CN105945691B - 面向型面精度一致性的砂带磨削装置 - Google Patents

面向型面精度一致性的砂带磨削装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向型面精度一致性的砂带磨削装置，支承板从内筒体中穿过，并与内筒体相固定，内筒体与外筒体支架可转动连接，在支承板的上端左右并排设置收卷轮和放卷轮，收卷轮及放卷轮由各自对应设置的第一伺服电机驱动，砂带的一端缠绕在收卷轮的带槽内，砂带的另一端绕过第一过渡轮、第一张紧轮、第三过渡轮、第五过渡轮、第七过渡轮、接触轮、第八过渡轮、第六过渡轮、第四过渡轮、第二张紧轮及第二过渡轮，最后缠绕在放卷轮的带槽内。本发明通过伺服电机的正反转实现卷轮的收放卷切换，进而砂带可以往复进行磨削。砂带张紧力的大小通过电机进行力矩控制，能够保证张紧力的恒定，改善磨削工件的精度和表面质量，同时减少磨削过程中的断带等故障。

Description

面向型面精度一致性的砂带磨削装置
技术领域
本发明属于柔性砂带磨削领域，具体地说，特别涉及一种面向型面精度一致性的砂带磨削装置。
背景技术
整体叶盘、航发叶片、汽轮机叶片等薄壁构件是飞机、船舶等的关键功能结构件，这些零部件的加工制造水平直接决定了航空航天、航海等行业领域的发展。一方面，这些薄壁构件具有复杂曲面，难以实现自动化加工；另一方面，对整体叶盘等关键零部件的加工精度和表面质量要求高，要避免表面烧伤、缺陷等表面质量问题，除此之外，还需要保证加工效率。
整体叶盘等薄壁构件主要采用钛合金和镍基合金等具有高强度、耐高温、耐腐蚀性能的材料制造，属于典型整体薄壁式、难加工的复杂结构件，一般先采用五轴数控铣削和线性摩擦焊等方式粗加工成型，然后进行打磨和抛光。目前，工程实际中主要采用手工打磨的方式，这种方式加工效率低，还存在废品率高、产品一致性差、经济效益低等诸多问题，严重制约了整体叶盘在航空航天领域的大面积推广和应用。
砂带磨削以砂带为磨具对工件表面进行加工，是一种弹性磨削，相比砂轮磨削可以获得更高的材料去除率、更好的表面质量。除此之外，砂带磨削的显著优点是其磨削灵活性和适应性更强，通过改变接触轮的尺寸可以实现平面，孔槽以及复杂曲面的磨削，类似整体叶盘的复杂结构件是砂轮磨削机床无法加工的，必须采用带小直径接触轮的砂带磨头进行磨削。郑州磨料磨具研究所耿直等从事了砂带磨削机理的试验研究，研究了接触轮、砂带以及磨削用量等对材料去除和表面创成的影响，为砂带磨削提供了理论支持。
近年来，自动化砂带磨削机床发展迅速，华中科技大学钟华珍等进行了汽轮机叶片数控砂带磨削的研究，多轴联动的数控机床以及相应的数控***已经很成熟，如数控车床、铣床和加工中心，但多轴数控磨床的研究相对滞后，关键在于砂带研磨抛光装置，既要实现磨削力的调节，也要实现砂带线速度、收放卷等的控制。在工程上，国内尚未应用完全满足这些需求的研磨和抛光的磨头，很大程度上限制了多轴数控磨削机床的推广使用和发展。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种面向型面精度一致性的砂带磨削装置。
本发明技术方案如下：一种面向型面精度一致性的砂带磨削装置，其特征在于：支承板从内筒体中穿过，并与内筒体相固定，内筒体与外筒体支架可转动连接，在支承板的上端左右并排设置收卷轮和放卷轮，收卷轮及放卷轮由各自对应设置的第一伺服电机驱动，在所述支承板的上部左右并排设置第一过渡轮和第二过渡轮，支承板中部偏下的位置左右并排设置第一张紧轮和第二张紧轮，所述支承板的下端左右并排设置第三过渡轮和第四过渡轮，在第三过渡轮的左下方设置第五过渡轮，第三过渡轮的右下方设置第七过渡轮，所述第四过渡轮的右下方设置第六过渡轮，第四过渡轮的左下方设置第八过渡轮，在所述支承板的底端悬吊安装接触杆，该接触杆的下端安装接触轮，砂带的一端缠绕在收卷轮的带槽内，砂带的另一端绕过第一过渡轮、第一张紧轮、第三过渡轮、第五过渡轮、第七过渡轮、接触轮、第八过渡轮、第六过渡轮、第四过渡轮、第二张紧轮及第二过渡轮，最后缠绕在放卷轮的带槽内。
采用以上技术方案，驱动收卷轮的第一伺服电机为收卷电机，驱动放卷轮的第一伺服电机为放卷电机。伺服驱动器控制收卷电机正转，收卷电机将动力传递给收卷轮，使收卷轮正转进行收卷；与此同时，放卷电机的驱动器控制放卷电机正转，放卷电机将动力传递给放卷轮，使放卷轮正转进行放卷。磨削过程中，通过第一伺服电机的力矩控制确定砂带张紧力的大小，保证磨削工件的精度和表面质量，同时减少磨削过程中的断带等故障。卷轮的收放卷取决于第一伺服电机的转向和砂带缠绕的方向。为了实现砂带的往复磨削，到达一定位置后，收卷电机反转带动收卷轮反转，放卷电机反转带动放卷轮反转，这样收卷轮切换成放卷，放卷轮切换成收卷。第一伺服电机的瞬时加速度取决于两个卷轮上砂带卷的直径大小。内筒体与外筒体支架可转动连接，可同机床其他轴进行联动，进行复杂曲面的磨削抛光。
以上结构砂带轮系空间布置合理，能够确保砂带运行的可靠性。第一张紧轮和第二张紧轮主要用于砂带往复换向时张紧砂带，防止砂带发生跑带现象。张紧轮距离接触轮较远，在支承板的下端也设置过渡轮，第五、第六过渡轮使砂带保持较大幅度的张开，减少砂带的跑带；第七、第八过渡轮主要用于收拢砂带，以适应接触轮较小的尺寸。
所述收卷轮和放卷轮结构相同，均由内圆盘和外圆盘组成，内圆盘和外圆盘并排套装于连接轴上，内圆盘与外圆盘之间形成带槽，连接轴的内端将第一伺服电机的输出轴套入，两者通过键连接，第一伺服电机的机体通过安装座固定于支承板上。以上结构卷轮造型简单，易于装配，且运转灵活，在两个圆盘之间形成带槽，能有效防止砂带跑带。
在所述外圆盘的外侧设置锁键，该锁键为长方块，锁键穿过连接轴上对应设置的适配孔，且锁键位于外圆盘上的长条槽中，在所述外圆盘上还开设有长条孔，该长条孔与长条槽十字交叉；在所述锁键的外侧设置手柄，该手柄套装于连接轴的外端，手柄通过螺栓与锁键连接，该螺栓上套装压簧，压簧位于连接轴内，该压簧的一端与锁键抵接，压簧的另一端与连接轴内嵌装的弹簧座抵接。以上结构在压簧的作用下，锁键嵌入外圆盘上的长条槽中，对外圆盘定位，既能防止外圆盘发生轴向窜动，又能避免外圆盘与连接轴发生相对转动；当需要更换砂带时，先拉动手柄，使压簧被压缩，锁键离开外圆盘的长条槽，然后将手柄旋转90°，使锁键跟着手柄旋转90°后置于外圆盘的长条孔内，此时锁键失去对外圆盘的定位作用，外圆盘可以被取出进行砂带的更换，整个操作简单、方便、快捷。
所述第一张紧轮和第二张紧轮的安装结构相同，第一张紧轮通过轴承套装于轮轴上，轮轴与第一连杆的下端固定，第一连杆的上端与第二连杆的一头连接，第二连杆垂直于第一连杆，第二连杆的另一头与穿销连接，所述穿销穿过支承板，并与拉簧的下端连接，拉簧的上端与固定杆连接，固定杆与支承板相固定。以上结构两个张紧轮受到砂带的张力，拉簧被拉伸，使两个张紧轮向中间靠拢，这样张紧轮起缓冲作用，能够避免砂带张紧力突然变化而引起的断带故障。
所述内筒体通过轴承支承于外筒体内，外筒体与外筒体支架相固定，在外筒体支架上安装第二伺服电机，该第二伺服电机的输出轴上套装主动同步带轮，所述主动同步带轮通过同步齿形带与内筒体上套装的从动同步带轮连接。以上结构通过第二伺服电机驱动主动同步带轮，能够使内筒体转动，以改变接触轮的摆角，实现内筒体与机床其他轴联动，从而进行复杂型面的加工。
所述外筒体支架与磨头支撑板相固定，在磨头支撑板上安装第三伺服电机，该第三伺服电机的输出轴通过联轴器与齿轮轴连接，齿轮轴能够在床身上设置的圆弧形滑槽内滚动，在齿轮轴上设置齿轮，与该齿轮啮合的圆弧形齿条设置于床身上。以上结构第三伺服电机通过联轴器连接齿轮轴，齿轮轴在床身的滑槽内滚动，带动齿轮转动。齿条固定在床身上，齿轮相对齿条转动，齿轮轴与磨头支撑板固连在一起，齿轮和齿轮轴的转动带动磨头支撑板转动，整个磨头随之转动。采用这种方式，工件可以水平放置，便于安装和拆卸，减少了工件的碰撞和磨损；同时可以节省空间，工件的左右以及后侧可以布置三个研磨装置，可以实现整体叶盘这类叶片多的大型构件多工位同时加工，大幅提升了加工效率；采用齿轮啮合的方式，可以实现磨头±30°的大角度摆动，能够适应表面曲率变化大工件的研磨加工。
本发明的有益效果是：
1、通过双电机控制砂带的收放卷，响应速度快，可在磨削过程中改变砂带的运动方向，便于砂带运动的控制，采用这种砂带往复磨削的方式可以缩短参与磨削砂带的总长度。
2、通过电机的力矩控制确定砂带张紧力的大小，能够改善磨削工件的精度和表面质量，同时减少磨削过程中的断带等故障。
3、磨头外筒体跟内筒体之间装有轴承，外筒体固定，伺服电机通过同步带带动内筒体转动，可同机床其他轴进行联动，进行复杂曲面的磨削抛光。
4、磨头驱动装置采用齿轮齿条的形式，采用这种方式，工件可以水平放置，相对于竖直安装的方式便于安装和拆卸，减少了工件的碰撞和磨损；同时可以节省空间，工件的左右以及后侧可以布置三个研磨装置，可以实现整体叶盘这类叶片多的大型构件多工位同时加工，大幅提升了加工效率；采用齿轮啮合的方式，可以实现磨头±30°的大角度摆动，能够适应表面曲率变化大工件的研磨加工。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式的结构示意图。
图2是卷轮的结构及装配示意图。
图3是张紧轮的结构示意图。
图4是内筒体的驱动结构示意图。
图5是磨头支撑板的驱动示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1、图2、图4所示，支承板1优选为“T”形，并从内筒体31中穿过，支承板1与内筒体31相固定。在支承板1的上端以左右并排的方式设置收卷轮2和放卷轮3，收卷轮2和放卷轮3相对于支承板1的中心线对称分布，且收卷轮2及放卷轮3由各自对应设置的第一伺服电机4驱动。上述收卷轮2和放卷轮3结构相同，均由内圆盘19和外圆盘20组成，内圆盘19和外圆盘20并排套装于连接轴21上，内圆盘19与外圆盘20之间形成带槽。连接轴21的内端将对应第一伺服电机4的输出轴套入，两者通过键连接，第一伺服电机4的机体通过安装座5固定于支承板1上。
如图1、图2所示，在外圆盘20的外侧设置锁键22，该锁键22为长方块，锁键22垂直于连接轴21，且锁键22穿过连接轴21上对应设置的适配孔，适配孔的形状与锁键22的运动轨迹相适应。锁键22的两端位于外圆盘20上开设的长条槽中，在外圆盘20上还开设有长条孔20a，该长条孔20a与长条槽十字交叉。在锁键22的外侧设置手柄23，该手柄23为中空结构，手柄23空套于连接轴21的外端，手柄23通过沿其轴心线穿设的螺栓24与锁键22的中部固定连接，该螺栓24上套装压簧25，压簧25位于连接轴21内，该压簧25的一端与锁键22抵接，压簧25的另一端与连接轴21内嵌装的弹簧座抵接。在压簧25的作用下，锁键22嵌入外圆盘20上的长条槽中，对外圆盘20定位；当需要取下外圆盘20时，先拉动手柄23，使压簧25被压缩，锁键22离开外圆盘20的长条槽，然后将手柄23旋转90°，使锁键22跟着手柄23旋转90°后置于外圆盘20的长条孔20a内，此时锁键22失去对外圆盘20的定位作用，外圆盘20可以被取出进行砂带的更换。
如图1、图3所示，在支承板1的上部以左右并排的方式设置第一过渡轮6和第二过渡轮7，第一过渡轮6和第二过渡轮7靠近在一起，并相对于支承板1的中心线对称分布。在支承板1中部偏下的位置以左右并排的方式设置第一张紧轮14和第二张紧轮15，第一张紧轮14和第二张紧轮15相对于支承板1的中心线对称分布。第一张紧轮14和第二张紧轮15的安装结构相同，本实施例仅以第一张紧轮14的安装结构进行说明：第一张紧轮14通过轴承套装于轮轴26上，轮轴26与第一连杆27的下端固定，第一连杆27的上端与第二连杆28的一头连接，第二连杆28垂直于第一连杆27，第二连杆28的另一头与穿销连接，穿销穿过支承板1，并与拉簧29的下端连接，拉簧29的上端与固定杆30连接，固定杆30与支承板1相固定。
如图1所示，在支承板1的下端以左右并排的方式设置第三过渡轮8和第四过渡轮9，第三过渡轮8和第四过渡轮9相对于支承板1的中心线对称分布，第三过渡轮8与第四过渡轮9之间的距离大于第一张紧轮14与第二张紧轮15之间的距离。在第三过渡轮8的左下方设置第五过渡轮10，第三过渡轮8的右下方设置第七过渡轮12，第四过渡轮9的右下方设置第六过渡轮11，第四过渡轮9的左下方设置第八过渡轮13，第五过渡轮10和第六过渡轮11相对于支承板1的中心线对称分布，第七过渡轮12和第八过渡轮13也相对于支承板1的中心线对称分布，且第七过渡轮12位于第五过渡轮10的右下方。
如图1所示，在支承板1的底端悬吊安装接触杆16，该接触杆16的上端通过螺钉与支承板1相固定，接触杆16的下端安装接触轮17。接触轮17在磨削过程中会有不同程度的磨损，当接触轮17报废后，可以方便地拆卸接触杆16进行接触轮17的更换。在磨削加工过程中，根据工件被加工表面曲率的不同选择更换不同直径的接触轮17，倘若接触杆16不能满足接触轮17的装配要求，可仅仅改变接触杆16末端的尺寸重新选择再进行加工制造。
如图1、图2、图3所示，砂带18的一端缠绕在收卷轮2的带槽内，砂带18的另一端绕过第一过渡轮6、第一张紧轮14、第三过渡轮8、第五过渡轮10、第七过渡轮12、接触轮17、第八过渡轮13、第六过渡轮11、第四过渡轮9、第二张紧轮15及第二过渡轮7，最后缠绕在放卷轮3的带槽内。第一张紧轮14和第二张紧轮15受到砂带18的张力，拉簧29被拉伸，使两个张紧轮向中间靠拢，这样张紧轮起缓冲作用，能够避免砂带张紧力突然变化而引起的断带故障。
如图1、图2所示，驱动收卷轮2的第一伺服电机为收卷电机，驱动放卷轮3的第一伺服电机为放卷电机。在砂带磨削加工过程中，本发明的收放卷方法如下：
伺服驱动器控制收卷电机正转，收卷电机将动力传递给收卷轮2，使收卷轮2正转进行收卷；与此同时，放卷电机的驱动器控制放卷电机正转，放卷电机将动力传递给放卷轮3，使放卷轮3正转进行放卷。通过第一伺服电机的力矩控制方式调节砂带18张紧力的大小，保证磨削工件的精度和表面质量。在该装置中，卷轮的收放卷取决于第一伺服电机的转向和砂带缠绕的方向，为了实现砂带18的往复磨削，收放卷到达一定位置后，收卷电机反转带动收卷轮2反转，放卷电机反转带动放卷轮3反转，这样收卷轮2切换成放卷，放卷轮3切换成收卷，砂带18反向磨削工件，如此往复循环，往复的方式可以较短的砂带18进行磨削。
采用伺服电机直接驱动收卷轮2和放卷轮3，伺服电机的选型可以是变化的，本发明具有较大的砂带线速度调节范围，能够满足磨削和抛光不同砂带线速度的选择要求。要保证砂带线速度的恒定，伺服电机的转速由收卷轮2和放卷轮3上砂带卷的直径大小决定。
如图1、图4所示，内筒体31通过轴承支承于外筒体内，外筒体与外筒体支架32相固定。在外筒体支架32上安装第二伺服电机33，该第二伺服电机33的输出轴上套装主动同步带轮34，主动同步带轮34通过同步齿形带35与内筒体31上套装的从动同步带轮连接。当启动第二伺服电机33的时候，第二伺服电机33驱动主动同步带轮34运转，主动同步带轮34通过同步齿形带35带动从动同步带轮及内筒体31一起转动，实现内筒体与机床其他轴联动，从而进行复杂型面的加工。
如图4、图5所示，外筒体支架32与磨头支撑板36相固定，在磨头支撑板36上安装第三伺服电机，该第三伺服电机的输出轴通过联轴器与齿轮轴37连接，齿轮轴37能够在床身40上设置的圆弧形滑槽内滚动，在齿轮轴37上设置齿轮38，与该齿轮38啮合的圆弧形齿条39设置于床身40上。第三伺服电机驱动齿轮轴37，使齿轮38相对圆弧形齿条39转动，齿轮轴37与磨头支撑板36固连在一起，齿轮38和齿轮轴37的转动带动磨头支撑板36转动，整个磨头随之转动。采用这种方式，工件可以水平放置，便于安装和拆卸，减少了工件的碰撞和磨损；同时可以节省空间，工件的左右以及后侧可以布置三个研磨装置，可以实现整体叶盘这类叶片多的大型构件多工位同时加工，大幅提升了加工效率；采用齿轮啮合的方式，可以实现磨头±30°的大角度摆动，能够适应表面曲率变化大工件的研磨加工。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种面向型面精度一致性的砂带磨削装置，其特征在于：支承板(1)从内筒体(31)中穿过，并与内筒体(31)相固定，内筒体(31)与外筒体支架(32)可转动连接，在支承板(1)的上端左右并排设置收卷轮(2)和放卷轮(3)，收卷轮(2)及放卷轮(3)由各自对应设置的第一伺服电机(4)驱动，在所述支承板(1)的上部左右并排设置第一过渡轮(6)和第二过渡轮(7)，支承板(1)中部偏下的位置左右并排设置第一张紧轮(14)和第二张紧轮(15)，所述支承板(1)的下端左右并排设置第三过渡轮(8)和第四过渡轮(9)，在第三过渡轮(8)的左下方设置第五过渡轮(10)，第三过渡轮(8)的右下方设置第七过渡轮(12)，所述第四过渡轮(9)的右下方设置第六过渡轮(11)，第四过渡轮(9)的左下方设置第八过渡轮(13)，在所述支承板(1)的底端悬吊安装接触杆(16)，该接触杆(16)的下端安装接触轮(17)，砂带(18)的一端缠绕在收卷轮(2)的带槽内，砂带(18)的另一端绕过第一过渡轮(6)、第一张紧轮(14)、第三过渡轮(8)、第五过渡轮(10)、第七过渡轮(12)、接触轮(17)、第八过渡轮(13)、第六过渡轮(11)、第四过渡轮(9)、第二张紧轮(15)及第二过渡轮(7)，最后缠绕在放卷轮(3)的带槽内；
所述收卷轮(2)和放卷轮(3)结构相同，均由内圆盘(19)和外圆盘(20)组成，内圆盘(19)和外圆盘(20)并排套装于连接轴(21)上，内圆盘(19)与外圆盘(20)之间形成带槽，连接轴(21)的内端将第一伺服电机(4)的输出轴套入，两者通过键连接，第一伺服电机(4)的机体通过安装座(5)固定于支承板(1)上；
在所述外圆盘(20)的外侧设置锁键(22)，该锁键(22)为长方块，锁键(22)穿过连接轴(21)上对应设置的适配孔，且锁键(22)位于外圆盘(20)上的长条槽中，在所述外圆盘(20)上还开设有长条孔(20a)，该长条孔(20a)与长条槽十字交叉；在所述锁键(22)的外侧设置手柄(23)，该手柄(23)套装于连接轴(21)的外端，手柄(23)通过螺栓(24)与锁键(22)连接，该螺栓(24)上套装压簧(25)，压簧(25)位于连接轴(21)内，该压簧(25)的一端与锁键(22)抵接，压簧(25)的另一端与连接轴(21)内嵌装的弹簧座抵接。
2.如权利要求1所述的面向型面精度一致性的砂带磨削装置，其特征在于：所述第一张紧轮(14)和第二张紧轮(15)的安装结构相同，第一张紧轮(14)通过轴承套装于轮轴(26)上，轮轴(26)与第一连杆(27)的下端固定，第一连杆(27)的上端与第二连杆(28)的一头连接，第二连杆(28)垂直于第一连杆(27)，第二连杆(28)的另一头与穿销连接，所述穿销穿过支承板(1)，并与拉簧(29)的下端连接，拉簧(29)的上端与固定杆(30)连接，固定杆(30)与支承板(1)相固定。
3.如权利要求1或2所述的面向型面精度一致性的砂带磨削装置，其特征在于：所述内筒体(31)通过轴承支承于外筒体内，外筒体与外筒体支架(32)相固定，在外筒体支架(32)上安装第二伺服电机(33)，该第二伺服电机(33)的输出轴上套装主动同步带轮(34)，所述主动同步带轮(34)通过同步齿形带(35)与内筒体(31)上套装的从动同步带轮连接。
4.如权利要求3所述的面向型面精度一致性的砂带磨削装置，其特征在于：所述外筒体支架(32)与磨头支撑板(36)相固定，在磨头支撑板(36)上安装第三伺服电机，该第三伺服电机的输出轴通过联轴器与齿轮轴(37)连接，齿轮轴(37)能够在床身(40)上设置的圆弧形滑槽内滚动，在齿轮轴(37)上设置齿轮(38)，与该齿轮(38)啮合的圆弧形齿条(39)设置于床身(40)上。
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