軋輥磨床生產要求及研究分析

近年來，由於冶金、造紙、橡膠、塑料以及印染業的迅速發展，對軋輥磨削的技術要求也日趨提高。但是，在軋輥磨床的設計中，如何形成複雜的輥形輪廓曲面是一個難題。理論上，砂輪的橫向進給和縱向運動就可以加工出任意輪廓曲面的軋輥，但是由於加工的軋輥中凸量或中凹量很小，橫向運動精度要求高，所以要求在軋輥磨床中設計一個中高機構，軋輥輪廓曲線的生成就是通過這個中高機構來實現的。國外軋輥磨床上的中高機構有多種不同的結構形式，其中使用最廣泛的是凸輪槓桿機構，採用機械結構的中高機構雖能滿足軋輥輪廓表面的精度要求，但是結構比較複雜。因此，國外有些軋輥磨床製造廠家都在各自的產品中對其進行了改進設計，並引進了CNC設備。

例如納索斯烏尼恩公司軋輥磨床的中高機構採用偏心套的機構形式。東芝機械公司KWA-C型軋輥磨床的中高機構，取消了由中高凸輪驅動砂輪架繞支點擺動的傳統結構形式，採用了由控制裝置通過伺服電機驅動砂輪架進給絲杠直接進給實現中高磨削。瓦德里希濟根公司軋輥磨床的中高機構也已採用CNC機構。
1國內外已有軋輥輪廓曲線生成方法分析目前，國內外軋輥磨床輥形輪廓曲線的生成方法主要有以下6種，下面就各種曲線生成方法進行詳細的分析和比較。
1.1凸輪槓桿法凸輪槓桿法是軋輥磨床早期廣泛使用的曲線生成方法，它的中高機構實現原理如所示。砂輪架拖板變速箱電機m通過變速齒輪將運動傳到z1後分成兩路。一路通過z11、z12直到z13完成拖板縱向移動；另一路通過i直到z9，z10轉動凸輪，並推動直角槓桿A、B、C，使砂輪架繞支點D迴轉，砂輪即在工件長度的不同截面上磨出不同尺寸的直徑，移動機構F用以調整中高量。
凸輪槓桿法的優點：組成部分都是傳統部件，成本小，在精度要求不高，軋輥曲線種類較少時可以使用。
凸輪槓桿法的缺點：砂輪架架體必須做成三層結構，砂輪架抗彎剛度較小，而且在磨削工件直徑較小時，因為移動伸出太長，砂輪架剛度降低，在強力磨削時產生震動，導致磨削精度下降。凸輪受力非常大，導致磨損嚴重，致使加工精度下降。軋輥的曲線形狀取決於凸輪的形狀，在磨削不同曲線的軋輥時，要更換不同的凸輪，生產效率較低。凸輪種類要求很多，加工困難，柔性不好。？結構非常複雜，而且砂輪架的鎖定困難。
1.2電機直接驅動法日本東芝機械公司的KWA系列和義大利因賽公司的RCH系列軋輥磨床採用了結構最為簡單的實現方法，由數控系統控制伺服電機，經預加負荷給精密滾珠絲杠，直接驅動砂輪架橫向進給，通過控制橫向進給和縱向移動的複合運動，應用插補原理，實現中凸或中凹磨削。
滾珠絲杠是一種新型的螺旋傳動機構，主要組成為絲杠、螺母、滾珠和反向器。滾珠絲杠副螺母是在絲杠和螺母之間放入適量的滾珠使絲杠和螺母之間由滑動摩擦變為滾動摩擦的螺旋傳動。滾珠絲杠副的工作原理：當絲杠和螺母相對運動時，滾珠就沿絲杠螺旋滾道面滾動。
設滾珠絲杠基本導程為L0，伺服電機（電機重繞的研究與改進）編碼器精度為M脈衝/轉，則此傳動方式的脈衝當量（解析度）為U=1ML0，如果選擇電機編碼器精度很高，完全可以實現U=0.0001mm0.001mm的高檔數控系統要求，同時也能滿足軋輥磨床實現微小量中凸或中凹磨削。
使用這種方法的主要缺點：設備非常昂貴，不經濟。
主要優點：結構非常簡單。精度高，傳動系統簡化，機械效率提高。曲線形狀可按兩軸插補直接獲得，軟體控制，柔性好。
1.3電機蝸輪蝸桿偏心套法現代軋輥磨床大都取消了傳統的凸輪槓桿機構，代之以高性能的直流（或交流）伺服系統，由數控系統直接控制實現。由德國瓦德里希！濟根公司生產的WSC系列和國內貴州險峰機床廠生產的MK84系列以及星火機床有限責任公司推出的MK84系列軋輥磨床的中高機構，均採用靜壓偏心套機構，由位置脈衝發訊裝置發出控制指令，中高伺服電機經雙導程蝸輪蝸桿副和滾珠絲杠驅動偏心套做一定角度的迴轉，使砂輪架在水平方向上產生相應的微量位移，實現中凸或中凹磨削。
如所示，這種設計方案採用兩級尺寸放大，第一級將微小的砂輪架中心點的橫向進給，通過偏心套機構，轉變成推板3的直線運動，且行程變大，第二級通過蝸輪蝸桿副較大的降速比的特點，將滾珠絲杠的低速運動，轉變成電機的較高速運動，實現轉速的放大。
1.偏心套2.安全液壓裝置3.推板4.編碼器5.蝸輪蝸桿副6.
直流（或交流）電機7.滾珠絲杠8.軸承電機蝸輪蝸桿偏心套法實現原理圖設：偏心套的放大比例係數為K（K=H/h），蝸輪蝸桿減速比為I（I=Zl/Zg），滾珠絲杠基本導程為L0伺服電機編碼器精度為M脈衝/轉，則此傳動方式的脈衝當量為U=1MIKL0。
這種方法的主要缺點：機械結構相對複雜，且蝸輪蝸桿副易磨損。
主要優點：採用兩級放大，精度提高。整個系統是閉環系統，補償功能強大。
1.4齒輪齒條蝸輪蝸桿偏心套法這種方法的中高機構實現原理如所示，當走刀工作台進行軸向進給運動時，床身5上的齒條6，通過齒輪7驅動安裝在軸向走刀工作台上的蝸輪蝸桿機構8.隨著蝸輪的轉動，與其同軸的偏心調整盤9也隨之轉動。於是，偏心調整滑塊10上的偏心軸D圍繞蝸輪的軸心O，以偏心距e為半徑做圓周運動，因而支撐連桿11對於槓桿臂4上的支撐點A實現了升降運動，槓桿搖臂4對於砂輪磨頭安裝平台2的支撐點B相應的按比例升降。隨著砂輪磨頭安裝平台2隨鉸鏈軸O的轉角變化，不斷的改變著砂輪的切削深度，顯然，當偏心軸D處於最低位置時，砂輪切削深度t最淺，使磨削工件形成中高，當偏心軸D離開最低位置時，砂輪的切削深度則相應的增加t，偏心軸D離開最低位置越遠，砂輪的切削深度越深。偏心式中高形成機構，就是這樣在砂輪軸向走刀的過程中，相應的控制徑向走刀的切削深度，從而使工件外圓表面產生一定的中高量。
1.砂輪磨頭2.砂輪磨頭的安裝平台3.軸向走刀工作台4.
槓桿搖臂5.床身6.齒條7.齒輪8.蝸輪蝸桿機構9.偏心調整10.偏心調整滑塊11.支撐連桿齒輪齒條蝸輪蝸桿偏心套法實現原理圖使用這種方法，主要缺點：屬於開環結構，決定加工精度的因素很多，導致精度不高。軋輥的曲線形狀取決於偏心套的形狀和偏心量，加工曲線的種類單一。
主要優點：採用傳統的機械結構，機床成本低。
1.5靠模加工法靠模磨削是仿行磨削的一種，在專用機床上按放大樣板（或靠模）或放大圖進行磨削。靠模加工時，砂輪按靠模的形狀，不斷改變運動軌跡，將工件磨削成與靠模一樣形狀的曲線。
靠模加工軋輥磨削曲線的實現原理如所示，工作台縱向移動，長臂5頂在直尺4上，工作台同時繞定位柱O迴轉，形成中凸或中凹軋輥面。
檯面迴轉式：工件向砂輪移動量yy=tanlx2=Kx2K=tanl靠模直尺與工作台運動方向夾角x工作台縱向移動距離l長臂與靠模直尺的接觸點到迴轉中心O的距離K常數
1.6棘輪實現法棘輪機構由棘輪和棘爪組成的一種單向間歇運動機構。它將連續轉動或往複運動轉換成單向步進運動。棘輪輪齒通常用單向齒，棘爪鉸接於搖桿上，當搖桿逆時針方向擺動時，驅動棘爪便插入棘輪齒以推動棘輪同向轉動；當搖桿順時針方向擺動時，棘爪在棘輪上滑過，棘輪停止轉動。棘輪每次轉過的角度稱為動程。動程的大小可利用改變驅動機構的結構參數或遮齒罩的位置等方法調節，也可以在運轉過程中加以調節。
在MG1432A型高精度萬能外圓磨床中，由於應用了棘輪機構，可以實現具有中凸或中凹的軋輥磨削。
當用於軋輥磨削時，手動調節棘輪（Z=500mm）微量進給，每推一次棘輪旋轉1/500轉，砂輪架微量進給0.002mm.設基本導程為L0，齒輪減速比為I，棘輪輪齒數為Z，每轉進給量為X；則有X=L0/IZ.由式中可以看出減小絲杠基本導程，增大齒輪減速比和棘輪輪齒數可以使進給量變的更小，精度更高。
使用這種方法，主要缺點：屬於開環結構，精度不高。工人必須手動進給，勞動強度大。主要優點：結構簡單，機床成本低。
2提出兩種輪廓曲線生成的新方法經過對國內外軋輥磨床6種輥形輪廓曲線生成方法的分析和比較，在深刻理解軋輥磨床中高機構原理和微進給意義的基礎上，提出了兩種曲線的生成方法：電機蝸輪蝸桿法和步進電機雙層驅動法。
2.1電機蝸輪蝸桿法將電機直接驅動法和電機蝸輪蝸桿偏心套法相結合，取長補短，將電機直接驅動法結構簡單的優點和蝸輪蝸桿具有較大減速比的優點相結合，用蝸輪蝸桿的放大作用補償電機直接驅動中電機要求高、價格昂貴的缺點。
電機蝸輪蝸桿法的實現原理如所示，設蝸桿螺紋頭數N=1，蝸輪齒數Z2=60，滾珠絲杠的基本導程為L0=4mm，伺服電機編碼器精度為2500脈衝/轉，利用伺服放大器的四倍頻功能，精度可達10000脈衝/轉，則此傳動方式的脈衝當量為U=110000
1604=0.000007mm=0.007m，可以滿足軋輥磨床的需要。
2.2步進電機雙層驅動法由於中高機構的作用就是實現微進給，所以利用步進電機的特點提出了步進電機雙層驅動法的設計方案。
如所示，這種結構由五部分組成：兩台步進電機，兩個平台，兩根絲杠。由於步進電機具有低速震動很大、精度降低的缺點，用一組驅動系統作為進給部分，另一組驅動系統作為補償部分。
設滾珠絲杠的基本導程為都為L0=8mm.步進電機都採用混合式五相步進電機（HB）五相（步進角為0.72度）。步進電機驅動器採用128細分電路，則步進電機每接到一個脈衝，轉動角度為0.005625度，脈衝當量（解析度）為U=0.72128
1360　8=0.00012mm=0.12m.為了避免步進電機低速震動的問題，在加工過程中，控制系統發送給進給電機和補償電機的脈衝頻率不同，如進給電機脈衝頻率為2000Hz，補償電機脈衝頻率為1990Hz，則相當於進給電機脈衝頻率變為了10Hz，可以實現微進給。
在深刻理解插補原理的基礎上，運用C語言編程在計算機上對提出的兩種輥形輪廓曲線生成方法進行了原理性模擬，結果表明電機蝸輪蝸桿法和步進電機雙層驅動法在理論上是可行的。
3結束語針對軋輥磨削中輥形輪廓曲線生成這一難題，分析和研究了國內外軋輥磨床各種曲線生成方法的實現原理，並在深入理解中高機構原理和微進給意義的基礎上，提出了兩種軋輥磨床輥形輪廓曲線生成的設計方案。在深刻理解插補原理的基礎上，採用數據採樣插補法，運用C語言編程對提出的兩種方法進行了原理性模擬，結果證明這些方法在理論上是可行的，這對軋輥磨床輪廓曲線生成機構的設計具有一定的實際指導意義。