3449 數控精密平面磨床進給系統(tǒng)的設計

3449 數控精密平面磨床進給系統(tǒng)的設計,數控,精密,平面磨床,進給,系統(tǒng),設計 XXXXXXXX畢業(yè)設計說明書題 目： 數控精密平面磨床進給系統(tǒng)的設計 專 業(yè)： 機械設計制作及其自動化 學 號： XXXXXXXX 姓 名： XXXXXXXX 指導教師： 完成日期： 2012 年 5 月 17 日 目 錄1 緒論 …………………………………………………………………………………11.1 課題研究背景及目的……………………………………………………………11.2 國內外發(fā)展狀況…………………………………………………………………21.3 畢業(yè)設計任務與論文組成………………………………………………………52 數控平面磨床總體設計 …………………………………………………………… 72.1 磨床簡介 ………………………………………………………………………… 72.2 磨床技術規(guī)格…………………………………………………………………… 72.3 主要結構及說明………………………………………………………………… 9 2.4 磨床總體傳動設計……………………………………………………………… 102.5 磨床總體布局設計……………………………………………………………… 103 理論計算……………………………………………………………………………… 123.1 功率計算……………………………………………………………………………123.2 電動機選用…………………………………………………………………………143.3 滾珠絲桿副選用與校核……………………………………………………………143.4 錐齒輪尺寸計算……………………………………………………………………184 機構設計…………………………………………………………………… 204.1 傳動部件設計………………………………………………………………………204.2 導軌設計……………………………………………………………………………234.3 機構設計……………………………………………………………………………255 硬件電路設計………………………………………………………………………… 266 機床設計方案的改進………………………………………………………………… 29結論…………………………………………………………………………………………30致謝…………………………………………………………………………………………31參考文獻……………………………………………………………………………………32附錄…………………………………………………………………………………………33精密數控平面磨床——工作臺縱向進給、橫向進給機構設計摘要本文對所設計的磨床作了詳盡的論述，分別從精密數控平面磨床的總體布局、橫向進給、縱向進給和硬件電路設計等幾個方面進行了闡述。緒論：介紹該課題研究背景和國內外發(fā)展狀況，以及此次畢業(yè)設計的任務。數控平面磨床總體設計：簡單介紹了此次設計的數控平面磨床，給出該數控平面磨床的技術規(guī)格和主要結構及說明，并說明了磨床的總體傳動設計和總體布局設計。理論計算：包括機床功率的計算，電動機選用，滾珠絲桿副選用與校核以及錐齒輪尺寸計算。方案設計：詳細說明了精密數控平面磨床的傳動部件設計和導軌設計的要點和要求，并提出縱向進給機構和橫向進給機構的設計方案。硬件電路設計：詳細說明了硬件的選用和電路的連接。最后，針對本設計中不夠完美的地方的改進想法，以及對本次畢業(yè)設計的總結和對我國超精密發(fā)展方向進行了展望。關鍵詞：平面磨床，數控，縱向進給，橫向進給Precise Numerical Control Plane Grinding MachineAuthor:Memg DanTutor:Deng ZhaohuiAbstractThis paper makes a thorough exposition of the designed grinding machine from the aspects of its overall design,horizontal and portrait give and hardware circuit design.The following is a brief introduction of the composition of this paper.INTRODUCTION: It introduces the background of this subject research ,the development in this field internal and international, and the assignment of this graduation project.THE OVERALL DESIGN OF THE NUMERICAL CONTROL PLANE GRINDING MACHINE: It gives a brief introduction to the design of the numerical control plane grinding machine, and provides its technical specification , main structure and explanation of the numerical control plane grinding machine , and show the design of the overall transmission of the grinding machine and the design of the overall arrangement. THE THEORETIC CALCULATION: It introduces the calculation of the power of lathe , the selection of the motor, the selection and check of the ball pole and the theoretic calculation of the size of the cone gear wheel.CONCEPTUAL DESIGN: It introduces the main points and requirements of the design of the drive parts, and puts forward the design of the horizontal and portrait give parts.THE DESIGN OF HARDWARE CIRCUIT: The election of the hardware and the connection of circuit are explained at length. In view of the flaws of the design, it puts forward some measures to make impovement. Besides, a conclusion of this graduation project and prospect of the development of precise machine are given in this part.Keyword: plane grinding machine , numerical control, portrait give, horizontal give1第 1 章 緒論1.1 課題研究背景及目的1.1.1 課題研究背景隨著科學技術的迅速發(fā)展，國民經濟各部門所需求的多品種、多功能、高精度、高品質、高度自動化的技術裝備的開發(fā)和制造，促進了先進制造技術的發(fā)展。同時，隨著社會進步，人們對加工精度的要求越來越高，對精密和超精密加工的需求也日益增多，精密加工廣泛的應用于制造生產中，對機床精度的要求也進一步提高。磨削是一種重要的精密和超精密加工方法，因此磨削的應用也愈加廣泛。磨削加工技術是先進制造技術中的重要領域，是現代機械制造業(yè)中實現精密加工、超精密加工最有效、應用最廣的基本工藝技術。精密、超精密加工技術市場是國家尖端技術集中的市場，它既是高代價、高投入的工藝技術，又是高增值、高回報的工藝技術，世界工業(yè)先進國家都把它放在國家技術和經濟振興的重要位置 [1]。當今，在光學和電子零件加工中，都力圖提高精度和集成度，不僅是零件加工，而且對作為精密模具、機械零件、測試儀器零件最終加工工序的磨削加工也提出了超精密化的要求。此外，隨著新材料的開發(fā)，陶瓷等作為結構零件材料在某些特殊場合已經得到了應用，這些新材料均屬于難切削材料，其結果不僅提高了磨削的比重，而且還促進了磨床、磨削加工方式和工藝以及其它相關技術的發(fā)展。隨著以工程陶瓷為主體的非金屬材料逐漸成為工程技術重要材料，各國還開發(fā)了適應加工這類工程陶瓷的超精密平面磨床。陶瓷材料的特點是硬而脆，其硬度是碳鋼的 1O 至 20 倍，而斷裂韌性僅為碳鋼的幾十分之一。陶瓷材科的性能對粗糙度、破損度、平面度等平面參數十分敏感。陶瓷材料的磨削機理與金屬材料不同，主要有三個特點：砂輪損耗大，磨削比低 3 磨削力大，磨削效率低 3 由于磨削條件不同，會使加工零件的強度發(fā)生變化。根據以上這些特點，各國都致力開發(fā)了適合進行納米磨削的超精密平面磨床，并且進行了脆性材料的可延性磨削技術的研究。隨著社會的不斷發(fā)展，高效是各個生產商不斷追求的目標，數控技術得到推崇。2當今，磨削加工技術的發(fā)展趨勢是向著采用超硬磨料磨具，發(fā)展高速、高效、高精度磨削新工藝，裝備 CNC 數控磨床的方向發(fā)展。1.1.2 課題研究目的本次設計目的是設計一臺精密數控平面磨床，精度等級為 1 ，用砂輪周邊磨削m?平面，也可以磨削臺階平面。能用于機械制造業(yè)及工具模具制造業(yè)，能加工各種難加工材料( 如陶瓷材料 )。1.2 國內外發(fā)展狀況超精密加工技術是以高精度為目標的技術，它具有單項技術的極限、常規(guī)技術的突破、新技術綜合三個方面永無止境的追求的特點。實現超精密加工的主要條件應包括以下諸方面的高新技術：超精密加工機床與裝、夾具；超精密刀具和磨料，刀具刃磨技術；超精密加工工藝；超精密加工環(huán)境控制（包括恒溫、隔振、潔凈控制等） ；超精密加工的測控技術等。毫無疑問，超精密加工機床技術是最關鍵的技術，它直接代表了國家制造業(yè)的水平 [1]。大學和研究所保持著對超精密機床研究的持續(xù)熱情，對高技術進行超前研究，并使得研究型超精密試驗機床盡可能采用高技術作產業(yè)的先導，對超精密機床產業(yè)化和商品化起著推動作用。美國 LLNL 實驗室開發(fā)了一系列超精密試驗研究型機床，1984 年研制成功的大型光學金剛石車床 LODTM 是至今為止精度最高的大型超精密機床 [2]。該機床可加工直徑為 2.1m 質量 4.5t 的工件。采用高壓液體靜壓導軌在 1.07m×1.12m 范圍內直線度誤差小于 0.025 （在每個溜板上裝有標準平尺，通過測量和修正來達到） 。位移誤差不m?超過 0.013 （用氦屏蔽光路的激光干涉儀來測量和反饋控制達到） 。主軸溜板運動偏擺小于 0.001’’ (通過兩路激光干涉儀測量,壓電陶瓷修正來實現 ).激光測量系統(tǒng)有單獨的花崗巖支架系統(tǒng),不與機床聯結,油噴淋冷卻系統(tǒng)可將油溫控制在 20 0.0025 .采用C???摩擦驅動,推力可達 1360N，運動分辨率達 0.005 。m?在商品化實用超精密機床方面，世界上最負盛名的是英國的 Tayler/Hobson-Pneumo 公司。該公司生產 Optoform,Microform 和 Nanoform 三個系列的超精密機床。典型產品 Nanoform250 車床采用空氣靜壓主軸，其徑向、軸向剛度分別為 88MN/m 和362MN/m，徑向和軸向精度 0.05 ，采用液體靜壓搗鬼，水平和垂直線度分別為 0.2 ?m?/250mm 和 0.5 /250mm，定位精度為 0.3 /250mm，數控系統(tǒng)采用 Nanopath，分辨率為0.001 。測量系統(tǒng)采用光柵遲或激光干涉儀，分辨率分別為 8.6nm 和 1.25nm。加工m?型面精度達 0.2 ，表面粗糙度 優(yōu)于 0.01 。aR?美國洛切斯特大學光學中心（COM） [3]開發(fā)了 POTICAM 系列的超精密光學加工機床；OPTICAM 超精機床系列設備包括：OPTICAM/SM 平面拋光機床，OPTICAM/AM 非球面加工機床和 OPTICAM/PM 棱鏡加工機床。2000 年開始進行“保形光學制造技術”的研究，開發(fā)了 Nanotech 150AG 非球加工機床；Q22 磁流變加工機床等。英國的 Granfield 大學的精密工程研究所研究的 OAGM2500 六軸 CNC 超精密磨床 [4]、Nanocenter250、600 非球面光學零件車窗和大型超精密金剛石鏡面磨床，是超精密機床研究的先鋒。1．超精密磨削及磨粒加工工藝技術當前精密磨削是指被加工零件的加工精度達 1~0.1 ，表面粗糙度 為 0.2~0.01m?aR的加工技術。超精密磨削的加工精度小于 0.1 ，表面粗糙度 ，磨m? m?025.?床定位精度的分辨率和重復精度小于 0.01 ?，F在超精密磨削正從微米、亞微米（1~0.1 ）的加工向納米級 加工發(fā)展。用磨具進行磨削和用磨粒進行???3210~?研磨和拋光是實現精密及超精密加工的主要途徑。用于超精密鏡面磨削的樹脂結合劑金剛石砂輪的磨料平均粒徑可小至 4 ，使用 20nm 的超微細磨粒的磨片，所磨削加m工的集成電路板的溝槽邊沿沒有崩角現象；用鑄鐵結合劑粒度為 的、金剛石砂輪#80精磨 SiC 鏡面，表面粗糙度可達 2~5nm。日本還用激光在研磨過的人造金剛石上切aR割出大量等高性一致的微小切削刃，對硬脆材料進行精密加工，效果很好。對極細粒度的模具而言，砂輪鋒銳性的保持是一個大問題。金屬基微細超硬磨料砂輪在線電解修整（ELID）技術，很好地解決了這一問題。用 6000~8000 目粒度的鋼結合劑金剛石砂輪和 ELID 技術精磨 硅片，去除率為 ，平面度為 [5]。)4(10inm?min/5~3?6/?2．超精密機床軸系的研究與發(fā)展4氣浮主軸的最大優(yōu)點是回轉精度高。由于氣浮誤差均化效應，通常主軸回轉運動精度比主軸加工的圓度精度要高出 3~5 倍。主軸和電機采用一體化結構直接驅動。電動機與株洲的動平衡問題，電動機電磁振動消除、電動機熱消除、主軸熱伸長補償以及新型氣浮結構設計與制造等都是一直在研究改善的問題。為了提高主軸的徑向和軸向剛度，采用半球型氣浮主軸如德國 Kugler 公司 EK 系列氣浮軸承。為了進一步提高回轉精度和剛度，近年來很多人研究控制節(jié)流量反饋方法來實現運動的主動控制。最近，用電磁技術和氣浮結合的控制方法也在研究之中。但電磁技術的缺點很多，如熱效應嚴重等，還不能達到很高精度。日本學者 [6]研究了一種用永磁體加壓電陶瓷微位移驅動和電容傳感器位置測量的方法來改善氣浮主軸的精度。主動控制增加了系統(tǒng)的復雜程度和降低了可靠性，目前尚不到使用的程度。但使用永磁體增加止推氣墊的剛度的成功實例并不少見，這種氣磁軸承和加開真空負壓槽的真空吸附加強型氣浮軸承相似。這種綜合軸承在一定程度上可改善氣浮軸承的動態(tài)特性，如增大阻尼。3．超精密驅動技術的新進展為了獲得高的運動精度和運動分辨率，超精密導軌直線運動的驅動對伺服電動機的要求很高，既要求有平穩(wěn)的超低速運動特性，又要又大的調速范圍，好的電磁兼容性。美國 Parker Hannifin 公司的 DM 和 DR 系列直接驅動伺服執(zhí)行器，輸出力矩大，位置控制分辨率高達 1/640 000。主軸驅動電動機可以采用印刷板電動機，它的慣性小，發(fā)熱量小。精密滾珠絲桿式超精機床目前采用的驅動方法，但絲桿的安裝誤差、伺桿本身的彎曲、滾珠的跳動及制造上的誤差，螺母的預緊程度等都會給導軌運動精度帶來影響。通常超精密傳動機構應有特殊設計，例如絲桿螺母與氣浮平臺的聯結器應保證軸向和滾轉剛度高，而水平、垂直、俯仰和偏轉四自由度為無約束的機構，電動機預絲桿的聯結器也應采用純扭矩無反轉間隙的聯軸器。氣浮絲桿和磁浮絲桿可進一步減小滾珠絲桿的跳動誤差和因摩擦和反向間隙引入控制系統(tǒng)的非線性環(huán)節(jié)。俄羅斯研制的氣浮/磁浮絲桿 [7][8]其電磁絲桿的傳動主要指標如下：絲桿直徑 62mm，螺距和螺紋齒高 4mm，絲扣寬度 1mm，間隙 =0.1mm，承載?能力和靜剛度分別為 700N 和 75MN/m 和氣浮平臺聯合使用時驅動裝置的分辨率為0.01 。Fanuc 公司的超精密車、銑床 R0B0nano Ui 就采用了面節(jié)流式空氣靜壓絲桿m?螺母副。5超精密加工的意義重大，我國超精密加工技術的發(fā)展要趕超世界先進水平，就應優(yōu)先考慮適度、穩(wěn)定高精度的戰(zhàn)略。最求高精度從理論上是無窮盡的，但根據我國國情，選擇適當的投入/精度比，追求適度、穩(wěn)定高精度，依靠自己的力量開發(fā)廉價化的超精加工技術。1.3 畢業(yè)設計任務與論文組成1.3.1 畢業(yè)設計任務1．設計一臺精密數控平面磨床，用砂輪周邊磨削平面，也可以磨削臺階平面。能用于機械制造業(yè)及工具模具制造行業(yè)，能加工各種難加工材料；2．確定磨床的總體方案3．工作臺縱向進給機構的設計，伺服電機和滾珠絲桿副設計計算，繪制縱向進給機構的機械結構裝配圖；繪制相關零件圖；4．工作臺橫向進給機構設計，繪制橫向進給機構機械結構裝配圖；5．磨床床身立柱的設計（選做） ；6．磨床微機數控系統(tǒng)的硬件電路設計；7．翻譯指定的英文專業(yè)文獻；8．撰寫畢業(yè)設計論文（說明書） 。1.3.2 論文組成論文由以下幾章組成1．緒論：介紹課題研究背景和國內外發(fā)展狀況，以及此次畢業(yè)設計的任務。2．數控平面磨床總體設計：簡單介紹此次設計的數控平面磨床，給出所要設計的數控平面磨床的技術規(guī)格和主要結構及說明，并說明了磨床的總體傳動設計和總體布局設計。3．理論計算：包括機床功率的計算，電動機選用，滾珠絲桿副選用與校核以及錐齒輪尺寸計算。4．方案設計：詳細說明了精密數控平面磨床的傳動部件設計和導軌設計的要點及要求，并提出縱向進給機構和橫向進給機構的設計方案。5．硬件電路設計：詳細說明了硬件的選用和電路的連接。66．機床改進：針對本設計中不夠完美的地方的改進想法。7．結論：包括這次畢業(yè)設計的總結，和對精密數控平面磨床的發(fā)展方向進行了展望。8．致謝9．參考文獻 7第 2 章 數控平面磨床總體設計2.1 磨床簡介本次設計是一臺精密數控平面磨床，它除了可以磨削平面外，還可以磨削臺階平面，不僅適用于機械加工行業(yè)亦適用于模具行業(yè)。它采用機電一體化設計原理，通過采用CBN 砂輪，滾珠絲桿副，數控系統(tǒng)等措施保證加工精度。該精密數控平面磨床主要包括磨頭及垂直進給系統(tǒng)、工作臺縱向及橫向驅動系統(tǒng)、床身及防護罩裝置、冷卻及潤滑系統(tǒng)和數控系統(tǒng)五大部分。該機床的磨頭為普通平面磨床磨頭，垂直進給的高精度由絲桿副和數控系統(tǒng)來保證。該機床的橫向驅動系統(tǒng)及縱向進給機構采用滾珠絲桿加交流伺服電機驅動，提高加工精度?？v向進給導軌鑲裝塑料，以降低摩擦系數，提高耐磨性和抗撕傷能力，并防止低速時出現爬行。該機床的冷卻系統(tǒng)包括磨削液冷卻、強制過濾等裝置。為減少磨削液對砂輪制功功率的損耗，冷卻壓力為 2Mpa。機床的總體布局分為十字拖板型，拖板上下縱橫導軌均為雙 V 型滑動導軌，工件摩削平面的形成由工作臺的縱向運動和拖板的橫向運動而成，磨頭僅做垂直上下運動。工作臺縱向運動由伺服電機帶動，拖板橫向運動也有伺服電機驅動。通過一對減速齒輪傳動，滾珠絲桿轉動而使拖板橫向往復運動，磨頭垂直導軌為立柱前后導軌形式的貼型滑動導軌，磨頭主軸系統(tǒng)為前后各為雙聯成堆高精度滾動軸承結構。主軸的旋轉運動由伺服電機驅動，通過柔性連軸器使主軸運轉，磨頭的垂直運動是由伺服電機驅動蝸桿、渦輪傳動與其向嚙合的螺旋齒輪，轉動與螺旋齒輪剛性連接的絲桿副的螺母而使與絲桿固定聯結的磨頭做垂直運動。本級床為高精密數控機床，幾何精度、工作精度很高，性能可靠性穩(wěn)定，垂直進給、橫向進給、縱向進給具有數控系統(tǒng)，進給靈敏度、準確度高，磨削自動化程度高，當每次自動磨削循環(huán)結束，工作臺始終停止在縱向運動的右端2.2 磨床技術規(guī)格1．工作臺面尺寸 200×630mm2．加工范圍：8最大磨削尺寸（寬×長×高） 200×630×380mm最大工件載重量（包括電磁吸盤） 130KG3．工作臺：最大縱向行程 750mm最大橫向行程 220mmT 型槽數和槽寬 4×14mm4．工作臺縱向運動：進給速度 0.3~25m/min 手動進給手輪每轉 180mm5．拖板橫向運動：連續(xù)進給 0.2~1m/min手動機給手輪每轉 5mm手輪每格 0.02mm微進給手輪每大格 0.005mm6．磨頭垂直運動：砂輪主軸中心線至工作臺面之距 160~480mm砂輪轉速 3000r/min 磨頭垂直快速升降速度 400mm/min。磨頭垂直自動進給量 0.001~0.02mm最小進給量 0.0001mm手動進給旋鈕每轉（×1/×10/×100） 0.01/0.1/1mm旋鈕刻度（×1/×10/×100） 0.0001/0.001/0.01mm快速進給 400mm/min7．砂輪尺寸： 外徑 200mm寬度 25mm孔 32mm 8．占地空間：長 2405mm9寬 1593mm高 1786mm機床重量 2000kg2.3 主要結構及說明2.3.1 磨頭磨頭主軸的轉動，由主軸電機通過柔性聯軸器驅動具有前后支承均為成對高精密滾動向心推力球軸承而使砂輪轉動。2.3.2 垂直進給機構由伺服電機驅動蝸桿，傳動與其相嚙合的螺旋齒輪，轉動與螺旋齒輪剛性聯結的絲桿副的螺母，移動絲桿使與其固定聯結的磨頭體垂直運動。垂直運動具有數控系統(tǒng)基礎，進給有自動與手動。1．自動⑴快速運動 按住點動式快速上升鍵，磨頭上升，當釋放時磨頭停止上升，按住點動式快速下降鍵，磨頭下降，當釋放時，磨頭停止下降，其運動速度為400mm/min。⑵點發(fā)進給運動 點按點發(fā)進給鍵，每次進給量為 0.001/mm。⑶自動進給運動 在自動磨削時，分粗磨、精磨和無進給磨削，其進給量為0.0005~0.02 定量分級任意選擇，且具有預置和粗磨、精磨和無進給磨削次數的自動轉換，當無進給磨削次數結束，工作臺固定的在右端停止，在磨削過程中有數字顯示。2．手動手動進給由手動脈沖發(fā)生器控制器進給量，根據需要任意選擇既定的定量分級的進給，其進給量為 0.0001~0.01/格。根據預先選擇的進給量和轉動、手動脈沖發(fā)生器就可獲得所選擇的進給量。調整用手動機構，在床身后面，在與伺服電機相聯接得蝸桿軸上裝有一直齒齒輪，轉動相嚙合的另一錐齒輪軸，通過蝸桿螺旋齒輪副和垂直絲桿副可獲得磨頭上下調整已動，在平時，錐齒輪對始終處于非嚙合狀態(tài)的拓開位置。102.3.3 橫向進給機構拖板（或工作臺）橫向進給運動可分為手搖進給、手動微動進給和自動進給。1．手搖進給時應將捏手松開，使斜齒輪與手輪空轉，然后將手輪向前推，使齒型離合器相接合（此時拉桿以將齒輪副脫開）搖動手柄，經手輪、軸、聯軸器，轉動滾珠絲桿，使?jié)L珠螺母移動，帶動拖板做橫向進給運動。2．手動微動進給 基本上與手搖進給相同，此時應將捏手擰緊，使斜齒輪與手輪結合在一起，然后使齒型離合器接合，轉動蝸桿上的捏手，經蝸桿、斜齒輪嚙合傳動軸，其余傳動與上面相同，微動把手上的最小刻度值為 0.005 毫米。 3．自動進給 自動機給的動力為伺服電機，在它的輸出軸上裝有齒輪，經與它嚙合的齒輪而傳動軸（此時應將齒型離合器分開）經聯軸器使?jié)L珠絲桿轉動，滾珠絲母是緊固在拖板上的，因此式拖板做橫向自動進給，橫向進給量：斷續(xù)為 0.5~12 毫米/ 次，連續(xù)為 0.2~1 米/分。2.3.4 縱向進給機構拖板（或工作臺）縱向進給運動可分為手搖進給和自動進給。1．手搖進給時應將捏手松開，使斜齒輪與手輪空轉，然后將手輪向前推，使圓柱齒輪和托板上的齒條相捏合（此時拉桿以將齒輪副脫開）搖動手柄，經手輪帶動圓柱齒輪轉動，圓柱齒輪和尺條捏合帶動拖板做縱向進給運動。2．自動進給 自動機給的動力為伺服電機，在它的輸出軸上裝有齒輪，經與它嚙合的齒輪而使?jié)L珠絲桿轉動，滾珠絲母是緊固在拖板上的，因此式拖板做縱向自動進給，縱向進給量 0.3~25m/min。2.4 磨床總體傳動設計磨床總體傳動圖，見圖 2.1。 （詳見 A3[3]號圖）2.5 磨床總體布局設計磨床的總體布局圖，見圖 2.2。(詳見 A3[2]號圖)11圖 2.1 精密數控平面磨床傳動系統(tǒng)圖圖 2.2 精密數控平面磨床總體布局圖12第 3 章 理論計算3.1 功率計算如下圖 3.1 所示：圖 3.1 磨削力示意圖——切向磨削力(N) ；tF吃刀量(mm)；pa砂輪線速度（m/s） ；sV工件縱向進給速度（m/min） ；w由于本機床既要求能加工普通鋼材，又要能加工硬脆陶瓷材料；所以計算切削功率時分為兩種情況。（1）當磨削普通鋼材時，平面磨削力的公式為：＝ [9] （3.1）tF280.8641.06pwsav?由公式（3.1）得：＝ tF280.8641.06pwsav?＝ 0.86.41.06253???13＝105N其中 =0.02 為磨床加工的最大磨削量；pa＝25 為磨床工作臺最大進給速度；wV由經驗公式 [9]可知：徑向力 =1000NnF砂輪所受的的軸向力很小，在這里忽略不計?？v向進給機構所受的垂直力 等于砂輪所受的徑向力，由于實際中 角很小，所1 ?以縱向機構所受的軸向力 約等于砂輪的切向力。2F縱向進給機構軸向所受的合力為：[9] (3.2)21)(Fmg???由公式（3.2）得： 21)(F?tng??105)0(. ??N75.加工時縱向最大進給速度 V=9.6m/min縱向進給機構的切削功率為： kwFp1.06/.9705???當磨削硬脆材料時，在同樣的工作條件下，根據以往的經驗，＝1000N， / =20, =50N, nFntFt縱向進給機構軸向所受的合力為：[9] 21)(Fmg???（3.3）14由公式(3.3)可得 NFmgtn65050)1(.)2?????縱向進給機構的切削功率為： kwvFp10.6/.950???3.2 電動機選用綜合以上兩種磨削方式，選取磨削功率 ＝0.11kw。由于機床設計選擇的數控系tp統(tǒng)是西門子 SINUMERIK802D 型，所以選擇與選擇與西門子數控系統(tǒng)相匹配的 IKF6伺服電機。3.3 滾珠絲桿副選用與校核1．工作壽命選擇查表取 Th=15000h[9]2．等效負荷和等效轉速⑴等效負荷計算導軌摩擦力：=μW[9] （3.4）fF由公式（3.4）可得=μWf=0.1×5000=500N軸向力：1000N切向力：105NFm=500+1000+100=1605N15⑵等效轉速計算伺服電機最高轉速 =3000r/minmaxn絲桿轉速 =3000× =2143r/mins5230絲桿導程 ，取Ph6.14??mPh12?絲桿轉速 快速移動 2143r/min一般加工 800r/min精密加工 400r/min調整 50r/min等效轉速 min/520104138052143 rnm ??????3．絲桿選擇⑴等效軸向動負荷查表得 8.0?tf7.af35.1?wfhf62.0?kf[9] （3.5）316??????mkahtmaenTfFC由公式（3.5）得 3160???????mhkahtmaenfN96.21515202.780316??????查表選擇插管埋入式雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副，型號為 CMD3212-2.5， =25837N， ， ，螺母長度 L=151mm，余程為 45mm[9]aCoa5680Kc螺紋長度 mLu 9014217?????支承跨踞 m1絲桿全長 0采用 F-F 式支承，絲桿一般不會受壓縮力作用，可不校核壓桿穩(wěn)定性。16絲桿彎曲振動臨界轉速：[9] （3.6）2910ccrLdfn?查表得 730.42?fmDdw38.245.6121??????Lc 976.09705?由公式（3.6）得 in/2143in/5697.02438.491 rrncr ????預拉伸量：取溫升為 ；C?5.3螺紋伸長量： [9] （3.7）1tLu????由公式（3.7）得 1tLum?.389.056???絲桿全長伸長量： [9] 1tLl???（3.8）由公式（3.8）得1tLl??m?35.42.06??取預拉伸量 ml045.'??預拉伸力： 17[9] LuAEtFl'??（3.9）由公式（3.9）得 LuAEtFl'??N3160429.010.243856??????4．軸承選擇采用成對 接觸角推力球軸承為固定端，軸承型號 7304C。其尺寸參數為：?60d=20mm，D=52mm，Z=13， =7.144mm。技術參數為： C=29200N =28000NwD0C計算軸承動負荷 C：tahFf?（3.10）式中 ——壽命系數hf——轉速系數a[9] 3105hhLf?（3.11）由公式（3.11）得 3105hhLf?181.350?[9] 3mnf（3.12）由公式（3.12）得 31mnf?5.0231?把 、 代入，由公式（3.10）得hfa tahFfC4125.03??=24947N<28000N 滿足強度要求 [9]3.4 錐齒輪尺寸計算 [10]分錐角 °983.250arctn1??°176219大端分度圓直徑 =30×3=90mmeemzd1?=52×3=156mm2外錐距 =90/2sin19.983=90.046mm11sin?eR齒寬系數 =1/3?齒寬 b= =(1/3)×90.046=30mm Re大端齒頂高 =1×3=3mm =3㎜eamxh)1(??2ah大端齒根高 =（1+0.2-0 ）×3=3.6㎜fc1*?=（1+0.2-0 ）×3=3.6㎜efx)(22全齒高 =（2+0.2）×3=6.6㎜??emch*??齒根角 290.46.3arctnart11 ??effR?..rtrct22effh齒頂角 ??90.1?fa ??290.2?fa頂錐角 ?7390.832??a?.67.62a根錐角 ?2.1????ffi??307.90.22ff大端齒頂圓直徑 90+2×3×cos29.983=95.197㎜?11cos?aeahd156+2×3×cos60.017=159.000㎜??2220第 4 章 縱向進給機構設計4.1 傳動部件設計 4.1.1 進給傳動系設計應滿足的基本要求進給運動的傳動質量直接關系到機床的加工性能，故對進給運動有如下要求：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，運動平穩(wěn)，靈敏度高；3．抗震性好，不會因摩擦自振而引起傳動件的抖動或齒輪傳動的沖擊噪音；4．具有足夠寬的調速范圍，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(tǒng)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。 [11]7．消除傳動間隙，進給系統(tǒng)的傳動間隙（多指反向間隙）存在于各傳動副和各聯結結構中，直接影響機床的加工精度。為盡量消除其影響，應采用消隙傳動件和消隙聯系結構；8．速度穩(wěn)定性要好，進給部件在低速運動時，不產生“爬行” ，高速運動或負載變化時不發(fā)生振動。 [12]214.1.2 傳動部件設計1．齒傳動間隙的消除傳動副為齒輪傳動時，要消除其傳動間隙。齒輪傳動間隙的消除有剛性調整法和柔性調整法兩類方法。⑴剛性調整法時調整后的齒側間隙不能自動補償，如偏心軸套調整法、變齒厚調整法、斜齒輪軸向墊片調整法等。特點是結構簡單，傳動剛度較高。但要求嚴格控制齒輪的齒厚及齒距公差，否則將影響運動的靈活性。⑵柔性調整法是指調整后的齒側間隙可以自動進行補償，結構比較復雜，傳動剛度低些，會影響傳動的平穩(wěn)性。主要有雙片直齒輪錯齒調整法，薄片斜齒輪軸向壓簧調整法，雙齒輪彈簧調整法等?？v向進給機構中采用的是錐齒輪對降速傳動，由于縱向運動精度要求不高，并且受到的軸向力較大，為了使得運動穩(wěn)定、結構簡單，所以采用傳動剛度高的剛性調整法——輪軸箱墊片調整法——消除錐齒輪間隙。由于橫向進給運動精度直接影響加工精度，故精度要求較高，必須消除傳動間隙。橫向進給機構采用的是一對直齒輪降速，所以才用柔性調整法（雙片直齒輪錯齒調整法）消除齒側間隙。2．滾珠絲桿螺母副及其支承滾珠絲桿螺母副是直線運動與回轉運動能相互轉換的新型傳動裝置。其具有螺旋槽的絲桿與螺母之間裝有中間傳動元件——滾珠。滾珠絲桿螺母機構由絲桿、螺母、滾珠和反向器等四部分組成。當絲桿轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，為防止?jié)L珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設有滾珠回程引導裝置構成滾珠的循環(huán)反向通道，從而形成滾珠流動的閉合通路。⑴滾珠絲桿副與滑動絲桿副或其他直線運動相比，有下列特點：①摩擦損失小，傳動效率高。一般滾珠絲桿副的傳動效率達 92%～96%，滑動絲桿副的傳動效率僅為 20%～40%。②絲桿螺母之間預緊后，可以完全消除間隙，提高傳動剛度。③摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)。磨損小，壽命長，精度保持性好。④工作壽命長。滾珠絲桿螺母副摩擦表面為高硬度（HRC58—62） 、高精度，具有22較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動絲桿副的 4—10 倍以上。⑤定位精度和重復定位精度高。由于滾珠絲桿副摩擦小、溫升少、無爬行、無間隙，通過預緊進行預拉伸的補償熱膨脹。因此可達到較高的定位精度和重復定位精度。⑥同步性好。用幾套相同的滾珠絲桿副同時傳動幾個相同的運動部件，可得到較好的同步運動。⑦可靠性高。潤滑密封裝置機構簡單，維修方便。⑧不能自鎖，有可逆性，即能將螺旋運動轉換為直線運動，或將直線運動轉換為螺旋運動。因此絲桿立式使用時，應增加制動裝置。⑨經濟性差成本高。由于結構工藝復雜，故制造成本較高。⑵滾珠絲桿副軸承選用及定位方式縱向進給機構中的滾珠絲桿承受的軸向載荷和徑向載荷均較大，因此對絲桿軸承的軸向和徑向的精度和剛度要求都較高。由于該磨床為小型數控機床，故采用角接觸推力球軸承。橫向進給機構中的滾珠絲桿主要承受徑向力，因此采用推力軸承和滾子軸承的配合。縱向進給機構和橫向進給機構中的滾珠絲桿長度均較長，同時轉速也較高，因此滾珠絲桿的支承方式采用兩端固定法。⑶滾珠絲桿螺母副間隙消除和預緊滾珠絲桿在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會產生接觸變形，接觸剛度與接觸表面預緊力成正比。如果滾珠絲桿螺母副間存在間隙，接觸剛度較??；當滾珠絲桿反向旋轉時，螺母不會立即反向，存在死區(qū)，影響絲桿的傳動精度。因此，同齒輪的傳動副一樣，滾珠絲桿螺母副必須消除間隙，并施加預緊力，以保證絲桿、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高螺母絲桿副的接觸剛度 [10]。本設計中采用齒差式雙螺母結構，可通過調整兩個螺母之間的軸向位置，使兩螺母的滾珠在承受工作載荷前，分別與絲桿的兩個不同的側面接觸，產生一定的預緊力，以達到提高軸向剛度的目的。齒差式調整法：作用螺母法蘭外圓上制有外齒輪，齒數常相差 1。這兩個外齒輪又與固定在螺母體兩側的兩個齒數相同的內齒圈相嚙合，調整方法是兩個螺母相對其嚙23合的內齒圈同向都轉一個齒。4.2 導軌設計 4.2.1 導軌應滿足的要求機床導軌是用來引導機床上運動不見的運動方向，使刀架、溜板和工作臺等沿一定的軌跡準確的相對運動，并使機床部件得到準確定位。故導軌是機床的關鍵部件之一，其性能好壞，將直接影響機床的加工精度、承載能力和使用壽命。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。其中下面為幾個基本方面的要求：1. 導向精度 導向精度是指導軌運動軌跡的準確性，足夠高的導向精度是保證機床加工精度的前提，因此它是對導軌的最基本要求。影響導向精度的因素很多，如導軌幾何精度和接觸精度，導軌的結構型式，導軌和支承件的剛度，導軌的油膜厚度和油膜剛度，導軌和支承件的熱變形等等。直線運動導軌的幾何精度一般包括導軌在豎直平面內的直線度、導軌在水平面內的直線度和導軌面之間的平行度。接觸精度指導軌副間磨擦面實際接觸面積占理論接觸面積的百分比，或用著色法檢查25×25mm 面積內的接觸點數。不同加工方法所生成的導軌表面，檢查的標準是不同的。22．耐磨性好，導軌原有精度喪失的主要原因就是磨損，沿導軌全長的均勻和不均勻磨損，都會直接影響其導向精度。因此導軌的耐磨性是決定導向精度保持性的關鍵，也是衡量機床質量的重要指標之一，應盡可能提高導軌的耐磨性。影響導軌的耐磨性的主要因素有：導軌的摩擦性質、材料、熱處理及加工的工藝方法、受力情況、潤滑和防護等。3. 承載能力大，剛度好 根據導軌承受載荷的性質、方向和大小，合理的選擇導軌的截面形狀和尺寸，使導軌具有足夠的剛度，保證機床的加工精度。4.低速運動平穩(wěn) 擋動導軌作低速運動或微量進給時，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，以及窗洞導軌運動的傳動系剛度。5.結構簡單、工藝性好導軌要求結構簡單，易于加工 [11]。244.2.2 導軌的作用及分類導軌按結構方式可分為兩類：開式導軌和閉式導軌。開式導軌是指在部件自重和載荷的作用下，運動導軌和支承導軌的工作面始終保持接觸、貼合，其特點是結構簡單，但不能承受較大的顛覆力矩的作用。閉式導軌當顛覆力矩作用在導軌上時，僅靠自重不能使主導軌面始終接觸，借助于壓板形成輔助導軌面，導軌才能承受較大的顛覆力矩作用，并保證支承導軌與動導軌的工作面始終保持可靠的接觸。根據結構需要橫向進給傳動和縱向進給傳動結構都選擇開式導軌。4.2.3 導軌的類型及其選擇直線運動導軌的截面形狀主要有四種：矩形、三角形、燕尾形和圓形，并都是凸、凹之分。水平放置的凸形導軌不易積存切屑，但也不易存油，多用于低速工作條件；凹形導軌易存潤滑油，可用于高速工作條件，但必須有可靠的防護裝置，以免切屑等物落在導軌面上。 矩形導軌：矩形導軌具有承載能力大、剛度高、制造簡便、檢驗和維修方便等優(yōu)點;但有著側向間隙，要用鑲條調整，導向性差。三角形導軌：三角形導軌面磨損時，動導軌會自動下沉，自動補償磨損量，不會產生間隙。三角形導軌的頂角 α 一般在 90°~120°范圍內變化，α 角越小，導向性越好，但摩擦力也越大。燕尾形導軌：燕尾開導軌可以承受較大的顛覆力矩，導軌的高度較小，結構緊湊，間隙調整方便。但是，剛度較差，加工、檢驗不方便。圓柱形導軌：圓柱形導軌制造方便，工藝性好，但磨損后較難調整和補償間隙。主要用于受軸向負荷的導軌，應用較少。4.2.4 導軌設計根據以上要求，縱向導軌采用雙三角導軌，雙三角導軌不需要鑲條調整間隙，接觸剛度好，導向性和精度保持性好，但是工藝性差，加工、檢驗和維修不方便。由于鑄鐵導軌有良好的抗振性、工藝性和耐磨性，因此采用鑄鐵導軌。同時為了25提高導軌耐磨性和防止撕裂，在導軌副中，動導軌采用鑄鐵，不淬火，支承導軌采用淬火鋼。4.3 機構設計 4.3.1 縱向進給機構設計縱向進給機構圖如圖 4.1 所示（詳見 A0⑴號圖紙） ?？v向進給機構運動說明：自動進給時，手輪向外拉，使與手輪相連的錐齒輪和帶動滾珠絲桿的錐齒輪分開，為了保證在自動進給時手輪不會因為其上的錐齒輪不小心和大錐齒輪相碰而影響安全操作，在手輪軸上有兩條相距為 16.5mm 的溝槽，往后拉動手輪到一定位置時，由安裝在箱體上的一個彈簧滾珠將其定位，手輪便不會被輕易推向里而碰到大錐齒輪。同樣手動時，把手輪往里推，到一定位置時滾珠就會定在后面的溝槽內，起到限位作用，只是手輪上的錐齒輪和大錐齒輪嚙合，搖動手輪，齒輪嚙合將運動傳給滾珠絲桿，帶動工作臺作縱向運動。圖 4.1 縱向進給機構圖4.3.2 橫向進給機構設計26橫向進給機構圖詳見 A0（8）號圖紙橫向手動進給時應將捏手松開，使斜齒輪與手輪空轉，然后將手輪向前推，使齒型離合器相接合（此時拉桿以將齒輪副脫開）搖動手柄，經手輪、軸、聯軸器，轉動滾珠絲桿，使?jié)L珠螺母移動，帶動拖板做橫向進給運動。手動微動進給基本上與手搖進給相同，此時應將捏手擰緊，使斜齒輪與手輪結合在一起，然后使齒型離合器接合，轉動蝸桿上的捏手，經蝸桿、斜齒輪嚙合傳動軸，其余傳動與上面相同。橫向自動進給的動力為伺服電機，在它的輸出軸上裝有齒輪，經與它嚙合的齒輪而傳動軸（此時應將齒型離合器分開）經聯軸器使?jié)L珠絲桿轉動，滾珠絲母是緊固在拖板上的，因此式拖板做橫向自動進給。第 5 章 硬件電路設計數控機床是用數字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，數控系統(tǒng)技術的突飛猛進為數控機床的技術進步提供了條件。數控機床具有廣泛的適應性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復雜的工件，并能獲得良好的經濟效果.隨著科學技術的發(fā)展，世界先進制造技術的興起和不斷成熟，對數控加工技術提出了更重要的要求，超高速切削、超精密加工技術等的應用，要求數控機床的各個組成部分具有更高的性能指標。當今的數控機床正在不斷采用最新技術成就，隨著高速化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。本機床采用的是西門子數控系統(tǒng)，西門系數控系統(tǒng)，以較好的穩(wěn)定性和較優(yōu)的性能價格比，在我國數控機床行業(yè)被廣泛應用。802D 數控系統(tǒng)是西門子數控系統(tǒng)中的一款高性能、低價位的數控系統(tǒng)。它可以控制四個數字進給軸和一個主軸，能實現三軸聯動。它不僅廣泛用于企業(yè)中的數控銑床和數控車床，而且對于學校數控技術實驗平臺的搭建也是較佳的選擇。1．西門子 802D 數控系統(tǒng)的構成802D 由 PCU（Panel Control Unit） 、一塊水平安裝或垂直安裝的鍵盤（CNC 27KEYBOARD） 、一塊或兩塊輸入、輸出模塊（I/O MODULE） 、驅動器（SIMODRIVE 611 universal E） 、1FK6 系列的數字伺服電機（1FK6 FEED MOTORS）和 1PH7 系列的數字主軸電機（1PH7 SPINDLE）組成，外加一個 24V電源。另外，802D 數控系統(tǒng)也有一些選，如電子手輪（ HANDWHEEL） 、機床控制面板（MCP）等。2．802D 數控系統(tǒng)的連接802D 系統(tǒng)的各個不見通過現場總線 PROFIBUS 連接。其中 PCU 繼承了PROFIBUS 接口、鍵盤、三個手輪接口以及 PCMCIA 接口（用語數據備份） 。PLC繼承于 PCU 中。802D 系統(tǒng)各部件的連接如下：首先確保 24V 直流電源為 PCU 和 I/O 接口提供電源。機床控制面板通過 50 芯扁平電纜直接與 PCU 連接。將 I/O 模塊和驅動模塊分別通過 PROFIBUS 總線與 PCU 線連；驅動模塊為伺服惦記和主軸惦記提供電源，同時伺服電機和主軸電機通過反饋電纜將信號反饋驅動模塊，進而通過PROFIBUS 總線反饋給 PCU[13]。檢查系統(tǒng)接線是否正確，可以通過按 MCP 的按件，查看數控系統(tǒng) PLC 的狀態(tài)表，如果狀態(tài)表中的地址發(fā)生變化，則說明接線基本正確。802D 型數控系統(tǒng)的組成主要有以下幾個部分：⑴面板控制單元和全數控的鍵盤（OP）—這是 SINUMERIX 802D 數控系統(tǒng)（CNC）的主體部分，其中包括有 CNC 的 CPU（稱之 PCU） 、面板控制單元和全數控的鍵盤；⑵I/O 模塊 PP72/48 為 PLC 部分，其提供了 72 點數字輸入河 48 點數字輸出。通過三個連接器河扁平電纜與外界信號連接。與 OP 通過 PRFOBUS 連接。⑶機床控制面板（MCP） —為機床操作控制用，其中包括有機床操作所需要的全部按鈕，如果工作墨臺選擇選鈕、倍率開關、NC 啟動和進給保持按鈕、各軸正、負點動鈕、電子手輪、相應機床動作的控制鈕等等。通過兩根扁平電纜與 PP72/48 I/O 模塊相連接。28⑷SIMODRIVE 611 驅動系統(tǒng)和交流伺服電機 —為 CN 的執(zhí)行單元。利用SIMODRIVE 611，西門子公司提供了數字化的驅動系統(tǒng)來滿足機床在動態(tài)響應，伺度調整范圍和旋轉精度等特性等反面的要求。其與 PCU 的連接也是通過 PROFIBUS 接口完成的。所需的模塊，如電源模塊和功率模塊，要根據點的大小來選擇。進給軸推薦選用 1FK5 電機，而主軸推薦用 IPH7 電機。⑸SITOP 電源—以上 CNC 的組成部分均需要直流電源供電，而且要求電源應保證在惡劣的電網波動下能保持精確穩(wěn)定的輸出。 。802D PCU 的功耗為24VDC 50W，PP72/48 I/O 模塊外部輸出信號的 24VDC 電源的功耗需要根據機床實際使用的輸出位數從及同時系數計算得出。⑹根據 SIMENS 公司的建議：系統(tǒng)應使用兩個獨立的支流電源，一個用于802D 的 PCU、PP72/48 和輸入信號的公共端，而另一個則為 PP72/48 的輸出信號供電 [14]。依上所述，根據 SINUMERIK 802D 數控機構連線圖 5.1 所示。 （詳見 A3（6）號圖紙）29圖 5.1 硬件電路圖第 6 章 機床設計方案的改進30首先在機床的總體布局和外觀上應該進行進一步的改進。隨著人性化生產、安全生產以及環(huán)保要求越來越高，現在國外很多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，而且全封閉式樣式也比較美觀，操作安全。所以，在保證了功能設計的要求外，也應再考慮外觀設計。其次是縱向進給機構的結構，此次設計由于兩個錐齒輪直徑較大，使得變速箱外形較大，后來加導軌和拖板時有點困難，使得工作臺很厚，浪費了材料。而且由于變速箱高度較大，螺母座必須安裝在工作臺靠變速箱的一側，可能會引起偏斜。所以應改進齒輪大小，在保證同樣的降速比的情況下，可將