带联动转动轴三轴联动数控磨床研究

带联动转动轴三轴联动数控磨床研究张自强1,陈少波1, 郑志丹1（1.汕头大学智能制造技术教育部重点实验室 广东省汕头市 515063）摘 要：文中探讨了带联动转动轴数控磨床的不同用途及几种特定用途对数控磨床的专门要求，并介绍一种已获专利授权的多用途三轴联动数控磨床。

它通过更换联动转动轴来满足不同的用途。

当联动转动轴为磨床工件主轴时，它可用于圆柱凸轮、盘状凸轮和非圆轴等零件的磨削加工；当联动转动轴为砂轮修整器的转动轴时，它能精确修整母线为各种曲线的成型砂轮。

该数控磨床结构简单，适应性广，数控编程也比较容易，尤其适合于实验室使用。

文中还介绍一种已获发明专利授权的新型数控砂轮修整器。

关键词：多用途；数控磨床；联动转动轴；砂轮修整器普通二轴联动数控外圆磨床只有2个联动移动轴。

而圆柱凸轮、盘状凸轮和非圆轴等零件磨削加工时，要求磨床工件主轴为联动转动轴。

还有许多零件具有回转曲面深槽，成型磨削对这类深槽的加工是一种有效的工艺方法。

随着数控技术的发展，成型磨削用砂轮的数控修整法得到了越来越多的应用[1]，但2移动轴联动修整时，在深槽截面曲线较陡处（该处截面曲线的切线斜率绝对值较大），修整工具会与砂轮发生干涉，如图1所示，严重影响砂轮修整精度或根本就无法修整。

因此，用于曲面深槽成型磨削的砂轮修整时，要求砂轮修整器具有联动转动轴。

综上所述，满足上述多种用途的数控磨床最少要具有4个联动轴。

11-成型砂轮； 2-修整工具图1 修整工具与砂轮发生干涉基金项目：广东省教育厅自然科学研究项目（Z03036）作者简介：张自强(1956-), 男, 教授；陈少波(1965-), 男, 高级实验师；郑志丹(1971-), 男, 高级实验师。

众所周知，联动轴数越多，数控系统越复杂，数控编程也更难。

为此设计了具有可更换联动转动轴功能的多用途三轴联动数控磨床：在普通二轴联动数控外圆磨床的基础上增加第三个伺服电机，该伺服电机通过可拆合传动装置更换联接到不同的转动轴上，使该转动轴成为联动转动轴，实现了联动转动轴的更换,以满足不同的用途。

它已获专利授权[2]。

当联动转动轴为磨床工件主轴时，它可用于圆柱凸轮、盘状凸轮和非圆轴等零件的磨削加工；当联动转动轴为数控砂轮修整器的转动轴时，它能精确修整母线为各种曲线的成型砂轮。

其功能相当于带多个联动转动轴的多轴联动数控磨床或多台具有不同的联动转动轴的专用数控磨床。

该数控磨床结构简单，适应性广，数控编程也比较容易，尤其适合于实验室使用。

下面讨论带联动转动轴数控磨床的某些不同用途及几种特定用途对数控磨床的专门要求，并介绍多用途三轴联动数控磨床的设计。

1 磨削圆柱凸轮导槽时对数控磨床的要求图2是多用途三轴联动数控磨床第三个伺服电机被联接到工件主轴上时的结构示意图。

此时，磨床工件主轴成为联动转动轴，数控磨床可用于圆柱凸轮、盘状凸轮和非圆轴等零件的磨削加工。

磨削加工盘状凸轮和非圆轴时，图2所示数控磨床已能胜任。

而对于圆柱凸轮导槽磨削，则还需进一步分析：1-砂轮底座；2-床身X向导轨；3-砂轮；4-工件；5-工件头架；6-工作台；7-床身Z向导轨；9-工件主轴；10-第三个伺服电机图2第三个伺服电机被联接到工件主轴时结构示意图图3是滚子移动式圆柱凸轮及其展开图。

数控铣削加工圆柱凸轮导槽时，若刀具直径和滚子直径相等，直接用刀具取代滚子，按圆柱凸轮工作时滚子与凸轮导槽的相对运动关系进行加工，则只需Z 轴与C轴两个联动轴就已经足够了。

图3 滚子移动式圆柱凸轮及其展开图但图2所示数控磨床的砂轮主轴是与Z轴平行的水平轴，不能直接用该砂轮取代滚子进行磨削。

因此，数控磨床还必须加上一个立式高速砂轮主轴。

两个砂轮主轴的关系类似于万能外圆磨床中用于磨外圆的砂轮主轴与用于磨内孔的高速砂轮主轴之间的关系。

通过电气互锁，确保两个砂轮主轴不能同时被使用。

数控磨削加工与数控铣削加工类似。

但圆柱凸轮导槽的数控磨削加工中，由于砂轮磨损以及对其的修整造成砂轮直径不断减小，这样由于砂轮直径小于导槽宽度，必须采用X、Z轴与C轴三轴联动的数控磨床。

综上所述，具有立式高速砂轮主轴，并具有X、Z轴与C轴三轴联动的数控磨床就能胜任圆柱凸轮导槽磨削。

2 精确修整成型砂轮时对数控磨床的要求如图1所示，二移动轴联动修整砂轮时，在深槽截面曲线较陡处，修整工具会与砂轮发生干涉，严重影响砂轮修整精度或根本就无法修整。

因此，用于曲线截面深槽成型磨削的砂轮修整时，要求砂轮修整器具有联动转动轴。

图4是多用途三轴联动数控磨床第三个伺服电机被联接到砂轮修整器转动轴上时的结构示意图。

此时，砂轮修整器转动轴成为联动转动轴，它能精确修整母线为各种曲线的成型砂轮。

1-砂轮底座；2-X向导轨；3-砂轮；4-工件；5-工件头架；6-工作台；7-Z向导轨；8-工件主轴电机；9-工件主轴；10-第三个伺服电机；11-砂轮修整器；12-修整工具图4 第三个伺服电机被联接到修整器转动轴时结构示意图3 带转动轴修整器数控编程难问题在普通3移动轴联动数控系统中，各个轴的运动互不干涉，但在带转动轴的三轴联动数控砂轮修整器中，引入了绕转动轴的转动。

一般情况下，因为转动轴不通过修整工具刃口圆弧的圆心，所以绕转动轴的转动会引起修整工具刃口处2个移动轴坐标数值（即修整工具刃口位置）的改变，修整工具刃口圆弧的圆心与转动轴线之间的距离越大，此问题的影响越大，当该距离较大时，绕转动轴转动一个很小的角度就会引起修整工具刃口位置很大的改变，因此，在数控编程时，必须进行相应的补偿，补偿时，稍有不慎就会产生干涉，打坏修整工具。

这引起了带转动轴的砂轮修整器数控编程难问题。

4 新型砂轮修整器所设计开发的新型数控砂轮修整器已获发明专利授权[3]。

其结构特点是修整工具能绕修整工具刃口的圆弧圆心转动——即修整器的转动轴通过修整工具刃口圆弧的圆心。

它使数控编程时，可不考虑绕转动轴的转动对两移动轴的影响，即转动轴与移动轴并联，因此可大大简化数控编程。

图5中a点处即是修整笔的刃口位置，商品化的通用型修整笔在该处有一个0.3mm的刃口圆弧，转动轴轴心线就是要求通过该圆弧的圆心O点，若转动轴轴心线不通过该圆心，就会出现上述绕转动轴的转动引起修整工具刃口位置改变的问题。

图5修整笔的刃口位置及刃口圆弧新型数控砂轮修整器在修整笔安装时必须使修整笔刃口的圆弧圆心O点落在转动轴轴心线上，才能保证不引入误差[4]。

新型数控砂轮修整器在结构设计时[5]保证了这一结构特点。

它使数控编程时，可不考虑绕转动轴的转动对两移动轴的影响，即转动轴与移动轴并联，所以，它实质上是一种具有并联转动轴的数控砂轮修整器，除了用于本文介绍的多用途三轴联动数控磨床之外，还可以用作通用型的数控砂轮修整器，即作为普通二轴联动数控外圆磨床的通用附件，成为独立的功能部件。

作为通用型的数控砂轮修整器来考虑时，要求保留数控磨床原有的数控系统不变，另加一个单轴的数控系统独立控制砂轮修整器的转动。

这是可行的：首先，上述新型数控砂轮修整器转动轴与移动轴并联的结构特点使其修整工具绕转动轴的转动不会引起修整工具刃口位置的改变，因此，它并不需要转动轴与移动轴的联动；其次，数控砂轮修整器工作时，仅要求修整笔的轴线C跟踪砂轮截面曲线的法线D的方向（参看图6），不可能也没必要使修整笔的轴线C与砂轮截面曲线的法线D重叠[4]。

1-成型砂轮；2-修整笔图6修整笔的轴线C与砂轮截面曲线的法线D因此，通过软件使二套数控系统能够协调工作，同样能够达到修整效果。

此时，该砂轮修整器可作为通用型的功能部件，配在通用型的二轴联动数控磨床上使用[6]。

4 结论本文探讨了用于圆柱凸轮、盘状凸轮和非圆轴等零件的磨削加工时，以及用于精确修整母线为各种曲线的成型砂轮时，对带联动转动轴数控磨床的几种专门要求，并介绍一种已获专利授权的多用途三轴联动数控磨床。

它通过更换联动转动轴来满足不同的用途。

当联动转动轴为磨床工件主轴时，它可用于盘状凸轮和非圆轴等零件的磨削加工，同时采用立式高速砂轮主轴，它还可用于圆柱凸轮导槽磨削加工；当联动转动轴为数控砂轮修整器的转动轴时，它能精确修整母线为各种曲线的成型砂轮。

其功能相当于带多个联动转动轴的多轴联动数控磨床或多台具有不同的联动转动轴的专用数控磨床。

该数控磨床结构简单，适应性广，数控编程也比较容易，尤其适合于实验室使用。

本文还介绍一种已获发明专利授权的新型数控砂轮修整器。

其结构特点是修整工具能绕修整工具刃口的圆弧圆心转动。

这使该修整器绕转动轴的转动对两移动轴没有影响，即转动轴与移动轴并联，因此数控编程时，可不考虑绕转动轴的转动对两移动轴的影响，编程容易实现。

该修整器除了用于多用途三轴联动数控磨床之外，还可以用作普通二轴联动数控外圆磨床的通用附件，成为独立的功能部件。

参考文献:[1]Zhang Ziqiang, Yan Qiusheng and Zheng Zhidan. Studieson Wheel Dressing Method in Form Grinding of Revolving Curved Surfaces Grooves [A]. Progress of machining technology [C]. Beijing, 2002.[2]张自强 陈少波 郑志丹. 一种可更换联动转动轴的多用途三轴联动数控磨床[P]. 中国专利：ZL 200520066769.X，2006-11-29.Zhang Ziqiang, Chen Shaobo and Zheng Zhidan. A Multifunctional Three Axes Ganged NC Grinding Machine with Changeable Ganged Revolving Spindle [P].Chinese Patent: ZL 200520066769.X, 2006-11-29.[3]张自强 阎秋生. 磨床砂轮修整器[P]. 中国专利：ZL02152114.X，2004-11-3.Zhang Ziqiang and Yan Qiusheng. A NC dresser of Grinding Machine [P]. Chinese Patent: ZL 02152114.X, 2004-11-3.[4]Zhang Ziqiang, Yan Qiusheng, Chen Shaobo et al.Influence of dresser setting and assembling errors on shapeprecision of form wheel [J]. Key engineering materials, 2004, V ol. 259-260: 63-67.[5]张自强 阎秋生 陈少波等．修整工具能绕刃口圆弧圆心转动的数控砂轮修整器[J]．制造技术与机床，2004，（6）：80-81．Zhang Ziqiang, Yan Qiusheng, Chen Shaobo et al. NC Dresser on Which the Dressing Tool Can Turn Around theArc Center [J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2004, (6): 80-81.[6]Chen Shaobo, Zheng Zhidan, Zhang Ziqiang et al, ControlSystem Configuration of All-Purpose NC Wheel Dresser[A]. Current Development in Abrasive Technology [C].Australia, 2006.。