樂建波，肖志鋒，吳南星，肖任賢

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333403）

數(shù)控玻璃磨邊機(jī)動(dòng)力學(xué)分析*

樂建波，肖志鋒，吳南星，肖任賢

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333403）

針對(duì)砂輪在磨削過程中受力復(fù)雜且影響正常磨削玻璃的問題，基于數(shù)控玻璃磨邊機(jī)工作過程中大小砂輪受力分析，利用UG軟件建立數(shù)控玻璃磨邊機(jī)三維模型，再將模型導(dǎo)入ADAMS軟件中驗(yàn)證，并分別對(duì)磨邊系統(tǒng)大砂輪和精雕系統(tǒng)小砂輪進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。仿真得到的大小砂輪切向磨削力與徑向磨削力的比值結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果近似相等，表明數(shù)控磨邊機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正常磨削，為數(shù)控玻璃磨邊機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

數(shù)控玻璃磨邊機(jī)；三維模型；ADAMS；磨邊系統(tǒng)；精雕系統(tǒng)

0　引言

計(jì)提供了理論依據(jù)。

數(shù)控玻璃磨邊機(jī)是集磨邊系統(tǒng)和精雕系統(tǒng)于一體的玻璃加工裝備，在通過數(shù)控獨(dú)立控制、互不干涉的前提下進(jìn)行磨邊和精雕加工，從而做到了在一臺(tái)設(shè)備上完成外形磨邊及內(nèi)孔精雕工作，使玻璃進(jìn)行一次裝夾就可以完成加工，達(dá)到了高效率、高精度的要求［1-2］。

針對(duì)砂輪在磨削過程中受力復(fù)雜且影響正常磨削玻璃的問題［3-4］，本文運(yùn)用ADAMS軟件，對(duì)數(shù)控玻璃磨邊機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析［5］。在磨削玻璃與大小砂輪之間添加接觸力，通過仿真計(jì)算，分別得到大小砂輪所受到的磨削力，然后通過理論公式計(jì)算出大小砂輪理論上所受的磨削力，二者進(jìn)行對(duì)比［6-7］，檢驗(yàn)數(shù)控玻璃磨邊機(jī)能否實(shí)現(xiàn)正常磨削玻璃，為數(shù)控玻璃磨邊機(jī)的設(shè)

1　數(shù)控磨邊機(jī)裝置

圖1所示為數(shù)控玻璃磨邊機(jī)加工部分的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。磨邊加工時(shí)玻璃被吸附于工作臺(tái)5上，氣缸壓緊裝置6對(duì)其進(jìn)行夾緊，同時(shí)控制工作臺(tái)5勻速旋轉(zhuǎn)。異步電機(jī)8帶動(dòng)大砂輪7旋轉(zhuǎn)并由伺服電機(jī)11驅(qū)動(dòng)絲桿10傳動(dòng)磨邊系統(tǒng)的磨頭架9向工作臺(tái)5運(yùn)動(dòng)，大砂輪7向玻璃靠近，達(dá)到磨削玻璃的目的。磨邊加工之后，伺服電機(jī)8通過絲桿10傳動(dòng)帶動(dòng)大砂輪7遠(yuǎn)離工作臺(tái)，氣缸壓緊裝置6中的氣缸壓桿提升，并向磨邊系統(tǒng)方向旋轉(zhuǎn)，為精雕系統(tǒng)提供空間，同時(shí)工作臺(tái)5停止轉(zhuǎn)動(dòng)。精雕系統(tǒng)的伺服電機(jī)1通過絲桿傳動(dòng)帶動(dòng)小砂輪3向工作臺(tái)5運(yùn)動(dòng)，對(duì)玻璃進(jìn)行精雕加工。

圖1　數(shù)控玻璃磨邊機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2所示為磨邊和精雕加工的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，X軸為伺服電機(jī)通過絲桿傳動(dòng)帶動(dòng)小砂輪的運(yùn)動(dòng)方向，Y1軸為伺服電機(jī)通過絲桿傳動(dòng)帶動(dòng)大砂輪的運(yùn)動(dòng)方向，Y2軸為伺服電機(jī)通過絲桿傳動(dòng)帶動(dòng)小砂輪在Y軸上運(yùn)動(dòng)，C軸為工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向，Z軸為工作臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)。

圖2　數(shù)控玻璃磨邊機(jī)磨邊和精雕加工運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2　物理模型建立

砂輪在磨削過程中所受到的磨削力可分解為三個(gè)分力：Fp—主磨削力（切向磨削力）；Fc—切深抗力（徑向磨削力）；Fa—軸向力，由于V形砂輪結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，F(xiàn)a1=Fa2，其軸向力相互抵消，因此磨削力主要是切向分力Fp和徑向分力Fc［7］。如圖3所示為砂輪在磨削過程受力示意圖。

圖3　砂輪受力示意圖

基于數(shù)控玻璃磨邊機(jī)工作原理及砂輪在工作過程中的受力分析，建立數(shù)控玻璃磨邊機(jī)模型（圖4）。將模型導(dǎo)入ADAMS軟件，并對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)自由度、未定義的質(zhì)量構(gòu)件和過約束等情況進(jìn)行查詢，以保證模型的準(zhǔn)確性［8］。

圖4　數(shù)控玻璃磨邊機(jī)模型

3　數(shù)控玻璃磨邊機(jī)動(dòng)力學(xué)分析

數(shù)控玻璃磨邊機(jī)動(dòng)力學(xué)分析主要包括磨邊系統(tǒng)大砂輪動(dòng)力學(xué)分析和精雕系統(tǒng)小砂輪動(dòng)力學(xué)分析兩部分內(nèi)容。通過ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真，分別導(dǎo)出大砂輪、小砂輪的切向磨削力和徑向磨削力的曲線圖，從曲線中得出切向磨削力FP與徑向磨削力FC的最大值，再通過FP/FC的比值，分別判斷磨邊系統(tǒng)、精雕系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)正常磨削。

3.1大砂輪動(dòng)力學(xué)分析

設(shè)置砂輪與玻璃的接觸副為沖擊函數(shù)（Impact）［9］，接觸類型為Soild—Soild（實(shí)體與實(shí)體）［10］，將磨頭架添加直線驅(qū)動(dòng)設(shè)置為STEP（time，2，0，4.9，-20）+STEP（time，4.9，0，7，20）+STEP（time，7，0，8，40）。然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到磨邊系統(tǒng)大砂輪切向磨削力和徑向磨削力的曲線圖，如圖5所示。

圖5　大砂輪切向磨削力和徑向磨削力曲線圖

從圖5可以看出，在3.5s時(shí)大砂輪開始對(duì)玻璃進(jìn)行磨削加工，7.5s時(shí)磨削完并返回。在5.2s時(shí)大砂輪的切向磨削力和徑向磨削力達(dá)到了整個(gè)加工過程中的最大值，分別為294.1N和69.05N，表明此時(shí)大砂輪的磨削深度已經(jīng)達(dá)到最大值。在正常磨削條件下，磨削加工FP/FC的比值范圍是2.0-5.0［11］，而仿真模擬得到的FP/FC最大值為4.26，在此范圍內(nèi)，所以磨邊系統(tǒng)能夠進(jìn)行正常的磨削。

由外圓徑向磨削力的公式：

式中：ap為磨削深度（mm）；fa為砂輪每轉(zhuǎn)的進(jìn)給（mm/r）；vw為工件的速度。

通過徑向磨削力公式（1）對(duì)大砂輪的理論徑向磨削力的值再進(jìn)行校核，其中ap=2mm，fa=0.01mm/r，vw=10mm/s。經(jīng)計(jì)算可得FP=289.32N。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在磨邊系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真中，導(dǎo)出的徑向磨削力的值與理論算出的徑向磨削力的值近似相同，表明磨邊系統(tǒng)在進(jìn)行磨削加工的時(shí)候能夠正常的磨削玻璃。

3.2小砂輪動(dòng)力學(xué)分析

精雕系統(tǒng)小砂輪切向磨削力和徑向磨削力的曲線圖，如圖6所示。從圖6可以讀出切向磨削力FP為40.01N，徑向磨削力 FC為17.69N，兩者的比值FP/FC為2.36，也處于正常范圍之內(nèi)，表明精雕系統(tǒng)能夠進(jìn)行正常的磨削。

由內(nèi)圓徑向磨削力的公式：

式中：ap為磨削深度（mm）；fa為砂輪每轉(zhuǎn)的進(jìn)給（mm/r）；vw為工件的速度。

通過徑向磨削力公式（2）對(duì)小砂輪的理論徑向磨削力的值再進(jìn)行校核，其中ap=2mm，fa=0.0005 mm/r，vw=10mm/s。經(jīng)計(jì)算可得FP=46.41N。

圖6　小砂輪切向磨削力和徑向磨削力曲線圖

由計(jì)算結(jié)果可知，在精雕系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真中，導(dǎo)出的徑向磨削力的值與理論算出的徑向磨削力的值近似相同，說明精雕系統(tǒng)在進(jìn)行磨削加工的時(shí)候能夠正常的磨削玻璃。

4　結(jié)論

本文在對(duì)數(shù)控玻璃磨邊機(jī)在加工過程中刀具受到的磨削力進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了數(shù)控玻璃磨邊機(jī)的模型，并分別對(duì)數(shù)控玻璃磨邊機(jī)的磨邊系統(tǒng)和精雕系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。通過ADAMS仿真，分別得到了大小砂輪切向磨削力和徑向磨削力曲線圖。仿真得到的砂輪切向磨削力FP與徑向磨削力FC的比值結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果近似相等，表明數(shù)控磨邊機(jī)系統(tǒng)能夠進(jìn)行正常磨削，為數(shù)控玻璃磨邊機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

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（編輯 趙蓉）

Dynamics Analysis of CNC Glass Edger

LE Jian-bo，XIAO Zhi-feng，WU Nan-xing，XIAO Ren-xian
（School of Mechanical and Electronic Engineering，Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen Jiangxi333403，China）

The stress of grinding wheel during the process is complex and the normal processing is affected. Based on the operating principle of CNC glass edger and the analysis of stress on grinding wheel，a three-dimensional physical model of CNC edger was established using UG software.The model was verified by importing into ADAMS software and the dynamics analysis on edger system and carved system of the CNC glass edger was carried out.The simulated ratio value of the tangential grinding force and radial grinding force is approximately equal with the theoretical result.The simulated result shows that the CNC milling machine system can achieve normal grinding.It provides a theoretical basis for the CNC milling machine glass design.

CNC glass edger；three-dimensional model；ADAMS；edger system；carved system

TH122；TG506

A

1001-2265（2015）02-0027-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.008

2014-06-12；

2014-11-19

國(guó)家自然科學(xué)基金（51365018）；江西省自然科學(xué)基金（20142BAB206020）；景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院研究生創(chuàng)新基金（JYC1311）

樂建波（1987—），男，江西東鄉(xiāng)人，景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)理論，（E-mail）17655719@qq.com。