軋輥磨床U軸微進給機構設計

王金亮

（齊重數控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾161005）

1 引 言

軋機上的軋輥工件根據使用情況的不同，對輥身的形狀（輥型）要求也是不同的，在軋輥加工圖上主要以各種曲線的形式體現，如中凸、中凹、CVC 曲線及正弦曲線（圖1）等。軋輥輥型的精度直接影響軋機性能及使用狀態，因此在軋輥磨削過程中，嚴格控制輥型的誤差曲線是非常必要的。而軋輥工件輥型曲線是微觀的，曲率半徑可從幾百米到上千米不等，在軋輥輥身的全部長度上，其輥型曲線只有微量的變化。當數控軋輥磨床的大拖板沿床身導軌縱向（Z 軸）移動進行磨削時，只依靠磨刀架的橫向（X 軸）進給運動是無法滿足加工要求的，因為X 軸進給系統的分辨率無法達到軋輥工件輥型曲線的實際要求。因此開發研制砂輪主軸的亞微米數控中高進給機構（U 軸）是實現軋輥工件輥型曲線的精確加工控制的主要技術手段，能夠確保軋輥磨床進給的精度。

圖1 軋輥工件輥型曲線圖

2 U 軸亞微米進給機構

軋輥磨床亞微米進給機構包括：砂輪、偏心套、靜壓軸承、滾珠絲杠、進給擺桿和油缸等。砂輪套裝在砂輪主軸上，砂輪主軸套裝在偏心套內，砂輪主軸和偏心套之間裝有靜壓軸承，偏心套安裝在磨刀架內，采用靜壓軸承支撐，偏心套的偏心為上偏心,砂輪主軸中心在上偏心下方。砂輪主軸中心與偏心套支撐轉動中心有一定的偏心距離。偏心套中部連接一進給擺桿，進給擺桿另一端與滾珠絲杠連接，進給擺桿中間豎直安裝一油缸，該油缸對機床起到斷電保護的作用，油缸液壓油來自獨立的液壓站，液壓站上安裝有蓄能器，由蓄能器釋放壓力油，電磁換向閥把壓力油與油缸接通，從而使油缸頂起,無論偏心套處在什么位置都能確保在斷電、故障或操作急停時，砂輪立即退離工件表面1mm。U 軸位移量通過行程開關控制，行程開關安裝在固定支架上，撞塊槽板安裝在絲母上，通過行程開關可以控制絲母的位置，從而限制擺桿的偏轉角度，達到精確控制U 軸微進給量。伺服電機經精密減速器將運動傳遞給精密滾珠絲杠，絲杠轉動驅動絲母運動，絲母與擺桿連接，使擺桿作上下移動，擺桿驅動偏心套作微量旋轉，由于砂輪主軸安裝在偏心套內隨偏心套擺動，從而實現了砂輪主軸趨近或遠離工件的運動。該運動與大拖板（Z 軸）運動形成插補運動，從而在軋輥表面磨削出所需曲線。

圖2 U 軸微進給機構剖面圖

3 U 軸亞微米進給機構設計計算

當伺服電機根據脈沖信號執行運動，再將動力傳到減速比為4 的減速器，減速器帶動滾珠絲杠旋轉，從而使絲母作上下往復直線運動，絲母帶動連接在其上的擺桿運動，擺桿帶動偏心套擺動旋轉，從而使砂輪主軸繞偏心套作旋轉運動，由于滾珠絲杠中心和砂輪主軸中心距離相對比較遠，絲母的移動距離在擺桿和偏心套的作用下，使得砂輪主軸在X 軸方向移動的距離大大減小。選用的西門子伺服電機內置絕對值編碼器，其為2048 脈沖/r。滾珠絲杠選用直徑為40mm、導程為5mm 的精密級滾珠絲杠。根據圖3 位置關系不難得出下面的計算關系：

圖3 U 軸亞微米進給位置示意圖

由計算得知當U 軸進給伺服電機發出1 個脈沖信號時，U 軸理論進給最小分辨率為0.0109μm，此進給量滿足了精密加工的要求。

4 結 論

數控軋輥磨床U 軸微進給機構是軋輥磨床最為重要的部件之一，它的成功設計和研制擴大了軋輥磨床加工輥型的范圍，為精密加工提供了有效的精度保證手段。隨著社會發展和行業水平不斷提高的同時，要求軋輥磨床加工精度不斷地提高，在冶金、造船和航空航天行業，要求制造精度達到微米級或亞微米級的單位，如此高精度的要求是很多普通加工的方法很難做到或者是不能完成的，軋輥磨床U 軸微進給機構正好適應了精密和超精密的加工發展的需要,為機床制造業精密和超精密加工提供了強有力的技術支撐，因此它對推動我國裝備制造業以及國家相關重點行業的發展具有重要意義。它的實施取得了顯著的經濟效益，對我國機床行業的發展將起到積極推動作用。同時也無疑將極大地推動相關行業的發展，如冶金、造船業、航空航天等行業。它成功地應用到我公司研制的加工直徑3m、承重260t 的超重型數控軋輥磨床上，標志著我公司的產品研發能力已達到國外同期水平。該軋輥磨床U 軸微進給機構已獲國家知識產權局專利授權，專利號為ZL201120502465.9。