【正文】 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。 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。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)。 4） 裝配設(shè)計(jì) Solid Edge 的裝配采用樹(shù)狀的管理方式。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。 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)。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。 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。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)重寫代碼，這就使得習(xí)慣使用 Windows 軟件的用戶倍感親切。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 用于通用機(jī)械行業(yè)。 Solid Edge 軟件簡(jiǎn)介 Solid Edge 是西門子的兩大 CAD 產(chǎn)品之一。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。 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。對(duì)交流變頻器參數(shù)必須加以設(shè)定。實(shí)現(xiàn) 砂輪恒速度的控制。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。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)。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。 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。 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。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。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。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)。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。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。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。（ 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。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)。 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。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。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。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。設(shè)計(jì)了冰刀的砂輪結(jié)構(gòu)，介紹了砂輪的修整方法。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。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。修形就是修整砂輪的外圓面和砂輪的圓整度。 （ 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。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。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。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。 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。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。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。砂輪工作表面上的磨粒會(huì)逐漸的磨鈍。 （ 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。冰刀與砂輪的位置關(guān)系需要保證兩點(diǎn)。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。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。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。 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。在一 19 定工藝方法前提下，只有在選定好與被加工材料能相匹配的研磨材料，才能得到理想的數(shù)控加工效果。加工材料微觀分子將十分活躍，產(chǎn)生復(fù)雜物理作用，機(jī)械作用，化學(xué)作用。機(jī)床重要組成元件如絲杠、導(dǎo)軌、電機(jī)、以及機(jī)床的剛度和裝夾技術(shù)會(huì)對(duì)機(jī)床精度產(chǎn)生重要的影響，從而對(duì)工件的加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。在本章后續(xù)章節(jié)中會(huì)專門介紹冰刀研磨機(jī)砂輪的修整和補(bǔ)償方法。這些因素會(huì)對(duì)精度要求較高的冰刀研磨質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。 6）砂輪補(bǔ)償技術(shù) 砂輪補(bǔ)償技術(shù)是保證冰刀研磨質(zhì)量的重要因素。在每一級(jí)的研磨中，只要能達(dá)到所在 級(jí)別的研磨質(zhì)量要求的前提下，可以盡量選擇偏粗的磨粒，這樣可以提高研磨的效率。在本文的冰刀研磨過(guò)程中，粗磨時(shí)，進(jìn)給速度為 400mm/min；精磨時(shí)，進(jìn)給速度為 600mm/min；拋光磨時(shí)，進(jìn)給速度為 800mm/min。因此，應(yīng)該根據(jù)不同的研磨級(jí)別，確定相應(yīng)的進(jìn)給速度。但是考慮到研磨效率和產(chǎn)熱因素，進(jìn)給速度不能太低。在本文冰刀研磨過(guò)程中，粗 磨時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為 8000～ 10000r/min；精磨時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為 10000～12020r/min；拋光磨時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為 12020～ 18000r/min。同樣，主軸的轉(zhuǎn)速根據(jù)不同的研磨級(jí)別會(huì)不同。 17 3）主軸轉(zhuǎn)速 在一定范圍內(nèi)，提高主軸的轉(zhuǎn)速會(huì)提高冰刀的研磨質(zhì)量，但高到一定值時(shí)，其研磨質(zhì)量卻會(huì)下降。不同的研磨級(jí)別，單次研磨量是會(huì)不相同的。 2）單次磨削量 機(jī)床控制砂輪對(duì)冰刀進(jìn)行加工時(shí)，在單次的加工過(guò)程中，砂輪對(duì)冰刀的縱向的研磨量為單次研磨量。這些作用都會(huì)明顯地影響加工的 效果和質(zhì)量，只有在正確選取能與 工件材料相匹配的研磨材料時(shí)，才會(huì)得到好的研磨質(zhì)量。數(shù)控加工速度快，效率高，完成一把刀的加工時(shí)間只要 3～ 5 分鐘，加工精度高。 （ 4）手工加工產(chǎn)熱低，數(shù)控加工產(chǎn)熱相對(duì)較大。 （ 3）手工加工靠操作員的手感，分級(jí)加 工不明顯，加工過(guò)程由人工來(lái)控制。 （ 2）加工進(jìn)給時(shí)，手工加工是斷續(xù)的，一段一段的推。 數(shù)控研磨的特點(diǎn) 與冰刀的手工研磨相比，冰刀的數(shù)控研磨在控制過(guò)程、加工工藝、加工設(shè)備都有手工研磨具有明顯的不同。 16 3 冰刀研磨的數(shù)控加工工藝 為了保障冰刀研磨的質(zhì)量、效率和可靠性，就必須對(duì)冰刀研磨工藝進(jìn)行研究。 圖 磨粒上的作用力 根據(jù)圖 ，在 X ? X截面內(nèi)作用在磨粒上的切削力 xdF 可按下式求得： ?? c o sc o sdsFdF px ? 式中， pF －單位磨削力（ N/2mm ）； ds －接觸面積； ? －磨粒半頂錐角； ? －切削力方向與 x 方向的夾角。從圖 可以看出， xdF 作用力分解為法 向推力 dFnx 和側(cè)向推力 txdF 。在不考慮摩擦作用的情況下，切削力 xdF 垂直作用于磨粒錐面上。磨削普通鋼料時(shí)， nF / tF ＝ ～ 3。一般磨削中，軸向磨削力 aF 較小，可以忽略不計(jì)。 磨削力的計(jì)算 磨削力是工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和接合劑與工件表面之間的摩擦作用。兩套緊固螺桿，操作方便 ，能起到有效的緊固定位作用。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)一套性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、操作迅速方便的冰刀專用夾具是必須的也是可行的冰刀的裝夾質(zhì)量會(huì)對(duì)冰刀后續(xù)的加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響， 本文采取兩點(diǎn)定位的裝夾方法，不會(huì)影響冰刀的長(zhǎng)度方向的彎度。 根據(jù)對(duì)機(jī)床夾具的分析： （ 1）冰刀研磨機(jī)是一臺(tái)專門用來(lái)加工冰刀的機(jī)床； （ 2）運(yùn)動(dòng)隊(duì)員使用冰刀的加工數(shù)量不大； （ 3）冰刀小巧，形狀有自身特色，長(zhǎng)度尺寸不一樣，長(zhǎng)度方向具備一定的彎度。 12 圖 受彎主軸計(jì)算簡(jiǎn)圖 冰刀的裝夾技術(shù) 加工冰刀時(shí)，為了保證冰刀良好的定位和冰刀的加工剛度，就必須有適合冰刀的夾具來(lái)裝夾冰刀。主軸的剛度為 在本設(shè)計(jì)中，我們選擇單列向 心球軸承，其簡(jiǎn)化后的支點(diǎn)在軸承中部；通常，主軸前端的懸伸長(zhǎng)度 a 由構(gòu)造決定，根據(jù)冰刀研磨機(jī)的整體尺寸，取 a = 20mm；一般情況下 I= (3 ~ 5)a，大型磨床取下限，中小型磨床取上限，故取 I= 60mm。磨床的砂輪主軸多數(shù)采用兩點(diǎn)支承，主軸剛度的計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖 ，根據(jù)材料力學(xué)， 式中 I 主軸支撐之間那一段的當(dāng)量慣性矩， ),( 44 dDI ?? dD, 主軸支撐之間那一段的當(dāng)量外徑和孔徑。整個(gè)砂輪架與 Z 軸絲杠相連，實(shí)現(xiàn) Z 方向的運(yùn)動(dòng)。 砂輪架的設(shè)計(jì) 砂輪架（磨具、磨頭）是磨床上用來(lái)帶動(dòng)砂輪作高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，圖 11 是冰刀研磨機(jī)的砂輪架結(jié)構(gòu)。絲杠的剛度與直徑大小直接相關(guān)，直徑大、剛度好，但直徑太大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也大，考慮到研磨機(jī)屬于小型加工設(shè)備，取滾珠絲杠的直徑為 20mm，所以選擇公稱直徑 20mm，公稱導(dǎo)程 6mm，絲杠外徑 的滾珠絲杠副。由于工作臺(tái)本身的高度（ 220mm）度、砂輪架的高度（ 110mm）和裝夾尺寸，所以將 Z 軸的總尺寸設(shè)定為 400mm。 圖 冰刀加工尺寸示意圖 刀刃可加工厚度不超過(guò) 30mm，如圖 所示，要給工作臺(tái)留出一段加、減速行程，所以 Y 軸的行程為 60mm；再加上工作臺(tái)本身的寬度（ 200mm）和裝夾尺寸，得出 Y 軸的總尺寸為 318mm。 進(jìn)給軸的行程和尺寸 冰刀的長(zhǎng)度為 300～ 450mm，工作臺(tái)的實(shí)際加工行程就是所加工冰刀的長(zhǎng)度，即工作臺(tái)的實(shí)際加工行程為 300～ 450mm。砂輪安裝在砂輪架 15 上，由砂輪電機(jī) 14 帶動(dòng)砂輪 16 轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖 所示，冰刀固定在夾具 11 上； X 軸電機(jī) 9 帶動(dòng)絲杠 2 旋轉(zhuǎn)，使滑板 8 沿 X方向移動(dòng)，從而帶動(dòng)冰刀實(shí)現(xiàn) X 方向的運(yùn)動(dòng)，行程為 550mm，磨削刀刃表面和 90176。 冰刀的研磨過(guò)程主要有 X 向冰刀磨削運(yùn)動(dòng)， Y 向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和 Z 向調(diào)節(jié)砂輪運(yùn)動(dòng)，通過(guò)這三個(gè)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)任意弧度冰刀的研磨。 數(shù)控冰刀研磨機(jī)機(jī)械部分的總體布局如圖 所示，此冰刀研磨機(jī)采用立式設(shè)計(jì)，主要由 X 向進(jìn)給裝置、 Y 向進(jìn)給裝置、 Z 向進(jìn)給裝置、夾具、砂輪裝置五部分組成。此外，被加工工件的尺寸、 9 重量和技術(shù)要求與研磨機(jī)的布局有密切關(guān)系。表面形成的方法確定后，研磨機(jī)的布局、傳動(dòng)、結(jié)構(gòu) 及外形等就可初步?jīng)Q定。在總體布局確定后，才能確定部件之間的相對(duì)位置及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，進(jìn)一步具體設(shè)計(jì)研磨機(jī)。 冰刀研磨機(jī)的基本要求 （ 1）該設(shè)備是用于運(yùn)動(dòng)員研磨冰刀，設(shè)備應(yīng)簡(jiǎn)單、可靠、易操作、