
（3）技術特點
①將模擬設計與數字設計相結合，極大地提高了設計質量，縮短了工程設計週期。透過模擬設計，對機床整機及關鍵部件結構進行最佳化，提高了整機動靜態特性和熱特性，並透過機械結構最佳化或加裝恆溫控制來提高關鍵部位熱穩定性，提高整機各項精度指標。
利用有限元模型分析和三維模擬分析技術對整機和關鍵部件熱特性預測分析，如床身、砂輪主軸受環境溫度變化以及各種溫度變化產生的原因，研究運動發熱、切削熱及其它熱變形對五軸聯動數控工具磨床工藝系統精度和穩定性的影響，制定熱平衡及熱變形補償技術策略。綜合運用控制環境溫度、隔離熱源、恆溫控制、強力工件冷卻、迴圈冷卻等熱平衡技術創新設計，保證機床精度。
圖5 床身環境溫升、導軌摩擦、熱力耦合
②透過研究高速、高精度迴轉軸設計製造技術、高速磨具高精度保持技術及抑振技術，主軸冷卻、主軸平衡和主軸熱伸長、受力變形的測量與補償技術，對磨削主軸進行熱力學和動力學分析最佳化設計。對比靜壓主軸、滾動主軸的優缺點，選擇合理的砂輪主軸支撐結構形式，輔以精密動平衡儀，以滿足砂輪主軸高速高精度迴轉要求。
圖6 砂輪主軸溫度雲圖、熱變形雲圖
③藉助有限元模型分析和三維模擬分析技術對整機熱特性預測分析研究，諸如環境溫度變化以及各種溫度變化產生的原因，研究運動發熱、切削熱及其它熱變形對五軸聯動數控工具磨床工藝系統精度和穩定性的影響，制定熱平衡及熱變形補償技術策略。綜合控制環境溫度、隔離熱源、恆溫控制、強力工件冷卻、迴圈冷卻等熱平衡技術創新設計，保證機床精度。
④根據可轉位刀片加工工藝，要求配置專用於分度定位的精密迴轉工作臺。按機床結構佈局形式採用臥式和立式結構，工件加工時也必需進行分度定位。分度定位多采用直驅技術、蝸輪蝸桿傳動實現。直驅技術成本高，需配備恆溫系統，加大恆溫處理裝置載荷，不利於機床溫控。採用一種高精度雙節蝸桿-蝸輪副驅動技術實現迴轉工作臺精密分度，透過調節雙節蝸桿之間的間隙來消除蝸輪-蝸桿正、反轉間隙。精密位置檢測反饋元件，實現全閉環控制，提高轉檯分度定位精度。發明專利技術（ZL201220055869。2）高精度蝸輪蝸桿副分度定位裝置在精密迴轉工作臺上得到了應用示範。
圖7 雙節蝸桿-蝸輪副及齧合檢查
⑤為了實現工件自動裝夾，研發一種既可快速穩定實現工件自動夾緊又能同時實現工件運動傳動的機構，申報發明專利技術（ZL201220055868。8）可轉位刀片周邊磨床工件夾緊和傳動裝置。
⑥為提高工件抓放位置精度，適應工件隨機放置的幾何角度與調姿定位角度相適應，配備了工件視覺識別功能，創新一種用於五軸刀片磨床視覺系統工件識別與定位背光料盤專利技術（ZL201420126457。2）。
圖8 五軸刀片磨床視覺系統工件識別與定位背光料盤
漢江機床有限公司 譚曉慶 姚博世
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