基于笛卡爾坐標(biāo)系數(shù)控磨齒機(jī)砂輪修整裝置設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文報(bào)告

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)基于笛卡爾坐標(biāo)系數(shù)控磨齒機(jī)砂輪修整裝置設(shè)計(jì)摘 要數(shù)控磨齒機(jī)的砂輪修整是目前磨削加工的重要研究課題。本文介紹了一種新型的砂輪修整器，它包含端面修整器和圓弧修整器二個(gè)部分，從而能夠?qū)崿F(xiàn)端面修整和圓弧修整。砂輪修整器上裝有自鎖裝置，從而能夠保證砂輪修整的精度。其中工作臺(tái)采用滾珠絲杠進(jìn)給,減少砂輪修整器的裝配誤差。修整器的進(jìn)給采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，端面修整器和圓弧修整器的擺動(dòng)角度有液壓缸控制，機(jī)床采用模塊化設(shè)計(jì)，全封閉護(hù)罩，工作拖板和修整拖板均采用超精密加工的十字交叉滾子導(dǎo)軌，精度高、穩(wěn)定性好。因此，砂輪修整能夠得到較高的修整精度，較好的表面質(zhì)量。關(guān)鍵詞： 砂輪、磨削、修整器、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)THE

2、DESIGN OF THE NUMERICAL CONTROL BEARING GRINDER WHEEL DRESSERABSTRACTThe numerical control bearing grinder wheel dresser is rubs truncates the processing the important research topic at present. This article introduced a new type of grinding wheel dresser. It contains two parts that is the end surfa

3、ce finisher and the circular arc finisher, Thus can realize the end surface repair and the circular arc repair. On the grinding wheel finisher is loaded with the self-locking installment, thus can pledge the grinding wheel repairs and maintains precision. The finisher uses the differential motion gu

4、ide screw to enter gives, reduces the grinding wheel finisher the installation error. The finisher entering for uses step machine enters for the actuation, the end surface finisher and the circular arc finisher swings the angle to have the hydraulic cylinder control, The engine bed uses the modular

5、design, entire seal, works plank and repairs plank uses the ultra precise processing the cross overlapping roller guide rail, the high precision, the stability is good. Therefore, the grinding wheel repairs can obtain high repair precision, better surface quality.KEY WORDSwheel,grinding, finishing,c

6、onfiguration design第一章 緒論1.1數(shù)控磨齒機(jī)的應(yīng)用近十幾年來(lái)，借助CNC技術(shù)，磨齒機(jī)上砂輪的連續(xù)修整，自動(dòng)補(bǔ)償，自動(dòng)交換砂輪，多工作臺(tái)，自動(dòng)傳送和裝夾工件等操作功能得以實(shí)現(xiàn)，數(shù)控技術(shù)在平面磨齒機(jī)上逐步普及。制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)已從早期降低勞動(dòng)力成本、產(chǎn)品成本，提高企業(yè)整體效率和質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)，發(fā)展到全面滿足顧客要求、積極開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，將面臨知識(shí)-技術(shù)-產(chǎn)品的更新周期越來(lái)越短，產(chǎn)品批量越來(lái)越小，而對(duì)質(zhì)量、性能的要求更高，同時(shí)社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)、綠色制造的意識(shí)不斷加強(qiáng)。因此敏捷先進(jìn)的制造技術(shù)將成為企業(yè)贏得競(jìng)爭(zhēng)和生存、發(fā)展的主要手段。計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和制造自動(dòng)化技術(shù)的結(jié)合越來(lái)越緊密，作為自動(dòng)

7、化柔性生產(chǎn)重要基礎(chǔ)的數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)機(jī)床中所占比例將越來(lái)越多。平面磨齒機(jī)相對(duì)于車(chē)床、銑床等采用數(shù)控系統(tǒng)較晚，因?yàn)樗鼘?duì)數(shù)控系統(tǒng)的特殊要求。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，中、小批量零件的生產(chǎn)占產(chǎn)品數(shù)量的比例越來(lái)越高，零件的復(fù)雜性和精度要求迅速提高，傳統(tǒng)的普通機(jī)床已經(jīng)越來(lái)越難以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，而數(shù)控機(jī)床具有高精度、高效率、一機(jī)多用，可以完成復(fù)雜型面加工的特點(diǎn)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展并廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控裝置的主要功能幾乎全由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，硬件幾乎能通用，從而使其更具加工柔性，功能更加強(qiáng)大。我國(guó)從80年代開(kāi)始生產(chǎn)數(shù)控平面磨齒機(jī)，隨著數(shù)控系統(tǒng)性能與可靠性的提高，價(jià)格更趨合理，使數(shù)控磨齒機(jī)與普通磨齒機(jī)的比價(jià)

8、為廣大用戶(hù)所接受，同時(shí)隨著先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)在生產(chǎn)中的要求提高，數(shù)控磨齒機(jī)的使用也將越來(lái)越廣泛。數(shù)控平磨及其它磨齒機(jī)將向加工柔性更好的高檔磨削加工中心和更加高效的專(zhuān)用數(shù)控磨齒機(jī)方向發(fā)展。我們相信伴隨著計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)革命的深入，數(shù)控磨齒機(jī)在其智能化、系統(tǒng)信息控制等方面，將會(huì)有很大的進(jìn)步。1.2砂輪磨削的發(fā)展現(xiàn)狀人們一直對(duì)于提高磨削的砂輪速度所帶來(lái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益給予了充分的注意和重視。但是在高速磨削過(guò)程中，工件受熱變形和表面燒傷等均限制了砂輪速度的進(jìn)一步提高，砂輪強(qiáng)度和機(jī)床制造等關(guān)鍵技術(shù)也使得高速磨削技術(shù)在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)展緩慢。當(dāng)20世紀(jì)90年代以德國(guó)高速磨齒機(jī)FS一126為主導(dǎo)的高速磨削

9、(Highspeed Grinding)技術(shù)取得了突破性進(jìn)展后，人們意識(shí)到一個(gè)全新的磨削時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。高速磨削技術(shù)是磨削工藝本身的革命性躍變，是適應(yīng)現(xiàn)代高科技需要而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興綜合技術(shù)，它集現(xiàn)代機(jī)械、電子、光學(xué)、計(jì)算機(jī)、液壓、計(jì)量及材料等先進(jìn)技術(shù)成就于一體。隨著砂輪速度的提高，目前磨削去除率已猛增到了3000 mm3mms甚至更多，可與車(chē)、銑、刨等切削加工相媲美，尤其近年來(lái)各種新興硬脆材料(如陶瓷、光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、單晶硅等)的廣泛應(yīng)用更推動(dòng)了高速磨削技術(shù)的迅猛發(fā)展。日本先端技術(shù)研究會(huì)把高速加工列為五大現(xiàn)代制造技術(shù)之一。國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRA)將高速磨削技術(shù)確定為面向21世紀(jì)的中心

10、研究方向之一。1.3砂輪修整的作用精密零件的磨削加工中，圓弧形面的磨削尤其是軸承外環(huán)內(nèi)滾道和內(nèi)環(huán)外滾道的磨削是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，而砂輪的修整對(duì)磨削精度起著重要作用。傳統(tǒng)的砂輪修整是通過(guò)砂輪修整筆進(jìn)行手工修整，或者采用成型修整器(如滾輪)進(jìn)行修整。但這兩種方法修整后的砂輪都會(huì)產(chǎn)生圓弧形狀誤差，影響加工后工件的形狀精度。影響砂輪修整精度的原因有兩方面：一是修整器本身的精度；二是操作不當(dāng)。修整可恢復(fù)超硬砂輪的切削刃。在磨削過(guò)程中，砂輪逐漸鈍化。因此，驅(qū)動(dòng)砂輪所需要的力矩增加。如果要保持砂輪的轉(zhuǎn)速，砂輪驅(qū)動(dòng)功率就會(huì)增加，磨削區(qū)產(chǎn)生的熱量也會(huì)增多。隨著砂輪的鈍化和摩擦消耗功率的增大，工件可能發(fā)生燒傷。第二章

11、 砂輪修整的分類(lèi)2.1常規(guī)機(jī)械修整方法離線修整修整砂輪的最初方式是用單刃金剛石車(chē)削砂輪。圖2-1為100多年前使用的實(shí)用修整裝置。目前，單刃金剛石仍在使用，而且可以安裝在機(jī)動(dòng)滑板上，以提高位置控制精度。對(duì)于成形砂輪，為維持砂輪形狀精度，通常采用單點(diǎn)式車(chē)削修整工具。離線修整仍在工業(yè)界使用。盡管手動(dòng)離線修整不準(zhǔn)確，高精度設(shè)計(jì)的離線修整系統(tǒng)仍能產(chǎn)生良好的砂輪修整效果。在線修整意味著每臺(tái)磨齒機(jī)裝備一臺(tái)修整裝置，因此其經(jīng)濟(jì)效益可能低于所有磨齒機(jī)共同使用的高精度離線修整系統(tǒng)。手植金剛石、金屬結(jié)合劑旋轉(zhuǎn)修整工具的效果優(yōu)于單刃金剛石工具，常常用于批量生產(chǎn)磨削的磨齒機(jī)上。顯然，這些工具比較昂貴，往往與比較昂貴的

12、電氣的或液壓的精密定位滑板和主軸組件聯(lián)合使用。對(duì)于成形磨削，成形修整滾輪是修整成形砂輪的一種有效方式。由于旋轉(zhuǎn)修整裝置費(fèi)用高且需要相應(yīng)的位置控制系統(tǒng)，小型機(jī)械車(chē)間一般不予采用。圖2-1 Samann修整裝置2.1.2 連續(xù)修整砂輪的修銳往往意味著必須中斷磨削過(guò)程。這樣中斷不僅降低生產(chǎn)效率，而且由于磨削過(guò)程的專(zhuān)一性導(dǎo)致磨削性能的不一致。所以，加工中修整受到高度重視。連續(xù)修整技術(shù)向來(lái)是研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。連續(xù)修整時(shí)，砂輪通常以預(yù)定修整速度過(guò)修整，以補(bǔ)償工件磨削過(guò)程中可能發(fā)生的砂輪最高磨損速度。連續(xù)修整期間有過(guò)量的材料從砂輪上被去除。因此，十分注意檢測(cè)砂輪表面的磨損速度或狀態(tài)。磨削過(guò)程中采用各種傳感器

13、(其中包括加速度計(jì)和測(cè)力傳感器)來(lái)間接檢測(cè)砂輪表面狀態(tài)。由于磨削過(guò)程和磨齒機(jī)的動(dòng)態(tài)性能影響傳感器性能，獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)本身就很具挑戰(zhàn)性。即使有了數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將間接得到的信號(hào)與砂輪表面磨損聯(lián)系起來(lái)加以分析以滿足較高的精度要求，也并非易事。為了避免砂輪的過(guò)量修整，關(guān)鍵在于檢測(cè)和分析磨削期間獲得的數(shù)據(jù)。另一種工作是檢測(cè)修整工具反復(fù)橫過(guò)砂輪作連續(xù)修整時(shí)的修整力。利用實(shí)測(cè)修整力確定砂輪已得到充分修整的時(shí)間。測(cè)出逐次修整力值之差?；蛘?，通過(guò)計(jì)算逐次修整力變化的差別比率來(lái)確定。在兩種情況下，當(dāng)計(jì)算值小于某一預(yù)定值時(shí)便終止修整。圖2-2 金屬結(jié)合劑砂輪的電腐蝕修整圖2-2所示的電腐蝕修整法可用于連續(xù)修整

14、或在線修整。修整工具提：一種分成兩部分的電極對(duì)，其中的電極有不同的極性，互相絕緣隔開(kāi)，電壓回路由兩電極控制。由于機(jī)械接觸，保持砂輪表面與電極間的間隙不需要精密定位機(jī)構(gòu)和位移傳感器。同時(shí)，在接觸期間電腐蝕去除導(dǎo)電性結(jié)合劑，避免了純機(jī)械磨削修整中的缺點(diǎn)。磨削修整的缺點(diǎn)是：修整工具磨損相當(dāng)大，在砂輪表面上從結(jié)合劑幾乎暴露不出磨粒。由于磨粒間沒(méi)有足夠過(guò)渡空間接收磨削中的切屑，存在下列問(wèn)題：砂輪迅速堵塞，結(jié)合劑與工件間的摩擦相當(dāng)厲害，切削力和切削溫度增加。圖2-3 高速磨削用樹(shù)脂結(jié)合劑超硬磨料砂輪的加工中熱修整圖2-3所示的這種方法適合于修整硬級(jí)高速樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪。在磨削工件的同時(shí)，砂輪面被加熱到200

15、1200華氏溫度的修整元件修整和整形。由于有機(jī)結(jié)合劑砂輪的強(qiáng)度和彈性高于陶瓷結(jié)合劑砂輪，其所能承受的砂輪速度高達(dá)15000rpm而不致爆裂。在修整過(guò)程中，如果增加修整元件的摩擦接觸，樹(shù)脂結(jié)合劑的削弱則足以釋放磨損的磨粒并暴露出新的磨粒。2.1.3 非接觸修整超硬磨料砂輪很難進(jìn)行機(jī)械接觸修整，而且要求操作人員有豐富的經(jīng)驗(yàn)。即使采用CNC磨齒機(jī)中的自動(dòng)修整系統(tǒng)，避免修整速度過(guò)高并按砂輪磨損速度進(jìn)行修整也仍然是一門(mén)藝術(shù)。修整工具本身的磨損總是對(duì)砂輪修整產(chǎn)生影響。對(duì)砂輪修整的工藝參數(shù)以及新途徑作過(guò)大量的研究工作。這些新型修整方法都是建立在結(jié)合劑特性的基上，其中包括微磨粒噴射修整、激光束修整、電火花修整

16、和電化學(xué)修整。微磨粒噴射和激光束修整已經(jīng)應(yīng)用于樹(shù)脂結(jié)合劑超硬砂輪，電火花和電化學(xué)修整則已在金屬結(jié)合劑砂輪上得到應(yīng)用。非接觸修整對(duì)工具沒(méi)有或只有較小的磨損。2.2 特種砂輪修整方法2.2.1 微磨粒噴射修整這種修整是利用高壓氣體以100200ms的速度傳送直徑25微米的磨粒來(lái)實(shí)現(xiàn)的kuriya-gawa，1996。一種方式是將噴射流均勻地噴射到樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪表面，以產(chǎn)生大量直徑1O微米的微凹。另一種方式是在砂輪表面上切割圖案(例如微槽)。兩種加工中修整法均被證明是富有成效的。超硬磨料砂輪也可以用氧化鋁顆粒噴打。2.2.2 激光束修整這種修整是利用YAG脈沖激光在樹(shù)脂結(jié)合劑CBN砂輪上實(shí)現(xiàn)的Nak

17、ajima，1995。如果能夠準(zhǔn)確地控制激光修整參數(shù)，砂輪表面的修整深度和修整模式均易控制。修整時(shí)間的長(zhǎng)短取決于激光束的掃描速度和能量密度。根據(jù)輸人熱的大小，結(jié)合劑可能蒸發(fā)、分離、飛濺和削弱。同時(shí)，CBN顆粒也可能在修整中受到一定的影響。電火花修整(EDM)這種修整法已廣泛用來(lái)修整金屬結(jié)合劑砂輪以及導(dǎo)電性樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪?？捎脕?lái)精密修整成形砂輪，而且可通過(guò)自動(dòng)修整作業(yè)來(lái)完成。由于不會(huì)發(fā)生機(jī)械力，薄砂輪和小砂輪均宜采用EDM修整。修整過(guò)程中采用水基磨削液。砂輪輪廓靠成形石墨電極來(lái)生成。砂輪輪廓的生成一般可在15分鐘內(nèi)完成Uematsu，1997。為了配合干磨法，過(guò)去也研究過(guò)無(wú)液EDM修整。2.2.

18、4 電解連續(xù)修整(ELID)電解修整由Norton公司發(fā)明于60年代，在常規(guī)電解磨削中改變砂輪和工件問(wèn)的電位即可實(shí)現(xiàn)。近20年來(lái)，由于日本研究人員在促進(jìn)鏡面精密磨削過(guò)程作了大量的研究工作，其廣泛應(yīng)用已成為現(xiàn)實(shí)。ELID法是建立在圖2-4所示的導(dǎo)電性砂輪的基礎(chǔ)上。在磨削過(guò)程中，金屬結(jié)合劑由砂輪表面和電極間的電解過(guò)程所去除。作為修整區(qū)的間隙被供以導(dǎo)電性電解液。圖2-4 電解加工中修整ELID系統(tǒng)由用作陽(yáng)極的導(dǎo)電性鑄鐵纖維結(jié)合劑(CIFB)砂輪、銅或石墨電極和電源裝置所組成。當(dāng)砂輪受到堿性電解液(也用作冷卻液)中弱直流脈沖電流作用時(shí)，砂輪表面的銹蝕得到促進(jìn)。高強(qiáng)度鑄鐵結(jié)合劑會(huì)變成相當(dāng)軟的氧化鐵，并形

19、成導(dǎo)電性不良的所謂ELID層。隨著該層在砂輪表面的形成，電流變小，因此鑄鐵結(jié)合劑的電解將被抑制在最低限度。隨著磨削的進(jìn)行，該層受到被磨材料切屑的作用，使其變薄。然后ELID電流恢復(fù)，隨后的電流增加再次腐蝕鑄鐵結(jié)合劑，將其變成氧化鐵層，并留下新凸出的金剛石顆粒。該過(guò)程在整個(gè)ELID磨削期間持續(xù)進(jìn)行下去，不論顆粒尺寸如何。與常規(guī)樹(shù)脂結(jié)合劑或陶瓷結(jié)合劑砂輪相比，CIFB砂輪的剛性和強(qiáng)度高得多，因此其變形也小得多，可以實(shí)現(xiàn)納米精密磨削。由于ELID磨削可長(zhǎng)期保持一致性，且配置方便，因此可提高生產(chǎn)效率，非常適合于自動(dòng)作業(yè)。但是，必須注意保持砂輪表面與電極表面間的間隙尺寸。應(yīng)配備砂輪直徑變化檢測(cè)傳感器和間

20、隙尺寸補(bǔ)償精密定位機(jī)構(gòu)，以閉合控制回路?，F(xiàn)在也出現(xiàn)了一些替代設(shè)計(jì)方案，如圖2-5所示。對(duì)于小直徑砂輪，在ELID磨削中隨著砂輪直徑周?chē)p而減小，間隙尺寸在電極上的變化增大。變化的增大影響修整系統(tǒng)的性能。因此，建議采用分段電極，分別由單獨(dú)的間隙補(bǔ)償機(jī)構(gòu)加以控制。圖2-5 現(xiàn)有ELID系統(tǒng)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)2.2.5 高速電解連續(xù)修整(HELID)為了提高材料切除率，一般最好是提高砂輪速度。但是，砂輪速度高不便修整，因此高速磨削的應(yīng)用受到限制。盡管多年來(lái)作了大量的研究工作，高速砂輪修整的非一致性與效率低下，仍然是工業(yè)界的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。高速砂輪到了要修整的時(shí)間，如不讓其停止，就必須放慢磨齒機(jī)的速度。為了

21、實(shí)現(xiàn)HELID，砂輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)保持修整區(qū)內(nèi)有足夠的電解液。這也意味著砂輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣孔或氣泡必須受到抑制。提高砂輪速度時(shí)，砂輪周?chē)目諝饪赡荛_(kāi)始進(jìn)入間隙，氣孔可能開(kāi)始在凸出部后面形成。由于間隙橫向電解液不足，氣孔也可能在間隙內(nèi)形成。結(jié)果，砂輪速度越高，修整區(qū)內(nèi)導(dǎo)電性就越低。HELID系統(tǒng)配有專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的柔性動(dòng)壓電極，在砂輪表面速度100ms下，超硬磨料砂輪可得到有效地修整，修整速度大約是常規(guī)ELID系統(tǒng)的3倍。修整間隙是自動(dòng)調(diào)節(jié)的，不需要配備傳感器和精密定位裝置的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。砂輪一旦旋轉(zhuǎn)，修整間隙便自動(dòng)形成，最初不用設(shè)定。2.3砂輪修整的新方法2.3.1 砂輪修整器的工作原理目前普遍使用的數(shù)控花

22、鍵軸修整器是兩軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控修整器，它可以通過(guò)數(shù)控編程來(lái)修整砂輪呈漸開(kāi)線形、三角形、直齒花鍵等各種形狀。但這種修整器是采用金剛石滾輪來(lái)進(jìn)行修整的，滾輪對(duì)砂輪進(jìn)行修整那部分的工作半徑不能太小，因此對(duì)砂輪的修整形狀也有所限制，如把砂輪修整成內(nèi)凹或比較尖銳的形狀就不能實(shí)現(xiàn)。對(duì)砂輪修整來(lái)說(shuō)，雙圓弧砂輪修整時(shí)由四個(gè)運(yùn)動(dòng)組成：砂輪的旋轉(zhuǎn)、金剛筆的擺動(dòng)，偏心距移動(dòng)以及修整的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。利用數(shù)控磨床Z坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)修整時(shí)砂輪的上、下偏心距的調(diào)整，既易于保證偏心距e的精度，又簡(jiǎn)化了修整裝置的結(jié)構(gòu)。當(dāng)砂輪修整時(shí)，首先金剛筆在Z向?qū)Φ叮瑢?duì)砂輪來(lái)說(shuō)，在垂直方向的最佳對(duì)刀點(diǎn)在砂輪的中心平面(Z=O)上。此時(shí)保持砂輪修整器金剛石

23、修整筆的回轉(zhuǎn)中心在Z軸方向固定不動(dòng)，而將砂輪中心沿Z軸方向往上移動(dòng)一個(gè)距離e到Q1處，此時(shí)，相當(dāng)于金剛筆的回轉(zhuǎn)中心在Q2處，當(dāng)金剛筆由上向下擺動(dòng)時(shí)，修整砂輪的圓弧AD：同理，將砂輪中心沿Z軸方向往下移動(dòng)一個(gè)距離e到Q2處，此時(shí)，相當(dāng)于金剛筆的回轉(zhuǎn)中心在Q1處，金剛筆由下向上擺動(dòng)修整砂輪的圓弧DC。，這樣在砂輪的法向截面就形成了由AD和DC的雙圓弧廓形。如圖26所示圖2-6 砂輪修整器原理簡(jiǎn)圖砂輪修整進(jìn)給涼由另一方向修整器Y軸伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。2.3.2 砂輪修整器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)新型砂輪修整器相對(duì)于兩軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控成型修整技術(shù)，多了一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，即能繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此修整器的金剛筆實(shí)際上能相對(duì)砂輪表面作2個(gè)移動(dòng)軸

24、加1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的三軸聯(lián)動(dòng)，使修整筆的軸線與修整點(diǎn)處砂輪截面曲線的法線盡量平行，保證修整工具與砂輪不發(fā)生干涉，如圖2-7所示。因?yàn)樾拚ぞ哂幸欢ǖ暮穸?，所以采用球頭刀具時(shí)，修整工具的軸線和砂輪截面曲線法線的夾角應(yīng)在045度之間，可以防止發(fā)生干涉。該修整器若采用尖端具有過(guò)渡圓弧的金剛石修整器，將金剛石修整器的擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)：中心設(shè)置在過(guò)渡圓弧圓心(幾何中心)，將砂輪修整過(guò)程中的金剛石修整器的擺動(dòng)與兩軸移動(dòng)分離，可簡(jiǎn)化成型砂輪修整的數(shù)控編程，避免復(fù)雜的數(shù)字控制和軟件計(jì)算分析，同時(shí)也降低了修整器的成本。圖2-7 修整筆軸線與砂輪截面曲線的法線2.3.3 砂輪修整器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 如圖2-8所示是新型砂輪修整器的

25、結(jié)構(gòu)示意圖。砂輪修整器由修整工具即金剛筆、修整筆支架、U軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、U軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)支座、Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)支座、X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)支座即整個(gè)修整器支架構(gòu)成，修整器支架安裝在砂輪架體殼上，因此整個(gè)修整器的參考基點(diǎn)位置相對(duì)于砂輪是固定的。對(duì)砂輪進(jìn)行修整時(shí)，X軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)支座沿X軸做直線移動(dòng)，并由X軸的光柵尺進(jìn)行測(cè)量；在此基礎(chǔ)上Z軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)U軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)支座沿Z軸做直線移動(dòng)，也由Z軸的光柵尺進(jìn)行測(cè)量；然后U軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)U軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)修整筆支架沿U軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。X軸和Z軸的聯(lián)動(dòng)使得金剛筆可以在XZ平面內(nèi)做平移運(yùn)動(dòng)；而加上U軸的聯(lián)動(dòng)

26、，可以使金剛筆在XZ平面內(nèi)做繞U軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。至此金剛筆在XZ平面內(nèi)沒(méi)有約束，具有三個(gè)自由度。圖2-8砂輪修整器結(jié)構(gòu)示意圖2.3.4 砂輪修整的展望砂輪修整的關(guān)鍵在于得到較高的修整精度，較好的表面質(zhì)量。修整精度的高低決定磨削工件的尺寸精度和表面質(zhì)量；較好的表面質(zhì)量能保證對(duì)磨粒有較強(qiáng)的把持力，磨削時(shí)有足夠的容屑空間。然而金屬基金剛石砂輪在使用之初和磨損之后很難修整，若要達(dá)到精密、超精密磨削所需修整精度，則面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新的修整工具、修整技術(shù)的發(fā)展趨于高精、高效及自動(dòng)化，賦予了金屬基金剛石砂輪修整技術(shù)研究者新的使命：1開(kāi)展實(shí)用的、低成本、高效率的修整技術(shù)研究。當(dāng)前的金屬基金剛石砂輪修整法或多或

27、少地都存在著修整成本高、效率低、修整時(shí)間長(zhǎng)、裝置復(fù)雜、操作不易掌握等局限性，所以開(kāi)發(fā)低成本、高效率、適應(yīng)性廣、工業(yè)化應(yīng)用程度高的金屬基金剛石砂輪的修整技術(shù)已成當(dāng)務(wù)之急。2開(kāi)發(fā)修整的檢測(cè)、監(jiān)控技術(shù)。利用砂輪的聲發(fā)射超聲信號(hào)技術(shù)來(lái)判斷砂輪的工況，掃描探針顯微鏡對(duì)修整后的形貌進(jìn)行分析，對(duì)修整質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)修整過(guò)程進(jìn)行控制，開(kāi)發(fā)檢測(cè)、處理、質(zhì)量評(píng)價(jià)、控制一體化的修整系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)金屬基金剛石砂輪磨削的智能化修整。3開(kāi)展各種成形砂輪的修整技術(shù)的研究。隨著各種高性能硬脆材料在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，各種復(fù)雜型面零件的加工越來(lái)越多，然而這些零件在工程應(yīng)用中常常需具有一定的曲面形狀要求，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的陶瓷

28、搖臂、光學(xué)儀器中的曲面鏡、球面鏡、電子工業(yè)中的磁頭等。這對(duì)成形砂輪修整提出了更高的要求，因而深入研究各種精密修整技術(shù)，開(kāi)發(fā)成形砂輪的修整技術(shù)也是金屬基金剛石砂輪修整的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。第三章 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)3.1 步進(jìn)電機(jī)的性能及選用3.1.1 步進(jìn)電機(jī)的性能步進(jìn)電機(jī)一是種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的控制微電機(jī)，在現(xiàn)代工業(yè)控制及機(jī)加工等領(lǐng)域，自控系統(tǒng)對(duì)快、穩(wěn)、準(zhǔn)等三大性能指標(biāo)的要求在不斷地提高。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累

29、積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。這些系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中常需要進(jìn)行準(zhǔn)確定位和微量進(jìn)給，而要達(dá)到這一目的，通?？梢圆捎貌竭M(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)作為系統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源。從自動(dòng)控制原理的角度來(lái)分析，伺服電機(jī)要求設(shè)備本身必須采用閉環(huán)控制技術(shù)，且要采用精密的傳感器件作為反饋信號(hào)的檢測(cè)變換環(huán)節(jié)，只有這樣才能保證控制精度;而步進(jìn)電機(jī)只需采用最簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制就可取得非常高的控制精度，且這種系統(tǒng)不需要反饋信號(hào)，系統(tǒng)硬件實(shí)施比較簡(jiǎn)單，所以在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)在某些方面比伺服電機(jī)應(yīng)用更為廣泛。另外，步進(jìn)電機(jī)還具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì): (1)直接采用數(shù)字量控制;(2)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，啟、停方便

30、;步距均勻; (3)設(shè)備成本低; (4)定位準(zhǔn)確;(5)調(diào)速范圍較寬。一、細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常，步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，就會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)脈沖當(dāng)量的角度，這個(gè)角度稱(chēng)為步長(zhǎng)，又稱(chēng)步距角。通常，由于受繞組等客觀因素的制約，步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)一般較大，有時(shí)難以適應(yīng)步進(jìn)角度要求更小的微量進(jìn)給系統(tǒng);又由于步進(jìn)電機(jī)本身所固有的低頻振動(dòng)問(wèn)題，使得步進(jìn)電機(jī)在振動(dòng)及噪音環(huán)境下的應(yīng)用受到了制約。如何對(duì)步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)過(guò)大和低頻振動(dòng)等不利因素通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行減輕和抑制，是步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中的一個(gè)重要問(wèn)題。在現(xiàn)有的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)中，細(xì)分驅(qū)動(dòng)是能夠有效解決上述問(wèn)題的主要控制方法之一，它主要是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的相電流進(jìn)行階梯化正弦

31、控制，使電機(jī)以足夠小的單位步距角運(yùn)行，從而降低步長(zhǎng)和低頻振動(dòng)，增強(qiáng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩;提高電機(jī)的運(yùn)行分辨率。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，在每次脈沖輸入時(shí)，不是將繞組電流一次性地全部導(dǎo)入或全部切除，而是只改變相應(yīng)繞組中額定的部分電流，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不是一個(gè)完整的步長(zhǎng)而只是原步長(zhǎng)的一部分，而步進(jìn)電機(jī)的固有步長(zhǎng)就被分解成了更小的步進(jìn)單位。本系統(tǒng)采用的是一種被稱(chēng)為“半拍步進(jìn)”的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，為了產(chǎn)生這樣一個(gè)邏輯順序的信號(hào)源，可以采用環(huán)形脈沖分配器，而本系統(tǒng)所采用的環(huán)形分配器是通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的模擬環(huán)形脈沖分配器。步進(jìn)電機(jī)的控制方框圖如圖3-1所示。圖3-1 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制框

32、圖二、 環(huán)形脈沖分配器的控制字環(huán)形分配器是一種周期性的脈沖產(chǎn)生部件，在步進(jìn)控制系統(tǒng)中，環(huán)形分配器是把控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需的速度、方向等參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的正、反轉(zhuǎn)相序及切換頻率，從而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向和運(yùn)行速度。在通常的步進(jìn)控制系統(tǒng)中，都是采用硬件的環(huán)形脈沖分配器，但是，在此并不使用。因此本系統(tǒng)采用的是用軟件實(shí)現(xiàn)的模擬脈沖分配器。鑒于多數(shù)步進(jìn)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件常采用三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，因此細(xì)分驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)的實(shí)質(zhì)就是設(shè)計(jì)一個(gè)合理的通電相序并據(jù)此確定所控制的步進(jìn)電機(jī)的控制字(FCW)，并根據(jù)初始條件控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要達(dá)到的控制目的。步進(jìn)電機(jī)的控制字長(zhǎng)可用一個(gè)字節(jié)(Byte)即8位二進(jìn)制數(shù)表示

33、，三相步進(jìn)電機(jī)的三相電源用A,B, C表示，并且用1表示得電，用0表示斷電，控制字節(jié)中用D2-DO位表示步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的A、B、C相，則正、反轉(zhuǎn)控制是通過(guò)按圖3-2所示的通電相序的方向切換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由此根據(jù)相序圖就可以得到步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)的循環(huán)控制字依次為01H,03H,02H,06H,04H,05H，而其反轉(zhuǎn)循環(huán)控制自依次為5H,04H,06H,02H,03H,OIH，這點(diǎn)在軟件實(shí)施上可以通過(guò)查表指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，并可進(jìn)一步推出:若改變兩個(gè)控制字的輸出時(shí)間間隔，就可控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，針對(duì)于這點(diǎn)在軟件實(shí)施上可以通過(guò)定時(shí)子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3-2 環(huán)形分配器的通電相序圖三、 步進(jìn)電機(jī)的升/降速控制當(dāng)

34、步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)快速進(jìn)給或?qū)ζ鋵?shí)施啟/停、變速控制時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)失步甚至不能正常運(yùn)行的現(xiàn)象，從而影響所控對(duì)象的控制精度。這是由于步進(jìn)電機(jī)所固有的過(guò)低啟動(dòng)頻率造成的，通常步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其正常的工作頻率，為了克服這一不利因素，在系統(tǒng)軟件中必須要設(shè)置針對(duì)于步進(jìn)電機(jī)升/降速控制的功能模塊，它的主要目的是把控制步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給脈沖通過(guò)指令平滑地引入驅(qū)動(dòng)電路，從而降低甚至避免步進(jìn)電機(jī)異常現(xiàn)象出現(xiàn)。升/降速控制原理為:步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或速度突變時(shí)，電機(jī)從初始速度VO開(kāi)始進(jìn)行勻加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度到達(dá)理想轉(zhuǎn)速Vmax時(shí)，進(jìn)入勻速運(yùn)行階段，當(dāng)接近終點(diǎn)目標(biāo)Smax的點(diǎn)Sc處(即圖中C點(diǎn))時(shí)，電機(jī)進(jìn)入勻減速

35、運(yùn)行階段，直到速度恢復(fù)為VO，這樣電機(jī)就能迅速而準(zhǔn)確地到達(dá)預(yù)定目標(biāo)，如圖3-3所示：圖3-3 步進(jìn)電機(jī)的升/降速曲線圖在步進(jìn)電機(jī)速度控制中，最方便的是按運(yùn)行步數(shù)(脈沖數(shù))控制運(yùn)行的速度(脈沖頻率)。在確定了突變速度和加速度(或加速時(shí)間)后，就可以得出速度與運(yùn)行位移的關(guān)系表，進(jìn)而計(jì)算出步數(shù)和運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系表，這樣在程序中就可以采用查表法來(lái)方便地進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的加減速控制。3.1.2 步進(jìn)電機(jī)的選用合理地選用步進(jìn)電機(jī)是相當(dāng)重要的，通常希望步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)頻率高，步距誤差小，性能價(jià)格比高。但增大轉(zhuǎn)矩與快速運(yùn)行存在一定的矛盾，高性能與低成本存在矛盾，因此實(shí)際選用時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際的工作

36、情況全面考慮。首先，應(yīng)考慮系統(tǒng)的精度和速度的要求。為了提高精度，希望脈沖當(dāng)量小。但是脈沖當(dāng)量越小，系統(tǒng)的運(yùn)行速度越低。故應(yīng)兼顧精度的要求來(lái)選定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量。在脈沖當(dāng)量確定以后，又可以此為依據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。步進(jìn)電機(jī)的步距角從理論砂鍋上說(shuō)是固定的，但實(shí)際上還是有誤差的。另外，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也將引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定位誤差。我們應(yīng)將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距誤差、負(fù)載引起的定位誤差和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差全部考慮在內(nèi)，使總的誤差小于數(shù)控機(jī)床允許的定位誤差。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有兩條重要的特性曲線，即反映起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的曲線和反映轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間關(guān)系曲線。這兩條曲線是選用步進(jìn)電機(jī)的重要依據(jù)。

37、一般將放映起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的曲線稱(chēng)為啟動(dòng)距頻特性，將反映轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間關(guān)系的曲線稱(chēng)為工作矩頻特性。已知負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可以在起動(dòng)矩頻特性曲線中查出起動(dòng)頻率。這是起動(dòng)頻率的極限值，實(shí)際使用時(shí)，只要起動(dòng)頻率小于或等于這一極限值，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就可以直接帶負(fù)載起動(dòng)。若已知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行頻率f，就可以從工作矩頻特性曲線中查出轉(zhuǎn)矩Tdm,這也是轉(zhuǎn)矩的極限值，有時(shí)稱(chēng)其為失轉(zhuǎn)矩。也就是說(shuō)，若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以頻率f運(yùn)行，它所拖動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須小于Tdm，否則就會(huì)導(dǎo)致失步。數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行可分為兩種情況：快速進(jìn)給和切削進(jìn)給。在這兩種情況下，對(duì)轉(zhuǎn)矩和進(jìn)給速度由不同的要求。我們選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)注意使在兩

38、種情況下都能滿足要求。表3-1給出了一些常用的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和簡(jiǎn)單的性能指標(biāo)。表3-1項(xiàng)目型號(hào)相數(shù)步距角/（0）電壓/V相電流/A最大靜矩/N.m空載起頻率/Hz運(yùn)行頻率/Hz75BF00131.5/32430.39217501200075BF00331.5/33040.88212501200090BF00140.9/1.88073.922000800090BF00650.18/0.362432.15624008000110BF00330.75/1.58067.8415007000110BF00430.75/1.53044.95007000130BF00150.38/

39、0.7680109.3300016000150BF00250.38/0.76801313.728008000150BF00350.38/0.76801315.6426008000根據(jù)本次砂輪修整器的設(shè)計(jì)要求，選取110BF004 系列步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。假若要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置有如下性能：在切削進(jìn)給時(shí)的轉(zhuǎn)矩為T(mén)e，最大切削進(jìn)給速度ve;在快速進(jìn)給時(shí)的轉(zhuǎn)矩為T(mén)k,最大快進(jìn)速度為vk。根據(jù)上面的性能指標(biāo)，我們可按下面的步驟檢查步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能否滿足要求。首先，依據(jù)下式，將進(jìn)給速度值轉(zhuǎn)變成電動(dòng)機(jī)的工作頻率：F=1000v/600(Hz) （3-1）式中 v進(jìn)給速度（m/min） 脈沖當(dāng)量（mm） f 步進(jìn)

40、電動(dòng)機(jī)工作頻率。在上式中，若將最大切削進(jìn)給速度ve代入可求得在切削進(jìn)給時(shí)的最大工作頻率fe；若將最大快速進(jìn)給速度vk代入，就可求得在快速進(jìn)給時(shí)的最大工作頻率fk。然后，根據(jù)fe和fk在工作矩頻特性曲線上找到與其對(duì)應(yīng)的失步轉(zhuǎn)矩值Tdme和Tdmk,若有TeTdme和TkTdmk，就表明電動(dòng)機(jī)是能滿足要求的，否則就是不能滿足要求的。3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于采用脈沖方式工作，且各相需按一定規(guī)律分配脈沖，因此，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，需要脈沖分配邏輯和脈沖產(chǎn)生邏輯。而脈沖的多少需要根據(jù)控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算得到，因此還需要插補(bǔ)運(yùn)算器數(shù)控機(jī)床所用的功率步進(jìn)電機(jī)要求控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須有足夠

41、的驅(qū)動(dòng)功率，所以還要求有功率驅(qū)動(dòng)部分。為了保證步進(jìn)電機(jī)不失步的起停，要求控制系統(tǒng)具有升降速控制環(huán)節(jié)。除了上述各環(huán)節(jié)之外，還有和鍵盤(pán)、紙帶閱讀機(jī)顯示器等輸入、輸出設(shè)備接口電路及其他附屬環(huán)節(jié)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，還有檢測(cè)元件的接口電路。在早期的數(shù)控系統(tǒng)中，上述各環(huán)節(jié)都是由硬件完成的。但目前的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，由于都采用了小型和微型計(jì)算機(jī)控制，上述很多控制環(huán)節(jié)，如升降速控制、脈沖分配、脈沖產(chǎn)生、插補(bǔ)運(yùn)算等都可以由計(jì)算機(jī)完成，使步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路較以前大為簡(jiǎn)化。3.3. 諧波減速器的選用諧波傳動(dòng)是利用柔輪的變形與剛輪相嚙合而實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)。諧波傳動(dòng)的傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕。由于同時(shí)嚙合的齒數(shù)

42、多，所以它的承載能力大，傳動(dòng)精度高。已被廣泛地應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用諧波傳動(dòng)技術(shù)來(lái)解決工程機(jī)械和起重運(yùn)輸機(jī)械的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)傳輸?shù)膶?shí)例很多，例如：推土機(jī)中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，橋式起重機(jī)的卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)，旋臂自行式起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等。由于諧波傳動(dòng)是依靠其柔輪的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞，輸出軸力矩較人。當(dāng)輸入受到某種激擾作用時(shí)，會(huì)引起減速器傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，給驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)精度要求較高的執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶來(lái)問(wèn)題，影響其傳動(dòng)性能。因此，對(duì)諧波齒輪減速器的模態(tài)特性進(jìn)行分析，研究此類(lèi)傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性是十分必要的。根據(jù)總體方案對(duì)減速器的技術(shù)要求，決定采用諧波減速器。這樣的減速器傳動(dòng)精度高、減速比大，諧波傳動(dòng)的間隙小，傳動(dòng)

43、平穩(wěn)，諧波齒輪傳動(dòng)的阻尼性能為0.81.9，而一般齒輪傳動(dòng)約為0.210.42。外界擾動(dòng)通過(guò)諧波齒輪傳動(dòng)能得到很快的衰減，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有利。諧波齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)采用雙波橢圓波發(fā)生器，剛輪、定輪和柔輪采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，由剛輪輸出。減速器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3-4。圖3-4 諧波減速器結(jié)構(gòu)示意圖3.4 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)數(shù)控車(chē)床靠步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)，由于滾珠絲杠可以有過(guò)盈量，傳動(dòng)無(wú)間隙，精度主要靠機(jī)床本身和程序保證。在加工過(guò)程中可以自動(dòng)測(cè)量，并能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)毒吣p及其他原因產(chǎn)生的誤差。所以加工質(zhì)量好，精度穩(wěn)定。還可以用編程的方法車(chē)出形狀復(fù)雜，普通車(chē)床難以加工的零件。適合精度高，批量大，形狀復(fù)雜的零件。但小批

44、量生產(chǎn)也很好用。它的維修費(fèi)用較普通車(chē)床高。3.4.1 微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)通常把每次進(jìn)給量S2m的周期進(jìn)給速度和速度V10/min的低速進(jìn)給稱(chēng)為微量進(jìn)給。微量進(jìn)給分手動(dòng)和自動(dòng)兩類(lèi)。手動(dòng)微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要用于中小型機(jī)床起進(jìn)給、點(diǎn)動(dòng)或微量補(bǔ)償作用，以及某些大型機(jī)床的手動(dòng)微調(diào)。自動(dòng)微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用各種驅(qū)動(dòng)元件使進(jìn)給循環(huán)自動(dòng)進(jìn)行。3.4.2 對(duì)微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)的基本要求（1）靈敏度高能實(shí)現(xiàn)所需的最小進(jìn)給量Smin為了保證靈敏度較高，微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)應(yīng)具有高剛度。根據(jù)靈敏度要求確定微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)的剛度計(jì)算條件。（2）平穩(wěn)性好在低速進(jìn)給是速度均勻，不出現(xiàn)爬行。因此，對(duì)于低速進(jìn)給還應(yīng)不出現(xiàn)爬行的條件確定傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的計(jì)算條件。

45、（3）精度高多數(shù)微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)執(zhí)行部件的定位精度直接決定工件的加工精度，因此應(yīng)按所需加工精度確定進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度要求。（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，操縱輕便靈活3.4.3 微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，砂輪修整時(shí)進(jìn)給量不宜太大一般控制在5m10m, 為了保證進(jìn)給的準(zhǔn)確，從而達(dá)到較好的修整精度和表面質(zhì)量，通過(guò)比較各種微量進(jìn)給方式，最終選擇滾珠絲杠傳動(dòng)。進(jìn)給機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)如圖3-5所示：圖3-5 進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意圖一、 滾珠絲杠傳動(dòng)的特點(diǎn)及應(yīng)用滾珠絲杠是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。滾珠絲杠靜動(dòng)摩擦系數(shù)接近、傳動(dòng)效率高，因此受到了普遍采用。同時(shí)，滾珠絲杠直接影響著進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的靈敏度、定位精度、是否爬

46、行等。作為傳動(dòng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展，滾珠絲杠載荷。具有高效率、溫升少、高精度、高速度、高剛性、可逆性、長(zhǎng)壽命、低能耗、同步性、高靈敏度、無(wú)間隙、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。滾珠絲杠傳動(dòng)的應(yīng)用：絲杠傳動(dòng)的適用于進(jìn)給行程小的場(chǎng)合，如磨齒機(jī)的手動(dòng)橫進(jìn)給、手動(dòng)補(bǔ)償、微量調(diào)整。螺母移動(dòng)的適合進(jìn)給行程大并要求快速進(jìn)給的場(chǎng)合。在設(shè)計(jì)滾珠絲杠還應(yīng)考慮如下些問(wèn)題：a)臨界壓縮載荷應(yīng)大于軸向最大受壓載荷，確保絲杠的穩(wěn)定性；b)絲杠的最高轉(zhuǎn)速應(yīng)小于臨界轉(zhuǎn)速，防止發(fā)生共振；c)滾珠絲杠還應(yīng)受d0nmax限制，一般 d0nmax70000mmrmin；d)滾珠絲杠應(yīng)具有足夠的剛度。二、 微量進(jìn)給計(jì)算在數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)加

47、工力學(xué)特性初選步進(jìn)電機(jī)，再根據(jù)加工進(jìn)度要求確定系統(tǒng)得脈沖當(dāng)量p,即一個(gè)脈沖所產(chǎn)生的工作臺(tái)直線位移量。脈沖當(dāng)量p和步進(jìn)電機(jī)的步距角s之間存在下列關(guān)系：（3-2）式中hsp 絲杠導(dǎo)程（） i 步進(jìn)電機(jī)輸出軸至絲杠的傳動(dòng)比s步進(jìn)電機(jī)步距角，單位為度當(dāng)相對(duì)于某一點(diǎn)的直線位移X以及所需的脈沖次數(shù)N即可得出脈沖當(dāng)量：（3-3）通常砂輪修整的修整量取510m，這里取進(jìn)給量為5m，步進(jìn)角0.75，脈沖次數(shù)為480次，假設(shè)絲杠導(dǎo)程10，假設(shè)脈沖當(dāng)量0.001/脈沖。則可推算出諧波減速器的建速為20。第四章 修整器的設(shè)計(jì)4.1砂輪修整器的誤差分析4.1.1 砂輪修整前后砂輪半徑誤差首先分析修整后砂輪半徑的誤差。為

48、分析問(wèn)題方便起見(jiàn)，先假定砂輪修整時(shí)砂輪修整滾輪與砂輪之間僅在水平面內(nèi)有X和Y兩個(gè)方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即按兩軸圓弧插補(bǔ)的方式在過(guò)砂輪軸線截面內(nèi)做曲線運(yùn)動(dòng)，砂輪修整滾輪軸線與砂輪軸線保持平行，建立如圖4-1所示的坐標(biāo)系。圖4-1滾輪軸線與砂輪軸線坐標(biāo)系設(shè)要求修整后的砂輪最小半徑為 r1，砂輪修整滾輪的半徑為r2，砂輪截面曲線是半徑為r3=2mm的半圓，則如圖4-1所示，對(duì)砂輪截面曲線上的任意一點(diǎn)B(XB ，YB，ZB )，要求修整后點(diǎn)B處的砂輪半徑為r1XB，而實(shí)際修整后點(diǎn)B處的砂輪半徑為r1XBRB,按圖4-1的坐標(biāo)系，有：B點(diǎn)和修整輪中心不在同一點(diǎn)，而Z指的是修整輪中心與砂輪中心的高度差XB 2Y

49、B2 = r32 ，ZB=0 (4-1) (r1XBr2)2Z2=(r1XBRBr2)2 (4-2)設(shè)： R = r1XBr2 (4-3)代入式(4-2) 后有：R2Z2=( RRB)2 (4-4)R2Z2= R22RRBRB2 (4-5)RB22RRBZ2= 0 (4-6)式(4-6)是關(guān)于RB的二次方程，故有： (4-7)(4-8)因?yàn)槿切蔚男边叡卮笥谥苯沁?，因此：r1XBRBr2 r1XBr2 (4-9)所以：RB0(4-10)上面式(4-8)中必須取正號(hào)，故： (4-11) (4-12)由麥克勞林公式：f(x) = f(0) f1(0)x f2(0)x2! f(n1) (0)xn1/

50、(n1)！fn(x)xn/n！, 01 (4-13) 取前兩項(xiàng)作近似計(jì)算，有：f(x)f(0) f1(0)x (4-14)設(shè)：f(x) = (4-15) 則：f(0) = 1 (4-16)f1(0)=0.5 (4-17)故： (4-18) (4-19)代人上面式(4-12)中，有： (4-20) (4-21)由式(4-21)可知：RB近似地與z的平方成正比，與R = r1XBr2成反比。是砂輪與砂輪修整器兩者中心距的水平投影。因?yàn)樯拜喰拚麧L輪的半徑r2=35mm可視為常數(shù)，放聯(lián)立式(4-1)、(4-3)和(4-21)，可求出RB作為r1、YB和z的函數(shù)，即對(duì)應(yīng)著不同的r1、YB和z值，有不同的

51、RB值。對(duì)我們所使用磨齒機(jī)而言，外圓磨削時(shí)，砂輪半徑可在 160 mm到 200 mm的范圍內(nèi)變化，故取r1= 160 ,進(jìn)行計(jì)算，另取r1= 190 作對(duì)比，分別取z =l mm、2mm，取YB =0、1.414 、2 。計(jì)算結(jié)果如下面表4-1(表中為砂輪修整滾輪軸線的法面與X軸的夾角，兩軸插補(bǔ)修整時(shí)，=0；其它參數(shù)的單位為)：由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)：兩軸插補(bǔ)修整時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用的砂輪半徑范圍內(nèi)，安裝高度誤差所引起的修整后砂輪半徑誤差并不大。即使在z =2rnm這種情況下，砂輪半徑取最小值，即r1=160mm、XB =0時(shí)，RB的最大值也僅0.01mm。zr1YBXBRRB11900202270.00

52、221.4141.414226.4140.00221202250.0022216020450169.330.0029502001970.002541.4141.414196.4140.00255201950,0025620450148.120.00338219002002270.008811.4141.414226.4140.00883202250.0088920450169.330.0118116002001970.010151.4141.414196.4140.01018201950.0102620450148.120.0135表4-1 修整后砂輪半徑的誤差RB值由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)：兩軸插補(bǔ)修

53、整時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用的砂輪半徑范圍內(nèi)，安裝高度誤差所引起的修整后砂輪半徑誤差并不大。即使在z =2 這種情況下，砂輪半徑取最小值，即r1= 160 mm 、XB =0 時(shí)，RB的最大值也僅0.01mm。4.1.2 裝配誤差引起的修整后砂輪的誤差如果修整器裝配時(shí)，修整器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸沒(méi)有通過(guò)修整輪圓弧刃的圓心，即存在著裝配誤差，此裝配誤差將引起修整后砂輪截面曲線形狀的誤差。假定要求砂輪在過(guò)其軸線截面內(nèi)的形狀為圖4-2所示曲線，圖4-2軸向的裝配誤差ea和徑向的裝配誤差er即砂輪截面曲線是半徑為r3=2 mm的半圓，并假定修整輪圓弧刃的圓弧半徑為r3=0.3mm。因曲線以 X 軸為對(duì)稱(chēng)，故下面只討論曲線的A

54、C段。修整砂輪時(shí)，修整輪的軸線最好與砂輪截面曲線的法線垂直。但由于修整輪有一定的厚度，在A點(diǎn)處及其附近，若要求修整輪的軸線與砂輪截面曲線的法線垂直，則也有可能會(huì)發(fā)生修整輪與砂輪之間的干涉。所以，修整砂輪時(shí)，一般使修整輪的軸線與砂輪截面曲線的法線之間的夾角在900到450的范圍內(nèi)變化，這時(shí)，修整輪軸線的法面與X 軸正向的夾角在00到450的范圍內(nèi)變化。假定修整砂輪時(shí)，為避免修整輪與砂輪發(fā)生干涉，在AD段一直保持=450；而在DC段一直保持修整輪的軸線垂直于砂輪截面曲線的法線，即從450漸變到00。在圖4-2中，O3點(diǎn)是砂輪截面曲線的圓心，D點(diǎn)是AC段的中點(diǎn)，修整D點(diǎn)時(shí)，修整輪圓弧刃的圓心位于O點(diǎn)

55、，修整器繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于O1點(diǎn)，修整輪圓弧刃的中點(diǎn)位于a點(diǎn)；修整C點(diǎn)時(shí)，修整輪圓弧刃的圓心位于O點(diǎn)，修整器繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于O1點(diǎn)，修整輪圓弧刃的中點(diǎn)位于a點(diǎn)。由于修整輪圓弧刃的存在，修整后砂輪截面在A點(diǎn)處將具有如圖4-2中所示的半徑為r的圓弧A1A2，這是圓弧刃上a1a2段圓弧的復(fù)印。為反映裝配誤差的影響，圖4-2中將O點(diǎn)與O1點(diǎn)的距離，即裝配誤差偏心值e夸大畫(huà)出，偏心值e可分解為在修整輪軸向的裝配誤差ea和在修整輪徑向的裝配誤差er。修整砂輪時(shí)，從A點(diǎn)修整到C點(diǎn)的過(guò)程中，在AD段一直保持=450，沒(méi)有繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，故偏心值e沒(méi)有產(chǎn)生任何影響；而在DC段，則由于e值的存在

56、而產(chǎn)生了過(guò)切或欠切從而引起修整后砂輪截面曲線形狀的誤差。如圖4-2所示：在理想的狀態(tài)(e=0)時(shí)，修整輪圓弧刃的圓心與修整器繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合，從D點(diǎn)修整到C點(diǎn)的過(guò)程中，兩者的軌跡也重合，若修整器繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心的軌跡OO1是半徑為r3r=2.3mm的圓弧，則可以確保DC是半徑為r3=20mm的圓弧，所以數(shù)控編程時(shí)只需保證OO1是半徑為r3r=2.3mm的圓弧。當(dāng)存在裝配誤差偏心值e時(shí)，OO1是半徑為r3r=2.3 mm的圓弧就無(wú)法確保DC是半徑為r3=2.0mm的圓弧，此時(shí)，修整輪圓弧刃圓心的軌跡OO1和DC均為近似橢圓弧。修整D點(diǎn)時(shí)，修整輪上與砂輪接觸的地方是a點(diǎn)，當(dāng)O1點(diǎn)經(jīng)過(guò)4

57、50圓心角的圓弧到達(dá)O1點(diǎn)時(shí)，若修整器不繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則修整輪上與砂輪接觸的地方是a2點(diǎn)，但由于修整器繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，修整輪上與砂輪接觸的地方實(shí)際上是a點(diǎn)。存在裝配誤差偏心值e時(shí)，a點(diǎn)與O1點(diǎn)之間的距離大于a2點(diǎn)與O1點(diǎn)之間的距離，因此產(chǎn)生了過(guò)切，若存在與圖示e值相反方位的裝配誤差，則產(chǎn)生欠切。過(guò)切量：（4-22）式中，r=03mm可視為常數(shù)，故過(guò)切量K實(shí)際上是軸向的裝配誤差ea和徑向的裝配誤差er的函數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明：ea和er值取負(fù)值，則算出的過(guò)切量K也是負(fù)值，這實(shí)際上是產(chǎn)生欠切了。由此可見(jiàn)：不管ea和er值是正值還是負(fù)值，均造成修整后砂輪截面形狀較大的誤差，而且ea對(duì)K的影響均大于er，

58、由軸向裝配誤差ea引起的過(guò)切量在數(shù)值上與它本身已很接近，是相同數(shù)量級(jí)的。另一方面，成型磨削后零件的形狀精度在很大程度上取決于成型砂輪的形狀精度，因此砂輪修整器裝配時(shí)必須采取必要措施使裝配誤差盡可能小，尤其是對(duì)于軸向裝配誤差，必須使它小于0.01mm才能達(dá)到成型砂輪修整精度要求。4.2 液壓缸的穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局靈活，元件的自潤(rùn)滑性較好，便于和其它傳動(dòng)方式聯(lián)用。液壓缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，在液壓系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把系統(tǒng)液壓能轉(zhuǎn)化成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。而液壓缸運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的好壞，對(duì)液壓系統(tǒng)工作的性能、設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)、加工產(chǎn)品的質(zhì)量以及自身壽命都有著很大的影響。4

59、.2.1 穩(wěn)定性分析圖4-3 液壓缸負(fù)載系統(tǒng)圖4-3是液壓缸- 負(fù)載系統(tǒng)，當(dāng)液壓缸輸出力與負(fù)載相等，且輸入的液體流量恒定時(shí)，若缸固定，則活塞作勻速運(yùn)動(dòng)，液壓缸具有穩(wěn)態(tài)特性；當(dāng)輸入流量不變而負(fù)載發(fā)生變化，或負(fù)載不變而流量發(fā)生變化時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)發(fā)生變化，這一過(guò)程中負(fù)載或輸入流量變化與活塞速度變化之間的關(guān)系就是液壓缸的動(dòng)態(tài)特性。此外，液壓缸活塞在很低的速度下移動(dòng)時(shí)，可能產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，這也是缸的動(dòng)態(tài)特性之一。（1）頻率分析若用m 表示活塞及運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，F(xiàn) 為液壓缸外負(fù)載，p 和q 分別為液壓缸輸入液體壓力和流量，則液壓缸輸入油液的連續(xù)性方程為（4-23）式中 v 活塞運(yùn)動(dòng)速度；A 液壓缸活塞的

60、面積；Vt液壓缸高壓腔及進(jìn)口管路油液的體積；c液壓缸泄漏系數(shù)；K 油液體積彈性模量活塞運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力平衡方程式為：（4-24) 式中Bc粘性阻尼系數(shù)由式（4-23）、式（4-24）可得液壓缸的速度- 負(fù)載特性方程（4-25）由式（4-25）可得液壓缸的固有頻率和阻尼比（4-26）（4-27）由于液壓缸中的泄露在一般情況下很小，因此當(dāng)cA2時(shí)，可以忽略不計(jì)，于是液壓缸的固有頻率可以近似為（4-28）由式（4-28）可以看出，液壓缸的移動(dòng)部分質(zhì)量m 與液壓缸進(jìn)油腔容積Vt越大，油液的體積彈性模量K與活塞有效工作面積A 越小，則液壓缸的固有頻率n就越低。因此，油液中混入空氣的量不同，活塞運(yùn)動(dòng)位置不同時(shí)，