陳立挺，聶曉根，肖遵文

(福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福州 350108)

0 引言

水晶的光亮和晶瑩剔透程度與其磨拋質(zhì)量直接相關(guān)，目前國內(nèi)各種刻面形狀水晶磨拋加工主要有2種方式，一種是傳統(tǒng)的單工位加工方式，水晶進行磨削加工后停機更換拋光盤再行拋光加工，該加工方法需手工更換磨拋盤，磨拋盤更換時需停機操作，費時費電，操作者勞動強度大，存在兩次定位，定位精度低；另一種是使用近年來開發(fā)的直線式多工位磨拋機加工，直線式多工位磨拋機工位呈直線布置，工件在左側(cè)磨削工位進行磨削后移至中間和右側(cè)工位進行精磨和拋光加工，該加工方法同一時間只有一個工位加工，加工效率低，電力浪費大[1]。

1 機床硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體說明

多棱面水晶加工為各種形狀水晶棱面的磨拋加工，加工過程中工件沿C軸旋轉(zhuǎn)和A軸擺動實現(xiàn)加工棱面的定位，沿磨盤垂直方向的Z軸實現(xiàn)加工面磨拋量控制，為增大磨拋盤的工作面，使磨拋均勻，需設(shè)置一往復(fù)運動[3]。

為了實現(xiàn)以上加工運動的控制和高效、數(shù)字化磨拋一體化的目標(biāo)，設(shè)計了如圖1所示的水晶磨拋機技術(shù)方案，該機由兩個水晶工作臺和兩個(一磨一拋)磨盤機構(gòu)組成，工作臺位于磨拋機構(gòu)上方，且都安裝于直線導(dǎo)軌上，通過磨盤和拋光盤的左右運動和兩個水晶工作臺的前后運動來實現(xiàn)工位動態(tài)組合，構(gòu)成一磨一拋加工工位，實現(xiàn)水晶依次進行磨削、拋光加工，兩工位加工同時進行，工時重合,工序切換無需停機，避免能耗浪費。

圖1 工位組合式水晶磨拋一體化機床布置圖

機床的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 水晶磨拋機的技術(shù)指標(biāo)

水晶磨拋機的總體結(jié)構(gòu)主要包含兩大部分，即磨拋主軸系統(tǒng)和水晶磨拋工作臺系統(tǒng)。

1.2 磨拋主軸系統(tǒng)

圖2 磨拋主軸系統(tǒng)

Z軸系統(tǒng)要求在高速轉(zhuǎn)動的同時也能進行垂直方向的移動，故采用滑鍵與軸套相配合的形式來實現(xiàn)。這里的重點在于軸與軸套的間隙選擇，如果間隙過大，會使Z軸擺動進而影響到磨拋質(zhì)量；如果間隙過小，在轉(zhuǎn)動過程中容易產(chǎn)生“咬死”現(xiàn)象。

在加工過程中，Z軸能否迅速準確地到達指定位置關(guān)系到水晶加工的效率和精度，因此需要對Z軸電機進行選型，根據(jù)多棱面水晶加工規(guī)格、要求和機床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計制定以下結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)：

負載質(zhì)量：m=150kg；負載最大速度：VM=15m/min；滾珠絲桿長度：lB=0.4m；滾珠絲桿直徑：dB=0.025m；滾珠絲桿導(dǎo)程：PB=0.005m滾珠絲桿機械效率：η=0.9；聯(lián)軸器重量：mC=0.42kg；聯(lián)軸器直徑：dC=0.024m；加速時間ta=0.05s。

負載轉(zhuǎn)速nL=3000r/min;負載扭矩TL=1.3N·m；負載轉(zhuǎn)動慣量JL=2.353×10-4kgm2；負載行走功率P0=408.2W；負載加速功率Pa=463.99W。

根據(jù)上述計算，且考慮到Z軸電機需要帶有抱閘裝置，初選松下MINAS A6系列的低慣量交流伺服電機MSMF102L1B1，該電機的主要參數(shù)：額定功率1000W，額定轉(zhuǎn)矩3.18N·m，最大轉(zhuǎn)矩9.55N·m，額定轉(zhuǎn)速3000rpm，最高轉(zhuǎn)速5000rpm，電機慣量2.47×10-4kg·m2，帶剎車裝置。通過校核驗算滿足要求，A軸、C軸的電機選型與Z軸的類似。

1.3 水晶磨拋工作臺系統(tǒng)

圖3 水晶磨拋工作臺

2 機床控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)方案

2.2 水晶磨拋一體機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)選用臺達DVP28SV11T2，該PLC有28個輸入輸出，其中16個輸入，12個輸出。人機界面選用臺達的DOP—B07S411。水晶磨拋一體機的主電路接線圖如圖4所示。

圖4 主電路接線圖

三軸輸入輸出的分配如表2所示(其中1#表示第一個PLC，1#Y0表示第一個PLC的Y0端子)。

表2 I/O分配表

2.3 水晶磨拋一體機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

(1)水晶加工參數(shù)獲取

針對一些對稱程度不高的琢型，如梨形琢型、橄欖琢型、橢圓琢型等，由于刻面特征規(guī)律不易歸納，建立其水晶模型的參數(shù)化方程較難，這里提出一種在Creo上獲取加工參數(shù)的方法。以64面橢圓琢型為例，通過利用Creo的特征建模和參數(shù)化設(shè)計的優(yōu)點，實現(xiàn)從琢型參數(shù)中提取加工參數(shù)。

此處以面組5的刻面為例進行說明，首先按照給定的尺寸參數(shù)建立64面橢圓琢型的三維模型，通過基準軸建立琢型坐標(biāo)系如圖5a所示；然后以刻面5為草繪面，以O(shè)W為參考點，做OW在草繪面上的投影點O0，Z0為ZW軸與草繪面的交點，如圖5b所示；接著繪制線段OWO0和Z0O0，建立下投影面平行于XW-OW-YW，并作Z0O0在基準平面上的投影Z1O1和XW軸在基準平面上的投影Z1X1，如圖5c所示；最后利用Creo的分析模塊中的測量功能對線段OWO0的長度、∠Z0OWO0的角度和∠X1Z1O1的角度進行測量，如圖5d所示，通過公式計算可得相應(yīng)加工參數(shù)。其他刻面在以上基礎(chǔ)上只需重新定義的草繪面，以所求刻面作為草繪面便可測出該刻面的加工參數(shù)。

(a)琢型坐標(biāo)系

(b) 草繪交點

(c)投影至基準平面

(d) 測量 圖5 水晶建模

圖6 加工參數(shù)設(shè)置1界面

(2)Z軸高度誤差補償

為使各工位磨拋作業(yè)精度一致，Z軸的下降高度采用集成誤差補償算法，在機床參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置相關(guān)機床參數(shù)，如圖7所示。

磨削工位Z軸在工位一、工位二所需上升的高度計算公式如公式(1)所示：

Z1=Zc1-Z編-Zpy-Zcg
Z2=Zc2+ZJ-Z編-Zpg

(1)

式中，Zc1為磨削盤在工位一距水晶中心點的高度；Zc2為磨削盤在工位二距水晶中心點的高度；Z編為Z軸編程高度；Zpy為在磨削加工時，為拋光工位預(yù)留的拋光余量；Zcg為磨削工位的工進距離；Zpg為拋光工位的工進距離；ZJ為拋光磨盤表面相對與磨削盤表面的高度。

公式(1)的示意圖如圖8所示，實線的八邊形表示經(jīng)磨削工位、拋光工位加工完成后的水晶，虛線的八邊形表示目前仍然待完成加工的水晶毛坯。

圖7 機床參數(shù)設(shè)置界面

圖8 公式參數(shù)示意圖

(3)水晶自動加工過程

水晶自動加工流程圖如圖9所示。

圖9 自動加工流程

3 總結(jié)

提出了一整套用于多棱面水晶磨削拋光的方案，將整機設(shè)計為具有獨立功能的磨拋運動單元和工件位姿控制的工作臺單元，通過雙磨盤(一磨一拋)和雙水晶工作臺的動態(tài)組合動態(tài)構(gòu)建磨削和拋光工位；結(jié)合臺達PLC構(gòu)建了機床的控制系統(tǒng)，通過建立水晶三維模型和設(shè)定加工位姿關(guān)系來獲取加工參數(shù)，為新一代多棱面水晶磨拋一體化機床開發(fā)提供了完整的技術(shù)方案。應(yīng)用該技術(shù)開發(fā)的機床可實現(xiàn)水晶研磨和拋光不停機同時加工和單一工序的完整加工，有效地提高多棱面水晶制造精度、生產(chǎn)效率和自動化水平，降低了能源消耗。

該系統(tǒng)的實施將大幅改善水晶磨拋加工的工作環(huán)境，提高水晶磨拋加工的自動化水平，有利于提高我國水晶飾品制造業(yè)的競爭能力。同時，本文提出的工位組合技術(shù)方案對其他多工序的加工場合具有借鑒意義。