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摘 要
設(shè)計(jì)的題目是數(shù)控平面磨床設(shè)計(jì)，主要用于加工磨削平面，使加工面達(dá)到要求的粗糙度。
本設(shè)計(jì)包括機(jī)械部分設(shè)計(jì)和控制部分設(shè)計(jì)，機(jī)械部分設(shè)計(jì)主要包括：總體設(shè)計(jì)、砂輪架（磨頭）設(shè)計(jì)、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、橫向進(jìn)給（工作臺(tái)進(jìn)給）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。控制部分設(shè)計(jì)主要包括：硬件電路設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)控制、單片機(jī)控制。
緒論部分對(duì)精密加工的作用和地位做了介紹，闡述了精密磨削技術(shù)的發(fā)展和背景，同時(shí)還有介紹其工藝特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外磨削技術(shù)的現(xiàn)狀。
總體設(shè)計(jì)跟砂輪架設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要的介紹，主要是對(duì)垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)、橫向進(jìn)給（工作臺(tái)進(jìn)給）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)硬件電路也做出了研究。
本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：所設(shè)計(jì)的數(shù)控平面磨床能通過(guò)電磁鐵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)固定工件，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)磨削。
關(guān)鍵詞：精密，數(shù)控，平面磨床，垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)
Abstract
Project topic is the design of CNC surface grinding machine for the processing of grinding surface, so that processing of the required surface roughness.
The design includes the design and control of some mechanical design, mechanical design including: design, wheel frame (grinding) design, vertical feed mechanism design, horizontal feed (table feed) mechanism design, vertical feed mechanism design. Control part of the design including: hardware design, hydraulic system control, microprocessor control.
The preface introduces the background of flat surface grinding, its characteristics and its present situation of development at home and abroad. At the same time, the trend development of flat surface grinding is introduced.
There is a simple introduce for the general layout design and the design of grinding head. And the mostly introduce are the design of vertical feed ,the tiny displacement workbench structure and the designing for numerical (NC) system.
The design features: CNC surface grinding machine designed for automatic fixed workpiece through the electromagnet, and can automatically grinding.
Keywords: precision, Numerical Control, plane grind, grinding head.
目 錄
第1章 緒論 ………………………………………………….……………………… 1
1.1 課題背景及實(shí)際意義………………………….....…..………………………1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況……………………………………...………………………2
1.2.1 國(guó)外數(shù)控磨削的發(fā)展………………………..……………………..……2
1.2.2 國(guó)內(nèi)數(shù)控磨削的發(fā)展……………………..………………..……………4
1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)與論文組成…………….…………………………….….……5
1.4 本課題的研究方法……………….………………………………..…………6
第2章 數(shù)控平面磨床總體設(shè)計(jì) ………………………………….…..…..….………7
2.1 磨床簡(jiǎn)介 ………………...…………………………………..…..…..………7
2.2 主要結(jié)構(gòu)及其說(shuō)明……………...……………………………………………9
2.3 磨床技術(shù)規(guī)格……………….…………………..…………………………..10
2.4 磨床總體布局設(shè)計(jì)………...……………………..…………………………10
2.5 磨床總體傳動(dòng)設(shè)計(jì)…………...……………………..………………………12
第3章 砂輪架（磨頭）設(shè)計(jì)…………………..………………………………………17
3.1 砂輪架設(shè)計(jì) ……………………….……………………..…………………17
3.2 砂輪架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)…………………...…………………..…………………21
第4章 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ………………………………………………………22
4.1 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)……………...…………..……………………22
4.2 確定垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)方案…………………...…………..……………………23
4.3 滾珠絲桿副介紹………………………...……………..……………………24
4.4 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算………..…………….………………..………………27
4.5 垂直進(jìn)給電機(jī)的功率計(jì)算…………………...……………..………………28
第5章 橫向進(jìn)給（工作臺(tái)進(jìn)給）機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)……………………..…………………29
5.1 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)…………...…………………..………………29
5.2 確定橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)方案………………...…………………..………………30
5.3 液壓系統(tǒng)介紹………………………………...………………..……………31
5.4 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算………………………...……………..…………………32
第6章 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………...…………...…………………36
6.1 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)…………...……………..……………………36
6.2 確定縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)方案…………………...…………..……………………37
6.3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算………………….……………………………………38
6.4 縱向進(jìn)給電機(jī)的功率計(jì)算……………………..……..….…………………39
第7章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ………………………………………………………………40
7.1 控制器的選擇…………………………..………………..…….……………40
7.2 流程圖…………………………..………………….........…………………..41
7.3 硬件電路的設(shè)計(jì)……………………..………..…….………………………41
第8章 總結(jié)…………………………………..……………...………….……………45
致謝……………………………………………………………...……………………46
參考文獻(xiàn)………………………………………………………...……………………47
附 錄……………………………………………………………………………….…48
IV
第1章 緒論
1.1 課題背景及實(shí)際意義
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。
制造業(yè)的竟?fàn)幰褟脑缙诮档蛣趧?dòng)力成本、產(chǎn)品成本，提高企業(yè)整體效率和質(zhì)量的竟?fàn)?，發(fā)展到全面滿足顧客要求、積極開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的竟?fàn)?，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)贏得竟?fàn)幒蜕?、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)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。
數(shù)控平面磨床是一種效率高、精度高的數(shù)控加工機(jī)床，它比普通磨床有很多優(yōu)勢(shì)，具體實(shí)際應(yīng)用意義有以下幾點(diǎn)：
1.大大提高生產(chǎn)效率。數(shù)控平面磨床即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化效率可比傳統(tǒng)平面磨床提高3至5倍。對(duì)復(fù)雜零件而言難度越高功效提高越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。
2.數(shù)控平面磨床在機(jī)械制造中作用和地位提高。隨著磨削技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控平面磨床的應(yīng)用日益擴(kuò)大，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家磨床占機(jī)床總數(shù)的40%，在軸承制造業(yè)中多達(dá)60%，因此磨削技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中占重要地位，而數(shù)控平面磨床由于磨削精度高、效率高很適應(yīng)工程材料不斷發(fā)展的需要。
3.性能穩(wěn)定可靠。目前數(shù)控技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)，為數(shù)控平面磨床提供了可靠的數(shù)控技術(shù)保障，因此數(shù)控平面磨床的設(shè)計(jì)有適應(yīng)和應(yīng)用新技術(shù)的意義。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況
平面磨床相對(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。近十幾年來(lái)，借助CNC技術(shù)，磨床上砂輪的連續(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)在平面磨床上逐步普及。在近年漢諾威、東京、芝加哥、及國(guó)內(nèi)等大型機(jī)床展覽會(huì)上，CNC磨床在整個(gè)磨床展品中已占大多數(shù)，如德國(guó)BLOHM公司，ELB公司等著名磨床制造廠已經(jīng)不再生產(chǎn)普通磨床，日本的岡本、日興等公司也成批生產(chǎn)全功能CNC平磨，在開(kāi)發(fā)高檔數(shù)控平磨的同時(shí)，積極發(fā)展中、低檔數(shù)控平磨。
1.2.1 國(guó)外數(shù)控磨削的發(fā)展
前幾年德國(guó)ELB公司生產(chǎn)的BRILLIANT系列二坐標(biāo)CNC成型磨床，其垂直和橫向?yàn)閿?shù)控軸，縱向?yàn)橐簤嚎刂疲拜喰拚捎冒惭b在工作臺(tái)上的金剛石滾輪，適用范圍較廣；SUPER-BRILLIANT系列是三坐標(biāo)CNC平面和成型磨床，床身用天然花崗巖制成，幾何精度極高，導(dǎo)軌用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，機(jī)械驅(qū)動(dòng)無(wú)反沖，從而保證工件有較好的表面光潔度；BRILLIANT-FUTURE為以上二個(gè)系列的改進(jìn)產(chǎn)品，床身用人造花崗巖制作，縱向用靜壓導(dǎo)軌，齒形帶傳動(dòng)，垂直和橫向?qū)к墳轭A(yù)加荷直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，滾珠絲杠傳動(dòng)，三軸CNC控制AC伺服電機(jī)，0.5μm的測(cè)量分辯率。同時(shí)ELB公司開(kāi)發(fā)了具有當(dāng)代最新技術(shù)的磨床產(chǎn)品，即以機(jī)電一體化和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的CAM-MASTER系列柔性磨加工單元，CAD-MASTER系列和COMPACT-MASTER系列磨削加工中心，控制軸最多可達(dá)到24軸，另外由于全面推行模塊化設(shè)計(jì)，使專(zhuān)用磨床制造周期縮短，ELB公司還開(kāi)發(fā)了多種高效專(zhuān)用磨床，如SFVG100/2專(zhuān)用磨床，具有可傾斜磨頭，連續(xù)修整，緩進(jìn)給，斜切入磨削功能，用十一根CNC控制軸，如同一臺(tái)磨加工中心。英國(guó)JONES%26amp;SHIPMAN公司與美國(guó)A-B公司開(kāi)發(fā)了A-B8600數(shù)控系統(tǒng)用于FORMAT5型數(shù)控平磨，由CNC控制液壓閥，驅(qū)動(dòng)縱向可調(diào)速運(yùn)動(dòng)，橫向與磨頭進(jìn)給用滾珠絲杠副，直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，間斷式砂輪修整，CRT圖形模擬顯示。同時(shí)還可以配用其他型號(hào)的數(shù)控系統(tǒng)，以滿足不同用戶的要求。
目前，隨半導(dǎo)體集成度的不斷提高，新推出的系統(tǒng)在外型上越來(lái)越小，結(jié)構(gòu)上越來(lái)越緊湊，功能上增加了遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)等等；操作界面向WINDOWS系統(tǒng)*近，增加鼠標(biāo)，搖控器等操作件。FANUC公司今年主要推出18I、16I、20I、21I系統(tǒng)，SIEMENS是840D、810D、802D均為結(jié)構(gòu)緊湊型系統(tǒng)。還有一些廠商如：臺(tái)灣精密機(jī)械研究發(fā)展中心開(kāi)發(fā)的PA8000NT系列CNC控制器，就使用了WINDOWS NC操作系統(tǒng)，和NT即時(shí)多工處理核心，單節(jié)程序處理速度達(dá)2000塊/秒，單節(jié)預(yù)讀處理數(shù)可達(dá)1000塊，具有AART(預(yù)適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù))及參數(shù)最佳化學(xué)習(xí)功能，可使跟隨誤差趨近于零，軟件加工路徑濾波器可降低切削過(guò)程中，因加速度變化過(guò)大所產(chǎn)生的機(jī)械共振，從而改善表面粗糙度；配用伺服靈活，具備+、-10V類(lèi)比伺服界面，同時(shí)提供國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的SERCOS數(shù)字伺服通訊界面；PLC程序設(shè)計(jì)有梯形圖、結(jié)構(gòu)語(yǔ)句、功能塊、指令碼、流程圖等五種語(yǔ)法，便于設(shè)計(jì)、溝通和維護(hù)；具有計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程通訊，即時(shí)遠(yuǎn)程維護(hù)功能；控制軸和主軸最多可擴(kuò)展到64軸，I/O點(diǎn)可擴(kuò)展到792/528點(diǎn)，采用奔騰處理器，高速PLC處理速度達(dá)到25K。
世界上除有名的SIEMENS、FANUC等數(shù)控系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)廠已經(jīng)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了許多適用于平面或成型磨削的系統(tǒng)外，一些平磨生產(chǎn)廠本身也積極開(kāi)發(fā)了適用于其磨床的數(shù)控系統(tǒng)。主要有：
西門(mén)子公司的SINUMERIK 840D系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有二十多根伺服軸，坐標(biāo)連續(xù)行程控制，手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入或通過(guò)外部計(jì)算機(jī)輸入，遠(yuǎn)程診斷，可隨砂輪直徑減小而變化行程，砂輪修整量自動(dòng)補(bǔ)償，滾珠絲杠間隙誤差補(bǔ)償?shù)取?
西門(mén)子3G系統(tǒng)是專(zhuān)為磨削加工而開(kāi)發(fā)的，裝有用來(lái)人機(jī)對(duì)話的操作提示裝置，在軸線傾斜時(shí)，也可進(jìn)行直線和圓弧插補(bǔ)，在磨削中經(jīng)常出現(xiàn)的運(yùn)行循環(huán)，如主軸擺動(dòng)，用外部信號(hào)中斷執(zhí)行程序，砂輪切入，砂輪修整等專(zhuān)用準(zhǔn)備功能，編制固定循環(huán)程序。其不僅能使用外部測(cè)量裝置(開(kāi)關(guān)信號(hào))，還能當(dāng)連接上一個(gè)合適的測(cè)量頭時(shí)能直接去控制裝置與最終尺寸進(jìn)行比較。
美國(guó)ALLEY-BRANDLY公司生產(chǎn)的8400CNC、8600CNC數(shù)控系列，適用于車(chē)床、銑床和磨床，其8400CNC最多可控制6根伺服軸，任2軸可進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，任3軸可進(jìn)行螺旋線插補(bǔ)，6軸直線插補(bǔ)。8600CNC系列最多能控制17個(gè)坐標(biāo)，包括8個(gè)參與插補(bǔ)軸，8個(gè)位控制軸及1個(gè)主軸，具有圖形顯示，擴(kuò)展分支程序，顯示加工時(shí)間，高速程序校驗(yàn)，刀具壽命監(jiān)測(cè)等功能。
日本FANUC公司開(kāi)發(fā)了OG高速高性能數(shù)控系統(tǒng)，其中O-GSG適用于平面磨床，可根據(jù)磨削零件不同形狀，有四種不同的磨削方法，具有砂輪軸角度傾斜控制功能，荒磨、粗磨、精磨、無(wú)火花磨削一整套磨削循環(huán)，砂輪滾壓修整后位置補(bǔ)償功能，修整器相對(duì)于被修整輪法線方向控制功能，修整滾輪外緣圓弧半徑補(bǔ)償功能，砂輪形狀圖形顯示功能及磨削參數(shù)顯示等，系統(tǒng)最小設(shè)定單位0.1μm，屬“緊湊”型數(shù)控系統(tǒng)，價(jià)格較低。
另外還有如德國(guó)ELB公司與大學(xué)聯(lián)合研制的UNICON系統(tǒng)。日本大隈鐵工所OSP5000G-G，OSP30-NF等自行開(kāi)發(fā)的平面和成型磨削數(shù)控系統(tǒng)，其OSP5000G-G最多可控制9個(gè)坐標(biāo)，其中6個(gè)坐標(biāo)可聯(lián)動(dòng)，帶12英寸彩顯，人機(jī)對(duì)話編程，自動(dòng)確定切削系數(shù)，可采用軟盤(pán)輸入，納入FMS系統(tǒng)，最小脈沖當(dāng)量、移動(dòng)當(dāng)量和檢測(cè)當(dāng)量均為0.1μm，平磨上還采用了感應(yīng)同步器全閉環(huán)方式。
還有的平磨制造廠雖采用數(shù)控主機(jī)廠的系統(tǒng)，但自行開(kāi)發(fā)軟件，使用之更適合平面和成型磨削，如德國(guó)JUNG公司以西門(mén)子SINUMERIK 810為基礎(chǔ)，采用該公司專(zhuān)用軟件，用JUNG KONTUR編程語(yǔ)言對(duì)砂輪進(jìn)行成型修整，并有圖形輔助操作功能。日本岡本公司在FANUC公司數(shù)控系統(tǒng)硬件上，開(kāi)發(fā)了OPL語(yǔ)言用于磨削加工，等等。
當(dāng)今直線電機(jī)、動(dòng)平衡等技術(shù)、工藝的日益發(fā)展應(yīng)有，又大大提高了機(jī)床的工效，適宜的測(cè)量技術(shù)應(yīng)用對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)利用，增強(qiáng)機(jī)床的電氣自動(dòng)控制功能如虎添翼。
1.2.2 國(guó)內(nèi)數(shù)控磨削的發(fā)展
我國(guó)從80年代開(kāi)始生產(chǎn)數(shù)控平面磨床，各開(kāi)發(fā)廠家分別走過(guò)了自行研制，與大學(xué)及科研單位合作開(kāi)發(fā)至直接引進(jìn)成熟數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展道路。例如：杭州機(jī)床廠是一家具有五十年歷史，專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)平面磨床的制造廠，它從80年代中期開(kāi)始生產(chǎn)數(shù)控平磨，先后開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了MGK7132臥軸矩臺(tái)高精度平磨，MK7130系列普通數(shù)控平磨，MLK7140數(shù)控緩進(jìn)給成型磨，MGK7120、MK7163、MK7150臥軸矩臺(tái)數(shù)控平磨，MKY7760立軸數(shù)控雙端面磨，MKY7660、MKY7650/101臥軸數(shù)控雙端面磨，以及HZ-K1610，HZ-K2010，HZ-050 CNC，HZ-KD2010、HZ-K3015、HZ-K3020、HZ-K4020等專(zhuān)用數(shù)控龍門(mén)式平面與導(dǎo)軌磨床。數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，有與大專(zhuān)院校及科研單位合作研制的單板機(jī)系統(tǒng)，也有自行開(kāi)發(fā)的以單片機(jī)為主機(jī)的簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)，及采用數(shù)控主機(jī)廠生產(chǎn)的成熟數(shù)控系統(tǒng)等。
其生產(chǎn)的MGK7120高精度平磨，采用了日本FANUC公司的POWER MATE-D雙軸數(shù)控系統(tǒng)，控制磨頭進(jìn)給，最小進(jìn)給量0.1μm，具有自動(dòng)完成磨削循環(huán)功能。
MKY7650/101全自動(dòng)數(shù)控雙端面磨床是與意大利VIOTTO公司技術(shù)合作產(chǎn)品，采用西門(mén)子SIMATIC S5-115U可編程控制器控制，CRT顯示，機(jī)床的左、右磨頭由二軸直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)床能進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整和自動(dòng)磨削循環(huán)選擇。配有意大利馬爾波斯E9型測(cè)量系統(tǒng)，二個(gè)測(cè)量頭，一個(gè)測(cè)量砂輪，將砂輪磨損量反饋給控制系統(tǒng)，進(jìn)行砂輪補(bǔ)償；另一個(gè)測(cè)量頭測(cè)量磨削后的工件，并將測(cè)量結(jié)果輸入控制系統(tǒng)，由伺服電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償進(jìn)給；左、右磨頭用VIOTTO光柵作位置測(cè)量控制，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)從工件上料到磨削完畢的全閉環(huán)和全自動(dòng)加工。
HZ-050CNC數(shù)控直線滾動(dòng)導(dǎo)軌專(zhuān)用磨床，是為上海市科技結(jié)合生產(chǎn)重點(diǎn)工業(yè)項(xiàng)目第三次科技攻關(guān)項(xiàng)目而開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用磨床。既具有平面磨削功能又有成型磨削功能，它采用了美國(guó)A-B公司生產(chǎn)的8400MP數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)床有7根數(shù)控軸，X、Y、Z三根磨頭進(jìn)給軸和U、V、W三根砂輪修整軸由系統(tǒng)直接控制，另一軸Q為臥式砂輪橫向進(jìn)給(磨削平面用)通過(guò)SLC可編程控制器加IMC定位模塊，由系統(tǒng)I/O口輸入8400MP主機(jī)，控制其位置，具有在磨削中連續(xù)修整砂輪或間隙式砂輪修整補(bǔ)償進(jìn)給等自動(dòng)加工能力。
HZ-KD2010六軸數(shù)控龍門(mén)式雙磨頭平面磨床，采用FANUC-0MC數(shù)控系統(tǒng)，用四根CNC軸分別控制兩個(gè)磨頭的橫向和垂直進(jìn)給，用一根PMC軸控制周邊磨頭的砂輪修整器金剛筆進(jìn)給，另一根PMC軸控制萬(wàn)能磨頭的分度旋轉(zhuǎn)。充分利用了系統(tǒng)性能，降低生產(chǎn)成本，提高了機(jī)床的性價(jià)比。
1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)與論文組成
任務(wù)內(nèi)容：要求設(shè)計(jì)的數(shù)控平面磨床能夠?qū)崿F(xiàn)工件的自動(dòng)夾緊及磨削。
主要參數(shù)：最大磨削尺寸700×1600×675 ?mm?，工作臺(tái)速度??3-25 m/min，磨頭橫向進(jìn)給速度??0.15-3.75 m/min?，磨頭垂直給速度? 0.05-3.75 m/min?，砂輪線速度?35 m/s??，最大砂輪尺寸 (外徑×寬×內(nèi)徑)?500×75×203 ?mm，最大磨削力150N，磨削精度-5～5 。
工作量：本題目主要完成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
(1) 數(shù)控平面磨床總成圖 1張 0#
(2) 液壓缸部裝圖 1張 1#
(3) 液壓系統(tǒng)原理圖 1張1#
(4) 電氣控制系統(tǒng)原理圖 1張1#
(5) 程序流程圖及程序 1張1#
(6) 零件圖 2張2#
(7) 撰寫(xiě)15000字畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）一份；
(8) 完成不少于2000個(gè)單詞的外文資料譯文一份。
本文由緒論、總體設(shè)計(jì)、砂輪架（磨頭）設(shè)計(jì)、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、橫向進(jìn)給（工作臺(tái)進(jìn)給）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)控硬件設(shè)計(jì)、總結(jié)和致謝等幾個(gè)部分組成。
1.4 本課題的研究方法
所設(shè)計(jì)的數(shù)控平面磨床主要包括機(jī)械部分，控制部分。機(jī)械部分設(shè)計(jì)主要包括：總體設(shè)計(jì)、砂輪架（磨頭）設(shè)計(jì)、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、橫向進(jìn)給（工作臺(tái)進(jìn)給）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)?？刂撇糠衷O(shè)計(jì)主要包括：硬件電路設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)控制、單片機(jī)控制。將絲桿由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)。電機(jī)和液壓系統(tǒng)中的電磁換向閥由單片機(jī)控制，最終實(shí)現(xiàn)磨床的自動(dòng)控制。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-1：
圖 1-1 機(jī)械機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
第2章 數(shù)控平面磨床總體設(shè)計(jì)
2.1 磨床簡(jiǎn)介
(1) 工件的裝夾
在平面磨床上，采用電磁吸盤(pán)工作臺(tái)吸住工件。電磁吸盤(pán)工作臺(tái)的工作原理是當(dāng)線圈中通過(guò)直流電時(shí)，芯體被磁化，磁力線經(jīng)過(guò)蓋板-工件-蓋板-吸盤(pán)體而閉合，工件被吸住。電磁吸盤(pán)工作臺(tái)的絕磁層有鉛、銅或巴合金等非磁性材料制成、它的作用是使絕大部分磁力線都通過(guò)工件。結(jié)構(gòu)如圖2-1。
圖2-1 電磁吸盤(pán)的原理結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)磨削鍵、墊圈、薄壁套等小的零件時(shí)，由于工件于工作臺(tái)接觸面積小，吸力弱、容易被磨削力彈出造成事故，所以裝夾這類(lèi)工件時(shí)，需要工件四周或左右兩端用擋鐵圍住，以防工件移動(dòng)。小工件裝夾如圖2-1。
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圖2-2 裝夾工件
(2) 磨削的方法
圖2-3?? 平面磨削方法
①橫向磨削法
橫向磨削法如圖2-3a所示。這種磨削法是當(dāng)工作臺(tái)每次縱向行程終了時(shí)，磨頭作一次橫向進(jìn)給。等到工件表面上第一層金屬磨削完畢，砂輪按預(yù)選磨削深度作一次垂直進(jìn)給，接著照上述過(guò)程逐層磨削，直至把全部余量磨去，使工件達(dá)到所需尺寸。粗磨時(shí)，應(yīng)選較大垂直進(jìn)給量和橫向進(jìn)給量，精磨時(shí)則兩者均應(yīng)選較小值。
這種方法適用于磨削寬長(zhǎng)工件，也適用于相同小件按序排列集合磨削。
②深度磨削法
深度磨削法如圖2-3b所示。這種磨削法的縱向進(jìn)給量較小，砂輪只作兩次垂直進(jìn)給，第一次垂直進(jìn)給量等于全部粗磨余量，當(dāng)工作臺(tái)縱向行程終了時(shí)．將砂輪橫向移動(dòng)3／4～4／5的砂輪寬度，直到將工件整個(gè)表面的粗磨余量磨完為止。第二次垂直進(jìn)給量等于精磨余量。其磨削過(guò)程與橫向磨削法相同。
這種方法由于垂直進(jìn)給次數(shù)少，生產(chǎn)率較高，且加工質(zhì)量也有保證。但磨削抗力大，僅適用在動(dòng)力大、剛性好的磨床上磨較大的工件。
③階梯磨削法
如圖2-3c所示，階梯磨削法是按工件余量的大小，將砂輪修整成階梯形，使其在一次垂直進(jìn)給中磨去全部余量。用于粗磨的各階梯寬度和磨削深度都應(yīng)相同，而其精磨階梯的寬度則應(yīng)大于砂輪寬度的1／2，磨削深度等于精磨余量(0.03～0.05mm)。磨削時(shí)橫向進(jìn)給量應(yīng)小些。
由于磨削用量分配在各段階梯的輪面上，各段輪面的磨粒受力均勻，磨損也均勻，能較多地發(fā)揮砂輪的磨削性能。但砂輪修整工作較為麻煩．應(yīng)用上受到一定限制。
2.2 主要結(jié)構(gòu)及其說(shuō)明
主要結(jié)構(gòu)包含：立柱、砂輪箱托架、砂輪箱、工作臺(tái)、床身，如圖：2-4。
圖 2-4 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
(1) 立柱
立柱主要作用在于支撐砂輪箱托架，并起到砂輪箱移動(dòng)導(dǎo)向作用。立柱采用空心結(jié)構(gòu)，不僅能節(jié)省材料，且能保證剛度要求。
(2) 砂輪箱托架
砂輪箱托架作用在于托起砂輪，并對(duì)砂輪移動(dòng)起導(dǎo)向作用，提供砂輪移動(dòng)所需步進(jìn)電機(jī)的安裝平臺(tái)。
(3) 砂輪箱
砂輪箱里面安裝砂輪，以及砂輪主軸，異步電機(jī)，防護(hù)罩等裝置。它的作用是直接加工磨削工件。
(4) 工作臺(tái)
工作臺(tái)上面可以固定安裝電磁吸盤(pán)，并起到回收冷卻液并回流至水箱的作用。
(5) 床身
床身支撐工作臺(tái)，并為工作臺(tái)的移動(dòng)起導(dǎo)向作用，為液壓缸提供安裝平臺(tái)。
2.3 磨床技術(shù)規(guī)格
最大磨削尺寸700×1600×675 ?mm?，工作臺(tái)速度??3-25 m/min，磨頭橫向進(jìn)給速度??0.15-3.75 m/min?，磨頭垂直給速度? 0.05-3.75 m/min?，砂輪線速度?35 m/s??，最大砂輪尺寸 (外徑×寬×內(nèi)徑)?500×75×203 ?mm，最大磨削力150N，磨削精度-5～5 。
2.4 磨床總體布局設(shè)計(jì)
該磨床的總體設(shè)計(jì)包括：系統(tǒng)設(shè)計(jì)(包含數(shù)控裝置的功能設(shè)計(jì)、元件和部件設(shè)計(jì),程序段格式設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì))；邏輯設(shè)計(jì)(包含運(yùn)算器設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì))；機(jī)床主機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)主要對(duì)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
數(shù)控機(jī)床的功能設(shè)計(jì)和普通機(jī)床有著很大的差別。對(duì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求可歸納為如下幾個(gè)方面：
①具有很大的餓切削功率、高的靜、動(dòng)態(tài)剛度和良好的抗振性能；
②具有較高大的幾何精度、傳動(dòng)精度、定位精度和熱穩(wěn)定性；
③具有實(shí)現(xiàn)輔助操作自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)部件。
(1) 提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計(jì)
機(jī)床的剛度是指切削力和其它力作用下抵抗變形的能力，該磨床要求具有高的靜剛度和動(dòng)剛度。機(jī)床在切削過(guò)程當(dāng)中，承受的靜態(tài)力有運(yùn)動(dòng)部件和被加工零件的自重；承受的動(dòng)態(tài)力有砌學(xué)力、驅(qū)動(dòng)力、加減速器時(shí)引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機(jī)床的結(jié)構(gòu)部件在這些力作用下將產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致工件的加工誤差。為了使機(jī)床達(dá)到高大結(jié)構(gòu)剛度，獲得符合要求的工件，進(jìn)行如下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
①構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式的選擇
a. 選擇截面的形狀和尺寸
由于形狀相同的截面，當(dāng)保持相同的截面積時(shí)，應(yīng)減小臂厚，加大截面的輪廓尺寸，所以該機(jī)床的立柱、床身等支撐件做成型腔。圓形截面的抗扭剛度比方形截面的大，抗彎剛度比方形截面小，所以立柱、床身等承受彎曲載荷的部件做成方形，而象主軸等承受扭轉(zhuǎn)載荷的零件做成圓形。
由于封閉式截面的剛度比不封閉式截面的剛度大很多，因此該磨床采用封閉式床身。
由于臂上開(kāi)孔將使剛度下降，所開(kāi)孔部部件對(duì)剛度要求又很高，就在孔的周邊加上凸緣，以使抗彎剛度得到恢復(fù)。
b. 隔板和筋條的布置
合理布置支承件的隔板和筋條，可提高構(gòu)件的靜、動(dòng)剛度，磨床采用叉筋板的支承件，立柱內(nèi)部就是布置了交叉的筋條。
c. 構(gòu)件的局部剛度
磨床的導(dǎo)軌和支承件的連接部件，往往是局部剛度最弱的部分，但是聯(lián)接方式對(duì)局部剛度影響很大。在本次設(shè)計(jì)中，由于Z軸導(dǎo)軌較寬，故采用雙臂聯(lián)接形式；X、Y軸導(dǎo)軌較窄，采用單臂聯(lián)接，但在單臂上增加垂直筋條以提高局部剛度。
②結(jié)構(gòu)布局的設(shè)計(jì)
三坐標(biāo)數(shù)控磨床設(shè)計(jì)的主軸中心位于立柱的對(duì)稱面內(nèi)，主軸箱的自重不再引起立柱的變形，相同的切削力所引起的立柱的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形均大為減小，這相當(dāng)于提高了機(jī)床的剛度。另在立柱上方安裝兩組定滑輪來(lái)平衡重力，以減小立柱的變形。
(2) 提高機(jī)床的抗振性的措施
機(jī)床在加工時(shí)可能產(chǎn)生兩種形態(tài)的振動(dòng)：強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。機(jī)床的抗振性就是抵抗這兩種振動(dòng)的能力。
改善和提高抗振性應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：
①減少機(jī)床的內(nèi)部振源
機(jī)床高速旋轉(zhuǎn)主軸、帶輪均應(yīng)進(jìn)行平衡；裝配在一起的旋轉(zhuǎn)部件，應(yīng)該保證同軸，并且消除傳動(dòng)間隙，采用平衡裝置和降低往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的重量，以減小可能的激振力，裝在機(jī)床上的電機(jī)需隔振安裝。
②提高靜態(tài)剛度
提高靜態(tài)剛度可以提高構(gòu)件或系統(tǒng)的諧振頻率，從而避免發(fā)生共振。但為了提高情態(tài)剛度而引起的構(gòu)件質(zhì)量的增加，會(huì)使共振頻率發(fā)生騙移，這是不利的。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)提高單位質(zhì)量的個(gè)剛度。
③增加構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的阻尼
該磨床對(duì)滾動(dòng)軸承適當(dāng)預(yù)緊以增大阻尼，將型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零部件臂中，可以提高阻尼性。以減少振動(dòng)。
(3) 提高機(jī)床靈敏度
該三坐標(biāo)數(shù)控磨床通過(guò)數(shù)字信息來(lái)控制刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它要求在相當(dāng)大的進(jìn)給速度范圍內(nèi)都能達(dá)到較高的精度，因而運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)具有較高的靈敏度。導(dǎo)軌部分采用貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌，以減少摩擦力使其在低速時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象。工作臺(tái)、刀架等部件的移動(dòng)采用支流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)滾珠絲杠傳動(dòng)，減少了進(jìn)給系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)扭矩，提高了運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。
2.5 磨床總體傳動(dòng)設(shè)計(jì)
(1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床的主傳動(dòng)要求外,還提出如下要求:
①具有更大的調(diào)速范圍,并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。
數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。對(duì)于自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床，工序集中工件一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。
②具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。
數(shù)控機(jī)床加工精度的提高與主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動(dòng)件的精度與剛度，采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。
③良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。
數(shù)控機(jī)床一般即要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動(dòng)部件不平穩(wěn)以及切削過(guò)程中的自振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件，使加工無(wú)法進(jìn)行。因此主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動(dòng)的能力抗震性。抗震性用動(dòng)剛度或動(dòng)柔度來(lái)衡量。例如主軸組件的動(dòng)剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度，阻尼比及固有頻率等參數(shù)。
機(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之間的相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低傳動(dòng)效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過(guò)保持合適的配合精度，并進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑保持熱平衡等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。
(2) 主軸組件設(shè)計(jì)
①對(duì)主軸組件的性能要求
主軸組件是機(jī)床主要部件之一。它的性能對(duì)整機(jī)的性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速又很大，所以對(duì)主軸組件的主要性能特提出如下要求：
a.旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無(wú)載荷低速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，主軸安裝工件或刀具部件的定心表面（如該次設(shè)計(jì)的數(shù)控磨床主軸軸端的定心短錐采用7：24錐孔）的徑向和軸向跳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體、孔等的制造，裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤(rùn)滑劑和主軸組件的平衡。
b.剛度 主要反映機(jī)床或部件抵抗外載荷的能力。影響剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動(dòng)軸承的型號(hào)、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，前后支撐的跨距和主軸的前懸伸，傳動(dòng)件的布置方式等。數(shù)控機(jī)床即要完成粗加工，又要完成精加工，因此對(duì)其主軸組件的剛度應(yīng)提出更高的要求。
c.溫升 將引起熱變形使主軸伸長(zhǎng)，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會(huì)降低潤(rùn)滑劑的粘度，惡化潤(rùn)滑條件。因此，對(duì)高精度機(jī)床應(yīng)研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控溫等。
d.可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動(dòng)化的機(jī)床，所以必須保證工作可靠性，可喜的地方是這方面的研究正在發(fā)展。
e.精度保持性 對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長(zhǎng)期保持精度。
以上這些要求，有的還是矛盾的。例如高剛度與高速，高速與低升溫，高速與高精度等。這就要具體問(wèn)題具體分析，例如設(shè)計(jì)高效數(shù)控機(jī)床的主軸組件時(shí)，主軸應(yīng)滿足高速和高剛度的要求；設(shè)計(jì)高精度機(jī)床時(shí)，主軸應(yīng)滿足高剛度低溫升的要求。
②主軸組件的組成和軸承選型
a.主軸組件 包括主軸、軸承、傳動(dòng)件和相應(yīng)的緊固件。主軸組件的構(gòu)造，主要是支撐部分的構(gòu)造。主軸端部是標(biāo)準(zhǔn)的；傳動(dòng)件如聯(lián)軸器與一般機(jī)械零件相同。因此，研究主軸組件，主要是研究主軸的支撐部分。
b.主軸的傳動(dòng)件 可以位于前后支撐之間，也可位于后支撐之后的主軸后懸伸端。目前傳動(dòng)件位于后懸伸端的越來(lái)越多。這樣做，可以實(shí)現(xiàn)分離傳動(dòng)和模塊化設(shè)計(jì)。主軸組件（稱為主軸單元）還可以作成獨(dú)立的功能部件，又有專(zhuān)門(mén)的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。主軸可用聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。
c.主軸軸承 選深溝球軸承。這種軸承即可承受輕微徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常采用多聯(lián)組配的辦法。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承的外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸承的過(guò)盈加大。軸向膨脹將使過(guò)盈減少，于是，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹?；谏鲜龇治?，主軸受到彎矩，又屬高速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此主軸軸承必須采用多件組配。本機(jī)床支撐采用2個(gè)6208軸承。
d.軸承的間隙調(diào)整和預(yù)緊
主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整，多數(shù)軸承還應(yīng)在過(guò)盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動(dòng)體和導(dǎo)軌之間有一定的預(yù)變形，這就是軸承的預(yù)緊。
軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無(wú)間隙，滾動(dòng)體從各個(gè)方向支撐主軸，有利于提高運(yùn)動(dòng)精度。滾動(dòng)體的直徑不可能絕對(duì)相等，滾道也不可能絕對(duì)正圓，因而預(yù)緊前只有部分滾導(dǎo)體與滾道接觸。預(yù)緊后，滾導(dǎo)體和滾道都有一定的變形，參加工作的滾動(dòng)體將增多，各滾動(dòng)體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動(dòng)，則由于各個(gè)方面都有滾動(dòng)體支撐，可以提高抗震性。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高；且較大的預(yù)緊將使壽命下降，故預(yù)緊要適量。
e.承載能力和壽命
主軸軸承通常載荷相對(duì)較輕。除了這些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒(méi)有問(wèn)題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點(diǎn)蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為級(jí)，經(jīng)使用磨損后跳動(dòng)精度降為級(jí)，這個(gè)軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。雖然還未達(dá)到其疲勞壽命，但這種“精度壽命”目前還難以估計(jì)。
③主軸組件的技術(shù)要求
主軸與軸承相配合的技術(shù)要求直徑公差和形位公差。
為了得到主軸組件高的回轉(zhuǎn)精度，除保證主軸及其相關(guān)零件高的加工精度及采用精密主軸軸承外，還應(yīng)進(jìn)行定向裝配。
④主軸組件的動(dòng)態(tài)特性
a.平移 主軸作為一個(gè)剛體（實(shí)際上略有彎曲），在彈性支撐上作平移振動(dòng)，主軸各點(diǎn)的振動(dòng)方向一致。
b.搖擺 主軸在彈性支座上搖擺，左右振動(dòng)方向相反。
c.彎曲 主軸本身作彎曲振動(dòng)，主軸中間與兩端的振動(dòng)方向相反，有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位于支撐點(diǎn)附近。每個(gè)振型都有其固有頻率。每個(gè)振型固有頻率排列的次序，稱為階。上述三個(gè)振型的固有頻率，以平移振型為最低，彎曲振型為最高，三個(gè)振型分別為第一、二、三振型，振型和固有頻率合成為模態(tài)?？梢钥闯觯谝?、二階模態(tài)的彈性環(huán)節(jié)主要是軸承；第三階則主要是軸承。當(dāng)軸的剛度提高時(shí)，第一、二階模態(tài)的固有頻率也隨之提高，但第三階模態(tài)提高不多。
主軸是一個(gè)連續(xù)體，又無(wú)窮個(gè)模態(tài)。例如還有主軸的扭矩振動(dòng)、縱向振動(dòng)等。但是，這些模態(tài)的固有頻率較高，工作是不可能發(fā)生共振，所以，只需研究最低幾階模態(tài)，可用有限元法或傳遞矩陣法，借助計(jì)算機(jī)計(jì)算。
通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)高速主軸，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動(dòng)態(tài)特性，可采取下列措施。
首先使主軸組件的固有頻率避開(kāi)激振力頻率。通常使固有頻率高于激振頻率的30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上（軸承）的剛體振動(dòng)的第一階（平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動(dòng)，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。
其次增大比尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動(dòng)。這時(shí)主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對(duì)主軸組件的抗震性影響很大。如果要求得到很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動(dòng)軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過(guò)大的預(yù)緊反而使阻尼減小，故選擇預(yù)緊時(shí)還因考慮阻尼因素。
最后采用消振裝置。
⑤主軸軸承的潤(rùn)滑
滾動(dòng)軸承在接觸區(qū)的壓強(qiáng)很高，在這么高的壓強(qiáng)下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接觸而不是一條線或一個(gè)點(diǎn)的接觸：潤(rùn)滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動(dòng)體與滾道的接觸區(qū)，形成一個(gè)厚度的油膜，把兩者隔開(kāi)，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動(dòng)軸承所需的潤(rùn)滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤(rùn)滑，還有用油氣潤(rùn)滑的。
a.脂潤(rùn)滑
滾動(dòng)軸承能用脂潤(rùn)滑是它的突出優(yōu)點(diǎn)之一。脂潤(rùn)滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒(méi)有漏油問(wèn)題。如果脂的選擇合適、清潔、密封良好，不是灰塵、油、切削液等進(jìn)入，壽命是很長(zhǎng)的。一次沖填可用到大修，不許補(bǔ)充，也不要加脂孔。
脂潤(rùn)滑可選用鋰基脂，如SKFLGLT2號(hào)（常用于球軸承）。
b.油氣潤(rùn)滑
如果dmn值較大時(shí)，還需對(duì)軸承進(jìn)行冷卻。如果用油兼作潤(rùn)滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會(huì)增加。最好用油潤(rùn)滑，用空氣冷卻。油霧潤(rùn)滑需能達(dá)到這個(gè)目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤(rùn)滑。在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并不霧化，用后可回收，不污染環(huán)境。油用于潤(rùn)滑。
(3) 選擇主軸電機(jī)
①主軸轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)
該數(shù)控磨床的磨頭選擇為圓柱頭磨頭。
設(shè)計(jì)切削速度=35m/s 刀具直徑D=500mm
=(m/s) （2-1）
式中：---砂輪外圓線速度，m/s
---砂輪直徑，mm
---砂輪轉(zhuǎn)速，r/s
由（2-1）導(dǎo)出：===22.293r/s=1337.6r/min (2-2)
主軸轉(zhuǎn)速：
==1337.6r/min (2-3)
②電機(jī)轉(zhuǎn)速
==1337.6r/min (2-4)
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，所以選電機(jī)的轉(zhuǎn)速no=1440r/min
③電機(jī)功率選擇
= = （2-5）
式中： P---砂輪電機(jī)實(shí)際輸出功率,Km
---電機(jī)到砂輪的傳動(dòng)效率;
---砂輪線速度， m/s
==0.99×=0.97 （2-6）
由（2-5）得： P===5.41Kw (2-7)
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選定電機(jī)功率為5.5Kw
綜上所述，選擇三相異步電機(jī)Y132S-4
第3章 砂輪架（磨頭）設(shè)計(jì)
3.1 砂輪架設(shè)計(jì)
(1) 砂輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
①砂輪的選用
砂輪采用標(biāo)準(zhǔn)件，根據(jù)需要，選用金剛砂砂輪，其尺寸參數(shù)為：外徑=500mm、內(nèi)徑=203mm、厚度h=75mm，在加工過(guò)程中砂輪參數(shù)為：轉(zhuǎn)速n=1440r/min，移動(dòng)行程s=700mm， 磨削進(jìn)給量為0.005mm。
砂輪采用壓板固定，另一端與有齒牙的軸套咬合。
②砂輪軸的設(shè)計(jì)
其外形及各部分尺寸圖如圖2-5所示：
圖2-5 砂輪軸外形尺寸圖
如圖2-5，軸的左側(cè)直接與電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器相連，標(biāo)注尺寸為100mm的軸段，它上面通過(guò)鍵與砂輪軸套相連，軸套上面固定砂輪。
③軸套設(shè)計(jì)
其外形及各部分尺寸圖如圖2-6所示：
圖2-6 軸套外形及重要尺寸
(2) 砂輪架設(shè)計(jì)的基本要求
砂輪架是磨床上用來(lái)帶動(dòng)砂輪作高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，主要由傳動(dòng)部件和主軸軸承部分組成，主軸與軸承是砂輪架的主要組成部分，因此對(duì)砂輪架設(shè)計(jì)提出的基本要求也是針對(duì)主軸軸承部分的。
砂輪架設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)基本要求：
a.主軸旋轉(zhuǎn)精度高，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定；
b.主軸軸承系統(tǒng)剛性好；
c.振動(dòng)小，發(fā)熱低，不漏油；
d.裝配制造簡(jiǎn)單，調(diào)整維修方便。
(3) 主軸旋轉(zhuǎn)精度及其提高措施
①砂輪架旋轉(zhuǎn)精度是指主軸前端的徑向跳動(dòng)和軸向躥動(dòng)大小，它直接影響工件的表面粗糙度和表面缺陷。一般平面磨床砂輪架允許的徑向和軸向跳動(dòng)允許誤差取-5μm~~5μm。
②提高主軸旋轉(zhuǎn)精度的措施
a.選擇合適的主軸軸承；
b.提高主軸的加工精度；
c.正確選擇主軸軸向止推方式。
(4) 主軸軸承系統(tǒng)的剛性
主軸軸承系統(tǒng)的剛性是指在磨削力或傳動(dòng)力作用下，主軸軸承抵抗變形的能力。通常以主軸前端的撓度來(lái)度量。過(guò)低的剛性會(huì)降低磨削生產(chǎn)率、加工精度和工件表面的粗糙度，引起直波形和螺旋線缺陷。
(5) 砂輪架主軸初步設(shè)計(jì)
進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況采取相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對(duì)砂輪架主軸來(lái)說(shuō)，砂輪架主軸主要承受扭矩，應(yīng)該按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，且在選取許用應(yīng)力時(shí)應(yīng)該選取較小值。砂輪架主軸材料采用42MnVB，并進(jìn)行淬火，故選取許用應(yīng)力為40MP。
軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為:
（2-8）
——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（單位為MP）
—— 軸所受扭矩（單位為）
—— 軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)（單位為）
—— 軸傳遞的功率（單位為KW）
—— 軸的轉(zhuǎn)速（單位為r/mm）
—— 計(jì)算界面處的直徑（單位為mm）
—— 許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（單位為r/mm）
由上式可得軸的直徑為
=
=13mm (2-9)
由上述計(jì)算可以得知砂輪架最小直徑為13mm，考慮到砂輪架的剛度等因素，取主軸的最小直徑為20mm。砂輪架主軸的尺寸如圖2-5所示。
(6) 主軸剛度校核
①當(dāng)量直徑
因?yàn)槭请A梯軸，所以用當(dāng)量直徑法作近似計(jì)算當(dāng)量直徑為：
L=75+56+44+100+30=305mm
d=
=34.56mm （2-10）
②允許撓度
允許撓度[y]=0.0002L < 0.0002×305=0.061mm
③計(jì)算主軸前端撓度值
（2-11）
——載荷（單位為公斤）（150/9.8）
—— 軸兩端的跨距（單位為厘米）（30.5）
—— 懸伸長(zhǎng)度（單位為厘米）（5.5）
—— 材料的彈性模數(shù)（單位為公斤/平方厘米）（21.02）
—— 截面慣性矩（平方厘米）
= 0.001cm = 0.01mm （2-12）
又因?yàn)閇y]=0.135，0.01<0.135，即< [y]，由上述校核可以得知，主軸剛度符合要求。
一般存在一個(gè)使主軸前端撓度最小，即剛性最好的支承跨距L。由經(jīng)驗(yàn)得知，L為（3~~6）D時(shí)，主軸前端撓度最小，D=120mm，L為150~~300mm，取L為320mm。
3.2 砂輪架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
砂輪架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-7：
圖 2-7 砂輪架簡(jiǎn)圖
第4章 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
4.1 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)
垂直進(jìn)給系統(tǒng)采用了滾珠絲杠副傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖4-1：
數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的特點(diǎn)可歸納為：定位精度要高；跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好。
（1） 穩(wěn)定性
所謂的穩(wěn)定的系統(tǒng)，即系統(tǒng)在輸入量的改
變、啟動(dòng)狀態(tài)或外界干擾作用下，其輸出量經(jīng)過(guò)幾
次衰減振蕩后，能迅速地穩(wěn)定在新的或原有的平衡
狀態(tài)下。它是伺服系統(tǒng)能夠進(jìn)行正常工作的基本條
件。它包含絕對(duì)穩(wěn)定性和相對(duì)穩(wěn)定性。
進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的慣性、剛度、
阻尼以及系統(tǒng)增益都有關(guān)系。適當(dāng)選擇系統(tǒng)的機(jī)械
參數(shù)（主要有阻尼、剛度、諧振頻率和失動(dòng)量等）
和電氣參數(shù)，并使它們達(dá)到最佳區(qū)配，是進(jìn)給
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。
（2）精度
所謂進(jìn)給系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)
線輸入量的精確程度，即準(zhǔn)確性。它包含動(dòng)態(tài)誤差，
即瞬態(tài)過(guò)程出現(xiàn)的偏差；穩(wěn)態(tài)誤差，即瞬態(tài)過(guò)程結(jié)
束后，系統(tǒng)存在的偏差；靜態(tài)誤差，即元件誤差及
干擾誤差。
常用的精度指標(biāo)有定位精度、重復(fù)定位精度和
輪廓跟隨精度。精度用誤差來(lái)表示，定位誤差
是工作臺(tái)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)時(shí)，指令值與實(shí)際 圖 4-1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
移動(dòng)距離的最大差值。重復(fù)定位誤差是指工作臺(tái)進(jìn)行一次循環(huán)動(dòng)作之后，回到初始位置的偏差值。輪廓跟隨誤差是指多坐標(biāo)連動(dòng)時(shí)，實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與給定運(yùn)動(dòng)軌跡之間的最大偏差值。影響精度的參數(shù)很多，關(guān)系也很復(fù)雜，采用數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)可以提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度。
（3）快速響應(yīng)特性
所謂的快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對(duì)指令輸入信號(hào)的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過(guò)程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，傳動(dòng)裝置的加速能力。它直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，則加工效率越高，軌跡跟隨精度越高。但響應(yīng)速度過(guò)快會(huì)造成系統(tǒng)的超調(diào)，甚至?xí)鹣到y(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，應(yīng)適當(dāng)選擇快速響應(yīng)特性。
4.2 確定垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)方案
(1) 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
機(jī)床的位置調(diào)節(jié)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)提出很高的要求。其中在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面有：
①能夠克服摩擦力和負(fù)載：
a.很小的進(jìn)給位移量；
b.高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度；
c.足夠的調(diào)速范圍；
②進(jìn)給速度均勻，在速度很低時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象；
③在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求有：
a.具有足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便完成啟動(dòng)制動(dòng)過(guò)程；
b.具有良好的動(dòng)態(tài)傳遞性能以保證在獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量；
c.負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能的??；
④機(jī)械傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)要求有：
a.被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有小的慣量；
b.高的剛度；
c.良好的阻尼；
d.傳動(dòng)部件在拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼特性和間隙方面盡可能小的非線性；
為了滿足以上要求，本設(shè)計(jì)采用滾珠絲桿副進(jìn)給系統(tǒng)。將絲桿與步進(jìn)電機(jī)直接相連，螺母機(jī)構(gòu)與砂輪箱托架直接相連。
4.3 滾珠絲桿副介紹
滾珠絲杠螺母副是數(shù)控機(jī)床中回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)常用的傳動(dòng)裝置。它以滾珠的滾動(dòng)代替絲桿螺母副中的滑動(dòng)，摩擦力小，具有良好的性能。
(1) 組成及工作原理：
圖 4-2 滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)原理圖
①組成：主要由絲桿、螺母、滾珠和滾道（回珠器）、螺母座等組成。
②工作原理：在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時(shí)便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動(dòng)，并經(jīng)回珠管作周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)動(dòng)?；刂楣軆啥诉€起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。
(2) 特點(diǎn)：
①傳動(dòng)效率高：機(jī)械效率可高達(dá)92%~98%。
②摩擦力?。褐饕怯脻L珠的滾動(dòng)代替了普通絲桿螺母副的滑動(dòng)。
③軸向間隙可消除：也是由于滾珠的作用，提高了系統(tǒng)的剛性。經(jīng)預(yù)緊后可消除間隙。
④使用壽命長(zhǎng)、制造成本高：主要采用優(yōu)質(zhì)合金材料，表面經(jīng)熱處理后獲得高的硬度。
(3) 滾珠絲桿螺母副的消隙
①雙螺母墊片調(diào)隙：
圖 4-3雙螺母墊片調(diào)隙
修磨墊片厚度消隙滾珠絲桿螺母副采用雙螺母結(jié)構(gòu)（類(lèi)似于齒輪副中的雙薄片齒輪結(jié)構(gòu)）。通過(guò)改變墊片的厚度使螺母產(chǎn)生軸向位移，從而使兩個(gè)螺母分別與絲桿的兩側(cè)面貼合。當(dāng)工作臺(tái)反向時(shí)，由于消除了側(cè)隙，工作臺(tái)會(huì)跟隨CNC的運(yùn)動(dòng)指令反向而不會(huì)出現(xiàn)滯后。
②用鎖緊螺母消隙：
圖 4-4用鎖緊螺母消隙
圖4-4為利用兩個(gè)鎖緊螺母調(diào)整預(yù)緊力的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)工作螺母以平鍵與外套相聯(lián)，其中右邊的一個(gè)螺母外伸部分有螺紋。當(dāng)兩個(gè)鎖緊螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，正是由于平鍵限制了工作螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，才使得帶外螺紋的工作螺母能相對(duì)于鎖緊螺母軸向移動(dòng)。間隙調(diào)整好后，對(duì)擰兩鎖緊螺母即可。結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，應(yīng)用較廣。
③雙螺母齒差調(diào)隙：
圖 4-5 差齒式調(diào)整法
??兩個(gè)工作