CN104325371A - 磨削大型圆锯片侧端面的数控平面磨床及磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面磨床及其磨削方法，特别是一种磨削大型圆锯片侧端面的数控平面磨床及其磨削方法。包括主轴箱，主轴夹盘，主轴电机，X 轴伺服电机，Y 轴伺服电机，砂轮驱动电机，砂轮，数控系统，主轴夹盘上嵌装有电永磁体，主轴夹盘外设置有防护罩，防护罩上安装有测量步进伺服电机，该测量步进伺服电机的轴出轴与测量臂的一端连接，测量臂的延伸端上装有非接触式位移传感器；主轴电机采用感应异步伺服电机。使用数控技术对主轴、X 轴的速度和位置进行了控制，实现了主轴转动和X 轴的共同移速度根据磨头砂轮在X 轴的坐标变化而变化，从而实现锯片磨削时的工件线速度恒定不变，主轴每转磨头砂轮横向位位移量不变。

Description

磨削大型圆锯片侧端面的数控平面磨床及磨削方法

技术领域

本发明涉及一种平面磨床及其磨削方法，特别是一种磨削大型圆锯片侧端面的数控平面磨床及其磨削方法。

背景技术

大直径圆锯片的使用日益普遍，为了使锯切高效、节能，要求锯片厚度减薄以及较高的尺寸公差精度。锯片侧端面磨削是锯片制造工艺的重要环节，磨削工序的技术要求除了要达到外观质量要求，还要保证尺寸公差，而且还要避免在整个磨削过程中产生磨削烧伤现象。

工艺装备和磨削工艺直接影响磨削质量和工作效率，特别是5.2米直径的超大型圆锯片的磨削，因其去除金属量大，使磨削质量和工作效率的问题倍受关注。目前普遍使用的几种磨削工艺装备都不同程度地存在着一些不足：

1.立轴圆台平面磨（床）和臥轴圆台平面磨床普遍使用电磁吸盘将工件吸附在电磁吸盘上进行磨削工作。使用电磁吸盘的缺点是：磨削工件时电磁吸盘要长时间通电，电流流过导线产生的热量会使电磁吸盘产生热变形，电磁吸盘的直径越大变形越大，这将影响工件的磨削精度。再者，大直径电磁吸盘的电流比较大，长时间通电功率消耗也大。

还有使用电永磁吸盘吸附工件的，这种方法是将整体的电永磁吸盘安装到主轴卡盘上。大尺寸的整体电永磁吸盘价格昂贵，而且目前还没有直径5.2米的整体电永磁吸盘。

回转式平面磨削如果工件回转速度不变，在磨削工件外圈时的工件速度要比磨削工件内圈时的速度相差很多，这在大直径的锯片磨削非常显著，直接影响磨削精度和磨削效率。也就是说要解决这个问题就需要使锯片的转速随着磨头移动到锯片半径的不同位置而做相应的变化；当锯片的转速发生变化时，又要求磨头（在X轴方向的移动速度）根据工件的每转进给量的要求进行相应变化。这个要求只有采用数控技术才能实现，这是实现高精度、高效率磨削的必经之路。目前的几种磨削工艺装备还不具备此功能。

锯片磨削厚度尺寸的测量，一般需要停车进行测量，这将影响磨削工作效率和锯片厚度尺寸精度的控制。

磨削烧伤的问题：磨削参数包括锯片旋转速度、磨头横向进给速度、磨头单行程磨削进给深度，控制不当时，将产生磨削烧伤现象。

立轴平面磨床，由于锯片水平放置，大直径的锯片进行磨削时，会有大量磨屑留在锯片表面。冷却液喷射清除不净时，这些磨屑会随着砂轮进入磨削区而产生磨削烧伤。而且这种磨削方式在清理锯片表面和装夹吊运锯片时都较锯片垂直放置磨削的方式麻烦。

发明内容

本发明旨在提高大直径圆锯片侧端面的磨削效率；提高圆锯片厚度尺寸公差精度控制能力；避免由于不均匀进给造成的磨削烧伤；改善磨削工作环境；降低制造高精度、大直径圆锯片磨床的成本。

本发明的数控平面磨床所采用的技术方案是：

一种磨削大型圆锯片侧端面的数控平面磨床，包括主轴箱基座，主轴箱，十字滑台，主轴夹盘，主轴电机，X轴伺服电机，Y轴伺服电机，磨头砂轮驱动电机，砂轮，数控系统，冷却系统，主轴夹盘上嵌装有电永磁体，主轴夹盘外设置有防护罩，防护罩上安装有测量步进伺服电机，该测量步进伺服电机的轴出轴与测量臂的一端连接，测量臂的延伸端上装有非接触式位移传感器；主轴电机采用感应异步伺服电机。

上述数控平面磨床的技术方案中，使用数控技术对主轴、X轴的速度和位置进行了控制，实现了主轴转动和X轴的移动速度根据磨头砂轮在X轴的坐标变化而变化，从而实现锯片磨削时的工件线速度恒定不变，主轴每转磨头砂轮横向位位移量不变。

数控平面磨床所采用的优选方案是：

X轴伺服电机和Y轴伺服电机分别为永磁同步伺服电机。

磨头砂轮驱动电机与砂轮连接，砂轮所在的轴线与X轴的轴线相平行设置；X轴伺服电机驱动磨头砂轮运动的方向X轴与主轴的轴线相垂直设置。

轴伺服电机（驱动磨头运动的方向的Y轴）所在的轴线与主轴轴线相平行设置。

非接触式位移传感器的感应端面向主轴夹盘（平面）设置。

磨削方法所采用的技术方案是：

A、根据实际需要磨削的锯片的内孔直径选择定位心轴，将所选择的定位心轴装在主轴夹盘的中心位置上；定位心轴与锯片孔间的配合为间隙配合；

B、再用磁性吊具将锯片吊装到定位心轴上，使用电永磁控制器给电控永磁铁充磁，将锯片吸牢在主轴夹盘上；

C、在数控系统的人机界面上输入锯片的各项参数，以及输入磨削工艺参数；

D、主轴旋转速度S _n 和磨头砂轮在X轴的坐标X _g 的运动关系是：

当X _hL≤ X _g≤ X _jL 时：

S _n =S _nmax

当X _jL＜ X _g＜ X _jr 时：

S _n =(X _g - X _jL )( S _nmax - S _nmin )/( X _jr - X _jL )

当X _jr≤ X _g≤ X _hr 时：

S _n = S _nmin

磨头砂轮横向移动速度与X轴坐标的运动关系是：

当X _hL≤ X _g≤ X _jL 时：

V _x =±(V _xmax -0)( X _g - X _hL )/( X _jL - X _hL )

当X _jL＜ X _g＜ X _jr 时：

V _x =±(V _xmax - V _xmin )( X _g - X _jL )/( X _jr - X _jL )

当X _jr≤ X _g≤ X _hr 时

V _x =±(V _xmin -0) (X _hr - X _g )/ ( X _hr - X _jr )

上述式中：

X _g ：磨头砂轮在X轴坐标中的实际位置；

X _jL : 磨头砂轮在X轴向左移动时，左端减速点的坐标；

X _jr : 磨头砂轮在X轴向右移动时，右端减速点的坐标；

X _hL : 磨头砂轮在X轴向左移动时，左端换向点的坐标；

X _hr : 磨头砂轮在X轴向右移动时，右端换向点的坐标；

S _n : 主轴夹盘的转速；

S _nmax : 主轴夹盘的最高转速；

S _nmin : 主轴夹盘的最低转速

V _x+ : 磨头砂轮正向移动的速度；

V _x- : 磨头砂轮反向移动的速度；

V _xmax : 磨头砂轮移动的最高速度；

V _xmin : 磨头砂轮移动的最低速度；

E、锯片磨削工艺要求锯片的每个侧端面至少分两次磨削，磨完一次，锯片翻一次面；需要在人机界面输入每次磨削的加工余量，最后一次磨削是厚度尺寸精度控制，当锯片厚度磨到E _g =E _max -0.2δ时，进入光磨阶段，磨头砂轮在X轴方向走2～3个单行程后，光磨完成，砂轮退刀；

其中： E _g 是指锯片的实际厚度尺寸；δ是指锯片厚度偏差值，一般锯片的厚度尺寸的上偏差和下偏差是对称的，且数值相同；E _max 是指锯片允许的最大厚度；

F、锯片厚度尺寸在线测量时，要在人机界面上操作将测量头摆动移动到锯片半径未设置工艺孔、减重孔、镂空孔的位置；

G、吊卸锯片时，先将测量臂逆时针向上摆动，摆动到测量臂的零点，此时即可用磁性吊具卸下锯片，磨削工作完成。

前述磨削方法的技术方案中：使用数控技术对主轴、X轴的速度和位置进行了控制，实现了主轴转动和X轴的共同移速度根据磨头砂轮在X轴的坐标变化而变化，从而实现锯片磨削时的工件线速度恒定不变，主轴每转磨头砂轮横向位位移量不变。

磨削方法的优选方案是：

步骤A中，定位心轴的厚度要小于锯片成品的厚度。

步骤C中，锯片的各项参数是指：锯片的直径、内孔孔径、厚度基本尺寸、厚度尺寸公差；磨削工艺参数是指：主轴最高转速、主轴最低转速、主轴每转砂轮在X轴的移动距离。

步骤E中，锯片磨削工艺要求锯片的每个侧端面分两次磨削，磨完一次，锯片翻一次面；需要在人机界面输入每次磨削的加工余量，最后一次磨削是厚度尺寸精度控制，当锯片厚度磨到E _g =E _max -0.2δ时，进入光磨阶段，磨头砂轮在X轴方向走2～3个单行程后，光磨完成，砂轮退刀。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A向视图。

图3是主轴和X轴的运动关系图。

图4是表示有关锯片厚度测量的尺寸关系图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明：

参见附图1至附图4，图中：十字滑台1，Y轴伺服电机2，磨头砂轮驱动电机3，砂轮4，非接触式位移传感器5，测量臂6，测量步进伺服电机7，防护罩8，主轴箱9，主轴电机10，冷却液喷嘴11，主轴箱基座12，主轴夹盘13，冷却液回收盘14，十字滑台基座15，X轴伺服电机16，电永磁体17，数控操作面板18。

本实施例中，所说的大型圆锯片通常是指直径尺寸在2.6米至5.2米范围内的锯片。机械部分主要由主轴箱9、主轴箱基座12、主轴夹盘13、安装有直径900毫米平形砂轮的磨头、十字滑台1、十字滑台基座15、在滑台上做横向(X轴)移动的下滑鞍和在下滑鞍做纵向（Y轴）移动磨头的上拖板以及X轴减速机、Y轴减速机、测量轴的减速机等组成。

电气部分主要由电源系统、数控系统：X轴、Y轴、C轴（主轴）、测量轴的控制系统、人机界面以及交流伺服电机和驱动器、步进电机和驱动器等组成。

冷却液系统：主要由冷却泵、冷却液箱、磁性分离器、冷却液回收盘14、冷却液喷嘴以及管路和阀门等组成。

主轴箱9上的主轴由主轴电机10驱动，主轴电机10采用感应异步伺服电机，主轴电机10的额定转速为1350rpm，经过主轴箱9的齿轮减速和数控系统对主轴电机10进行速度控制，主轴夹盘13转速范围在57r/min-1.2r/min进行无级调速。

轴伺服电机16为永磁同步伺服电机，经减速机减速后，拖动十字滑台1的下滑鞍做垂直主轴(C轴)的横向进给运动，该运动由数控系统控制做变速运动和换向运动。

当磨削锯片时，锯片是旋转的工件，砂轮4移动到锯片半径的不同位置，磨削的锯片线速度也随之变化，为了锯片线速度保持不变，就要使主轴转速做相应的变化。也就是说，砂轮4由锯片外圈向内移动时，主轴夹盘13由慢变快，这是个加速运动的过程；反之，砂轮4移动换向后，主轴夹盘13做减速运动。

当主轴夹盘13做变速运动时，为了保持砂轮4的工件每转X轴方向移动量不变。那么，X轴的伺服电机16也要驱动砂轮4做相应的变速运动。这就是旋转磨削方式下的双变速运动，这个功能是由主轴电机10和X轴伺服电机16共同完成的。

轴伺服电机2为永磁同步伺服电机，经减速机减速后拖动十字滑台1的上拖板做平行主轴(C轴)的砂轮切深进给运动，控制锯片的厚度尺寸。

测量步进伺服电机7经过减速机减速后驱动测量臂6可做旋转摆动动作，非接触式位移传感器5的感应端面向主轴夹盘设置。可根据不同的测量精度要求选用非接触式位移传感器5。该测量机构实现了锯片磨削工作时的在线测量，提高了锯片厚度尺寸公差的控制精度。

主轴夹盘13（材质：灰铸铁）上嵌装有数个电永磁体17，主轴夹盘13外设置有防护罩8，防护罩8上安装有测量步进伺服电机7，测量步进伺服电机7的轴出轴与测量臂6的一端连接，测量臂的6延伸端

上装有非接触式位移传感器5；主轴电机10采用感应异步伺服电机。

轴伺服电机16和Y轴伺服电机2分别为永磁同步伺服电机。

磨头砂轮驱动电机3与砂轮4连接，砂轮4所在的轴线与X轴的轴线相平行设置；（X轴伺服电机16驱动磨头运动的方向与主轴的轴线相垂直设置）。Y轴伺服电机2（驱动磨头运动的方向）所在的轴线与主轴轴线相平行设置；非接触式位移传感器5的感应端面向主轴夹盘13设置。

主轴夹盘13的直径为5.2米，材料为灰铸铁。电永磁体17为圆形的电控永磁铁，将电永磁体17安装嵌入到主轴夹盘13中，电永磁体17的磁性工作面与主轴夹盘13工作面平齐，电永磁体17充退磁的功能由电永磁控制器的脉冲电流实现。锯片磨削时，电永磁铁17不通电。因此，主轴夹盘13工作时不会产生热变形，而且节能。和整体式的电永磁体吸盘相比，造价要低很多。嵌入主轴夹盘13中的电永磁体的总吸为20000Kgf。

以下叙述使用本发明磨床对圆锯片侧端面磨削的加工方法，具体步骤如下：

a. 根据需要磨削锯片的内孔孔径选择定位心轴，将定位心轴安装在主轴夹盘13的中心位置。定位心轴外径与锯片孔的配合为（大的）间隙配合（以便于锯片的装卸）；定位心轴的外端面不要凸出锯片的端面；然后用磁性吊具将锯片吊装到定位心轴上，使用电永磁控制器给电永磁体17充磁，将锯片吸牢在主轴夹盘13上。

在数控系统的人机界面上输入锯片的外圆直径（mm）、内孔直径（mm）、厚度基本尺寸（mm）、厚度尺寸公差（mm）等锯片参数；还要输入磨削工艺参数如：主轴最高转速（r/min）、主轴最低转速（r/min）、主轴每转砂轮在X轴的移动距离（mm/r）。c. 主轴（C轴）和X轴的运动关系如图2所示：

在图2中：

R: 锯片外圆半径（mm）；

r：锯片内孔半径（mm）；

W: 工件坐标系零点，此处工件坐标系与机床坐标系重合；

X _g ：磨头砂轮在X轴坐标中的实际位置（mm）；

X _jL : 磨头砂轮在X轴向左移动时的减速点的坐标（mm）；

X _jr : 磨头砂轮在X轴向右移动时的减速点的坐标（mm）；

X _hL : 磨头砂轮在X轴向左移动时的换向点的坐标（mm）；

X _hr : 磨头砂轮在X轴向右移动时的换向点的坐标（mm）；

S _n : 主轴夹盘的转速（r/min）；

S _nmax : 主轴夹盘的最高转速（r/min）；

S _nmin : 主轴夹盘的最低转速（r/min）

V _x+ : 磨头砂轮正向移动的速度（mm/min）；

V _x- : 磨头砂轮反向移动的速度（mm/min）；

V _xmax : 磨头砂轮移动的最高速度（mm/min）；

V _xmin : 磨头砂轮移动的最低速度（mm/min）。

在S _n 0X坐标系中，主轴转速按照曲线ABC-CBA变化；

在V _X 0X坐标系中，砂轮移动速度按照曲线ABCDEFA变化。

在确定主轴最高转速时，要选择合理的磨削工件的线速度。

锯片磨削工艺要求锯片的每个侧端面分2次磨削，磨完1次，锯片翻一次面。因此需要在人机界面输入每次磨削的加工余量，最后一次磨削是厚度尺寸精度控制，当锯片厚度磨到E _g =E _max -0.2δ时，进入光磨阶段，磨头砂轮横向移动2-3个单行程后，光磨完成，砂轮退刀。

在图3中表示有关锯片厚度测量的尺寸关系：

L _o ：传感器至主轴夹盘工作表面的距离；

L _g ：传感器至锯片表面的距离；

E _g ：锯片的实际厚度尺寸；

 E _g = L _o  -L _g ；

E：锯片厚度基本尺寸；

δ：锯片厚度尺寸的偏差值，一般锯片的厚度尺寸上偏差和下偏差是对称的，且数值相同。

_max ：锯片允许的最大厚度；

E _min ：锯片允许的最小厚度；

E _gmax ：磨削锯片时，控制的锯片最大厚度尺寸。

锯片厚度尺寸测量系统需要用标准样块标定和系统设置。

锯片厚度尺寸在线测量时，要在人机界面上操作将测量头摆动移动到锯片半径没有工艺孔、减重孔、镂空孔的位置，因为这些孔影响测量，在测量时测量臂不进行摆动。

吊卸锯片时，先将测量臂逆时针向上摆动，摆动到测量臂的零点位置，此时即可用磁性吊具卸下锯片。

锯片尺寸参数：

锯片直径：5200mm；中心孔直径150 mm或200mm；中心孔直径公差：H8；锯片厚度：11/12；锯片厚度公差：±0.35；锯片定位心轴与锯片中心孔的间隙0.5mm或1.00mm。

Claims (9)

1.一种磨削大型圆锯片侧端面的数控平面磨床，包括主轴箱基座，主轴箱，十字滑台，主轴夹盘，主轴电机，X轴伺服电机，Y轴伺服电机，磨头砂轮驱动电机，砂轮，数控系统，冷却系统，其特征在于：主轴夹盘上嵌装有电永磁体，主轴夹盘外设置有防护罩，防护罩上安装有测量步进伺服电机，该测量步进伺服电机的轴出轴与测量臂的一端连接，测量臂的延伸端上装有非接触式位移传感器；主轴电机采用感应异步伺服电机。

2.根据权利要求1所述的磨削大型圆锯片侧端面的数控平面磨床，其特征在于：X轴伺服电机和Y轴伺服电机分别为永磁同步伺服电机。

3.根据权利要求1所述的磨削大型圆锯片侧端面的数控平面磨床，其特征在于：磨头砂轮驱动电机与砂轮连接，砂轮所在的轴线与X轴的轴线相平行设置。

4.根据权利要求1所述的磨削大型圆锯片侧端面的数控平面磨床，其特征在于：Y轴伺服电机与主轴轴线相平行设置。

5.根据权利要求1所述的磨削大型圆锯片侧端面的数控平面磨床，其特征在于：非接触式位移传感器的感应端面向主轴夹盘（平面）设置。

6.一种如权利要求1至5中任意一项中所述的平面磨床对圆锯片侧端面的磨削方法，其步骤是：

A、根据实际需要磨削的锯片的内孔直径选择定位心轴，将所选择的定位心轴装在主轴夹盘的中心位置上；定位心轴与锯片孔间的配合为间隙配合；

B、再用磁性吊具将锯片吊装到定位心轴上，使用电永磁控制器给电控永磁铁充磁，将锯片吸牢在主轴夹盘上；

C、在数控系统的人机界面上输入锯片的各项参数，以及输入磨削工艺参数；

D、主轴旋转速度S_n和磨头砂轮在X轴的坐标X_g的运动关系是：

当X_hL≤X_g≤X_jL时：

S_n=S_nmax

当X_jL＜X_g＜X_jr时：

S_n=(X_g- X_jL)( S_nmax- S_nmin)/( X_jr- X_jL)

当X_jr≤X_g≤X_hr时：

S_n= S_nmin

磨头砂轮横向移动速度与X轴坐标的运动关系是：

当X_hL≤X_g≤X_jL时：

V_x=±(V_xmax-0)( X_g- X_hL)/( X_jL- X_hL)

当X_jL＜X_g＜X_jr时：

V_x=±(V_xmax- V_xmin)( X_g- X_jL)/( X_jr- X_jL)

当X_jr≤X_g≤X_hr时

V_x=±(V_xmin-0) (X_hr- X_g)/ ( X_hr- X_jr)

上述式中：

X_g：磨头砂轮在X轴坐标中的实际位置；

X_jL: 磨头砂轮在X轴向左移动时，左端减速点的坐标；

X_jr: 磨头砂轮在X轴向右移动时，右端减速点的坐标；

X_hL: 磨头砂轮在X轴向左移动时，左端换向点的坐标；

X_hr: 磨头砂轮在X轴向右移动时，右端换向点的坐标；

S_n: 主轴夹盘的转速；

S_nmax: 主轴夹盘的最高转速；

S_nmin: 主轴夹盘的最低转速

V_x+: 磨头砂轮正向移动的速度；

V_x-: 磨头砂轮反向移动的速度；

V_xmax: 磨头砂轮移动的最高速度；

V_xmin: 磨头砂轮移动的最低速度；

E、锯片磨削工艺要求锯片的每个侧端面至少分两次磨削，磨完一次，锯片翻一次面；需要在人机界面输入每次磨削的加工余量，最后一次磨削是厚度尺寸精度控制，当锯片厚度磨到E_g=E_max-0.2δ时，进入光磨阶段，磨头砂轮在X轴方向走2～3个单行程后，光磨完成，砂轮退刀；

其中： E_g是指锯片的实际厚度尺寸；δ是指锯片厚度偏差值，一般锯片的厚度尺寸的上偏差和下偏差是对称的，且数值相同；E_max是指锯片允许的最大厚度；

F、锯片厚度尺寸在线测量时，要在人机界面上操作将测量头摆动移动到锯片半径未设置工艺孔、减重孔、镂空孔的位置； 

G、吊卸锯片时，先将测量臂逆时针向上摆动，摆动到测量臂的零点，此时即可用磁性吊具卸下锯片。

7.根据权利要求6所述的平面磨床对圆锯片侧端面的磨削方法，其特征在于：步骤A中，定位心轴的厚度要小于锯片成品的厚度。

8.根据权利要求7所述的平面磨床对圆锯片侧端面的磨削方法，其特征在于：步骤C中，锯片的各项参数是指：锯片的直径、内孔孔径、厚度基本尺寸、厚度尺寸公差；磨削工艺参数是指：主轴最高转速、主轴最低转速、主轴每转砂轮在X轴的移动距离。

9.根据权利要求7所述的平面磨床对圆锯片侧端面的磨削方法，其特征在于：步骤E中，锯片磨削工艺要求锯片的每个侧端面分两次磨削，磨完一次，锯片翻一次面；需要在人机界面输入每次磨削的加工余量，最后一次磨削是厚度尺寸精度控制，当锯片厚度磨到E_g=E_max-0.2δ时，进入光磨阶段，磨头砂轮在X轴方向走2～3个单行程后，光磨完成，砂轮退刀。