國產BS100型拉刀刃磨床數控化改造技術研究

高 虹 王 娟

(中航工業西安航空發動機(集團)有限公司，陜西 西安 710021)

國產BS100、M61100A型拉刀刃磨床主要用于高精度平面拉刀的制造和修磨。原設計為手動操作方式，其工作臺移動、砂輪主軸進給和升降移動完全依賴手動操縱。隨著拉刀制造工藝要求的逐步提高，原設計技術落后、生產工藝標準低的問題逐步顯現，再加上機床老化使精度降低，導致拉刀制造質量不穩定，主要表現在：拉刀齒距不均勻、前角角度不準、刃口燒傷、表面粗糙度差等。加工中拉刀要經過多次反復修磨才能達到要求，嚴重制約了拉削效率提升，難以滿足拉刀制造工藝要求，急需升級改造。

上世紀90年代，國內機床廠家(如：武漢機床廠)已具備拉刀刃磨床自主設計和制造能力，只是早期為全手動操縱方式，隨著數控技術的應用，目前國產數控拉刀刃磨床設計制造技術已日臻成熟，相比手動機床，它在電氣控制精度、傳動精度和加工效率等方面得到全面提升，其價格也是手動拉刀刃磨床的近10倍左右。因此在老舊機床上，采用控制系統數控化改造、機械傳動部件更新改造的方案，具有較高的性價比。

本文針對多臺BS100、M6110A型系列拉刀刃磨床在數控化改造中的關鍵技術、經驗總結和實施成效進行詳細闡述。

1 拉刀刃磨床系列數控化改造技術研究

BS100、M6110A拉刀刃磨床主要規格參數相同(BS代表國外機床標準)，主要由工作臺、砂輪電主軸、傳動機構、床身及操縱機構組成(見圖1)。工作臺為2 500 mm×200 mm，縱向移動為齒輪齒條傳動、手輪操縱方式，快速手輪每轉移動量為150.8 mm，慢速手輪每轉移動量為2.51 mm；砂輪電主軸的垂直升降采用交流電動機驅動滾珠絲杠的傳動方式，也可用手輪操縱；砂輪電主軸前后移動靠工人拉拽位于主軸上的手柄；為了便于磨斜齒，砂輪電主軸可以在垂直面、水平面內旋轉，旋轉角度按刻線指示。

1.1 機床主要性能指標

平拉刀最大寬度：200 mm；

拉刀最大長度：1 700 mm；

電主軸最高轉速：10 000 r/min；

砂輪主軸水平平面內的回轉角度：±20°；

砂輪主軸垂直平面內的回轉角度：90°。

1.2 數控系統選型

數控系統的選擇應從機床性能和加工精度出發，兼顧通用性、可靠性和操作性，篩選既能滿足加工需要又經濟實用的。原機床電氣控制很簡單，除砂輪主軸升降由普通交流電機驅動外，其他方向移動都由手輪操縱。本次改造確定將砂輪橫向進給、砂輪主軸垂直升降、工作臺縱向移動改造為數字伺服軸(X軸、Y軸、Z軸)，結合拉刀刃磨工藝要求，提出數控系統基本性能指標見表1。

表1 數控系統主要性能指標

目前機床常用數控系統一類是引進國外先進技術、國內組裝形式生產的，如德國西門子828D、日本FANUC 0i系列等；另一類為國內自主開發生產的，如廣州數控GSK25i、華中數控HNC818D等。依據上表所列系統主要性能指標，綜合考慮后確定選用廣州數控GSK25i和西門子828D系統對多臺BS100、M6110A型拉刀刃磨床進行系列數控化改造。

1.2.1 廣州數控GSK25i

GSK25i數控系統是廣州數控的高端數控產品，配置機床操作面板和高分辨率彩色LCD顯示器，I/O單元，匹配的伺服單元采用高動態性能的GH系列總線式交流伺服驅動系統及帶有17位絕對式編碼器的同步伺服電機，既滿足用戶對數控系統低成本投入的要求，又能滿足復雜零件加工的需求。針對磨削工藝，系統提供了平面和外圓磨削固定循環和異步震蕩、多步跳轉、斜軸控制、自定義界面等磨床功能，支持外圓磨床、平面磨床、工具磨床等應用。

1.2.2 西門子SINUMERIK 828D

SINUMERIK828D數控系統是標準中高檔數控系統,它集 CNC、PLC、MMC于一體,采用全新的HMI Operate操作界面，配置DRIVE-CLIQ總線式伺服系統，包括SINAMICS S120書本型伺服驅動器和1FK7系列永磁同步電機，具有更高的控制精度和動態特性；系統采用靈活的向導式編程，高效的“ShopMill/ShopTurn”工步式編程和在線測量循環，可以滿足從大批量生產到單個工件加工的編程需要。系統提供車削、銑削、磨削工藝包，支持外圓磨床、平面磨床、工具磨床、多軸程序磨床等磨削應用。

以廣數GSK25i為例，改造后控制系統主要由控制單元、GH伺服驅動單元與伺服電動機、主軸變頻器和電主軸、I/O單元和位置檢測反饋系統等組成，各組件通過工業以太網相互連接，見圖2。

2 改造技術方案

根據拉刀刃磨工藝要求和機床現有狀態，確定修理改造內容如下：

(1)選用通用數控系統(廣州數控GSK25i或西門子828D)，將機床砂輪進給、砂輪主軸升降、工作臺縱向移動改為數控軸，分別定義為X軸、Y軸和Z軸；配置高精度伺服驅動單元和伺服電動機,伺服電動機上編碼器作為位置反饋元件，實現半閉環定位控制和插補功能。；將3個軸齒輪齒條傳動改為滾珠絲杠傳動，提高傳動精度，重新設計制作連接件、支承件；保留砂輪電主軸在水平面和垂直面回轉的功能。

(2)砂輪電主軸轉速可達12 000 r/min的電主軸，匹配變頻器實現調速控制，根據砂輪和刀具調節速度。

(3)設計拉刀齒距自動測量功能。在拉刀修磨前，根據拉刀總齒數和分布狀態，對所有的齒進行分組，并自動測量各組齒距參數，以文件形式保存。

(4)選用CBN成型砂輪，設計高壓冷卻系統，降低砂輪表面溫度，改善拉刀表面粗糙度，減小變形。設計、制作全封閉機床金屬外殼，具備整體防護作用。

2.1 改造后坐標軸的技術參數

X軸行程：210 mm；Y軸行程(砂輪主軸中心到工作臺面距離):450 mm ；Z軸行程:1 470 mm。X軸進給速度:0～6 000 mm/min；Y軸進給速度:0～3 000 mm/min；Z軸進給速度:0～6 000 mm/min。機床位置精度(按照GB 17421.1標準)，X軸、Y軸、Z軸定位精度≤0.03 mm；X軸、Y軸、Z軸重復定位精度≤0.015 mm。

2.2 坐標軸伺服電動機選擇

改造時在X軸、Y軸、Z軸數字伺服電動機的選擇時，要綜合考慮伺服電動機的帶載能力、響應速度和控制精度，以及安裝方式、使用環境和防護等級，最終確定電動機的型號。

2.2.1 影響電動機選擇的因素

通常選擇伺服電動機時，電動機的性能一定要與電動機的機械傳動系統相匹配。要注意的主要因素有：

(1)負載慣量比

坐標軸機械傳動系統的負載慣量與電動機慣量的比值為負載慣量比，此值會影響到系統的可控性能和快速響應性，數值越大可控性能越差，所以在高精度機床上選擇電動機時，一般選擇控制在3以內最佳。

(2)加速特性

電動機在啟動或變向時通常會輸出最大扭矩，所以電動機與機械傳動機構的最大扭矩要匹配，其參數影響著加速時間常數。

(3)空載扭矩

空載扭矩是機床在空載運行中所受到扭矩，一般在選擇電動機時應考慮電動機的堵轉扭矩值要大于空載扭矩的4倍左右，額定扭矩應大于空載扭矩的均方根值。

(4)電動機防護等級

應注意電動機工作環境的溫度、濕度、震動等，如果環境惡劣應選擇防護等級高的電動機，保證安全運行。

2.2.2 伺服電動機的選擇計算

以Z軸為例說明伺服電動機的選型。根據Z軸傳動系統結構，見圖3。

結合實際情況得到Z軸基本參數，見表2。

表2 Z軸基本參數

根據表中參數，計算出電動機選型所需要的具體參數：

絲桿的密度V:大約為7 800 kg/m3

負載慣量J1：J1=J11+J12+J13=0.000 95+0.000 5+0.001=0.002 45 kg·m2

=0.066 4 N·m

空載扭矩Tm：Tm=TJ=0.066 4 N·m

結合以上計算出的Z軸電機參數進行選擇，最終確定西門子電機型號為：1FT7102-1AC71-1DH1，1FK7083-2AC71-1QA1(無抱閘)，相應廣數電機型號為：130SJT-M150D(無抱閘)。

2.3 拉刀齒距測量功能設計

拉刀是一種成形尺寸刀具，制造誤差造成拉刀實際齒距與理論齒距之間有偏差。原機床為手動操縱磨削，加工時工人目測齒距、手動操縱砂輪磨削，完全依賴個人操作技能和經驗來保證，產品一致性較差。改造后采用數控軸編程，需要通過測量獲得各齒的實際距離，與理論齒距計算后才能進行編程。為此我們設計拉刀齒距自動測量功能，在每把拉刀修磨前，通過高精度測頭依次檢測各齒的實際數據，并建立齒距文件進行保存。加工時依據測量數據計算編程，從而保證精準磨削。另外拉刀在使用一段時間后刀刃會發生磨損，一般磨損量超過0.05 mm時需要重新修磨，這時可直接調取原來已保存的齒距文件，按原始數據計算修磨，非常便利。

2.3.1 拉刀齒距自動測量系統的安裝

在砂輪主軸側面設計支架來安裝意大利Marposs測頭和驅動氣缸，安裝時要保證安裝面有足夠的剛性。測頭通過氣缸驅動在測量時伸出、測量完成后縮回。

2.3.2 齒距測量用戶界面的設計

為便于操作，在數控系統標準操作界面上嵌入拉刀齒距測量界面。以西門子828D為例：通過按下面板上“CUSTOM”按鈕登錄進入。齒距測量界面文件包含拉刀文件管理、拉刀測量等功能，結構見圖4。

(1)拉刀文件管理

①新拉刀：建立新拉刀文件，首先要設置拉刀參數，包括：設置拉刀編號(如：123456)、總齒數、分段數、拉刀前角度、拉刀齒斜度、齒高增量和齒間距等，保存參數，通過“生成文件”便在“//NC/MPF.DIR/”目錄下生成123456.mpf文件.

②舊拉刀：輸入拉刀編號可查詢舊拉刀參數，并且可編輯修改。

(2)拉刀測量

①拉刀參數設置：在JOG方式下，用手輪控制測頭分別測量拉刀首齒前刃坐標值(X、Y、Z)、首齒測量起點與前刃的距離L1、首齒測量起點與頂齒的距離L2,第二測量點Y向抬起距離L3、第3測量點Z向退回距離L4以及測量速度等參數。見圖5。

②測量：用“測量參數調入”功能調入設置的測量參數，在自動方式下進行測量，測量時齒距表會實時更新，測量完成后，通過“生成齒距文件”，系統會將測量的齒距文件保存。

③磨削：按下“磨削參數”軟鍵，設置砂輪對拉刀首齒的對刀坐標值(X、Y、Z)，同時設置砂輪主軸轉速、磨削次數、冷卻開啟等磨削參數，然后在Auto方式下，進行磨削即可。

2.4 砂輪冷卻系統的設計

拉刀修磨時一般只修磨前刃面，對前刃面表面質量要求較高。改造前采用普通砂輪干式磨削，以直徑為125 mm的砂輪為例，磨頭轉速應控制在4 000 r/min以下，否則會造成刀具表面燒傷和變形。現有拉刀制造工藝要求將砂輪轉速提高到 6 000 r/min以上，最高線速度可達52 m/s。為此進行工藝改進，采用CBN免修整成型砂輪，設計強力冷卻系統(壓力≥6 bar)，改善砂輪和刀具表面溫度，以獲得最佳的磨削效果。冷卻液通過回收管路流回冷卻液箱，經過濾后循環使用。冷卻系統控制原理圖見圖6。

3 實施效果分析

通過對BS100、M6110A系列拉刀刃磨床數控化改造，從機床功能實現、操作便利性、機床精度和加工性能等方面進行分析可知：

(1)GSK25i系統與西門子828D系統屬于同檔數控系統，性能相當，改造后完全能夠滿足高精度平面拉刀制造和修磨的工藝要求，達到國產數控拉刀刃磨床的加工能力。

(2)除了系統的基本功能外，兩個系統都具備自定義用戶界面開發功能，西門子 828D系統給用戶提供EasyScreen工具,在HMI Operator標準操作界面下可自主開發；GSK25i系統為用戶提供DrawSrc工具來開發用戶自定義界面，圖形化編輯模式，可生成配置文件導入系統，操作簡單。對比兩個系統在拉刀齒距測量應用便利性上，還是有所差別：一把拉刀少則幾十個齒多則百十個齒，每個齒都要多點測量(4點以上)，存在測量點數多、數據量大的問題。西門子 828D系統巧妙利用COM源文件編程指令生成××.mpf文件保存，后期需要再次修磨這把拉刀時直接調用文件，依據原始數據進行磨削，非常方便實用；GSK25i系統對于大量拉刀測量數據不能以文件形式保存，需要人工導出，相對較麻煩。

(3)改造后通過機床精度檢測，X、Y、Z軸定位精度≤0.025 mm,重復定位精度≤0.01 mm，完全滿足機床加工尺寸精度要求。

(4)改造前每臺機床要配1名操作工，磨削過程中雙手要連續操縱手輪，勞動強度大；改造后目前3臺機床配備1名操作工，只需在裝卸零件時人工干預，其他時間只是巡視即可，勞動強度大大降低。

(5)采用免修整砂輪、高壓冷卻修磨方式，不易使零件表面燒傷，而且表面殘余應力層的深度也隨之變小，零件表面粗糙度得到有效控制。

4 結語

通過國產BS100型拉刀刃磨床系列數控化改造及應用技術研究，使機床數控化水平和加工效率得到有效提升，保證了加工能力，降低了勞動強度，延長了機床使用壽命；工藝上合理采用免修整成型砂輪和高壓冷卻加工，較好地改善了砂輪表面溫度和拉刀表面粗糙度；設計拉刀齒距自動測量功能，解決了拉刀重復修磨、一致性較差的問題。本次研究在解決專用加工機床控制系統通用化問題、提升老舊機床綜合效能上提供了性價比最佳的解決方案，具備較好的應用和推廣價值。