五軸拋光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)機(jī)械自動化專業(yè)

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1、本科論文 目錄 摘 要 I Abstract II 引 言 1 1五軸拋光機(jī) 2 1.1拋光技術(shù)發(fā)展概述 2 1.2 拋光設(shè)備的發(fā)展 2 1.3 主要研究內(nèi)容 8 1.4 設(shè)計成果部分 9 1.5本章小結(jié) 10 2 五軸拋光機(jī)整體設(shè)計方案 11 2.1整機(jī)結(jié)構(gòu)及功能概述 11 2.2機(jī)床主要技術(shù)參數(shù) 12 2.3傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 13 2.3.1電機(jī)的選擇 13 2.3.2滾珠絲杠的選擇 13 2.3.3機(jī)床主電路的設(shè)計 19 2.3.4機(jī)床控制電路設(shè)計 20 2.4 本章小結(jié) 22 3 五軸拋光機(jī)建模及圖紙 23 3.1三維建模 23 3.

2、2總裝模型 27 3.3 本章小結(jié) 28 結(jié) 論 29 參考文獻(xiàn) 31 致 謝 34 摘 要 中國的拋光技術(shù)在21世紀(jì)日漸成熟，伴隨著科學(xué)的逐步發(fā)展，用于軍事領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、計算機(jī)等高科技產(chǎn)品領(lǐng)域的特殊材料需求表面質(zhì)量越來越高，對人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊懸苍絹碓酱?。目前來看國?nèi)拋光技術(shù)正在逐步發(fā)展壯大，在裝備制造業(yè)方面拋光技術(shù)略有欠缺，在拋光技術(shù)起步初期國內(nèi)主要采用人工打磨，這種拋光方法速度慢、工期長、效率低、生產(chǎn)精度差異大，無法保證產(chǎn)品的拋光質(zhì)量。在市場需求下，國內(nèi)的各大企業(yè)開始不斷的深入研究拋光原理、升級拋光技術(shù)、提高拋光質(zhì)量來滿足市場的需求。

3、 現(xiàn)在看世界上應(yīng)用最廣泛的研磨拋光技術(shù)應(yīng)該是機(jī)械拋光，機(jī)械拋光速度快、效率高、拋光質(zhì)量穩(wěn)定、精度高。本文研發(fā)設(shè)計的五軸拋光機(jī)具有拋光數(shù)控操縱系統(tǒng)和夾持裝置，使拋光工件在數(shù)控系統(tǒng)的控制下拋光質(zhì)量更加穩(wěn)定和精確，同時也能確保操作過程中操作人員的安全，可完全替代手工拋光作業(yè)。 本文設(shè)計的五軸拋光機(jī)采用了五軸聯(lián)動的設(shè)計，由三個直線進(jìn)給軸和兩個回轉(zhuǎn)軸組成，針對拋光工件不同的外型、細(xì)節(jié)和工件加工對工藝的特殊要求，來確定機(jī)床的三個進(jìn)給軸和兩個回轉(zhuǎn)軸的運動軌跡，并對干涉軌跡進(jìn)行規(guī)劃，合理的選擇最佳拋光軌跡，編寫數(shù)控拋光程序進(jìn)行拋光。最終通過機(jī)床實驗，驗證整機(jī)性能，完成設(shè)計方案。 關(guān)鍵詞：

4、拋光機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；五軸聯(lián)動；軸  Abstract Chinese polishing technology is maturing in the 21st century. With the gradual development of science, the surface quality of special materials used in the fields of military, aerospace, computers and other high-tech products is getting higher and higher, and the

5、impact on people's daily life is also increasing. At present, domestic polishing technology is gradually developing and growing, and polishing technology is slightly deficient in equipment manufacturing industry. At the initial stage of the polishing technology, China mainly used manual polishing.Th

6、is polishing method has a slow speed, a long construction period, low efficiency, and a large difference in production accuracy, which cannot guarantee the polishing quality of the product.Under the market demand, major domestic enterprises have begun to deeply study polishing mechanism, innovate po

7、lishing technology and improve polishing quality to meet the market demand. At present, the most widely used grinding and polishing technology in the world should be mechanical polishing. Mechanical polishing has fast speed, high efficiency, stable polishing quality and high precision. The five-axi

8、s polishing machine developed and designed in this paper has a polishing numerical control operation system and a clamping device, so that the polishing quality of the polished workpiece is more stable and accurate under the control of the numerical control system.At the same time, it can also ensur

9、e the safety of operators in the operation process.It can completely replace manual polishing operation. The five-axis polishing machine designed in this paper adopts a five-axis linkage design, which consists of three linear feed shafts and two rotating shafts. According to the different shapes

10、and details of polished workpieces and the special requirements of workpiece processing on the process, the motion trajectories of the three feed shafts and the two rotating shafts of the machine tool are determined, the interference trajectories are planned, the best polishing trajectory is reasona

11、bly selected, and the numerical control polishing program is written for polishing. Finally, through the machine tool experiment, the performance of the whole machine is verified and the design scheme is completed. Keywords: polishing machine；structure design；five-axis linkage；shaft

12、 引 言 隨著社會的逐步發(fā)展金屬材料應(yīng)用廣泛，人類的生活也與金屬密切相關(guān)，現(xiàn)如今金屬材料在我們?nèi)粘Ｉ詈蛯W(xué)習(xí)中隨處可見，第一，因為金屬材料自身包含著非常大的可變潛力，現(xiàn)如今加工技術(shù)發(fā)展迅猛，金屬材料也就隨著加工技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新被不斷地修飾，從而金屬材料所表現(xiàn)出來的形式也就各種各樣，第二，金屬材料的特點有很多，比如它的沖擊韌性、金屬美觀性、可塑性和可再利用性，這些金屬特性使金屬材料的應(yīng)用越來越廣泛，同時也符合當(dāng)下時代的節(jié)約環(huán)保的發(fā)展理念，并且金屬材料在日常生活中可以回收利用，達(dá)到零污染的效果。如今的金屬材料已經(jīng)從礦石中提取的單一成分逐漸的演變出具有多種金屬材料混合的合金金屬?，F(xiàn)在人們生活

13、學(xué)習(xí)中總是會用到的電子通信設(shè)備，手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品都具有金屬外殼。還有人們?nèi)粘Ｉ钪兴{駛的汽車也采用了高強(qiáng)度金屬外殼。金屬材料應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，在生活中的各個方面都影響著新時代社會的發(fā)展進(jìn)步。 金屬礦石從被開采出來，再經(jīng)過提煉金屬，然后加工成型投入市場銷售，在這過程中金屬材料需要經(jīng)過很多步的工藝過程。在機(jī)械加工這一環(huán)節(jié)可細(xì)分為五大類:鉆削、車削與鏜孔、銑削、磨削和牛頭刨法。從目前的國內(nèi)市場銷售情況來看，金屬材料被大量的應(yīng)用在各個領(lǐng)域，所表現(xiàn)出來的形式也就各式各樣，但我國現(xiàn)有的機(jī)械裝備和工業(yè)自動化功能較為落后， 當(dāng)下時代人工拋光已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)的需求[1-3]。尤其

14、是在研磨拋光這一工藝環(huán)節(jié)，現(xiàn)在日常生活中不斷的涌現(xiàn)出各種新生事物，人們對這些新生事物的要求也越來越高，并且很多電子產(chǎn)品更新?lián)Q代比其他產(chǎn)品要快很多，比如手機(jī)、電腦之類的。但目前國內(nèi)有些地方對于簡單機(jī)械零件依然采用手工拋光，人工手動拋光雖然成本不高，但是加工速度慢、生產(chǎn)效率低、工期長等，整個產(chǎn)品的加工過程中拋光工序所占比例很大，如果在拋光這一工序進(jìn)度緩慢，后續(xù)的工作都會延緩，就會嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益[4,5] 。而且工件質(zhì)量也無法保證，精度也會存在差異。 1五軸拋光機(jī) 1.1拋光技術(shù)發(fā)展概述 拋光加工技術(shù)就是利用機(jī)械、化學(xué)或電化學(xué)作用，消除工件表面劃痕，降低工件表面粗糙度，以獲得光亮、平

15、整表面的加工方法[6]。在二十世紀(jì)國內(nèi)的拋光技術(shù)發(fā)展非常緩慢，直到二十世紀(jì)末國內(nèi)各大高校逐漸開始對化學(xué)及電化學(xué)拋光技術(shù)進(jìn)行深入研究[7]。其中大連理工大學(xué)在電化學(xué)機(jī)械拋光加工和脈沖電化學(xué)機(jī)械拋光加工方向，不斷深入研究光整加工技術(shù)[9]，取得了顯著成效，獲得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。更多的的企業(yè)和研究中心通過計算機(jī)建立數(shù)學(xué)仿真模型進(jìn)行分析，不僅能夠減少產(chǎn)品的研發(fā)周期[8]，降低研發(fā)成本，產(chǎn)品的質(zhì)量也能得到顯著提升。近些年，我國裝備制造業(yè)和工業(yè)自動化水平都有很大提高，尤其是裝備制造技術(shù)不斷創(chuàng)新，這就從很多方面促進(jìn)拋光技術(shù)走向成熟。 拋光機(jī)的核心器件是“磨盤”。所以拋光機(jī)的磨盤材料要求就很苛刻，

16、因為拋光打磨過程中溫度很高，所以就對磨盤材料的選擇有很高的要求，要求材料的熱膨脹系數(shù)很低。我們國家研發(fā)的“二氧化鈰微球粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及其制備技術(shù)”已經(jīng)有了很好的成效，這項研發(fā)解決了國內(nèi)拋光技術(shù)的重大難題，也補充了國內(nèi)精密拋光“磨盤”領(lǐng)域的空缺。 1.2 拋光設(shè)備的發(fā)展 現(xiàn)代制造業(yè)朝著高科技方向發(fā)展，隨著自動化設(shè)備的不斷發(fā)展應(yīng)用，自動化的拋光設(shè)備也隨著時代潮流應(yīng)運而生，拋光技術(shù)也得到了成熟的應(yīng)用，逐漸滿足市場需求[9]。對于拋光加工設(shè)備，國內(nèi)外主要以普通拋光機(jī)床和拋光機(jī)器人為主，但目前國內(nèi)有些地方對于簡單機(jī)械零件依然采用手工拋光。下圖為手工拋光與自動化設(shè)備拋光對比示意圖。 圖1.1 手動

17、拋光與機(jī)械設(shè)備拋光 世界上第一臺數(shù)控拋光機(jī)是有西班牙麥伯薩公司制造，西班牙麥伯薩公司是一家世界領(lǐng)先的自動機(jī)械設(shè)備設(shè)計和制造公司，專門生產(chǎn)用于金屬和其他材質(zhì)表面處理的設(shè)備[10]。麥伯薩已將技術(shù)和適應(yīng)能力成功融合為一體，以應(yīng)對顧客的特定要求，不斷提供先進(jìn)的拋磨技術(shù)并在世界許多國家擁有客戶[11,12]。麥伯薩公司對設(shè)備的可靠性和自身的技術(shù)水準(zhǔn)要求極高，盡最大的努力去滿足客戶的需求，這樣就使麥伯薩公司在客戶滿意度方面遠(yuǎn)超其他企業(yè)。麥伯薩公司起初是做金屬材料家居拋光的，由于在拋光領(lǐng)域發(fā)展較好，逐漸將拋光業(yè)務(wù)拓展到機(jī)械零部件、汽車零件、手表內(nèi)部配件等領(lǐng)域。麥伯薩公司堅持創(chuàng)新設(shè)計理念，不斷將公司在拋光

18、加工領(lǐng)域地位提高[15]。圖1.2為麥伯薩公司研制的汽車行業(yè)鋁車輪轂拋光設(shè)備。圖1.3為拋光后的輪轂。 圖1.2 西班牙麥伯薩拋光設(shè)備 圖1.3 拋光后的輪轂 德國呂瑟公司是全世界著名的拋光及去毛刺機(jī)的生產(chǎn)商之一，呂瑟公司能夠為客戶提供一流、高質(zhì)量的表面精加工設(shè)備，擁有多種自動化成套設(shè)備包括表面超精加工以及小型加工單元等應(yīng)有盡有[13]。德國呂瑟公司的砂帶精磨拋光機(jī)利用精磨帶或拋光輪工作，對拋光件進(jìn)行刷盤、去毛刺、精磨拋光的處理。設(shè)備擁有四個刷盤，能同時進(jìn)行工作，可以更有效的提高工作效率，同時計算機(jī)進(jìn)行控制，那么它的磨損補償也能夠有效的提高設(shè)備的可操作性。下圖1.4精磨拋光過的

19、零件，1.5是呂瑟公司的砂帶精磨拋光機(jī)。 圖1.4 精磨拋光過的工件 圖1.5 砂帶精磨拋光機(jī) 德國呂瑟公司還擁有軋輥精磨和定心精磨設(shè)備，滾動精磨設(shè)備通過驅(qū)動輥來帶動工件，但定心精磨設(shè)備是通過磨床兩端頂尖和抓盤對工件進(jìn)行定心和旋轉(zhuǎn)，機(jī)床的尾座間的擰緊力可以進(jìn)行調(diào)整，來固定不同工件[14]，滾動精磨設(shè)備配備有輥床，能夠快捷地進(jìn)行工件的上下料，無需對工件進(jìn)行定心操作。這兩種設(shè)備的精磨頭都可沿工件橫向移動。下圖1.6是軋輥精磨和定心精磨設(shè)備。 圖1.6 德國呂瑟軋輥精磨和定心精磨設(shè)備 目前國內(nèi)很多企業(yè)都在研發(fā)拋光機(jī)械設(shè)備，但都還在初步發(fā)展階段，沈陽新松機(jī)器人公司與沈陽自

20、動化研究所達(dá)成合作，雙方?jīng)Q定對機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，新松機(jī)器人公司會根據(jù)客戶要求，基于自主研發(fā)系統(tǒng)會提供一套安全、高效的設(shè)計方案[15]。 沈陽新松機(jī)器人研究院研究了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的拋光系統(tǒng)，這套系統(tǒng)被命名為“研磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)”[16]，這套研磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)可以用于汽車零部件、葉片和機(jī)械設(shè)備零件等各種金屬零件的加工拋光作業(yè)，有非常好的發(fā)展前景[17]。 由研磨拋光機(jī)器人系統(tǒng)支撐的拋光機(jī)器人在運行過程中，首先對拋光工件進(jìn)行測量和計算厚度，然后進(jìn)一步選擇合適的加工方法，輸入正確的加工指令，最后完成拋光作業(yè)[18]。因為在拋光過程中采用了智能傳感器技術(shù)，所以在加工過程中保證了工件的安

21、全生產(chǎn)，避免發(fā)生意外，一定程度上增加了安全系數(shù)。因為機(jī)器人采用多維度加工方法，所以能夠加工各種形狀、各種規(guī)格的零件[19]。下圖1.7為新松機(jī)器人車間，圖1.8為新松研磨拋光機(jī)器人。 圖1.7 新松機(jī)器人車間 圖1.8 新松拋光機(jī)器人 總體來看新松機(jī)器人在國內(nèi)人工智能以及專業(yè)設(shè)備方面取得了很大成就，同時也處在領(lǐng)先地位。 1.3 主要研究內(nèi)容 本課題主要針對目前國內(nèi)拋光行業(yè)發(fā)展緩慢，部分地區(qū)依然采用人工拋光的現(xiàn)狀。設(shè)計了一臺五軸拋光機(jī)，這臺拋光機(jī)擁有三個直線軸和兩個回轉(zhuǎn)軸，能夠多角度對不同形狀零件進(jìn)行精密拋光，很大程度上解決了生產(chǎn)效率低的問題，同時也使拋光質(zhì)量更加穩(wěn)定。 本文

22、主要研究內(nèi)容如下： 1.針對工件的外型尺寸和結(jié)構(gòu)特點，分析拋光機(jī)的運動形式，確定拋光機(jī)為五軸聯(lián)動機(jī)床，分別包含三個直線軸和兩個回轉(zhuǎn)軸。 2.設(shè)計拋光機(jī)主要元件的型號及尺寸，根據(jù)實際情況設(shè)計五軸拋光機(jī)中滑軌、滑塊、絲杠、電機(jī)座尺寸及校核。 3.選擇拋光機(jī)電機(jī)型號，針對拋光件的特點，結(jié)合拋光機(jī)的運動形式，確定使拋光機(jī)正常驅(qū)動的電機(jī)型號。 4.五軸拋光機(jī)圖紙繪制，根據(jù)設(shè)計尺寸使用Solidworks和CAD進(jìn)行三維建模和二維圖紙的繪制。 1.4 設(shè)計成果部分 本次設(shè)計全程采用Solidworks軟件進(jìn)行三維模型設(shè)計并且運用CAD軟件對二維圖紙進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計過程中采用Solidworks軟

23、件進(jìn)行三維建模和整體裝配，Solidworks軟件在三維建模的處理上擁有較好的處理方式，可以通過多種途徑進(jìn)行三維建模，還可以利用其自身強(qiáng)大而豐富的標(biāo)準(zhǔn)件庫實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計，Solidworks還可以進(jìn)行工程圖輸出，可以將設(shè)計好的三維模型轉(zhuǎn)化成二維圖紙，最終采用CAD軟件對輸出的二維圖進(jìn)行修改，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，采用三維和二維并用的設(shè)計方式，保證的設(shè)計產(chǎn)品的真實性和可靠性。 本次設(shè)計成果包括： 畢業(yè)設(shè)計說明書：1份； 五軸拋光機(jī)的零件三維造型及裝配模型，電子文件，一套； 五軸拋光機(jī)的所有非標(biāo)零件圖（標(biāo)準(zhǔn)CAD圖電子文件）電子文件一套； 相對復(fù)雜的非標(biāo)零件打印圖紙：3張； 五軸拋光機(jī)裝配圖打

24、印圖紙：1張； 五軸拋光機(jī)實物模型：1件。 1.5本章小結(jié) 本章主要闡述了拋光技術(shù)的發(fā)展以及拋光設(shè)備的逐漸健全，結(jié)合工件精加工需求，擬定三個直線進(jìn)給軸和兩個回轉(zhuǎn)軸，設(shè)計五軸聯(lián)動拋光機(jī)，并規(guī)劃本次設(shè)計的預(yù)期設(shè)計成果。 2 五軸拋光機(jī)整體設(shè)計方案 2.1整機(jī)結(jié)構(gòu)及功能概述 本文設(shè)計的五軸拋光機(jī)（如圖2.1所示）工作時主要傳動為電機(jī)啟動帶動三個直線軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行運動，三個直線軸分別控制三個不同方向分別為X、Y、Z,實現(xiàn)工件的精準(zhǔn)定位，兩個旋轉(zhuǎn)軸分別控制拋光工件和砂輪的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)精密拋光，以此來實現(xiàn)工作要求。 圖2.1五軸拋光機(jī)簡圖 拋光機(jī)

25、機(jī)床在安裝的時候，要確保各部分結(jié)構(gòu)安裝精度準(zhǔn)確，才能更好的達(dá)到預(yù)期加工要求。機(jī)床的X軸與底座通過螺栓固定連接，并且通過定位銷精準(zhǔn)定位，在整體裝配的過程中要進(jìn)行精確測量控制誤差[20,21]。電機(jī)通過聯(lián)軸器連接滾珠絲杠，電機(jī)運行驅(qū)動滾珠絲杠做回轉(zhuǎn)運動，滾珠絲杠上的螺母副就會做直線運動，控制工作臺沿X方向的直線進(jìn)給。圖2.2給出了X軸運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其它直線軸運動系統(tǒng)均與此類似。 圖2.2 拋光機(jī)X軸運動結(jié)構(gòu)圖 2.2機(jī)床主要技術(shù)參數(shù) 拋光機(jī)主要是對金屬工件表面進(jìn)行拋光加工，對工件表面的定位要求很高，也要保證拋光加工的精度。綜合考慮多種情況設(shè)計工件尺寸及技術(shù)參數(shù)如下表2.1。 表

26、2.1 機(jī)床尺寸及技術(shù)參數(shù) 設(shè)計部分 技術(shù)參數(shù) 拋光機(jī)主體結(jié)構(gòu) 拋光機(jī)外形尺寸 電機(jī)功率 直線軸有效行程 回轉(zhuǎn)軸角度范圍 直線軸重復(fù)定位精度 五軸聯(lián)動（X、Y、Z、A、C軸） 1.6m×1.5m×2.0m X軸：0.4kw Y軸：0.4kw Z軸：0.4kw A軸：0.4kw C軸：0.4kw 主軸：4kw X軸：500mm Y軸：410mm Z軸：400mm A軸：-30°—+120° C軸：±360° 0.02mm 2.3傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 2.3.1電機(jī)的選擇 工作條件：?（1）室內(nèi)工作，噪聲?。?

27、 ?（2）電機(jī)每天工做12小時，每年工作300天； ?（3）三相交流（220v/380v）電源； ?（4）大批量生產(chǎn)，輸送速度誤差低于4%； 滿足整個機(jī)器的傳動效率和減小主要部件磨損 降低整機(jī)的噪音和增加機(jī)器的平穩(wěn)型保障操作人員的安全[22]。將五軸拋光機(jī)電機(jī)型號定為異步電動機(jī)YB-132S-4，電動機(jī)的主功率為4.4KW,選取拋光機(jī)電機(jī)的超載系數(shù)為K=1.1, （2-1） 具體參數(shù)如表2.2所示 表2.2電動機(jī)參數(shù) 電動機(jī)型號 額定功率 滿載轉(zhuǎn)速 級數(shù) 同步轉(zhuǎn)速 YB-132S-4

28、4KW 1440r/min 4級 1500r/min Y系列電動機(jī)的優(yōu)點是運行可靠、壽命長性能優(yōu)良、體積小、重量輕、維護(hù)方便、轉(zhuǎn)動慣量小、節(jié)能等優(yōu)點，所選的YB-132S-4電動機(jī)符合設(shè)計要求。 2.3.2滾珠絲杠的選擇 各個軸都采用日本進(jìn)口的THK滾珠絲杠，日本進(jìn)口的THK滾珠絲杠的導(dǎo)程精度標(biāo)準(zhǔn)遵循JIS規(guī)格[23]，為了確保機(jī)床能夠有校準(zhǔn)的定位精度以及直線行走精度，我們選擇的滾珠絲杠型號為C5[24,25].依據(jù)THK絲杠的軸徑與導(dǎo)程配合表如圖2.3設(shè)定滾珠絲杠外徑尺寸為20mm，導(dǎo)程為10mm。 圖2.3 THK滾珠絲杠軸徑與導(dǎo)程組合 （1）容許轉(zhuǎn)速

29、通過計算確定滾珠絲杠的容許轉(zhuǎn)速，計算如下式（2-1）: （2-2） 式中 N 為容許轉(zhuǎn)速（）；λ是和安裝相關(guān)的參數(shù)，取值15；d（mm）是滾珠絲杠軸螺紋的小徑；L（mm）是安裝間距[26,27]。表2.3是各軸滾珠絲杠的容許轉(zhuǎn)速計算結(jié)果。 表2.3 容許轉(zhuǎn)速 絲杠位置 X軸 Y軸 Z軸 2962 3580 6218 （2）軸向載荷計算 水平使用滾珠絲杠，產(chǎn)生的水平受力，如圖 2.4 受力分析。 圖2.4 受力分析 軸向

30、載荷（N）按下式計算： （2-3） （2-4） （2-5） （2-6） （2-7） （2-8） （2-9） ∶去路加速時的軸向載荷（

31、N）； ∶去路勻速時的軸向載荷（N）； ∶去路減速時的軸向載荷（N）； ∶回路加速時的軸向載荷（N）； ∶回路勻速時的軸向載荷（N）； ∶回路減速時的軸向載荷（N）； ∶加速度（）；∶最高速度（）； ∶加/減速時間（s） 根據(jù) THK 使用說明書，摩擦系數(shù) 取值為 0.03；無負(fù)荷時阻力取值為15N。（kg）為工作時的負(fù)載質(zhì)量。根據(jù)以上分析，水平運動時最大軸向力為 （N）。 通常情況下，靜額定載荷()是等于絲杠的容許軸向載荷。但在現(xiàn)實生活中，滾珠絲杠加速和減速運動都會產(chǎn)生慣性力，并且我們還要考慮滾珠絲杠運動時所遭受的外力，所以才要求最大軸向荷載小于容許軸向荷載[28,29]。

32、容許軸向載荷的計算式如下： （2-10） ∶容許軸向載荷（kN）； ∶靜額定載荷（kN），取值為 11KN； ∶靜態(tài)安全數(shù),取值為 1.5。 滾珠絲杠在垂直方向所受的力，如圖 2.5 受力分析。 圖2.5 受力分析 軸向載荷（N）按下式計算： （2-11） （2-12） （2-13）

33、 （2-14） （2-15） （2-16） （2-17） ∶上升加速時的軸向載荷（N）； ∶上升勻速時的軸向載荷（N）； ∶上升減速時的軸向載荷（N）； ∶下降加速時的軸向載荷（N）； ∶下降勻速時的軸向載荷（N）； ∶下降減速時的軸向載荷（N）； ∶加速度（）；∶最高速度（）； ∶加/減速時間（s） 根據(jù) THK 使用說明書，摩擦系數(shù) 取值為 0.03；無負(fù)荷

34、時阻力取值為15N。（kg）為工作時的負(fù)載質(zhì)量。根據(jù)以上分析，水平運動時最大軸向力為 （N）。 同理需要考慮容許軸向荷載： （2-18） 通過絲杠的軸向平均負(fù)荷才能進(jìn)行計算絲杠的壽命。軸向平均負(fù)荷是指沿絲杠旋轉(zhuǎn)軸線作用的平均負(fù)荷[30,31]。根據(jù)下式可計算出滾珠絲杠的軸向平均負(fù)荷： （2-19） ∶軸向平均載荷（N）；（=1，2???6）∶載荷作用下的距離（mm）； ∶總的運行距離（mm）。 滾珠絲杠傳動時速度時間圖象如下圖2.6。 圖2.6 速度-時間

35、關(guān)系 （=1，2???6）計算如下： （2-20） （2-21） （2-22） ：加速運動時間（s）；：勻速運動時間（s）：減速運動時間（s）; ：運動最大速度（）。 （3）絲杠使用壽命計算 滾珠絲杠在使用一段時間或者一定的轉(zhuǎn)數(shù)后，在絲杠的滾動面或者鋼球兩者中任何一方，因為絲杠材質(zhì)的滾動疲勞導(dǎo)致產(chǎn)生材料表面剝落，導(dǎo)致這一現(xiàn)象所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)數(shù)就是滾珠絲

36、杠的使用壽命。但是還存在一種額定壽命，它是滾珠絲杠壽命的基準(zhǔn)。額定壽命就是指同一批出產(chǎn)的相同的滾珠絲杠在同一種條件下分別運行，其中有90%不會因滾動產(chǎn)生表面材料剝落即所能達(dá)到的總轉(zhuǎn)數(shù)。滾珠絲杠額定壽命計算如式。 (2-23) L:額定壽命（總轉(zhuǎn)數(shù)） ：負(fù)載系數(shù) 取值1.2 ：基本動額定載荷 取值為7 :軸向平均載荷 依據(jù)額定壽命L以及滾珠絲杠的導(dǎo)程，計算絲杠運行的距離壽命如下式： (2-24) :絲杠運行的距離壽命

37、 L：額定壽命 :滾珠絲杠的導(dǎo)程 綜上所述，依據(jù)THK提供的數(shù)據(jù)，對滾珠絲杠的三個直線進(jìn)給軸相關(guān)的計算如下表： 表2.4 直線進(jìn)給軸相關(guān)數(shù)據(jù) X軸 Y軸 Z軸 98.2 76.1 455 7333 7333 7333 31.9 27.1 407.6 根據(jù)上表數(shù)據(jù)，軸的選擇符合要求。 2.3.3機(jī)床主電路的設(shè)計 在實際安裝過程中，電力方面會受到很多因素影響，比如用電的高低峰時間，所以我們要對拋光機(jī)用電進(jìn)行保護(hù)，要確保輸出的電壓為220V交流電[32-34]。我

38、們設(shè)計五軸拋光機(jī)輸入三項380V交流電，然后需要一個變壓器進(jìn)行變壓，再從變壓器向五軸拋光機(jī)輸出220V交流電，功率設(shè)定為6Kw。為了保證人員和設(shè)備安全，分別設(shè)立開關(guān)控制兩個上電工作，并為其安裝兩個指示燈，實時顯示工作狀態(tài)[35]。如圖 2.7（a）和（b）原理圖所示。 圖2.7 （a）380V變壓器上電 圖2.7（b）220V五軸拋光機(jī)上電 2.3.4機(jī)床控制電路設(shè)計 拋光機(jī)機(jī)床控制電路設(shè)計是整個控制電路的核心，通過數(shù)控系統(tǒng)來控制整個電路，所以數(shù)控系統(tǒng)也可以說成是機(jī)床控制電路的核心，我們把機(jī)床拋光每個軸所需要的運動方式編成數(shù)控程序，再把這些數(shù)控程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，通過數(shù)

39、控系統(tǒng)自身來讀取識別輸入程序的內(nèi)容，并將其化做指令傳送到相應(yīng)的驅(qū)動器，再進(jìn)行伺服電機(jī)的驅(qū)動，從而實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的整體運動[36]。伺服電機(jī)到驅(qū)動器有一個編碼器，這是一個反饋的環(huán)節(jié)，伺服系統(tǒng)有兩個重要組成部分，分別是編碼器和伺服驅(qū)動器，可以通過編碼器獲得很多重要的信息，比如扭矩和轉(zhuǎn)子速度等。進(jìn)而能夠根據(jù)反饋回來的信息進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)位置和速度的目的。數(shù)控系統(tǒng)還能夠輸出指令使夾具夾緊或松開，以達(dá)到控制夾具的目的，數(shù)控系統(tǒng)也能夠發(fā)出指令來控制磨削液的開關(guān)以及磨削液釋放的多少，同時也能發(fā)出指令控制三色報警燈，實時關(guān)注拋光工件的安全系數(shù)。最后數(shù)控機(jī)床還會發(fā)出位置光電傳感器信號反饋給數(shù)控系統(tǒng)[37

40、,38]，用來提示操作人員機(jī)床運行動作的完成。下圖2.8是整機(jī)控制系統(tǒng)的示意圖。 圖2.8 整機(jī)控制系統(tǒng) 以上對五軸拋光機(jī)的整機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并且設(shè)計了機(jī)床的核心控制系統(tǒng)，為了完成電路的整機(jī)設(shè)計，分為機(jī)床主電路設(shè)計和控制電路設(shè)計，同時電源需要通過穩(wěn)壓器輸出所需電壓交流電，來實現(xiàn)機(jī)床的自動化集成。 2.4 本章小結(jié) 本章主要闡述了五軸拋光機(jī)的整體設(shè)計方案，對電機(jī)和滾珠絲杠做了選擇，確保五軸拋光機(jī)能夠正常運行，并對機(jī)床的主電路和控制電路進(jìn)行了設(shè)計，使機(jī)床能夠更加安全合理運行。 3 五軸拋光機(jī)建模及圖紙 目前國內(nèi)市場依靠人力拋光加工效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，工期長的現(xiàn)狀，現(xiàn)代制造業(yè)

41、朝著高科技方向發(fā)展，隨著自動化設(shè)備的不斷發(fā)展應(yīng)用，自動化的拋光設(shè)備也隨著時代潮流應(yīng)運而生，拋光技術(shù)也得到了成熟的應(yīng)用，逐漸滿足市場需求。為了滿足市場需求開發(fā)了一臺五軸自動化拋光機(jī)，具有專門的自動夾持模塊和工具系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)工件的精確定位和精密拋光，極大的提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量精度。本文五軸拋光機(jī)的三維建模使用Solidworks軟件，模擬裝配，找出不足之處并進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減少設(shè)計周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低費用的目的。隨后為了實現(xiàn)模擬生產(chǎn)流程，使用CAD進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)件和總裝圖的繪制。 3.1三維建模 以下是各主要組件模型： 表3.1電機(jī)座 A軸電機(jī)座

42、 C軸電機(jī)座 X軸電機(jī)座 Y軸電機(jī)座 Z軸電機(jī)座 表3.2 X軸主要零部件 X軸床身 X軸導(dǎo)軌 X軸導(dǎo)軌滑塊 X軸滑板 表3.3 Z軸主要零部件 Z軸導(dǎo)軌 Z軸導(dǎo)軌滑塊 Z軸滑板 Z軸立柱 表3.4 Y軸主要零部件 Y軸導(dǎo)軌 Y軸導(dǎo)軌滑塊 Y軸滑板 表3.5 其余主要零部件 C軸臺

43、 C軸轉(zhuǎn)軸 夾具 主軸座 3.2總裝模型 按照實際情況進(jìn)行裝配，依次將各個零部件組裝到底座上，同時注意各個零件位置按順序進(jìn)行合理裝配，能夠保證和真實拋光機(jī)加工的零件位置關(guān)系一致，才能夠準(zhǔn)確完成整機(jī)裝配，圖 3.1 為仿真裝配示意圖。 圖3.1總裝圖 3.3 本章小結(jié) 本章主要介紹各個零件如何繪制以及三維模型，并且對各個工件按照先后順序進(jìn)行裝配，來完成模型的總裝。 結(jié) 論 當(dāng)今時代裝備制造業(yè)和工業(yè)自動化發(fā)展迅猛，國內(nèi)輕工業(yè)也進(jìn)行創(chuàng)新，不斷有新鮮事物涌向市場，人們對新事物的要求也就越來越高，當(dāng)下制造業(yè)也在創(chuàng)新，大部分工廠面臨轉(zhuǎn)型的巨大壓力，它們要盡力去生

44、產(chǎn)出符合當(dāng)代年輕人審美的產(chǎn)品，而且當(dāng)代年輕人對產(chǎn)品的外殼手感以及表面質(zhì)量要求極高，比如手機(jī)、平板電腦的金屬外殼。所以同行企業(yè)之間的競爭壓力越來越大，他們只能不斷創(chuàng)新來滿足顧客新的需要，這樣才能產(chǎn)生更大的收益。 目前來看五軸拋光機(jī)能夠滿足現(xiàn)在國內(nèi)數(shù)控拋光領(lǐng)域的空缺，同時也是數(shù)控加工所要發(fā)展的方向，為了滿足廣大客戶的使用要求，做到結(jié)構(gòu)外形盡可能簡潔美觀，同時降低加工成本，機(jī)器的實際操作性強(qiáng)，安全可靠。其中傳動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的優(yōu)化，在保證工作效率的前提下能夠適當(dāng)?shù)慕档透鞑糠植考哪p。研制的五軸拋光機(jī)可以極大提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，并且可以全面取代手工拋光，滿足加工要求

45、。 通過對五軸拋光機(jī)機(jī)床運動方式的選擇，以及對電機(jī)和滾珠絲杠進(jìn)行的參數(shù)計算，確保選擇了合適的電機(jī)和滾珠絲杠，并且對機(jī)床進(jìn)行了主電路和控制電路設(shè)計，保證輸入五軸拋光機(jī)電壓為220V交流電，合理設(shè)計機(jī)床的運行這樣才能保證拋光機(jī)的正常運行，才能使拋光機(jī)的所有功能得以實現(xiàn)。 現(xiàn)在國內(nèi)很多家企業(yè)正在不斷崛起，在拋光機(jī)領(lǐng)域也有很多家企業(yè)，他們不斷的革新設(shè)備，使拋光技術(shù)越發(fā)成熟。由于個人能力有限，研究中提到的五軸拋光機(jī)內(nèi)容還可以進(jìn)行完善，也存在發(fā)展空間，我期望可以通過以下三個內(nèi)容進(jìn)行深入研究： （1）拋光磨盤是決定拋光工件質(zhì)量的根本因素。所以我們應(yīng)該尋找更加合適的磨盤材料，比如熱膨脹系數(shù)很低的材料，

46、這種材料能夠大大提高拋光工件的質(zhì)量。 （2）可以對機(jī)床外殼進(jìn)行升級，使拋光環(huán)境是一個全封閉狀態(tài)，這樣也能提高拋光機(jī)的拋光精度。 （3）改變機(jī)械結(jié)構(gòu)，增加磨盤和夾具數(shù)量。論文中提到的五軸拋光機(jī)僅為單工位，如果能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)增加工位，由單工位轉(zhuǎn)化為多工位，更加能夠提高工作效率，減少零件的加工時間。 參考文獻(xiàn) [1]于常友.工業(yè)自動化技術(shù)的特點及工業(yè)自動化的重要性[J].冶金自動化,2001,3(02):1-5. [2]章昌南.淺談我國工業(yè)自動化發(fā)展?fàn)顩r[J].金屬加工,2008,12(19):2-5. [3]于加榮.工業(yè)自動化控制的現(xiàn)狀及趨勢探析[J].電子世界,2014,5(

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55、兢業(yè)業(yè)，用心負(fù)責(zé)，對于我不明白的問題，老師悉心傳授；對于我犯過的錯誤，老師耐心指正。我佩服老師在專業(yè)上的嚴(yán)謹(jǐn)和對生活的熱情，就像一盞指路的明燈，時刻指引我向前，偉人、名人固然為我所崇拜，可是我更迫切的想把我的敬意獻(xiàn)給我的指導(dǎo)老師。 如果沒有兩位老師的支持，我可能無法順利完成我的畢業(yè)設(shè)計，在此僅代表本人向兩位老師表示深深的感謝和崇高的敬意。 感謝那些在我撰寫論文過程中幫助我的同學(xué)，感謝他們帶給我的無限動力，他們是我大學(xué)生涯中的風(fēng)帆，同樣也是人生路上的明燈，是他們給了我前進(jìn)的動力，是他們幫助我戰(zhàn)勝困難，走向成功，同時感謝他們對我大學(xué)四年生活的幫助。 感謝學(xué)校讓我從懵懂的高中生快速的轉(zhuǎn)變成新時代的大學(xué)生，感謝學(xué)校積極開展各項校園活動豐富了視野、灌輸了知識，使我們在活動中受益匪淺，感謝學(xué)校在我四年的學(xué)習(xí)生活中給予的幫助。 最后，感謝那些給我精神支持的人。在大學(xué)生活中，給我熱情的老師，同學(xué)和家人，他們是我生命中不斷努力的動力，也是我人生經(jīng)歷中最寶貴的精神財富，因為他們是無私的，沒有老師和同學(xué)的幫助，我永遠(yuǎn)不會成功?？傊@篇論文可以成功地完成，凝聚了許多老師、同學(xué)和朋友的期望和努力，再次對那些在論文完成過程中關(guān)心、幫助過我的老師和同學(xué)們表示衷心的感謝！