智能车刀刃磨机机械结构设计(二)

                                             
图2-1
 空间应该有三个自由度才能保证三个面和六个基本角度，而在我们常用的夹具里，万能虎钳就是最常见的能实现三个自由度的辅助夹具，所以我们可以借鉴，从而实现刃磨。
 工作原理：
后刀面的刃磨
 首先把车刀紧固在虎钳1上，将转体5相对于底座6转动（绕Y轴线）--车刀的主偏角Kr，使刀刃与纵向进给方向平行，角度值可从刻度盘7读出，再将虎钳相对于3转动（绕Z轴线）--车刀的轴向后角。角度值可从刻度盘2读出，此时，车刀的整个后刀面都出于切削平面内，当万能虎钳随工作台作纵向往复直线运动时，即可刃磨出车刀的后刀面。副后刀面刃磨基本相同。
(原理如图2-3所示)
 (2) 前刀面的刃磨
 车刀在虎钳上紧固后，将转体5相对于底座6转动（绕Y轴线），--车刀的主偏角Kr，角度值可从刻度盘7读出，将虎钳1相对于转体3转动（绕Z轴线）--车刀的轴向前角，角度值可从刻度盘2读出。在将转体3相对于转体5转动（绕X轴线）--刃倾角λs，角度值可从刻度盘4读出（如果λs=0，则不需转动转体3），这样车刀的整个前刀面（经刃磨后的）都出于水平位置，当万能虎钳岁工作台作作纵向直线往复运
动，即可刃磨前刀面。

1一虎钳; 2、4、7一刻度盘;  3、5一转体； 6一底座
图2-3
 【方案2】
 由于空间需要三个旋转自由度，才能保证三个面和六个基本角度，可以借鉴机器人的腕关节，实现刃磨。机器人执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等驱动装置。如图2-4所示。

 1、关节1        2、关节2         3、关节3
图2-4
 利用该种结构，用三台伺服电机进行输入，就可实现空间的三个角度的旋转输出，这三条传动路线分别如下:
 电机1－齿轮Z1/Z2－齿轮Z3/Z4－θ2实现X轴的旋转;
 电机2－齿轮Z5/Z6－θ1实现Z轴的旋转;
 电机3－齿轮Z7/Z8－θ3实现Y轴的旋转;
 车刀刀具可以装夹在托板上，实现主后刀面、副后刀面、前刀面的刃磨，角度的调整，可以通过控制伺服电机的旋转，位姿的调整由控制软件按照位姿调整的数学模型进行控制。从而可以实现刀具的数控化刃磨。
 §2.2 方案论证
 方案一，由上述分析可知万能虎钳调整时需将三个坐标轴都进行调整，但由于X、Y、Z三轴是连动的。当夹具体绕X轴转动时，Y轴方向随着转动，但Z轴方向不变。绕Y轴转动时，X、Z轴方位不变。绕Z轴旋转时，X、Y 方位随着变动。因此当夹具绕X或Z轴旋转时，同时会带动其它轴旋转，我们知道在刃磨刀具的几个刀面时，刃磨的先后顺序不同，刃磨的几何角度也不同，因此在使用时，调整的几何角度并不是独立的刀具角度，而是对几何角度在空间进行分析后得到的角度。这样就会在刃磨时，带来计算的麻烦，势必影响到刃磨的效率，且万能虎钳的调整是通过目测，由工人用手调整，这样刃磨的质量也很难保证。因此在磨床上利用万能虎钳来进行车刀的刃磨其缺点是很明显的。
方案二，为了解决万能虎钳三轴转动时，带来的联动调整问题以及计算时的麻烦，我提出第二种实现方案。由刃磨要求可知，在刃磨时要通过夹具体的回转使刀具的被刃磨面回转到与磨轮工作面平行的方位。因此，当夹具回转则需要三个旋转的自由度以保证刃磨时所要求的角度，由以上对万能虎钳的分析知，该夹具的三个方向的回转自由度并不是独立的，在旋转时角度是很难控制的，因此为了方便而准确的控制三个方向的自由度，我们将这些自由度的生成关系独立开来，我们采取第二个实施方案。该结构由三部分组成，一部分有一个自由度，并且三部分的轴线交于一个平面。三部分的实现由三台步进电机控制，则三个方向的旋转自由度就可实现，并且是独立的存在，不会有干涉的现象，再采用丝杠螺母机构来实现两个方向的进给运动，这样在刃磨车刀时，要使刀具待磨面与磨轮工作面平行，我们只需要分别控制三台电机来实现
三个轴的旋转，三个轴的旋转由数学建模关系控制，就可轻易的实现人为控制，得到我们所需的角度。
 在三个自由度的实现上，有两种方案可以实现，第一种就是三台电机同时布置在一个机体内，第二种可以使进给方向有两个自由度的旋转，然后再利用砂轮的旋转，提供第三个自由度，这样也可以实现三个自由度的控制，在整个设计当中，我们对这两个方案也进行了论证，最后在实现控制上，我们发现，第一、数学模型的建立，都是以刀具的旋转为研究对象的；第二、考虑到设计的结构的紧凑性，我们最终考虑采用了第二种方案中的2，利用三台步进电机实现对刀具的控制，从而得到要磨的刃磨角度。
 图2-4方案可以实现三个回转轴线相交于一点，这样三个轴的运动彼此不会产生诱导运动，三个电机的运动相互独立，这样控制算法上比较简单容易实现，但在结构上体现的相对复杂，为此，我们在这个基础上对这个方案部分结构进一步进行改型，从而力求得到比较合理的适合于刀具刃磨的结构。
 Z轴方向布置一台步进电机，可以实现垂直水平面的旋转运动，平行于水平面布置一台步进电机可以实现绕X轴的旋转运动，水平面内垂直于X轴布置一台步进电机，从而就可实现绕Y轴的旋转运动。总体结构方案如图2-5所示，为此                     图2-5
在次方案的基础上我们只需进行合理的结构设计和控制的设计，就可实现我们的设计要求。
 
  第三章 方案实施
 §3.1 数学模型建立
 §3.1.1常见车刀
 车刀是应用最广的一种单刃刀具。也是学习、分析各类刀具的基础。车刀用于各种车床上，加工外圆、内孔、端面、螺纹、车槽等。车刀按结构可分为整体车刀、焊接车刀、机夹车刀、可转位车刀和成型车刀。

图3-1 常用车刀
a)外圆车刀  b) 外圆车刀 d)内孔车刀 f)螺纹车刀 e)圆弧车刀 c)切断刀
 §3.1.2车刀几何角度分析
 
 
 
 图3-2车刀几何角度投影
 §3.1.3数学模型建立
 车刀刀面方程建立
 1、建立坐标系
 1.1  车刀坐标系
 以外圆车刀的刀尖0为坐标原点，负进给方向为xd 轴方向，吃刀运动方向为Yd      轴方向，按右手法则建立车刀坐标系。O-xdydzd，并与车刀“固结”。
 1.2机床坐标系
    以车刀坐标系的原点0为坐标原点，xd轴方向为x轴方向，Yd轴方向为y轴方向，按右手法则建立机床坐标系。O-xyz，并与机床“固结”。
 2、建立刀面方程式
    设车刀的三个刀面为平面，并设主偏角为kr、，副偏角为kr’：，主后角为a0、法向主后角为an进给剖面主后af,切深剖面主后角为ap,主前角为γ0,法向前角为γn,进给剖面前角为γf,切深剖面前角为γp,刃倾角为λs,副后角为αo＇,进给剖面副后角为αp＇。
    2.1主后刀面方程式
 过刀尖o做主后刀面的单位法线，如图4-3可知，该单位的法线的方向数（即Na在xd、yd、zd轴上的坐标分量）pa，qa，ra分别为
 pa=-cosαo×sinkr
 qa= cosαo×coskr
 ra=-sinαo
   于是，主后面的方程式可表示为：
                   xd       -cosαo·sinkr              T        xd
    pa   qa   ra    ·    yd   =   cosαo·coskr                          yd   =0    (1)
 zd         -sinαo                    zd
 
 2.2 副后刀面方程式
 过刀尖O作副后刀面的单位法线Na’，由图4-3可知，该单位法线的方向数(即Na’在Xd、Yd、zd轴上的坐标分量pa’ 、qa’、ra’： 分别为：

图3-3  刀具角度投影关系图

  pa’=-cosαo’×sinkr  
    qa’= cosαo’×coskr    ’
 ra’=-sinαo’ 

于是，副后刀面方程式为:
 xd       -cosαo’·sinkr    ’            T         xd
    pa’   qa ‘  ra ‘   ·      yd   =    cosαo’·coskr    ’                         yd   =0  (2)
 zd         -sinαo’                         zd

 2.3 前刀面方程式
 过刀尖O作前刀面的单位法线Nr，由上图可知，该单位法线的方向数(即Nr,在Xd、Yd、zd轴上的坐标分量)pr 、qr、rr： 分别为：
 pr=sinγn·sinkr    - cosγn·sinλs ·coskr  
      qr=-sinγn·coskr    - cosγn·sinλs ·sinkr   
      rr= cosγn·cosλs
 于是前刀面的方程式可表示为：
 xd    sinγn·sinkr    - cosγn·sinλs ·coskr                     xd
 pr 、qr、rr  · yd = -sinγn·coskr    - cosγn·sinλs ·sinkr                     yd  =0    (3)
 zd        cosγn·cosλs                     zd
 
 车刀的位姿调整
建立砂轮的磨削平面方程
 设磨刀砂轮的轴线与机床坐标系。O-XYZ的x轴平行．并以砂轮的端平面刃磨车刀的各表面，那么砂轮的磨削平面方程可描述为：
               x
   1   0   0  ·  y   = 0             
                  z
2、车刀的位姿调整要求：
 (1)能实现任意一个被刃磨刀面与砂轮的磨削平面重合；
     (2)能实现沿磨刀砂轮轴线方向的进给运动；   
 (3)能保证磨削在砂轮的轮沿附近进行；             
 3、车刀的姿态调整                            图    3  - 4     
 姿态调整的理论依据是坐标旋转，任意一个被刃磨刀面经过坐标旋转以后应能够与砂轮的磨削平面重合或平行、车刀坐标系的起始位置与机床坐标系重合。考虑到设计的机械结构和刃磨时主要利用砂轮的端面刃磨，为了提高刃磨效率和提高刃磨质量，所以需确定刃磨的先后顺序。综合考虑上述因素，我们确定了如下刃磨顺序。
 3.1主后刀面刃磨
 要想让主后刀面调整到与机床坐标系的yoz平面相平行的位置需要经过两次旋转变换。第一次让刀具连同坐标系。让步进电机绕Z轴沿顺时针方向转kr   。如  图  
3 - 4   所   示   ，然后让X向步进电机绕X轴选转一个后角，则主后刀面就可实现预期的刃磨。
 3.2副后刀面刃磨
 副后刀面的刃磨和主后刀面的刃磨基本相似，所不同的就是第一步的旋转方向有所不同，首先应该逆时针旋转一个副偏角，副后角同样需要X方向步进电机调整。
    3.3 前刀面的刃磨
 前刀面的刃磨时，首先旋转一个主偏角，然后再旋转一个轴向前角，最后旋转一个刃倾角。这样需要三次旋转才可实现前刀面的刃磨，电机的旋转顺序为Z向步进电机-Y向步进电机-X向步进电机。
 §3.2 机械部分设计
 §3.2.1刃磨基本条件

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