复杂曲面型面柔性砂带磨削关键技术研究

王隆太，项余建

(扬州大学 机械学院，江苏扬州 225009)

由于复杂曲面零件的特殊功能，在机械制造、船舶、冶金、轻工、航天、航空、国防以及尖端科学领域得到日益广泛的应用，但复杂曲面型面的光整加工却是一项技术难度大、理论性强的加工工艺，多年来一直是机械制造业瓶颈性的工艺难题。砂带磨削具有磨削效率高、磨削温度低、磨削抗力小的特点，被普遍认为是一种优质、高效、低耗以及用途广泛的机械加工工艺方法［1-2］。然而，用柔性砂带进行复杂曲面型面磨削的光整加工，存在着磨削运动多、磨削精度难于控制的技术难题［3］。为此，本文针对复杂曲面型面柔性砂带磨削要求，开展了曲面型面砂带磨削运动分析以及磨削模型建立、磨床结构组成及其结构实现、磨削压力补偿控制以及数控编程及后置处理等关键技术研究，最终完成可控磨削力六轴联动数控砂带磨床样机产品的开发。

1 曲面型面砂带磨削运动分析及磨削模型的建立

曲面型面的砂带磨削，首先要解决所需的磨削运动以及各运动之间的关联，以此可根据被磨削对象的型面信息求取所要求的磨削刀具控制运动。如图1所示，汽轮机叶片型面的砂带磨削加工，是通过柱形或鼓形砂带接触轮驱动着砂带相对于叶片型面进行磨削包络成形，除了需有接触轮相对叶片3个方向的直线运动和叶片绕自身轴线的回转运动之外，还需有接触轮绕磨削点2个方向的摆动，为此可使砂带接触轮轴线矢量与曲面型面磨削点处的最小曲率方向一致。满足这一曲面包络理论要求，可最大限度地减小欠切或过切的磨削过程干涉［4］。因而曲面型面的砂带磨削加工，必须配置有3个直线运动和3个回转运动的六轴联动控制。

图1 曲面型面砂带磨削运行分析

在串行机床切削加工中，刀具位置和姿态通常是根据被加工型面参数经各自独立的控制运动按照先后次序串行转换求得。如图2所示，工件型面上某点位置矢量r0，经n个独立运动(k1，k2，…，kn)转换后，可求得加工刀具的运动控制矢量rt：

式(1)既表达了工件与刀具间信息的关联，又包含了各控制运动的转换关系，可作为曲面型面砂带磨削的运动关系模型。式(1)中运动关系矩阵T与机床的具体结构有关，不同的机床组成结构其各转换运动先后次序不一样，其运动关系矩阵T也不尽相同。

图2 串行加工运动关系模型

2 曲面型面砂带磨床布局方案及结构实现

任何机床均可认为是由床身基础件和不同运动部件组成，正是由于这些运动部件间的相互移动或转动，实现了刀具对工件型面的成形加工。

机床运动部件的合理组成和优化配置是机床设计的一项重要任务，不同运动部件间的不同组合，可构成不同的机床结构方案。例如，六轴联动机床的 X，Y，Z，A，B，C 6 个独立运动控制轴加上机床床身基础结构件，可构成(6+1)!=5 040种不同的机床布局方案。当然，实际的机床结构由于受到被加工对象、机床结构实现以及结构刚性等条件的约束，可行的机床结构方案将大为减少，如图1所示汽轮机叶片的磨削加工，将受到如下条件的约束：

a．从工件到刀具之间各运动部件排列次序分析，控制叶片回转的A轴应为第一部件;

b．从长叶片磨削特点考虑，机床的其余两回转轴B，C最好设置在刀具端;

c．沿叶片轴线进给的X控制轴位于工件端，紧贴A轴布置;

d．从机床刚度考虑，回转轴不宜夹于任意两直线轴之间;

e．直线轴 X，Y，Z之一必须与机床床身 O相联。

在上述条件约束下，可行的叶片磨削机床结构将大为减少，仅有如下12种机床结构布局方案：

AXOYZBC、AXOYZCB、AXOZYBC、AXOZYCB、

AXYOZBC、AXYOZCB、AXZOYBC、AXZOYCB、

AXYZOBC、AXYZOCB、AXZYOBC、AXZYOCB。

若再考虑工件端床身O上仅允许布置有回转轴A和直线轴X两个运动部件，那么上述12种布局方案仅有如图3所示的4种可选机床布局结构。在这可选布局结构中进一步从制造成本、装配操作方便性、安全性等方面进行权衡，本文最终选择了AXOYZBC型布局方案作为曲面型面数控砂带磨床的组成结构。

图3 六轴联动砂带机床4种可行结构方案

将运动控制轴看作一个个独立的运动控制节点，每个节点连接着机床两个相关部件，从而构成了如图4所示的运动控制链。设TPQ为各节点运动转换矩阵，其上标 P(A，B，C，X，Y，Z)为坐标轴，下标Q为位移或旋转角，则AXOYZBC型机床布局方案的运动关系模型为：

图5为依据AXOYZBC型布局方案所研制的六轴联动汽轮机叶片数控砂带磨床。叶片零件由A轴伺服电机驱动夹持在头架与尾座之间，头架和尾座架设在工作台上并由X轴伺服电机驱动沿前床身左右方向移动;立柱位于后床身由Y轴电机驱动实现前后方向的移动;砂带磨头垂直设置在立柱上由Z轴电机驱动实现上下移动，磨头上两个摆动轴可控制砂带接触轮绕B，C两轴摆动。

图4 AXOYZBC型机床布局运动控制链

图5 六轴联动数控砂带磨床结构实现

3 砂带柔性磨削的精度控制技术

砂带为一次性柔性磨削工具，在磨削作业中砂带自身的砂粒也逐渐被钝化，砂带厚度也不断在减小，磨削过程砂带一般不予修整，磨削钝化后通常通过更换新砂带以恢复其磨削能力，而新、旧砂带的厚度之差往往达0．2～0．3mm之多。因此，砂带数控磨削存在着精度控制的难题。

磨削过程中，在保持砂带线速度、进给速度等磨削参数不变的条件下，其磨削力F磨往往随磨削深度(即磨削余量)的变化而变化，若磨削深度保持不变则磨削力基本为一常数。反之，若在磨削过程中将磨削力控制为一常数，则磨削深度也将为一基本不变值。为此，可通过控制砂带磨削力实现对磨削深度的控制，从而达到对柔性砂带磨削精度控制的目的［5］。

为此，笔者通过电气比例阀、驱动气缸、补偿弹簧以及平行四边形机构设计开发了如图6(a)所示的可控磨削力砂带磨头。若忽略气缸及各运动副间的摩擦力，则磨头满足如下力平衡方程(图6(b))：

式中，F气为气缸压力;F重为磨头重力;F弹为补偿弹簧力;F磨为砂带磨削力。可见，当F重和F弹给定条件下，磨削力F磨将由气缸压力F气所决定，而F气可根据磨削对象要求由磨削数控程序自行设定。图6(c)为气缸压力F气的控制回路，它是一个包含由电气比例阀、伺服气缸、压力传感器等组成的反馈回路。

图6 可控磨削力的砂带磨头

图6 所示的砂带磨头在按给定轨迹磨削时，F气，F重和F弹均为定值。随着磨削过程的进行，砂带磨损及砂带厚度的减小将导致磨削深度减小，磨削力F磨降低，式(3)不再平衡

在F气和F磨作用下磨头有下降趋势，这将导致磨削深度的增加，磨削深度增加反过来又使磨削力F磨增加，使磨头重新恢复到力平衡状态。

同样，若工件毛坯余量不均，致使磨削深度增加，导致磨削力F磨增加，式(3)变为：

此时在F气和F磨作用下使磨头上升偏离工件，从而使磨削深度减小，磨削力F磨降低，系统又重新归于平衡。

由此可见，应用上述可控磨削力砂带磨头，可在曲面型面上均匀地磨除一层多余材料，从而解决了柔性砂带磨削精度控制的难题。

4 曲面型面砂带磨削数控编程及后置处理

自动数控编程是曲面型面砂带磨削的重要环节，目前市场上提供的自动编程系统尚不完全支持六轴联动砂带磨削加工。为此，笔者以UG/API为开发工具，用VC++在UG平台上开发了六轴砂带磨削编程系统，包括参数输入、刀位计算、后置处理以及主控模块等功能模块［6］。

如图7所示，在所开发的自动编程系统中包含有一个压力轴编程模块，用于砂带磨头磨削力的编程，该模块为用户提供了磨削力参数输入界面及磨削力插值计算功能。例如，对于汽轮机叶片的磨削加工，用户仅需根据界面要求输入叶根、叶冠、进气边和出气边4个角点所需的磨削压力，系统便应用二维插值计算出叶片型面各磨削点所需的磨削压力，并按规定格式要求自动将各磨削力数值添加到各个数控加工程序段，如图8所示。

图7 自动编程系统的结构组成

图8 磨削力编程模块

5 多轴联动数控系统

曲面砂带磨削有一些特殊的功能，如压力轴编程与控制等，这是通用数控系统无法提供的。为此，在某电子科技公司协助下，笔者基于工控机+运动控制器为平台开发了曲面型面砂带磨削专用数控系统，该系统支持六轴联动控制，标准G代码编程，内置软PLC模块，支持各伺服控制轴反向间隙补偿、限位保护等功能;提供急停开关、伺服使能、磨头启停、脚踏开关、砂带张紧、磁性分离器、冷却润滑等开关量控制;此外，还提供磨削力控制以及磨头主轴调速控制两个模拟量控制功能。

系统操作界面在Windows环境下开发，包括手动控制、连续控制、参数设置、程序编制、系统诊断、加工仿真等屏幕按钮功能。

6 结束语

经过多年不懈的努力，并先后得到江苏省高技术研究计划和江苏省科技支撑计划项目的支持，在扬州力创机床公司的配合下，完成了复杂曲面型面砂带磨削的一个个关键技术研究，最终研制成功一台可控磨削力六轴联动数控砂带磨床样机产品，并经对汽轮机叶片曲面型面实际磨削试验验证，无论是功能、效率，还是磨削精度均能满足曲面型面零件光整加工要求，达到了预期的研究目标。

［1］ 王先逵，李庆祥．精密加工技术实用手册［M］．北京：机械工业出版社，2001．

［2］ 李伯民，赵波．现代磨削技术［M］．北京：机械工业出版社，2003．

［3］ 杨长棋，刘海江，贾维．多轴机床加工自由曲面的干涉避免与刀轴优化［J］．同济大学学报，2007，35(11)：1530-1534．

［4］ 梅向明，黄敬之．微分几何［M］．北京：高等教育出版社，2003．

［5］ 姚召华．汽轮机叶片数控砂带磨床结构设计与分析［D］．扬州：扬州大学，2010．

［6］ 李静伟．六联动叶片砂带磨削编程系统的开发及仿真技术研究［D］．扬州：扬州大学，2011．