玻璃加工机床浮动主轴的创新方案设计

魔神

     常用玻璃加工方法及其存在的问题
    平板玻璃的磨边加工，玻璃棱边被加工成一定的形状，如平直边、圆边或C形边等，通常采用能在一次性操作中完成的生产线。玻璃的粗磨、半精磨、精磨、抛光等由装在多达六个工位上的金刚石砂轮连续进行。对于玻璃工艺制品和水晶玻璃的装饰性磨削加工，则多用手动或在多轴自动专用磨床上进行装饰性加工。光学透镜的粗磨，一般在专用磨床上采用轮缘为圆弧的杯形砂轮。
    目前，由于机床主轴在加工玻璃时，自身不能对刀具所受外力的变化快速地进行自我调整，致使玻璃产品和刀具容易破碎。

    应用技术矛盾解决矩阵提出创新方案
    玻璃在进行磨削加工时，砂轮主轴必须高速旋转。但由于玻璃不平整会导致对砂轮施加压力的变化，而玻璃是脆性材料，受力不当容易破裂，这就要求主轴能随着所受压力的变化而快速调整，即其既要高速旋转又必须具有自适应性，在受力变大时能够自行退让。
    现应用技术矛盾解决矩阵来解决这种矛盾，并提出相应的解决方案。
    在表1改善的技术特性栏中选择第9项“速度”，在恶化的技术特性栏中选择第14项“强度”。可以看出，为了解决这一矛盾，TRIZ提供了4种解决原理，其编号分别为8、3、26、14。通过对这些原理的比较，选择原理14“回转、椭圆性”，即改直线运动为回转运动，将立方体变成椭圆体，使用滚筒及球状、螺旋状的物体。通过筛选，选择例子CONTACT OVER A SPHERICAL SUFACE。由此，可以考虑用点接触来替代物体的面接触。显然，这种替代可以大大减少接触物体间的摩擦力。
    在改善的技术特性栏中选择第1项“运动物体质量”，在恶化的技术特性栏中选择第3项“运动物体尺寸”。在提供的4个解决原理中选择原理15“动态性”，即自动调节物体。使其在各动作、阶段的性能最佳；将物体分割成既可变化又可相互配合的数个构成要素；使不动物体可动或可相互交换。由此考虑用“气浮”，因为“气浮”对主轴受力变化的响应迅速，且主轴所受切削力较小，因此所需气体压力也不会很大。

    根据原理15和原理14以及软件(TechOptimizer)所给相关例子的启发，可提出一个初步解决方案如下：首先把主轴要实现的功能进行分割，分为高速旋转的功能与主轴能上下浮动的功能。对于主轴的高速旋转，可用高速电机实现，而主轴的上下浮动功能，则用“气浮”来解决。
    考虑到主轴的特殊要求，它与轴承之间的摩擦力应很小，这里选择气体润滑轴承。气体润滑轴承常用空气作为润滑剂，故又称空气轴承。空气轴承具有无接触、摩擦小、温升低、寿命长，适应高速，且对主机和环境无污染等优点。
    依据以上分析和对轴承等选择以及对方案的构思、细化，可提出方案1(如图1所示)：主轴3由空气轴承4支承，所需转矩由单相串激电机8提供，但其间通过一个传动架传递，主轴与传动架之间由滚珠6形成点接触。在砂轮进行切削之前，通过气缸排出的气体将主轴推向远端。加工过程中，主轴将随着切削力的改变而自行上下浮动。

    如果在改善的技术特性栏中选择第9项“速度”，在恶化的技术特性栏中选择第14项“强度”。在提供的4个解决原理中选择原理3“部分改变”，即将物体的均一构成或外部环境及作用改为不均一；让物体的不同部分各具有不同功能；让其各部分处于各自动作的最佳状态。根据原理3和15以及软件所给相关例子的启发，可提出另一种解决方案2(如图2所示)：转子5与主轴2一体，定子绕组4与外壳一体。主轴2的高速旋转功能，通过定子绕组4与转子5的作用来实现，而其上下浮动功能，则与方案1相同，仍由“气浮”来实现。对于轴承，仍选用径向空气轴承。其结构更简单、紧凑，便于维护。

图1 创新方案一
1 砂轮；2 气缸盖；3 主轴；4 空气轴承；5 行程挡块；6 滚珠；7 联轴器；8 电机

    如果在改善的技术特性栏中选择第9项“速度”，在恶化的技术特性栏中选择第14项“强度”。在提供的4个解决原理中选择原理3“部分改变”，即将物体的均一构成或外部环境及作用改为不均一；让物体的不同部分各具有不同功能；让其各部分处于各自动作的最佳状态。根据原理3和15以及软件所给相关例子的启发，可提出另一种解决方案2(如图2所示)：转子5与主轴2一体，定子绕组4与外壳一体。主轴2的高速旋转功能，通过定子绕组4与转子5的作用来实现，而其上下浮动功能，则与方案1相同，仍由“气浮”来实现。对于轴承，仍选用径向空气轴承。其结构更简单、紧凑，便于维护。

图2 创新方案二
1 砂轮；2 主轴；3 轴承；4 定子绕组；5 转子；6 气缸盖

    以上两方案共同的特点是将主轴的高速旋转功能与主轴的上下移动功能进行了分离，且主轴自由悬浮，对主轴顶端刀具受力的变化能产生快速响应，从而较好地解决了主轴既要高速旋转又必须具有自适应性的技术难题。事实上。还可以提出其它解决方案，例如，将方案2的气体润滑轴承改为电磁轴承，轴和轴承之间甚至可没有摩擦力的作用，但其结构较复杂，成本也较高。此外，还可以使主轴的上下移动和主轴的旋转动力均由气压实现，即用高压气体冲击主轴下端的叶片从而使其高速旋转。缺点是所需气体压力大，对主轴、叶片以及气体容器的强度和刚度要求高，而且具有一定危险性。【MechNet】