李恒，沈輝，呂明明，陳徐兵，嚴(yán)偉明，蔣波

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127;2.華中科技大學(xué)國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心揚(yáng)州研發(fā)中心，江蘇揚(yáng)州 225127）

0 引言

制鞋業(yè)是我國重要的制造及出口行業(yè)，在我國國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中占有重要的地位。目前，我國的制鞋企業(yè)普遍存在著制鞋設(shè)備自動(dòng)化水平低、產(chǎn)品科技含量不高、工藝水平低、產(chǎn)品品質(zhì)參差不齊等問題［12］。鞋底磨邊作為制鞋工藝中的重要一步，對(duì)制鞋的品質(zhì)有著較大的影響，目前國內(nèi)制鞋企業(yè)大都在使用效率低的手工鞋底磨邊機(jī)，鞋底磨邊品質(zhì)受人的影響因素很大，難以保障產(chǎn)品品質(zhì)，一定程度上阻礙了我國制鞋業(yè)的發(fā)展。如何提高鞋底磨邊的品質(zhì)和提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益是制鞋業(yè)亟待解決的問題。

根據(jù)企業(yè)需求，研制出專門用于鞋底磨邊的數(shù)控機(jī)床，用全自動(dòng)鞋底磨邊機(jī)取代手工鞋底磨邊機(jī)，具有較大的意義。這將對(duì)提高制鞋的效率和品質(zhì)，改變現(xiàn)在制鞋企業(yè)人員不足的情況，生產(chǎn)出高品質(zhì)的鞋類產(chǎn)品，推動(dòng)我國制鞋業(yè)的發(fā)展，起到巨大的作用。

1 鞋底磨邊機(jī)總體布局設(shè)計(jì)

開發(fā)鞋底磨邊機(jī)的目的是用數(shù)控技術(shù)取代存在于制鞋企業(yè)中的手工對(duì)鞋底磨邊的狀況，提高企業(yè)效率。開發(fā)出的鞋底磨邊機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋底貼邊和貼跟中存在的參差不齊部分進(jìn)行少量的切削，然后對(duì)鞋底邊進(jìn)行粗磨和精磨加工，實(shí)現(xiàn)鞋底邊曲線的光滑處理。

根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能和鞋底加工的特點(diǎn)，在對(duì)鞋底磨邊機(jī)進(jìn)行分析中，可以看出該機(jī)床具有銑床和磨床的功能，由于鞋底為不規(guī)則曲線，材料為橡膠、塑料等，形狀較小，質(zhì)量輕，機(jī)床的切削力小，加工精度要求不太高，但要求機(jī)床質(zhì)量比較輕，成本低，因此在這里采用平行立式結(jié)構(gòu)，主要由x，c，t三個(gè)軸組成，具體設(shè)計(jì)為:

1）由于機(jī)床比較輕，且要求便于移動(dòng)，在加工過程中切削力比較小，因此整個(gè)機(jī)床采用矩形槽鋼焊接而成。機(jī)床主軸與工作臺(tái)豎直方向平行放置。

2）機(jī)床主軸t軸與換刀裝置裝配在一起，通過齒輪帶動(dòng)刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)，而主軸通過皮帶與刀架上的刀具軸連接，帶動(dòng)三把刀同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋底的加工。

3）進(jìn)給軸x軸實(shí)現(xiàn)水平方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加緊旋轉(zhuǎn)軸c軸實(shí)現(xiàn)鞋底的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床通過數(shù)控系統(tǒng)控制x軸和c軸的聯(lián)動(dòng)，來進(jìn)行鞋底的磨邊。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)通過滾珠絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則通過蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)帶動(dòng)上下鞋模來實(shí)現(xiàn)。

4）鞋底夾緊裝置通過氣缸來實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋底的固定。

5）機(jī)床電器控制柜放置機(jī)床（正對(duì)機(jī)床）右面。

6）控制器安裝在由一連桿引出的控制器架上，放在鞋底磨邊機(jī)右前面，便于操作時(shí)對(duì)鞋底磨邊機(jī)情況的觀察。

2 鞋底磨邊機(jī)加工工藝過程

對(duì)于鞋底這種不規(guī)則物體的加工，加工工藝流程對(duì)鞋底的加工精度和鞋邊的品質(zhì)具有較大影響。鞋底磨鞋機(jī)中采用了進(jìn)給軸x軸和旋轉(zhuǎn)軸c軸兩軸聯(lián)動(dòng)，刀具軸t固定不動(dòng)的加工方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋底邊的加工。在加工中進(jìn)給軸x軸的運(yùn)動(dòng)包括進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和往復(fù)跟隨運(yùn)動(dòng)。具體的工藝流程為:c軸通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)鞋底的對(duì)刀，以鞋底的最后端為加工的起點(diǎn)，x軸快速進(jìn)給直到鞋底最后端距刀具0.5 mm為止，此時(shí)，x軸和c軸開始進(jìn)行聯(lián)動(dòng)加工，當(dāng)切削完后，x軸后退到一定的安全距離，換刀后重復(fù)上面的動(dòng)作進(jìn)行粗磨，然后進(jìn)行精磨。

3 鞋底磨邊機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鞋底磨邊機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)主要由主軸機(jī)構(gòu)、進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)置及其附屬裝置組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鞋底磨邊機(jī)整體結(jié)構(gòu)

3.1 主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能保證執(zhí)行部件具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的變速范圍，以適應(yīng)不同的加工要求［3-4］。鞋底磨邊機(jī)主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

主傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程如下:主軸電動(dòng)機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器直接與傳動(dòng)軸相聯(lián)，通過皮帶把動(dòng)力傳遞給刀具。其具體的過程為:起動(dòng)機(jī)床—控制系統(tǒng)輸入工藝參數(shù)—主軸電動(dòng)機(jī)工作—皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)—皮帶—帶動(dòng)刀架上3把刀具同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。

由于鞋底磨邊機(jī)需要銑削、粗磨和精磨3個(gè)步驟，使用3把刀來進(jìn)行加工，因此還需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的換刀功能。換刀裝置工作過程:換刀電動(dòng)機(jī)接到指令，開始轉(zhuǎn)動(dòng)－通過齒輪裝置，帶動(dòng)與傳動(dòng)軸同軸向的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，該齒輪與刀架傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接－刀架傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一起轉(zhuǎn)動(dòng)－由于行星刀架與該機(jī)構(gòu)連接，因此最終帶動(dòng)刀架的轉(zhuǎn)動(dòng)－當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)動(dòng)120°后，準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)，使刀具準(zhǔn)確的停在所在位置，準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)還有在刀具工作過程中起固定刀架的作用。

圖2 主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

3.2 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

進(jìn)給系統(tǒng)是鞋底磨邊機(jī)的一個(gè)重要組成部分，進(jìn)給系統(tǒng)直接控制著工件的進(jìn)與退，其靈敏度、穩(wěn)定性及傳動(dòng)精度直接影響著鞋底的加工精度和質(zhì)量。在條件允許的情況下應(yīng)該盡量降低運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，減小慣性力，盡量減小摩擦阻力，提高進(jìn)給系統(tǒng)的性能。鞋底磨邊機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)采用了數(shù)控機(jī)床最常用的驅(qū)動(dòng)方式“伺服電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠”的驅(qū)動(dòng)方式，由于滾珠絲杠的歷史悠久、成本較低、技術(shù)成熟，在中等載荷，行程范圍不太大的數(shù)控機(jī)床和加工中心中被廣泛采用。

3.3 夾緊旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)鞋底形狀的加工，設(shè)計(jì)中采用刀軸固定、工件移動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)。加工的軌跡是由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成的，直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)上文已介紹，這里將介紹旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所謂旋轉(zhuǎn)即使鞋模在加工的過程中能實(shí)現(xiàn)360°的圓周運(yùn)動(dòng)，使其在一次裝夾中能完成鞋底整個(gè)邊線的加工。為了讓鞋底能旋轉(zhuǎn)，本項(xiàng)目采用的是將鞋底下模與一根傳動(dòng)軸進(jìn)行連接，通過電動(dòng)機(jī)使傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鞋模的轉(zhuǎn)動(dòng)。

鞋底在加工的過程中需要一夾緊裝置對(duì)其進(jìn)行固定，本設(shè)計(jì)中將夾緊裝置和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝配在一起，因此在旋轉(zhuǎn)的過程中同時(shí)使上下模具轉(zhuǎn)動(dòng)。

夾緊裝置采用下模固定，上模壓緊的方法，整個(gè)壓緊力是通過一個(gè)氣缸來完成，氣缸的作用是帶動(dòng)升降軸動(dòng)，從而產(chǎn)生壓緊力。整個(gè)夾緊旋轉(zhuǎn)裝置圖如圖3所示。

4 數(shù)控系統(tǒng)選型

基于鞋底磨邊機(jī)控制的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)DNC-11，本數(shù)控系統(tǒng)為基于ARM+FPGA的硬件體系結(jié)構(gòu)，有4個(gè)脈沖口、32路數(shù)字輸入、32路數(shù)字輸出和4路0—10 V模擬輸出接口（圖4），具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。軟件為基于Linux+Xenomai的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，鞋底磨邊機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的軟件由底層軟件和用戶軟件兩個(gè)層次組成（圖5），其中底層軟件為數(shù)控系統(tǒng)的核心部分。在底層軟件中，Xenomai為L(zhǎng)inux的實(shí)時(shí)擴(kuò)展，主要負(fù)責(zé)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度。NCSHELL為底層與用戶界面的接口，主要管理插補(bǔ)計(jì)算、PLC調(diào)度、內(nèi)部監(jiān)視、位置控制等所有的外部控制對(duì)象。底層軟件通過定義的完備的接口，可以向上層提供所有的底層服務(wù)。應(yīng)用軟件則為用戶與底層軟件的接口。

圖5 基于Linux+Xenomai的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的全自動(dòng)鞋底磨邊機(jī)其加工出的鞋底，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。在制鞋業(yè)自動(dòng)化水平要求越來越高的今天，全自動(dòng)鞋底磨邊機(jī)在今后將得到廣泛的應(yīng)用與推廣，在制鞋領(lǐng)域發(fā)揮較大的作用。

［1］章獻(xiàn)忠.我國鞋類設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析與發(fā)展策略［J］.西部皮革，2009，31（4）:9.

［2］陳建良，童水光，胡揚(yáng)五.數(shù)控刻楦機(jī)研制［J］.機(jī)床與液壓，2005（11）:10-11.

［3］周利平.數(shù)控裝備設(shè)計(jì)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2011.

［4］王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1999.

［5］楊賀來.數(shù)控機(jī)床［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.