【導讀】成員，指導教師，專業(yè)，年級（班級），起止日期，制表日期。詞中間用分號隔開，最后一個關(guān)鍵詞后不用標點符號，關(guān)鍵詞一般為5—8個。為[Keywords]），四部份內(nèi)容獨立成頁，頂格排版。18陳曉華，邸陽．多功能水平定位便攜式冰刀刃磨機的研制及應用．冰雪運動，綜合訓練的目的；、份量是否適當；本文針對影響冰刀研磨設備便攜性的因素，提出了兩點實現(xiàn)設備便攜性的方法。許國柱同學的畢業(yè)設計為冰刀研磨機設計，該選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標，該生查閱文獻資料能力較強，能夠全面收集關(guān)于冰刀研磨機的資料，畢業(yè)設計質(zhì)量良好，同意參加答辯。其次，本文分析了影響冰刀加工質(zhì)量的因素。冰刀采取粗磨、精磨、拋光磨三級研磨，控制系統(tǒng)根據(jù)研磨總量自動。研究設計了冰刀研磨的專用砂輪，同時根據(jù)

　　

【正文】 相匹配的研磨材料，才能得到理想的數(shù)控加工效果。本小節(jié)的研究目的就是：研究加工材料和被加工材料的研磨作用機理，選定好適合冰刀加工的研磨材料。 工業(yè)中，常用的磨料材料有四種：剛玉，碳化硅，立方氮化硼，金剛石。剛玉與金屬材料的研磨時，粘附作用很明顯，不適 合做本項目的磨料；研磨產(chǎn)生熱量時，碳化硅在容易和鋼鐵材料發(fā)生化學反應，所以也不適合做本項目的磨料；金剛石雖然硬度大，也不粘附鋼鐵材料，也不和鋼鐵材料發(fā)生化學反應。但在研磨的高溫下，金剛石容易和空氣中的氧的親和性大，而本文的研磨不使用研磨液，所以金剛石也不適合做冰刀的磨料。本文最終選擇的磨料是立方氮化硼， 砂輪的結(jié)構(gòu) 砂輪的結(jié)構(gòu)有利于簡化加工工藝。冰刀研磨分粗磨、精磨、拋光磨三級研磨，對應有粗磨、精磨、拋光磨三級砂輪。當從一種級別研磨向另一種級別轉(zhuǎn)換時，就要更換砂輪。冰刀是小型工件，加工冰刀的砂輪也是 小型砂輪（本文所選擇是直徑 40mm，厚 8mm 的砂輪），所以設計砂輪時，可以將三塊不同級別的砂輪合并成一塊 ，更換砂輪時， Y 軸帶動砂輪在 Y 軸進給一段位移，就可以轉(zhuǎn)換砂輪 。 冰刀與砂輪位置關(guān)系 冰刀與砂輪的位置關(guān)系也會對冰刀刀刃的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。冰刀手工研磨冰刀時，人工控制砂輪研磨冰刀，很難保證砂輪面和冰刀刀刃面始終平齊，很容易把刀刃面磨得不平整，產(chǎn)生偏刃。在冰刀的數(shù)控研磨時同樣要注意這個問題。冰刀與砂輪的位置關(guān)系需要保證兩點。 （ 1）冰刀要能落在砂輪的加工范圍內(nèi)，如圖 （ a）所示。 （ 2）砂輪的軸線 n1 與冰刀面的法線 n2（與冰刀面垂直的豎線）必須平行，否 則就會產(chǎn)生偏刃，如圖 （ b），（ c），（ d）所示。 20 圖 砂輪與冰刀的位置關(guān)系 砂輪的修整 1）砂輪的磨損機理 在磨削過程中，用于磨削力和磨削溫度的作用。砂輪工作表面上的磨粒會逐漸的磨鈍。磨鈍后的砂輪，將影響被磨工件的表面質(zhì)量和幾何精度，常引起振動、噪音、粗糙度增大、產(chǎn)生裂紋、燒傷和殘余應力等。因此，砂輪和其它切削工具一樣需要定期“刃磨”，也就是需要定期修整。磨料磨具的固有特性和被加工材料的物理化學作用是 影響磨削質(zhì)量好壞的重要因素。砂輪的磨削加工過程中，砂輪的磨損形式主要有機械磨損、化學磨損和粘附磨損三種。砂輪的修整在磨削中占有重要的地位，是充分發(fā)揮磨料磨具優(yōu)異性能的必要條件。 2）砂輪的參數(shù) 由于砂輪在磨削過程中的熱變形和磨損作用，在砂輪停止加工后和加工中尺寸會有所變化，如圖 所示。因此在每次磨削前先要將砂輪修整一次，獲得一個比較準確的半徑初始值。當砂輪半徑小于設定最小值時系統(tǒng)要給出提示信息。砂輪數(shù)據(jù)保存在相應的砂輪文件中，可以隨時調(diào)出編輯。對冰刀研磨加工，采用普通砂輪，精度要求比較高，所以每磨削 一定圈數(shù)要進行砂輪修整。對砂輪的磨削和修整是通過設定砂輪和工藝參數(shù)來實現(xiàn)的。冰刀砂輪的最主要的兩個參 21 數(shù)是寬度和半徑，因為砂輪的寬度決定 Y 軸的移動幅度，半徑對砂輪恒線速度的控制和加工精度具有重要意義。 圖 磨損砂輪的表面形狀（放大效果） 3）砂輪修整方法 本系統(tǒng)是根據(jù)計數(shù)器設定或手工測量來控制修整砂輪，砂輪的修整主要有兩方面的內(nèi)容：修形，修銳。 （ 1）修形 修形又包括兩個方面的內(nèi)容：修砂輪圓度與修砂輪圓柱表面的平整度。砂輪使用久了，其外表面就會出現(xiàn)如圖 所示的缺陷，而且砂輪的圓整度也會 發(fā)生微小的變化，如圖 所示。修形就是修整砂輪的外圓面和砂輪的圓整度。修形時，用金剛石筆將砂輪的外圓半徑磨掉一層，如圖 所示。使砂輪重新恢復標準的圓柱形，然后量出砂輪新的半徑，再將新的半徑值補償?shù)娇刂葡到y(tǒng)中去。 （ 2）修銳 砂輪使用一段時間后，起切削作用的小磨粒會折斷或者被磨平，或者磨粒之間的空間被切削物所填滿，造成磨粒的磨削功能下降。這時需要用油石研磨砂輪，一方面將砂粒之間的微小填充物清洗出來，一方面將微小的磨粒打銳。 22 圖 砂輪的修形示意圖 本章小結(jié) 本章結(jié)合了數(shù)控研磨的特點， 研究了影響冰刀研磨質(zhì)量的各種因素，確定了各種因素的工藝取值范圍，在此基礎(chǔ)上，介紹了自動生成冰刀研磨加工工藝卡的方法。設計了冰刀的砂輪結(jié)構(gòu)，介紹了砂輪的修整方法。 23 4 冰刀研磨機控制系統(tǒng)方案 正確的研磨工藝是保證研磨質(zhì)量的必要前提，而穩(wěn)定可靠的研磨控制過程又是研磨工藝得以實現(xiàn)的技術(shù)保證。冰刀研磨的控制過程分為三個研磨級別的控制過程，而每一級別控制過程中又由多次單次加工循環(huán)組成。每單次加工過程中有許多細節(jié)控制步驟，對這些細節(jié)步驟的控制和把握會對冰刀的最后研磨質(zhì)量產(chǎn)生重要影響 。加工過程中，還要采取方法控制砂輪具有恒定的加工線速度。 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 冰刀研磨機的控制系統(tǒng)以通用 PC 機作為基本的硬件平臺，通過打印機接口外接自行設計的板卡，把冰刀研磨機作為通用 PC 機的一個外設，實現(xiàn) PC 直接數(shù)控，從而將冰刀研磨機集成為便攜式的數(shù)控產(chǎn)品。采用通用 PC 機通過打印機接口與研磨機聯(lián)接， PC 機可以根據(jù)需要與機器本身分開，也可聯(lián)機共同工作，為該設備的便攜式提供了靈活的組成方式，可以把機床想打印機一樣的方面的連接在任何一臺普通的通用 PC 機上。同時，以通用 PC 機作為基 本的硬件平臺也可省略專用控制器的接線和板卡設計，簡化了控制系統(tǒng)的自身的結(jié)構(gòu)。 研磨的運動控制分析 冰刀的刀刃線形狀比較簡單，主要由幾段相切的圓弧線組成。冰刀加工時，由三個移動軸控制工作臺對冰刀進行加工。其運動可以分解為：旋轉(zhuǎn)主軸帶動砂輪作旋轉(zhuǎn)運動； Z、 X 軸：兩軸聯(lián)動，完成對冰刀刀刃輪廓線的研磨； X、 Y、 Z 軸：三軸聯(lián)動，帶動砂輪走螺旋線的軌跡運動。 1）砂輪的控制運動 本文的砂輪是安裝在工作臺上，所以砂輪的運動方式有三種：（ 1）隨主軸做主旋轉(zhuǎn)運動。（ 2）隨 X 軸和 Z 軸聯(lián)動完成對冰刀刀刃輪廓線 的研磨。（ 3）隨 Y 軸做來回的往復移動。以下重點對砂輪的第三種運動進行分析說明。如圖 所以，方框表示砂輪研磨圓柱面的展開，方框里的線條表示加工點在砂輪面上留下的研磨軌跡。圖 (a)，砂輪不擺動，砂輪磨削面上的所有實際起磨削作用的有效磨削點將集中于一條線上。砂輪厚 8mm，冰刀刃厚 2mm，這樣很快就會將砂輪磨出一條槽，大大浪費了砂輪的使用效率。而圖 (b)時，砂輪在做進給運動時，同時沿機床的 Y 方向軸上做來回的往復擺動，這樣砂輪的整個外圓柱面就將參與冰刀的研磨加工，將砂輪從 (a)中的一條線的徑向磨損均 勻分散到一個圓柱面上的徑向磨損，大大提高砂輪的使用效率和使用壽命，節(jié)省成本，還能方便對以后的砂輪修整。 24 圖 磨削點在砂輪面上的運動軌跡 2）研磨的控制流程 由工藝可知，冰刀的研磨分粗磨、精磨、拋光磨三級。每級研磨中，都需要多次研磨過程來完成，加工起始時，研磨機的測量部分給出冰刀的研磨量，控制系統(tǒng)會自動計算出每級研磨的研磨量和每級研磨的研磨次數(shù)，并以工藝卡的 形式在人機界面中 操作員顯示出來。操作員可以適當?shù)男薷膫€別的加工參數(shù)。在任何一級研磨中，砂輪每完成單次加工過程，控制系統(tǒng)都會做出判斷是否進入下一 級的加工，或者是否完成加工。 本文數(shù)控伺服系統(tǒng)中，有四個伺服軸：主軸、 X 軸、 Y 軸和 Z 軸。主軸帶動砂輪作回轉(zhuǎn)運動，由于工件質(zhì)量和體積都較小，機械慣量、機械常數(shù)也較小，所以其機械滯后比較小，在實際加工中形成輪廓曲線時只要有小的滯后誤差。而且，砂輪直接由主軸電機帶動，不經(jīng)過其它傳動裝置，傳動誤差很小。 X 軸、 Y 軸和 Z 軸，主要是帶動運動臺刀架上下左右運動，由于是便攜式的機床，運動臺重量輕、機械慣量小，響應較快。故對 X 軸、 Y 軸和 Z 軸也采用半閉環(huán)控制方式。 砂輪恒線速度的控制 為了保證工件表面的研磨質(zhì)量，必須要求砂輪保持表面的線速度恒定。如研磨工藝中所知，為了保持砂輪的切削力和表面光潔平整性，一段時間后就得對砂輪進行修整。這樣砂輪的半徑就會不斷減小，如果轉(zhuǎn)速是恒定的，所以砂輪的線速度就會隨之減小。這時，為了保證砂輪的加工線速度恒定，就得隨著砂輪的半徑的改變而改變砂輪的轉(zhuǎn)速。本文采取的是三相交流伺服電機，本文采取如下方法實現(xiàn)對砂輪的恒線速度旋轉(zhuǎn)。如圖 所示：采取 CNCPLC 模擬量單元的數(shù)據(jù)及信號處理環(huán)節(jié)，而在執(zhí)行環(huán)節(jié)中，用變頻器來實現(xiàn) 對交流電機的控制。同時設計合理的信號數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，主 要包括程序， PLC 程序，變頻參數(shù)設置等，以滿足控制方式的要求。 25 圖 砂輪恒線速度控制 在數(shù)控環(huán)節(jié)完成對當前砂輪直徑值的數(shù)值運算后，通過數(shù)控單元與 PLC 單于的數(shù)據(jù)交換，把砂輪直徑送入 PLC 數(shù)據(jù)位，由 PLC 通過模擬量輸出單元送出 0+10V 的控制電壓，控制變頻器的運行，達到對電機轉(zhuǎn)速控制的目的。實現(xiàn) 砂輪恒速度的控制。 NC 與 PLC 的信號傳遞采用指令，模擬量單元作為一個 PLC 的擴展單元插在 PLC 插槽中，直接接受 PLC 程序的數(shù)據(jù)傳送指令，并實現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換輸出。對交流變頻器參數(shù)必須加以設定。根據(jù)砂輪轉(zhuǎn)速，計算出合理的基本頻率和最高頻率，使 0 至 10V 的模擬電壓輸入與之相適應。 本章小結(jié) 本章在數(shù)控硬件體系的基礎(chǔ)上，仔細分析了冰刀研磨加工的控制過程，提出了砂輪的特殊運動方法，機理和過程，采取了半閉環(huán)的伺服位置控制方案，研究了砂輪保持恒定線數(shù)度的控制方法。 26 5 冰刀研磨機機械結(jié)構(gòu)的幾何建模 構(gòu)建虛擬樣機必須進行機械零、部件的三維實體造型。三維實體模型的構(gòu)筑對于虛擬樣機的仿真和分析十分重要，必須充分理解 所構(gòu)建的機械結(jié)構(gòu)的各個零、部件的外形以及它們之間的相對位置和裝配關(guān)系，在實體建模時嚴格按照實際的尺寸來進行，只有如此才能達到仿真時對可信度的要求。在本文的研究中，我們應用 Solid edge 三維造型軟件進行冰刀研磨機的建模和裝配。 Solid Edge 軟件簡介 Solid Edge 是西門子的兩大 CAD 產(chǎn)品之一。西門子的另一個 CAD 產(chǎn)品是NX，主要應用于汽車、航空航天、模具等行業(yè)。 Solid Edge 用于通用機械行業(yè)。與 NX 相比，在設計簡單零件時，效率更高。另外 Solid Edge 與 Windows 操 作系統(tǒng)，與其它的 Windows 應用軟件，例如 Office 系列，兼容性更好。 Solid Edge 軟件的特點和功能 編輯 1） 純 Windows 的 CAD 系統(tǒng) Solid Edge 是真正的原創(chuàng) Windows 軟件 。它不是將工作站 軟件 生硬地搬到Windows，而是充分利用了 Windows 基于 組件對象模型 （ COM）的先進技術(shù)重寫代碼，這就使得習慣使用 Windows 軟件的用戶倍感親切。 Solid Edge 調(diào)動全部Windows 的功能，提高設計工程效率，縮短學習時間，減少培訓費用和對系統(tǒng)的管理。 Solid Edge 與 Microsoft Office 兼容，與 Windows OLE 技術(shù)兼容，這使得設計師 們使用 CAD 系統(tǒng)時，能夠進行 Windows 下的字處理、電子報表、數(shù)據(jù)庫、演示和 電子郵件 包等，也能與其它 OLE 兼容系統(tǒng)集成。 2） 參變數(shù)設計技術(shù)和特征技術(shù) Solid Edge 是基于參數(shù)和特征實體造型的新一代機械設計 CAD 系統(tǒng)。它是為設計人員專門開發(fā)的、易于理解和操作的實體造型系統(tǒng)并完全執(zhí)行設計工程師的意圖。專業(yè)設計人員完全可以利用參變數(shù)技術(shù)，完成幾乎任何機械零件或裝配件的造型，并且可以把 SOLIDEDGE 特征保存在特征庫內(nèi)供以后使用。 3） 先進的基于特征的造型技術(shù) Solid Edge 采用特征造型技術(shù)。這一 技術(shù)記錄了設計的全部過程，工程師可以在特征管理器 (FeaturePathFinder)中瀏覽、修改特征，甚至改變特征的次序。這就使設計人員在發(fā)現(xiàn)設計有誤時，修改極為方便。只需重新編輯特征，系統(tǒng)將按照最新的修改重新計算零件，實際上，這一技術(shù)也是變量表和零件族技術(shù)的基礎(chǔ)。 4） 裝配設計 Solid Edge 的裝配采用樹狀的管理方式。一個裝配件內(nèi)可以包含多個子裝配件和零件，層次清楚并易于管理。從裝配的方式來說，它同時支持自頂向下的和 27 自底向上的裝配技術(shù)。用戶可以使用鄰近零件的幾何圖形，以確保裝配的準確性，保證了新零 件的造型可以在裝配部件內(nèi)進行。 Solid Edge 包含一個獨特的爆炸環(huán)境，可以在保留裝配結(jié)構(gòu)和零件關(guān)系的同時，使系統(tǒng)按預先設定的方向自動爆炸裝配件；同時也可以由用戶手動操作，按照自定義的方式設定各種裝配方向和距離。 Solid Edge 在處理大規(guī)模裝配時獨具匠心，采用了一系列技術(shù)： 5） 對 2 維用戶 3 維的生產(chǎn)力 對于設計工程師來說 ,將二維圖紙轉(zhuǎn)化為基于實體的三維設計 ,Solid Edge 是理想的解決方案。運用完全集成的 2D 和 3D 設計功能， Solid Edge 架起了一條通往實體造型設計技術(shù)的安全橋梁， Solid Edge 提供了一個簡單的方法 ,借助已有的