基于SolidWorks的雙面磨床伺服升降機構結構設計

潘新宇，伍玩秋，林毅貞

（陽江職業技術學院 機電系，廣東 陽江 529500）

0 引言

磨削工藝是刀剪加工制造的一項重要工序，刀剪磨削工藝直接影響刀具的表面痕跡、刃口質量、幾何尺寸、鋒利度等重要的性能指標，磨削質量的高低對刀剪品質的優劣起決定性作用。刀具的磨削加工一般采用磨床對刀具進行表面去除材料加工，常用的磨床有雙面磨刀機、砂帶機、數控拋磨機等加工設備。目前，刀剪磨削設備主要是以液壓磨床仿形磨削為主，存在磨削精度差、生產效率低等缺點[1]；普通數控磨床以兩軸聯動方式工作較多，不能滿足刀具的加工質量要求。

在裝備制造業轉型升級、產業集群化的戰略背景下，制造業高質量發展作為主攻方向，磨削技術朝著高精度、高效、高速、低粗糙度、自動磨削方向發展。在雙面磨床設備中，伺服升降機構負責對刀具進行自動送料，其送料精度對加工質量有決定性作用。在經濟全球化的推動下，刀剪加工裝備制造業快速發展，雙面磨床作為磨削加工的常用裝備，降低設備設計開發成本、提高設計效率、提高雙面磨床的加工精度和質量可靠性十分重要。本設計以雙面磨床的伺服升降機構為研究對象，利用SolidWorks軟件輔助設計，并對雙面磨床伺服升降機構的主要部件進行結構設計分析。

1 雙面磨床伺服升降機構的總體設計

1.1 雙面磨床的結構總成介紹

雙面磨床是一款運用于高精度、高效率、雙面同時磨削加工的自動機床，主要有底座、左進石機構、右進石機構、送料平臺、伺服升降機構、電箱、數控總成等組成，如圖1所示。

圖1 雙面磨床的基本組成

安裝在雙面磨床底座的送料機構的作用是通過伺服電機聯動絲杠傳動機構實現工件在X軸方向的送料。伺服升降機構安裝在送料機構上，其作用是通過絲杠傳動機構實現工件在Z軸方向上的送料。進石機構的作用是實現砂輪在Y軸方向磨削加工的進給運行。該雙面磨床通過數控系統控制送料機構、伺服升降機構和進石機構的配合，進行三軸聯動磨削加工，可以實現刀具的雙面、不同角度的磨削加工。

1.2 伺服升降機構的主要部件及工作原理

雙面磨床伺服升降機構在磨床中負責對工件進行送料，磨削加工對其送料機構的精度和平衡性要求較高。現有的數控多功能磨床，只能通過單個升降機構對刀架進行升降，而且該磨床的升降機構驅動力沒有位于中心位置，會造成上下升降時的不平衡[2]。為了解決上述技術問題，新設計了一種平衡性較高的雙面磨伺服升降機構，主要有安裝底座、伺服電機、刀架轉盤、持刀架、支撐馬仔、刀架安裝座、光軸套筒、光軸、絲杠傳動機構、軸承、同步帶傳動機構、軸承壓蓋、電機調節座等部件組成，其結構組成如圖2所示。

圖2 伺服升降機構結構組成

該平衡性較高的雙面磨伺服升降機構，通過在安裝座的正中間使用滾珠絲杠螺母副來實現上下驅動，兩邊用圓柱形筒套、自潤滑復合軸套和光軸配合做輔助，并能夠隨著刀架安裝板的升降，使光軸在筒套內部滑動，保證刀架在升降過程中的平衡穩定，提高工件磨削加工精度。

2 伺服升降機構主要部件結構設計

2.1 基于SolidWorks軟件的結構設計布局

自頂向下的設計方法和自底向上的設計方法是目前結構設計常用的設計方法。自頂向下的設計方法適用于復雜產品的設計，設計人員先從產品需求分析開始進行原理或概念設計，然后進行產品的總體裝配布局，再劃分不同的子系統并確定各子系統的裝配關系。最后根據預先規劃的裝配關系，對產品零部件進行詳細設計，最后形成整機模型。該設計方法增加了零件之間的關聯性，使設計層次變得更清晰，實現了設計信息的傳遞、共享、繼承，特別適用于當今網絡發達的并行工程和協同設計[3]。

SolidWorks軟件是一個基于特征、參數化、實體建模的設計工具，可以實現三維物體的快速建模，并可以實現機構的裝配和運動仿真，操作簡單，應用范圍廣泛[4]。SolidWorks Treehouse作為SolidWorks CAD產品的一個模塊，可以在一個獨立的界面中打開。它可以讓用戶快速針對一個新產品創建裝配體結構樹，也可以將現有的模型結構拉入新產品結構樹中進行組裝[5]。針對傳統設計方法的前期規劃不充分、反復交流溝通及團隊協同設計工作效率低的問題，本設計采用SolidWorks Treehouse通過拖放方式把零件和裝配體添加到產品的結構樹，并對其屬性、配置和數量等進行編輯；利用SolidWorks Treehouse提供的列表視圖功能顯示質量、材質、數量等信息，以Excel表格的形式輸出明細表，并顯示模型文件縮略圖，便于進行產品結構分析。運用SolidWorks Treehouse對伺服升降機構創建裝配體結構樹，如圖3所示。

圖3 伺服升降機構的裝配體結構樹

2.2 伺服升降機構的滾珠絲杠傳動機構設計應用

滾珠絲杠機構作為一種高精度的傳動部件，大量應用在數控機床、自動化加工中心、電子精密機械進給機構、伺服機械手等領域[6]。為提高磨床磨削加工進給送料精度，本設計的伺服升降機構采用滾珠絲杠機構通過同步帶連接伺服電機，將伺服電機的旋轉運動高精度地轉換為機構的所需的直線運動，從而驅動刀架精確送料，其傳動結構如圖4所示。

圖4 滾珠絲杠傳動結構

滾珠絲杠傳動機構運送方向為垂直方向，刀架工作臺導向方法是通過自潤滑動軸承滑動導向。滾珠絲杠機構選用結構緊湊、剛性好的內循環式滾珠螺母；滾珠絲杠采用軋制絲杠，精度等級為C7，運行距離誤差±50 μm/300 mm。滾珠絲杠副按額定動載荷和額定靜載荷選擇主要尺寸型號[7]，由式（1）（2）計算得出。

式中：Ca為基本額定動載荷，Coa為基本額定靜載荷，Kh為壽命系數，Kn為轉速系數，KF為載荷系數，KH為硬度影響系數，K'H硬度影響系數，Lh為工作壽命，F為軸向載荷，KL為短行程系數，n為轉速。導程的計算與選定，由式（1）得出

式中：PB為絲杠導程，NR為電機的額定轉速，i為傳動比，Vmax為最大進給速度。根據計算及選型資料選取絲杠外徑直徑為32 mm，導程為5 mm。

滾珠絲杠傳動機構安裝方式采用一端固定、一端自由的安裝方式。固定端由安裝底座、軸承蓋、角接觸球軸承、擋圈、鎖緊螺母等零件組成，在軸承座內部采用一對角接觸球軸承背對背安裝支承絲杠端部，使絲杠固定端在軸向、徑向均受約束。

2.3 伺服升降電機選用

本設計的伺服升降機構運動形式是電機的旋轉運動變為刀架的直線運動，電機驅動轉矩由公式（4）（5）計算得出。

式中：tanρ'=0.0025，T1為螺紋力矩，T2、T3為軸承摩擦力矩，F為軸向載荷，d0為公稱直徑，ρ'為螺紋升角，為當量摩擦角。

由于滾珠絲杠傳動具有可逆性，驅動電機選用帶電磁失電制動器的伺服電機，以達到精確定位的目的，電機額定電壓220 V，功率Pn=1.5 kW，扭矩Tn=6 N·m。根據傳動結構設計要求，選用電磁失電制動器制動，刀架進給到磨刀位置防止絲杠反轉從而保證工件磨削加工位置不變，制動力扭大于等于8 N·m，電壓為直流24 V，電流為0.55 A。

2.4 安裝底座的結構設計與有限元分析

安裝底座是伺服升降機構的重要支承部件，底座上設有伺服電機安裝座孔、軸承座、光軸安裝座孔，安裝組件較多，使用環境復雜。利用SolidWorks軟件的凸臺拉伸、拉伸切除、異型孔工具、旋轉、鏡像、陣列、圓角等命令繪制安裝底座的三維模型。

SolidWorks Simulation是一個與SolidWorks完全集成的設計分析系統。SolidWorks Simulation為線性和非線性靜態、頻率、扭曲、熱力、疲勞、跌落測試、線性和非線性動態和優化分析提供了模擬解決方案。根據本設計工程需要，調用SolidWorks Simulation模塊插件進行靜應力分析。在安裝底座設置夾具為固定。

添加載荷為作用在安裝底座軸承孔上表面的壓力，大小為2000 N；安裝底座的材料類型為HT200，彈性模量為1.999×105MPa，泊松比為0.32，屈服強度約為2.482×102MPa，質量密度為7000 kg/m3；網格采用網格控制，網格大小為8 mm，比率為1.4。最后調用SolidWorks Simulation從靜力學分析方面進行有限元計算分析，分析結果如圖5、6所示。

從圖5的應力分析云圖中可以看出底座的最大應力發生在底座中間支撐板與底座橫梁的連接處，最大值為0.206×102MPa，遠小于材料的屈服強度，說明所選材料性能滿足使用要求，結構較安全；從圖6的變形分析云圖中可以看出安裝底座在壓力下，最大變形發生在絲杠安裝孔的周邊，最大變形量為24 μm，變形在所選材料的彈性變形范圍內，去除壓力后，底座變形消失恢復初始狀態，所以滿足設計工程需要。

圖5 應力分布云圖

圖6 位移云圖

3 樣機裝配與試驗

根據產品裝配體結構樹劃分的裝配關系，利用SolidWorks軟件裝配體功能模塊將各零部件裝配起來，從裝配的角度進行產品設計，分析伺服升降機構在各種工況是否存在干涉。最后根據裝配體結構樹裝配關系和工程圖完成伺服升降機構實機裝配，并將伺服升降機構安裝在雙面磨床上完成工程樣機整機試制，其雙面磨床工程樣機如圖7所示。

圖7 雙面磨床工程樣機

本設計的伺服升降機構為滿足雙面磨床進給送料加工的需要，配制專用夾具保證工件能夠便捷、快速、安全地安裝固定，其刀具加工夾具如圖8所示。

圖8 刀具加工夾具

經工程實踐驗證，雙面磨床伺服升降機構結構設計滿足生產加工要求、精度要求，可一次性完成刀具的雙面加工，其加工產品如圖9所示。

圖9 磨削加工的產品

4 結語

設計的雙面磨床伺服升降機構用于磨床磨削加工的送料，保證了刀架在升降過程中的平衡穩定，提高了工件磨削加工精度；采用SolidWorks三維軟件進行自頂向下的參數化建模設計，實現結構設計整體裝配關系規劃布局，增加了零件之間的關聯性，使設計層次變得更清晰；利用SolidWorks Simulation對主要結構件進行有限元分析，通過仿真分析進行驗證、修改和優化，保證了結構設計的正確、合理；在試制物理樣機之前通過SolidWorks軟件輔助完成雙面磨床伺服升降機構虛擬裝配、運動干涉分析，可有效縮短機械設備的開發周期，同時降低設計成本，提高設計質量，增強企業的競爭力。經樣機試制、產品試樣實踐檢驗，雙面磨床伺服升降機構的結構滿足了產品加工要求。