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對精密銑刀研磨機(jī)主軸熱位移及其補(bǔ)償?shù)恼{(diào)查
摘要：刀具研磨機(jī)的軸向性能對刀具的精度有直接影響。因此，消除誤差有利于提高研磨機(jī)的精度。軸向誤差主要來源之一是主軸熱位移。因?yàn)橥ㄓ勉姷堆心C(jī)相對旋轉(zhuǎn)頻率較低(< 8000 rpm)，工作范圍小和慢熱梯度的原因，他們一般不配備冷卻系統(tǒng)。在沒有冷卻的前提條件下，在機(jī)床開始運(yùn)行的前幾個(gè)小時(shí)或者重新啟動(dòng)機(jī)床時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的熱誤差，這會(huì)造成材料的浪費(fèi)和工作效率的降低。
在本次調(diào)查中,為使熱位移最小化，建立了一個(gè)高效的測量系統(tǒng)和補(bǔ)償機(jī)制。大約可以減少80%的熱位移，使熱位移誤差少于5μm。采用此方案可以使刀具磨床的精度得到改善。
關(guān)鍵字：銑刀研磨機(jī)、主軸熱位移、激光位移傳感器、補(bǔ)償機(jī)制
1、 引言
精密銑刀研磨機(jī)(如圖1所示)可以廣泛應(yīng)用在傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)和高科技行業(yè)。所謂的母性遺傳效應(yīng)的產(chǎn)品就意味著產(chǎn)品的精度主要取決于機(jī)床,其誤差可以分為:幾何誤差、溫升誤差和動(dòng)態(tài)誤差等。根據(jù)相關(guān)研究,機(jī)床40%-70%的誤差源于熱位移[1,2],其熱量主要來源于軸與傳動(dòng)皮帶間的摩擦以及軸和軸承之間的摩擦。
到目前為止,一些公司已經(jīng)開發(fā)了位于主軸里面的傳感器，用于補(bǔ)償熱位移誤差[3]。然而對于中小型制造商而言，配備這樣主軸的機(jī)床會(huì)使工作成本增加，雖然這會(huì)對主軸的多樣性和采用方案以及使用機(jī)床的推廣性能有所限制。
在這項(xiàng)研究中,我們集成了光學(xué)位移傳感器系統(tǒng)、溫度傳感器系統(tǒng)、信號(hào)采集與分析系統(tǒng)來構(gòu)造一個(gè)具有獨(dú)立的模塊測量系統(tǒng)的主軸,通過它可以很容易找到刀具磨床主軸溫度和熱位移之間的相關(guān)性。這樣可以用來測試主軸的性能質(zhì)量,也提供了在實(shí)際加工過程中熱位移補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。
2、 測量系統(tǒng)的構(gòu)成
如圖2和圖3所示，溫度傳感器和位移傳感器安裝在測量系統(tǒng)內(nèi)。從主軸測試系統(tǒng)可獲得溫度和位移信號(hào)。在信號(hào)轉(zhuǎn)換和采集完成后, 測量程序會(huì)對這些信號(hào)進(jìn)行記錄和分析,同時(shí)建立起溫度漂移和熱位移之間的關(guān)系（如圖4所示）。
圖1 五軸刀具磨床
圖2 主軸的模塊測量系統(tǒng)
圖3 傳感器的安裝
圖4 信號(hào)處理
2.1 溫度測量系統(tǒng)
溫度傳感器固定在裝有主軸的實(shí)驗(yàn)機(jī)上。為了獲得主軸相對近似的內(nèi)部溫度并減少外部環(huán)境對其的影響,把溫度傳感器安裝在主軸托架的內(nèi)壁上以便與主軸近表面接觸。采用鉑熱電阻溫度傳感器[4]來測量主軸不同的位置的溫度。
一般適當(dāng)?shù)貙?dāng)前的鉑熱電阻限制在0.5 mA-2mA的范圍內(nèi)。它的分辨率可以設(shè)定在0.1℃。如圖5所示，測量后所有溫度傳感器的溫度漂移都是相似的。
因?yàn)闇囟茸兓啵灾挥袦y量分析了溫度最高的位置，才能簡化測量過程并獲得較高的分辨率。
圖5 不同位置的溫度變化
2.2 位移測量系統(tǒng)
對于旋轉(zhuǎn)主軸的熱位移測量，亞微米范圍的高分辨率的非接觸測量方法是必需的。因此，傳統(tǒng)的機(jī)械測量裝置并不適合它。
這項(xiàng)研究曾采用分辨率為0.2μm的激光位移測量裝置[5]。當(dāng)在一般工作條件下進(jìn)行穩(wěn)定性測試時(shí)，位移信號(hào)的漂移小于±2μm，滿足熱位移測量的要求。
3、 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果
機(jī)床的結(jié)構(gòu)和周邊條件都可以成為影響加工精度的因素。顯然，機(jī)床的系統(tǒng)誤差不能維持在一個(gè)固定的水平,它可以隨著時(shí)間的流逝而發(fā)生變化。除此之外，由于機(jī)床的操作，創(chuàng)建的熱變形會(huì)導(dǎo)致熱位移，這個(gè)過程是非常復(fù)雜的[6]。
盡管作為微分方程的理論模擬和有限元方法可以提供大量分析熱位移的信息，但是分析這種發(fā)展過程的最有效的方法是通過實(shí)驗(yàn)直接測量熱位移。因此，該研究基于主軸的溫度和熱位移測量，在實(shí)際加工的過程中測量溫度時(shí)，他們的相關(guān)性可以通過這些數(shù)據(jù)制定，然后再將其應(yīng)用于熱位移補(bǔ)償。
對普通加工廠而言，將機(jī)床的起始溫度控制在常溫內(nèi)是不可能的。此外，機(jī)床操作的起始溫度一年四季不同。為了檢測不同的起始溫度的影響，測量了刀具磨床主軸上不同的起始溫度。舉例而言，如圖6所示，這個(gè)測試表明當(dāng)起始溫度分別為19℃和27℃時(shí)，熱位移曲線速度是沒有差異的。因此，主軸的熱位移僅依賴于溫度變化，操作的起始溫度對其并沒有影響。
由于在實(shí)際應(yīng)用中主軸的轉(zhuǎn)速不同，所以有必要研究主軸轉(zhuǎn)速的快慢是否會(huì)影響熱位移量。如圖7所示，根據(jù)測量的3000 rpm和 6000 rpm的位移差別，快或慢的轉(zhuǎn)速只會(huì)導(dǎo)致溫度變化的差異，并有一個(gè)非常高的可重復(fù)性，但對熱位移量沒有影響。因此，這一特性對熱位移補(bǔ)償大有益處。在3000 rpm時(shí)，修正方程為L3000 = 3.44 T+ 5.68，在6000 rpm時(shí)，修正方程為L6000 = 3.95T + 3.95。(其中L是位移，T是溫度變化)
以上實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)所有變化都在增加時(shí)，主軸的溫度和熱位移的變化可以用于建立一個(gè)相關(guān)性。為了驗(yàn)證這種相關(guān)性同樣適合溫度的下降，進(jìn)行了溫度上升和下降的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，溫度升高的熱位移的曲線與溫度下降熱位移的曲線相適應(yīng)。因此，主軸的物理性質(zhì)不會(huì)因?yàn)闇囟鹊纳仙蛳陆蛋l(fā)生改變。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的熱位移曲線，主軸的熱位移補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果如圖8所示。根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)主軸以每分鐘6000轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)操作時(shí)，熱位移在2 小時(shí)后達(dá)到34μm。每2℃的間隔補(bǔ)償可以使熱位移減少約±4μm，相對減少約80%。通過補(bǔ)償，刀具磨床的精度明顯提高。
圖6 不同起始溫度
圖7 不同旋轉(zhuǎn)速度下的熱位移
圖8 補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果
4、 結(jié)論
通過應(yīng)用溫度和位移傳感器，熱位移和溫度之間的相關(guān)方程已經(jīng)制定。有了這個(gè)方程，主軸在生產(chǎn)過程中的熱位移就可以得到補(bǔ)償。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有效補(bǔ)償可以使理論預(yù)估補(bǔ)償成為可能。通過上述每個(gè)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)償過程，熱位移在短時(shí)間內(nèi)可減少為±4μm，減速比約為80%。這顯然證明了加工誤差可以減小到測微計(jì)的范圍內(nèi)，真正地提高精度和工作效率。
感謝
感謝Top Work提供相關(guān)設(shè)備和寶貴的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的支持。
參考文獻(xiàn)
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[3] Tekehiko Kodera, Kazuhiro Yohoyama, Kazuo Miyaguchi, Yutaka
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[4] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/157816/RHOPOINT/
PT100.html.
[5] MICRO-EPSILON: 機(jī)床主軸增長系統(tǒng).
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湘潭三峰數(shù)控機(jī)床有限公司
參觀實(shí)習(xí)報(bào)告
學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 學(xué)號(hào) 1103010124
班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化一班
姓名 赫榮玉 指導(dǎo)老師 鄧朝暉
1前言
參觀實(shí)習(xí)是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的前提，是一門必修課。參觀實(shí)習(xí)使我們深入到一線生產(chǎn)實(shí)踐之中，對機(jī)床的生產(chǎn)制造過程有一個(gè)直觀感性的認(rèn)識(shí)，從而對機(jī)床的總體布局、各部件的加工制造及其作用有了初步了解，為順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。
上周四，在學(xué)長的帶領(lǐng)下，我們參觀了湘潭三峰數(shù)控機(jī)床有限公司磨床生產(chǎn)車間，通過參觀及學(xué)長的講解，我們對磨床的生產(chǎn)流程有了一定的了解，對所學(xué)理論知識(shí)有了一定的感性認(rèn)識(shí)。雖然參觀的時(shí)間很短，但是受益匪淺。
2公司簡介
湘潭三峰數(shù)控機(jī)床有限公司成立于2006年12月，注冊資金930萬元。公司擁有進(jìn)口龍門刨銑、鏜銑加工中心、龍門導(dǎo)軌磨、三坐標(biāo)測量儀、表面輪廓測量儀、圓柱(度）儀等加工、檢測設(shè)備200多臺(tái)套，是國內(nèi)精密坐標(biāo)磨床、內(nèi)存式臥軸矩臺(tái)平面磨床、多功能全數(shù)控磨床和高速電主軸的專業(yè)生產(chǎn)廠家，是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的高新技術(shù)企業(yè)，為湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心最主要的生產(chǎn)研發(fā)基地。
?公司以國家高效磨削工程技術(shù)研究中心為依托，并與桂林桂北磨床和湘潭大學(xué)、湖南科技大學(xué)等多家高校形成戰(zhàn)略聯(lián)盟的關(guān)系，具備雄厚的產(chǎn)品研發(fā)能力和先進(jìn)的制造工藝，擁有湖南省著名商標(biāo)“三湘”自主品牌，產(chǎn)品全部擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是國內(nèi)精密磨削裝備制造的重點(diǎn)企業(yè)之一。公司研發(fā)生產(chǎn)的多功能全數(shù)控磨床、雙主軸磨削加工中心、對稱式坐標(biāo)數(shù)控磨床均屬國內(nèi)首創(chuàng)，獲得了多項(xiàng)國家發(fā)明專利和實(shí)用新型專利，軟件著作權(quán)和國際PCT，并且有5項(xiàng)新技術(shù)正在美國、德國、日本申請專利，其中多功能全數(shù)控磨床和磨削加工中心的工藝智能應(yīng)用系統(tǒng)軟件填補(bǔ)了國內(nèi)空白。公司的產(chǎn)品獲得了湖南省技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)和湘潭市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，多個(gè)項(xiàng)目獲得了國家及省、市級(jí)重點(diǎn)支持。
?公司產(chǎn)品有：MLK7160多功能全數(shù)控磨床系列，雙主軸對稱式磨削加工中心系列，M7140、M7150、M7163、M7180內(nèi)存式臥軸矩臺(tái)平面磨床系列，MM7130、MM7132、MM7140精密坐標(biāo)數(shù)控磨床等。產(chǎn)品已覆蓋遼寧、山東、上海、天津、廣東、浙江、河南、湖南、湖北等20多個(gè)省市。
3參觀過程
在進(jìn)車間前，在工廠工作的同校06級(jí)學(xué)長先給我們進(jìn)行了安全教育，身處一個(gè)機(jī)械工廠，安全永遠(yuǎn)是第一位的。工廠車間東西比較雜亂，比如地上的線、零件等，不小心就會(huì)絆腳；也不要站在吊車行進(jìn)方向，以免發(fā)生意外；還有不要站在磨床工作臺(tái)進(jìn)給方向等。
進(jìn)入車間，學(xué)長首先帶我們參觀了幾臺(tái)已經(jīng)制造裝配完成的數(shù)控平面磨床，有立柱移動(dòng)式、托板內(nèi)存式和臥軸矩臺(tái)式，為我們介紹了磨床的總體布局。高精密數(shù)控平面磨床的幾個(gè)大的部件有：磨頭、砂輪架、立柱、床身、工作臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)面板、電控柜、油箱、潤滑液回收箱等。其中機(jī)床床身為整體式結(jié)構(gòu)，龍門立柱、托板和磨頭為內(nèi)存式結(jié)構(gòu)，機(jī)床剛性好；工作臺(tái)縱向移動(dòng)和磨頭橫向移動(dòng)均采用液壓驅(qū)動(dòng)，無極調(diào)速；磨頭采用內(nèi)置式電機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊，精度高，磨頭垂直配有快速升降電機(jī)和手動(dòng)升降機(jī)構(gòu)。
垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)的，由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠，從而帶動(dòng)滾珠絲杠副的螺母上下移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)磨頭上下移動(dòng)。滾珠絲杠副是在絲杠與螺母間以鋼球?yàn)闈L動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)元件，它可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，或者將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有傳動(dòng)效率高、高精度、微進(jìn)給、無側(cè)隙及剛性高的特點(diǎn)。
在參觀過程中，我們還目睹了工人師傅對砂輪進(jìn)行修整的過程。因砂輪工作了一段時(shí)間后，砂粒逐漸變鈍，且有不均勻的磨損，砂粒間也充滿了切屑和砂粒的碎粒，這樣使得砂輪的工作表面逐漸失去了原來的形狀和工作功能，使磨削后工作表面光潔度變壞，因此必須定期加以修整。數(shù)控平面磨床砂輪采用的是陶瓷砂輪，而砂輪修整器的材料為金剛石，砂輪修整器的結(jié)構(gòu)比較簡單。當(dāng)目測修整火花均勻時(shí)即完成修整。
學(xué)長還帶我們參觀了未經(jīng)裝配的滾珠絲杠副和工作臺(tái)，工作臺(tái)裝在兩個(gè)導(dǎo)軌上，一側(cè)是平面導(dǎo)軌，另一側(cè)是V形導(dǎo)軌，兩個(gè)導(dǎo)軌之所以不同，是為了更好的實(shí)現(xiàn)定位，防止工作臺(tái)上下前后移動(dòng)。工作臺(tái)上還開有夾具槽。
4參觀總結(jié)
此次到湘潭三峰數(shù)控機(jī)床有限公司以參觀學(xué)習(xí)為主，這是進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。這次參觀幫我跳出了思維的枷鎖，使我對數(shù)控平面磨床有了一個(gè)整體的、直觀的認(rèn)識(shí)，也加深了我對很多結(jié)構(gòu)的了解，同時(shí)學(xué)習(xí)到許多課本上學(xué)不到的知識(shí)，這對我接下來的畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至以后的工作都有很大的幫助。最后要感謝鄧?yán)蠋熃o我們這樣一個(gè)參觀學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，感謝學(xué)長百忙之中陪同帶領(lǐng)我們?nèi)スS參觀，還要感謝帶我們觀摩為我們講解的06級(jí)學(xué)長。
畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
題目 MK7120型精密數(shù)控磨床砂輪架
及垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)和立柱設(shè)計(jì)
姓名 赫榮玉
學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)號(hào) 1103010124
指導(dǎo)老師 鄧朝暉
二〇一五 年 三 月 十八 日
湖南科技大學(xué) 2015 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題 目
MK7120型精密數(shù)控平面磨床砂輪架及垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)和立柱設(shè)計(jì)
作者姓名
赫榮玉
學(xué)號(hào)
1103010124
所學(xué)專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
1、 研究的意義，同類研究工作的國內(nèi)外現(xiàn)狀
（1）國內(nèi)外現(xiàn)狀：
據(jù)1997年歐洲機(jī)床展覽會(huì)（EMO）的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)，車削只占23%，鉆削占22%，其它占8%；而磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá)42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%。由此可見，在精密加工當(dāng)中，有許多零部件是通過精密磨削來達(dá)到其要求的，而精密磨削加工要在相應(yīng)的精密磨床上進(jìn)行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。
50年代初我國開始生產(chǎn)液壓傳動(dòng)的平面磨床。在上海機(jī)床廠首先制造了磨頭移動(dòng)式臥軸矩臺(tái)平面磨床372B后, 杭州機(jī)床廠、天津市機(jī)床廠相繼制造了平面磨床。到目前為止已有28 家工廠生產(chǎn)平面磨床。平面磨床的型式發(fā)展成拖板移動(dòng)式、立柱移動(dòng)式和磨頭移動(dòng)式等三種型式。
平面磨床的類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析：
系號(hào) 結(jié)構(gòu)形式 精度及性能 貫標(biāo)情況 備注
1 拖板移動(dòng) 好 容易達(dá)到 結(jié)構(gòu)限制，做不了大規(guī)格機(jī)床
2 立柱移動(dòng) 好 容易達(dá)到 由廠家做，產(chǎn)量相對較小
3 龍門式 最好 完全貫標(biāo) 產(chǎn)量在逐年增加
4 磨頭移動(dòng) 較好 不易達(dá)到 由于磨頭移動(dòng)產(chǎn)生變形精度不易保證，但市場產(chǎn)量最大
國內(nèi)生產(chǎn)的磨頭移動(dòng)式平面磨床一般都是普通級(jí)精度, 規(guī)格較少, 各制造廠往往只生產(chǎn)一種或二種規(guī)格, 都不形成系列產(chǎn)品。磨頭移動(dòng)式平面磨床具有工藝簡單,加工裝配方便等優(yōu)點(diǎn), 使用最廣泛, 國內(nèi)生產(chǎn)量最大的M7120A、M7130平面磨床就是這種型式。國外各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都有磨頭移動(dòng)式平面磨床的制造廠。例如美國Thompson公司、英國Snow 公司、西德Abe公司、意大利Favretto公司、Minini 主公司、Camut公司、Alpa 公司。這些公司生產(chǎn)的平面磨床都形成系列產(chǎn)品, 規(guī)格從小到大, 品種從普通平面磨床到CNC 成形磨床。許多廠商把臥軸矩臺(tái)平面磨床的設(shè)計(jì)擴(kuò)大到臥軸圓臺(tái)平面磨床, 使品種規(guī)格成倍增長。磨床的工作精度相當(dāng)于我國精密級(jí)平面磨床的精度。由此可見, 國外公司在平面磨床系列設(shè)計(jì)方面的效果, 值得我們重視。當(dāng)前世界上意大利生產(chǎn)磨頭移動(dòng)式平面磨床的公司最多, 各公司的技術(shù)水平不相上下。國內(nèi)北京、上海、天津、寧夏等地已有這些公司的產(chǎn)品, 用戶普遍反映質(zhì)量與性能較好, 機(jī)床規(guī)格也能滿足各類用戶的要求,意大利Favretto公司的平面磨床系列更新設(shè)計(jì)的概況如下, 可能對我們在平面磨床的設(shè)計(jì)制造方面有所啟示。
70年代臥軸矩臺(tái)平面磨床
1、總體布局
磨頭移動(dòng)式臥軸矩臺(tái)平面磨床的總體布局有二種。
1）、磨頭拖板在立柱的側(cè)面。這種型式由于制造工藝及裝配簡單，使用最廣泛。我們大家熟知的M7120A、M7130 平面磨床就是這種型式。缺點(diǎn)是磨頭和拖板在立柱側(cè)面，顛覆力矩較大， 因此磨頭垂直進(jìn)給靈敏較差, 微量進(jìn)給較難達(dá)到。
2）、 磨頭拖板在立柱的中間。這種型式消除了拖板磨頭對立柱的顛履力矩，對提高磨頭垂直進(jìn)給靈敏度較有利。按照立住結(jié)構(gòu)的不同，又可分為單立柱和雙立柱二種。單立柱的立柱和拖板加工工藝復(fù)雜，裝配方便。雙立柱的立柱加工方便些，裝配工藝復(fù)雜。
2、床身
為使床身有足夠的剛度以保持機(jī)床精度穩(wěn)定。這些系列平面磨床的前后床身鑄造成一體,后床身居中間，上面安裝立柱前床身中間安裝液壓部件, 底部作為油池貯油。后床身對稱加寬處內(nèi)部作為冷卻液池。利用冷卻液帶走部分油池?zé)崃? 減小冷卻液和油池油液的溫差。為了減少熱變形和降低油溫, 床身較長的機(jī)床都安裝散熱器。
3、 工作臺(tái)
工作臺(tái)底部有平及V形導(dǎo)軌與前床身的導(dǎo)軌配合。導(dǎo)軌都經(jīng)過刮削。工作臺(tái)移動(dòng)由安裝在床身上的油缸帶動(dòng)。工作臺(tái)頂面為安裝電磁吸盤和夾具的基準(zhǔn)面。工作面工作臺(tái)寬度是最大磨削寬度減去砂輪寬度。這與國內(nèi)的設(shè)計(jì)完全不同。國內(nèi)的磨床一般的工作臺(tái)寬度與最大磨削寬度相同。
4、 立柱、拖板
立柱是磨頭隨拖板做垂直運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，在負(fù)載情況下應(yīng)保證精度穩(wěn)定。TA、TB、TO、TD平面磨床的立柱采用箱型截面的鑄鐵件。兩側(cè)壁用雙層壁結(jié)構(gòu)以加強(qiáng)剛度。拖板是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的鑄件,其形狀相當(dāng)于字母“T”, 其上有兩組相互垂直的導(dǎo)軌。方形導(dǎo)軌與立往導(dǎo)軌相互配合, 能沿著立柱導(dǎo)軌作垂直上下移動(dòng)。橫向燕尾形導(dǎo)軌與磨頭體殼導(dǎo)軌相配合, 使磨頭能沿著拖板燕尾形導(dǎo)軌作橫向移動(dòng)。這兩組導(dǎo)軌應(yīng)相互垂直。拖板內(nèi)安裝橫進(jìn)給機(jī)構(gòu)及作橫向移動(dòng)的油缸。拖板的燕尾形導(dǎo)軌加工工藝復(fù)雜,需要配備專用機(jī)床銑削和磨削,這種結(jié)構(gòu)加工工時(shí)長,效率低。
5、橫進(jìn)給機(jī)構(gòu)
橫進(jìn)給機(jī)構(gòu)安裝在拖板上部, 其功能是使磨頭作自動(dòng)橫向連續(xù)進(jìn)給、自動(dòng)橫向斷續(xù)進(jìn)給和手動(dòng)橫向進(jìn)給。自動(dòng)橫向進(jìn)給時(shí)由油缸傳動(dòng)。
6、 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)
垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)安裝在床身前端面左面。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪通過蝸桿斜齒輪傳到絲焊螺母使磨頭上升下降?？焖偕凳亲鳛樘厥飧郊?yīng)的。在手輪軸中間加一套蝸桿斜齒輪接上快速電機(jī)可以進(jìn)行快速升降運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)垂直進(jìn)給是通過液壓油缸推桿帶動(dòng)棘輪棘爪進(jìn)行的, 用手柄通過凸輪推動(dòng)棘輪棘爪實(shí)現(xiàn)手動(dòng)微量垂直進(jìn)給。
80年代臥軸矩臺(tái)平面磨床
從機(jī)床外形圖看, 外形整齊, 線條清晰。立柱在床身左側(cè), 拖板和磨頭側(cè)掛在立柱側(cè)面, 沿著立柱的垂直導(dǎo)軌上下移動(dòng)。磨頭可沿著拖板燕尾形導(dǎo)軌作橫向移動(dòng)。工作臺(tái)安裝在床身導(dǎo)軌上, 由二只柱塞式油缸拖動(dòng)作縱向運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)兩端有折疊式防護(hù)罩以保護(hù)床身導(dǎo)軌。機(jī)床的操作手輪, 手鈕都安裝在正前方，操作很方便。床身右端安置冷卻水箱和磁性過濾裝置。床身左端安裝電磁工作臺(tái)的控制器。電氣控制柜安裝在立柱右側(cè)面。油泵和液壓系統(tǒng)裝置安裝在獨(dú)立油箱頂部, 油箱被安放在后床身后面。
床身為鑄件, 箱形結(jié)構(gòu), 形狀如“T” 字。床身頂端有一V 一平的導(dǎo)軌。在導(dǎo)軌頂面上鑄有油坑。油坑里可安裝油環(huán), 油環(huán)用耐磨塑料做成,中間以彈簧片支承, 平時(shí)油環(huán)端面高出導(dǎo)軌面約0.5mm, 當(dāng)工作臺(tái)導(dǎo)軌在其端面上擦過時(shí),使油環(huán)旋轉(zhuǎn)并把潤滑油涂到導(dǎo)軌面上。
立柱也為一個(gè)箱形結(jié)構(gòu), 其上的垂直導(dǎo)軌為矩形。其特點(diǎn)是立柱的導(dǎo)軌把拖板的導(dǎo)軌包圍住，而引成立柱體積大于拖板的體積，使立柱本身的剛性大大增加。立柱與拖板結(jié)合的滑動(dòng)導(dǎo)軌位于立柱中心線的一側(cè), 移動(dòng)拖板上下滑動(dòng)的絲桿也位于同一側(cè)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)磨頭在拖板燕尾導(dǎo)軌上作橫向移動(dòng)時(shí), 其重心始終在立柱導(dǎo)軌跨距間來回移動(dòng),由于立柱剛性好，因而提高了橫向移動(dòng)的精度。
拖板是磨頭移動(dòng)式平面磨床的主要鑄件。其上有二組導(dǎo)軌, 一組作為磨頭垂直移動(dòng)用, 另一組作為磨頭橫向移動(dòng)用, 這二組導(dǎo)軌相互垂直。
另外，隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，世界磨床行業(yè)已經(jīng)邁入了以數(shù)字化制造技術(shù)為一體的機(jī)電一體化時(shí)代，數(shù)控磨床就是其代表作品之一。
我國數(shù)控磨床起步較晚，起源于上世紀(jì)80年代，經(jīng)過了30年的跌宕起伏式發(fā)展，已經(jīng)由成長期邁入成熟期。數(shù)控磨床作為制造業(yè)的加工母機(jī)主要應(yīng)用于航天工業(yè)、造船工業(yè)、汽車制造業(yè)、兵器制造業(yè)等。
目前我國正處于工業(yè)化中期，汽車、鋼鐵、機(jī)械、電子、化工等一批以重工業(yè)為基礎(chǔ)的高增長行業(yè)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，未來磨床市場特別是數(shù)控磨床市場需求旺盛。2010年，數(shù)控磨床全年產(chǎn)量239萬臺(tái)，同比增長56%，2005-2010年間數(shù)控磨床年均增長率為30.2%，行業(yè)增長迅速。
（2）研究意義：
行業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，國產(chǎn)高檔數(shù)控磨床明顯進(jìn)步，中高檔產(chǎn)品取得重大突破，我國數(shù)控磨床整體水平全面提升。產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，問題也隨之而來：1、數(shù)控化水平較低。目前生產(chǎn)值數(shù)控化率不到30%，消耗值數(shù)控化率還不到50%，而發(fā)達(dá)國家則在70%左右，高檔次的數(shù)控磨床配套部件只能靠進(jìn)口；2、功能部件生產(chǎn)發(fā)展緩慢。功能部件性能好壞直接影響著數(shù)控磨床整體的技術(shù)水平與性能，制約著主機(jī)的發(fā)展速度，其發(fā)展?fàn)顩r與磨床市場競爭能力密切相關(guān)。目前我國功能部件企業(yè)發(fā)展十分滯后；3、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)水平偏低。從行業(yè)總體上來看，產(chǎn)業(yè)規(guī)模雖然很大，但產(chǎn)品仍處于全球產(chǎn)業(yè)鏈的中低端，國內(nèi)市場需求與行業(yè)供給能力不適應(yīng)，進(jìn)口磨床大量進(jìn)入國內(nèi)市場。
所以本次設(shè)計(jì)研究有以下意義：(1)了解數(shù)控平面磨床的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及功能部件；(2)提高數(shù)控磨床結(jié)構(gòu)性能；(3)培養(yǎng)學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力。
2、 研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題（根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)一步具體化）
（1）研究目標(biāo)：
設(shè)計(jì)一臺(tái)精密數(shù)控平面磨床，用砂輪周邊磨削平面，也可以磨削臺(tái)階平面。用于機(jī)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）研究設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：
1、 磨床總體布局設(shè)計(jì)；
2、 砂輪架設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制砂輪架機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖；
3、砂輪架垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，伺服電機(jī)和滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算，垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)裝配圖，繪制相關(guān)零件圖；
4、磨床立柱設(shè)計(jì)；
5、磨床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選用；
6、翻譯指定的英文專業(yè)文獻(xiàn)；
7、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。
（3）擬解決的關(guān)鍵問題：
MK7120精密數(shù)控平面磨床垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其中包括進(jìn)給系統(tǒng)中滾珠絲杠副及伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)給機(jī)構(gòu)裝配圖及相關(guān)零件圖的繪制以及其數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選用、硬件線路圖的繪制。
3、 擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線
擬采取的研究方法（或技術(shù)路線）：
1． 在指導(dǎo)教師的安排下到湘潭三峰數(shù)控機(jī)床有限公司進(jìn)行參觀認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，對精密數(shù)控平面磨床的結(jié)構(gòu)有初步認(rèn)識(shí)；
2． 收集、查閱各種文獻(xiàn)資料，了解數(shù)控平面磨床的整體布局及進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)行精密數(shù)控磨床整體布局的設(shè)計(jì)；
3． 運(yùn)動(dòng)形式設(shè)計(jì)后，進(jìn)行砂輪架垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，伺服電機(jī)和滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算，垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)裝配圖，繪制相關(guān)零件圖；
4． 查閱手冊，翻譯、參考英文文獻(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，用Auto CAD軟件繪制進(jìn)給系統(tǒng)的裝配圖、零件圖及數(shù)控系統(tǒng)的硬件連線圖；
5． 設(shè)計(jì)中遇到的疑點(diǎn)、難點(diǎn)問題通過廣泛查閱文獻(xiàn)資料或與組內(nèi)同學(xué)相互討論以及實(shí)地考察來解決。
4、 擬使用的主要設(shè)計(jì)、分析軟件及儀器設(shè)備
CAD、Pro/E繪圖軟件
5、參考文獻(xiàn)
[1]、關(guān)慧貞 馮辛安、機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)、第3版、北京、機(jī)械工業(yè)出版社、2009.11、450
[2]、毛謙德 李振清、袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊、第1版、北京、機(jī)械工業(yè)出版社、1994.09、1526
[3]、沈克仁、意大利favretto公司磨頭移動(dòng)式平面磨床系列更新設(shè)計(jì)的概況、磨床與磨削、1990、03:5-13
[4]、姚峻、近幾年國際平面磨床發(fā)展動(dòng)態(tài)、精密制造與自動(dòng)化、2001、04:3-6
[4]、李文建、數(shù)控平面磨床發(fā)展簡述、伺服控制、2008、07:48-52
[5]、秦慶輝、數(shù)控龍門平面、導(dǎo)軌磨床研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化、2009海峽兩岸機(jī)械科技論壇論文集、2009:886-896
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目
托板內(nèi)存式MK7120型精密數(shù)控平面磨床 砂輪架及垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)和立柱設(shè)計(jì)
作者
赫榮玉
學(xué)院
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)號(hào)
1103010124
指導(dǎo)教師
鄧朝暉
2015年5 月 25日
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
機(jī)電工程 院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日
學(xué)生姓名: 赫榮玉 學(xué)號(hào): 1103010124 專業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專題： 托板內(nèi)存式MK7120型精密數(shù)控平面磨床砂輪架及垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)和立柱設(shè)計(jì)
2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2015 年 3 月 10 日開始至 2015 年 5 月 29 日止
3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料：
[1]關(guān)慧貞、馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.11
[2]毛謙德、李振清.著袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.09
[3]文懷心、夏田.數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005
4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
（1）磨床的總體布局設(shè)計(jì)；
（2）砂輪架設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制砂輪架機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖；
（3）砂輪架垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，伺服電機(jī)和滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算，垂直進(jìn)給機(jī)械 機(jī)構(gòu)裝配圖；繪制相關(guān)零件圖；
（4）磨床立柱設(shè)計(jì)，繪制立柱零件圖；
（5）磨床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選用；
（6）翻譯指定的英文專業(yè)文獻(xiàn)；
（7）撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書）。
5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說明與圖紙或論文等）及要求：
圖紙總工作量折合A0圖紙3張以上，畢業(yè)設(shè)計(jì)論文字?jǐn)?shù)不少于1.5萬字，參考文獻(xiàn)至少15篇以上。
6 發(fā)題時(shí)間： 2015 年 1 月 20 日
指導(dǎo)教師： （簽名）
學(xué) 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評價(jià)]
指導(dǎo)人： （簽名）
年 月 日
指導(dǎo)人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評閱人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評價(jià)]
評閱人： （簽名）
年 月 日
評閱人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄
日期：
學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)下列材料：
1 設(shè)計(jì)（論文）說明書 共 頁
2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙 共 頁
3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評語：
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的研究思路，設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計(jì)（論文）的介紹，回答問題情況等進(jìn)行綜合評價(jià)]
答辯委員會(huì)主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
摘 要
本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)托板內(nèi)存式精密數(shù)控平面磨床，用于機(jī)械制造業(yè)及模具制造業(yè)平面和臺(tái)階面的精密磨削加工。主要包括磨床總體布局、砂輪架、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)、立柱和硬件電路等設(shè)計(jì)。磨床采用托板內(nèi)存式，前后床身為整體式結(jié)構(gòu)，龍門立柱內(nèi)設(shè)計(jì)有內(nèi)存式結(jié)構(gòu)的拖板砂輪架，通過砂輪架實(shí)現(xiàn)磨床的垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，磨床剛性好，磨床縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由工作臺(tái)工件實(shí)現(xiàn)；砂輪架設(shè)計(jì)包括砂輪架主軸設(shè)計(jì)計(jì)算及其剛度校核及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包括滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算、選型、校核和其他零件的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型，垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過滾珠絲杠副螺母座帶動(dòng)與其連接的立柱箱體上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存式砂輪架的垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；磨床硬件電路采用西門子802D數(shù)控系統(tǒng)，由CPU、磨床控制面板、個(gè)人計(jì)算機(jī)、調(diào)試電纜、輸入/輸出模塊、驅(qū)動(dòng)器和總線組成。該磨床各機(jī)構(gòu)通過設(shè)計(jì)計(jì)算及校核調(diào)試，已經(jīng)滿足既定技術(shù)參數(shù)要求和功能要求。通過上述的設(shè)計(jì)，最終完成了托板內(nèi)存式MK7120型精密數(shù)控平面磨床砂輪架及垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)和立柱設(shè)計(jì)任務(wù)。
關(guān)鍵詞：數(shù)控平面磨床、托板內(nèi)存式、砂輪架、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)、立柱
ABSTRACT
In this paper, a plate memory type precision numerical control surface grinder is designed that should be used for the precision grinding of plane and step surface in machinery manufacturing and mold manufacturing. The main content of the design includes the design of overall layout, grinding wheel rack, vertical feed mechanism, column and hardware circuit .The grinder adopts plate memory type, and the before and after the lathe bed is the overall structure. There is a plate grinding wheel rack of memory structure within the longmen column. The vertical feed movement and transverse feed movement of the grinder are achieved by the grinding wheel rack, while longitudinal feed movement by the workbench. The grinder has good rigidity. The design of the grinding wheel rack mainly includes calculation and the rigidity check and the structure design of the spindle. The design of the vertical feed mechanism includes design calculation and selection and checking of the ball screw vice and the design calculation and selection of other components. The servo motor of vertical feed mechanism drives ball screw to do rotary motion, so the ball screw vice nut drives the connected column body go up and down, thus realizing vertical feed movement of the memory type grinding wheel rack. The grinder hardware circuit uses the Siemens 802D CNC system, including the CPU, grinder control panel, the personal computer, debugging, cable, input/output module, drive and a bus. Through the design calculation and checking debugging, the grinder institutions have already met the established technical parameter requirements and functional requirements. Through the above design, the assigned designing including the grinding wheel rack and vertical feed mechanism and column of the plate memory type MK7120 precision numerical control surface grinder is completed.
Keywords: numerical control surface grinder, plate memory type, grinding wheel rack, vertical feed mechanism, column
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
目 錄
第一章 緒 論 1
1.1 課題背景及目的 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3 課題研究方法 3
1.4 論文的構(gòu)成及研究內(nèi)容 4
1.4.1 論文的構(gòu)成 4
1.4.2 設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容 4
1.5 設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù) 4
第二章 磨床總體布局設(shè)計(jì) 6
2.1總體布局方案設(shè)計(jì) 6
2.1.1 機(jī)床總體布局應(yīng)滿足的要求 6
2.1.2 機(jī)械制造裝備應(yīng)滿足的一般功能 6
2.1.3 總體布局方案選擇 6
2.2 總體布局設(shè)計(jì) 7
第三章 砂輪架的設(shè)計(jì) 9
3.1 主軸的設(shè)計(jì)及校核 9
3.1.1 主軸的設(shè)計(jì) 9
3.1.2 主軸的剛度校核 11
3.2 軸承的設(shè)計(jì) 14
3.3 主軸電機(jī)的選擇 15
3.4 聯(lián)軸器的選擇 15
第四章 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17
4.1 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)布局設(shè)計(jì) 17
4.2 磨削力的計(jì)算 17
4.3 滾珠絲杠副設(shè)計(jì) 19
4.3.1 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)使用中應(yīng)注意的問題 19
4.3.2 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)步驟 20
4.4 滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 28
4.4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算 28
4.4.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 28
4.4.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 29
4.4.4電機(jī)的選擇 30
4.5聯(lián)軸器的選擇 30
4.5.1 計(jì)算轉(zhuǎn)矩 30
4.5.2 型號(hào)選擇 31
4.5.3 聯(lián)軸器的校核 31
第五章 磨床立柱的設(shè)計(jì) 32
5.1 磨床立柱簡介 32
5.2 立柱的受力情況 32
5.3 立柱工作過程概述 32
5.4 立柱的設(shè)計(jì) 33
第六章 硬件電路的設(shè)計(jì) 34
6.1 數(shù)控電路的介紹 34
6.2 西門子802D數(shù)控系統(tǒng)的組成 34
6.3 802D數(shù)控系統(tǒng)的連接 34
6.4 數(shù)控系統(tǒng)接線圖 35
第七章 結(jié)論 36
參考文獻(xiàn) 37
致謝 38
附錄A：磨床總體布局
附錄B：磨床垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)裝配圖
附錄C：磨床砂輪架裝配圖
附錄D：磨床立柱零件圖
附錄F：砂輪架主軸零件圖
附錄G：數(shù)控系統(tǒng)電路接線圖
第一章 緒 論
1.1 課題背景及目的
數(shù)控磨床是通過磨具磨削加工工件表面的機(jī)床。使用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪進(jìn)行加工磨削是一大部分磨床的特點(diǎn)，而砂帶磨床、珩磨機(jī)和研磨機(jī)等小部分進(jìn)行加工時(shí)是使用油石、砂帶等其他磨具和游離磨料的。數(shù)控磨床的范疇包括數(shù)控平面磨床、數(shù)控內(nèi)外圓磨床、數(shù)控立式萬能磨床、數(shù)控成形磨床等 [1]。
電子信息技術(shù)快速發(fā)展是當(dāng)今社會(huì)的主流，所以世界磨床行業(yè)也進(jìn)入數(shù)字化制造技術(shù)時(shí)代，即機(jī)電一體化時(shí)代，其代表作品之一就是數(shù)控磨床。
我國數(shù)控磨床起源于上世紀(jì)80年代，相對其他國家起步較晚。但是，這并沒有阻礙我國數(shù)控磨床的快速發(fā)展，經(jīng)過了多年發(fā)展，已經(jīng)由成長期邁入成熟期。數(shù)控磨床是制造業(yè)的加工母機(jī)，它在航天工業(yè)、汽車制造業(yè)、兵器制造業(yè)等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。我國正處于工業(yè)化中期，發(fā)展極其迅猛的鋼鐵、機(jī)械、化工等行業(yè)都依賴于磨床的制造發(fā)展，由此可見未來的磨床市場尤其是數(shù)控磨床市場前景廣闊。
行業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)著國產(chǎn)中高檔數(shù)控磨床的進(jìn)步，全面提升了數(shù)控磨床的整體水平。伴隨著產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控磨床仍存在問題，表現(xiàn)在：1、數(shù)控化水平較低。不到30%的生產(chǎn)值數(shù)控化率使得高檔數(shù)控磨床配套部件只能依靠進(jìn)口；2、功能部件生產(chǎn)發(fā)展緩慢；3、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)水平偏低[2]。
所以本次設(shè)計(jì)研究有以下目的及意義：(1)了解數(shù)控平面磨床的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及功能部件；(2)提高數(shù)控磨床結(jié)構(gòu)性能；(3)培養(yǎng)學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
從1997年歐洲機(jī)床展覽會(huì)的調(diào)查數(shù)據(jù)可以看出，磨削是應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)這一觀點(diǎn)得到了四分之一的企業(yè)的贊同，高于車、鉆等其他加工技術(shù)。相應(yīng)地，在企業(yè)中磨床占機(jī)床的比例高達(dá)42%，同樣遠(yuǎn)高于車、銑、鉆床等占有比例。由此可見，在精密加工中，有許多零部件要達(dá)到其要求是通過精密磨削來實(shí)現(xiàn)的，而精密磨削加工離不開精密磨床，因此在精密加工中，精密磨床占有非常重要的作用。
我國開始生產(chǎn)液壓傳動(dòng)的平面磨床約在50年代初。磨頭移動(dòng)式臥軸矩臺(tái)平面磨床372B首先在上海機(jī)床廠被制造出來以后, 各大機(jī)床廠也相繼制造了平面磨床。平面磨床的型式有拖板移動(dòng)式、立柱移動(dòng)式和磨頭移動(dòng)式和龍門式等型式。
平面磨床的類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如表1.1所示。
表1.1 平面磨床的類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
系號(hào)
結(jié)構(gòu)形式
精度及性能
貫標(biāo)情況
備注
1
拖板移動(dòng)
好
容易達(dá)到
結(jié)構(gòu)限制，做不了大規(guī)格機(jī)床
2
立柱移動(dòng)
好
容易達(dá)到
產(chǎn)量相對較小
3
龍門式
最好
完全貫標(biāo)
產(chǎn)量逐年增加
4
磨頭移動(dòng)
較好
不易達(dá)到
市場產(chǎn)量最大
國內(nèi)生產(chǎn)的磨頭移動(dòng)式平面磨床一般都是普通級(jí)精度, 規(guī)格較少，但是磨頭移動(dòng)式平面磨床具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如工藝簡單,加工裝配方便，使用廣泛等。M7120A、M7130平面磨床是國內(nèi)生產(chǎn)量最大的平面磨床，就是這種型式。國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家的公司，例如美國Thompson公司、西德Abe公司、意大利Favretto公司都生產(chǎn)磨頭移動(dòng)式平面磨床。由于國外公司在平面磨床系列設(shè)計(jì)方面的有成果，其磨床的工作精度相當(dāng)于我國精密級(jí)平面磨床的精度，這是值得我們學(xué)習(xí)和重視的。如今意大利生產(chǎn)磨頭移動(dòng)式平面磨床的公司最多。由于從國外進(jìn)口，國內(nèi)很多地方都已經(jīng)有了這些意大利公司的產(chǎn)品。因?yàn)闄C(jī)床規(guī)格能滿足各類用戶的需求,他們普遍反映有較好的質(zhì)量與性能。意大利Favretto公司的平面磨床系列更新設(shè)計(jì)的概況可能對我們在平面磨床的設(shè)計(jì)制造方面有所啟示。
70年代臥軸矩臺(tái)平面磨床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：總體布局有二種，一種是磨頭拖板在立柱的側(cè)面。制造工藝及裝配簡單使得這種型式使用最為廣泛，缺點(diǎn)是顛覆力矩較大，這就導(dǎo)致磨頭垂直進(jìn)給靈敏較差, 較難達(dá)到微量進(jìn)給；另外一種是磨頭拖板在立柱的中間。這種型式與前一種相反，它消除了拖板磨頭對立柱的顛履力矩，從而磨頭垂直進(jìn)給靈敏度較好。
這些系列平面磨床的前后床身鑄造成一體,后床身上面安裝立柱，后床身對稱加寬處內(nèi)部作為冷卻液池，前床身中間安裝液壓部件, 底部作為油池貯油，這樣使床身有足夠的剛度以保持機(jī)床精度穩(wěn)定。床身較長的機(jī)床都安裝散熱器的目的是為了降低油溫和減少熱變形。
立柱是磨頭隨拖板做垂直運(yùn)動(dòng)的支撐，在負(fù)載情況下應(yīng)保證精度穩(wěn)定。立柱結(jié)構(gòu)分為單立柱和雙立柱二種。單立柱的立柱加工工藝復(fù)雜，裝配方便。雙立柱的立柱加工方便，裝配復(fù)雜。拖板是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的鑄件,其上有兩組相互垂直的導(dǎo)軌。矩形導(dǎo)軌與立柱導(dǎo)軌相互配合, 能沿著立柱導(dǎo)軌作垂直上下移動(dòng)。拖板內(nèi)安裝橫進(jìn)給機(jī)構(gòu)及作橫向移動(dòng)的油缸。橫向燕尾形導(dǎo)軌與磨頭體殼導(dǎo)軌相配合, 使磨頭能沿著拖板燕尾形導(dǎo)軌作橫向移動(dòng)。
工作臺(tái)底部有矩形及三角形導(dǎo)軌。工作臺(tái)頂面為安裝電磁吸盤和夾具的基準(zhǔn)面。工作臺(tái)移動(dòng)由安裝在床身上的油缸帶動(dòng)。與國內(nèi)的設(shè)計(jì)不同的是，工作臺(tái)寬度是最大磨削寬度減去砂輪寬度，而國內(nèi)的磨床是工作臺(tái)寬度與最大磨削寬度相同。
橫進(jìn)給機(jī)構(gòu)安裝在拖板上部，垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)安裝在床身前端面左面。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪通過蝸桿斜齒輪傳到絲焊螺母使磨頭上下移動(dòng)?？焖偕颠\(yùn)動(dòng)是通過在手輪軸中間加一套蝸桿斜齒輪接上快速電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。液壓油缸推桿帶動(dòng)棘輪棘爪可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)垂直進(jìn)給,手動(dòng)微量垂直進(jìn)給是用手柄通過凸輪推動(dòng)棘輪棘爪實(shí)現(xiàn)。
80年代臥軸矩臺(tái)平面磨床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：機(jī)床外形整齊, 線條美觀。立柱在床身左側(cè), 拖板和磨頭側(cè)掛在立柱側(cè)面, 沿著立柱的垂直導(dǎo)軌上下移動(dòng)。磨頭可沿著拖板燕尾形導(dǎo)軌作橫向移動(dòng)。工作臺(tái)安裝在床身導(dǎo)軌上, 由二只柱塞式油缸拖動(dòng)作縱向運(yùn)動(dòng)。在床身安裝有電磁工作臺(tái)的控制器，冷卻水箱和磁性過濾裝置則在床身右端。機(jī)床的操作手輪、手鈕都安裝在正前方，操作很方便。
拖板是磨頭移動(dòng)式平面磨床的主要鑄件。其上有二組導(dǎo)軌, 一組作為磨頭垂直移動(dòng)用, 另一組作為磨頭橫向移動(dòng)用, 這二組導(dǎo)軌相互垂直。
床身為箱形結(jié)構(gòu)的鑄件，矩形導(dǎo)軌和三角形導(dǎo)軌頂面上鑄有油坑，油坑里可安裝耐磨塑料的油環(huán),油環(huán)端面高出導(dǎo)軌面約0.5mm, 當(dāng)工作臺(tái)導(dǎo)軌在其端面上擦過時(shí),使油環(huán)旋轉(zhuǎn)并把潤滑油涂到導(dǎo)軌面上。
立柱為一個(gè)有著矩形導(dǎo)軌的箱形結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是立柱的導(dǎo)軌把拖板的導(dǎo)軌包圍住，這樣大大增加了立柱的剛性。立柱與拖板結(jié)合處的導(dǎo)軌位于立柱中心的一側(cè),位于同一側(cè)的還有使拖板上下移動(dòng)的絲桿。這樣的好處是，當(dāng)磨頭在拖板燕尾導(dǎo)軌上作橫向移動(dòng)時(shí), 其重心始終在立柱導(dǎo)軌跨距間來回移動(dòng),立柱剛性好提高了橫向移動(dòng)的精度[3]。
1.3 課題研究方法
擬采取的研究方法（或技術(shù)路線）：
1.在指導(dǎo)教師的安排下到湘潭三峰數(shù)控機(jī)床有限公司進(jìn)行參觀認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，對精密數(shù)控平面磨床的結(jié)構(gòu)有初步認(rèn)識(shí)；
2.收集、查閱各種文獻(xiàn)資料，了解數(shù)控平面磨床的整體布局及進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)行精密數(shù)控磨床整體布局的設(shè)計(jì)；
3.運(yùn)動(dòng)形式設(shè)計(jì)后，進(jìn)行砂輪架垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，伺服電機(jī)和滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算，垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)裝配圖，繪制相關(guān)零件圖；
4.查閱手冊，翻譯、參考英文文獻(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，用Auto CAD軟件繪制進(jìn)給系統(tǒng)的裝配圖、零件圖及數(shù)控系統(tǒng)的硬件連線圖；
5.設(shè)計(jì)中遇到的疑點(diǎn)、難點(diǎn)問題通過廣泛查閱文獻(xiàn)資料或與組內(nèi)同學(xué)相互討論以及實(shí)地考察來解決。
1.4 論文的構(gòu)成及研究內(nèi)容
1.4.1 論文的構(gòu)成
1. 緒論
2．?dāng)?shù)控平面磨床總體布局設(shè)計(jì)
3．砂輪架設(shè)計(jì)
4. 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
5．磨床立柱的設(shè)計(jì)
6．硬件電路設(shè)計(jì)
7．總結(jié)
8．參考文獻(xiàn)
9．致謝
10.附錄
1.4.2 設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容
本課題設(shè)計(jì)一臺(tái)精密數(shù)控平面磨床MK7120，用砂輪周邊磨削平面，也可以磨削臺(tái)階平面。用于機(jī)械制造業(yè)及工具模具制造行業(yè)，能加工各種難加工材料。
設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：
1．磨床的總體布局設(shè)計(jì)；
2．砂輪架設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制砂輪架機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖；
3. 砂輪架垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，伺服電機(jī)和滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算，垂直進(jìn)給機(jī)械機(jī)構(gòu)裝配圖；繪制相關(guān)零件圖；
3．磨床立柱設(shè)計(jì)，繪制立柱零件圖；
4．磨床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選用；
5．翻譯指定的英文專業(yè)文獻(xiàn)；
6．撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書）。
設(shè)計(jì)基本要求：圖紙總工作量折合A0圖紙3張以上，畢業(yè)設(shè)計(jì)論文字?jǐn)?shù)不少于1.5萬字，參考文獻(xiàn)至少15篇以上
1.5 設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)
主要參考參數(shù)：
1.磨床主要規(guī)格
工作臺(tái)面尺寸（寬長）：200500（630）
2.加工范圍
可磨削最大工件尺寸（寬長高）：200500（630）360
3. 工作臺(tái)
工作臺(tái)縱向移動(dòng)速度（無級(jí)）：
工作臺(tái)橫向自動(dòng)進(jìn)給：連續(xù)（無級(jí)）：
斷續(xù)（無級(jí)）：/工作臺(tái)一行程
4. 砂輪架
砂輪架垂直快速升降速度：400，垂直自動(dòng)進(jìn)給：，最小進(jìn)給量：0.0001mm，砂輪尺寸（外徑寬內(nèi)徑）Φ20020Φ32，砂輪轉(zhuǎn)速
5. 加工指標(biāo)
磨削表面粗糙度Ra=0.03，加工后表面對基面的平行度為300：0.002
第二章 磨床總體布局設(shè)計(jì)
2.1總體布局方案設(shè)計(jì)
2.1.1 機(jī)床總體布局應(yīng)滿足的要求
1) 工藝范圍；
2) 加工精度；
3) 柔性；
4) 開放性；
5) 噪聲；
6) 生產(chǎn)率和自動(dòng)化；
7) 成本；
8) 生產(chǎn)周期；
9) 可靠性；
10) 磨床宜人性；
11) 符合綠色工程要求[4]。
2.1.2 機(jī)械制造裝備應(yīng)滿足的一般功能
1) 滿足加工精度方面的要求；
2) 滿足強(qiáng)度、剛度和抗振性方面的要求；
3) 滿足加工穩(wěn)定性方面的要求；
4) 滿足耐用度方面的要求；
5) 滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的要求[5]。
2.1.3 總體布局方案選擇
機(jī)床的總體布局首先應(yīng)滿足以上五個(gè)一般功能。總體布局設(shè)計(jì)是一項(xiàng)全局性的工作，它關(guān)乎機(jī)床的性能、質(zhì)量、工藝等，關(guān)系到產(chǎn)品市場競爭力的高低。磨床的總體布局的設(shè)計(jì)要遵循經(jīng)濟(jì)、合理、的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)要保證機(jī)床的剛度、精度和穩(wěn)定性。托板內(nèi)存式平面磨床要完成既定的磨削要求，需要完成主運(yùn)動(dòng)（砂輪的轉(zhuǎn)動(dòng)）和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（垂直進(jìn)給、橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給），進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式是多種多樣的：
（1） 工作臺(tái)完成橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而砂輪架只完成垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；
（2） 橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由立柱完成，縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由工作臺(tái)完成，而垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則由砂輪架來完成，這種進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式叫立柱移動(dòng)式；
（3） 橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由立柱來完成，垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由砂輪架來完成；
（4） 工作臺(tái)完成縱向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，砂輪架完成橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這種進(jìn)給運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)形式叫托板內(nèi)存式。
這幾種運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)形式各有各的特點(diǎn)。第一種運(yùn)動(dòng)形式比較傳統(tǒng)，使用廣泛，運(yùn)動(dòng)形式較簡單，設(shè)計(jì)起來比較方便，設(shè)計(jì)的周期比較短，能滿足用戶的需求，市場相應(yīng)較好。但是，整體剛性不太好是這種形式的磨床所存在的問題，剛性在一定程度上會(huì)影響磨床的精度，所以這種形式不滿足磨床高精度的要求。第二種形式雖然在結(jié)構(gòu)上有了改變，使運(yùn)動(dòng)范圍限定在較小的空間內(nèi)完成，有效的減少了占地面積。第三種形式的磨床的整體剛性和運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性很好，但運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量太大是這種形式的不足之處，這樣會(huì)使機(jī)床響應(yīng)的速度大大降低，而且也是對能源的一種浪費(fèi)，所以也不滿足高精度、精密磨床的要求。而第四種形式在結(jié)構(gòu)上有了改變，有很好的剛度和精度。這種運(yùn)動(dòng)形式結(jié)構(gòu)較緊湊，工藝簡單、裝配方便，在較小的空間內(nèi)即可完成既定的工作范圍。這種形式還有利于機(jī)床的布局，對加工物流也有利。所以，第四種托板內(nèi)存式這種形式的磨床創(chuàng)新性好、綜合效益也很好。通過幾種方案優(yōu)缺點(diǎn)的對比，要設(shè)計(jì)高精密、高精度數(shù)控磨床可以采用托板內(nèi)存式這種進(jìn)給運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式。
由于本次設(shè)計(jì)要滿足高精度的設(shè)計(jì)要求，所以采用滾珠絲杠傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。因?yàn)闈L珠絲杠具有傳動(dòng)精度高、運(yùn)動(dòng)效率高、剛性好的特點(diǎn)。滾珠絲杠還可以在一定程度上消除回程誤差，這是有利于精度的提高的。因此要設(shè)計(jì)高精度磨床，滾珠絲杠這種驅(qū)動(dòng)方式是很好的?？v向運(yùn)動(dòng)在進(jìn)行較小的進(jìn)給時(shí)會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，所以在縱向上放棄了傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)，這樣可以提高磨削的精度，另外去除了液壓系統(tǒng)可以使磨床機(jī)構(gòu)得到簡化，使得磨床更加緊湊，非常好的發(fā)揮了這種運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)形式的優(yōu)點(diǎn)。由于橫向和垂直方向的精度要求較高，所以采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)方式來完成在這兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
2.2 總體布局設(shè)計(jì)
總體布局設(shè)計(jì)是一項(xiàng)全局性的工作，它決定了磨床的產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)、性能、成本以及工藝，關(guān)系到產(chǎn)品的市場競爭力和技術(shù)水平層次的高低。
MK7120型高精密數(shù)控平面磨床的幾個(gè)大的部件有：砂輪架、立柱、床身、工作臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)面板、電控柜、油箱、潤滑液回收箱等。在設(shè)計(jì)布局的過程中不僅要考慮到緊湊，還要考慮到美觀以及操作者操作方便等問題。本次設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)是將立柱設(shè)計(jì)成為了固定的形式，其總體布局圖如圖2.1所示。
圖2.1 總體布局圖
第三章 砂輪架的設(shè)計(jì)
砂輪架的設(shè)計(jì)在磨床的設(shè)計(jì)中是非常重要的一部分，尤其是磨頭的旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，主軸的剛性以及主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)平衡都會(huì)對磨削的精度有很大影響。因此合理地設(shè)計(jì)砂輪架對達(dá)到磨削精度有很大的意義，尤其是主軸的設(shè)計(jì)和電機(jī)的合理選擇，具體的設(shè)計(jì)過程如下：
3.1 主軸的設(shè)計(jì)及校核
主軸是磨床中非常重要的零件，它對磨削的精度。求量和平穩(wěn)性都有較大的影響，因此要對他的強(qiáng)度剛度等一系列的質(zhì)量和平穩(wěn)性都有較大的影響，因此要對它的剛度有較高的要求。
3.1.1 主軸的設(shè)計(jì)
1. 磨削力的計(jì)算
（1）由一個(gè)平面磨削力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式得：
（3.1）
其中： ——磨削過程中的最大切向磨削力(N)；
——垂直方向的進(jìn)給量(mm)；
——縱向進(jìn)給量(mm/min)；
——砂輪轉(zhuǎn)速(m/s)。
（3.2）
由設(shè)計(jì)的參數(shù)要求可知：=0.02mm，=25m/min；由于電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min，砂輪尺寸(外徑╳寬╳內(nèi)徑)φ200╳20╳φ32，因此s不變，=s
（3.3）
其中： ——砂輪線速度(m/s)；
——電機(jī)轉(zhuǎn)速 (r/min)；
——砂輪外圓直徑(mm)。
m/s
=s ，即=31.4 m/s
所以 Nm
磨削經(jīng)驗(yàn)表明，法向磨削力跟切向磨削力的大小存在一個(gè)比值（）的關(guān)系,磨削普通鋼料時(shí)的取值范圍為1.6~1.8，磨削陶瓷時(shí)的取值范圍為3~22。綜合考慮各方面的因素，磨削普通鋼料時(shí)取=1.8，磨削陶瓷時(shí)取=20。則磨削普通鋼料時(shí)的法向磨削力的最大值為：
N
（2）由陶瓷磨削力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式（該公式應(yīng)用了最小二乘法線性回歸求出的各種陶瓷的單位磨削力的經(jīng)驗(yàn)公式）得：
對于陶瓷：
=8.20148 N/mm
=1.05372566 N/mm
=164.0296 N =21.0745 N
對于陶瓷：
=7.82616 N/mm
=1.0777553 N/mm
=156.5232 N =21.555 N
綜上所述得：
104.41 N N
故 Nm
了解各個(gè)方向最大磨削力的大小是進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提條件，也是各個(gè)零件尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在磨削過程中對磨削精度的影響也較大是縱向和垂直方向的磨削力。為了合理的選擇主軸電機(jī)，首先也得計(jì)算出磨削情況下可能的最大磨削力[6]。
2.主軸的設(shè)計(jì)
由于該磨床主軸轉(zhuǎn)速為3000 r/min ，由以上計(jì)算可知砂輪線速度為s m/s，由此可計(jì)算出磨削的最大功率為：
（3.4）
kW
考慮到傳動(dòng)效率和安全系數(shù)等因素，可以先暫定電機(jī)的額定功率為4kw來進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)。
根據(jù)一個(gè)關(guān)于軸直徑大小的估算公式：
（3.5）
式中：——設(shè)計(jì)軸的直徑（mm）；
——一個(gè)參考系數(shù)，跟材料有關(guān)，可查表得=115；
——傳動(dòng)的最大功率（kW），取4kw進(jìn)行設(shè)計(jì)；
——主軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。
=12.66 mm
考慮到一定的安全系數(shù)和剛度的要求，取=20 mm。
3.1.2 主軸的剛度校核
一般來說，如主軸的剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求則其強(qiáng)度一般來說都是滿足要求的，故磨床主軸只進(jìn)行彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的校核。
1. 主軸的彎曲剛度校核
由于主軸是階梯軸，不便于計(jì)算，為了簡化計(jì)算，可以把階梯軸看成是當(dāng)量直徑的光軸，然后在按照材料力學(xué)計(jì)算公式計(jì)算，以下主軸的設(shè)計(jì)和校核主要參考文獻(xiàn)。
主軸結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.1所示。
圖3.1 主軸結(jié)構(gòu)尺寸圖
當(dāng)量直徑[單位為mm]的計(jì)算公式為
（3.6）
式中：——階梯軸第i段的長度（mm）；
——階梯軸第i段的直徑（mm）；
——階梯軸的計(jì)算長度（mm）；
——階梯軸計(jì)算長度內(nèi)的軸段數(shù)。
將各段的長度和直徑代入得
0.000914834
故 mm
通過簡化后的主軸受力模型如圖3.2所示。
圖3.2 主軸受力模型圖
如圖3.2所示，位移y對磨削精度的影響最大，其它的位移影響相對很小，因此只需校核y是否符合要求就可以了。
剛度要求較嚴(yán)的軸mm rad
由于，，因此按彎曲剛度校核是符合要求的，那彎曲強(qiáng)度也自然符合要求，且該變形為彈性變形，經(jīng)過無火花磨削后不會(huì)對精度有大的影響。
2. 主軸扭轉(zhuǎn)剛度校核計(jì)算
軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長的扭轉(zhuǎn)角來表示。圓軸扭轉(zhuǎn)角，計(jì)算公式為：
對于階梯軸 （3.7）
式中：——階梯軸受扭矩作用的長度（mm），=554 mm；
——軸的材料的剪切彈性模量（MPa），對于鋼材,取=8.1 MPa；
——軸第i段所受的扭矩（ Nm）；
——軸第i段的長度（mm）；
——第i段軸截面的極慣性矩（mm4）,對于圓軸，；
——階梯軸受扭矩作用的軸段數(shù)。
由于
0.000914834
所以，
對于精密的傳動(dòng)軸取=0.25~0.5，，因此主軸扭轉(zhuǎn)剛度符合要求，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度自然也是符合要求的。
綜上所述，該主軸經(jīng)彎曲剛度校核和扭轉(zhuǎn)剛度校核均達(dá)到要求，因此該主軸設(shè)計(jì)在力學(xué)上是合理的。
3.2 軸承的設(shè)計(jì)
在工程實(shí)際中，一般來說主軸的前后軸頸與其主電機(jī)功率有關(guān)。在實(shí)際過程中磨床的主軸結(jié)構(gòu)通常為前后軸頸相等，中間較粗。
主電機(jī)功率在3.7～5.5kW時(shí)，主軸前軸頸直徑在55～70mm。考慮到該型號(hào)磨床實(shí)際受到的磨削力和降低成本的要求，故主軸前后軸頸直徑均取40mm。
主軸的最小直徑為20mm，通過軸的設(shè)計(jì)，在軸承所在段軸徑大小為40mm。因此，軸承的型號(hào)應(yīng)在內(nèi)徑為40mm的軸承中來選擇。因?yàn)槟ハ鬟^程中會(huì)有一定的軸向力，因此要選用能承受一定軸向力的軸承。又因?yàn)樵撃ゴ惨笥休^高的轉(zhuǎn)速和精度，所以軸承的配置方式要采用速度型配置，前后端都采用兩個(gè)角接觸球軸承，這種軸承既可以承受徑向載荷，又可以承受軸向載荷。接觸角常見的有α=15和α=25兩種。前者為7000C系列；后者為7000AC系列。該種軸承的鎖口在外圈上，一般內(nèi)外圈不能分離，可承受徑向和軸向的聯(lián)合載荷以及一個(gè)方向的軸向載荷。承受軸向載荷的能力由接觸角決定，接觸角越大，則承受軸向載荷的能力高。該種軸承能限制軸或外殼在一個(gè)方向的軸向位移。可采用多個(gè)組合的形式來提高剛度和承載能力，比如背靠背或面對面的成對安裝形式。由于主軸轉(zhuǎn)速較高，受彎時(shí)軸承上希望產(chǎn)生一個(gè)盡量大的支反力矩以抵抗彎曲變形。角剛度是表征軸承支反力矩與主軸彎曲變形傾角之比的物理量。主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸承的外圈裝在殼體內(nèi)，散熱條件比內(nèi)圈好，所以，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使過盈增加。但是，如果采用背靠背組配就會(huì)使得軸向膨脹過盈減少。因此，背靠背的過盈的增加比面對面少。綜上所述，在主軸設(shè)計(jì)上應(yīng)選擇角接觸球軸承背靠背組合形式。
為了保證砂輪在磨削過程中的軸向精度不受熱變形大的影響，在軸承配置上采用兩端固定的形式。又因?yàn)檩S向力不是太大，選擇3600型角接觸球軸承，軸徑為40mm，于是選擇7208C。
根據(jù)一個(gè)關(guān)于軸承基本額定動(dòng)載荷大小的估算公式：
（3.8）
查表得：3.42、0.223、1.5、1.2、1
因?yàn)?208C的額定動(dòng)載荷為36.4 kN，額定靜載荷為25.2 kN。所以7208C符合要求。因此，所選用的軸承在力學(xué)方面滿足使用要求。
3.3 主軸電機(jī)的選擇
由前面計(jì)算得：磨削的最大功率為3279.9W。經(jīng)過查表得：角接觸球軸承的傳動(dòng)效率為0.98，聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率為0.97。率98WN觸球軸承大口徑朝外的配置形式。又因?yàn)檩S向力不是太大，所以所需主軸電機(jī)的額定功率為：
W
因此把額定功率為4.5kW的電機(jī)作為主軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是合適的。經(jīng)查閱有關(guān)資料最終選擇FANUC公司生產(chǎn)的交流主軸電機(jī)，該電機(jī)的型號(hào)為FANUC αis22/4000。
3.4 聯(lián)軸器的選擇
綜合考慮平面磨床的實(shí)際工作情況后，選擇彈性套柱銷聯(lián)軸器是由于彈性套柱銷聯(lián)軸器的特點(diǎn)：具有定量補(bǔ)償兩軸相對偏移和一般減振、緩沖、電絕緣性能。外形尺寸較小，重量較輕，承載能力較大，要求安裝精度較高。其用于正反轉(zhuǎn)變化較多、啟動(dòng)較頻繁的高中速軸的傳動(dòng)；工作溫度在-20～C。因此彈性套柱銷聯(lián)軸器符合實(shí)際要求。
根據(jù)彈性套柱銷聯(lián)軸器計(jì)算轉(zhuǎn)矩公式：
（3.9）
式中：——理論轉(zhuǎn)矩，Nm；
——驅(qū)動(dòng)功率，kW；
n——工作轉(zhuǎn)速，r/min；
——?jiǎng)恿C(jī)系數(shù)；
——工況系數(shù)；
——啟動(dòng)系數(shù)；
——溫度系數(shù)；
——公稱轉(zhuǎn)矩，Nm。
查表得：=1.0,=1.5,=1.0,=1.2
得 =95501.01.51.01.2=19.34 Nm
查表得型號(hào)為LT3的聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩=31.5 Nm，故符合實(shí)際工作要求，因此選擇LT3型的彈性套柱銷聯(lián)軸器。
第四章 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)布局設(shè)計(jì)
垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上是由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠，從而帶動(dòng)滾珠絲杠的螺母上下移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)磨頭上下移動(dòng)，對其精度的控制還外加一個(gè)位移的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，使精度得到保證。
本垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)是被安裝在立柱上，伴隨著橫向進(jìn)給一起完成整個(gè)磨削的過程.。垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)布局圖如圖4.1所示。
圖4.1 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)布局圖
4.2 磨削力的計(jì)算
由于工件與砂輪接觸后會(huì)引起彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的摩擦作用，這樣就產(chǎn)生了磨削力。影響磨削力的因素有砂輪的耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等。磨削力可分解為相互垂直的三個(gè)力，即沿砂輪軸向的軸向磨削力，沿砂輪切向的切向磨削力以及沿砂輪徑向的法向磨削力。在一般的磨削過程中，軸向磨削力較小，通常忽略不計(jì)，只考慮砂輪切向的切向摩擦力和砂輪徑向的法向磨削力。由于砂輪磨粒具有較大的負(fù)前角，法向磨削力通常大于切向磨削力，所以把/稱為磨削力比。磨削力比受多種因素的影響，比如砂輪的銳利程度、被磨材料的特性、磨削方式等，這些因素都會(huì)在一定程度上影響磨削力比。
圖4.2 磨削力的力學(xué)模型
要進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須得先了解各個(gè)方向最大磨削力的大小。在磨削過程中縱向和垂直方向的磨削力較大，對磨削精度的影響也較大，也是各個(gè)零件尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。此外，為了合理的選擇伺服電機(jī)，首先也得計(jì)算出磨削情況下可能的最大磨削力[7]。
1）磨削普通鋼材（以45為例）：
由一個(gè)磨削力的經(jīng)驗(yàn)公式得：
（4.1）
其中：——磨削過程中的最大切向磨削力（N）；
——垂直進(jìn)給量（mm），取最大進(jìn)給量 =0.02 mm；
——縱向進(jìn)給量（mm/min），取最大轉(zhuǎn)速 =25 mm/min；
——砂輪轉(zhuǎn)速（m/s）。
（4.2）
由于電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min，砂輪尺寸(外徑╳寬╳內(nèi)徑)φ200╳20╳φ32，因此s不變，=s
（4.3）
其中：——砂輪線速度（m/s）；
——電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；
——砂輪外圓直徑（mm）。
m/s
=s ，即=31.4 m/s
所以根據(jù)角正回歸法建立起來的公式可得
1 N
在磨削普通鋼材時(shí)，磨削比/=1.6~1.8，取/=1.8
則法向磨削力 ＝1.8＝1.8×104.41＝187.9 N
4.3 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)
4.3.1 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)使用中應(yīng)注意的問題
1． 為了能夠延長滾珠絲杠的使用壽命，提高傳動(dòng)效率，減小驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，必須采用合理的潤滑。要注入潤滑脂，接觸表面的油膜的作用是沖洗粉塵、吸振、減小傳動(dòng)噪聲等。如需再采用其他合適的潤滑方式，在螺母上還有油孔，用戶可旋入油嘴。
2． 為便于絲杠加工，絲杠的外徑應(yīng)該小于絲杠上最大外圓處的直徑。
3． 在設(shè)計(jì)水平放置并細(xì)長的絲杠時(shí)，應(yīng)充分考慮減少甚至防止自重彎曲變形的措施。因?yàn)橛绊憣?dǎo)程累積誤差的因素之一是因自重使軸線產(chǎn)生彎曲變形，甚至使螺母受載不均。
4． 精密螺旋傳動(dòng)的定位精度在很大程度上受熱變形的影響。因此要想采取好的措施控制熱源首先必須分析熱源的各個(gè)因素。螺旋副的摩擦熱則是其中一大熱源，而絲杠熱膨脹而伸長主要由其他機(jī)械部件工作時(shí)產(chǎn)生的熱導(dǎo)致，因此，要想減少熱變形對絲杠的伸長的影響，我們可以采用強(qiáng)制冷卻，預(yù)拉伸等方法。
5． 為預(yù)防越程后滾珠絲通過采取杠副受撞擊，離合器而影響使用壽命，精度甚至損壞，可以安裝行程保護(hù)裝置于滾珠絲杠副的行程兩端。
6． 防護(hù)與密封。需要防塵措施以避免滾動(dòng)螺旋副喪失精度以及加速滾動(dòng)體與滾道的磨損，因?yàn)榉恋K滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)流暢的主要原因是塵埃和雜質(zhì)進(jìn)入滾道。博特牌滾珠絲杠副已安裝防塵圈于螺母兩端，此外，用戶還需要安裝防護(hù)裝置于絲杠處以防止絲杠外露。
7． 將合力通過絲杠軸心作用在螺母上，可以提高滾珠絲杠副的使用壽命和精度，避免傾覆力，保證滾珠受力均勻。
8． 當(dāng)在水平位置采用外循環(huán)滾珠絲杠副時(shí)，最好是在絲杠軸線上面插管放置。
9． 提高傳動(dòng)剛度應(yīng)采用適應(yīng)于數(shù)控磨床的大接觸軸承。
10． 當(dāng)使用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副時(shí)，為了保證裝配螺母的順利安裝，必須使絲杠螺紋底徑大于該端所有外圓尺寸，并且在絲杠螺紋兩端中至少有一端的滾珠螺紋是通牙。
11． 正確選擇預(yù)緊力，嚴(yán)禁自行拆卸滾珠絲杠副的各個(gè)部件，以免影響其精度。為了防止運(yùn)轉(zhuǎn)不流暢或滾珠堵塞，嚴(yán)禁拆卸和敲擊導(dǎo)珠管。
12． 螺旋副的逆?zhèn)鲃?dòng)（尤指在垂直方向上傳動(dòng)時(shí)）是在電機(jī)停電后由于部件自重而產(chǎn)生的，它將導(dǎo)致滾珠絲杠副傳動(dòng)逆效率高，通過采取離合器，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，停電自鎖的電機(jī)的等方法可以防止其發(fā)生。
4.3.2 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)步驟
滾珠絲杠的設(shè)計(jì)流程如圖4.3所示。
1. 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程
滾珠絲杠的導(dǎo)程為：
（4.4）
—滾珠絲杠導(dǎo)程mm；
—電機(jī)最大轉(zhuǎn)速r/min，取＝3000r/min；
—絲杠副最大移動(dòng)速度m/min，?。?00mm/min；
—傳動(dòng)比，因電機(jī)直接與絲杠相連，＝1；
所以 mm
將滾珠絲杠的導(dǎo)程優(yōu)化取整為=6 mm
2. 滾珠絲杠副當(dāng)量載荷計(jì)算
這里的載荷及轉(zhuǎn)速，是指滾珠絲杠的當(dāng)量載荷與當(dāng)量轉(zhuǎn)速。滾珠絲杠副在、、……轉(zhuǎn)速下，各轉(zhuǎn)速工作時(shí)間的百分比%、%、%……%，所受載荷分別是、、……。則：
（4.5）
（4.6）
在本次設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)動(dòng)的大部分時(shí)間是快速進(jìn)給，則
r/min
在本設(shè)計(jì)中垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)主要是所帶的載荷為磨頭及其一起運(yùn)動(dòng)的部件，總的重量估算為2200，N，N
所以 N
圖4.3 滾珠絲杠設(shè)計(jì)流程圖
3.確定滾珠絲杠副額定動(dòng)載荷
按滾珠絲杠副預(yù)期工作時(shí)間（小時(shí)）計(jì)算：
（4.7）
式中：
—預(yù)期工作時(shí)間（小時(shí)），查表得h；
—精度系數(shù)，由表查得；
—負(fù)荷系數(shù)，查表得1.0-1.2 ，取=1.1；
—可靠性系數(shù)，查表得取97%，得=0.44
代入式（4.7）
N
4.按精度要求確定滾珠絲杠最小螺紋底徑
由于 （為彈性模量，取2.1N/）
所以 （4.8）
式中：—導(dǎo)軌靜摩擦力（N），在本設(shè)計(jì)中為磨頭及相關(guān)部件的重量=2200 N；
—滾珠絲杠兩軸承支點(diǎn)間距離（）；
行程+安全行程+余程+螺母長度一半+支承長度的一半+磨頭支架高度
行程+（2~4）+4+(4~6)+(1/20~1/10)行程
(1.05~1.1)行程+(10~14)
1.1450+126=567mm；
—估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量（），由()×重復(fù)定位精度與()×定位精度中的較小值來確定。定位精度與重復(fù)定位精度分別為±0.012mm和±0.04mm，故
＝×8=2μm，＝×24=4.8μm，取＝2μm
代入式（4.8）
=30.8 mm
5.確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào)
根據(jù)算出的、、及傳動(dòng)方式，選擇合適的滾珠絲杠。選擇南京工藝裝備制造廠生產(chǎn)的4006—5型滾珠絲杠螺母，采用內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)反向器，法蘭直筒組合，雙螺母墊片預(yù)緊。
滾珠絲杠的螺紋底徑：=38.9 >30.8 mm
滾珠絲杠的額定動(dòng)載荷：=23500>20922.29 N
滾珠絲杠類型；基本導(dǎo)程：6mm；滾珠直徑：3.969mm；循環(huán)總?cè)?shù)：3；最小螺紋底徑：35.9mm；滾珠絲杠外徑：38.9mm；公稱直徑：40mm；
額定動(dòng)載荷：23.5kN；額定靜載荷：73kN；剛度：1658 kN/μm。
6.滾珠絲杠副預(yù)緊力
預(yù)緊就是在滾珠絲杠副內(nèi)預(yù)先施加軸向載荷。預(yù)緊的目的是：消除滾珠絲杠副的軸向間隙，提高滾珠絲杠副的軸向接觸剛度，并且在外加軸向載荷小于3倍預(yù)緊力的情況下，軸向剛性是常數(shù)。所以，預(yù)緊力為：
（4.9）
—滾珠絲杠所受的最大軸向力
所以，N
7.預(yù)拉伸滾珠補(bǔ)償值C
滾珠絲杠的熱變形將導(dǎo)致長度、定位精度變化，熱變形為;
＝×× （4.10）
—熱膨脹系數(shù)(11.8×10－6)；
—溫升(一般取2～4℃)，?。?.5℃；
—有效行程，＝++2；
—螺母長度，＝128mm；
—安全行程，＝(1～2)＝2×6＝12mm；
＝++2＝450+128+2×12＝602mm；
所以 ＝××＝11.8×10－6×2.5×602＝17.8mm
為了補(bǔ)償熱變形的影響，行程偏差＝＝17.8mm
8.預(yù)拉伸力的計(jì)算
由于滾珠絲杠選擇的是兩端固定的安裝方式，可以采用絲杠預(yù)拉伸的方法來進(jìn)一步補(bǔ)償熱變形，滾珠絲杠預(yù)拉伸力為：
＝ （4.11）
各變量意義如上所示，則＝ ＝1.95×2.5×35.92＝6282.9 N
9.額定載荷驗(yàn)算
（4.12）
式中： ——滾珠絲杠副的基本軸向額定靜載荷（N），查表得=84.9kN；
——靜態(tài)安全系數(shù)，??；
——最大軸向載荷（N）
=22200=4400N < =73N
所以絲杠額定靜載荷符合要求。
10.確定滾珠絲杠副支承用軸承型號(hào)
在精密磨床上通常選用角接觸軸承，并把2個(gè)以上的軸承組合起來施加預(yù)緊力來使用。本次設(shè)計(jì)為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，采用正面組合的TN型組合形式。
軸承型號(hào)的選擇：滾珠絲杠選用軸承型號(hào)為7602030TN
其技術(shù)參數(shù)為 N =39000N
軸承校核：
軸承額定動(dòng)載荷公式： （4.13）
------最大軸向載荷
------壽命