冰刀研磨机设计(编辑修改稿)

冰刀研磨机设计(编辑修改稿)内容摘要：

ed on the research of wear and tear mechanism. Finally, on the basis of hardware system of HNC ( Numerical Control ), the control system of whetting of skates is brought out. the special motion of grinding wheel is proposed. Through CNCPLC data and tache of signal disposals of simulation unit, principal axis AC motors is controlled by transducer. hence, the constant thread speed of grinding wheel bining with the principal axis motor is gained. the objectoriented programming is used in the muller’s control system, which provides the friendly interface that causes the alternations between machine and operator to bee easier, and suits for athletes. And system also provides online simulation of machining process which makes the whetting process more visually. Keywords: Skates NC muller Portable Adjustment of grinding wheel ObjectOriented Programming 3 1 绪 论 研究的背景、目的和意义 本次研究课题来源于国家体育总局 2020 年冬奥会攻关项目“便携式数控冰刀 测量与研磨机的研制”，项目编号 03038，本文属于项目中的冰刀数控研磨机部分。 滑冰运动起源于荷兰。 13 世纪中叶 ,荷兰出现铁制冰刀。 冰刀是冰上运动鞋下面的块刀片，它是冰上运动的基础。 如图 图 冰刀外形示意图 和 所示，冰刀的刀刃线一般是由几段半径（ 8～ 10 米）很大的圆弧线组成，刀刃 一般厚 2 毫米。 到了 17 世纪 ,溜冰逐渐发展成为一种运动项目。 冰刀是冰上运动 的基础。 今天 ,运动员和滑冰运动爱好者取得了越来越好的成绩 .冰刀的质量是一个决定性的因素。 然而 ,冰刀使用一段时间后 ,其刃口会变钝 ,这时需要对其重新研磨 ,使其恢复原来的形状。 因此 .冰刀的正确研磨对于保障冰刀的滑行质量和提高运动员的运动成绩起着至关重要的作用。 冰刀的研磨分为手工研磨和数控研磨。 从研磨质量上说，数控研磨的加工质 图 两段圆弧的冰刀刀刃线 量要比手工研磨的要高得多。 目前，国外已经有商品化的数控冰刀研磨机，而国内目前 在冰刀研磨机领域的研究和开发则比较落后 ,只有少数厂家能生产简 4 易磨刀架和磨刀 机。 产品技术含量低 ,自动化程度不高 ,冰刀的研磨质量完全取决于操作者的熟练程度 ,严重影响冰刀研磨的效率和质量 ,商品化的手工冰刀研磨机则尚属空白 ,更谈不上全自动的数控冰刀研磨机了 ,这对我国冰上运动的发展是一个极大的制约。 因此 ,开发具有自主知识产权的国产数控冰刀研磨机势在必行。 本文目的是解决我国冰刀研磨行业的共性技术问题，开发具有自主知识产权的数控冰刀研磨机，使冰刀由手工研磨过渡到全自动研磨，在冰刀研磨技术上产生质的飞跃，提高冰刀研磨的质量和效率，促进滑冰运动的体育器材技术升级，提升我国滑冰运动员的运动成绩。 本文的开展，对提高我国滑冰运动训练科学化水平和综合实力，促进我国体育器材新产品的开发及科技成果的转化，营造体育科技产业化环境，提高冰刀研磨技术，促进体育产品结构的调整，提高运动员备战奥运会的运动成绩都将具有非常重要的意义。 本文研究的数控技术及其在冰刀研磨领域的应用，对于提高我国体育装 备水平和实力、提 冰上项目竞争能力、促进社会生产率的发展等方面都具有很好的社会效益和经济效益。 冰刀研磨技术概述 冰刀在冰面上滑行产生磨损，其磨损量小，冰刀的研磨加工是一种磨削量小，精度要求高的加工方式。 目前，冰刀的研 磨方法主要有两种，手工研磨和数控研磨 冰刀的 手工研磨 手工研磨 是使用多级目数的 精细磨料对工件表面进行多次的磨削加工。 先将较粗的磨料 混合猪油和煤油，在利用附着体（如铸铁）对零件表面给予一定的压力，进行圆周运动，经过多级的研磨，达到表面要求。 如图 图 手工研磨冰刀方法 但是 手工研磨存在 一些严重 的问题 ， 主要有 5 （ 1）手工研磨时的作用力不易控制，在研磨的过程中容易出现各种问题，如图 所示，当手压磨具作用力过大，就会出现切屑向刀刃处堆积形成卷刃；若研磨冰刀用力不均还将造成偏刃和脊刃，如图 所示。 （ 2）用油石在冰刀侧面研磨冰刀的卷刃时，手控制油石的平稳度不够，易产生偏斜，用力程度也难以控制到最佳状态，常出现油石在刃侧面滑掉，直接伤及刀刃造成局部钝刀，如图 所示； （ 3）现阶段用的油石磨料粒度受限制，无法加工出最低粗糙度的冰刀锋刃； （ 4）油石不易修平，平面度差的油石难以保证被研磨冰刀表面的几何形状； （ 5）手工研磨，冰刀的轮廓曲线难以与设计值吻合，这将影响冰刀的滑行质量； （ 6）手工研磨精度不高、生产效率低，劳动强度大。 图 冰刀的卷刃 图 冰刀的偏刃和脊刃 图 冰刀的局部钝刀 冰刀的数控研磨技术 冰刀的数控研磨，是数控技术应用到冰刀研磨当中去。 与手工冰刀研磨相比，数控冰刀研磨具有质的飞跃，使得冰刀的研磨加工质量更稳定，效率更高，更可靠。 数控冰刀研磨机，从本质意义上讲和一台普通的数控磨床没有什么区别，产品加工都要经过数控编程、刀补、插补、最后控制运动轴加工的过程。 所不同的是，冰刀数控研磨机床是一个非常专业化的数控机床。 冰刀本身的结构小巧，研磨机是在体育项目中使用，要求能够经常随运动队携带，这决定了冰刀的数控研磨机应 该是便携式的 —— 体积小、重量轻 利用数控的编程技术可以编出任何平面的冰刀刀刃线。 数控系统可控制 X、Y、 Z 轴实现冰刀的测量、研磨、砂轮修整。 利用工艺卡编程，可控制机床对冰刀进行粗、精、抛光 3 级研磨。 粗磨完成主要的轮廓加工，精磨、抛光磨主要是提高精度和表面光洁度。 利用以上数控技术，数控冰刀研磨机床具有很强的灵活性，能适应任何一把冰刀的研磨。 手工冰刀研磨的精度主要取决于操作人的经验程度。 而冰刀的数控研磨其精度则取决于控制系统的质量和机床的机械传动精度。 6 国内外研究状况 有关研磨冰刀的机器，在国外已 有手工和数控两种商品化的产品 例如美国的 WISSOTA 公司就是生产手工冰刀研磨机的著名厂家，图 是该公司手工冰刀研磨机产品。 Cag One 公司也提供一系列手工和数控冰刀研磨机，其产品如图 所示。 图 WISSOTA 公司的手工冰刀研磨机 图 Cag One 公司冰刀研磨机 我国在冰刀研磨机领域的研究和开发则比较落后，只有少数厂家能生产简易磨刀架和磨刀机，如图 所示 图 国产手工冰刀磨刀机 我国手工冰刀磨刀机 产品技术含量低，自动化程度不高 ，冰刀的研磨质量完全取决于 作者的熟练程度，严重影响冰刀研磨的效率和质量，商品化的手工冰刀研磨机则尚属空白，更谈不上全自动的数控冰刀研磨机了，这对我国冰上运动的发展是一个极大的制约。 因此，开发具有自主知识产权的国产数控冰刀研磨机势在必行。 主要内容 （ 1）针对数控冰刀研磨机便携式、刚度、精度的要求，本文确定了冰刀研磨 7 机床的总体布局和关键部件的选取；通过打印机接口外接自行设计的板卡把冰刀研磨机作为通用 PC 机的一个外设，从而实现 PC 直接数控，满足了冰刀研磨机便携式的要求；同时研制了适合冰刀研磨加工 的专用夹具。 （ 2）冰刀的手工研磨，刀刃线形状、研磨量、研磨的分级、控制过程全依赖操作员的手感和经验程度，难以达到形状精度和表面精度的要求。 本文分析了影响冰刀精度的各种因素，并针对研磨刀刃线的控制和工艺特点，对冰刀的分级研磨和砂轮的结构和运动进行了研究。 数控系统根据研磨量，自动生成冰刀研磨的加工工艺卡。 （ 3）本文结合了砂轮的磨损机理，提出了控制砂轮修整、补偿的方法。 （ 4）在华中数控系统硬件体系的基础上，详细分析了冰刀研磨加工的控制过程，设计了研磨砂轮的特殊运动方法，采取了半闭环的伺服位置控制方案，采取CNCPLC 模拟量单元的数据及信号处理环节，用变频器来实现对砂轮主轴电机的控制，从而保砂轮以恒定的线速度进行研磨加工。 （ 5）本文对基于华中开放式数控平台的专用机床控制软件开发进行了的研究和探讨，研制了冰刀研磨控制软件，将面向对象编程技术应用到冰刀的数控编程中去。 数控系统具备友好的人机界面和加工过程的在线仿真功能。 8 2. 冰刀研磨机总体结构 本文研究的数控冰刀研磨机是集机械、电气、计算机和控制技术于一体的机械加工设备。 其中，机械部分是冰刀研磨机的重要组成部分。 机械部分的布局、结构设计 、裝夹技术将对加工精度、系统可靠性和设备的便携性具有十分重要的意义。 冰刀研磨机的主要指标 冰刀的数控研磨有其行业特点。 首先，由于每个冰刀的磨损程度不同，其轮廓形状位置是未知的。 其次，冰刀数控研磨属于成形加工，不但要将刀刃磨出来，还必须将冰刀轮廓形状修复成规定的形状。 再次，冰刀的刀刃面要求有较低的粗糙度。 最后，研磨冰刀时，在保证质量的前提下，应尽量考虑冰刀的使用寿命，每把冰刀的研磨量设定要合理。 综合上述冰刀研磨的特点后，确定冰刀研磨机的主要指标为： 1．能够按特定参数和仿形自动研磨 300～ 450mm，拱高 10mm 的速滑、短道速滑冰刀的任意弧度。 通过 X 、 Y、 Z 三个轴的伺服电机控制三维运动平台和研磨运动。 2．冰刀研磨过程分粗磨、精磨、抛光三级研磨，磨轮驱动为变频、低噪、小功率电机。 冰刀刃平面粗糙度达到 ～ ， 90176。 边刃角直接打磨。 一次研磨时间为 3～ 5 分钟。 3．采用弧度采集器、线阵 CCD 与 A/D 转换卡、单片机进行接口通讯，能检测冰刀弧度、刀刃磨损量；接收、运算采样数据；显示研磨过程图形、进行数据对比和按弧度检测数据分级研磨。 冰刀研磨机的基本要求 （ 1）该设备是用于运动员研磨冰刀，设备应简单、可靠、易操作、精度高； （ 2）为了保障冰刀的形状精度，机械夹持部分应具有良好的刚性和精度； （ 3）设备的布局、功能应适应不同种类冰刀研磨的要求。 冰刀研磨机总体布局 研磨机的总体布局是设计研磨机时影响全局性的决策部署。 在总体布局确定后，才能确定部件之间的相对位置及运动关系，进一步具体设计研磨机。 总体布局的影响因素是多方面的，其中，工件的表面形成方法，即冰刀与砂轮怎么做相对运动来加工刀刃是设计研磨机时首先要决定的。 表面形成的方法确定后，研磨机的布局、传动、结构 及外形等就可初步决定。 为了减少或消除研磨机的振动及热变形，应特别注意主轴变速箱、电动机等的布局。 此外，被加工工件的尺寸、 9 重量和技术要求与研磨机的布局有密切关系。 总体布局还必须考虑人的因素，能够满足操作要求，必须有利于减轻操作者的劳动强度，以提高工作效率，并应注意留出必要的维修空间。 数控冰刀研磨机机械部分的总体布局如图 所示，此冰刀研磨机采用立式设计，主要由 X 向进给装置、 Y 向进给装置、 Z 向进给装置、夹具、砂轮装置五部分组成。 由于冰刀的长度在 300~450mm 之间， Y 向运动行程为 60mm， Z 向运动行程只要 20mm，所以整个机床的尺寸可以设计成：长 850mm，宽300mm，高 565mm。 冰刀的研磨过程主要有 X 向冰刀磨削运动， Y 向进给运动和 Z 向调节砂轮运动，通过这三个运动来实现对任意弧度冰刀的研磨。 本文研究的数控冰刀研磨机体积、质量较小，转动惯量小，所以可将电机与丝杠直接相连。 如图 所示，冰刀固定在夹具 11 上； X 轴电机 9 带动丝杠 2 旋转，使滑板 8 沿 X方向移动，从而带动冰刀实现 X 方向的运动，行程为 550mm，磨削刀刃表面和 90176。 边刃角；同理， Y 轴 电机 5 带动丝杠 6 旋转，使滑板 3 沿 Y 方向移动，从而带动冰刀实现 Y 方向的运动，行程为 60mm，磨削冰刀的拱高， X 轴和 Y 轴的联动可实现砂轮的磨削运动；手轮 13（为了减轻重量，用手轮代替 Z 向电机）带动丝杠 12 旋转，实现砂轮 16 的上升下降即 Z 方向的运动。 砂轮安装在砂轮架 15 上，由砂轮电机 14 带动砂轮 16 转动。 1— X 轴支撑架。