氣缸體專用平面磨床設計
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本科學生畢業(yè)論文
氣缸體專用平面磨床設計
系部名稱： 機電工程系
專業(yè)班級：機械設計制造及其自動化08-13班
學生姓名： 張之陽
指導教師： 李洪智
職 稱： 教授
黑 龍 江 工 程 學 院
二○一二年六月
SY-025-BY-3
畢業(yè)設計任務書
學生姓名
張之陽
系部
機電工程學院
專業(yè)、班級
機械設計制造及其自動化08-13
指導教師姓名
李洪智
職稱
教授
從事
專業(yè)
機械
是否外聘
□是□否
題目名稱
氣缸體專用平面磨床設計
一、設計目的，意義
設計目的：發(fā)動機氣缸體對其平面度要求十分嚴格，用專用磨床加工可確保起加工質(zhì)量。
設計意義：氣缸體作為重要的工藝要求精密的零部件，其外表面的粗糙度一直是制約產(chǎn)品質(zhì)量的一個瓶頸問題，如何能使氣缸體的表面粗糙度和平面度達到技術(shù)要求，因此設計一臺用于氣缸體表面加工用的專用磨床。
二、設計內(nèi)容，基本參數(shù)
1根據(jù)基本技術(shù)參數(shù)，確定氣缸體專用平面磨床總體結(jié)構(gòu)初步設計方案。
2確定各個零部件的具體外形尺寸并進行強度校核。
3主軸，軸承，砂輪的校核。
4根據(jù)工件所要加工的形狀及尺寸要求，進行總體設計。
5總裝配圖中各個零部件的安裝問題，及零件的定位問題，完成總裝圖和各部分零件圖。
基本參數(shù)：
電動機功率2.8千瓦
主軸轉(zhuǎn)速2800轉(zhuǎn)每分鐘
磨頭行程垂直方向260毫米，縱向840毫米
磨削頭砂輪直徑250毫米
三、設計完成后應提交的成果）
說明部分：說明書一份，字數(shù)不少于1.5萬字
圖紙部分：0號圖一張，零件圖若干張，總量相當于3張0號圖
四、進度安排
2012.2.27-3.16：查找文獻資料，明確設計內(nèi)容，完成開題報告；
3.17-3.23：擬定總體設計方案；
3.24-3.30：運動和動力參數(shù)的計算；
3.31-4.20：確定各個零部件的具體外形尺寸并進行強度校核；
4.21-5.4：根據(jù)工件所要加工的形狀及尺寸要求，進行總體設計；
5.5-5.18：繪制總體裝配圖；
5.19-5.25：繪制零件工作圖；
5.26-6.8：編寫設計說明書；
6.9-6.15：完成設計準備答辯。
五、參考文獻
[1]余英良.磨床專用改造設計與實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998:31～49.
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[3]劉書華.專用磨床與編程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005:324～40.
[4]李善術(shù).專用磨床及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005,1～5,173～188.
[5]Papadopoulos,E.Planning and model-based control for mobile manipulators. Intelligent.Robots and Systems.Takamatsu,2000,1810～1815．
[6]肖愛萍.基于普通磨床的專用化改造的設計[J].蘭州工業(yè)高等?？茖W校,2002（2）.
[7]李盛宇.普通磨床的專用化改造[J].電氣技術(shù)與專用化,2005（6）:121～123.
[8]Liu,K.Decentralized continuous robust controller for mobile robots.In:Robotics and Automation.Cincinnati,2000,1822～1827.
[9]陳嬋娟.專用磨床設計[M].北京:化工工業(yè)出版社，2006：138～148.
[10]Seraji H.Motion Control of mobile manipulators[A].In:Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.California,1999,2056-2063．
六、備注
指導教師意見：
指導老師簽字： 系主任簽字：
年 月 日 年 月 日
畢業(yè)設計開題報告
設 計 題 目: 氣缸體專用平面磨床設計
院 系 名 稱: 機械工程學院
專 業(yè) 班 級:機械設計制造及其自動化08-13
學 生 姓 名: 張之陽
導 師 姓 名: 李洪智
開 題 時 間: 2012年3月13日
指導委員會審查意見：
簽字： 年 月 日
1課題研究目的和意義
缸體是發(fā)動機的基礎零件，通過它把發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)（包括活塞、連桿、曲軸、飛輪等零件）和配氣機構(gòu)（包括缸蓋、凸輪軸等）以及供油、潤滑、冷卻等機構(gòu)連接成一個整體。它的結(jié)構(gòu)如圖1所示,它的結(jié)構(gòu)有形狀復雜、薄壁、孔深、顯箱體等特點，要求具有足夠的強度和剛度，底面要具有良好的密封性等特點。
圖1 氣缸體結(jié)構(gòu)圖
基于以上的介紹，我們知道氣缸體的加工難度較大。缸孔的傳統(tǒng)加工工藝是粗鏜→半精鏜→半精磨→精磨→珩磨。針對缸體的這一加工特點，在其鏜削加工之后珩磨加工之前，為了達到更高的加工精度及其更好的加工質(zhì)量，有必要加入磨削工藝，由于汽缸體種類多，精度要求高，故很有必要在基于原有機床的基礎上二次開發(fā)一種專用汽缸體專用磨床。
2 文獻綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）
磨床是以砂輪周邊或端面對工件進行磨削加工的精密機床。它不但能加工一般金屬材料，而且還能加工一般金屬刀具難以加工的硬材料。利用磨削加工可以獲得較高加工精度和光潔度，而且其加工余量較其他加工方法小得多，所以磨床廣泛地應用于零件的精加工。它也是以磨具（如砂輪、輪帶、油石、研磨劑等）作為工具進行切削加工的機床，可加工各種表面（如內(nèi)外圓柱面和圓錐面、平面、螺旋面），還可以進行切斷等。
磨床的種類很多，按其工作性質(zhì)可分為：外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床，工具磨床以及一些專用磨床。如螺紋磨床、球面磨床、花鍵磨床、導軌磨床與無心磨床等。
磨削加工具有以下特點：
1.磨削效率高，砂輪相對工件做高速旋轉(zhuǎn)一般砂輪線速度達到35米/秒（M/S），約為普通刀具的20倍以上，可獲得較高的金屬切除率。隨著磨削新工藝的開發(fā)，磨削加工的效率進一步提高，在某些工序已取代了車、銑、刨削，直接從毛坯加工成形。
2.能獲得很高的加工精度和很細的表面粗糙度，每粒磨粒切去切屑層很薄，一般只有幾微米，因此表面可獲得高的精度和低的表面粗糙度。
3.切削功率大和消耗能量多，砂輪是由許許多多的磨粒組成的，磨粒在砂輪中的分布是雜亂無章、參差不齊的，切削時多呈負前角，并且尖端有一定的圓弧半徑，因此切削功率大，消耗能量多。
4.加工范圍廣，砂輪磨粒硬度高，熱穩(wěn)定性好，不但可以加工未淬火鋼，鑄鐵和有色金屬等材料，還可以加工淬火鋼、各種切削刀具以及硬質(zhì)合金等硬度很高的材料。
專用磨床按工藝用途可分為：
1.一般專用磨床
這類磨床和傳統(tǒng)的通用磨床品種一樣，有專用車、銑、鏜、鉆、磨等，而且每一類又有很多品種，例如專用銑床中就有立銑、臥銑、龍門銑等，這類磨床的工藝可能性和通用磨床相似，所不同的是它能加工復雜形狀的零件。
2.專用加工中心磨床
這類磨床是在一般專用磨床的基礎上發(fā)展起來的，它是一般專用磨床上加裝一個刀庫（可容納10～100多把刀具）和專用換刀裝置而構(gòu)成的一種帶專用換刀裝置的專用磨床（又稱多工序?qū)Ｓ媚ゴ玻?，這使專用磨床更進一步地向?qū)Ｓ没透咝Щ较虬l(fā)展。 它和一般專用磨床的區(qū)別是：工件經(jīng)一次裝夾后，專用裝置就能控制磨床專用地更換刀具，連續(xù)地對工件各加工面專用地完成銑、鏜、鉆、鉸及攻絲等多工序加工。這類磨床大多是以鏜銑為主，主要用來加工箱體零件。
3.多坐標專用磨床
有些復雜形狀的零件，用三坐標的專用磨床還是無法加工，如螺旋架、飛機曲面零件的加工等，需要三個以上坐標的合成運動才能加工出所需的形狀，于是出現(xiàn)了多坐標的專用磨床。其特點是專用裝置控制的軸數(shù)較多，磨床結(jié)構(gòu)也比較復雜。其坐標軸數(shù)通常取決于加工零件的工藝要求，現(xiàn)在常用的是4～6坐標的專用磨床，最多可達24坐標。
4.計算機群控
計算機群控也稱為直接專用（DNC）系統(tǒng)，它是一臺大型通用計算機直接控制一群專用磨床的系統(tǒng)
專用磨床比傳統(tǒng)磨床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自專用系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
1、可以加工出傳統(tǒng)磨床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。
2、可以實現(xiàn)加工的專用化，而且是柔性專用化，從而效率可比傳統(tǒng)磨床提高3～7倍。
由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序?qū)Ｓ萌?zhí)行，從而實現(xiàn)專用化。專用磨床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的專用化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以專用化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性專用化”。
3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
4、可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在磨床間的頻繁搬運。
5、擁有專用報警、專用監(jiān)控、專用補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
在未來，專用磨床將會繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 ?；赑C所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的專用系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔專用的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的專用系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍；向高速化和高精度化發(fā)展，這是適應磨床向高速和高精度方向發(fā)展的需要；向智能化方向發(fā)展，隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，專用系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
3設計的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
此次畢業(yè)設計研究的基本內(nèi)容為：
1.改造的傳統(tǒng)磨床的選型，并對其改造的總體方案進行分析與設計；
2.的改造，主要包括縱向進給系統(tǒng)、橫向進給系統(tǒng)及刀架的改造；
3.床傳動裝置的設計；
4.床進給系統(tǒng)的設計；
5.床專用刀架的選用，刀架是專用磨床的重要功能部件，刀架的合適選用對6.磨床的加工效率發(fā)揮著很大的作用；
7.床專用系統(tǒng)的硬件的設計。
依據(jù)研究的主要內(nèi)容，主要解決以下幾方面的問題：
1.一種普通磨床，根據(jù)改進的原則—經(jīng)濟型改造，確定磨床的主要改造項目；
2.磨床的傳動裝置是指將電動機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整個傳動鏈及其附屬機構(gòu)。這些機構(gòu)包括齒輪減速器、滾珠絲杠螺母副、導軌、工作臺等。由于專用磨床的傳動裝置與傳動磨床的有較大差別，它要求具有較高的定位精度及良好的動態(tài)響應性，穩(wěn)定性。為了達到這些要求，需要對專用磨床用導軌，絲桿、電機等硬件進行系統(tǒng)選擇；
3.系統(tǒng)設計中的縱向和橫向進給時切削力的計算，并根據(jù)切削力計算的結(jié)果來設計滾珠絲桿，以及設計完成后的強度、剛度和穩(wěn)定性的驗算；
4.合對比各種專用刀架的工作原理和工作過程來確定本磨床專用刀架以及其工作過程；
5.系統(tǒng)硬件的電路設計及所用單片機型號的確認。
4.技術(shù)路線及研究方法
1. 查閱資料了解題目，了解機床運動原理，在方案論證的基礎上，擬定總體方案，完成相關(guān)的設計計算。
2. 具體繪制機床總裝圖、刀架圖，PLC控制系統(tǒng)圖，完成相關(guān)計算及校核。
3. 繪制正式圖，撰寫說明書，準備畢業(yè)答辯。
5.進度安排
1～2周：1.熟悉設計題目的基本內(nèi)容；2.查閱資料；
3～6周：1.熟悉查閱的資料；2.確定改造項目；3.總體方案布置；
7～10周：1.全部結(jié)構(gòu)草圖設計；2.計算及驗算；
11～15周：1.繪制全部正式圖；2.編寫說明書稿；
16～18周：1.撰寫說明書；2.準備畢業(yè)答辯；
6.主要參考文獻
[1]余英良.磨床專用改造設計與實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998:31～49.
[2]張碧泉.普通磨床的數(shù)字化改造[J].機械工程師,1999（11）,26～30.
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[7]許吉慶,劉文.C616的專用化改造的設計[J].濟南機械職工大學學報:自然科學版，1999（3）.
[8] 肖國紅.普通C616磨床的經(jīng)濟型專用化改造[J].集美大學水利電力機械，2007（8）.
[9] 張繼紅.8031單片機在C616磨床改造中的應用[J].機械工程與專用化，2006（5）.
[10]仲高艷.C616磨床的專用改造[J].機械工程師,1999（5）.
[11]丁明君,宋丹.C6132普通磨床的專用化改造[J].機電一體化，2003（4）:106107.
[12]陳子銀.專用磨床結(jié)構(gòu)原理與應用[M].北京:北京理工大學出社,2006:16～76.
[13]劉國封.普通磨床專用化改造及其設計計算[J].機械工程師,2004（3）.
[14]李洪.實用磨床設計手冊[M].遼寧:遼寧科學技術(shù)出版社,1999:307～340.
[15]成大先.機械設計手冊[M].化學工業(yè)出版社,2004.
[16]孫桓.機械原理[M].北京:高等教育出版社,2000:186～240.
[17]李盛宇.普通磨床的專用化改造[J].電氣技術(shù)與專用化,2005（6）:121～123.
[18]張新義.經(jīng)濟型專用磨床系統(tǒng)設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994:200～214.
[19]明興祖.專用磨床與系統(tǒng)[M].北京:中國人民大學出版社,2000:186～243.
[20]張磊.磨床改裝技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社出版,1998:94～102.
[21]Liu,K.Decentralized continuous robust controller for mobile robots.In:Robotics and Automation.Cincinnati,2000,1822～1827.
[22]陳嬋娟.專用磨床設計[M].北京:化工工業(yè)出版社，2006：138～148.
The Graduation Design for Bachelor's Degree
For the Cylinder Block Surface Grinding Machine Design
Candidate: Zhang Zhiyang
Specialty: Design on Surface Grinding Machine For the Cylinder
Class:Mechanical 08-13
Supervisor: Prof. Li Hongzhi
Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
氣缸體專用平面磨床設計
第1章 緒論
1.1 磨床的類型與用途
1.1.1 磨床的類型及其特點
用磨料磨具（砂輪、砂帶、油石和研磨料等）為工具進行切削加工的機床，統(tǒng)稱為磨床（英文為Grinding machine），它們是因精加工和硬表面的需要而發(fā)展起來的[1]。
磨床種類很多，主要有：平面磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床、工具磨床和用來磨削特定表面和工件的專門化磨床，如花鍵軸磨床、凸輪軸磨床、曲軸磨床等[2]。
對平面磨床來說，又可分為普通平面磨床、萬能平面磨床、無心平面磨床、 寬砂輪平面磨床、端面平面磨床等。
以上均為使用砂輪作切削工具的磨床。此外，還有以柔性砂帶為切削工具的砂帶磨床，以油石和研磨劑為切削工具的精磨磨床等。
磨床與其他機床相比，具有以下幾個特點：
（1）磨床的磨具（砂輪）相對于工件做高速旋轉(zhuǎn)運動（一般砂輪圓周線速度在35m/s左右，目前已向200m/s以上發(fā)展）；
（2）它能加工表面硬度很高的金屬和非金屬材料的工件；
（3）它能使工件表面獲得很高的精度和光潔度；
（4）易于實現(xiàn)自動化和自動線，進行高效率生產(chǎn)；
（5）磨床通常是由電動機—油泵—發(fā)動部件、通過機械、電氣、液壓傳動-傳動部件帶動工件和砂輪相對運動-工件等部分組成[1]。
1.1.2 磨床的用途
磨床可以加工各種表面，如內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開線齒廓面、螺旋面以及各種成形表面。磨床可進行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以進行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進行切斷等，工藝范圍十分廣泛。
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對機械零件的精度和表面質(zhì)量要求越來越高，各種高硬度材料的應用日益增多。精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，使得有可能將毛坯直接磨成成品。高速磨削和強力磨削，進一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范圍日益擴大。它在金屬切削機床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè)發(fā)達的國家中，磨床在機床總數(shù)中的比例已達（30-40）%。
據(jù)1997年歐洲機床展覽會(EMO)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認為磨削是他們應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)中占機床的比例高達42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%[3]。由此可見，在精密加工當中，有許多零部件是通過精密磨削來達到其要求的，而精密磨削加工要在相應的精密磨床上進行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。但是要實現(xiàn)精密磨削加工，所用的磨床就應該滿足以下幾個基本要求：
（1）高幾何精度。 精密磨床應有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度和導軌的直線度以保證工件的幾何形狀精度。主軸軸承可采用液體靜壓軸承、短三塊瓦或長三塊瓦油膜軸承，整體度油楔式動壓軸承及動靜壓組合軸承等。當前采用動壓軸承和動靜壓軸承較多。主軸的徑向圓跳動一般應小于1um，軸向圓跳動應限制在（2-3）um以內(nèi)。
（2）低速進給運動的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導程要求（10-15）mm/min，因此工作臺必須低速進給運動，要求無爬行和無沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。
（3）減少振動。 精密磨削時如果產(chǎn)生振動，會對加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴重不良影響。故對于精密磨床，在結(jié)構(gòu)上應考慮減少振動。
（4）減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會達到總誤差的50％，故機床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經(jīng)成為實現(xiàn)精密磨削的主要障礙。
1.1.3 平面磨削和端面平面磨床
（1）平面磨削
在平面磨削過程中，工件是安裝在兩頂尖的中心之間，砂輪旋轉(zhuǎn)是引起切削旋轉(zhuǎn)的主要來源和原因?；镜钠矫婺ハ鞣椒ㄓ袃煞N，即橫磨法磨外圓和縱磨法磨外圓，如圖1－1和圖1－2所示。
事實上，平面磨削可以通過其他以下幾種方法來實施。
1）傳遞方法：在這種方法中，磨削砂輪和工件旋轉(zhuǎn)以及徑向進給都應滿足所有的整個長度，切削的深度是由磨削砂輪到工件的縱向進給來調(diào)整的。
2）沖壓切削方法：在這種方法中，磨削是通過砂輪的縱向進給和無軸向進給來完成的，正如我們所看到的，只有在表面成為圓柱的寬度比磨削輪磨損寬度短時，這種方法才能完成。
圖1.1 橫磨法磨外圓
圖1.2 縱磨法磨外圓
3）整塊深度切削方法：除了在磨削過程中，要進行間隙調(diào)整外，這種方法與傳遞方法很相似，同時這種方法具有代表性，除了磨削短而粗的軸。
（2）端面平面磨床及其特點
端面平面磨床是平面磨床的一種變形機床，它宜于大批量磨削帶肩的軸類工件，有較高的生產(chǎn)率。它的特點如下：
1）這種磨床的布局形成和運動聯(lián)系與平面磨床相似，只是砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度（通常10°，15°，26.23°，30°，45°），如圖1－3所示，數(shù)控端面平面磨床MKS1632A的砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜30°。為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向切入，一次磨削工件外圓和端面。
2）由于它適用于大批量生產(chǎn)，所以具有自動磨削循環(huán)，完成快速進給（長切入）-粗磨-精磨-無花磨削。由定程裝置或自動測量控制工件尺寸。
3）裝有砂輪成型修整器，按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪，為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全，一般具有軸向?qū)Φ堆b置。
圖1.3 砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度
1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢
隨著機械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應用增多，磨削加工技術(shù)正朝著超硬度磨料磨具、開發(fā)精密及超精密磨削（從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動化磨床等方向發(fā)展[4]，如用于超精密磨削的樹脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4μm、磨削精度高達0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實驗室，實際生產(chǎn)中常用的砂輪線速度為（40－60）m/s；從精度上看，定位精度＜2μm，重復定位精度≤±1μm的機床已越來越多；從主軸轉(zhuǎn)速來看，8.2kw主軸達60000r/min，13kw達42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。
北京第二機床廠引進日本豐田工機公司先進技術(shù)并與之合作生產(chǎn)的GA（P）62－63數(shù)控外圓/數(shù)控端面平面磨床，砂輪架采用原裝進口，砂輪線速度可達60m/s，砂輪架主軸采用高剛性動靜壓軸承提高旋轉(zhuǎn)精度，采用日本豐田工機公司GC32－ECNC磨床專用數(shù)控系統(tǒng)可實現(xiàn)二軸（X和Z）到四軸（X、Z、U和W）控制。
此外，對磨床的環(huán)保要求越來越高，絕大部分的機床產(chǎn)品都采用全封閉的罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機和切削液處理機系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求。
1.3 本課題的設計目的和意義
設計目的：發(fā)動機氣缸體對其平面度要求十分嚴格，用專用磨床加工可確保其加工質(zhì)量。
設計意義：氣缸體作為重要的工藝要求精密的零部件，其外表面的粗糙度一直是制約產(chǎn)品質(zhì)量的一個瓶頸問題，如何能使氣缸體的表面粗糙度和平面度達到技術(shù)要求，因此設計一臺用于氣缸體表面加工用的專用磨床。
第2章 總體結(jié)構(gòu)設計
2.1 基本參數(shù)和設計內(nèi)容
根據(jù)設計任務書，本氣缸體專用平面磨床的設計基本參數(shù)如下。
電動機功率：2.8kW
主軸轉(zhuǎn)速：2800rpm
磨頭行程：垂直方向260mm，縱向840mm
磨削頭砂輪直徑：250mm
該磨床的總體設計包括如下主要內(nèi)容:
（1） 系統(tǒng)設計
包含數(shù)控裝置的功能設計、元件和部件設計,程序段格式設計及系統(tǒng)的總體設計。
（2） 邏輯設計
包含運算器設計、控制器設計及電路設計。
（3） 機床主機的結(jié)構(gòu)設計。
本次設計主要對總體結(jié)構(gòu)進行設計。
2.2 磨床總體設計
（1）加工零件的工藝分析（表面形狀，尺寸，材料，技術(shù)條件，批量，加工余量等）；
（2）調(diào)查研究和比較國內(nèi)外同類機床，經(jīng)驗總結(jié)，進行改革創(chuàng)新；
（3）圖紙設計（總圖，部件裝配圖，零件圖，工藝卡，目錄，標準件，外購件目錄，鑄件，鍛件目錄，說明書，裝箱單，合格證）；
（4）制造，裝配，調(diào)試；
（5）小批量生產(chǎn)，設計改進。
2.3 總體設計注意事項
（1）保證機床滿足加工精度要求，剛性、穩(wěn)定性好；
（2）傳動系統(tǒng)力求簡短；
（3）操作調(diào)整方便；
（4）安全保護，冷卻液供給，回收，廢渣的排除。
第3章 磨床總體布局設計
3.1 加工零件
發(fā)動機氣缸體對其平面度要求十分嚴格，用專用磨床加工可確保起加工質(zhì)量。氣缸體材料為45#、40cr、球墨鑄鐵等；
3.2 初步估計組成部分
磨床的主要組成包括：a.床身；b.工作臺面；c頭架；d尾架；e砂輪架；f 修整器；g 測量裝置；h 砂輪進給電機；I 修整器進給電機；j 電器框；k工作臺進給電機；l 工件旋轉(zhuǎn)電機；m 潤滑冷卻裝置；n數(shù)控裝置。
3.3 總體布局初步設計
確定初步設計方案如下。
（1）T型床身；
（2）工作臺移動；
（3）工作臺型面采用傾斜10°的型面；
（4）砂輪架主軸與床身導軌傾斜30°角；
（5）頭尾架中心線平行；
（6）采用成型砂輪修整器（金剛石滾輪），采用MARPPOS公司軸向，徑向測量儀；
（7）數(shù)控系統(tǒng)的四坐標軸
X軸：砂輪架進給 Y軸：修整器進給
Z軸：工作臺移動 W軸：工件旋轉(zhuǎn)
各軸采用交流伺服電機，通過精密無間隙彈性連軸器直接與滾珠絲桿相連；
（8）液壓油箱單獨（減小熱變形，簡化機床結(jié)構(gòu)，易實現(xiàn)標準化，通用化，便于維修）；
（9）電器框與機床采用空中走線；
（10）機床前防護罩采用全封閉結(jié)構(gòu)。
3.4 縱向與橫向尺寸的確定
（1）縱向尺寸
①工件最大長度 ；
②頭架長度 ；
③尾架長度 ；
④上臺面長度 ；
⑤下臺面長度 ；
⑥床身長度 ；
⑦后床身長度 （考慮砂輪架和修整器大小按經(jīng)驗給定）；
⑧整個床身寬度 （視覺效果）；
⑨砂輪架中心與機床床身對稱線相距
圖3.1 磨床縱向尺寸
（2）橫向尺寸
1）畫出橫向尺寸床身的V型導軌作為橫向尺寸的基準，畫出床身的平面導軌作為高度尺寸的基準線，根據(jù)確定的工作臺參數(shù)，導軌參數(shù)B1’，B2’中心畫出左視圖。
2）確定上、下工作臺厚度和寬度
（a）厚度：用類比法
上工作臺 中心 ?。?.1）
下工作臺 中心 （3.2）
為工作臺導軌的中心距，工作臺導軌選用8075250
取 =0.3250=75mm
=0.38250=95mm
（b）寬度
（3.3）
∵ ∴
∵ ∴
3）確定頭，尾架頂尖中心位置
頂尖中心安排在V型導軌的中心線上，這樣有利于磨削最小直徑工件的，砂輪架趨近于工作臺不致相碰。缺點是使導軌的承載壓力較大，故常適當加寬V型導軌的寬度。
4）確定頭尾架頂尖中心至床身底面的高度H1
左右[1]
根據(jù)工人身高，經(jīng)驗。類比取
5）工作臺回轉(zhuǎn)中心位置B9
6）確定機床總高H
所以H取2000mm。
3.5 砂輪架相關(guān)尺寸設計
（1）砂輪架導軌（V—平導軌）10090400[1]
考慮到砂輪的大小及重量與砂輪架的穩(wěn)定性，取L`中心=500mm，從而可定出砂輪架的寬度約為600mm，導軌為0.15MPa 的卸荷導軌。
圖3.2 砂輪架的導軌
（2）砂輪架橫向行程長度
（3.4）
式中為砂輪架快速進退的行程，一般取。此處取。
（3.5）
安全系數(shù)取0.1足夠。
（取373）
（3）砂輪架高度和長度
砂輪架箱體導軌的高度h3，砂輪底板滑臺高度h4，砂輪中心距砂輪底面高度h5，與后床身頂面至平導軌的高度h0，為避免上、下工作臺運動時與箱體相碰，安裝在后床身上的墊板頂面需低于上下工作臺的頂面，同時考慮橫向進給機構(gòu)穿過床身的位置等，根據(jù)經(jīng)驗
① 取
②砂輪架中心距后床身頂面
③砂輪架底座安裝修整器，內(nèi)有傳動絲桿
取
④后床身進給導軌內(nèi)裝絲桿
取
圖3.3 砂輪架的高度和寬度
⑤砂輪架底板長度：
∴ 取=900mm
⑥砂輪架導軌長度
∴取
（4）砂輪架主軸電機的選擇
①用類比法，砂輪架主軸電機的功率取15kw；
②計算法 （3.6）
取
3.6 頭架相關(guān)尺寸的確定
①長×寬×高：440400411mm[1]
②主軸錐孔：莫氏5#錐孔
③中心高： （3.7）
通過以上計算頭架中心高取180mm。
④主軸轉(zhuǎn)速 （3.8）
取
⑤交流伺服電機選擇
用類比法，交流伺服電機選擇IFT5076-DA(D1 18N-M)電機。
砂輪磨削工件需要的功率
（3.9）
交流伺服電機通過20/38的雙楔齒輪帶傳遞給工件，即
∴合格
⑥主軸不旋轉(zhuǎn)，主軸靠撥盤帶動旋轉(zhuǎn)
3.7 尾架相關(guān)尺寸的確定
①5#莫氏錐孔
②中心高180mm，臺面傾斜10°
③直線滾動導軌
④液壓油缸，頂緊力
3.8 工作臺
要求上、下臺面便于調(diào)整頭尾架，便于安裝滾珠螺母。傾斜10°以便于頭尾架定位，冷卻液回流；及使頭尾架不等高時修刮側(cè)面。
3.9 橫向進給機構(gòu)
交流伺服電機-聯(lián)軸器-滾珠絲桿-砂輪架
壓力卸荷導軌 壓力油0.15Mpa 卸去壓力
V—平導軌
砂輪架行程
3.10 砂輪修整器
伺服電機-絲桿-修整器
直線滾動導軌
主軸直徑D=50mm，采用液體動壓軸承(16r/min 6.3Mpa)
修整速度=
修整器直徑 故
修整器行程為160mm
3.11 液壓系統(tǒng)
①修整器；②尾架；③量儀（兩個）；④潤滑油；⑤床身導軌；⑥砂輪架卸荷導軌；⑦絲桿；⑧直線滾動導軌；⑨間歇。
3.12 電氣部分
SIMENS 810G，控制五坐標軸，砂輪架主軸。
3.13 機床保護系統(tǒng)
①靜壓供油系統(tǒng) 壓力繼電器 壓差發(fā)訊器
液壓控制器 電路延時
②尾架伸縮油缸靜壓供油系統(tǒng)：設置自動循環(huán)電路，可手動，也可用于腳踏。當工件旋轉(zhuǎn)時，由于互鎖裝置，使起無效。
③油箱液壓控制
④數(shù)控系統(tǒng)（在各坐標軸）自診斷與保護功能
如：電池電壓低 程序錯誤
⑤各坐標軸由行程開關(guān)控制最大位移量
⑥安全防護罩（砂輪罩，機床前罩）全封閉式
⑦導軌面保護
Ⅰ 工作臺導軌：不銹鋼可伸縮防護罩
Ⅱ 砂輪架導軌：㈠前部：翻板式護罩+橡皮（防水）；㈡后罩：鋼罩。
Ⅲ 修整器導軌：折疊式
第4章 部件設計（砂輪架）
4.1 砂輪架設計的基本要求
砂輪架是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，主要由傳動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，因此對砂輪架設計提出的基本要求也是針對主軸軸承部分的。
砂輪架設計應滿足以下幾點基本要求[1]：
1.主軸旋轉(zhuǎn)精度高，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定；
2.主軸軸承系統(tǒng)剛性好；
3.振動小，發(fā)熱低，不漏油；
4.裝配制造簡單，調(diào)整維修方便。
4.2 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和軸向躥動大小，它直接影響工件的表面粗糙度和表面缺陷。一般端面平面磨床砂輪架允許的徑向和軸向跳動允許誤差取5μm~10μm。
2.提高主軸旋轉(zhuǎn)精度的措施
（1）選擇合適的主軸軸承：動靜壓軸承；
（2）提高主軸的加工精度；
（3）正確選擇主軸軸向止推方式：液體靜壓推力軸承。
4.3 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度量。過低的剛性會降低磨削生產(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。
4.4 砂輪架主軸初步設計
1. 砂輪架主軸的強度校核
進行軸的強度校核時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況采取相應的計算方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力。對砂輪架主軸來說，由于采用了卸荷皮帶輪裝置，砂輪架主軸主要承受扭矩，應該按照扭轉(zhuǎn)強度計算，且在選取許用應力時應該選取較小值。砂輪架主軸材料采用42MnVB，并進行淬火，故選取許用應力為40MP。
軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為
（4.1）
——扭轉(zhuǎn)切應力（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）
—— 計算界面處的直徑（單位為mm）
—— 許用扭轉(zhuǎn)應力（單位為r/mm）
由上式可得軸的直徑為
（4.2）
mm
由上述計算可以得知砂輪架最小直徑為31.02mm，考慮到砂輪架的剛度等因素，取主軸的最小直徑為60mm。砂輪架主軸的尺寸如圖4－1所示。
圖4.1 砂輪架主軸尺寸示意圖
4.5 主軸剛度校核
1.當量直徑
因為是階梯軸，所以用當量直徑法作近似計算當量直徑為：
（4.3）
L=140+640+20+32+10=932mm
= 89.36mm
2.允許撓度
允許撓度[y]=0.0002L < 0.0002*660=0.132mm
3、計算主軸前端撓度值
[1] （4.4）
——載荷（單位為公斤）（150/9.8）
—— 軸兩端的跨距（單位為厘米）（66.00）
—— 懸伸長度（單位為厘米）（13.2）
—— 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
又因為[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。
一般存在一個使主軸前端撓度最小，即剛性最好的支承跨距L。由經(jīng)驗得知，L為（3~6）D時，主軸前端撓度最小，D=120mm，L為360~720mm，取L為640mm。
4.6 動靜壓軸承
靜壓軸承是利用外部油源產(chǎn)生承載能力的油膜軸承，動靜壓混合軸承是一種既綜合了液體動壓和靜壓軸承的優(yōu)點，又克服了兩著缺點的新型多油楔油膜軸承。它利用靜壓軸承的節(jié)流原理，使壓力油腔中產(chǎn)生足夠大的靜壓軸承載力，從而克服了液體動壓軸承啟動和停止時出現(xiàn)的干摩擦造成主軸與軸承磨損現(xiàn)象，提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持性；軸承油腔大多采用淺腔結(jié)構(gòu)，在主軸啟動后，依靠淺腔階梯效應形成的動壓承載力和靜壓承載力疊加，大大地提高了主軸承載能力，而多腔對置結(jié)構(gòu)又極大地增加了主軸剛度；高壓油膜的均化作用和良好的抗振性能，保證了主軸具有很高旋轉(zhuǎn)精度和運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。
它的優(yōu)點如下：
1.速度和載荷范圍廣，應用范圍廣。動靜壓軸承在零件轉(zhuǎn)速到很高的范圍內(nèi)的各種相對速度下都能承載，而且載荷范圍大，其承載能力取決于供油壓力，軸承軸頸結(jié)構(gòu)和相對大小；
2.油膜剛度高，阻尼大，抗振性好;
3.摩擦阻力，磨損小.由于總有一層油膜將相對運動表面隔開，因此摩擦阻力小，磨損小，能長期保持很高的運動精度，壽命長.且對軸承軸頸材料要求也較低;
4.主軸回轉(zhuǎn)精度高.動靜壓軸承中靜壓油膜具有良好的糾正軸和軸向跳動;
5.安全性好.在萬一供油受阻或切斷時，可利用軸承中動壓效應來承載;
6.承載能力高.由于動壓效應，使軸承轉(zhuǎn)速越高承載能力越大，同時軸承還能承受方向不斷變化的動載及瞬時過載;
7.穩(wěn)定性好.
8.使用較經(jīng)濟.由于動靜壓軸承高速下主要靠動壓承載，故這時供油壓力可相對較小，軸承可設計成較小軸頸，軸承結(jié)構(gòu)簡單，制造精度和材料要求不高。
動靜壓軸承需要一套供油系統(tǒng)，潤滑油要經(jīng)過嚴格過濾以保持清潔。目前廣泛應用的是定壓供油系統(tǒng)。一定壓力的壓力油，經(jīng)節(jié)流器流入兩相對運動體間的油腔，通過油腔壓力來平衡外載荷。在定壓供油系統(tǒng)中，節(jié)流器是關(guān)鍵部分，它起著限制流入油腔流量的阻尼作用，使油腔壓力僅隨外載荷的變化而變化。靜壓軸承常用的固定節(jié)流器有毛細管和小孔節(jié)流器兩種。本次設計選用毛細管節(jié)流器。
動靜壓軸承廣泛用于高速精密設備中.目前，在改造舊精密磨削設備方面，用得較多的是北京中航設備改造廠的WMB型表面節(jié)流液體動靜壓混合軸承。
砂輪架主軸的軸向定位采用軸向止推靜壓軸承。軸向止推軸承由兩個相對的環(huán)形油腔構(gòu)成。軸上具有臺肩以形成承載面。軸承的間隙通過修磨調(diào)整墊圈的厚度來保證。
4.7 傳動裝置設計
為了提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度，皮帶輪不直接裝在主軸上，而是裝在單獨的支架上，并用花鍵套帶動主軸旋轉(zhuǎn)，即采用卸荷皮帶輪的方案，如圖4－2所示。這個方案的優(yōu)點是減少了主軸的變形，同時還提高了承載能力。
圖4.2 卸荷皮帶輪
1.電動機的選擇
= （2.35~8.82）+3.8 = 12.62kw
通過以上計算，取=15kw，選擇Y100L—4型電動機
2.皮帶設計
因為多楔帶兼有V帶和平帶的優(yōu)點，外輪廓尺寸小，比V型帶傳動平穩(wěn)，所以皮帶采用多楔帶[5]。多楔帶以平帶為基體，內(nèi)表面有等距離縱向楔型的環(huán)形帶傳動。工作面為楔側(cè)面，有橡膠和聚氨酯兩種[5]。
1）皮帶材料的選用
皮帶材料選用聚氨酯。
2）設計計算
已知小帶輪轉(zhuǎn)速，即 =1500r/min，傳動比i=2.5；
（1）計算功率
由《機械設計》表8.7查得，工作情況系數(shù)為1.1，故
（4.5）
（2）由和選擇帶型
由于=16.5kw，=1500r/min，查表后可知，取帶型為L型。
（3）確定帶輪基準直徑
由《金屬切削機床設計簡明手冊》表4—43，取主動輪基準直徑=80mm。
，由此得。
（4）驗算帶速
（4.6）
= 6.28 m/s < 30 m/s，所以帶速合格。
（5）初定軸向間距
由公式（4－5）
0.7（+）< < 2（+）， （4.7）
可知196< < 560，取=400。
（6）所需基準帶長
（4.8）
=1248.82mm
由《金屬切削機床設計簡明手冊》表4—5，取相近的基準帶長= 1250 mm[6]。
（7）實際軸向間距
（4.9）
= 401.18mm
所以皮帶的實際軸向間距取＝401mm。
（8）多楔帶每楔的基本額定功率
由《金屬切削機床設計簡明手冊》表4—40，可以查得＝0.34kw。
（9）小帶輪的包角
（4.10）
＝162.85°
（10）多楔帶楔數(shù)的確定
（4.11）
其中
查表得，
，代入的計算公式中，得＝0.849kw。
又已知＝0.955，＝1.00，得：
由此可以確定，取Z＝15。
3.帶輪設計
1）帶輪設計的要求：
（1）質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)工藝性好，無過大的鑄造應力；
（2）質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)速高時要經(jīng)過動平衡校證；
（3）槽輪工作面要經(jīng)過精細加工，以減少帶的磨損；
（4）輪槽的尺寸和角度應有一定的精度，以使載荷分布均勻。
2）帶輪的材料選用
帶輪的材料選用HT200。
3）帶輪的結(jié)構(gòu)
（1）小帶輪直徑（d為軸的直徑），所以采用實心式。
（2）大帶輪< 300，所以采用腹板式結(jié)構(gòu)。
4）小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
圖4.3 小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
（4.12）
其中——帶輪的外徑，
——軸的直徑，
——基準線上槽深。
（4.13）
，圓整后得＝165mm
（4.14）
， （4.15）
其中——多楔帶的楔數(shù)，
——多楔帶的槽間距，
——第一槽對稱面到端面的距離。
5）大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
圖4.4 大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
4.花鍵套的選用
由軸端直徑Φ60選用內(nèi)花鍵套：8×62H7×78H10×12H11GB1144-87，如圖
圖4.5 內(nèi)花鍵套的結(jié)構(gòu)尺寸
第5章 床身與導軌
本章進行磨床床身與導軌的設計。
5.1 床身設計
5.1.1 床身結(jié)構(gòu)的基本要求
機床的床身是整個機床的基礎支承件,一般用來放置導軌等重要部件。為了滿足數(shù)控機床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動化的要求，與普通機床相比，數(shù)控機床應有更高的靜、動剛度，更好的抗振性。數(shù)控機床床身主要在下面四個方面提出了更高的要求。
1.很高的精度和精度保持性
在床身上有很多安裝部件的加工面和運動部件的導軌面,這些面本身的精度和相互位置精度要求都很高,而且要能長時間保持.另外,機床在切削加工時,所有動、靜載荷最后往往都傳到床身上，所以，床身上的受力很復雜。為此，為保證零部件之間的相互位置或相對運動精度，處滿足幾何尺寸位置等精度要求外，還要滿足靜、動剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性和工藝等方面的技術(shù)要求。
2. 應具有足夠的靜、動剛度
靜剛度包括：床身的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應該采取相應的措施，最后達到有較高的剛度—質(zhì)量比。
動剛度直接反映機床的運動特性，為了保證機床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動及自激振動的能力，可以通過適當增加阻尼，提高固有頻率等措施避免共振及因薄臂振動而產(chǎn)身的噪聲。
3. 較好的熱穩(wěn)定性
控機床來說，尤其是高精度數(shù)控機床，熱穩(wěn)定性已成為一個突出的問題，必須在設計上要作到使整機的熱變形較小，或使熱變形對加工精度的影響較小。
4.高的強度和耐磨性
通常床身在抵抗外負載荷而不超過允許的變形情況下，都具有足夠的強度。但是，對于外負載荷比較大而變形要求不大的部位，仍有注意其強度的情況。至于床身與運動部件相接觸的部位，即導軌處，要求有良好的耐磨性。
5.1.2 床身的結(jié)構(gòu)
該次設計的數(shù)控磨床的Z向運動是垂直與工作臺的上下運動.這種結(jié)構(gòu)的床身有固定立柱和移動立柱兩種方式由于后者加工制造不方便,加上本次設計的數(shù)控磨床屬于中型機床,故采用固定立柱式。
5.1.3 床身的截面形狀
為了在較小質(zhì)量下獲得高的靜剛度和適當?shù)墓逃蓄l率，該機床的床身采用帶有對角筋的箱體結(jié)構(gòu)。對角筋截面可明顯床身的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設計成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。
5.1.4 鋼板焊接結(jié)構(gòu)
該機床的床身采用鋼板直接焊接而成。焊接結(jié)構(gòu)床身的突出優(yōu)點是制造周期短。一般比鑄鐵快1.7～3.5倍。省去了制作木摸和鑄造工序，不易出廢品。焊接結(jié)構(gòu)設計靈活，便于產(chǎn)品更新、改進結(jié)構(gòu)。焊接件能達到與鑄件相同，甚至更好的結(jié)構(gòu)特性，可提高抗彎截面慣性矩，減小質(zhì)量。采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)能夠按剛度要求布置筋板的形式，充分發(fā)揮臂板和筋板的承載和抗變形作用。另外，焊接床身采用鋼板，其彈性摸量E為MPa，而鑄鐵的彈性摸量E為MPa，兩者幾乎相差一倍。因此采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)床身有利于提高固有頻率。
5.1.5 箱體封沙結(jié)構(gòu)
床身封沙結(jié)構(gòu)是利用筋板隔成封閉箱體結(jié)構(gòu)。對于焊接結(jié)構(gòu)的床身，在床身內(nèi)腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，當振動時，利用相當摩擦來耗散振動能量。利用沙粒良好的吸振性能，可以提高機構(gòu)件的阻尼比。提高床身結(jié)構(gòu)的靜剛度，有剛度和質(zhì)量關(guān)系式K=(為系統(tǒng)無阻尼振動時的固有頻率)可以看出增加質(zhì)m可以提高靜剛度.封沙結(jié)構(gòu)降低了床身的重心,有利于床身機構(gòu)的穩(wěn)定性,可提高床身的抗彎和抗扭剛度。
5.2 導軌設計
5.2.1 對導軌的要求
對導軌的要求,納起來有下列幾點:
1. 要有一定的導向精度 2.要有良好的耐磨性
3.要有足夠的剛度 4.要減少熱變形影響
5.要使運動輕便平穩(wěn) 6.要有一定的工藝性
5.2.2 滑動導軌
導軌按照接觸面的摩擦情況而言.可分為:滑動導軌、滾動導軌、靜壓導軌等三大類型。該次設計的數(shù)控磨床采用滑動導軌。
滑動導軌結(jié)構(gòu)簡單制造方便，承載面積大，接觸剛度好，抗振性能好等一系列優(yōu)點?；瑒訉к壱话阌糜诙ㄎ痪纫蟛桓叩拈_環(huán)系統(tǒng)中，本次設計的伺服系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，因為有了反饋系統(tǒng)，導軌的定位精度，由于誤差進行補償而不受影響，故采用滑動導軌。
5.2.3 貼塑滑動導軌
滑動導軌具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，接觸剛度大的優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導軌摩擦阻力大，磨損快，動靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。因此，采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的新型塑料滑動導軌。
本次設計采用的塑料導軌是聚四氟乙烯導軌軟帶。
1. 聚四氟乙烯導軌軟帶的特點
摩擦性好:鑄鐵淬火導軌副的靜摩擦系數(shù)與動摩擦系數(shù)相差較大,幾乎是相差一倍.而金屬聚四氟乙烯導軌軟帶的靜、動摩擦系數(shù)基本不變。這種良好的摩擦性能可防止低速爬行，是運動平穩(wěn)并獲得較高的定位精度。
耐磨性好：處摩擦系數(shù)低外，聚四氟乙烯導軌軟帶材質(zhì)中含有青二硫化鉬和石墨，因此，本身即具有潤滑作用，對潤滑油的供油量要求不高，采用間歇式供油即可。此外，塑料質(zhì)地較軟，即便是嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不至損傷金屬導軌面和軟帶本身，可延長導軌副的使用壽命。
減振性好：塑料有很好的阻尼性，其減振消聲的性能對提高摩擦副的相對運動速度有很大的意義。
工藝性好：可降低對粘貼塑料的金屬導軌基體的硬度和表面質(zhì)量要求，而且塑料易于加工，使導軌副接觸面獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量。
此外，還有化學穩(wěn)定性好，維修方便，經(jīng)濟性好等優(yōu)點。
2. 導軌軟帶使用工藝
首先將導軌粘貼面加工至表面粗糙度Ra3.2～1.6，有時為了起定位作用，導軌粘貼面加工成0.5mm到1mm深的凹槽.用汽油或金屬清洗或丙酮清洗導軌粘貼面后,用膠粘劑粘合導軌軟帶,加壓初固化1～2h后再合攏到配對的固定導軌上施加一定的壓力,并在室溫固化24h,取下清除余膠,即可開油槽和進行精加工,由于這類導軌用粘貼方法,習慣上稱為“貼塑導軌”。
5.2.4 導軌結(jié)構(gòu)
該機床的X方向和Z方向?qū)к壘捎镁匦螌к墸詾檫@種導軌制造維修方便，承載能力大，新導軌導向精度高，使用一段時間后可通過鑲條調(diào)節(jié)，以滿足導向精度。Y方向采用V形導軌，這種導軌導向精度高，導軌磨損后靠自重下沉自動補償。下導軌采用凹型的，可以便于存油，頂角采用90。
5.2.5 導軌設計
該磨床作用在運動件上的推力平行與運動件的軸線。為了運動件不被卡死，且保證運動靈活，矩形導軌需h/L<2,V形導軌需h/L<1. 其中h和L分別為推力F到軸線的距離和導軌的寬度。該次設計中，矩形導軌，h=75mm，L=470mm，
h/L=0.16＜2 滿足要求。V 形導軌，h=115mm，L=440mm，
h/L=0.26＜1，滿足要求。
5.2.6 導軌的材料
塑料導軌用在導軌副的動導軌上,與其相配的導軌采用鑄鐵,組成鑄鐵－塑料導軌副.鑄鐵采用耐磨鑄鐵,牌號是HT3054,表面淬火硬度為HRC45～55,淬火層深度規(guī)定經(jīng)摩削后保留1.0～1.5mm.
第6章 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計
6.1 主傳動系統(tǒng)的設計要求
數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)除應滿足普通機床的主傳動要求外,還提出如下要求:
1.具有更大的調(diào)速范圍,并實現(xiàn)無級調(diào)速。
數(shù)控機床就要為了保證加工時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。對于自動換刀的數(shù)控機床，工序集中工件一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適應各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運動的調(diào)速范圍還應進一步擴大。
2.具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。
數(shù)控機床加工精度的提高與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應提高傳動件的精度與剛度，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)控機床一般即要進行粗加工，又要精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運動部件不平穩(wěn)以及切削過程中的自振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至破壞刀具或零件，使加工無法進行。因此主傳動系統(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的能力抗震性?？拐鹦杂脛觿偠然騽尤岫葋砗饬俊＠缰鬏S組件的動剛度取決于主軸的當量靜剛度，阻尼比及固有頻率等參數(shù)。
機床在切削加工中主傳動系統(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位置精度和運動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，通過保持合適的配合精度，并進行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。
6.2 主傳動變速系統(tǒng)的設計
該平面磨床需要自動變速，且在切削階梯軸的不同直徑，切削曲線旋轉(zhuǎn)面和端面時，需隨切削直徑的變化而自動變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又利于提高切削效率。無級調(diào)速有機械、液壓和電氣等多種形式，該次設計的數(shù)控磨床采用交流調(diào)速電機作為驅(qū)動源的電氣無級調(diào)速。電機通過一級高速帶帶動主軸旋轉(zhuǎn)，完成切削運動。
6.3 選擇主軸電機
1. 主軸轉(zhuǎn)速范圍
該數(shù)控磨床的磨頭選擇為圓頭錐磨頭和碟形磨頭。
當選用碟形磨頭時，
切削速度v=（25～30）m/s 刀具直徑D=（75～120）mm
主軸轉(zhuǎn)速：
n1===3980r/min
n2===8913r/min
當選用圓頭錐磨頭時，
切削速度v=（10～12.5）m/s 刀具直徑D=（16～35）mm
主軸轉(zhuǎn)速：n1===5457r/min
n1===14920r/min
所以主軸轉(zhuǎn)速范圍n=（3980～14920）r/min
2.傳動比i
主軸與電動機通過一級高速帶傳動,傳動比i=0.5
3.電機轉(zhuǎn)速 no=in=(1990～7460)r/min
所以選電機的轉(zhuǎn)速no=2000r/min
4.切削功率pc
工作臺單行程的磨削深度進給量
S===0.08mm/行程
v—工件的運動速度 v=5m/min
K=1.0 (尺寸精度為0.03mm,加工余量h=0.35mm)
K=1.0 (工件材料為淬火鋼,磨頭直徑D≤500mm)
==120mm
—工件磨削表面的實際總面積(36000mm)
L—工作臺的行程長度(300mm)
根據(jù)上述數(shù)據(jù),查《金屬機械加工工藝人員手冊》可得:
切削功率pc=6.15kw
5. 主傳動功率 ===7.2kw
—主傳動系統(tǒng)的總效率(0.75～0.85)
6.電機額定功率 P=/K=7.2/1.1=6.5kw
K—工況系數(shù) 取1.1 查表得額定功率P=7.0kw
7.結(jié)果：
交流
主軸
電機
型號
連續(xù)
負載
P/kw
間隙負載(60%)
/kw
短時
負載
(30min)/kw
額定轉(zhuǎn)速
r/min
最大轉(zhuǎn)速 r/min
額定轉(zhuǎn)矩M
N.m
慣性矩J
Kg/m
晶體管PWM變頻器型號
1HP6
103-
4CG4
7.0
8.6
8.8
2000
9000
33
0.017
6SC6503
-4AA02
1HP6系列交流主軸電機是四籠型感應電動機,這類電動機與SIMODRIVE6500晶體管PWM變頻器配套開發(fā),電動機的損耗和噪音都明顯減低。主軸電機有安裝在非驅(qū)動端的風扇電獨冷卻，由于單獨冷卻的結(jié)果，電動機即使在靜止時。也能提供全轉(zhuǎn)矩，標準型的電動機的冷卻空氣是從驅(qū)動端流向非驅(qū)動端。由SIMODRIBVE6500晶體管PWM變頻器與1HP6交流主軸電機組成的交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)，提供一個適合與不受限制的四象限操作，帶有反饋制動的驅(qū)動系統(tǒng)。
6.4 高速帶的設計計算
主軸電機與主軸之間采用高速帶直接聯(lián)接。
1.選擇帶型
由于要求傳動可靠,運轉(zhuǎn)平穩(wěn),并有一定的壽命,所以都采用重量輕、厚度薄而均勻、曲撓性好的環(huán)形平帶作為高速帶。根據(jù)和n選擇A型帶(3槽)。
2.小帶輪直徑 +2=75+2×4=83mm
取標準,=90mm
3.帶速
==71.8m/s
==19.2m/s
4.大帶輪直徑
==180mm
5.中心距
得 189≤a≤540
取a=255mm
6.帶長
L==
=932mm
7.小帶輪包角 =
=> 合格
8.撓曲次數(shù)
==150<200合格
所以選高速帶的種類為薄型綿綸片復合平帶。
9．帶厚 ～＝（2.25～3）
取標準，帶厚為3mm
10．帶寬b
傳遞功率Ｐ＝7.0kw
工況系數(shù) 拉力計算系
包角修正系數(shù) 傳動布置系數(shù)
傳動比系數(shù) 帶的質(zhì)量
帶的許用拉應力
帶的離心拉應力＝
所以＝
取b＝26mm
11．作用在軸上的力
帶的預緊力推薦值為＝
帶的截面積Ａ＝b＝40×2.5＝90
＝
第7章 控制系統(tǒng)設計
7.1 確定硬件電路的總體方案
數(shù)控系統(tǒng)基本組成：任何一個數(shù)控系統(tǒng)都是有硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎，有了硬件軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響數(shù)控系統(tǒng)的性能指標。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來有以下四部分組成：主控制器 即中央處理單元CPU；總線 包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）；存儲器 包括可編程存儲器和隨機可讀存儲器；接口 即I/O輸入/輸出接口電路。
其中CPU是系統(tǒng)的核心，其作用是發(fā)布命令以及協(xié)調(diào)各部分電路。存儲器用于存放系統(tǒng)軟件以及運行過程中的各種數(shù)據(jù)。I/O接口電路是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁。總線則是連接CPU、存儲器和I/O接口電路的紐帶，是各部分進行通信的線路。
除此以外，還需要根據(jù)系統(tǒng)的要求配備一些外圍設備和信號變換器。上圖所示的數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。信號交換電路包括A/D交換、D/A轉(zhuǎn)換等。
7.2 主控制器CPU的選擇
在微機應用系統(tǒng)中，CPU的選擇應考慮以下三要素：
時鐘頻率和字長（控制數(shù)據(jù)處理速度）；可擴展存儲器（ROM/RAM）的容量；指令系統(tǒng)功能是否強（即變成的靈活性）。
I/O擴展的能力：
開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。
除此以外，還應根據(jù)系統(tǒng)應用場合，選擇對象以及對各種參數(shù)要求選擇CPU。在一般數(shù)控系統(tǒng)中，最常用MCS-51系統(tǒng)單片機作為主控制器。本次設計將選用8031單片機。
從上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當于一塊Z80CPU、一塊RAM、一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微型機算計系統(tǒng)。
7.3 存儲器擴展電路設計
1、程序存儲器擴展
單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片采用EPROM芯片。其型號分別為2716、2732、2764、2756等，其容量分別為2K、4K、16K、32K。在選擇芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配。即8031所能讀取的時間必須大于EPROM所要求的時間。此外，還需考慮最大讀出速度，工作溫度及存儲器的容量。在滿足要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡化。本控制電路中選用2732存儲芯片，74LS373地址鎖存器。
2、數(shù)據(jù)存儲器的擴展
由于8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的要求，需擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器。本控制電路選用6264靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器。
3、譯碼電路
在單片機應用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機相聯(lián)。單片機數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送，故需進行片選控制，選用74LS138譯碼器。
7.4 I/O口擴展電路設計
8031單片機共有四個8位并行I/O口，但可供用戶使用的只是一部分。因此，不可避免的要進行I/O口的擴展。
本電路擴展了兩個可變成并行接口芯片8255A。8255A是一個適用于諸多微機系列的可編程通用8位輸入/輸出接口芯片?？赏ㄟ^編程來改變它的工作方式。通用性強、靈活多變、便于和各種外設連接。
鍵盤、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計算機狀態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用行列式鍵盤，即I/O口的線組成行列結(jié)構(gòu)。按鍵設置在行列的交點上。顯示器為LED。鍵盤和顯示器共用8255A的PA口進行控制。在進行鍵盤巡回掃描時，必須先關(guān)顯示。當然有關(guān)鍵盤和顯示器的工作必須經(jīng)過軟件協(xié)調(diào)才能達到預期的效果。
7.5 交流伺服電機驅(qū)動電路
單片機發(fā)出的驅(qū)動信號通過8255A轉(zhuǎn)向定時器8253，用來改變其輸出的脈沖寬度。8253發(fā)出的信號由電平轉(zhuǎn)換電路變換成雙級性脈寬調(diào)制信號，再由有源濾波電路平滑成連續(xù)的電壓信號，這個環(huán)節(jié)的作用類似于D/A轉(zhuǎn)換，然后將此電壓信號送到速度調(diào)節(jié)器，而后再由電流調(diào)節(jié)器送出電流指令值到內(nèi)含PWM調(diào)制電路的PWM功率接口。其中電流反饋和速度反饋均采用模擬電路。
7.6 主軸電機驅(qū)動電路
主軸電機采用交流電機，并采用單片機控制變頻器的閉環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)。
單片機完成對整個系統(tǒng)的兩級監(jiān)控管理，協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，并進行復雜的控制決策。控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出至變頻器，變頻器根據(jù)接收到的信號產(chǎn)生變壓變頻的電源信號，以驅(qū)動交流電機實現(xiàn)調(diào)速。系統(tǒng)的開關(guān)量控制模塊可方便地實現(xiàn)電機啟動、停止及加減速等功能。A/D模塊接收整流濾波處理后的速度反饋信號。構(gòu)成調(diào)節(jié)閉環(huán)，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。因此，實現(xiàn)了一套結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全和運行可靠的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。
7.7 越界報警
為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。一旦某一方向越界，應立即停止工作臺移動。為了報警，可以設置發(fā)光二級管。工作時綠燈亮；有越界信號時，紅燈亮，指示工作臺越過極限位置。
結(jié) 論
畢業(yè)設計是大學四年所學知識的一個考察,它兼顧了四年中所學的基礎和專業(yè)知識,因此不同于以前的課程設計,畢業(yè)設計是課程設計一個質(zhì)的飛越.認識到這點,我對待畢業(yè)設計的態(tài)度也不敢懶散,一直抱以認真謹慎的學習態(tài)度.
在接到畢業(yè)設計課題后首先要做的就是搜集各方面的資料，以前的課程設計都是老師給出的，不用自己去煩惱。但是畢業(yè)設計就不同了，它是一個綜合設計，很多資料、數(shù)據(jù)都需要自己通過各種途徑搜集得到。
在本次設計中，要用到許多基礎理論，由于有些知識已經(jīng)遺忘，這使我們要重新溫習知識，因此設計之前就對大學里面所涉及到的有關(guān)該課題的課程認真的復習了一遍，開始對本課題的設計任務有了大致的了解，并也有了設計的感覺。同時，由于設計的需要，要查閱并收集大量關(guān)于機械制造方面的文獻，進而對這些文獻進行分析和總結(jié)，這些都提高了我們對于專業(yè)知識的綜合運用能力和分析解決實際問題的能力。通過本次設計還使我更深切地感受到了團隊的力量，在與同學們的討論中發(fā)現(xiàn)問題并及時解決問題，這些使我們相互之間的溝通協(xié)調(diào)能力得到了提高，團隊合作精神也得到了增強?？梢哉f，畢業(yè)設計體現(xiàn)了我們大學四年所學的大部分知識，也檢驗了我們的綜合素質(zhì)和實際能力。同時也跨出了我的工程師之路的第一步。
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致 謝
為期三個多月的畢業(yè)設計就要結(jié)束了，我也順利的完成了我的課題設計，在此之際我要衷心的感謝在設計過程中一直幫助我支持我的老師。
我要感謝指導老師老師在整個設計過程中對我的影響很大，設計過程中的很多個難點都是在老師的悉心指導下才克服的，還有老師親切和善也是我在整個設計過程中感受最深的。也因為
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