垂直修整器設計說明書畢業(yè)設計論文.doc

湖南大學畢業(yè)設計（論文） 第 36 頁1 緒論1.1 課題背景及目的隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對機械零件加工質量的要求也是越來越高，在加工精度和表面粗糙度的這些主要的技術指標的要求更為嚴格。尤其是高檔汽車發(fā)展的需要和芯片產業(yè)的不斷膨脹和升級，對加工精度和質量不斷提出新的要求，也不斷促進了機械加工行業(yè)的發(fā)展。而磨學加工目前還是保證高精度主要方法，在磨床的需求量上也是不斷增加，在機床中所在的比例也越來越大。據歐洲機床展覽會（EMO）的調查表明：25%的企業(yè)認為磨削是他們應用的最主要的加工技術，車削只占23%，轉削占22%，其它的占8%；而磨床在企業(yè)中占機床的比例高達42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%1。而在這一大批的磨床中仍有不少是低端產品，很難適應機械行業(yè)快速發(fā)展的需求。尤其是在國內，這種情況就是更我嚴重，并且大多數磨床并沒有實現數控化。加上我國汽車行業(yè)不斷升溫，芯片行業(yè)也開始成長，此外，為了提高產品的性能，一些新材料也涌現出來，難加工的脆硬材料也開始增多，以及一些磨削研究的需要。這一系列的情況都要求我國研究適合國情的高精度磨床1,2。國內外都采用超精密磨削，精密修整，微細磨料磨具進行亞微米級以下切深磨削的研究，以求得到亞微米級的尺寸精度。日本見面磨削時代使用的砂輪粒度為40008000，其微粒的平均尺寸為1.54，加工后工件表面粗糙度可達到0.0010.003，日本開發(fā)了電解在線修整（ELID）超精密境面磨削技術，使得用超細微超硬磨料制造砂輪成為可能，可實現硬脆材料的高精度，高效率超精密磨削。做平面研磨運動的雙端面精密磨削技術，其加工精度，切除率都比研磨高得多，且可獲得很高的平面度。電泳磨削技術也是一種新的超精密級納米磨削技術。它是在機床無切深進給條件下，利用吸附在磨粒層本身厚度的增加來實現微量進給。在普通機床上應用該技術，不僅可以有效地降低工件表面粗糙度，同時還可以實現微米級的磨削精度。超精密加工技術已在諸如航空、航天、計算機、電子、能源等領域得到了廣泛應用。超精密磨學技術是其一個重要鑄成部分。目前世界上最先進的超精密磨床當屬由Cranfield大學精密工程所(CUPE)研制的QAGM2500，此設備可用于加工大型天文望遠鏡等大型超精密零件。我國對于超精密磨削技術的研究剛剛起步，其中一個重要原因就是缺乏超精密磨削設備，所以研制超精密磨削設備，特別是大型超精密磨削設備已成為當務之急3-5。1.2 國內外研究現狀1.2.1 世界磨床發(fā)展不久前舉行的美國芝加哥國際制造技術展覽會(IMTS)上，我們了解到目前平面磨床的發(fā)展趨勢和世界機床技術的一些特點。 平面磨床發(fā)展趨勢 據不完全統計，本屆展覽會有20多家平磨專業(yè)生產廠以平磨實物形式參展，包括了歐、美、日及我國的主要平磨制造廠，有60多臺平磨，主要特點是： 從規(guī)格上看，以小型平磨為主，在全部平磨展品中，臺面寬200mm以下的幾乎占50%，小規(guī)格機床的運輸及布展比較方便；國外平磨不分普通、精密、高精度的精度等級，相對小規(guī)格機床，精度容易做得很高；在國際市場上，中、小規(guī)格平磨的潛在需求很大。 從控制上看，70%以上的平磨展品為數控型，有單軸、雙軸及三軸數控，最多達五軸控制，尤其是400以上的大規(guī)格機型，全為數控型。由于技術水平的發(fā)展導致功能變化，平磨已從傳統的平面磨向成形磨轉變，常規(guī)控制已難以實現功能的要求。數控平磨已形成一個市場潮流。 從功能上看，50%以上的平磨不僅僅用于水平平面加工，而且轉向成形、臺階、切入、快速抖動、三維空間曲線等表面磨削加工，如ELB、BLM公司以平磨為基礎變化而成的五軸聯動磨削中心，可實現非平面型復雜曲面的磨削；Unison、Trutech公司的柔性磨削系統，可實現成形、無心、外圓、工具、輪廓等磨削工藝；還有裕福、Parker公司等的快速抖動磨等，反映出平磨是磨床類機床中演變潛力最大的一種機型。 發(fā)展呈現四大變化作為國際制造技術展覽會，金切機床歷來都是最大的展點，IMTS亦不例外。加工中心、車削中心、磨削中心、數控車、數控銑、數控鏜等金切機床，構成了龐大的展品群，這些由傳統的切削原理結合現代設計理念和先進的控制技術相融合而成的金切機床，代表了世界機床的發(fā)展方向和趨勢。 高速、復合、高精度、高剛性仍是金切機床的發(fā)展主調，但又有新的變化。復合，已從原來的為復合而復合轉為從實用高效考慮為主，如車、銑復合，車、銑、鉆的復合，銑床和電火花的復合；從功能上看，復合型機床的針對性很強，針對某類零件考慮；從精度上看，定位精度2m，重復定位精度1m的機床已比比皆是；從主軸轉速來看，8.2kW主軸達60000r/min，13kW達42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現可加工60HRC硬度材料的加工中心。 模塊化的設計在機床制造中已應用得爐火純青。橫向系列、縱向系列、全系列、跨系列的模塊化設計，在展品中體現得淋漓盡致，無論是大隈、牧野等為代表的日本機床，還是Haas、Cincinnati等為代表的美國機床，同樣兩臺展品，外形上看，好象完全一樣，但功能則完全不同，所構成的模塊很多則是通用的。 全自動的概念已發(fā)生變化。傳統的全自動機床是用一只氣動或液動的機械手實現工件的自動上、下料，但展覽上有超過10臺以上的加工中心和車削中心，采用真正意義的多關節(jié)串聯式機器人，來實現工件的上、下料，包括完工零件的堆放?？刂频姆秶哟?，組線的靈活性加強，同時輔助配套的機械大大減少。 環(huán)保要求越來越高。在展出的展品中，絕大部分的機床產品都采用全封閉的罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現象。另一方面，大量的工業(yè)清洗機和切削液處理機系統的展出，亦同時反映現代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求。 根本在于設計創(chuàng)新平磨是磨床類機床中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮臋C床，這是本屆展覽會給筆者帶來的一個全新概念。在完成傳統的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、臺面、磨頭等大件為基礎，可以演變成外圓、曲線、工具、無心等磨床，如k.o.lee公司的C1020N2外圓磨床和B6062PC2工具磨的基礎就是平磨。我國應在完成平磨規(guī)格系列的完善后，跳出傳統的平面磨削的思維轉到曲線或輪廓等非平面磨削加工的思路上去進一步發(fā)展，形成具有我們自己特色的技術和產品。 模塊化設計將是貫穿產品設計全過程的一條主線，無論是機床技術發(fā)展的潮流還是市場競爭的要求；無論是降低成本的需要，還是提高產品質量的需要，都要求我們在今后產品的開發(fā)設計中，切實做好模塊化設計工作。 世界機床工業(yè)的發(fā)展，根本一點是設計創(chuàng)新理念的發(fā)展，美國芝加哥展覽會，是世界上第一臺虛擬軸機床的展示地，本屆展覽會上的大量先進機床展品亦無不昭示著一點：傳統的金屬切削原理，用一種全新的現代設計理念，結合先進的控制技術，正在推動機床技術發(fā)生重大變化。1.2.2 我國磨床行業(yè)現狀為適應市場多變形勢的需求，我國磨床行業(yè)近年來加強了產品結構調整，使老產品不斷更新，并開發(fā)了一批適銷對路的高效、精密、數控磨床及各類專用磨床新產品，使中國磨床市場迅速活躍起來，表現在磨床的產量、銷售量都在迅速增長。同時數控磨床的顯著增長優(yōu)化了磨床的產品結構，在銷售總額中的占有率正快速提高?！熬盼濉逼陂g磨床產量的數控化率為6.5%，產值的數控化率為17.1%，而2001年分別為8.8%和21.3%。 數控磨床正在迅速崛起，在磨床市場所占的份額不斷增長。隨中國經濟建設的發(fā)展，科學技術和國防事業(yè)的發(fā)展，國內外市場對數控磨床及數控磨削成套設備的需求就更加迫切。由於國內及國外的數控系統日趨成熟，使磨床制造企業(yè)可與國際同步選用數控系統，為數控技術在磨床及磨削成套設備上的應用創(chuàng)造了客觀條件。磨床是金屬切削機床中的一個大類，以精度高、品種多著稱，是能源、交通、冶金、航天、軍工等行業(yè)精密加工必備的設備之一。當今平磨的發(fā)展趨勢是轉向成形、臺階、切入、快速抖動、三維空間曲線表面磨削加工?？梢哉f，平磨是磨床類機床中演變潛力最大的一種機型。在完成傳統的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、臺面、磨頭等大件為基礎，可以演變成外圓、曲線、工具、無心等磨床。我國應在完成平磨規(guī)格系列的完善后，跳出傳統的平面磨削的思維轉到曲線或輪廓等非平面磨削加工的思路上去進一步發(fā)展，形成具有我們自己特色的技術和產品。數控機床是現代制造業(yè)的關鍵設備，一個國家數控機床的產量和技術水平在某種程度上就代表這個國家的制造水平和競爭力。我國數控機床的技術水平、性能和質量與國外還有很大差距，高檔數控機床及功能部件大多數依靠進口。我國機床市場現狀是，消費第一、進口第一，高端失守，低端混戰(zhàn)。在磨床的核心部分數控系統，在國內也有一些公司正在研究，也有一些產品問世，雖然在功能和性能上和國際著名廠家的產品有很大的差距，但在一些要求不是很高的機床上也有使用。相信通過我們的努力一定會在這個領域有新的進步，不斷學習，不斷探索，不斷研究，我國的磨床事業(yè)一定會上到一個新的臺階2-6。1.3 課題研究方法本課題主要是通過一系列的設計計算，綜合運用所學知識，最終完滿的完成設計任務，鍛煉自己的能力。為了完成本次設計采用的方法主要是通過所學的知識進行設計、計算以及校核。通過參考有關的書籍，了解磨床的工作原理，以及在設計過程中應當注意的事項，尤其是如何保證設計的磨床有較高的加工精度以及精度保持性。同時綜合各類精密機床中運用的一些較好的機構和設計理念，上網和查閱相關的資料，充分的了解磨床的發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢，尤其是了解一些國內外先進的磨床，這些產品中有許多巧妙的設計可以運用到本次設計中來。除了參考一些資料和書籍外，還通過參觀磨床實物充分的了解磨床各個部分的組成、工作原理和一些細節(jié)，進一步的了解磨床。主要是在汽車工程學院高效磨削與精密制造技術重點實驗室參觀杭州機床廠生產的MGK7120。這臺磨床是國內精度較高的高精度磨床，有不少的參考價值。此外，我們還參觀了常德煙草機械有限責任公司的一臺很先進的磨床，是德國一家著名的磨床生產廠家生產的高精度矩形工作臺平面磨床，其最小的自動進給也能達到1，在設計上采用了不少的巧妙的方法，在本設計中的中央立柱式橫向進給方式就是借鑒了這臺磨床的機構。1.4 論文的構成及研究內容1.4.1 論文的構成1 緒論2 數控平面磨床總體布局設計3 磨頭垂直進給機構設計4 磨床砂輪修整器（杯形砂輪修整器）的設計5 磨床微機數控系統的硬件電路設計6 總結7 致謝8 參考文獻1.4.2 設計研究的內容本課題設計一臺精密數控平面磨床MGK7120，用砂輪周邊磨削平面，也可以磨削臺階平面。用于機械制造業(yè)及工具模具制造行業(yè)，能加工各種難加工材料。設計的主要內容有：1 磨床的總體布局設計；2 磨頭垂直進給機構的設計，伺服電機和滾珠絲杠副設計計算，垂直進給機械機構裝配圖；3 砂輪修整器設計；4 磨床微機數控系統的硬件電路設計；5 翻譯指定的英文專業(yè)文獻；6 撰寫畢業(yè)設計論文（說明書）。設計基本要求：圖紙總工作量折合A0圖紙3張以上，畢業(yè)設計論文字數不少于1.5萬字，參考文獻至少15篇以上1.5 設計的主要技術參數主要參考參數：1. 磨床主要規(guī)格工作臺面尺寸（寬長）：200500（630）2. 加工范圍可磨削最大工件尺寸（寬長高）：200500（630）3603. 工作臺工作臺縱向移動速度（無級）：工作臺橫向自動進給：連續(xù)（無級）：斷續(xù)（無級）：/工作臺一行程4. 磨頭磨頭垂直快速升降速度：400，垂直自動進給：，最小進給量：0.0001mm，砂輪尺寸（外徑寬內徑）2002032，砂輪轉速5. 工作精度磨削表面粗糙度，加工后表面對基面的平行度為300：0.0022 磨床總體布局設計2.1 總體布局方案設計機床總體布局應滿足的要求：1) 保證工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置和相對運動2) 保證機床具有所要求的加工精度相適應的剛度和抗振性3) 便于操作、調整、修理機床；便于輸送、裝卸工件、排除切屑；4) 經濟效果好，節(jié)省材料，減少機床占地面積等5) 造型美觀。7機械制造裝備必須滿足五個方面的一般功能，分別是：1） 加工精度方面的要求；2） 強度、剛度和抗振性方面的要求；3） 加工穩(wěn)定性方面的要求；4） 耐用度方面的要求；5） 技術經濟方面的要求8。由于MGK7120磨床在實際中已經有應用，本次主要是對其進行改進，故在其結構布局形式上不作變化，仍然采用立式。機床的總體布局關系著機床的性能、質量和整機的合理性。因此磨床的總體布局是按照簡單、合理、經濟的原則，以確保機床滿足以上五個一般功能，同時應該注意的問題有，保證機床的剛度、精度和穩(wěn)定性，達到結構簡單、高效率，維修方便、安全可靠。矩形工作臺平面磨床要順利的完成磨削任務，除了砂輪的轉動外，還要完成三個方向的進給運動，即垂直進給，橫向進給和縱向進給。而這三個方向的進給形式也有多種選擇：（1）工作臺完成橫向和縱向的進給，而磨頭則只完成垂直方向的進給；（2）磨頭完成橫向和垂直方向的進給，工作臺只完成縱向的進給；（3）工作臺不移動，橫向和縱向的運動都由立柱來完成，垂直方向進給運動由磨頭來完成；（4）縱向運動由工作臺完成，橫向運動由立柱完成，而垂直進給則由磨頭來完成，該運動實現形式又叫中央立柱移動式。這幾種運動實現形式各有各的特點。第一種形式比較傳統，技術比較成熟，并且實現起來比較簡單，設計中不存在太大的技術冒險，并且設計可參考的信息較多，設計周期也較短，能很好的實現市場響應。同時這種形式也存在一些不足之處，比如說這種形式的磨床的整體剛性不是太好，因此，這種形式用與本設計的高精度磨床不是太適合。第二種形式雖然在結構上有了一定的改變，但砂輪和電機的轉動引起的振動會對磨床的精度有一定的影響，也不是很適合本設計的一種運動實現形式。第三種形式雖然提高了磨床的整體剛性和運動的穩(wěn)定性，但這種形式的運動件的質量太大，在這種情況下，不僅對能源是一定的浪費，而且響應的速度會大大降低，這樣得來一定的精度提高的成本太高，在大多數不是特別高的精度場合是不采用的。而第四種形式則有效的綜合了第二種和第三種的特點，有很好的剛度和精度。除此之外，這種運動形式使運動范圍限定在較小的空間內完成，有效的減少了占地面積。這一優(yōu)點在現代加工中有著非常大的意義，不但能很好的減少廠房面積，節(jié)約資金，并且有利于機床的布局，對加工物流也是非常重要的。因此，第四種的這種形式有較高的綜合效益，也逐漸在各類磨床中采用，并得到了消費者的認可。通過上面的綜述，對于本設計中這種精度等級的磨床完全可以采用第四種這種進給運動實現方式。由于該設計要求達到較高的精度等級，因此，各個方向的進給的具體實現都是通過滾珠絲杠傳動來實現的。之所以在縱向上放棄傳統的液壓驅動的主要原因是縱向運動在進行較小的進給時會出現爬行現象，這對于磨削的精度有很大的影響。用伺服電機驅動滾珠絲杠替代了液壓驅動后不僅消除了爬行現象，并且去除了液壓系統，使得機構更進一步的簡化，使得磨床更加緊湊，這種運動實現形式的優(yōu)點得到了更好的發(fā)揮。由于橫向和垂直方向的精度要求較高，在這兩個方向的實現形式自然要采用伺服電機驅動滾珠絲杠完成。因為滾珠絲杠不僅加工精度很高，能提高傳動精度，并且滾珠絲杠的一些巧妙設計很好的消除了回程誤差，這對精度的提高也是有很大的意義。所以在一些高精度的機床設計中都采用這種驅動形式，也帶動了這方面的廠家不段出現和提高，能廣泛的提供這方面的產品以適應各種設計，也有不少的配套產品，這對于設計提供了很好的幫助。采用這種形式的驅動在垂直方向的實現上就出現了問題，因為滾珠絲杠不能進行自鎖，這使得垂直方向的定位和精度要求難以得到保證。2.2 設計結果設計結果見圖2.1。圖2.1總體布局圖3 垂直進給機構的設計3.1 磨削力的計算磨削力起源于工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結合劑與工件表面之間的摩擦作用。磨削力可分解為相互垂直的三個力，即沿砂輪切向的切向磨削力，沿砂輪徑向的法向磨削力以及沿砂輪軸向的軸向磨削力。一般磨削中，軸向磨削力較小，通常忽略不計，只考慮砂輪切向的切向摩擦力和砂輪徑向的法向磨削力。由于砂輪磨粒具有較大的負前角，法向磨削力通常大于切向磨削力，所以把/稱為磨削力比。磨削力比不僅與砂輪的銳利程度有關，且隨被磨材料的特性不同而不同，還與磨削方式等有關。而磨削力與砂輪的耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等均有直接關系。圖3.1 磨削力的力學模型要進行合理的結構設計，必須得先了解各個方向最大磨削力的大小。在磨削過程中縱向和垂直方向的磨削力較大，對磨削精度的影響也較大，也是各個零件尺寸和結構設計的基礎。此外，為了合理的選擇伺服電機，首先也得計算出磨削情況下可能的最大磨削力。9,101）磨削普通鋼材（以45#為例）：由一個磨削力的經驗公式得： （3.1）其中：磨削過程中的最大切向磨削力（N）； 垂直進給量（mm）； 縱向進給量（mm/min）； 砂輪轉速（m/s）。 （3.2）由設計的參數要求可知：=0.02 mm，=25 mm/min；由于電機轉速為3000r/min，砂輪尺寸(外徑寬內徑)2002032，因此s不變，=s （3.3）其中：砂輪線速度（m/s）； 電機轉速（r/min）； 砂輪外圓直徑（mm）。（m/s）=s ，即=31.4m/s，所以（N）（N.m）磨削經驗表明法向磨削力跟切向磨削力的大小存在一個比值,的取值范圍為322。其具體值的大小與磨削的材料和砂輪的材料有很大的關系。在磨削普通鋼材時，磨削比Fn/Ft=1.61.8，取Fn/Ft=1.8，則法向磨削力 Fn1.8 Ft1.8104.41187.94(N)2）磨削難加工材料（以Al2O3陶瓷為例）： 對難加工材料的單位磨削力經驗公式建立如下： =216.843ap0.918vw0.617vs-0.448 216.8430.020.918250.61731.4-0.448 =7.82616(N/mm) =405.592ap1.207vw0.509vs-0.826 405.5920.021.207250.50931.4-0.826 =1.0777553(N/mm)由b=20mm得: Fn= =7.82616*20=156.5232(N) Ft= =1.0777553*20=21.555(N)3.2 垂直進給機構布局設計本節(jié)相關參考文獻11-17。3.2.1 進給系統應滿足的要求進給傳動系統用來實現機床的運動和輔助運動，一般由動力源、變速機構、換向機構和執(zhí)行件等組成，而且應滿足以下要求：1. 具有足夠的靜剛度和動剛度；2. 具有良好的快速響應性，做低速進給運動或微量進給時不爬行，靈敏度高；3. 抗振性好，不會因為摩擦自振而引起傳動件的抖動或齒輪傳動的沖擊噪聲；4. 具有足夠寬的調速范圍，調速范圍是磨床要電機能提供的最高轉速和最低轉速之比。磨床在調速范圍內，要能速度均勻、未定、無爬行，在零速度時，即工作臺停止運動時，要求電機有電磁轉矩，以維持定位精度，即處于伺服鎖住狀態(tài)。保證實現所要求的進給量(進給范圍,數列)，以適應不同的加工材料，使用不同的刀具，滿足不同的零件加工要求，能傳動較大的扭矩；5. 進給系統的傳動精度和定位精度要高；6. 結構簡單，加工和裝配工藝性好，調整維修方便，操縱輕便靈活。7. 為了提高進給系統的精度，最好采用傳動間隙消除機構，如滾珠絲杠螺母副。滾珠絲杠螺母副的特點：摩擦系數小，傳動效率高，主要承受軸向載荷，對軸向精度和剛度要求較高；采用雙螺母通過調整軸向位置來產生一定的預緊力；進行預拉伸來提高拉壓剛度和補償絲杠的熱變形。所以本次設計中，垂直進給機構采用交流伺服電機通過聯軸器直接驅動滾珠絲杠，最終通過螺母副完成進給運動。3.2.2 垂直進給機構機構設計在本磨床設計中，垂直進給要求的精度最高，要求最小自動進給達到1。因此在這個方向的附件選擇上都有很高的精度和要求。垂直進給機構在結構上是由伺服電機直接驅動絲杠，帶動滾珠絲杠的螺母上下移動，進而使與螺母固定連接的磨頭做垂直運動，對其精度的控制還外加一個位移的閉環(huán)反饋系統，使精度得到保證。垂直進給機構的總體機構圖如圖3.2所示：圖3.2垂直機構裝配圖3.3 垂直方向滾珠絲杠的設計3.3.1 滾珠絲杠副介紹滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動或其他直線運動副相比，有下列優(yōu)點：（1）摩擦損失小、傳動效率高 滾珠絲桿副的傳動效率高達0.900.96，為傳動滑動絲桿副的2-4倍，能以小的扭矩得到大的推力，亦可由直線運動轉換為旋轉運動（運動可逆）。（2） 運動平穩(wěn) 滾珠絲桿副為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動時無顫動、低速時無爬行，可精密地控制微量進給。（3） 高精度 滾珠絲桿副運動中升溫較小，并可預緊消除軸向間隙和對絲桿進行預拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復定位精度。（4）高耐用性 鋼球滾動接觸處均經硬化（HRc58-63）處理，并經精密磨削，具有較高抗疲勞性，滾動摩擦耗極微，具有較高的使用壽命和精度保持性。（5） 同步性好 由于運動平穩(wěn)、反應靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲桿副同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得較好的同步運動。（6） 高可靠性 與其它傳動機械、液壓傳動相比，滾珠絲桿副故障率較低，維修保養(yǎng)也極其簡單，只需進行一般的潤滑和防塵，在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下進行。（7） 不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉運動轉換為直線運動，或將直線運動轉換為旋轉運動，因此絲杠立式使用時，應增加制動裝置。3.3.2 滾珠絲杠副設計計算1)確定滾珠絲杠導程由前面的設計可知，取=52） 滾珠絲杠副載荷及轉速計算這里的載荷及轉速，是指滾珠絲杠的當量載荷與當量轉速。滾珠絲杠副在、轉速下，各轉速工作時間的百分比%、%、%，所受載荷分別是、。則： （3.1） （3.2）在本設計中，轉動的大部時間是快速進給，則，且在本設計中垂直運動時主要是所帶的載荷為磨頭及其一起運動的部件總的重量2000確定預期額定動載荷按滾珠絲杠副預期工作時間（小時）計算： （3.3）式中：預期工作時間（小時），查表得h；精度系數，由表查得；可靠性系數，查表得=0.44； 負荷系數，查表得；代入式（4.3）=9821.3934(N)3）按精度要求確定允許的滾珠絲杠最小螺紋底徑滾珠絲杠的安裝方式為兩端固定， （3.4）式中：導軌靜摩擦力（N），在本設計中為磨頭及相關部件的重量N； 滾珠絲杠兩軸承支點間距離（）； 行程+安全行程+余程+螺母長度一半+支承長度的一半+磨頭支架高度 行程+（24）Ph+4Ph+(46)Ph+(1/201/10)行程 (1.051.1)行程+(1014) Ph (mm)估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量（），取=4；4） 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號根據算出的、及傳動方式，選擇合適的滾珠絲杠，取公稱直徑=25，選擇絲杠型號為FFZD2505-3。5） 確定預緊滾珠絲杠副預緊力 當選擇預緊螺母型式的滾珠絲杠副時需確定預緊力，因最大軸向工作載荷能確定。6） 對預拉伸滾珠絲杠行程補償值C和預拉伸力Ft的計算滾珠絲杠的熱變形將導致長度、定位精度變化，根據公式（3.15），熱變形為;ktLu熱膨脹系數(11.8106)；t溫升(一般取24)，取t2.5；Lu有效行程，LuLk+Ln+2La；Ln螺母長度, Ln110mm；La安全行程，La(12)Ph2510mm；LuLk+Ln+2La270+110+210400mm；所以，ktLu11.81062.540011.7mm為了補償熱變形的影響，行程偏差Ck11.7mm由于滾珠絲杠選擇的是兩端固定的安裝方式，可以采用絲杠預拉伸的方法來進一步補償熱變形，根據公式（3.16）預拉伸力為：Ft各變量意義如上所示，則Ft1.952.521.922338.1(N)7） 向額定靜載荷驗算式中： 滾珠絲杠副的基本軸向額定靜載荷（N），查表得kN； 靜態(tài)安全系數，??； 最大軸向載荷（N）所以絲杠額定靜載荷符合要求。8） 確定滾珠絲杠副支承用軸承規(guī)格型號 在精密磨床上通常選用角接觸軸承，并把2個以上的軸承組合起來施加預緊力來使用。本次設計為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，采用正面組合的DF型組合形式。軸承特點：采用特殊設計的尼龍成形保持架，增加了鋼球數，且接觸角為，軸承軸向剛性大，與圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承相比，啟動力矩較小。軸承型號的選擇：軸承內徑需小于絲杠的外徑20mm,所以左端軸承內徑選擇20mm；所以滾珠絲杠選用軸承型號為7004C/DF 其技術參數為 =62500N 軸承校核： 軸承額定動載荷公式： P-最大軸向載荷 -壽命系數 -轉速系數 其中： P=mg=2500N = -可靠性為90%的額定壽命，取20000h則 =將P，的值代入，得 C=可用9） 強度驗算 （3.5）許用應力，取=147；滾珠絲杠螺紋底徑（mm）。所以絲杠強度符合要求。經過上面的設計和驗算，設計的滾珠絲杠符合設計的要求。10） 確定滾珠絲杠副的螺母型號及規(guī)格代號選擇南京工藝裝備制造廠的法蘭直筒組合雙螺母墊片預緊，采用內循環(huán)浮動反向器，規(guī)格型號為：FFZD25053滾珠絲杠的螺紋底徑：d2=21.9 12.2mm滾珠絲杠的額定動載荷：Ca=102008156.3(N)11） 滾珠絲杠副工作圖設計：滾珠絲杠副的螺紋長度 -余程 得=24mm-行程+螺母長度=430+113=543mm=543+224=591mm取滾珠絲杠總長度為800mm圖3.3 滾珠絲杠副零件圖3.4垂直進給驅動伺服電機的選用與校核3.4.1 垂直進給驅動伺服電機的選用在設計垂直進給機構是先預選擇傳動絲杠的導程為5mm。因此，驅動電機的分辨率一定要在10000/r以上。為達到較高的精度，選擇滾珠絲杠作為傳動絲杠，但同時引起了另一個問題：滾珠絲杠副由于傳動效率高，不能自鎖，在用語垂直方位傳動時，如果部件重量沒有平衡，必須防止當傳動停止或電動機斷電后，因部件自重而產生的逆轉動。必須采用防逆轉裝置14。防逆轉轉動可以采用超越離合器或不能逆轉動的驅動電動機。在本設計中，采用后者。通過查閱相關資料，找到了一種很適合本設計的電機。該電機是松下電器制造的一款伺服電機，其型號為：MGMA032C1H9。該電機不僅帶有制動器，并且還自帶編碼器，其絕對量式的分辨率達到17位，遠遠的超過了要求的10000/的分辨率，可以很好的達到精度要求。這樣的話，不僅很好的解決了制動問題，還簡化了設計機構，有著很好的效益。但由于131072不為10000的整數倍，也存在一定的系統誤差相對于1可以忽略。3.4.2 伺服電機的較核電機功率計算:電機功率取剛性聯軸器的傳動效率=0.98 ，軸承效率=0.98 ，滾珠絲杠螺母副的傳動效率為=0.8，則 =0.980.980.8=0.76載荷系數k取 k=2 v=400mm/min=0.0067m/s則=35.2w 3.5 聯軸器選用 計算轉矩： （3.6） 式中：T理論轉矩，N.m; 驅動功率，kW;n工作轉速，r/min; 動力機系數，查表取1.0；工況系數，查表取1.6；啟動系數，查表取1.3；溫度系數，查表取1.2；公稱轉矩，N.m。由電機可知，0.05 kW，n=400r/min,帶入得：= 2.9796 (N.m)故選取聯軸器LT3型，=31.5 N.m圖3.4 聯軸器零件圖3.6滾珠絲杠副設計使用中應注意的問題：1. 為提高滾珠絲杠副的使用壽命和精度，應使作用在螺母上的合力通過絲杠軸心,以保證滾珠受力均勻，避免傾覆力。2. 防逆轉，滾珠絲杠副傳動逆效率高，應考慮在電機停電后，因部件自重而產生的螺旋副的逆?zhèn)鲃?，防止逆轉的方法可采用：停電自鎖電機，蝸輪蝸桿機構，離合器等方式。3. 滾珠絲杠副在行程兩端應有行程保護裝置，以防止越程后滾珠絲杠副受撞擊而影響精度、使用壽命甚至損壞。4. 防止熱變形，熱變形對精度影響螺旋傳動的定位精度有著重要的影響。其熱源不單是螺旋副的摩擦熱，還有其他機械部件工作時產生的熱，致使絲杠熱膨脹而伸長。為此必須分析熱源的各因素，采取控制措施控制熱源，還可以采用預拉伸、強制冷卻等減小熱變形對絲杠伸長的影響。5. 防護與密封，塵埃和雜質等污物進入滾道會防礙滾動體運動流暢，會加速滾動體與滾道的磨損，使?jié)L動螺旋副喪失精度。6. 合理潤滑，減小驅動力矩提高傳動效率。接觸表面的油膜還有吸振，減小傳動噪聲和沖洗絲杠上的粉塵等雜物的作用。3.7 立柱的設計在該設計過程中在橫向進給形式上采用了中腰立柱移動式，因此，立柱的設計也是一個非常重要的一部分。在磨床中由于立柱不需要承受過大的動載荷和拉應力，在材料的選擇上可以考慮鑄鐵。這樣不僅降低了成本，而且鑄鐵有一定的減振功能，這在精密機床上是一個很好的優(yōu)點，能對精度的保證有積極的作用。立柱的厚度取15mm，此外，為了提高其剛度和承載能力，立柱的內壁兩側還要設有加強肋，在縱多的加強肋形式中選擇蜂窩狀的加強肋。這種形式的加強肋承受載荷的能力較強，剛度較好，并且承受力均勻，在高精度的機床中得到廣泛的使用。同時由于在橫向進給上采用了直線導軌，直線導軌的導軌座要隨著立柱一起運動，因此還要設計一個凸緣來安裝導軌座。凸緣可以單獨加工后在固定在立柱上，也可以和立柱作為一個整體。對于第一種方案的好處就是加工容易，但加工后在進行安裝，這樣的話和造成一定的累計誤差，還有就是固定連接的形式沒有作為一個整體的剛性好，這兩個因素都使得磨削精度有所降低。而第二種形式則很好的解決了精度的問題，雖然在加工上難度相對較大一些，但精度的保證在磨床設計中更重要一些。于是采用第二中方案，其機構表示如圖3.5所示：圖3.5立柱零件圖3.8直線導軌的設計與選擇3.8.1 導軌應滿足的要求導軌主要用來支承和引導運動部件沿一定的軌道運動。在導軌副中，運動的一方稱為運動導軌，不運動的一方成為支承導軌。運動導軌相對于支承導軌的運動，通常是直線運動或回轉運動。導軌的作用是導向和承載。導軌應滿足精度高,承載能力大,剛度好,摩擦阻力小,運動平穩(wěn),精度保持性好,壽命長,結構簡單,工藝性好,便于加工,裝配,調整和維修,成本低等要求,下面幾個要求尤為突出：1 導向精度高 導向精度是指機床的運動部件沿導軌移動時的直線和它與有關基面之間的相互位置的準確性。無論在空載或切削工件時導軌都應有足夠的導向精度，這是對導軌的基本要求。影響導軌精度的主要原因除制造精度外，還有導軌的結構形式、裝備質量、導軌及其支承件的剛度和熱變形，對于靜壓導軌還有油膜的剛度等。2 耐磨性好 導軌的耐磨性是指導軌在長期使用過程中保持一定導向精度的能力。因導軌在工作過程中難免磨損，所以應力求減少磨損量，并在磨損后能自動補償或便于調整。數控機床常采用摩擦因數小的滾動導軌和靜壓導軌，以降低導軌磨損。3 足夠的剛度 導軌受力變形會影響部件之間的導向精度和相對位置，因此要求導軌應有足夠的剛度。為減輕或平衡外力的影響，數控機床常采用加大導軌面的尺寸或添加輔助導軌的方法來提高剛度。4 低速運動平穩(wěn)性 要使導軌的摩擦阻力小，運動輕便，當動導軌作低速運動的或微量進給時，應保證運動始終平穩(wěn)，不出現爬行現象。影響低速運動平穩(wěn)性的因素有導軌的結構形式，潤滑情況，導軌摩擦面的靜、動摩擦系數的差值，以及傳動導軌的運動傳動系剛度。5 結構簡單、工藝性好 導軌要求結構簡單，導軌的制造和維修藥方便，在使用時便于調整和維護。3.8.2直線導軌的選擇為了保證垂直運動的平滑和穩(wěn)定，在垂直方向選用一個直線導軌，由于在垂直方向的直線導軌主要是起導向的作用，不用承受太大的載荷，于是選用一個在尺寸上比較協調的直線導軌就可以了。因為，在參考的導軌中尺寸合適的型號，其承載能力都大大超過了導軌的實際需要承載的載荷，因此不需要進行強度和剛度的校核。通過比較，最后選擇了啟尖公司的GGB20AA。4 杯式砂輪修整器的設計4.1砂輪的修整方法和原理磨削時，磨床上相應的機構控制砂輪，使得它與工件表面接觸，逐漸切除工件與砂輪相互干涉的部分，形成被切削面。因此砂輪工作表面的磨粒將會逐漸磨鈍，砂輪磨鈍后磨削力增大。砂輪的磨鈍也會使砂輪工作表面喪失正確的幾何形狀，使加工精度降低，因此，為了使砂輪在使用中能保持正確的形狀和銳利性，就需要定期對砂輪進行修整。砂輪修整實質上就是對砂輪進行整形和修銳。對于普通磨料砂輪來說，整形和修銳可以同時進行。而對于超硬磨料砂輪，尤其是結合劑密實型的超硬磨料砂輪，砂輪修整通常分為整形和修銳兩個工序。整形是對砂輪進行微量切削，使砂輪達到所要求的集合形狀精度，并使磨粒尖端微細破碎，形成鋒利磨刃。修銳是去除磨粒間的結合劑，使磨粒突出結合劑外，形成切削刃，并形成容屑空間。對于陶瓷結合劑超硬磨料砂輪，整形和修銳可在一個整形工序中完成；對于樹脂結合劑或金屬結合劑超硬磨料砂輪，則必須把整形和修銳分為兩個工序進行10。本次設計中的磨床加工過程中采用的就是超硬磨料砂輪。4.2 GC杯形砂輪修整的結構特點與修整原理 金剛石滾輪修整器的修整滾輪安裝在修整軸的一端，另一端用聯軸器與小型伺服電機連接，來帶動金剛石滾輪旋轉。修整時，修整器固定在工作臺上。保持GC杯形輪旋轉軸與工作臺垂直。該回轉軸與工作臺的垂直度可以通過修整器上的3對調節(jié)螺釘來校正。GC杯形砂輪修整器是修整超硬磨料砂輪的修整原理，主要是修整過程中從杯形砂輪上脫落下來的磨粒和結合劑橋的沖擊以及研磨作用從而產生修銳效果。杯形砂輪脫落的磨粒越大，修整效率越高，但金剛石砂輪表面越粗糙。由于這種依靠從GC杯形砂輪上脫落磨料與金剛石砂輪的研磨的作用，因此使用它對密實性金剛石砂輪進行修整時，不僅可以修整，而且也同時進行修銳9-10,17。 4.3 GC杯形砂輪修整切入式的修銳效果GC杯形砂輪修整器密實性金屬結合劑金剛石砂輪的修銳效果，主要的衡定指標是修整砂輪的磨粒突起高度。修整切深量，修整條件，砂輪速度，磨粒深度，切削力，切削刃密度，砂輪表面粗糙度等均對磨粒突起高度有重要影響。4.4 主軸功率的計算（1）為了使磨削表面粗糙度值較小，又保證砂輪耐用度，選取修整速比=+0.2 ，修整進給量=0.003mm/r 砂輪轉速為3000r/min，線速度為31.4m/s，則滾輪的線速度定為9.42m/s，而滾輪的外徑一般為砂輪外徑的1/3左右，由上面的計算知道砂輪的外徑為200mm，取滾輪外徑為70mm，則=2571r/min。 取=2500 r/min，則滾輪外徑為72mm。（2）根據平面磨床磨削力公式： F =28282 上式中， F為平面磨削力，為磨削深度，為滾輪速度， 為工件速度，各個指數均為經驗所得。取=0.003mm，=9.42m/s，=18m/min 代入式得 F=24N則主軸的功率為= F=226 w取電機轉速=2500r/min由傳動裝置總比為i=/=2500/2500=1取普通V帶傳動,傳動比=1，輸出功率為=250W，=25X0.97=242.5W。4.5傳動機構設計相關參考文獻16，18由上知，選取帶傳動，傳動比=14.5.1 帶的設計計算1 確定計算功率 計算功率是根據傳遞的功率P，考慮到載荷性質和每天運轉時間長短等因素的影響而確定的。即式中：計算功率，單位為kW；傳遞的額定功率（例如電動機的額定功率），單位為kW； 工作情況系數，此處取1.0。2選擇帶型 根據計算功率和小帶輪的轉速，可選，d普通V帶A型3 確定帶輪的基準直徑和1）初選小帶輪的基準直徑根據V帶截型，參考相關資料，選取。mm2）驗算帶的速度v根據 計算得：5m/s=2530m/s所以符合要求3）計算從動輪的基準直徑，并按V帶輪的基準直徑系列加以適當調整。取=80mm4 確定中心距和帶的基準長度取=160mm，則=571選擇=600mm=174.55 驗算主動輪上的包角符合要求6 確定帶的根數z式中：考慮包角不同時的影響系數，簡稱包角系數，取1；考慮帶的長度不同時的影響系數，簡稱長度系數，取0.89；單根V帶的基本額定功率，取0.25kW;計入傳動比的影響時，單根V帶額定功率的增量,取0.00； 故取z=2。7 確定帶的預緊力式中各符號的意義和單位同前8 計算帶傳動作用在軸上的力（簡稱壓軸力）式中：帶的根數；單根帶的預緊力;主動輪上的包角。4.5.2 V帶輪設計1) V帶輪設計的要求 設計V帶輪應滿足的要求有：質量??；結構工藝性好；無過大的鑄造內應力；質量分布均勻，轉速高是要經過動平衡；輪槽工作面要精密加工（表面粗糙讀一般應為3.2），以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等。2) 帶輪的材料 帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用的牌號為HT150或HT200；轉速較高時宜采用鑄鋼（或用鋼板沖壓后焊接而成）；小功率時可用鑄鋁或塑料。3) 結構尺寸 鑄鐵制V帶輪的典型結構有以下幾種形式：實心式；腹板式；孔板式；橢圓輪輻式。帶輪基準直徑（為軸的直徑，單位為mm）時，可采用腹板式。在本次設計中，所以，可采用腹板式結構。帶輪的結構設計，主要是根據帶輪的基準直徑選擇結構型式；根據帶的截型確定輪槽尺寸；帶輪的其他結構尺寸可參照參考文獻18中圖8-12所列經驗公式計算。確定了帶輪的各部分尺寸后，即可繪制出零件圖，并按工藝要求標注出相的技術條件等。圖4.1 V帶輪零件圖4.6 砂輪電機的選擇根據主軸功率，查表選擇電動機的型號：YDT250型號異步電動機，參數如下：電壓：380V 頻率：50Hz 轉速：2850r/min額定電流：6A 額定功率250w4.7 GC杯形砂輪修整器結構設計圖4.2 杯形砂輪修整器5 磨床微機數控系統的硬件電路設計5.1 數控系統的概述相關參考文獻19-20。在數控機床上，數控系統的設計有著相當重要的地位。在該設計中，由于精度要求高、響應快、穩(wěn)定性好。因此，用單片機來自己開發(fā)一個數控系統來控制該磨床的運行是極不現實的，不單單是精度和穩(wěn)定性達不到要求，就是其復雜程度也是不可能在短期內能夠完成的。所以選用一款合適的數控系統才是可取的。這樣不但簡化了設計，而且還有很好的經濟效益，因為自己開發(fā)一個系統的費用絕不亞于購買一款功能和性能相當的產品。此外，選購專業(yè)商家的產品，還能提供很好的界面和售后服務，在機床的服役期間能有很好的技術維修保障，況且好的數控產品的無故障工作時間都較長，可以免除了不少工作中的后顧之憂。因此選購成熟的數控產品是本數控設計的較好選擇。5.2 數控系統的選擇作為高精度數控磨床的數控系統，一定得是一個高端的產品。能提供這類產品的商家主要有兩家公司：一家是德國的SIEMENS，另一家是日本的FANUC。我選擇的是德國SIEMENS的一款產品。本設計磨床需要控制的主要是三個方向的進給和主軸的轉速。通過一系列的比較，最后選用了該公司的SINUMERIK 802D BASE LINE，是在SINUMERIK 802D基礎上發(fā)展的產品。這款數控系統可以控制3個伺服電機進給軸和一個伺服主軸或變頻主軸，很適合本次設計要求。連接SIMODRIVE 611U 或 SIM