立式玻璃磨边机磨削测力仪研究

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124机械设计与制造Machinery Design ＆ Manufacture第 1O期2013年 1O月立式玻璃磨边机磨削测力仪研究徐宏海，赵息平(北方工业大学 机电工程学院，北京 100144)摘 要：磨削力是选择砂轮电机和对磨削参数进行优化的重要依据，针对立式玻璃磨边机 V形砂轮组件的结构特点，研究设计了一种以阶梯轴套为弹性元件并在砂轮轴端安装推力球轴承的应变式磨削测力仪，采用多点接触导电滑环传递磨削力信号，并对测力仪进行标定、模拟测试实验及实际磨削测试实验。结果表明：经轴套传递的切向磨削力和径向磨削力分别高达 97％和 70％，并且具有良好的线性度；而未加推力球轴承时的切向力和径向力传递率仅为75％和 52％。研究结果为立式玻璃磨边机加工过程磨削力的测试与研究奠定了基础。

关键词：立式玻璃磨边机：V形砂轮；磨削加工；测力仪；应变片中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0124—04Study on Grinding Dynamometer of Vertical Glass Edge Grinding MachineXU Hong—hai，ZHAO Xi—ping(Colege of Mechanical and Electronical Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China)Abstract：Grindingforce is an important basis for selecting grinding wheel driving motor and optimizing grinding parameters.

According to the structural characteristic of V-grinding wheel subassembly in vertical glass edge grinding machine，a grindingdynamometer based on resistance strain gauge technology Was designed，and it used a stepped sleeve as elastic componentheld in place by a thrust bal bearing on the end ofgrinding wheel sh ．Grindingforce sign~ were transmited by multipointcontact s却 rings．Calibration ofgrinding dynamometer，simulating test and actual grinding test werefinished，and the resuhindicates that tangential and radial grindingforce transfer rate via sh sleeve are high tO 97 and 70 percent ofactualforcerespectively with excelent linearity，which are an／y 75 and 52 percent without thrust ball bearing．It provides a basis for themeasurement and researchofgrindingforce intheprocess ofgrindingglass edge in verticalglo~s edgegrindingmachine.

Key W ords：Vertical Glass Edge Grinding Machine；V-Grinding W heel；Grinding；Dynamometer；Strain Gauge1引言中空玻璃具有隔热、隔噪和防结露等特点，是一种高性价比的建筑节能材料。玻璃磨边是中空玻璃生产过程中的一个重要环节，目的是消除原片玻璃切割后玻璃边缘存在的微观裂纹 、应力集中等缺陷，避免对后续工序操作人员及设备造成伤害，提高玻璃钢化工序的成品率。金刚石 v形砂轮磨削是当前平板玻璃磨边的主要工艺方法之一，磨边机多为立式结构，占地面积小 。磨削力是玻璃磨边机设计阶段选用砂轮电机和使用时制订磨削工艺参数的主要依据。目前国内外关于磨削测力仪的研究，按工作原理可分为应变式测力仪和压电式测力仪二种。应变式磨削测力仪通过在弹性元件上粘贴电阻应变片方式来测量磨削力；压电式磨削测力仪是利用石英晶片的压电效应制成的测力仪，如 Kistler9257A／B、丹麦的8200等。现有的磨削测力仪主要用于平面磨削和内、外圆磨削，关于用 V形砂轮对玻璃进行磨边加工时的磨削测力仪研究，国内外至今未见有文献报道[6-o]。由于立式玻璃磨边机V形砂轮组件结构的限制，测力仪只能安装在砂轮电机轴上，且空间狭小，现有的磨削测力仪不能满足安装要求。鉴于此，设计了一种受特定空间和工作条件限制、安装于砂轮电机轴上的应变式磨削测力仪 ，并对测力仪进行标定和磨削测试实验。玻璃磨边过程产生的磨削力可以分解为3个分力： ，Fy和 ，如图 1所示。

由于V形砂轮结构的对称眭， ．=Fy2，因此轴向分力 0，测力仪只需测量切向分力 Fx和径向分力 。

力一 ／ 、‘ ’图 1磨削力分力Fig．1 Components of Grinding Force2 V形砂轮组件结构立式玻璃磨边机 v形砂轮组件结构，如图 2所示。V形砂轮安装在电机轴上，其轴向用轴套定位并用螺母夹紧，无键联接。由切向力 引起的磨削力矩 靠端面静摩擦，经2条路径传递给来稿日期：2012—12—04基金项目：北京市学术创新团队资助项 目(PHR201007119)作者简介：徐宏海，(1967一)，男，浙江萧山人，博士，教授，主要研究方向：先进制造技术第 10期 徐宏海等：立式玻璃磨边机磨削测力仪研究 125电机轴：①砂轮一轴套一电机轴；②砂轮一螺母一电机轴。径向力直接作用在电机轴上【101。因砂轮周边还有喷水管、气缸等辅件，测力仪只能安装在~b120~46．5mm的狭小空间内，因此需要专门设计磨削测力仪。

图2 V形砂轮组件结构Fig．2 Structure of V-Grinding Wheel Subassembly3磨削测力仪结构设计根据磨边机砂~-t_H件的结构特点，设计了一种应变式磨削测力仪，其结构，如图3所示。将磨边机的轴套改为阶梯式结构，V形砂轮扩孔后安装在轴套上，并在其左侧安装了一个5 1 105型推力球轴承，由于滚动静摩擦力矩小于滑动静J挛擦力矩，因而可以减小经路径②传递的磨削力矩，增大经路径①传递的磨削力矩。导电滑环为8环多点接触结构，用于测量电桥供电和传递磨削力信号，其动态接触电阻波动值≤Q01n。因玻璃磨边过程需喷水冷却，导电滑环的定子和转子之间设有密封圈，防护等级为IP65。

4测力仪测量原理轴套的右端内孔与电机轴无间隙配合，轴向自由度受电机轴轴肩的限制，因而可以简化为固定端，其受力分析，如图4所示。 为径向磨削力， 为切向磨削力 引起的扭矩，F为径向磨削力 与切向磨削力 的合力，轴套材料为45钢。

图3磨削测力仪结构Fig．3 Structure of Grinding Dynamometerl／引线槽16：1 f厂一J dl L一 、上， 图4轴套结构Fig．4 The Structure of Shaft Sleeve由图4可得切向磨削力 与扭矩 的关系为：‘1)式中：Rd__砂 轮工作半径，m。

径向力 的计算公式为：=V，一 (2)因此，只要测量轴套承受的扭矩 和合力 F，就可以按式(1)～ (2)计算切向力 和径向力 。应变片粘贴方式，如图5所示。

R =R=120f~(i=l，2，?，8 o R 组成扭矩 测量惠斯登电桥，R 。组成合力 F测量惠斯登电桥，如图6所示。

、 .

R 31 R4 R 71Rs R IIi80。 70。

图5电阻应变片贴片方式Fig．5 Sticking Method of Resistance Strain Gauges图6惠斯登电桥Fig．6 Wheatstone Bridge力矩 作用下 ，应变片R -R 产生的应变为 ，=-~2=-g4=8 ，惠斯登电桥输出 AU见式(3)Il1]。

AU= 81- + 3-s4)UK6r (3)式中： 一电阻应变片灵敏度系数，K=2．08； 一电桥供电电压( ，oc)。

合力F作用下，应变片 产生的应变为s5 8=噌6= 7=s，，惠斯登电桥输出 AU可由式(4)表示[1I】。

AU= ( s + ￡，)=№ ， (4)由材料力学和广义胡克定律可知：T-7-
maxW-~- × ㈦ r ×告 (6)式中：E-_轴套材料弹性模量(Pa)，r 大剪应力(N／m )；一 泊松比；— 抗扭截面模量 m )；套外径(m)；套内径 m)；A—轴套截面积(m )。

由式(3)～(6)可知：电桥输出△ 与合力 F、扭矩 7T成线性关系，因此 F、 可以通过电桥输出电压 AU来测量 ，然后利用式1 26 机械设计与制造NO．100‘ t．20】3(1)、(2)讨‘算切向力 l祠I径向力5测力仪标定由于磨边机砂轮电机没有制动功能， 安装 j 一封 的嘲筒内，无法采』}j A接加找法对测力仪进行标定，L大l此采川单臂并联电阻法对磨削测力仪进行标定。

当 ．(R )并联标准电阻 R 后 ，电桥平衡被破坏 ，将产生输电压。电阻变化率 AR／R与总的虚拟应变 s之间的火系如见式：
R- R R<~．
=
R
= Ke (7) 尺 R R
+R， 、尺。( )并联不同阻值的标准电5』{ 时，根 式(7)计算l卡ff应的虚拟应变 8，然后采Hj YD一28A型动态电N．／3Z变仪记录 应的读数 △(／I测力仪标定f1{j线， 1 7所，J÷ 、s=0．4984△￡，+l 5495／ ／ ／ 厂 ／ ／ it"应变仪 溃数 &UImV图7测力仪标定曲线Fig．7 Calibration Curve of Grinding Dynamometer巾标定结果可知：测力仪电桥的灵敏度系数为0．4984IXelmV。

根据公式(1)～(6)计算得到切向力 的标定系数S~-O．7344N／mV，径向力 的标定系数 s =2．OlN／mV．汁算时，轴套的牛l{关参数为：D=28mm，d=22mm，／x=O．3，E=21OGPa，R(~=64mm，F7= =6／4(转换成测量电桥的单臂应变)。

6磨削力静态模拟测试实验如前所述，测力仪安装在磨头 I 后不能直接加载，为此设汁丫一套与电机轴、砂轮尺寸相同的模拟电机轴和砂轮盘，与测力仪组装后，将模拟电机轴 定往铣J未lI 作俞 【 ，如罔8所示。分别在切向和径向挂标准质垃的砝码进行加向J载，记录不同实加载荷下动态电阻应变仪输f}J△ ，乘以_J二述 定系数 S 及 S ，即得到 和 的测量值。模拟实验数据，如表 l～表4所爪。实验分订推力球轴承和l尤推力球轴承两种情况进行。

罔8 削力模拟测试实验Fig．8 Simtdated Test ot’(：rindilig F(iree表 1经轴套传递的切向力 实验数据(有推力球轴承 )Tab．1 Transferred by Shaft Sleevewith Thrust Bal Bearing表 2经轴套传递的切向力 实验数据(无推力球轴承)Tab．2 ， Transferred by Shaft SleeveWithout Thrust Bal Bearing表 3经轴套传递的径向力 实验数据(有推力球轴承 )Tab．3 Transferred by Shaft Sleevewith Thrust Bal Bearing表 4经轴套传递的径向力 实验数据(无推力球轴承)Tab．4 Transferred by Shaft SleeveW ithout Thrust Bal Bearingf{j戒 1～表4 f1f知1：砂轮轴端设置推力球轴承后，经轴套传递的切向力 、径向力 的传递率分别高达 97％和70％，并且具有良好的线性度；ln 术装推力球轴承时，其传递率分别只有 75％和52％，这是 为推力球轴承改变了经路径②传递摩擦力的传递性质，即由原米的螺f：土端【f耵滑动静摩擦变为轴承滚动体的滚动静摩擦，从f 增lJIl了路径(1)(轴套)的力传递牢。

7磨削测力仪应用研制的磨削测力仪l已刚于作者所在深题组F1主开发的 式玻璃瞵边机磨削力测试实验研究，磨削力测试现场，如 9所示。

罔9膝削力测试现场Fig．9 Testing S(’《 n of Gt‘inding Foroe削力实际洲试信 号，如 lO所永。牛H应的磨削 Ii艺参数为：倒角 寸(磨削深度) ~2mll，进给速度 v／=8ndmin，砂轮线速度 =l 7m／s，砂轮粒度 200#，玻璃厚度6=6mm。

No．1O0ct．2013 机 械 设 计 与制 造 l272502o01501005OO- 50一 l0o— l50- 200- 25030o2001000— 100— 200— 30o一 、．tl·i 。¨啪 I¨Ii -． l I眦 ImJlJU|uI 汕Ill】“山 l-_ mI吐 吐．“． 1Il 曲 ¨ ．‘“ 曲mlIF ,'mlm -胛 唧_ l啊f ’ l q ’ 哪 IⅡ伊 州 哪 “44 45 46 47 48 49 50 51 52 53(a)扭矩(mV)[5】光标：A=100．097mVj h ■ _--I一_ u --。．i ‘ I -IJd．i U _“． - _^LI" ，? lr1 ·I_rHi=q? ”1■ ? n-l】’ ■I n l岬 ’ -n- n’rlI 一 ’11盯rrl,~ m qlqPPl44 45 46 47 48 49 50 51 52 53(b)合力 F图 10磨削力实际测试信号Fig．10 Actual Testing Signal of Grinding Forces8结论协年会会议论文集．重庆，2009(9)：1-6.

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(s)以阶梯轴套为弹性元件，通过多点接触导电滑环传递力信号的应变式磨削测力仪，具有结构紧凑、制造方便、安装简单、成本低、不需要改装玻璃磨边机、可在正常生产条件下测量磨削力等特点，测力仪成本仅为国内外现有磨削测力仪的(20～30)％。通过在砂轮轴端设置一个推力球轴承，可提高经轴套传递的切向磨削力和径向磨削力的比例，比直接用螺母夹紧时提高 20％左右，而且具有良好的线性度。研究结果为玻璃磨边过程磨削力测试与研究奠定了基础，对类似结构力的测量，具有重要的参考价值。

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