CN103909449B - 游标卡尺专用高精度磨床、磨削工艺及控制系统 - Google Patents

Abstract

一种游标卡尺专用磨床，包括床身，床身上设有X轴滑动机构、设置于X轴滑动机构上端的Y轴滑动机构、设置于Y轴滑动机构上端的Z轴升降机构、设置于Z轴升降机构上的磨削机构，磨削机构包括伺服电机驱动其转动的磨削头，磨削头为竖向安装的圆柱形结构并在其外侧壁上设有至少两段上下分布的磨削面，各段磨削面的粗造度由下至上逐段减小。这样磨削头分布多段不同粗糙度的磨削面，各段磨削面的粗糙度大小均匀，在磨削时由下至上对游标卡尺的外量面分步磨削，从粗磨、半粗磨、精磨和抛光多步进行，能明显提升对游标卡尺测量面的磨削质量。

Description

游标卡尺专用高精度磨床、磨削工艺及控制系统

技术领域

本发明涉及游标卡尺加工的技术领域，尤其是针对游标卡尺测量面磨削加工的专用高精度磨床、磨削工艺及对磨削工艺的控制系统。

背景技术

游标卡尺的测量面包括外量面、内量面，通常游标卡尺测量面磨削加工都是先磨削外量面，待外量面加工好后，通过量块配合安装以外量面为参照基准，再进行内量面的磨削加工，因此，外量面磨削加工需要达到很高的平面度和直线度。对于目前市面上的机床来说，没有针对加工游标卡尺测量面磨削的专用设备，加工难度非常之高。目前，游标卡尺测量面磨削的技术技术还停留在人工磨削阶段，人工磨削对操作人员的技术要求很高，而且产品质量直接受操作人员的情绪所影响，效率低，质量精度低，不适用于游标卡尺高精度规模化高产能的生产加工。

目前市面上磨床存在着较多影响磨削精度的缺点，如1、磨削头的粗糙度，粗糙度太大则导致磨削面精度低，粗糙度太小则导致磨削效率低；2、磨床上的磨削头及装夹的加工平台在磨削过程中均会产生较大的共振，会造成磨削面出现波浪形或其他连续浮动的不平整纹路，严重影响加游标卡尺测量面的平面度和直线度；产生较大共振振动幅度的有很多原因，经发明人研究确认，其中主要原因是在导轨上：目前市面上的磨床，为了导轨保证磨削头及加工平台能在多方向移动，几乎所有磨床的滑动滑轨均是采用滚珠导轨的，滚珠导轨上的滑套与滑轨之间采用滚珠滚动滑动配合连接的，其滑动接触部分为点接触，抓附力摩擦力和吸附力很小，容易产生共振，并且会造成较大共振的振动幅度过大；3、磨削头的安装误差及使用磨损后的误差，磨削头在使用一段时间后，磨削头的磨削面的厚薄程度会因磨削头磨削加工时受力大小及工件硬度差别容易发生变动，很有可能会出现较小的角度偏差，导致该结果与各部件的安装位置精度和磨削头本身的结构有关，在加工使用一段时间后，存在较小的角度偏差是很难避免的。由于受目前磨床多种缺点的影响，目前通过自动磨床对游标卡尺测量面磨削加工还是存在较大的精度误差，磨削加工效率难以提升。

此外，游标卡尺在磨削的过程中，必须要有对游标卡尺进行定位的工作台，工作台的结构是否合理精密会直接影响工作效率和磨削误差，因此工作台需要定位快速、准确，同时为了企业本身条件所限还需控制工作台的制作成本。此外，游标卡尺测量面的磨削精度不仅与加工设备有关，而且与加工工艺也有密切的关系，而目前通用的手工磨削加工工艺也已无法满足高精度规模化生产加工的需求。

发明内容

本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种游标卡尺专用高精度磨床及磨削工艺，针对游标卡尺测量面进行加工，在专用磨床的基础上配合有效的磨削工艺，且对该磨削工艺设计简单实用的控制系统，提高磨削质量。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种游标卡尺专用磨床，包括床身，床身上设有X轴滑动机构、设置于X轴滑动机构上端的Y轴滑动机构、设置于Y轴滑动机构上端的Z轴升降机构、设置于Z轴升降机构上的磨削机构，磨削机构包括伺服电机驱动其转动的磨削头，磨削头为竖向安装的圆柱形结构并在其外侧壁上设有至少两段上下分布的磨削面，各段磨削面的粗造度由下至上逐段减小。这样磨削头分布多段不同粗糙度的磨削面，各段磨削面的粗糙度大小均匀，在磨削时由下至上对对游标卡尺的外量面分步磨削，从粗磨、半粗磨、精磨和抛光多步进行，能明显提升对游标卡尺测量面的磨削质量。其中X轴滑动机构包括一对滑轨装置和设置在滑轨装置之间的丝杆驱动装置，其中一根滑轨装置为滚珠滑轨，另一根滑轨装置为平面滑轨。丝杆驱动装置为电机驱动丝杆转动，并起到直线拉动的作用；平面滑轨在滑动时阻力较大，能提升滑轨的抓附力摩擦力和吸附力，在滚珠滑轨配合设置下能确保进给及滑动机构之间流畅滑动，有效避免磨削头及装夹的加工平台在磨削过程中产生共振的情况出现，同时还保证了稳定可靠的进给量。其中平面滑轨包括上轨道和下轨道，在下轨道的上表面和上轨道的下表面分别固定有一层合金钢滑片，合金钢滑片上开有油槽，下轨道的左右两侧设有挡油板，油槽呈波浪形弯曲设置在合金钢滑片上，油槽的边角上设有倒角。由于平面滑轨上的上轨道和下轨道之间摩擦力很大，磨损大，因此在上轨道和下轨道之间接触面安装耐磨性强的合金钢滑片，合金钢滑片采用合金钢材料制成，同时合金钢滑片外表面光滑，在合金钢滑片上开有油槽，减小摩擦力。床身前配合设置有工作台，工作台上设有工作台Y轴滑动机构、设置于工作台Y轴滑动机构上端的工作台X轴滑动机构，工作台X轴滑动机构上设有固定座，固定座的内端设有开口，固定座上端面设有位于开口左右两边的定位端面，开口内设有定位块，定位块下端转动连接在固定座的下端，定位块上端高于定位端面，固定座后端设有夹紧件。固定座可以在工作台上在X轴、Y轴方向上滑动，固定座的结构针对游标卡尺的结构设计用于固定并定位游标卡尺，游标卡尺的外量面分别顶在定位块的左右端上，定位后通过夹紧件固定游标卡尺的测量头，然后从开口中移开定位块，操作非常简单。

夹紧件包括前部分压在定位端面上的夹头，夹头的后端转动连接在固定座上，固定座的后部安装有转动块，转动块的偏心位置转动连接有扳手，扳手的前端设有转动连接在夹头后端的延伸部。该机构设计非常巧妙，在下压扳手后，延伸部的前端翘起并转动夹头，使夹头前端压紧在游标卡尺，在扳手转动的过程中，转动块也跟着转动，转动块可以是偏心轮或者连杆，这样转动块转动后顶在扳手上，防止其反转并卡住夹头，实现夹头的固定。

其中工作台Y轴滑动机构和工作台X轴滑动机构上的滑轨装置采用平面滑轨。这样使工作台上的固定座震动减小，使其更加稳定。

这种用于上述游标卡尺专用磨床的磨削工艺，包括第一磨削机构、第二磨削机构和固定座，该磨削步骤如下，

1）游标卡尺的定位：将游标卡尺放置在固定座上，并将两外量面分别卡在定位块上，扳动夹紧件将游标卡尺的两测量头固定，将定位块向下转动并退出开口内；

2）左侧外量面的磨削：伺服电机带动第一磨削机构中的磨削头高速旋转，磨削头进入开口内，磨削头的最下段磨削面先接触左侧外量面，Y轴滑动机构带动磨削头在Y轴方向上来回移动并对左侧外量面进行磨削，磨削至预设时间后，磨削头再下降一段磨削面并对左侧外量面进行磨削，直至磨削头下降至最上段的磨削面，并磨削至预设时间为止；

3）磨削机构的切换：从开口中退出第一磨削机构，工作台X轴滑动机构带动固定座滑动至与第二磨削机构的相对应位置上，第二磨削机构上的磨削头进入开口内；

4）右侧外量面的磨削：伺服电机带动第二磨削机构中的磨削头高速旋转，磨削头进入开口内，磨削头的最下段磨削面先接触右侧外量面，Y轴滑动机构带动磨削头在Y轴方向上来回移动并对右侧外量面进行磨削，磨削至预设时间后，磨削头再下降一段磨削面并对右侧外量面进行磨削，直至磨削头下降至最上段的磨削面，并磨削至预设时间后，磨削头退出第二磨削机构。

配合上述的磨床结构，设计该磨削工艺，以提高磨削精度，首先该磨削的稳定性好，因此磨削头震动小，磨削头采用分段的不同粗糙度的磨削面，对外量面多次磨削，提高外量面的磨削精度和平整度，而单独一个外量面才单独的磨削机构来磨削，这样能明显提高外量面的垂直度，即便是其中一磨削机构的磨削头出现微小倾斜的情况下，造成其中一个外量面垂直度出现误差，而能保证到另一外量面的垂直度，确保游标卡尺测量面的精度。本工艺中所称的磨削预设时间可根据工件具体的硬度和磨削的具体精度要求进行调节设定，具体时间范围在8s～60s之间，这样能很好的保证磨削面的直线度和平面度。

这种用于上述磨削工艺中的控制系统，该系统控制信号从Z轴数控驱动信号进入，信号由信号输入端子进入到信号选通线路，当选轴信号加载后，相应的轴信号电路动作，将驱动信号无损切换到指定轴，并同时接通该轴变频器的启动电路，完成指定轴的切换驱动任务。电路简单，成本低廉即可以完成Z轴信号多轴分段驱动，又可以完成单轴信号同时驱动多轴的功能，还能保证数控进给的高精度。

本发明有益的效果是：本发明的磨床对游标卡尺的测量面磨削定位简单快速，采用多道粗糙度不同的磨削面磨削加工，提高磨削精度，提高了磨削机构运行的稳定性，减小了磨削头的震动幅度。对游标卡尺外量面设计合理的磨削工艺，提高磨削精度，针对该磨床和磨削工艺，设计简单实用的控制方法，减小了控制部分的成本，有利于广泛推广。

附图说明

图1为本发明的左视图；

图2为本发明中平面滑轨的结构示意图；

图3为图2中横向截面的局部剖视图；

图4为本发明中合金钢滑片的俯视图；

图5为本发明中磨削头的结构示意图；

图6为本发明中磨床的主视图；

图7为本发明中工作台的主视图；

图8为本发明中固定座的前结构示意图；

图9为本发明中固定座的后结构示意图；

图10为本发明中控制系统的原理图。

附图标记说明：床身1，X轴滑动机构2，滑轨装置2-1，丝杆驱动装置2-2，Y轴滑动机构3，Z轴升降机构4，磨削机构5，伺服电机6，磨削头7，磨削面7-1，工作台8，工作台Y轴滑动机构9，工作台X轴滑动机构10，固定座11，开口11-1，定位端面11-2，定位块11-3，夹紧件12，夹头12-1，转动块13，扳手14，延伸部14-1，下滑轨15，上滑轨16，挡油板17，合金钢滑片18，油槽18-1。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照附图：这种游标卡尺专用高精度磨床，包括床身1，床身1上设有X轴滑动机构2、设置于X轴滑动机构2上端的Y轴滑动机构3、设置于Y轴滑动机构3上端的Z轴升降机构4、设置于Z轴升降机构4上的磨削机构5，磨削机构5包括伺服电机6驱动其转动的磨削头7，磨削头7为竖向安装的圆柱形结构并在其外侧壁上设有至少两段上下分布的磨削面7-1，各段磨削面7-1的粗糙度由下至上逐段减小。X轴滑动机构2包括一对滑轨装置2-1和设置在滑轨装置2-1之间的丝杆驱动装置2-2，其中一根滑轨装置为滚珠滑轨，另一根滑轨装置为平面滑轨，平面滑轨包括上轨道16和下轨道15，在下轨道15的上表面和上轨道16的下表面分别固定有一层合金钢滑片18，合金钢滑片18上开有油槽18-1，下轨道15的左右两侧设有挡油板17，油槽18-1呈波浪形弯曲设置在合金钢滑片18上，油槽18-1的边角上设有倒角。床身1前配合设置有工作台8，工作台8上设有工作台Y轴滑动机构9、设置于工作台Y轴滑动机构9上端的工作台X轴滑动机构10，工作台X轴滑动机构10上设有固定座11，固定座11的内端设有开口11-1，固定座11上端面设有位于开口11-1左右两边的定位端面11-2，开口11-1内设有定位块11-3，定位块11-3下端转动连接在固定座11的下端，定位块11-3上端高于定位端面11-2，固定座11后端设有夹紧件12。夹紧件12包括前部分压在定位端面11-2上的夹头12-1，夹头12-1的后端转动连接在固定座11上，固定座11的后部安装有转动块13，转动块13的偏心位置转动连接有扳手14，扳手14的前端设有转动连接在夹头12-1后端的延伸部14-1。工作台Y轴滑动机构9和工作台X轴滑动机构10上的滑轨装置采用平面滑轨。

这种用于上述游标卡尺专用磨床的磨削工艺，包括第一磨削机构、第二磨削机构和固定座，该磨削步骤如下，

1）游标卡尺的定位：将游标卡尺放置在固定座上，并将两外量面分别卡在定位块上，扳动夹紧件将游标卡尺的两测量头固定，将定位块向下转动并退出开口内；

2）左侧外量面的磨削：伺服电机带动第一磨削机构中的磨削头高速旋转，磨削头进入开口内，磨削头的最下段磨削面先接触左侧外量面，Y轴滑动机构带动磨削头在Y轴方向上来回移动并对左侧外量面进行磨削，磨削至预设时间后，磨削头再下降一段磨削面并对左侧外量面进行磨削，直至磨削头下降至最上段的磨削面，并磨削至预设时间为止；

3）磨削机构的切换：从开口中退出第一磨削机构，工作台X轴滑动机构带动固定座滑动至与第二磨削机构的相对应位置上，第二磨削机构上的磨削头进入开口内；

4）右侧外量面的磨削：伺服电机带动第二磨削机构中的磨削头高速旋转，磨削头进入开口内，磨削头的最下段磨削面先接触右侧外量面，Y轴滑动机构带动磨削头在Y轴方向上来回移动并对右侧外量面进行磨削，磨削至预设时间后，磨削头再下降一段磨削面并对右侧外量面进行磨削，直至磨削头下降至最上段的磨削面，并磨削至预设时间后，磨削头退出第二磨削机构。

这种用于上述磨削工艺中的控制系统，该系统控制信号从Z轴数控驱动信号进入，信号由信号输入端子进入到信号选通线路，当选轴信号加载后，相应的轴信号电路动作，将驱动信号无损切换到指定轴，并同时接通该轴变频器的启动电路，完成指定轴的切换驱动任务。本电路中IC1-IC9是起数控系统信号匹配和稳定选轴信号的作用，D1-D7是保护二极管吸收K1-K9的反峰电压，Q1-Q9根据选通控制信号接通相应的K1-K9电路。可以将磨床设计有三个磨削机构，如附图6所示，包括第一磨削机构、第二磨削机构、第三磨削机构，分别对游标卡尺进行磨削加工。

而且这种控制系统应用广泛，辅助普通的数控系统实现单轴脉冲和方向信号来驱动多个功能轴的高精度数字控制，控制轴数可根据数控系统的端口数进行扩展，理论上能形成控制轴数无限制，可以根据机床的功能设计，实现普通的机床一次装配刀具多工位、多规格、多品种的刀具混合连续工作。这样机床改造和设计时候只要装配上多个运动轴的机械结构的基础上附加上控制板，机床就可以实现多规格多品种的刀具混合使用加工中无需更换刀具实现连续运行。这样使普通机床改造和设计简单化，成本低廉，操作方便，就能实现一机多工位、多规格、多品种的刀具混合的工作，可以提升机床的效率，加工一个产品或是零件本来需要多台机床分阶段铣、钻、磨。改造或是设计好的数控机床就可以实现一体化操作铣、钻、磨，一次装夹完成所以的工序。既节约了设备的投入，又节省了人工的数量。

工作原理：轴驱动脉冲和方向信号进入多轴多功能控制板后，在控制板上进行信号选通嵌位，系统发出轴选信号后控制板执行选定轴控制相应向要执行功能的功能轴发出数字控制信号，相应的功能轴执行加工作业。

工作原理：轴驱动脉冲和方向信号进入多轴多功能控制板后，在控制板上进行信号选通嵌位，系统发出轴选信号后控制板执行选定轴控制相应向要执行功能的功能轴发出数字控制信号，相应的功能轴执行加工作业。

而且该系统使用范围广，比如可以将机床设计为3工位的一体化的机床，1号工位钻定位孔，2号工位钻孔，3号工位攻丝。工作流程为，机床先在工件的钻孔坐标点上先钻定位孔以保证钻孔的坐标精度防止钻头钻孔时的偏移，完成后机床再开始钻孔，孔钻好后机床再攻丝完成3道工序。

一、首先系统发送Z轴的信号到控制板，再发送选轴信号给控制板选定1号工位轴，接着控制板转发轴移动数字信号驱动1号工位轴进给同时发送电机启动信号给变频器启动电机完成第一道工序。

二、完成第一道工序后系统再次发送Z轴的信号到控制板，再发送选轴信号给控制板选定2号工位轴，接着控制板转发轴移动数字信号驱动2号工位轴进给同时发送电机启动信号给变频器启动电机完成第二道工序。

三、完成第二道工序后系统再次发送Z轴的信号到控制板，再发送选轴信号给控制板选定3号工位轴，接着控制板转发轴移动数字信号驱动3号工位轴进给同时发送电机启动信号给主轴攻丝电机，完成第三道工序。以此类推可以完成更多工位轴的工作。

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims (2)

1.一种游标卡尺专用高精度磨床，包括床身（1），床身（1）上设有X轴滑动机构（2）、设置于X轴滑动机构（2）上端的Y轴滑动机构（3）、设置于Y轴滑动机构（3）上端的Z轴升降机构（4）、设置于Z轴升降机构（4）上的磨削机构（5），其特征是：所述磨削机构（5）包括伺服电机（6）驱动其转动的磨削头（7），磨削头（7）为竖向安装的圆柱形结构并在其外侧壁上设有至少两段上下分布的磨削面（7-1），各段磨削面（7-1）的粗糙度由下至上逐段减小；所述X轴滑动机构（2）包括一对滑轨装置（2-1）和设置在滑轨装置（2-1）之间的丝杆驱动装置（2-2），其中一根滑轨装置为滚珠滑轨，另一根滑轨装置为平面滑轨；所述平面滑轨包括上轨道（16）和下轨道（15），在下轨道（15）的上表面和上轨道（16）的下表面分别固定有一层合金钢滑片（18），合金钢滑片（18）上开有油槽（18-1），下轨道（15）的左右两侧设有挡油板（17），所述油槽（18-1）呈波浪形弯曲设置在合金钢滑片（18）上，油槽（18-1）的边角上设有倒角；所述床身（1）前配合设置有工作台（8），工作台（8）上设有工作台Y轴滑动机构（9）、设置于工作台Y轴滑动机构（9）上端的工作台X轴滑动机构（10），工作台X轴滑动机构（10）上设有固定座（11），固定座（11）的内端设有开口（11-1），固定座（11）上端面设有位于开口（11-1）左右两边的定位端面（11-2），开口（11-1）内设有定位块（11-3），定位块（11-3）下端转动连接在固定座（11）的下端，定位块（11-3）上端高于定位端面（11-2），固定座（11）后端设有夹紧件（12）；所述夹紧件（12）包括前部分压在定位端面（11-2）上的夹头（12-1），夹头（12-1）的后端转动连接在固定座（11）上，所述固定座（11）的后部安装有转动块（13），转动块（13）的偏心位置转动连接有扳手（14），扳手（14）的前端设有转动连接在夹头（12-1）后端的延伸部（14-1）；所述工作台Y轴滑动机构（9）和工作台X轴滑动机构（10）上的滑轨装置采用平面滑轨。

2.一种用于权利要求1中游标卡尺专用高精度磨床的磨削工艺，包括第一磨削机构、第二磨削机构和安装在工作台上的固定座，其特征是：该磨削步骤如下，

1）游标卡尺的定位：将游标卡尺放置在固定座上，并将两外量面分别卡在定位块上，扳动夹紧件将游标卡尺的两测量头固定，将定位块向下转动并退出开口内；

2）左侧外量面的磨削：伺服电机带动第一磨削机构中的磨削头高速旋转，磨削头进入开口内，磨削头的最下段磨削面先接触左侧外量面，Y轴滑动机构带动磨削头在Y轴方向上来回移动并对左侧外量面进行磨削，磨削至预设时间后，磨削头再下降一段磨削面并对左侧外量面进行磨削，直至磨削头下降至最上段的磨削面，并磨削至预设时间为止；

3）磨削机构的切换：从开口中退出第一磨削机构，工作台X轴滑动机构带动固定座滑动至与第二磨削机构的相对应位置上，第二磨削机构上的磨削头进入开口内；

4）右侧外量面的磨削：伺服电机带动第二磨削机构中的磨削头高速旋转，磨削头进入开口内，磨削头的最下段磨削面先接触右侧外量面，Y轴滑动机构带动磨削头在Y轴方向上来回移动并对右侧外量面进行磨削，磨削至预设时间后，磨削头再下降一段磨削面并对右侧外量面进行磨削，直至磨削头下降至最上段的磨削面，并磨削至预设时间后，磨削头退出第二磨削机构。