螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能分析＊

劉世豪 黃鵬飛 王 菲 李斌勇

（①海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口 570228；②浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；③成都信息工程大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，四川 成都 610225）

螺旋槳葉片是船舶發(fā)動(dòng)機(jī)最為關(guān)鍵的部件之一，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類數(shù)量多、幾何造型多變、加工難度大及質(zhì)量要求嚴(yán)格、影響航行效果等諸多特點(diǎn)[1]，由于螺旋槳葉片的整體造型由幾塊較為復(fù)雜的三維曲面構(gòu)成，所以傳統(tǒng)的螺旋槳葉片加工方法難以滿足螺旋槳葉片的各項(xiàng)加工指標(biāo)要求[2]。目前國內(nèi)外的船舶螺旋槳加工廠對(duì)葉片的拋光依然主要采用較為落后的手工加工方式，并且采用全自動(dòng)化的拋光方法來拋光螺旋槳的工廠較少。拋光工人手工拋光螺旋槳，體力消耗非常大，而且存在著精度不足、槳面有裂紋、加工誤差超標(biāo)及使用壽命短等諸多問題[3]。

隨著自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，具備數(shù)字化控制功能的特殊拋光機(jī)床的設(shè)計(jì)不斷被提出[4-5]。本文根據(jù)螺旋槳葉片的加工工藝要求，以及葉片的不規(guī)則曲面，設(shè)計(jì)了一種專門針對(duì)船用螺旋槳葉片拋光的數(shù)控拋光機(jī)，借助數(shù)控技術(shù)自動(dòng)完成螺旋槳拋光的工作，解決了螺旋槳拋光難的問題。

1 螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)要求與原則

數(shù)控機(jī)床按照預(yù)先編輯好的程序進(jìn)行加工，在工作過程中無需人為干涉[6]，因此對(duì)于數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)精度要求極高、并且可以做到在高強(qiáng)度的工作環(huán)境下持續(xù)穩(wěn)定地完成各項(xiàng)加工任務(wù)，以滿足所需的各項(xiàng)加工指標(biāo)。首先，從螺旋槳的加工工藝所需的各項(xiàng)指標(biāo)和要求作為突破口，同時(shí)結(jié)合螺旋槳的尺寸、造型和相對(duì)位置等有關(guān)參數(shù)，從而確定數(shù)控拋光機(jī)的工作方式以及其各個(gè)主要零部件之間的相對(duì)工作關(guān)系和達(dá)到指標(biāo)所需的配置條件；其次，全面多角度考慮數(shù)控拋光機(jī)的外部設(shè)計(jì)因素，例如外觀形狀、生產(chǎn)流程及保養(yǎng)維護(hù)等許多問題，對(duì)數(shù)控拋光機(jī)綜合布局進(jìn)行一系列的整體優(yōu)化。因?yàn)榇寐菪龢枰獫M足高質(zhì)量的加工需求，所以在設(shè)計(jì)數(shù)控拋光機(jī)時(shí)，必須遵循精度高、結(jié)構(gòu)簡單及剛度高等原則[7]。

1.2 螺旋槳加工工藝要求

船用螺旋槳與航空螺旋槳葉片的區(qū)別在于其螺旋槳葉片的中間部位造型為鼓形，邊緣部位相對(duì)厚許多。此外，大型船用螺旋槳的體積十分龐大，整體加工的時(shí)間較長。船用螺旋槳主要由槳轂和葉片兩部分組成，槳穀的造型為近似于錐型，葉片的數(shù)目一般由3～5 個(gè)不等，都以槳轂為中心均勻地分布在其周圍，發(fā)動(dòng)機(jī)通過使螺旋槳旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相應(yīng)的推力。螺旋槳葉片對(duì)著船舶尾部的一面稱為葉面，對(duì)著船舶頭部的一面稱為葉背；當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，螺旋槳葉片先進(jìn)入水的一邊稱為為導(dǎo)邊，之后進(jìn)入水的一邊稱為隨邊[8]，船用螺旋槳結(jié)構(gòu)的組成如圖1 所示。

圖1 船用螺旋槳葉片

船舶航行一般需要很大的動(dòng)力，而螺旋槳在產(chǎn)生巨大推力時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，并且也會(huì)受到十分復(fù)雜的合力[9]。因此，對(duì)于加工螺旋槳來說，必須保證其表面不能有任何裂痕或劃痕，還要滿足較高的加工精度。因此，螺旋槳的精密加工有以下要求：螺旋槳表面粗糙度值小于或等于3.2 μm，局部螺距誤差不能高于2.0%，截面螺距誤差不能高于1.5%，平均螺距誤差不能高于1.0%[10]。

1.3 螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)整體規(guī)劃

在設(shè)計(jì)螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)時(shí)，本著滿足功能強(qiáng)大、效率高以及環(huán)保節(jié)能等諸多要求，對(duì)數(shù)控拋光機(jī)按照相應(yīng)的功能，劃分成電氣系統(tǒng)、拋光機(jī)器和數(shù)控系統(tǒng)三大模塊進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，如圖2 所示，最后用完整的程序?qū)⑷竽K相互聯(lián)系，形成一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)制定加工任務(wù)的有機(jī)整體。

圖2 數(shù)控拋光機(jī)模塊組成

此外，在滿足基本設(shè)計(jì)原則的前提下，要實(shí)現(xiàn)數(shù)控拋光機(jī)的設(shè)計(jì)最優(yōu)化還需符合以下要求：

（1）盡可能實(shí)現(xiàn)全通用。由于需加工的螺旋槳種類繁多，因此數(shù)控拋光機(jī)的設(shè)計(jì)需要做到滿足大部分甚至全類型的螺旋槳的拋光工序。

（2）盡可能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。隨著數(shù)控拋光機(jī)自動(dòng)化程度的不斷提高，在螺旋槳拋光過程中，工人可以最小程度干預(yù)其中，這樣不僅降低了人工成本，而且可以減少人為因素而產(chǎn)生的加工誤差。

（3）盡可能增加外部拓展性。由于數(shù)控拋光機(jī)無論是設(shè)計(jì)過程還是制造過程，都需要花費(fèi)大量時(shí)間、人力以及物力，因此在設(shè)計(jì)數(shù)控拋光機(jī)的過程中，盡可能考慮到增加外部可拓展的能力，這樣即使當(dāng)加工過程中需要增加工序來實(shí)現(xiàn)加工的多樣化，也可以通過外部拓展來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，將時(shí)間和成本降到最低。

2 螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)于螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)，選擇合適的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)至關(guān)重要。常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)和絲杠螺母傳動(dòng)等[11]。作為傳動(dòng)方式之一，絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有著諸多優(yōu)勢(shì)和競爭力：絲杠螺母傳動(dòng)傳動(dòng)效率很高，平均可達(dá)到0.93～0.97，是其他傳統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的的2 倍，甚至可達(dá)到4 倍；絲杠螺母傳動(dòng)之間配合緊密，在運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)生很大的熱變形及振動(dòng)，平均使用壽命可以達(dá)到傳統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的10 倍左右；絲杠螺母機(jī)構(gòu)的高速性能十分強(qiáng)，在滿負(fù)載工作狀態(tài)下，也可實(shí)現(xiàn)高達(dá)120 m/min 高速驅(qū)動(dòng)的線速度；絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，也可以做到將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有傳動(dòng)可逆性，并且正向傳動(dòng)效率與逆向傳動(dòng)效率基本相同[12]。

綜上，本文設(shè)計(jì)的數(shù)控拋光機(jī)選擇采用了絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)砂輪拋光臂相對(duì)于加工對(duì)象的移動(dòng)，如圖3 所示。

圖3 絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.2 伺服電機(jī)的選擇

本文設(shè)計(jì)的數(shù)控拋光機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為絲杠螺母傳動(dòng)，選擇穩(wěn)定、動(dòng)力足的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是保證整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵。機(jī)械傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電機(jī)和交流電機(jī)，由于我國供電均由交流電網(wǎng)供電，交流電機(jī)不需要使用直流電源或者轉(zhuǎn)換器也能正常工作[13]，綜合考慮各方面因素，本文在設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)選擇交流電機(jī)為動(dòng)力源。

目前市面上的伺服交流電機(jī)種類繁多、功能強(qiáng)弱不一，經(jīng)過比較和篩選，決定選擇三菱品牌中的HG-KN 系列伺服交流電機(jī)。該系列的伺服電機(jī)精度高，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制；轉(zhuǎn)速高，額定轉(zhuǎn)速高于其他伺服電機(jī)；適應(yīng)性高，可以適應(yīng)高負(fù)載和瞬間過負(fù)載的場合；穩(wěn)定性高，運(yùn)行穩(wěn)定流暢，工作噪聲小；反應(yīng)速度快，能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)控制命令做出反應(yīng)。

2.3 連接裝置的選擇

在數(shù)控拋光機(jī)的工作過程中，絲杠和伺服電機(jī)連接可靠是保證整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。目前，伺服電機(jī)與絲杠的可動(dòng)連接方式分為聯(lián)軸器、齒輪和同步帶3 種。在設(shè)計(jì)過程中，只要距離足夠，首先選擇聯(lián)軸器連接。市場上聯(lián)軸器的品種多樣，有機(jī)械式、電磁式及液壓式等許多類型[14]，但是機(jī)械式聯(lián)軸器的應(yīng)用范圍最廣，其通過借助機(jī)械構(gòu)件夾緊后所傳產(chǎn)生的相互作用力來傳遞動(dòng)力，由于本文設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)滿足距離足夠的條件，綜合考慮多種條件后選擇使用機(jī)械聯(lián)軸器將絲杠與伺服電機(jī)連接。

3 螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 砂輪拋光臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)螺旋槳拋光加工而言，主要采用砂輪和砂帶[15-16]兩種加工方式，砂輪動(dòng)力足、可以形成較大的磨削力，砂帶動(dòng)力小、但是拋光程度高。由于本文設(shè)計(jì)的數(shù)控拋光機(jī)的加工對(duì)象是船用螺旋槳，所需磨削力較大，因此拋光臂采用了砂輪來完成整個(gè)設(shè)計(jì)。砂輪拋光需要足夠的動(dòng)力以及合理的傳動(dòng)方式，齒輪傳動(dòng)有較高的傳動(dòng)精度、運(yùn)行持續(xù)穩(wěn)定，但成本很高，此外需要保持好的潤滑條件,所以不合適在有很多灰塵以及很遠(yuǎn)距離的兩傳動(dòng)軸之間使用[17]；帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單、易保養(yǎng)維修，制造及安裝成本都較低，并且具有非常好的彈性以及撓性，在工作過程中能減小振動(dòng)和噪聲，使機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn)，適合中心距稍大的傳動(dòng)，并且在運(yùn)行過載時(shí)可以保護(hù)零部件不被損壞；鏈傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的平穩(wěn)，并且傳動(dòng)效率較大，但是鏈傳動(dòng)在運(yùn)行過程中，不能一直保持恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比，不適合在急速反向的傳動(dòng)中使用。對(duì)比上述傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)后，本文設(shè)計(jì)的砂輪拋光臂采用帶傳動(dòng)方式。

如圖4 所示，整個(gè)砂輪拋光臂以中間支架為主要載體，支架前端連接的是砂輪機(jī)構(gòu)，后端連接的是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，最后整個(gè)砂輪拋光臂通過圓形底座與數(shù)控拋光機(jī)主體相連。支架中間安裝一個(gè)小型高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)，通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所連接的齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，接著在皮帶的連接作用下，砂輪機(jī)構(gòu)的齒輪一起同步轉(zhuǎn)動(dòng)，砂輪機(jī)構(gòu)將砂輪和齒輪通過砂輪軸和軸承連接在一起，可在減小振動(dòng)和摩擦的同時(shí)，使砂輪獲得較大動(dòng)力，來完成相應(yīng)的拋光任務(wù)。

圖4 砂輪拋光臂整體結(jié)構(gòu)

3.2 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)時(shí)，考慮到要使螺旋槳可以轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)位置，讓砂輪拋光機(jī)構(gòu)完成拋光任務(wù)，設(shè)計(jì)了幾種參考方案，最終選擇了大功率電機(jī)直接帶動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。

整個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)主體由平臺(tái)支架和工作臺(tái)面組成，在支架的中間位置是一個(gè)可以承受大載荷的電機(jī)座，因?yàn)樾枰惺苄D(zhuǎn)電機(jī)和螺旋槳的一部分重量，所以需要做到加固處理。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的頂部與轉(zhuǎn)軸相連，轉(zhuǎn)軸的上端有一個(gè)螺旋槳夾緊裝置，最后整個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定在電機(jī)座上。當(dāng)進(jìn)行拋光加工時(shí)，將螺旋槳放置在工作臺(tái)上，夾緊裝置與螺旋槳槳轂互相固定，然后旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，此外螺旋槳底部需要添加潤滑油，保持和工作臺(tái)面之間的潤滑，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)

4 螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)建模及分析

在完成上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了盡量滿足通用性，本文采用數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系來確定螺旋槳在各個(gè)方向的位置坐標(biāo)、拋光機(jī)器換拋光頭點(diǎn)、參考點(diǎn)等，從而確定螺旋槳和數(shù)控拋光機(jī)之間的相對(duì)位置關(guān)系，獲得各項(xiàng)加工所需的數(shù)據(jù)信息。數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系采用的是右手直角笛卡爾定則[18]，如圖6所示。

圖6 數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系

本文設(shè)計(jì)的螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)使用五軸四聯(lián)動(dòng)[19-20]來完成拋光螺旋槳的任務(wù)，采用X軸、Y軸、Z軸3 個(gè)基本坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)控制拋光機(jī)器相對(duì)于待加工螺旋槳的前后、左右、上下的移動(dòng)；然而僅只使用3 個(gè)直線坐標(biāo)軸，顯然無法滿足具有復(fù)雜扭轉(zhuǎn)曲面的螺旋槳的拋光任務(wù)，所以必須增設(shè)B軸、C軸2 個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，使砂輪可以適應(yīng)螺旋槳的曲面加工，達(dá)到更高的拋光精度，該型螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)具體如表1 所示。

表1 螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)技術(shù)參數(shù)

完成結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零部件及其功能設(shè)計(jì)后，最終設(shè)計(jì)得到的數(shù)控拋光機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 數(shù)控拋光機(jī)整體結(jié)構(gòu)

拋光砂輪連接在旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，兩者固定在Y軸滑板上，可以沿著Y軸完成上下移動(dòng)；Y軸立柱與Z軸滑板固定在一起，可以沿著Z軸完成前后移動(dòng)；砂輪拋光臂和Y軸立柱連同Z軸滑板整體一同安裝在X軸滑板上，可以沿著X軸完成左右移動(dòng)。

螺旋槳通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的夾緊裝置，使其與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)相互固定，然后旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)可以帶動(dòng)螺旋槳一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)數(shù)控拋光機(jī)開始拋光加工時(shí)，X、Y、Z軸3 個(gè)直線坐標(biāo)軸和B、C軸2 個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸互相運(yùn)動(dòng)，使拋光砂輪可以到達(dá)螺旋槳需要拋光的任何位置，來執(zhí)行對(duì)任意結(jié)構(gòu)形狀的船用螺旋槳的拋光加工。

該型螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)樣機(jī)研制后，進(jìn)行了一種螺旋槳毛坯的試加工，毛坯材料為錳青銅；采用五軸聯(lián)動(dòng)加工方式對(duì)螺旋槳毛坯進(jìn)行拋光，為了提高拋光精度和效率，按照螺旋槳的型面幾何特征編寫了相應(yīng)的加工代碼，并嚴(yán)格按照加工精度指標(biāo)要求，運(yùn)用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和校正，盡量降低外部因素對(duì)拋光精度的影響。在完成螺旋槳數(shù)控拋光后，對(duì)螺旋槳的幾何參數(shù)和精度指標(biāo)進(jìn)行了檢測，結(jié)果如表2 所示，分析表2 可知：螺旋槳的幾何型面特征符合設(shè)計(jì)要求，表面粗糙度滿足船用螺旋槳的航行要求、即劃痕較小，從而有利于降低螺旋槳在海水中受到的阻力；這說明所研制的螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)具有較好的加工功能。

表2 螺旋槳拋光質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)語

本文針對(duì)船用螺旋槳的整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了數(shù)控拋光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，包括砂輪拋光臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確定了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)及二者的連接方式，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新的螺旋槳數(shù)控拋光機(jī)。該數(shù)控拋光機(jī)解決了船用螺旋槳拋光難的問題，有利于大幅提升螺旋槳葉片的拋光精度、使用壽命等基礎(chǔ)性能，并減少所需人力及減小人工拋光強(qiáng)度。