浅析半自动磨边机的内部结构及原理

文 王英丽

半自动磨边机之所以能以自动仿形磨削的方式完成镜片磨边等一系列相关工作，主要依靠其内部的各种机械机构以及电气结构。半自动磨边机的内部结构如图1所示，主要包括模板踏板机构、砂轮进退机构、砂轮旋转机构、镜片轴夹紧机构、镜片轴旋转机构、进出水机构、稳压电源及其辅助电气元器件以及主板。

图1 半自动磨边机内部主要部件图

半自动磨边机内部结构的具体功能如表1所示：

表1 半自动磨边机内部主要机构及功能分析表

半自动磨边机是根据镜片材质（玻璃、树脂、PC等），尺寸大小，镜片形态（圆形片、小寸片、直角片等）、镜片边形（平边、尖边）等，通过主板电子电路控制磨边机进行适当机械运动后磨出和模板形状相同的眼镜镜片。自动磨边工艺采用的是成形法磨边，金刚石砂轮的表面与镜架框槽沟呈110°角安装，使倒角均匀。为了提高磨边效率，自动磨边机砂轮采用粗磨、精磨、倒角等组合砂轮。

本文将依次分析某司所生产的半自动磨边机工作原理。

1 模板踏板机构

半自动磨边机按照实物形状进行自动仿形磨削，模板踏板机构不但提供了模板的装夹装置，还实现了对模板轮廓的信号采集与处理，即根据对模板轮廓的仿形将模板轮廓的相关信息转换为电信号传送给中央计算机，中央计算机根据不同的电信号发出指令进行加工。

模板踏板机构整体结构如图2所示，它主要包括模板装夹装置、电源线、模板踏板电机、模板踏板传感器、模板踏板、齿轮系与齿轮齿条结构、感应叶片与叶片测速传感器以及信号线等。

图2 模板踏板机构结构图

其结构具体作用如下：

a.模板装夹装置：装夹模板；

b.电源线：电机供电线路；

c.模板踏板电机：为模板踏板的进退提供动力；

d.模板踏板传感器：一种电阻应变式传感器。电阻应变式传感器的工作原理是基于电阻应变效应，即金属电阻应变片随机械形变而产生阻值变化的现象。通常情况下，是将应变片采用特殊的粘和剂紧密粘合在产生力学应变基体上，随着基体受力发生应力变化后，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。电阻应变式传感器的作用是将模具的轮廓信息转换为电信号传递给中央计算机，使磨边机对加工镜片做出精准加工。

e.齿轮系与齿轮齿条结构：齿轮系是由一系列齿轮组成的传动系统，齿轮系可将主动轴的转速变换为从动轴的多种转速，将主动轴的单一转向转换成为从动轴的不同转向，将主动轴的动力和运动分配到不同的传动路线上去等。模板踏板机构通过齿轮系带动小齿轮快速转动，再通过齿轮齿条结构降低速度，提高传动力，最终将动力传递给终端机械装置。

f.模板踏板：如上述，通过电机提供动力和齿轮系、齿轮齿条结构的动力传动，进而使模板踏板前后移动。

g.霍尔叶片传感器：霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，指当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差。当感应叶片由于模板踏板位置的变动时，会产生不同的感应电信号，将电信号通过信号线传送给半自动磨边机的中央计算机，中央计算机通过对反馈信号的分析与处理，实现对模板踏板的前后移动以及对模板踏板电机的控制。霍尔叶片传感器的接线图为图3所示。

图3 霍尔叶片传感器接线图

h.信号线：将代表模板轮廓的相关电信号等传送至中央计算机。

模板踏板机构的工作流程图如图4所示：

图4 模板踏板机构工作流程图

2 砂轮旋转机构

半自动磨边机依靠砂轮的高速旋转来完成对镜片的研磨工作，砂轮的启动与停止控制则是通过砂轮旋转机构实现。砂轮旋转机构整体结构如图5虚线框内所示，它主要包括：捆箍、砂轮盘、电动机、电机滑轨以及风扇几大构件。从整个半自动磨边机的结构来看，砂轮电机位于机器内部的右下侧，可以看出砂轮电机是通过捆箍与其下方的电机滑轨绑在一起，避免砂轮在高速旋转的过程中出现电机不稳或者脱轨的问题。

图5 半自动磨边机砂轮旋转机构结构图

其结构具体作用如下：

a.捆箍：捆箍结构如图6（b）所示，用一个螺丝通过旋入其表面的卡槽来调节松紧，将砂轮电机与其下方的电机滑轨绑在一起，避免砂轮在高速旋转的过程中导致电机不稳或者脱轨，并且砂轮在进退的轨程前后有限位螺钉的限制，如图6（c）所示。

图6 砂轮转按键（a）、捆箍结构图（b）、限位螺钉结构图（c）

b.砂轮盘：整个砂轮盘由3个大小相同，材料不同的砂轮组成，其中砂轮1是镜片粗磨砂轮，用于对PC、树脂镜片进行粗加工；砂轮2是玻璃镜片细磨砂轮，用于对玻璃镜片进行细磨以及倒角；砂轮3是树脂、PC镜片细磨砂轮，用于对树脂和PC镜片进行细磨和倒角。砂轮盘与电动机的转子同轴，在转子转动的情况下，砂轮盘同速度、同方向旋转。

c.电动机：此电动机为交流电动机，三相电源供电，供电电压为交流220V，为砂轮转动的动力源。交流电动机同直流电动机，其结构也是由定子和转子两部分组成，定子绕组在通入三相交流电的情况下，产生旋转磁场，转子在旋转磁场的作用下受到安培力而旋转。转子铁心设计成斜槽式，以降低启动电流和保持电磁感应的连续性。

d.风扇：电动机的转子一方面使与其同轴的砂轮盘高速旋转以研磨镜片，另一方面使与其同轴的铁心尾部的风扇转动，以对电机散热，保证电机工作的安全性与稳定性。

砂轮旋转机构的工作流程图如图7所示：

图7 砂轮旋转机构工作流程图

3 砂轮进退机构

镜片磨边的过程中，除了要控制砂轮的高速旋转外，还要根据对镜片的不同要求，如：粗磨、精磨、磨平边、磨尖边以及镜片的材质等，来选择不同的砂轮。砂轮的选择主要依靠砂轮进退机构来完成。

图8 砂轮结构图

砂轮进退机构整体结构图如图9所示：它主要包括两个电机：砂轮进退电机和砂轮定位电机，砂轮进退电机为砂轮进退提供动力，其辅助结构又包括电源线、齿轮系和摩擦带轮；砂轮定位电机通过其与叶片测速传感器和感应叶片的配合，准确定位砂轮进退的轨程，其辅助结构又包括电源线、信号线和齿轮系。

图9 砂轮进退机构结构

其结构具体作用如下：

a.电源线：电机供电线路。

b.砂轮进退电机：砂轮进退电机的作用是为砂轮的进退提供动力，其型号及原理同模板踏板电机。

c.砂轮定位电机：砂轮定位电机的作用是准确定位砂轮进退的轨程，同样为直流电机，其工作原理同砂轮进退电机。

d.齿轮系：齿轮系的作用如上述模板踏板机构齿轮系的作用，而砂轮进退机构就是砂轮进退电机与砂轮定位电机通过齿轮系带动小齿轮快速转动，并将动力传递给终端机械装置，这里是将运动传递给摩擦带轮和感应叶片，如图9所示构件9和5，通过摩擦带轮与砂轮进退导轨的摩擦作用使砂轮前后移动；通过感应叶片与叶片测速传感器的配合，使砂轮能够停止在所需求的位置上，即对砂轮定位。

e.摩擦带轮：如上述，通过电机提供动力和齿轮系的动力传动，摩擦带轮与砂轮进退导轨发生摩擦，进而使砂轮移动。

f.霍尔叶片传感器：如上述模板踏板机构所述霍尔叶片传感器的相关内容，在砂轮进退机构中，当感应叶片由于砂轮位置的变动，在砂轮定位电机的带动下旋转到传感器的空隙位置时，会产生不同的感应电信号，将电信号通过信号线传送给半自动磨边机的中央计算机，中央计算机通过对反馈信号的分析与处理，实现对砂轮的准确定位以及对电机的控制。

砂轮进退机构的工作流程图如图10所示：

图10 砂轮进退机构工作流程图

4 镜片轴夹紧机构

半自动磨边机对镜片进行磨边，首先需要固定待加工镜片，这一需求通过镜片轴夹紧机构来实现。镜片轴夹紧机构的位置如图11所示：主要包括电动机、齿轮系、齿轮齿条结构以及镜片轴。

图11 镜片轴夹紧机构结构图

其结构具体作用如下：

a.电源线：电机供电线路。

b.电动机：直流电动机，外形引脚及型号如图12所示。

图12 镜片轴夹紧机构直流电动机结构图

c.齿轮系/齿轮齿条结构：镜片轴夹紧机构齿轮系结构如图13（a）（b）所示。

图13 镜片轴夹紧机构齿轮系结构及其机构运动简图

镜片轴夹紧机构的工作流程图如图14所示：

图14 镜片轴夹紧机构工作流程图

5 镜片轴旋转机构

在半自动磨边机磨边的过程中，不但需要镜片轴夹紧待加工镜片，还需要镜片轴带动待加工镜片做整周的回转，本文所举例的半自动磨边机通过镜片轴旋转机构提供动力使镜片轴持续旋转，进而完成镜片的整周回转动作，以实现对镜片完整均匀的研磨。

镜片轴旋转机构其的体结构如图15（a）和（b）所示：它主要包括电源线、直流电动机、齿轮系、齿轮杆、齿轮带传动机构、霍尔叶片传感器以及感应叶片。

图15 镜片轴旋转机构结构图

其结构具体作用如下：

a.电源线：电机供电线路。

b.电动机：直流电动机。

c.齿轮系：与模板踏板机构齿轮系结构作用相似。

d.齿轮带传动装置：齿轮带传动机构的作用在于将运动与速度传递给镜片轴，并且两个带传动装置通过一个杆件连接在一起，目的是为了实现两个镜片轴的同步旋转。

e.霍尔叶片传感器：参照模板踏板机构。

镜片轴旋转机构的工作流程图如图16所示：

图16 镜片轴旋转机构工作流程图

6 进出水机构

a.整体结构：进出水机构主要控制半自动磨边机的水源供给以降低磨镜片的砂轮温度，冲洗砂轮表面的杂质。进出水机构从整体上大致可分为进水口、水泵、控制开关、电磁阀、出水口五大部分，其中进水口、出水口均在同一水箱中，水箱内的水经滤网过滤进入机器，排出的水将杂质等带入水箱，如此循环，使水箱里的水得到了充分的利用。水泵是抽水的机器，因为半自动磨边机机身在工作台台面上，水泵主要将水运送到需要的高度。图17所示为半自动磨边机进出水结构中的水路循环系统。

图17 半自动磨边机进出水结构中的水路循环系统

当然，在半自动磨边机的进出水结构中对水流的控制起决定性作用的器件便是电磁阀，电磁阀到目前为止，从动作方式上可分为三大类：直动式、反冲式、先导式。尽管它们的工作原理有所不同，但是所起作用大致相同，下面以半自动磨边机进出水结构中的直动式电磁阀为例，介绍电磁阀。

b.直动式电磁阀机构的组成：直动式电磁阀基本结构如图18所示，其主要由阀体、电容、阀体控制开关三大部件组成，另外除了主要部件，还包括一些辅助部件，如阀体控制开关保护套壳、铸铁支架、手动水流控制开关等几个部分。

图18 电磁阀基本组成

表2列出了电磁阀基本组成的部件，并对其作用做出了简单的介绍。

表2 电磁阀基本组成部件作用表

c.直动式电磁阀机构的工作原理：常闭型通电时，电磁线圈产生电磁力把敞开件从阀座上提起，阀门被打开；断电时，电磁力消失，弹簧把敞开件压在阀座上，阀门关闭。直动式电磁阀的结构图如图19所示。

图19 电磁阀结构图

图20表示了电磁阀在断电时和通电时的两种动作方式。

图20 电磁阀在断电时和通电时的两种动作方式