一种具有在线测量功能的磨削机床的制作方法

本实用新型涉及磨削机床技术领域，尤其是涉及一种具有在线测量功能的磨削机床。

背景技术：

我国硬质合金产业的发展至今，产品品种基本齐全，涉及金属切削、矿山开采、拉拨模具、耐磨零件等各领域，除部分高性能精度研磨涂层刀片及配套工具、高性能超细合金棒材和少量大异制品需从国外进口外，绝大部分产品中国均能生产。我国的硬质合金工业在快速发展的同时，依然存在产品研发经费投入相对不足、设备的更新改造水平不高、合金产品的生产与装备生产脱节等方面的问题，导致本行业创新能力不强、高附加值及配套产品少、产业经济效益不高等问题。其中硬质合金产品生产装备的发展不足是制约我国硬质合金产品生产的瓶颈。根据相关统计，目前国外少数先进企业产品在中国市场的占有率按重量计算不到中国硬质合金产量的1.5％，但年合金销售总额却占中国硬质合金年销售总额的10％以上。随着国内相关产业对合金刀具的需求量大增，合金刀具的精密加工成为合金产品生产企业快速发展的瓶颈，目前国内专门从事合金加工专用机床企业极少，故合金刀具生产企业迫切需要对一些工序设备进行技术改造。

经过现场检测，目前我国合金刀具生产机床状况如下：

1、机床使用时间较长，设备存在一定老化；

2、机床磨制工件为钨钴类硬质合金圆片，工作环境粉尘污染较大；

3、在工作过程中，存在一定的冷却水腐蚀，对工件主轴产生一定的精度影响，同时因为长期使用，工件主轴回转间隙变大，影响加工精度；

4、机床操作工人现场使用时，存在如下问题：

(1)、工人进行合金刀片磨削时，现场可见明显合金粉尘扬尘，工作环境粉尘污染较大，同时粉尘对工人身体健康不利；

(2)、工人装夹刀片时，采用不停机工作方式，此时砂轮处于高速运行状态，工人手指与砂轮极为接近(目测估计约5cm左右)，存在严重安全隐患；

(3)、进行磨制工作时，需要熟手磨工操作，进行全手工作业，劳动强度大；

(4)、对工件进行检测时，需要拆工件检测，单个工件从开始磨制到加工完成，中途需视工人的经验，进行多次拆件检测，加工效率极低，极易造成工件加工过量，致使工件报废，对操作工人的操作水平要求高。

其中，所述的第(4)个问题也正是传统的机加工检测过程中最常用的离线测量方式，其具体操作是在零件的加工过程中，根据操作工人的经验，按照工作需要，将机床停机，采用测量仪器，在加工工件拆件或不拆件的状态下，对工件进行物理量的检测。该检测方式是建立在加工与检测相互分离的基础上，加工的时候不能进行产品检测，检测的时候不能进行产品加工，造成生产效率低下，同时因为工件的多次拆卸和装夹，使工件的装夹定位基准不断发生变化，导致工件的加工误差人为增加，影响产品质量。

因此，为了保证机床加工零件的品质，大幅提高生产效率，降低生产成本，实施加工测量一体化的在线测量技术，具有重大意义。其中，所述的在线测量是指在零件的加工过程中，通过直接或者间接的测量方式不拆工件进行品质检测。它分为2种情况：

1、测量部件在零件的加工过程中直接实时测量零件的加工精度，零件的加工过程和检测过程是同步的；

2、加工过程和检测过程分离，当一步工序完成或零件加工完毕后，不拆工件，测量机构对零件进行检测，加工与测量是不同步的。

但是，目前在磨床上采用的测量方案大多不理想，有使用模拟计算等方式估算砂轮在磨削过程中的损耗量，再计入磨床数据系统中，此种设计是建立在对砂轮磨损按照一定规律基础上的，在实际磨削过程的影响因素较多，故不能予以较好反映真实的磨削情况，因此方案实际应用并不理想。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种不仅结构简单，测量精准，能够提高产品质量和生产效率的具有在线测量功能的磨削机床。

本实用新型是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种具有在线测量功能的磨削机床，其特征在于，它包括机架、控制系统、机架上设置的用于固定工件的卡盘、磨床工作台及其上设置的砂轮磨削机构、在线测量系统、驱动砂轮磨削机构和在线测量系统动作的恒力磨削系统；控制系统连接控制砂轮磨削机构、在线测量系统、恒力磨削系统；

所述在线测量系统采用点接触式同步在线测量方式，包括伺服控制系统、设置在磨床工作台上的在线测量支撑机构、在线测量尺，在线测量尺的测量过程与加工过程实时同步，即测量时，不需要停机检测；

所述恒力磨削系统包括伺服电机、同步传递机构和气压回退装置，所述伺服电机为恒转矩伺服电机，恒转矩伺服电机经过同步传递机构传动转换为工作台的恒定进给力，使砂轮磨削机构对工件端面进行磨削，在整个磨削过程中，两者之间的作用力恒定不变，当磨削到规定的尺寸后，在线测量系统发出信号，工作台停止进给，在控制系统的控制下，气压回退装置实现工作台的水平工作退回，到达规定的位置后，工作台停止运动，工人取下工件，完成一个工件的加工；如果加工的圆刀片直径发生变化，通过调节控制系统设置的选择开关，选择相应大小的力矩即可。

作为上述方案的进一步说明，所述在线测量尺包括测量尺、设置在测量尺端部的测量探头和驱动测量尺沿水平方向位移的驱动缸，测量探头作为点接触测量构件，检测对象的轴向尺寸变化量；

在线测量支撑机构包括与测量尺对应的前轴承支承、后轴承支承，磨床工作台测量尺通过前轴承支承、后轴承支承活动设置在磨床工作台上，驱动缸推动测量尺沿磨床工作台水平方向产生位移，从而推动测量探头与被测工件产生表面接触，实现测量过程。

进一步地，所述在线测量尺的前端设置有尺寸自适应及磨削状态稳定机构，尺寸自适应及磨削状态稳定机构包括基体及其上设置的至少三个螺孔、螺孔内设置的弹性压头，基体设置有与在线测量尺对应的接插孔，通过外部螺钉可将其紧固在在线测量尺的前端。

进一步地，所述弹性压头包括合金压头、与螺孔螺纹连接的无头螺钉、连接于合金压头与无头螺钉之间的弹簧，合金压头的一端穿过螺孔往外延伸，无头螺钉通过弹簧压紧合金压头，基体上的每个施力点合金压头与工件端面进行直接接触，从而保证工件在磨削过程中处于稳定的磨削状态。

进一步地，伺服控制系统包括与伺服电机连接的伺服机构、位置信号处理模块，位置信号处理模块与伺服机构连接；位置信号处理模块通过测量探头获取与工件的接触面的实际位置测量信号，并将其与目标位置信号进行比较，判断是否加工到位，若未加工到位则发出信号传送给伺服机构，伺服机构根据未加工到位信号，发出恒力电压信号给伺服电机装置，伺服电机装置接受恒力电压信号后，带动磨床工作台进给加工；如此循环，直到工件磨削到目标尺寸，方停止加工。

进一步地，测量尺外设置有螺旋千分尺，测量尺的位移行程由螺旋千分尺予以限制。

进一步地，所述测量尺的后部套设有联动抱环，驱动缸的活塞杆前端设置有连接端头，该连接端头与联动抱环连接。

进一步地，所述伺服电机为惯量电机TSB13102A，在伺服电机上连接有与之配套的伺服驱动器TSTA30C。

进一步地，同步传递机构包括：传动轮和传动皮带，在传动轮的表面设有凸齿，在传动带上设有与凸齿啮合的凹槽。

进一步地，所述气压回退装置包括：动力装置、管路、控制装置和执行元件，

所述动力装置用来将原动机的机械能转换为工作介质的压力能；

所述管路连接在动力装置和执行元件之间，充当工作介质的流道；

所述控制装置安装在管路上，用来控制工作介质的流动方向、压力和流量；在管路上设有工作介质储存箱和工作介质过滤器；

所述执行元件用来将工作介质的压力能转换为机械能，在工作介质的作用下输出力和运动，以驱使工作台运动。

所述工作介质为空气，所述动力装置为空压机，所述执行元件为气缸。

所述工作介质为液压油，所述动力装置为液压机，所述执行元件为液压缸。

本实用新型采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

1、本实用新型采用点接触式在线同步测量方式，对工件的磨削过程中的轴向尺寸物理量进行实时在线测量，测量过程具有实时可控、测量精度高、稳定性好的特点，并设计自适应稳定机构，保证了整机装备能在无人干预的状态下自动适应工件尺寸变化同时控制工件的磨削工作姿态，更好的控制了产品的磨削精度和表面质量。

2、本实用新型针对现有的磨削加工中因磨削进给力不稳定的造成的机床传动链变形现象，和针对数控磨床设计中采用的恒位移强行进给方式，采用“恒力磨削”的设计理念，将磨削进给力由不稳定的变量设定为恒定的常量，使机床传动链的变形处于稳定状态加工质量好：与手动进给相比，运用恒力进给系统进行加工，加工质量得到明显提高；效率高：运用恒力磨削系统进行恒力加工，生产效率可提高2倍左右；结构简单：本系统加装在普通磨床上实现恒力进给，结构简单；操作方便：根据圆刀片的直径，将控制系统上的选择开关调到相应大小的力矩即可。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的在线测量系统工作原理；

图3为本实用新型的在线测量系统气动工作回路示意图；

图4为本实用新型的在线测量支撑机构结构示意图；

图5为本实用新型的尺寸自适应及磨削状态稳定机构结构示意图；

图6为图5的剖视图；

图7为本实用新型的同步传递机构结构示意图；

图8为砂轮过中心磨削示意图；

图9为硬质合金圆片磨削受力分析示意图；

图10为磨削受力改善结构示意图；

图11为受力点的设计图；

图12为受力点的设计图。

附图标记说明：1、机架 2、控制系统 3、卡盘 4、磨床工作台 5、砂轮磨削机构 5-1、金刚石砂轮 5-2、电机装置 6、在线测量系统6-1、伺服控制系统 6-11、伺服机构 6-12、位置信号处理模块 6-2、在线测量支撑机构 6-21、前轴承支承 6-22、后轴承支承 6-3、在线测量尺 6-31、测量尺 6-32、测量探头 6-33、驱动缸 7、恒力磨削系统 7-1、伺服电机 7-2、同步传递机构 7-21、输出轴 7-22、齿轮齿条传动机构 7-23、深沟球轴承 7-24、齿轮齿条传动机构 7-3、气压回退装置 8、硬质合金圆刀片工装 9、滚珠滑动导轨 10、螺旋千分尺 11、联动抱环 12、连接端头 13、尺寸自适应及磨削状态稳定机构13-1、基体 13-2、螺孔 13-3、弹性压头 13-31、合金压头 13-32、无头螺钉 13-33、弹簧 13-4、接插孔 14、工件 15、碗型金刚石砂轮 16、硬质合金圆片 17、工装芯棒。

具体实施方式

如图1-图7所示，本实用新型是一种具有在线测量功能的磨削机床，它包括机架1、控制系统2、机架1上设置的用于固定工件14的卡盘3、磨床工作台4及其上设置的砂轮磨削机构5、在线测量系统6、驱动砂轮磨削机构和在线测量系统动作的恒力磨削系统7；控制系统连接控制砂轮磨削机构、在线测量系统、恒力磨削系统；砂轮磨削机构5包括金刚石砂轮5-1、砂轮轴和连接带动砂轮轴转动的电机装置5-2，卡盘上固定有硬质合金圆刀片工装8。

所述在线测量系统6采用点接触式同步在线测量方式，包括伺服控制系统6-1、设置在磨床工作台上的在线测量支撑机构6-2、在线测量尺6-3，在线测量尺的测量过程与加工过程实时同步，即测量时，不需要停机检测；所述恒力磨削系统7包括伺服电机7-1、同步传递机构7-2和气压回退装置7-3，气压回退装置的功能有2个：1、通过气压阀对气压回路的控制作用，产生磨床工作台水平方向的进给阻力，从而控制磨床工作台的水平移动速度；2、通过单工气压缸的作用，实现工作台的工作退回，以准备下1个工件的磨削加工。所述伺服电机7-1为恒转矩伺服电机，恒转矩伺服电机经过同步传递机构传动转换为工作台的恒定进给力，使砂轮磨削机构对工件端面进行磨削，在整个磨削过程中，两者之间的作用力恒定不变，当磨削到规定的尺寸后，在线测量系统发出信号，工作台停止进给，在控制系统的电器控制装置的控制下，气压回退装置实现工作台的水平工作退回，到达规定的位置后，工作台停止运动，工人取下工件，完成一个工件的加工；如果加工的圆刀片直径发生变化，通过调节控制系统设置的选择开关，选择相应大小的力矩即可。通过控制系统的电气控制装置，根据圆刀片的尺寸，调节磨削力的大小，从而扩大了该专用磨床的磨削范围。通过调节磨削力的大小，可以实现对工件的粗磨、细磨、光磨等工序。

所述同步传递机构7-2采用同步带传动机构，同步传递机构包括：传动轮和传动皮带，在传动轮的表面设有凸齿，在传动带上设有与凸齿啮合的凹槽。同步带传动机构的输出轴7-21连接有齿轮齿条传动机构7-22，输出轴由深沟球轴承7-23作为支承，磨床工作台的底部设置有与齿轮齿条传动机构7-24连接传动的滚珠滑动导轨9。其总传动效率计算：

经查《机械传动和摩擦副的效率概率值》确定各级传动机构的效率如下：

同步带传动：η带＝0.97

深沟球轴承：η轴承＝0.98

齿轮齿条传动：η齿＝0.97

滚珠滑动轴承：η滑＝0.98

则，该传动机构的总机械效率为：

η总＝η带·η轴承·η齿·η滑＝0.97×0.98×0.97×0.98＝0.903。

所述在线测量尺6-3包括测量尺6-31、设置在测量尺端部的测量探头6-32和驱动测量尺沿水平方向位移的驱动缸6-33，测量探头作为点接触测量构件，检测对象的轴向尺寸变化量；测量尺外设置有螺旋千分尺10，测量尺的位移行程由螺旋千分尺予以限制。测量尺的后部套设有联动抱环11，驱动缸的活塞杆前端设置有连接端头12，该连接端头与联动抱环连接。

在线测量支撑机构6-2包括与测量尺对应的前轴承支承6-21、后轴承支承6-22，磨床工作台测量尺通过前轴承支承、后轴承支承活动设置在磨床工作台上，驱动缸推动测量尺沿磨床工作台水平方向产生位移，从而推动测量探头与被测工件产生表面接触，实现测量过程。

进一步地，所述在线测量尺的前端设置有尺寸自适应及磨削状态稳定机构13，尺寸自适应及磨削状态稳定机构包括基体13-1及其上设置的三个螺孔13-2、螺孔内设置的弹性压头13-3，基体设置有与在线测量尺对应的接插孔13-4，通过外部螺钉可将其紧固在在线测量尺的前端。所述弹性压头13-3包括合金压头13-31、与螺孔螺纹连接的无头螺钉13-32、连接于合金压头与无头螺钉之间的弹簧13-33，合金压头的一端穿过螺孔往外延伸，无头螺钉通过弹簧压紧合金压头，基体上的每个施力点合金压头与工件端面进行直接接触，从而保证工件在磨削过程中处于稳定的磨削状态。

进一步地，伺服控制系统6-1包括与伺服电机连接的伺服机构6-11、位置信号处理模块6-12，位置信号处理模块与伺服机构连接；位置信号处理模块通过测量探头获取与工件的接触面的实际位置测量信号，并将其与目标位置信号进行比较，判断是否加工到位，若未加工到位则发出信号传送给伺服机构，伺服机构根据未加工到位信号，发出恒力电压信号给伺服电机装置，伺服电机装置接受恒力电压信号后，带动磨床工作台进给加工；如此循环，直到工件磨削到目标尺寸，方停止加工。

进一步地，所述伺服电机为惯量电机TSB13102A，在伺服电机上连接有与之配套的伺服驱动器TSTA30C。所述气压回退装置包括：动力装置、管路、控制装置和执行元件，所述动力装置用来将原动机的机械能转换为工作介质的压力能；所述管路连接在动力装置和执行元件之间，充当工作介质的流道；所述控制装置如电磁换向阀、节流阀等安装在管路上，用来控制工作介质的流动方向、压力和流量；在管路上设有工作介质储存箱和工作介质过滤器；执行元件用来将工作介质的压力能转换为机械能，在工作介质的作用下输出力和运动，以驱使工作台运动，如气压回退装置的单工气缸。所述工作介质为空气，所述动力装置为空压机，所述执行元件为气缸。值得注意的是，工作介质也可以采用液压油，所述动力装置为液压机，所述执行元件为液压缸。

本实用新型与现有技术相比，1、采用点接触式在线同步测量方式，对工件的磨削过程中的轴向尺寸物理量进行实时在线测量，测量过程具有实时可控、测量精度高、稳定性好的特点。

2、本实用新型针对现有的磨削加工中因磨削进给力不稳定的造成的机床传动链变形现象，和针对数控磨床设计中采用的恒位移强行进给方式，采用“恒力磨削”的设计理念，将磨削进给力由不稳定的变量设定为恒定的常量，使机床传动链的变形处于稳定状态加工质量好：与手动进给相比，运用恒力进给系统进行加工，加工质量得到明显提高；效率高：运用恒力磨削系统进行恒力加工，生产效率可提高2倍左右；结构简单：本系统加装在普通磨床上实现恒力进给，结构简单；操作方便：根据圆刀片的直径，将控制系统上的选择开关调到相应大小的力矩即可。

另外，值得注意的是，本实用新型于在线测量尺中首次引入了自适应稳定机构，以本机床所加工的硬质合金圆片为例，传统的机床存在如下需要解决的问题：

根据用户要求，机床需要加工的硬质合金圆片的外径尺寸范围跨度为25-120mm，自动机床设计需要能够适应该加工尺寸的变化范围；

传统的机床是作为硬质合金圆片的半精磨削加工用。由于使用平磨工艺不能达到需要的表面光洁度，必须使用端面磨削方式才能满足表面质量要求。当碗型金刚石砂轮15对硬质合金圆片16进行端面磨削，是用工装芯棒17进行中心定位，碗型砂轮磨削时要求过工件中心，如图8所示。

这种过工件中心磨削工艺以及硬质合金圆片周边不固定的浮动磨削方式，在工件自重的和轴向受力的作用下，造成工件在磨削过程中位置呈一定程度的波动，从而影响硬质合金圆片的加工品质。

以上2个问题，在本机床的设计中得以解决。

如图9所示，由硬质合金圆片磨削加工受力分析可知，硬质合金圆片在磨削过程轴向方向受力Fn’,该轴向力作用在圆片上，为单侧受力，致使磨削状态不稳定，为了改善这种单侧受力结构，可以在过中心的对称侧增加受力F，使圆片上受力稳定，如图10所示，增加新增受力点可以改善硬质合金圆片的受力结构，使圆片的磨削状态稳定。但是对于硬质合金圆片的外径尺寸在25-120mm范围变动，仅靠增加单点无法满足要求，需要设计2点甚至3点新增受力结构方可使磨削状态稳定。

硬质合金圆片25-120mm规格范围内，经过实地测试，40mm尺寸以内规格的，不增加受力点，其磨削状态稳定，产品质量可靠，因此可不需要增加受力点。

对于40-120mm尺寸范围的圆片，需要增加受力点使其磨削状态稳定。在此尺寸规格内，圆片的内径的最大尺寸为Dmax＝20mm，外径最小尺寸为dmin＝40mm,外径的最大尺寸为dmax＝120mm，用户所使用的碗型砂轮的最大直径为dsmax＝150mm，如图10所示，根据此4个极限尺寸，可以进行受力点的分布设计。

如图11所示。图中阴影部分为硬质合金圆片所确定的最小受力区域，离砂轮最近的受力2点(A、B)必须在此区域内，第3点(C)靠近外径的最大尺寸为dmax＝120mm。

根据对受力点的设计分析，设计出硬质合金圆片尺寸自适应及磨削状态稳定机构，如图5和图6所示。该机构使用铝合金作为基体，每个施力点的使用硬质合金压头与圆片进行直接接触；采用无头螺丝压紧弹簧产生压力压紧合金压头，是合金压头产生有效的压力压制硬质合金圆片，从而保证硬质合金圆片在磨削过程中保证处于稳定的磨削状态。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。