智能車刀刃磨機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(二)

                                             
圖2-1
 空間應(yīng)該有三個(gè)自由度才能保證三個(gè)面和六個(gè)基本角度，而在我們常用的夾具里，萬(wàn)能虎鉗就是最常見的能實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的輔助夾具，所以我們可以借鑒，從而實(shí)現(xiàn)刃磨。
 工作原理：
后刀面的刃磨
 首先把車刀緊固在虎鉗1上，將轉(zhuǎn)體5相對(duì)于底座6轉(zhuǎn)動(dòng)（繞Y軸線）--車刀的主偏角Kr，使刀刃與縱向進(jìn)給方向平行，角度值可從刻度盤7讀出，再將虎鉗相對(duì)于3轉(zhuǎn)動(dòng)（繞Z軸線）--車刀的軸向后角。角度值可從刻度盤2讀出，此時(shí)，車刀的整個(gè)后刀面都出于切削平面內(nèi)，當(dāng)萬(wàn)能虎鉗隨工作臺(tái)作縱向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可刃磨出車刀的后刀面。副后刀面刃磨基本相同。
(原理如圖2-3所示)
 (2) 前刀面的刃磨
 車刀在虎鉗上緊固后，將轉(zhuǎn)體5相對(duì)于底座6轉(zhuǎn)動(dòng)（繞Y軸線），--車刀的主偏角Kr，角度值可從刻度盤7讀出，將虎鉗1相對(duì)于轉(zhuǎn)體3轉(zhuǎn)動(dòng)（繞Z軸線）--車刀的軸向前角，角度值可從刻度盤2讀出。在將轉(zhuǎn)體3相對(duì)于轉(zhuǎn)體5轉(zhuǎn)動(dòng)（繞X軸線）--刃傾角λs，角度值可從刻度盤4讀出（如果λs=0，則不需轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)體3），這樣車刀的整個(gè)前刀面（經(jīng)刃磨后的）都出于水平位置，當(dāng)萬(wàn)能虎鉗歲工作臺(tái)作作縱向直線往復(fù)運(yùn)
動(dòng)，即可刃磨前刀面。

1一虎鉗; 2、4、7一刻度盤;  3、5一轉(zhuǎn)體； 6一底座
圖2-3
 【方案2】
 由于空間需要三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，才能保證三個(gè)面和六個(gè)基本角度，可以借鑒機(jī)器人的腕關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)刃磨。機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副（轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號(hào)，輸出的是線、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置。如圖2-4所示。

 1、關(guān)節(jié)1        2、關(guān)節(jié)2         3、關(guān)節(jié)3
圖2-4
 利用該種結(jié)構(gòu)，用三臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行輸入，就可實(shí)現(xiàn)空間的三個(gè)角度的旋轉(zhuǎn)輸出，這三條傳動(dòng)路線分別如下:
 電機(jī)1－齒輪Z1/Z2－齒輪Z3/Z4－θ2實(shí)現(xiàn)X軸的旋轉(zhuǎn);
 電機(jī)2－齒輪Z5/Z6－θ1實(shí)現(xiàn)Z軸的旋轉(zhuǎn);
 電機(jī)3－齒輪Z7/Z8－θ3實(shí)現(xiàn)Y軸的旋轉(zhuǎn);
 車刀刀具可以裝夾在托板上，實(shí)現(xiàn)主后刀面、副后刀面、前刀面的刃磨，角度的調(diào)整，可以通過(guò)控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，位姿的調(diào)整由控制軟件按照位姿調(diào)整的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制。從而可以實(shí)現(xiàn)刀具的數(shù)控化刃磨。
 §2.2 方案論證
 方案一，由上述分析可知萬(wàn)能虎鉗調(diào)整時(shí)需將三個(gè)坐標(biāo)軸都進(jìn)行調(diào)整，但由于X、Y、Z三軸是連動(dòng)的。當(dāng)夾具體繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，Y軸方向隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，但Z軸方向不變。繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，X、Z軸方位不變。繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，X、Y 方位隨著變動(dòng)。因此當(dāng)夾具繞X或Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，同時(shí)會(huì)帶動(dòng)其它軸旋轉(zhuǎn)，我們知道在刃磨刀具的幾個(gè)刀面時(shí)，刃磨的先后順序不同，刃磨的幾何角度也不同，因此在使用時(shí)，調(diào)整的幾何角度并不是獨(dú)立的刀具角度，而是對(duì)幾何角度在空間進(jìn)行分析后得到的角度。這樣就會(huì)在刃磨時(shí)，帶來(lái)計(jì)算的麻煩，勢(shì)必影響到刃磨的效率，且萬(wàn)能虎鉗的調(diào)整是通過(guò)目測(cè)，由工人用手調(diào)整，這樣刃磨的質(zhì)量也很難保證。因此在磨床上利用萬(wàn)能虎鉗來(lái)進(jìn)行車刀的刃磨其缺點(diǎn)是很明顯的。
方案二，為了解決萬(wàn)能虎鉗三軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶來(lái)的聯(lián)動(dòng)調(diào)整問(wèn)題以及計(jì)算時(shí)的麻煩，我提出第二種實(shí)現(xiàn)方案。由刃磨要求可知，在刃磨時(shí)要通過(guò)夾具體的回轉(zhuǎn)使刀具的被刃磨面回轉(zhuǎn)到與磨輪工作面平行的方位。因此，當(dāng)夾具回轉(zhuǎn)則需要三個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度以保證刃磨時(shí)所要求的角度，由以上對(duì)萬(wàn)能虎鉗的分析知，該夾具的三個(gè)方向的回轉(zhuǎn)自由度并不是獨(dú)立的，在旋轉(zhuǎn)時(shí)角度是很難控制的，因此為了方便而準(zhǔn)確的控制三個(gè)方向的自由度，我們將這些自由度的生成關(guān)系獨(dú)立開來(lái)，我們采取第二個(gè)實(shí)施方案。該結(jié)構(gòu)由三部分組成，一部分有一個(gè)自由度，并且三部分的軸線交于一個(gè)平面。三部分的實(shí)現(xiàn)由三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制，則三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)自由度就可實(shí)現(xiàn)，并且是獨(dú)立的存在，不會(huì)有干涉的現(xiàn)象，再采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這樣在刃磨車刀時(shí)，要使刀具待磨面與磨輪工作面平行，我們只需要分別控制三臺(tái)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)
三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)，三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)由數(shù)學(xué)建模關(guān)系控制，就可輕易的實(shí)現(xiàn)人為控制，得到我們所需的角度。
 在三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)上，有兩種方案可以實(shí)現(xiàn)，第一種就是三臺(tái)電機(jī)同時(shí)布置在一個(gè)機(jī)體內(nèi)，第二種可以使進(jìn)給方向有兩個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)，然后再利用砂輪的旋轉(zhuǎn)，提供第三個(gè)自由度，這樣也可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的控制，在整個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們對(duì)這兩個(gè)方案也進(jìn)行了論證，最后在實(shí)現(xiàn)控制上，我們發(fā)現(xiàn)，第一、數(shù)學(xué)模型的建立，都是以刀具的旋轉(zhuǎn)為研究對(duì)象的；第二、考慮到設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的緊湊性，我們最終考慮采用了第二種方案中的2，利用三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的控制，從而得到要磨的刃磨角度。
 圖2-4方案可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)回轉(zhuǎn)軸線相交于一點(diǎn)，這樣三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)彼此不會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，三個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，這樣控制算法上比較簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)的相對(duì)復(fù)雜，為此，我們?cè)谶@個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)這個(gè)方案部分結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行改型，從而力求得到比較合理的適合于刀具刃磨的結(jié)構(gòu)。
 Z軸方向布置一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)垂直水平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，平行于水平面布置一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)繞X軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，水平面內(nèi)垂直于X軸布置一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，從而就可實(shí)現(xiàn)繞Y軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)�？傮w結(jié)構(gòu)方案如圖2-5所示，為此                     圖2-5
在次方案的基礎(chǔ)上我們只需進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制的設(shè)計(jì)，就可實(shí)現(xiàn)我們的設(shè)計(jì)要求。
 
  第三章 方案實(shí)施
 §3.1 數(shù)學(xué)模型建立
 §3.1.1常見車刀
 車刀是應(yīng)用最廣的一種單刃刀具。也是學(xué)習(xí)、分析各類刀具的基礎(chǔ)。車刀用于各種車床上，加工外圓、內(nèi)孔、端面、螺紋、車槽等。車刀按結(jié)構(gòu)可分為整體車刀、焊接車刀、機(jī)夾車刀、可轉(zhuǎn)位車刀和成型車刀。

圖3-1 常用車刀
a)外圓車刀  b) 外圓車刀 d)內(nèi)孔車刀 f)螺紋車刀 e)圓弧車刀 c)切斷刀
 §3.1.2車刀幾何角度分析
 
 
 
 圖3-2車刀幾何角度投影
 §3.1.3數(shù)學(xué)模型建立
 車刀刀面方程建立
 1、建立坐標(biāo)系
 1.1  車刀坐標(biāo)系
 以外圓車刀的刀尖0為坐標(biāo)原點(diǎn)，負(fù)進(jìn)給方向?yàn)閤d 軸方向，吃刀運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閅d      軸方向，按右手法則建立車刀坐標(biāo)系。O-xdydzd，并與車刀“固結(jié)”。
 1.2機(jī)床坐標(biāo)系
    以車刀坐標(biāo)系的原點(diǎn)0為坐標(biāo)原點(diǎn)，xd軸方向?yàn)閤軸方向，Yd軸方向?yàn)閥軸方向，按右手法則建立機(jī)床坐標(biāo)系。O-xyz，并與機(jī)床“固結(jié)”。
 2、建立刀面方程式
    設(shè)車刀的三個(gè)刀面為平面，并設(shè)主偏角為kr、，副偏角為kr’：，主后角為a0、法向主后角為an進(jìn)給剖面主后af,切深剖面主后角為ap,主前角為γ0,法向前角為γn,進(jìn)給剖面前角為γf,切深剖面前角為γp,刃傾角為λs,副后角為αo＇,進(jìn)給剖面副后角為αp＇。
    2.1主后刀面方程式
 過(guò)刀尖o做主后刀面的單位法線，如圖4-3可知，該單位的法線的方向數(shù)（即Na在xd、yd、zd軸上的坐標(biāo)分量）pa，qa，ra分別為
 pa=-cosαo×sinkr
 qa= cosαo×coskr
 ra=-sinαo
   于是，主后面的方程式可表示為：
                   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
 過(guò)刀尖O作副后刀面的單位法線Na’，由圖4-3可知，該單位法線的方向數(shù)(即Na’在Xd、Yd、zd軸上的坐標(biāo)分量pa’ 、qa’、ra’： 分別為：

圖3-3  刀具角度投影關(guān)系圖

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

于是，副后刀面方程式為:
 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
 過(guò)刀尖O作前刀面的單位法線Nr，由上圖可知，該單位法線的方向數(shù)(即Nr,在Xd、Yd、zd軸上的坐標(biāo)分量)pr 、qr、rr： 分別為：
 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為：
 xd    sinγn·sinkr    - cosγn·sinλs ·coskr                     xd
 pr 、qr、rr  · yd = -sinγn·coskr    - cosγn·sinλs ·sinkr                     yd  =0    (3)
 zd        cosγn·cosλs                     zd
 
 車刀的位姿調(diào)整
建立砂輪的磨削平面方程
 設(shè)磨刀砂輪的軸線與機(jī)床坐標(biāo)系。O-XYZ的x軸平行．并以砂輪的端平面刃磨車刀的各表面，那么砂輪的磨削平面方程可描述為：
               x
   1   0   0  ·  y   = 0             
                  z
2、車刀的位姿調(diào)整要求：
 (1)能實(shí)現(xiàn)任意一個(gè)被刃磨刀面與砂輪的磨削平面重合；
     (2)能實(shí)現(xiàn)沿磨刀砂輪軸線方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；   
 (3)能保證磨削在砂輪的輪沿附近進(jìn)行；             
 3、車刀的姿態(tài)調(diào)整                            圖    3  - 4     
 姿態(tài)調(diào)整的理論依據(jù)是坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，任意一個(gè)被刃磨刀面經(jīng)過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)以后應(yīng)能夠與砂輪的磨削平面重合或平行、車刀坐標(biāo)系的起始位置與機(jī)床坐標(biāo)系重合�？紤]到設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和刃磨時(shí)主要利用砂輪的端面刃磨，為了提高刃磨效率和提高刃磨質(zhì)量，所以需確定刃磨的先后順序。綜合考慮上述因素，我們確定了如下刃磨順序。
 3.1主后刀面刃磨
 要想讓主后刀面調(diào)整到與機(jī)床坐標(biāo)系的yoz平面相平行的位置需要經(jīng)過(guò)兩次旋轉(zhuǎn)變換。第一次讓刀具連同坐標(biāo)系。讓步進(jìn)電機(jī)繞Z軸沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)kr   。如  圖  
3 - 4   所   示   ，然后讓X向步進(jìn)電機(jī)繞X軸選轉(zhuǎn)一個(gè)后角，則主后刀面就可實(shí)現(xiàn)預(yù)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轉(zhuǎn)方向有所不同，首先應(yīng)該逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)副偏角，副后角同樣需要X方向步進(jìn)電機(jī)調(diào)整。
    3.3 前刀面的刃磨
 前刀面的刃磨時(shí)，首先旋轉(zhuǎn)一個(gè)主偏角，然后再旋轉(zhuǎn)一個(gè)軸向前角，最后旋轉(zhuǎn)一個(gè)刃傾角。這樣需要三次旋轉(zhuǎn)才可實(shí)現(xiàn)前刀面的刃磨，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)順序?yàn)閆向步進(jìn)電機(jī)-Y向步進(jìn)電機(jī)-X向步進(jìn)電機(jī)。
 §3.2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)
 §3.2.1刃磨基本條件

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