【導(dǎo)讀】成員，指導(dǎo)教師，專業(yè)，年級(jí)（班級(jí)），起止日期，制表日期。詞中間用分號(hào)隔開(kāi)，最后一個(gè)關(guān)鍵詞后不用標(biāo)點(diǎn)符號(hào)，關(guān)鍵詞一般為5—8個(gè)。為[Keywords]），四部份內(nèi)容獨(dú)立成頁(yè)，頂格排版。18陳曉華，邸陽(yáng)．多功能水平定位便攜式冰刀刃磨機(jī)的研制及應(yīng)用．冰雪運(yùn)動(dòng)，綜合訓(xùn)練的目的；、份量是否適當(dāng)；本文針對(duì)影響冰刀研磨設(shè)備便攜性的因素，提出了兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備便攜性的方法。許國(guó)柱同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計(jì)為冰刀研磨機(jī)設(shè)計(jì)，該選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，該生查閱文獻(xiàn)資料能力較強(qiáng)，能夠全面收集關(guān)于冰刀研磨機(jī)的資料，畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jí)研磨，控制系統(tǒng)根據(jù)研磨總量自動(dòng)。研究設(shè)計(jì)了冰刀研磨的專用砂輪，同時(shí)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(jī)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(shí)，粘附作用很明顯，不適 合做本項(xiàng)目的磨料；研磨產(chǎn)生熱量時(shí)，碳化硅在容易和鋼鐵材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以也不適合做本項(xiàng)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(xué)反應(yīng)。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(jiǎn)化加工工藝。冰刀研磨分粗磨、精磨、拋光磨三級(jí)研磨，對(duì)應(yīng)有粗磨、精磨、拋光磨三級(jí)砂輪。當(dāng)從一種級(jí)別研磨向另一種級(jí)別轉(zhuǎn)換時(shí)，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(shè)計(jì)砂輪時(shí)，可以將三塊不同級(jí)別的砂輪合并成一塊 ，更換砂輪時(shí)， Y 軸帶動(dòng)砂輪在 Y 軸進(jìn)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(huì)對(duì)冰刀刀刃的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。冰刀手工研磨冰刀時(shí)，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(shí)同樣要注意這個(gè)問(wèn)題。冰刀與砂輪的位置關(guān)系需要保證兩點(diǎn)。 （ 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(huì)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(jī)理 在磨削過(guò)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(huì)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(dòng)、噪音、粗糙度增大、產(chǎn)生裂紋、燒傷和殘余應(yīng)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(xué)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(guò)程中，砂輪的磨損形式主要有機(jī)械磨損、化學(xué)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(guò)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(huì)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(gè)比較準(zhǔn)確的半徑初始值。當(dāng)砂輪半徑小于設(shè)定最小值時(shí)系統(tǒng)要給出提示信息。砂輪數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的砂輪文件中，可以隨時(shí)調(diào)出編輯。對(duì)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(jìn)行砂輪修整。對(duì)砂輪的磨削和修整是通過(guò)設(shè)定砂輪和工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。冰刀砂輪的最主要的兩個(gè)參 21 數(shù)是寬度和半徑，因?yàn)樯拜喌膶挾葲Q定 Y 軸的移動(dòng)幅度，半徑對(duì)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(jì)數(shù)器設(shè)定或手工測(cè)量來(lái)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(gè)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(huì)出現(xiàn)如圖 所示的缺陷，而且砂輪的圓整度也會(huì) 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(shí)，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(fù)標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形，然后量出砂輪新的半徑，再將新的半徑值補(bǔ)償?shù)娇刂葡到y(tǒng)中去。 （ 2）修銳 砂輪使用一段時(shí)間后，起切削作用的小磨粒會(huì)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(shí)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(lái)，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(diǎn)， 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(dòng)生成冰刀研磨加工工藝卡的方法。設(shè)計(jì)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(jī)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(guò)程又是研磨工藝得以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)保證。冰刀研磨的控制過(guò)程分為三個(gè)研磨級(jí)別的控制過(guò)程，而每一級(jí)別控制過(guò)程中又由多次單次加工循環(huán)組成。每單次加工過(guò)程中有許多細(xì)節(jié)控制步驟，對(duì)這些細(xì)節(jié)步驟的控制和把握會(huì)對(duì)冰刀的最后研磨質(zhì)量產(chǎn)生重要影響 。加工過(guò)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(jī)的控制系統(tǒng)以通用 PC 機(jī)作為基本的硬件平臺(tái)，通過(guò)打印機(jī)接口外接自行設(shè)計(jì)的板卡，把冰刀研磨機(jī)作為通用 PC 機(jī)的一個(gè)外設(shè)，實(shí)現(xiàn) PC 直接數(shù)控，從而將冰刀研磨機(jī)集成為便攜式的數(shù)控產(chǎn)品。采用通用 PC 機(jī)通過(guò)打印機(jī)接口與研磨機(jī)聯(lián)接， PC 機(jī)可以根據(jù)需要與機(jī)器本身分開(kāi)，也可聯(lián)機(jī)共同工作，為該設(shè)備的便攜式提供了靈活的組成方式，可以把機(jī)床想打印機(jī)一樣的方面的連接在任何一臺(tái)普通的通用 PC 機(jī)上。同時(shí)，以通用 PC 機(jī)作為基 本的硬件平臺(tái)也可省略專用控制器的接線和板卡設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的自身的結(jié)構(gòu)。 研磨的運(yùn)動(dòng)控制分析 冰刀的刀刃線形狀比較簡(jiǎn)單，主要由幾段相切的圓弧線組成。冰刀加工時(shí)，由三個(gè)移動(dòng)軸控制工作臺(tái)對(duì)冰刀進(jìn)行加工。其運(yùn)動(dòng)可以分解為：旋轉(zhuǎn)主軸帶動(dòng)砂輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； Z、 X 軸：兩軸聯(lián)動(dòng)，完成對(duì)冰刀刀刃輪廓線的研磨； X、 Y、 Z 軸：三軸聯(lián)動(dòng)，帶動(dòng)砂輪走螺旋線的軌跡運(yùn)動(dòng)。 1）砂輪的控制運(yùn)動(dòng) 本文的砂輪是安裝在工作臺(tái)上，所以砂輪的運(yùn)動(dòng)方式有三種：（ 1）隨主軸做主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（ 2）隨 X 軸和 Z 軸聯(lián)動(dòng)完成對(duì)冰刀刀刃輪廓線 的研磨。（ 3）隨 Y 軸做來(lái)回的往復(fù)移動(dòng)。以下重點(diǎn)對(duì)砂輪的第三種運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析說(shuō)明。如圖 所以，方框表示砂輪研磨圓柱面的展開(kāi)，方框里的線條表示加工點(diǎn)在砂輪面上留下的研磨軌跡。圖 (a)，砂輪不擺動(dòng)，砂輪磨削面上的所有實(shí)際起磨削作用的有效磨削點(diǎn)將集中于一條線上。砂輪厚 8mm，冰刀刃厚 2mm，這樣很快就會(huì)將砂輪磨出一條槽，大大浪費(fèi)了砂輪的使用效率。而圖 (b)時(shí)，砂輪在做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)沿機(jī)床的 Y 方向軸上做來(lái)回的往復(fù)擺動(dòng)，這樣砂輪的整個(gè)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(gè)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(duì)以后的砂輪修整。 24 圖 磨削點(diǎn)在砂輪面上的運(yùn)動(dòng)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(jí)。每級(jí)研磨中，都需要多次研磨過(guò)程來(lái)完成，加工起始時(shí)，研磨機(jī)的測(cè)量部分給出冰刀的研磨量，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出每級(jí)研磨的研磨量和每級(jí)研磨的研磨次數(shù)，并以工藝卡的 形式在人機(jī)界面中 操作員顯示出來(lái)。操作員可以適當(dāng)?shù)男薷膫€(gè)別的加工參數(shù)。在任何一級(jí)研磨中，砂輪每完成單次加工過(guò)程，控制系統(tǒng)都會(huì)做出判斷是否進(jìn)入下一 級(jí)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(gè)伺服軸：主軸、 X 軸、 Y 軸和 Z 軸。主軸帶動(dòng)砂輪作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于工件質(zhì)量和體積都較小，機(jī)械慣量、機(jī)械常數(shù)也較小，所以其機(jī)械滯后比較小，在實(shí)際加工中形成輪廓曲線時(shí)只要有小的滯后誤差。而且，砂輪直接由主軸電機(jī)帶動(dòng)，不經(jīng)過(guò)其它傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)誤差很小。 X 軸、 Y 軸和 Z 軸，主要是帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)臺(tái)刀架上下左右運(yùn)動(dòng)，由于是便攜式的機(jī)床，運(yùn)動(dòng)臺(tái)重量輕、機(jī)械慣量小，響應(yīng)較快。故對(duì) 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(shí)間后就得對(duì)砂輪進(jìn)行修整。這樣砂輪的半徑就會(huì)不斷減小，如果轉(zhuǎn)速是恒定的，所以砂輪的線速度就會(huì)隨之減小。這時(shí)，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(jī)，本文采取如下方法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)處理環(huán)節(jié)，而在執(zhí)行環(huán)節(jié)中，用變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)交流電機(jī)的控制。同時(shí)設(shè)計(jì)合理的信號(hào)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(shè)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(duì)當(dāng)前砂輪直徑值的數(shù)值運(yùn)算后，通過(guò)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(guò)模擬量輸出單元送出 0+10V 的控制電壓，控制變頻器的運(yùn)行，達(dá)到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的目的。實(shí)現(xiàn) 砂輪恒速度的控制。 NC 與 PLC 的信號(hào)傳遞采用指令，模擬量單元作為一個(gè) PLC 的擴(kuò)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(shí)現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換輸出。對(duì)交流變頻器參數(shù)必須加以設(shè)定。根據(jù)砂輪轉(zhuǎn)速，計(jì)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(yīng)。 本章小結(jié) 本章在數(shù)控硬件體系的基礎(chǔ)上，仔細(xì)分析了冰刀研磨加工的控制過(guò)程，提出了砂輪的特殊運(yùn)動(dòng)方法，機(jī)理和過(guò)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(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何建模 構(gòu)建虛擬樣機(jī)必須進(jìn)行機(jī)械零、部件的三維實(shí)體造型。三維實(shí)體模型的構(gòu)筑對(duì)于虛擬樣機(jī)的仿真和分析十分重要，必須充分理解 所構(gòu)建的機(jī)械結(jié)構(gòu)的各個(gè)零、部件的外形以及它們之間的相對(duì)位置和裝配關(guān)系，在實(shí)體建模時(shí)嚴(yán)格按照實(shí)際的尺寸來(lái)進(jìn)行，只有如此才能達(dá)到仿真時(shí)對(duì)可信度的要求。在本文的研究中，我們應(yīng)用 Solid edge 三維造型軟件進(jìn)行冰刀研磨機(jī)的建模和裝配。 Solid Edge 軟件簡(jiǎn)介 Solid Edge 是西門子的兩大 CAD 產(chǎn)品之一。西門子的另一個(gè) CAD 產(chǎn)品是NX，主要應(yīng)用于汽車、航空航天、模具等行業(yè)。 Solid Edge 用于通用機(jī)械行業(yè)。與 NX 相比，在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單零件時(shí)，效率更高。另外 Solid Edge 與 Windows 操 作系統(tǒng)，與其它的 Windows 應(yīng)用軟件，例如 Office 系列，兼容性更好。 Solid Edge 軟件的特點(diǎn)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(duì)象模型 （ COM）的先進(jìn)技術(shù)重寫(xiě)代碼，這就使得習(xí)慣使用 Windows 軟件的用戶倍感親切。 Solid Edge 調(diào)動(dòng)全部Windows 的功能，提高設(shè)計(jì)工程效率，縮短學(xué)習(xí)時(shí)間，減少培訓(xùn)費(fèi)用和對(duì)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(shè)計(jì)師 們使用 CAD 系統(tǒng)時(shí)，能夠進(jìn)行 Windows 下的字處理、電子報(bào)表、數(shù)據(jù)庫(kù)、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(shè)計(jì)技術(shù)和特征技術(shù) Solid Edge 是基于參數(shù)和特征實(shí)體造型的新一代機(jī)械設(shè)計(jì) CAD 系統(tǒng)。它是為設(shè)計(jì)人員專門開(kāi)發(fā)的、易于理解和操作的實(shí)體造型系統(tǒng)并完全執(zhí)行設(shè)計(jì)工程師的意圖。專業(yè)設(shè)計(jì)人員完全可以利用參變數(shù)技術(shù)，完成幾乎任何機(jī)械零件或裝配件的造型，并且可以把 SOLIDEDGE 特征保存在特征庫(kù)內(nèi)供以后使用。 3） 先進(jìn)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(shè)計(jì)的全部過(guò)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(shè)計(jì)人員在發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)有誤時(shí)，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(jì)算零件，實(shí)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(shè)計(jì) Solid Edge 的裝配采用樹(shù)狀的管理方式。一個(gè)裝配件內(nèi)可以包含多個(gè)子裝配件和零件，層次清楚并易于管理。從裝配的方式來(lái)說(shuō)，它同時(shí)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(zhǔn)確性，保證了新零 件的造型可以在裝配部件內(nèi)進(jìn)行。 Solid Edge 包含一個(gè)獨(dú)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(shí)，使系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)定的方向自動(dòng)爆炸裝配件；同時(shí)也可以由用戶手動(dòng)操作，按照自定義的方式設(shè)定各種裝配方向和距離。 Solid Edge 在處理大規(guī)模裝配時(shí)獨(dú)具匠心，采用了一系列技術(shù)： 5） 對(duì) 2 維用戶 3 維的生產(chǎn)力 對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō) ,將二維圖紙轉(zhuǎn)化為基于實(shí)體的三維設(shè)計(jì) ,Solid Edge 是理想的解決方案。運(yùn)用完全集成的 2D 和 3D 設(shè)計(jì)功能， Solid Edge 架起了一條通往實(shí)體造型設(shè)計(jì)技術(shù)的安全橋梁， Solid Edge 提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法 ,借助已有的