数控平面磨床设计【说明书+7张CAD图纸】

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Since grinding is a precision machining method, limited to the requirements of high precision, it is hard to direct the diameter of the wheel-line measurement precision. Similarly, the impact of sand surface grinding wheel, grinding wheel wear for high-precision detection is a difficult task. Therefore, it is still difficult in the CNC grinding machine to achieve automatic compensation for wheel wear. In response, this paper studies CNC Crankshaft Grinding, a technique based on acoustic emission measurement of grinding wheel wear and error compensation method. That is installed on the wheel rack using acoustic emission sensors, measuring wheel with a benchmark for the relative position of machine tools by measuring changes in the relative position of the indirect detection of grinding wheel wear, and measuring the results fed back to the control system, which achieve automatic compensation for wheel wear.1. A grinding wheel wear detection methods.Taking into account the impact of grinding wheel surface grit and processing environment, using laser measurement methods are difficult to achieve on-line detection of grinding wheel wear. In recent years, the grinding condition monitoring, acoustic emission technology has become a widely used method 1. Cutting process of cutting acoustic emission is an important phenomenon of the so-called acoustic emission phenomenon is caused by structural changes of solid materials due to the rapid release of strain caused by elastic waves, referred to as AE (Acoustic Emission). In the grinding process, when the grinding process in a steady state, AE signal does not change. Only when the grinding conditions change, the acoustic emission signal was changed with it. When the grinding wheel and workpiece with close, the wheel will produce high-frequency acoustic emission signals, install the shelves in the wheel acoustic emission sensor signals will be significantly enhanced through the pilot study determine a threshold, according to the threshold value can determine the grinding wheel and workpiece relative position. Based on this principle, consider the acoustic emission sensors installed in the wheel rack, used to measure the grinding wheel in the process of acoustic emission signals. Diamond grinding wheel orientation as a benchmark document, installed in the bed of a grinding position, when the need to measure wheel wear, the CNC control wheel near the diamond pen, when the wheel close to the diamond pen, acoustic emission signal enhancement, the experimental study , a judge can determine the relative position of grinding wheel with diamond document threshold. When the acoustic emission signal exceeds a pre-set threshold, the acoustic emission signal processing device to send digital control system, PLC binary signals, machine tool numerical control system is to record the current wheel position and wheel position of the current position compared with the previous comparison, calculate the value of grinding wheel wear compensation. Further through the digital software in the CNC system to achieve automatic compensation for wheel wear. The feasibility of this method depends largely on the ability to find a can accurately determine the relative position of grinding wheel diamond pen and the threshold, when the wheel is not worn, the use of the threshold to judge the relative position of grinding wheel diamond pen and should not change or have a very the location of a small measurement error. To illustrate this problem, on the grinding wheel wear on the machining error of b (position measurement in order to determine the allowable error), and the location of the proposed method accuracy were studied.2. StudyTo determine the acoustic emission technology for grinding wheel wear measurement accuracy, we in Switzerland Precision Universal Cylindrical Grinding Machine Studer were studied. Tests will be fixed in the grinding diamond dressing document the end of the shelf, the smallest wheel feed 1m, wheel size is 80, in the soft, red corundum, diameter 300mm, wheel speed is 45m / s, the first frame speed 50r / min. AE signal monitoring system used the United States Xu Schmitt Industries, Inc., L-4200-4-type acoustic emission control machine, the acoustic emission signal frequency range of 50kHz 950kHz, response time of less than 1ms. Test, the first feed control wheel movement, so close to the diamond dressing pen, and acoustic emission control plane to set a threshold value. Then the wheel respectively 5m, 10m, 15m, 20m, as the amount refunded back the knife wheel grinding wheel, and then slowly regained control of the feed wheel, near the diamond dressing pens, launch control until the sound of the monitoring and controlling the screen to reach the threshold value, stop wheel feed, record the times of the feed. Repeat the above test procedure to measure out loud emission sensor diamond grinding wheel dressing pen and the relative position of the repeated measurement accuracy. Table 1 shows the test results. Can see from Table 1, the error values between -5 +5 m, the calculated value is less than allowable error 6m. Therefore, the proposed method can be used for grinding wheel wear detection.3 ConclusionBased on acoustic emission detection technology, is given CNC crankshaft grinding wheel wear of indirect detection methods, the method is also suitable for grinding, cylindrical grinding, etc., the only difference is that the detection accuracy of different requirements. Practical experiments show that the proposed method detected the error between -5 +5 m to meet the needs of high-precision grinding.4中期检查报告 题目 数控平面磨床设计 学生姓名 学 号 指导教师 2010年5月 10 日自检报告(要点:1.毕业设计(论文)工作任务的进展情况 2.未按计划完成工作任务的原因 3.工作中所遇到的问题 4.下一步工作打算)1. 毕业设计工作任务的进展情况（1）已经在校内校外实习并借阅收集了各种资料：实习地点有辽宁石油化工技术学院培训基地，辽宁工业大学机械学院机电控制实验室，辽宁工业大学实习实训中心。借阅资料有：1余英良.机床数控改造设计与实例.机械工业出版社.1998,(05)2尹成湖.磨工.化学工业出版社.2005，（01）3孙德茂.数控机床磨削加工直接编程技术.机械工业出版社.2006，（02）4张建民等.机电一体化系统设计（第二版）.高等教育出版社.2001,(03)5文怀兴.数控机床系统设计.2002,(03) 6周希章.如何正确选用电动机.机械工业出版社.2006,(01) 7严盈富.西门子S7-200PLC入门.人民邮电出版社. 2007,(06)8机械设计手册编委会. 液压传动与控制.机械工业出版社.2007,(03)（2）已经整理好毕业实习手册、确定了总体方案、撰写了开题报告并完成开题答辩。（3）完成机械结构草图设计及设计计算。（4）绘制正式机械结构图和传动系统图。 总成图如下：零件图1：砂轮主轴零件图2：工作台 液压缸部装图：2.未按计划完成工作任务的原因 未完成任务有：程序流程图。原因：对自己要求不够严格，进度未及时跟上，五一假期本想把差的进度赶回来，可是生病了。3.工作中所遇到的问题 在初期借阅资料过程中，因图书馆闭馆了一段时间，造成未能查阅足够资料，难免在设计过程中出现了一些问题。我通过借阅其他同学手中的资料，在一定程度上弥补了资料不足的缺陷。在4月末由于身体不适耽误了一点进度。4.下一步工作打算把未按时完成的任务尽早完成，开始设计程序流程图，硬件电路图，程序调试。并开始撰写毕业设计论文。学生签字： 年 月 日指导教师意见：指导教师签字： 年 月 日教研室意见：教研室主任签字: 年 月 日备注4任务书题目 数控平面磨床设计 学 生 姓 名 学 号 指导教师(签字) 设计(论文)工作自2010年3月2日至2010年 6 月26 日发任务书日期：2010 年03 月 02 日任务书填写要求1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经教研室负责人审查、院（系）领导签字后生效。此任务书应在毕业设计（论文）开始前一周内填好并发给学生；2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网址上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及院（系）分管领导审批后方可重新填写；4任务书内有关“院（系）”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号，不能只写最后2位或1位数字；5任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标GB 771487文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；6有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月2日”或“2004-04-02”。1、本毕业设计（论文）课题应达到的目的：设计题目是数控平面磨床设计，它是一个机电一体化产品。设计过程中所涉及的内容有机械制造、液压传动和电器控制三个方面的知识，通过本次毕业设计将使学生受到一次机电一体化产品开发和设计能力的锻炼，从而使对所学基础理论和专业技能有机的结合起来，提高学生的知识运用能力和解决工程实际问题的能力。2、本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求：题目内容：要求设计的数控平面磨床能够实现工件的自动夹紧及磨削。主要参数：最大磨削尺寸7001600675 mm，工作台速度3-25 m/min，磨头横向进给速度(无级)0.15-3.75 m/min，磨头垂直给速度(无级) 0.05-3.75 m/min，砂轮线速度35 m/s，最大砂轮尺寸 (外径宽内径)50075203 mm，最大磨削力150N，磨削精度-5+5。工作量：本题目主要完成机械结构设计、传动机构设计和电控系统设计。1）数控平面磨床总成图 1张 0# 2）液压缸部装图 1张 1# 3）液压系统原理图 1张1#4）电气控制系统原理图 1张1#5）程序流程图及程序 1张1#6）零件图 2张2#7）撰写15000字毕业设计（论文）一份；8）完成不少于2000个单词的外文资料译文一份。 3、主要参考文献： 1余英良.机床数控改造设计与实例.机械工业出版社.1998,(05)2尹成湖.磨工.化学工业出版社.2005，（01）3孙德茂.数控机床磨削加工直接编程技术.机械工业出版社.2006，（02）4张建民等.机电一体化系统设计（第二版）.高等教育出版社.2001,(03)5周斌.机电一体化使用技术手册.兵器工业出版社. 1994,(03)6文怀兴.数控机床系统设计.2002,(03) 7周希章.如何正确选用电动机.机械工业出版社.2006,(01) 8严盈富.西门子S7-200PLC入门.人民邮电出版社. 2007,(06)9机械设计手册编委会. 液压传动与控制.机械工业出版社.2007,(03)4、毕业设计（论文）的实习（调研）基本要求：1）辽宁石油化工技术学院培训中心l 了解普通平面磨床的结构2）辽宁工业大学机械学院机电控制实验室l 了解可编程控制器使用l 运行所编写的程序3）辽宁工业大学实习实训中心l 了解普通平面磨床的结构4）辽宁工业大学液压控制实验室l 了解液压控制5、毕业设计（论文）课题进度计划：起讫日期工 作 内 容第1周第2周 第3周第4、5、6周第7、8、9周第10周 第11周第12周 第13、14周第15、16周第17周 校内校外实习并借阅收集各种资料辽宁石油化工技术学院培训中心实习整理毕业实习手册、确定总体方案、撰写开题报告并开题；机械结构草图设计及设计计算绘制正式机械结构图和传动系统图液压系统设计程序流程图硬件电路图程序调试撰写15000字毕业设计（论文）打印输出毕业设计资料，准备毕业答辩教研室审查意见：教研室主任签字： 年 月 日院（系）意见：院(系)负责人签字： 年 月 日3设计（论文）工作总结 题目 数控平面磨床设计 学生姓名 学 号 指导教师 个 人 总 结通过整整一个学期的毕业设计，我将所学的知识应用到实际设计中去。在紧张而充实的设计中学到了很多的东西，也为自己将来参加工作打下了基础。 在设计的过程中我查阅了大量的资料，去学校数控加工中心做了一些调研。在指导老师的帮助和带领下，还去了辽宁石油化工技术学院培训中心实地考察，老师的细心讲解让我了解了更多有关平面磨床的知识，对自己的设计构想有很大帮助。毕业设计是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态。毕业设计锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却很丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从实际应用的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求，通过这次毕业设计让我学到了很多新知识，这是很珍贵的。这一次设计让我积累了很多实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。这次毕业设计让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，无论是机械加工还是设计，我都采用了一些新的技术和设备，他们有着很多的优越性但也存在一定的不足，在一定程度上限制了我们的创造力。比如如何保证磨削高精度这样的国际性难题上还有空缺。本次设计是在潘静导师耐心指导和悉心关怀下完成的，潘老师对我们的高度责任心，给我的学习、生活和工作有很大的影响，并将激励我永远奋发向上。总之，我将把毕业设计中收获的知识灵活运用到实际工作中。 学生本人签字： 年 月 日指导教师意见：指导教师签字： 年 月 日2开题报告题目 数控平面磨床设计 学生姓名 学 号 指导教师 开题日期：2010年3月18日开 题 报 告1题目来源及实际应用意义本次毕业设计的题目是数控平面磨床设计。题目来源于生产实践，在东风朝阳柴油机有限责任公司的实习考察，了解到磨削加工是一道非常重要的工序。磨床的使用量很大，特别是数控磨床的使用已成为新的趋势。因此设计新型的数控平面磨床也势在必行。数控平面磨床是一种效率高、精度高的数控加工机床，它比普通磨床有很多优势，具体实际应用意义有以下几点：1.大大提高生产效率。数控平面磨床即可实现加工的自动化效率可比传统平面磨床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。2.数控平面磨床在机械制造中作用和地位提高。随着磨削技术的发展，数控平面磨床的应用日益扩大，在工业发达国家磨床占机床总数的40%，在轴承制造业中多达60%，因此磨削技术在机械制造业中占重要地位，而数控平面磨床由于磨削精度高、效率高很适应工程材料不断发展的需要。3.性能稳定可靠。目前数控技术得到了突飞猛进，为数控平面磨床提供了可靠的数控技术保障，因此数控平面磨床的设计有适应和应用新技术的意义。2、题目主要内容及预期达到的目标 本次设计的题目是数控平面磨床设计，其要完成数控系统和机床主体两大部分设计内容。第一部分：数控系统主要由数控装置（包括内置PLC）、进给伺服系统、主轴伺服系统等部分组成。进给伺服系统又由进给驱动单元、进给电动机和位置检测装置组成。主轴伺服系统由主轴驱动单元、主轴电动机和主轴编码器组成。第二部分：机床主体由机床机械部件、强电、液压、润滑、和冷却系统等组成。数控平面磨床，用于加工磨削平面，或者阶梯型平面。在磨削加工中，砂轮的径向进给由Y向步进电动机控制，可实现砂轮径向进给的准确位移。工作台的移动由一个液压缸实现，能平稳移动，保证磨削精度。Z方向由丝杆配合步进电动机进给，能精确移动到微米级。数控系统控制机床对工件的磨削运动，是数控系统运行由机床用户编写的零件加工程序实现的。（注）开题报告要点：1、毕业设计（论文）题目的来源，理论或实际应用意义。2、题目主要内容及预期达到的目标。3、拟采用哪些方法及手段。4、完成题目所需要的实验或实习条件。5、完成题目的工作计划等。（开题报告不够用时可另附同格式A4纸）1开 题 报 告3、方法及手段数控平面磨床主要包括机械部分，控制部分，丝杆传动，液压传动和步进电机组成。将丝杆和步进电机结合。电机和液压系统中的电磁换向阀由PLC控制，最终实现磨床的数控。机械结构简图如下：控制部分采用PLC控制。采用可编程控制器做控制单元，可编程控制器具有响应速度快，可靠性高，接线和维护简单，改变控制逻辑方便等优点。按照图样及工艺编制加工程序，有直接编程（DP）和辅助编程(AP)两种。下图为程序编制框图：2开 题 报 告机床的磨削运动。程序数据经插补处理，位置控制，速度控制，驱动坐标轴进给电机，使坐标轴作相应的运动，带动砂轮作切削运动，为保证运动的连续性，要求系统要有强的实时性，以保证零件的加工质量，这是数控系统控制程序的重要部分。逐段处理，直至完成了一个完整的加工。运行原理框图如下：流程图如下：3开 题 报 告4、完成题目所需要的实验和实习条件1. 东风朝阳柴油机有限责任公司生产实习。2. 辽宁石化职业技术学院培训基地实习。3. 辽宁工业大学实习实训中心实习。4. 在机电实验室进行PLC编程实验。5. 到机械学实验室进行机械传动实验。6. 到图书馆查阅相关资料。7. 在互联网上找相关的资料。4开题报告5、毕业设计（论文）课题进度计划毕业设计（论文）课题进度计划：起止日期工 作 内 容第一周第三周实习、调研、收集资料、整理资料原理方案设计，整理开题报告，开题第四周第九周机械结构计算与设计第十周第十三周控制部分设计、绘制气压传动系统原理图、控制硬件电路第十四周、第十五周写论文等文字材料第十六周、第十七周准备答辩5查阅资料、文献目录1余英良.机床数控改造设计与实例.机械工业出版社.1998,(05)2尹成湖.磨工.化学工业出版社.2005，（01）3孙德茂.数控机床磨削加工直接编程技术.机械工业出版社.2006，（02）4张建民等.机电一体化系统设计（第二版）.高等教育出版社.2001,(03)5周斌.机电一体化使用技术手册.兵器工业出版社. 1994,(03)6文怀兴.数控机床系统设计.2002,(03) 7周希章.如何正确选用电动机.机械工业出版社.2006,(01) 8严盈富.西门子S7-200PLC入门.人民邮电出版社. 2007,(06)9机械设计手册编委会. 液压传动与控制.机械工业出版社.2007,(03)教师意见：(对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计结果的预测)指导教师签字：年 月 日教研室意见： 教研室主任签字：年 月 日7开 题 须 知一、学生要认真填写开题报告。在毕业设计（论文）答辩时学生须向答辩委员会（或答辩小组）提交开题报告，作为答辩评分的参考材料，没有开题报告不能参加答辩。如果丢失要及时办理补交手续。学生毕业后，开题报告与学生毕业设计（论文）一并存档备案。二、毕业设计（论文）题目一经确定，指导教师要给学生下达毕业设计（论文）任务书，学生根据任务书的要求进行开题，一般安排在毕业设计（论文）正式开始的第二周至第三周进行。 三、开题报告的审查由各专业教研室主持，每个学生的报告时间为1015分钟。开题通过后学生才能正式获得毕业设计（论文）的资格。 四、学生要充分理解毕业设计（论文）题目的内容和要求，在指导教师的指导下制定切实可行的工作计划，并且要具备进行毕业设计（论文）所要求的实验或实习（调研）条件。五、学生要按照指导教师所下达的毕业设计（论文）任务书的要求，认真进行文献资料的检索、搜集和查阅，并做好记录。 六、开题审查不合格的学生，必须在一周内重新进行开题。8摘 要设计的题目是数控平面磨床设计，主要用于加工磨削平面，使加工面达到要求的粗糙度。本设计包括机械部分设计和控制部分设计，机械部分设计主要包括：总体设计、砂轮架（磨头）设计、垂直进给机构设计、横向进给（工作台进给）机构设计、纵向进给机构设计。控制部分设计主要包括：硬件电路设计、液压系统控制、单片机控制。绪论部分对精密加工的作用和地位做了介绍，阐述了精密磨削技术的发展和背景，同时还有介绍其工艺特点及国内外磨削技术的现状。总体设计跟砂轮架设计做了简要的介绍，主要是对垂直进给机构、横向进给（工作台进给）机构设计、纵向进给机构设计做了详细的说明，对硬件电路也做出了研究。本设计的特点：所设计的数控平面磨床能通过电磁铁实现自动固定工件，并且能够实现自动磨削。关键词：精密，数控，平面磨床，垂直进给机构AbstractProject 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 录第1章 绪论 . 11.1 课题背景及实际意义.11.2 国内外研究状况.21.2.1 国外数控磨削的发展.21.2.2 国内数控磨削的发展.41.3 毕业设计任务与论文组成.51.4 本课题的研究方法.6第2章 数控平面磨床总体设计 .72.1 磨床简介 .72.2 主要结构及其说明.92.3 磨床技术规格.102.4 磨床总体布局设计.102.5 磨床总体传动设计.12第3章 砂轮架（磨头）设计.173.1 砂轮架设计 .173.2 砂轮架的结构特点.21第4章 垂直进给机构的设计 224.1 垂直进给机构的结构和特点.224.2 确定垂直进给机构方案.234.3 滚珠丝杆副介绍.244.4 滚珠丝杠的设计计算.274.5 垂直进给电机的功率计算.28第5章 横向进给（工作台进给）机构的设计.295.1 横向进给机构的结构和特点.295.2 确定横向进给机构方案.305.3 液压系统介绍.315.4 液压缸的设计计算.32第6章 纵向进给机构设计.366.1 纵向进给机构的结构和特点.366.2 确定纵向进给机构方案.376.3 滚珠丝杠的设计计算.386.4 纵向进给电机的功率计算.39第7章 控制系统设计 407.1 控制器的选择.407.2 流程图.417.3 硬件电路的设计.41第8章 总结.45致谢.46参考文献.47附 录.48IV第1章 绪论1.1 课题背景及实际意义现代工业生产中，中、小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通机床已经越来越难以适应现代化生产的要求，而数控机床具有高精度、高效率、一机多用，可以完成复杂型面加工的特点，特别是计算机技术的迅猛发展并广泛应用于数控系统中，数控装置的主要功能几乎全由软件来实现，硬件几乎能通用，从而使其更具加工柔性，功能更加强大。制造业的竟争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竟争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竟争，将面临知识技术产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强。因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竟争和生存、发展的主要手段。计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的数控机床在生产机床中所占比例将越来越多。数控平面磨床是一种效率高、精度高的数控加工机床，它比普通磨床有很多优势，具体实际应用意义有以下几点：1.大大提高生产效率。数控平面磨床即可实现加工的自动化效率可比传统平面磨床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。2.数控平面磨床在机械制造中作用和地位提高。随着磨削技术的发展，数控平面磨床的应用日益扩大，在工业发达国家磨床占机床总数的40%，在轴承制造业中多达60%，因此磨削技术在机械制造业中占重要地位，而数控平面磨床由于磨削精度高、效率高很适应工程材料不断发展的需要。3.性能稳定可靠。目前数控技术得到了突飞猛进，为数控平面磨床提供了可靠的数控技术保障，因此数控平面磨床的设计有适应和应用新技术的意义。1.2 国内外研究状况平面磨床相对于车床、铣床等采用数控系统较晚，因为它对数控系统的特殊要求。近十几年来，借助CNC技术，磨床上砂轮的连续修整，自动补偿，自动交换砂轮，多工作台，自动传送和装夹工件等操作功能得以实现，数控技术在平面磨床上逐步普及。在近年汉诺威、东京、芝加哥、及国内等大型机床展览会上，CNC磨床在整个磨床展品中已占大多数，如德国BLOHM公司，ELB公司等著名磨床制造厂已经不再生产普通磨床，日本的冈本、日兴等公司也成批生产全功能CNC平磨，在开发高档数控平磨的同时，积极发展中、低档数控平磨。 1.2.1 国外数控磨削的发展前几年德国ELB公司生产的BRILLIANT系列二坐标CNC成型磨床，其垂直和横向为数控轴，纵向为液压控制，砂轮修整采用安装在工作台上的金刚石滚轮，适用范围较广；SUPER-BRILLIANT系列是三坐标CNC平面和成型磨床，床身用天然花岗岩制成，几何精度极高，导轨用直线滚动导轨，机械驱动无反冲，从而保证工件有较好的表面光洁度；BRILLIANT-FUTURE为以上二个系列的改进产品，床身用人造花岗岩制作，纵向用静压导轨，齿形带传动，垂直和横向导轨为预加荷直线滚动导轨，滚珠丝杠传动，三轴CNC控制AC伺服电机，0.5m的测量分辩率。同时ELB公司开发了具有当代最新技术的磨床产品，即以机电一体化和计算机技术为基础的CAM-MASTER系列柔性磨加工单元，CAD-MASTER系列和COMPACT-MASTER系列磨削加工中心，控制轴最多可达到24轴，另外由于全面推行模块化设计，使专用磨床制造周期缩短，ELB公司还开发了多种高效专用磨床，如SFVG100/2专用磨床，具有可倾斜磨头，连续修整，缓进给，斜切入磨削功能，用十一根CNC控制轴，如同一台磨加工中心。英国JONES%26amp;SHIPMAN公司与美国A-B公司开发了A-B8600数控系统用于FORMAT5型数控平磨，由CNC控制液压阀，驱动纵向可调速运动，横向与磨头进给用滚珠丝杠副，直流伺服电机驱动，间断式砂轮修整，CRT图形模拟显示。同时还可以配用其他型号的数控系统，以满足不同用户的要求。目前，随半导体集成度的不断提高，新推出的系统在外型上越来越小，结构上越来越紧凑，功能上增加了远程通讯，远程诊断，多机联网等等；操作界面向WINDOWS系统*近，增加鼠标，摇控器等操作件。FANUC公司今年主要推出18I、16I、20I、21I系统，SIEMENS是840D、810D、802D均为结构紧凑型系统。还有一些厂商如：台湾精密机械研究发展中心开发的PA8000NT系列CNC控制器，就使用了WINDOWS NC操作系统，和NT即时多工处理核心，单节程序处理速度达2000块/秒，单节预读处理数可达1000块，具有AART(预适应调节技术)及参数最佳化学习功能，可使跟随误差趋近于零，软件加工路径滤波器可降低切削过程中，因加速度变化过大所产生的机械共振，从而改善表面粗糙度；配用伺服灵活，具备+、-10V类比伺服界面，同时提供国际标准的SERCOS数字伺服通讯界面；PLC程序设计有梯形图、结构语句、功能块、指令码、流程图等五种语法，便于设计、沟通和维护；具有计算机远程通讯，即时远程维护功能；控制轴和主轴最多可扩展到64轴，I/O点可扩展到792/528点，采用奔腾处理器，高速PLC处理速度达到25K。世界上除有名的SIEMENS、FANUC等数控系统专业厂已经开发生产了许多适用于平面或成型磨削的系统外，一些平磨生产厂本身也积极开发了适用于其磨床的数控系统。主要有：西门子公司的SINUMERIK 840D系统，该系统具有二十多根伺服轴，坐标连续行程控制，手动数据输入或通过外部计算机输入，远程诊断，可随砂轮直径减小而变化行程，砂轮修整量自动补偿，滚珠丝杠间隙误差补偿等。西门子3G系统是专为磨削加工而开发的，装有用来人机对话的操作提示装置，在轴线倾斜时，也可进行直线和圆弧插补，在磨削中经常出现的运行循环，如主轴摆动，用外部信号中断执行程序，砂轮切入，砂轮修整等专用准备功能，编制固定循环程序。其不仅能使用外部测量装置(开关信号)，还能当连接上一个合适的测量头时能直接去控制装置与最终尺寸进行比较。美国ALLEY-BRANDLY公司生产的8400CNC、8600CNC数控系列，适用于车床、铣床和磨床，其8400CNC最多可控制6根伺服轴，任2轴可进行圆弧插补，任3轴可进行螺旋线插补，6轴直线插补。8600CNC系列最多能控制17个坐标，包括8个参与插补轴，8个位控制轴及1个主轴，具有图形显示，扩展分支程序，显示加工时间，高速程序校验，刀具寿命监测等功能。日本FANUC公司开发了OG高速高性能数控系统，其中O-GSG适用于平面磨床，可根据磨削零件不同形状，有四种不同的磨削方法，具有砂轮轴角度倾斜控制功能，荒磨、粗磨、精磨、无火花磨削一整套磨削循环，砂轮滚压修整后位置补偿功能，修整器相对于被修整轮法线方向控制功能，修整滚轮外缘圆弧半径补偿功能，砂轮形状图形显示功能及磨削参数显示等，系统最小设定单位0.1m，属“紧凑”型数控系统，价格较低。另外还有如德国ELB公司与大学联合研制的UNICON系统。日本大隈铁工所OSP5000G-G，OSP30-NF等自行开发的平面和成型磨削数控系统，其OSP5000G-G最多可控制9个坐标，其中6个坐标可联动，带12英寸彩显，人机对话编程，自动确定切削系数，可采用软盘输入，纳入FMS系统，最小脉冲当量、移动当量和检测当量均为0.1m，平磨上还采用了感应同步器全闭环方式。还有的平磨制造厂虽采用数控主机厂的系统，但自行开发软件，使用之更适合平面和成型磨削，如德国JUNG公司以西门子SINUMERIK 810为基础，采用该公司专用软件，用JUNG KONTUR编程语言对砂轮进行成型修整，并有图形辅助操作功能。日本冈本公司在FANUC公司数控系统硬件上，开发了OPL语言用于磨削加工，等等。当今直线电机、动平衡等技术、工艺的日益发展应有，又大大提高了机床的工效，适宜的测量技术应用对数控系统的开发利用，增强机床的电气自动控制功能如虎添翼。1.2.2 国内数控磨削的发展我国从80年代开始生产数控平面磨床，各开发厂家分别走过了自行研制，与大学及科研单位合作开发至直接引进成熟数控系统的发展道路。例如：杭州机床厂是一家具有五十年历史，专业生产平面磨床的制造厂，它从80年代中期开始生产数控平磨，先后开发生产了MGK7132卧轴矩台高精度平磨，MK7130系列普通数控平磨，MLK7140数控缓进给成型磨，MGK7120、MK7163、MK7150卧轴矩台数控平磨，MKY7760立轴数控双端面磨，MKY7660、MKY7650/101卧轴数控双端面磨，以及HZ-K1610，HZ-K2010，HZ-050 CNC，HZ-KD2010、HZ-K3015、HZ-K3020、HZ-K4020等专用数控龙门式平面与导轨磨床。数控系统的开发应用，有与大专院校及科研单位合作研制的单板机系统，也有自行开发的以单片机为主机的简易控制系统，及采用数控主机厂生产的成熟数控系统等。其生产的MGK7120高精度平磨，采用了日本FANUC公司的POWER MATE-D双轴数控系统，控制磨头进给，最小进给量0.1m，具有自动完成磨削循环功能。MKY7650/101全自动数控双端面磨床是与意大利VIOTTO公司技术合作产品，采用西门子SIMATIC S5-115U可编程控制器控制，CRT显示，机床的左、右磨头由二轴直流伺服电机驱动，机床能进行手动调整和自动磨削循环选择。配有意大利马尔波斯E9型测量系统，二个测量头，一个测量砂轮，将砂轮磨损量反馈给控制系统，进行砂轮补偿；另一个测量头测量磨削后的工件，并将测量结果输入控制系统，由伺服电机进行补偿进给；左、右磨头用VIOTTO光栅作位置测量控制，实现了整机从工件上料到磨削完毕的全闭环和全自动加工。HZ-050CNC数控直线滚动导轨专用磨床，是为上海市科技结合生产重点工业项目第三次科技攻关项目而开发的专用磨床。既具有平面磨削功能又有成型磨削功能，它采用了美国A-B公司生产的8400MP数控系统，机床有7根数控轴，X、Y、Z三根磨头进给轴和U、V、W三根砂轮修整轴由系统直接控制，另一轴Q为卧式砂轮横向进给(磨削平面用)通过SLC可编程控制器加IMC定位模块，由系统I/O口输入8400MP主机，控制其位置，具有在磨削中连续修整砂轮或间隙式砂轮修整补偿进给等自动加工能力。HZ-KD2010六轴数控龙门式双磨头平面磨床，采用FANUC-0MC数控系统，用四根CNC轴分别控制两个磨头的横向和垂直进给，用一根PMC轴控制周边磨头的砂轮修整器金刚笔进给，另一根PMC轴控制万能磨头的分度旋转。充分利用了系统性能，降低生产成本，提高了机床的性价比。1.3 毕业设计任务与论文组成任务内容：要求设计的数控平面磨床能够实现工件的自动夹紧及磨削。主要参数：最大磨削尺寸7001600675 mm，工作台速度3-25 m/min，磨头横向进给速度0.15-3.75 m/min，磨头垂直给速度 0.05-3.75 m/min，砂轮线速度35 m/s，最大砂轮尺寸 (外径宽内径)50075203 mm，最大磨削力150N，磨削精度-55 。工作量：本题目主要完成机械结构设计、传动机构设计和电控系统设计。(1) 数控平面磨床总成图 1张 0# (2) 液压缸部装图 1张 1# (3) 液压系统原理图 1张1#(4) 电气控制系统原理图 1张1#(5) 程序流程图及程序 1张1#(6) 零件图 2张2#(7) 撰写15000字毕业设计（论文）一份；(8) 完成不少于2000个单词的外文资料译文一份。本文由绪论、总体设计、砂轮架（磨头）设计、垂直进给机构设计、横向进给（工作台进给）机构设计、纵向进给机构设计、数控硬件设计、总结和致谢等几个部分组成。1.4 本课题的研究方法所设计的数控平面磨床主要包括机械部分，控制部分。机械部分设计主要包括：总体设计、砂轮架（磨头）设计、垂直进给机构设计、横向进给（工作台进给）机构设计、纵向进给机构设计。控制部分设计主要包括：硬件电路设计、液压系统控制、单片机控制。将丝杆由步进电机带动。电机和液压系统中的电磁换向阀由单片机控制，最终实现磨床的自动控制。机械结构简图如图1-1： 图 1-1 机械机构简图第2章 数控平面磨床总体设计2.1 磨床简介(1) 工件的装夹 在平面磨床上，采用电磁吸盘工作台吸住工件。电磁吸盘工作台的工作原理是当线圈中通过直流电时，芯体被磁化，磁力线经过盖板-工件-盖板-吸盘体而闭合，工件被吸住。电磁吸盘工作台的绝磁层有铅、铜或巴合金等非磁性材料制成、它的作用是使绝大部分磁力线都通过工件。结构如图2-1。图2-1 电磁吸盘的原理结构图当磨削键、垫圈、薄壁套等小的零件时，由于工件于工作台接触面积小，吸力弱、容易被磨削力弹出造成事故，所以装夹这类工件时，需要工件四周或左右两端用挡铁围住，以防工件移动。小工件装夹如图2-1。图2-2 装夹工件(2) 磨削的方法图2-3 平面磨削方法 横向磨削法横向磨削法如图2-3a所示。这种磨削法是当工作台每次纵向行程终了时，磨头作一次横向进给。等到工件表面上第一层金属磨削完毕，砂轮按预选磨削深度作一次垂直进给，接着照上述过程逐层磨削，直至把全部余量磨去，使工件达到所需尺寸。粗磨时，应选较大垂直进给量和横向进给量，精磨时则两者均应选较小值。这种方法适用于磨削宽长工件，也适用于相同小件按序排列集合磨削。深度磨削法深度磨削法如图2-3b所示。这种磨削法的纵向进给量较小，砂轮只作两次垂直进给，第一次垂直进给量等于全部粗磨余量，当工作台纵向行程终了时将砂轮横向移动3445的砂轮宽度，直到将工件整个表面的粗磨余量磨完为止。第二次垂直进给量等于精磨余量。其磨削过程与横向磨削法相同。这种方法由于垂直进给次数少，生产率较高，且加工质量也有保证。但磨削抗力大，仅适用在动力大、刚性好的磨床上磨较大的工件。阶梯磨削法如图2-3c所示，阶梯磨削法是按工件余量的大小，将砂轮修整成阶梯形，使其在一次垂直进给中磨去全部余量。用于粗磨的各阶梯宽度和磨削深度都应相同，而其精磨阶梯的宽度则应大于砂轮宽度的12，磨削深度等于精磨余量(0.030.05mm)。磨削时横向进给量应小些。由于磨削用量分配在各段阶梯的轮面上，各段轮面的磨粒受力均匀，磨损也均匀，能较多地发挥砂轮的磨削性能。但砂轮修整工作较为麻烦应用上受到一定限制。2.2 主要结构及其说明主要结构包含：立柱、砂轮箱托架、砂轮箱、工作台、床身，如图：2-4。 图 2-4 结构简图(1) 立柱立柱主要作用在于支撑砂轮箱托架，并起到砂轮箱移动导向作用。立柱采用空心结构，不仅能节省材料，且能保证刚度要求。(2) 砂轮箱托架 砂轮箱托架作用在于托起砂轮，并对砂轮移动起导向作用，提供砂轮移动所需步进电机的安装平台。(3) 砂轮箱 砂轮箱里面安装砂轮，以及砂轮主轴，异步电机，防护罩等装置。它的作用是直接加工磨削工件。 (4) 工作台 工作台上面可以固定安装电磁吸盘，并起到回收冷却液并回流至水箱的作用。(5) 床身床身支撑工作台，并为工作台的移动起导向作用，为液压缸提供安装平台。2.3 磨床技术规格最大磨削尺寸7001600675 mm，工作台速度3-25 m/min，磨头横向进给速度0.15-3.75 m/min，磨头垂直给速度 0.05-3.75 m/min，砂轮线速度35 m/s，最大砂轮尺寸 (外径宽内径)50075203 mm，最大磨削力150N，磨削精度-55 。2.4 磨床总体布局设计该磨床的总体设计包括：系统设计(包含数控装置的功能设计、元件和部件设计,程序段格式设计及系统的总体设计)；逻辑设计(包含运算器设计、控制器设计及电路设计)；机床主机的结构设计。本次设计主要对总体结构进行设计。数控机床的功能设计和普通机床有着很大的差别。对数控机床的结构设计要求可归纳为如下几个方面：具有很大的饿切削功率、高的静、动态刚度和良好的抗振性能；具有较高大的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；具有实现辅助操作自动化的结构部件。(1) 提高机床的结构刚度的设计机床的刚度是指切削力和其它力作用下抵抗变形的能力，该磨床要求具有高的静刚度和动刚度。机床在切削过程当中，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重；承受的动态力有砌学力、驱动力、加减速器时引起的惯性力、摩擦阻力等。组成机床的结构部件在这些力作用下将产生变形，从而导致工件的加工误差。为了使机床达到高大结构刚度，获得符合要求的工件，进行如下结构设计：构件的结构形式的选择a. 选择截面的形状和尺寸由于形状相同的截面，当保持相同的截面积时，应减小臂厚，加大截面的轮廓尺寸，所以该机床的立柱、床身等支撑件做成型腔。圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度比方形截面小，所以立柱、床身等承受弯曲载荷的部件做成方形，而象主轴等承受扭转载荷的零件做成圆形。由于封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多，因此该磨床采用封闭式床身。由于臂上开孔将使刚度下降，所开孔部部件对刚度要求又很高，就在孔的周边加上凸缘，以使抗弯刚度得到恢复。b. 隔板和筋条的布置合理布置支承件的隔板和筋条，可提高构件的静、动刚度，磨床采用叉筋板的支承件，立柱内部就是布置了交叉的筋条。c. 构件的局部刚度磨床的导轨和支承件的连接部件，往往是局部刚度最弱的部分，但是联接方式对局部刚度影响很大。在本次设计中，由于Z轴导轨较宽，故采用双臂联接形式；X、Y轴导轨较窄，采用单臂联接，但在单臂上增加垂直筋条以提高局部刚度。结构布局的设计三坐标数控磨床设计的主轴中心位于立柱的对称面内，主轴箱的自重不再引起立柱的变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲变形和扭转变形均大为减小，这相当于提高了机床的刚度。另在立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力，以减小立柱的变形。(2) 提高机床的抗振性的措施机床在加工时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性就是抵抗这两种振动的能力。改善和提高抗振性应从以下几个方面着手：减少机床的内部振源机床高速旋转主轴、带轮均应进行平衡；装配在一起的旋转部件，应该保证同轴，并且消除传动间隙，采用平衡装置和降低往复运动件的重量，以减小可能的激振力，装在机床上的电机需隔振安装。提高静态刚度提高静态刚度可以提高构件或系统的谐振频率，从而避免发生共振。但为了提高情态刚度而引起的构件质量的增加，会使共振频率发生骗移，这是不利的。因此，在结构设计时应强调提高单位质量的个刚度。增加构件和结构的阻尼该磨床对滚动轴承适当预紧以增大阻尼，将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。以减少振动。(3) 提高机床灵敏度该三坐标数控磨床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部分采用贴塑滑动导轨，以减少摩擦力使其在低速时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动采用支流伺服电机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了运动精度和运动平稳性。2.5 磨床总体传动设计(1) 主传动系统的设计要求数控机床的主传动系统除应满足普通机床的主传动要求外,还提出如下要求:具有更大的调速范围,并实现无级调速。数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，工序集中工件一次装夹，可完成许多工序，所以，为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。良好的抗震性和热稳定性。数控机床一般即要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平稳以及切削过程中的自振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗震性。抗震性用动刚度或动柔度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度，阻尼比及固有频率等参数。机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件有较高的热稳定性，通过保持合适的配合精度，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。(2) 主轴组件设计对主轴组件的性能要求主轴组件是机床主要部件之一。它的性能对整机的性能有很大的影响。主轴直接承受切削力，转速又很大，所以对主轴组件的主要性能特提出如下要求：a.旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部件的定心表面（如该次设计的数控磨床主轴轴端的定心短锥采用7：24锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体、孔等的制造，装配和调整精度。工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。b.刚度 主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力。影响刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支撑的跨距和主轴的前悬伸，传动件的布置方式等。数控机床即要完成粗加工，又要完成精加工，因此对其主轴组件的刚度应提出更高的要求。c.温升 将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。因此，对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等。d.可靠性 数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性，可喜的地方是这方面的研究正在发展。e.精度保持性 对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。以上这些要求，有的还是矛盾的。例如高刚度与高速，高速与低升温，高速与高精度等。这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度机床时，主轴应满足高刚度低温升的要求。主轴组件的组成和轴承选型a.主轴组件 包括主轴、轴承、传动件和相应的紧固件。主轴组件的构造，主要是支撑部分的构造。主轴端部是标准的；传动件如联轴器与一般机械零件相同。因此，研究主轴组件，主要是研究主轴的支撑部分。b.主轴的传动件 可以位于前后支撑之间，也可位于后支撑之后的主轴后悬伸端。目前传动件位于后悬伸端的越来越多。这样做，可以实现分离传动和模块化设计。主轴组件（称为主轴单元）还可以作成独立的功能部件，又有专门的工厂集中生产，作为商品出售。主轴可用联轴器联结。c.主轴轴承 选深沟球轴承。这种轴承即可承受轻微径向载荷，又可承受轴向载荷。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常采用多联组配的办法。运转时，轴承的外圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀将使过盈减少，于是，可以补偿一部分径向膨胀。基于上述分析，主轴受到弯矩，又属高速运转，因此主轴轴承必须采用多件组配。本机床支撑采用2个6208轴承。d.轴承的间隙调整和预紧主轴轴承的内部间隙，必须能够调整，多数轴承还应在过盈状态下工作，使滚动体和导轨之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧。轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支撑主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚导体与滚道接触。预紧后，滚导体和滚道都有一定的变形，参加工作的滚动体将增多，各滚动体的受力将更加均匀。这些都有利提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支撑，可以提高抗震性。但是，预紧后发热较多，温升较高；且较大的预紧将使寿命下降，故预紧要适量。e.承载能力和寿命主轴轴承通常载荷相对较轻。除了这些特殊重载主轴外轴承的承载能力是没有问题的。主轴轴承的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是由于磨损而降低精度。通常，如轴承精度为级，经使用磨损后跳动精度降为级，这个轴承就认为应该更换了。虽然还未达到其疲劳寿命，但这种“精度寿命”目前还难以估计。主轴组件的技术要求主轴与轴承相配合的技术要求直径公差和形位公差。为了得到主轴组件高的回转精度，除保证主轴及其相关零件高的加工精度及采用精密主轴轴承外，还应进行定向装配。主轴组件的动态特性a.平移 主轴作为一个刚体（实际上略有弯曲），在弹性支撑上作平移振动，主轴各点的振动方向一致。b.摇摆 主轴在弹性支座上摇摆，左右振动方向相反。c.弯曲 主轴本身作弯曲振动，主轴中间与两端的振动方向相反，有两个节点。这两个节点位于支撑点附近。每个振型都有其固有频率。每个振型固有频率排列的次序，称为阶。上述三个振型的固有频率，以平移振型为最低，弯曲振型为最高，三个振型分别为第一、二、三振型，振型和固有频率合成为模态。可以看出，第一、二阶模态的弹性环节主要是轴承；第三阶则主要是轴承。当轴的刚度提高时，第一、二阶模态的固有频率也随之提高，但第三阶模态提高不多。主轴是一个连续体，又无穷个模态。例如还有主轴的扭矩振动、纵向振动等。但是，这些模态的固有频率较高，工作是不可能发生共振，所以，只需研究最低几阶模态，可用有限元法或传递矩阵法，借助计算机计算。通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴，特别是带内装式电动机高速主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共振。改善动态特性，可采取下列措施。首先使主轴组件的固有频率避开激振力频率。通常使固有频率高于激振频率的30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚体振动的第一阶（平移）和第二阶（摇摆）模态，则应提高轴承的刚度。如果属于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。其次增大比尼。如前所述，降低模态，常是主轴的刚度振动。这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗震性影响很大。如果要求得到很大。如果要求得到很光的加工表面，滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减小，故选择预紧时还因考虑阻尼因素。最后采用消振装置。主轴轴承的润滑滚动轴承在接触区的压强很高，在这么高的压强下，接触区产生变形，是一块小面积的接触而不是一条线或一个点的接触：润滑剂在高压下被压缩，粘度升高了。因此，才能在滚动体与滚道的接触区，形成一个厚度的油膜，把两者隔开，滚道体与滚道的接触面积很小，所以，滚动轴承所需的润滑剂很少的。当然，也可用脂润滑，还有用油气润滑的。a.脂润滑滚动轴承能用脂润滑是它的突出优点之一。脂润滑不需要供油管路和系统，没有漏油问题。如果脂的选择合适、清洁、密封良好，不是灰尘、油、切削液等进入，寿命是很长的。一次冲填可用到大修，不许补充，也不要加脂孔。脂润滑可选用锂基脂，如SKFLGLT2号（常用于球轴承）。b.油气润滑如果dmn值较大时，还需对轴承进行冷却。如果用油兼作润滑和冷却，则由于油的搅拌作用，温升反而会增加。最好用油润滑，用空气冷却。油雾润滑需能达到这个目的，但是易污染环境。比较好的方法是油气润滑。在吹向轴承的空气中定期地注入油，油并不雾化，用后可回收，不污染环境。油用于润滑。(3) 选择主轴电机主轴转速设计该数控磨床的磨头选择为圆柱头磨头。设计切削速度=35m/s 刀具直径D=500mm=(m/s) （2-1）式中：-砂轮外圆线速度，m/s -砂轮直径，mm -砂轮转速，r/s由（2-1）导出：=22.293r/s=1337.6r/min (2-2)主轴转速：=1337.6r/min (2-3)电机转速 =1337.6r/min (2-4) 查机械设计手册，所以选电机的转速no=1440r/min电机功率选择= = （2-5）式中： P-砂轮电机实际输出功率,Km -电机到砂轮的传动效率;-砂轮线速度， m/s=0.99=0.97 （2-6）由（2-5）得： P=5.41Kw (2-7)查机械设计手册，选定电机功率为5.5Kw综上所述，选择三相异步电机Y132S-4 第3章 砂轮架（磨头）设计3.1 砂轮架设计(1) 砂轮机构的设计计算砂轮的选用砂轮采用标准件，根据需要，选用金刚砂砂轮，其尺寸参数为：外径=500mm、内径=203mm、厚度h=75mm，在加工过程中砂轮参数为：转速n=1440r/min，移动行程s=700mm， 磨削进给量为0.005mm。砂轮采用压板固定，另一端与有齿牙的轴套咬合。砂轮轴的设计其外形及各部分尺寸图如图2-5所示：图2-5 砂轮轴外形尺寸图如图2-5，轴的左侧直接与电动机通过联轴器相连，标注尺寸为100mm的轴段，它上面通过键与砂轮轴套相连，轴套上面固定砂轮。轴套设计其外形及各部分尺寸图如图2-6所示：图2-6 轴套外形及重要尺寸(2) 砂轮架设计的基本要求砂轮架是磨床上用来带动砂轮作高速旋转的关键部件，主要由传动部件和主轴轴承部分组成，主轴与轴承是砂轮架的主要组成部分，因此对砂轮架设计提出的基本要求也是针对主轴轴承部分的。砂轮架设计应满足以下几点基本要求：a.主轴旋转精度高，旋转稳定；b.主轴轴承系统刚性好；c.振动小，发热低，不漏油；d.装配制造简单，调整维修方便。(3) 主轴旋转精度及其提高措施砂轮架旋转精度是指主轴前端的径向跳动和轴向蹿动大小，它直接影响工件的表面粗糙度和表面缺陷。一般平面磨床砂轮架允许的径向和轴向跳动允许误差取-5m5m。提高主轴旋转精度的措施a.选择合适的主轴轴承；b.提高主轴的加工精度；c.正确选择主轴轴向止推方式。(4) 主轴轴承系统的刚性主轴轴承系统的刚性是指在磨削力或传动力作用下，主轴轴承抵抗变形的能力。通常以主轴前端的挠度来度量。过低的刚性会降低磨削生产率、加工精度和工件表面的粗糙度，引起直波形和螺旋线缺陷。(5) 砂轮架主轴初步设计进行轴的强度校核时，应根据轴的具体受载及应力情况采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。对砂轮架主轴来说，砂轮架主轴主要承受扭矩，应该按照扭转强度计算，且在选取许用应力时应该选取较小值。砂轮架主轴材料采用42MnVB，并进行淬火，故选取许用应力为40MP。轴的扭转强度条件为: （2-8）扭转切应力（单位为MP） 轴所受扭矩（单位为） 轴的扭转截面系数（单位为） 轴传递的功率（单位为KW） 轴的转速（单位为r/mm） 计算界面处的直径（单位为mm） 许用扭转应力（单位为r/mm）由上式可得轴的直径为 =13mm (2-9)由上述计算可以得知砂轮架最小直径为13mm，考虑到砂轮架的刚度等因素，取主轴的最小直径为20mm。砂轮架主轴的尺寸如图2-5所示。(6) 主轴刚度校核当量直径因为是阶梯轴，所以用当量直径法作近似计算当量直径为： L=75+56+44+100+30=305mmd=34.56mm （2-10）允许挠度允许挠度y=0.0002L 0.0002305=0.061mm计算主轴前端挠度值 （2-11）载荷（单位为公斤）（150/9.8） 轴两端的跨距（单位为厘米）（30.5） 悬伸长度（单位为厘米）（5.5） 材料的弹性模数（单位为公斤/平方厘米）（21.02） 截面惯性矩（平方厘米） = 0.001cm = 0.01mm （2-12）又因为y=0.135，0.010.135，即 y，由上述校核可以得知，主轴刚度符合要求。一般存在一个使主轴前端挠度最小，即刚性最好的支承跨距L。由经验得知，L为（36）D时，主轴前端挠度最小，D=120mm，L为150300mm，取L为320mm。3.2 砂轮架的结构特点砂轮架结构简图如图2-7：图 2-7 砂轮架简图第4章 垂直进给机构的设计4.1 垂直进给机构的结构和特点垂直进给系统采用了滚珠丝杠副传动，其结构如图4-1：数控机床进给系统的特点可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应要快；系统的稳定性要好。（1） 稳定性所谓的稳定的系统，即系统在输入量的改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在新的或原有的平衡状态下。它是伺服系统能够进行正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性和相对稳定性。进给系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系统增益都有关系。适当选择系统的机械参数（主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等）和电气参数，并使它们达到最佳区配，是进给系统的设计的目标之一。（2）精度所谓进给系统的精度是指系统的输出量复线输入量的精确程度，即准确性。它包含动态误差， 即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差及干扰误差。常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。精度用误差来表示，定位误差是工作台由一点到另一点时，指令值与实际 图 4-1 结构简图移动距离的最大差值。重复定位误差是指工作台进行一次循环动作之后，回到初始位置的偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标连动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂，采用数字调节技术可以提高驱动系统的精度。（3）快速响应特性所谓的快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统的不稳定。因此，应适当选择快速响应特性。4.2 确定垂直进给机构方案(1) 进给系统的设计要求机床的位置调节对进给系统提出很高的要求。其中在静态设计方面有：能够克服摩擦力和负载：a.很小的进给位移量；b.高的静态扭转刚度；c.足够的调速范围；进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象；在动态设计方面的要求有：a.具有足够的加速和制动转矩，以便完成启动制动过程；b.具有良好的动态传递性能以保证在获得高的轨迹精度和满意的表面质量；c.负载引起的轨迹误差尽可能的小；机械传动部件的设计要求有：a.被加速的运动部件具有小的惯量；b.高的刚度；c.良好的阻尼；d.传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙方面尽可能小的非线性；为了满足以上要求，本设计采用滚珠丝杆副进给系统。将丝杆与步进电机直接相连，螺母机构与砂轮箱托架直接相连。4.3 滚珠丝杆副介绍滚珠丝杠螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置。它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。(1) 组成及工作原理：图 4-2 滚珠丝杠螺母副的结构原理图组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。工作原理：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。(2) 特点：传动效率高：机械效率可高达92%98%。摩擦力小：主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。轴向间隙可消除：也是由于滚珠的作用，提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。使用寿命长、制造成本高：主要采用优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。(3) 滚珠丝杆螺母副的消隙双螺母垫片调隙：图 4-3双螺母垫片调隙修磨垫片厚度消隙滚珠丝杆螺母副采用双螺母结构（类似于齿轮副中的双薄片齿轮结构）。通过改变垫片的厚度使螺母产生轴向位移，从而使两个螺母分别与丝杆的两侧面贴合。当工作台反向时，由于消除了侧隙，工作台会跟随CNC的运动指令反向而不会出现滞后。用锁紧螺母消隙： 图 4-4用锁紧螺母消隙图4-4为利用两个锁紧螺母调整预紧力的结构。两个工作螺母以平键与外套相联，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。当两个锁紧螺母转动时，正是由于平键限制了工作螺母的转动，才使得带外螺纹的工作螺母能相对于锁紧螺母轴向移动。间隙调整好后，对拧两锁紧螺母即可。结构紧凑，工作可靠，应用较广。双螺母齿差调隙：图 4-5 差齿式调整法两个工作