砂轮修整装置设计

立式数控磨床砂轮修整装置与控制系统的研究与开发
崔丽琴1雷绳明2
（1华北科技学院机电工程系, 北京 101601） (2 北京鼎信合力数控成套设备有限公司 ,
北京 100021）
Research and Development on CNC Grinding Wheel Dressing Device and Controlling
System
CUI LI-qin1LEI SHENG-ming2
(1 North China Institute of Science and Technology , Beijing 101601 China)
(2 Beijing DINGXINHELI NC Complete Equipment Co. ,Ltd. , Beijing 100021 China )
摘要：本文开发的数控砂轮修整装置主要用于立式数控磨床大型回转支承双圆弧滚道的加工。

为保证砂轮的修整精度和表面质量，本文结合数控磨床的结构特点，研究开发了一种机、电、液、气相集成的数控砂轮修整装置。

关键词：双圆弧滚道砂轮修整装置控制系统
Abstract: This paper introduce the CNC grinding wheel dressing device that is used the upright CNC grinder making a double arc raceway of rotary bearing. To ensure grinding wheel grinding precision and surface quantity, It design a device by the way integrated mechanism, electron device, hydraulic and gas controlling. It make best use of CNC grinder structure feature.
Key words: a double arc raceway, grinding wheel dressing device, controlling system
大型回转支承又称特大型轴承，它是一种能够承受综合载荷的大型轴承，可以同时承受较大的径向载荷、轴向载荷和倾翻力矩，广泛用于起重运输机械、港口机械、船舶机具以及其它方面的大型回转装置上。

回转支承系列产品在制造过程中其重点和难点是零件的滚道加工。

滚道截面形状国际上优先采用双圆弧或椭圆弧，回转支承滚道的加工采用成形磨削。

对成形磨削来说，工件轮廓精度主要取决于被修整砂轮的轮廓精度。

国内回转支承制造企业在滚道加工中主要存在加工精度低的问题，导致回转支承早期失效。

为使产品质量达到国际先进水平，加快产品市场反应速度，目前大多数生产厂家对回转支承滚道加工设备采用数控化控制，同时设计与之配套的数控砂轮修整装置。

本文开发研究的立式数控磨床砂轮修整装置与控制系统是根据用户需求满足于回转支承双圆弧滚道加工的修整装置。

1 双圆弧砂轮的形成原理
用立式磨床加工回转支承滚道时通常采用切入式的成形磨削，沟道加工时首先将砂轮修整成双圆弧形，双圆弧砂轮廓形的形成原理如图1所示,将半径为R的圆弧AB以O点为基点向下平移偏心量e的距离至O2处，形成新弧AD；再将圆弧BC以O为基点向上平移偏心量e 至O1处，形成新弧DC，两弧交点为D点，则圆弧AD与DCˊ形成新的几何形状即为四点接触球轴承双圆弧滚道的素线。

由形成原理可知，偏心距e和圆弧半径R是保证双圆弧砂轮精度的关键所在。

图1 双圆弧砂轮的形成原理
Fig.1Forming principle of double arc raceway
2 立式磨床的结构特点
数控立式磨床，因其磨削主轴和工件均竖直安装，便于磨削圆形工件的内径、外径和表面及其他回转表面，工件和砂轮轴的重力成为有利于磨削的因素，使得工件需要的夹紧力变小，工件变形小，能够获得更高的加工精度，因此特别适合于大型回转支承的加工。

3 砂轮修整器的工作原理
由双圆弧形成原理可知，双圆弧砂轮修整时由四个运动组成：砂轮的旋转、金刚笔的摆动，偏心距上下移动以及修整的进给运动。

本修整器的开发根据立式磨床的结构特点，砂轮的旋转由砂轮的主轴提供，转动速度由主轴电机控制，砂轮垂直方向（Z轴）的移动通过砂轮轴沿着磨床的滑座上下移动实现。

因此，利用数控磨床Z坐标轴实现修整时砂轮上、下偏心距的调整，既易于保证偏心距e的精度，又简化了修整装置的结构。

当砂轮修整时，首先金刚笔在Z向对刀，对砂轮来说，在垂直方向的最佳对刀点在砂轮的中心平面（Z=0）上，此时保持砂轮修整器金刚石修整笔的回转中心在Z轴方向固定不动，而将砂轮中心沿Z轴方向往上移动一个距离e到O1处，此时，相当于金刚笔的回转中心在O2处，当金刚笔由上向下摆动时，修整砂轮的圆弧AD；同理，将砂轮中心沿Z轴方向往下移动一个距离e到O2处，此时，相当于金刚笔的回转中心在O1处，金刚笔由下向上摆动修整砂轮的圆弧DC，这样在砂轮的法向截面就形成了由AD和DC‘的双圆弧廓形，如图2所示。

砂轮修整进给量由另一方向修整器的Y轴伺服系统实现。

图2 砂轮修整器原理简图
Fig.2 Schematic diagram of dresser
4 修整器的总体结构
根据修整器的功能要求及工作原理，修整器的主体运动就是砂轮与金刚笔之间的相对运动。

修整器的总体结构如图3所示，主要由回转机构、进给系统、液压、气动系统以及辅助机构等组成。

4.1 回转机构
回转机构主要完成砂轮修整时金刚笔的往复摆动。

由于修整过程中回转臂在不同位置需要的力矩是变化的，同时要求砂轮的修整速度保持均匀，摆动循环应满足高精度、快速响应、准确定位的要求，因此采用气/液串联旋转促动器带动金刚笔摆动修整砂轮。

回转机构由气/液串联旋转促动器、回转臂、金刚笔组成。

结构设计时通过人工手动调整金刚笔尖与回转中心之间的距离，实现不同大小的砂轮圆弧半径R的修整。

此结构简化了修整装置的调整，有利于保证修整砂轮的尺寸精度。

4.2 进给系统
修整器的进给系统设在Y轴方向，完成砂轮修整时的进给量。

Y轴进给系统由交流伺服电机带动同步齿形带、滚珠丝杠运动完成工作台沿导轨的移动进给。

而修整时上、下偏心距的实现以及砂轮的旋转由磨床的坐标轴和主轴提供。

4.3 液压、气动系统
液压系统、气动系统主要完成为气/液串联旋转促动器、砂轮防护罩提供驱动动力的功能。

4.4 砂轮防护及其他辅助系统
因砂轮修整时在较高的位置，为控制砂轮粉尘的流向，设计了气动砂轮罩作为防护用。

冷却系统用于降低砂轮修整时的热量, 保证修整砂轮的均匀性。

1-轴承座2-大带轮3-同步带4-小带轮5-防护罩6-伺服电机7-支架8-滚珠丝杠9-连接板
10-金刚笔11-回转比12-导轨13-气-液串联旋转促动器
图3 砂轮修整器整体结构简图
Fig.3 The whole structure Grinding wheel dresser
5 控制系统
砂轮修整器的控制系统是利用磨床的数控系统完成对修整器的控制。

本修整器配套的立式磨床选用SIEMENS公司生产的SINUMERIK 840D数控系统、SIMODRIVE 611D驱动系统、1FK6数字式伺服电机和SIMATIC S7可编程序控制器构成全数字控制系统。

5.1 控制内容
本修整器的控制主要包括：
（1）回转机构的控制
砂轮修整是利用回转机构带动金刚笔摆动实现的，回转机构的动力来源于气/液串联旋转促动器的液压/气动系统，因此促动器的液压、气动系统的工作循环由控制系统完成。

（2）Y轴进给系统的控制
砂轮修整时的进给量由Y轴完成，因此控制系统应实现对Y轴坐标运动的控制，包括移动速度、距离、行程限位、回参考点操作等功能。

（3 ）砂轮防护等辅助功能的控制
包括砂轮防护的气动系统、砂轮修整时冷却系统等的控制。

砂轮修整装置的控制主要由两部分组成:一部分是对各坐标轴运动进行的数字控制,即对坐标轴的移动距离、方向和速度等进行的控制，这些均为实时的高速信息，它是数控装置通过插补运算控制伺服系统的运动来实现的；另一部分是顺序控制，即数控装置以M、S、T 功能指令及机床的各行程开关、按钮、继电器等的开关量信号状态为条件，按预定的逻辑顺序对砂轮修整时液压系统、气动系统以及冷却系统的控制和控制面板信号进行的控制和处理，这些开关量为低速离散信息，它是通过数控系统的可编程控制器来实现的。

5.2 控制程序
利用STEP7编制了砂轮修整的PLC控制程序。

PLC程序设计采用模块化编程，将机床启动条件、PLC使能信号处理、轴控制、辅助功能、以及强制修整、手动单次修整和手动连续修整等编制成不同模块。

5.3 修整软件
针对工件的加工特点和要求，开发了三套修整子程序，用于不同的修整目的，包括手动单次修整——按一次按钮修一次；手动连续修整——按一次按钮连续修，再按一次按钮停止；强制修整——在自动状态下执行，执行完设定的修整次数返回磨削状态。

在砂轮修整软件开发中，每次的修整量、偏心距、修整后磨削让刀量、修整前的磨削退刀量、强制修整次数、当前砂轮半径都通过R参数输入，通过程序计算出修整后砂轮的实际半径，以及X、Y、Z的坐标值，可方便地进行修整位置的记忆、调整，实现了砂轮修整补偿，保证了磨削回转支承滚道的精度和要求。

6 结语
本文开发研究的砂轮修整装置和控制系统应用于立式数控磨床已实际运行两年多的时间，通过对磨削工件的检验结果表明，该数控修整装置结构设计合理，控制系统及软件的开发完全达到了预期的效果，同时得到服务厂家的好评。

本文开发研究的数控砂轮修整装置及控制系统与其他修整装置相比的独到之处在于：该装置充分利用机、电、气、液一体化功能，结构简单、功能易于实现、且能够满足双圆弧砂轮修整的精度要求。

参考文献
1侯宁.影响回转支承承载能力的四个参数.建筑机械.2002,(1):21~22
2 SIEMENS.SINUMERIK840D/810D/FM-NC.编程指南.西门子(中国)有限公司 2002
3 SIEMENS.SINUMERIK 840D/810Di/FM-NC 操作手册.西门子(中国)有限公司.2002
4 SIEMENS. INUMERIK 840D/Installation&Start-up Guide SIEMENS 2001
5 SIEMENS.SINUMERIK 840D/810D Drive Functions SIEMENS 2001。