正文_精密数控磨床的总体设计

毕业设计（论文） 精密数控磨床的总体设计摘要本课题是集机，电，液一体化的高科技项目，所要解决的关键问题是主轴箱上两个同轴轴承孔的超精密加工。此磨床的加工方式采用切入式磨削方式，工件安装在回转工作台上，随工作台回转，同时砂轮回转，砂轮的径向进给靠回转工作台沿X方向位移实现，上面的轴承孔及上端面加工好后，用同一砂轮加工下面的轴承孔及下端面，工件一次安装，以保证精度。总体布局为立式磨床，主要分为磨头部分、回转工作台、床身、垂直立柱、拖板以及测量机构。总体传动方案为：由外置步进电机驱动齿轮，然后通过齿轮传动带动滚珠丝杠，整个磨头装置通过滚珠丝杠进行Z轴方向上的移动，磨头的旋转则通过另一个外置电机来驱动，回转工作台的驱动则通过外置电机驱动皮带轮，由皮带轮的传动来使回转工作台的旋转，拖板的驱动则由步进电机控制。同时，磨床的设计中运用了数控技术，现代测试手段，微量进给软件补偿技术，从而使精密机械设计达到所要求的精度。关键字：加工精度，设计方案，分配，参数General Design of Precise Numerical Control Grinding MachineAbstractThis topic is to gather the machine, electricity, the high-tech item that the liquid integral whole turn, the key problem for to solve is the principal axis box is previous two to process with the super nicety of the stalk bearings bore. This grinding machine processes the way adoption correspond type to whet to pare the way, the work piece install at turn round the work on the stage, turn round with the work pedestal, the emery wheel turns round at the same time, the path of the emery wheel to enter to depend turn round the work pedestal to follow the X direction moves the realization, top of bearings bore and top end face process good after, process with same emery wheel underneath of bearings bore and under carry the noodles, the work piece install once, with guarantee the accuracy. Total layout for the sign type grinding machine, mainly is divided in to whet the head cent and turn round the work set, bed body, perpendicularity to sign the pillar and drag along the plank and measure the organization. Total spread to move project is: From outside place to tread into the electrical engineering to drive the wheel gear, then spread to move to arouse to roll the bead silk through a wheel gear, whole whet a device to pass to roll the bead silk to carry on the Z stalk the square heading up of ambulation, whet the head to revolve to then pass another outside place the electrical engineering to drive, turn round the work pedestal to drive then through an outside place the electrical engineering to drive the leather belt round, from the leather belt round spread to move to make the turn-over work pedestal revolve, drag along the knothole to drive then from tread into the electrical engineering to control. At the same time, made use of number to control the technique in the design of the grinding machine, modern test means, enter to compensate technique for software little by little, thus make precise machine the design attains the accuracy request.Key Words: Accuracy of Process，Project Design，Allotment，Parameter精密数控磨床的总体设计0 引言回顾即将过去的20世纪，人类取得的每一项重大科技成果，无不与制造技术，尤其与超精密加工技术密切相关。在某种意义上，超精密加工担负着支持最新科学发现和发明的重要使命。超精密加工技术在航天运载工具、武器研制、卫星研制中有着极其重要的作用。有人对海湾战争中美国及盟国武器系统与超精密加工技术的关系做了研究，发现其中在间谍卫星、超视距空对空攻击能力、精确制导的对地攻击能力、夜战能力和电子对抗技术方面，与超精密加工技术有密切的关系。可以说，没有高水平的超精密加工技术，就不会有真正强大的国防。超精密磨床要求其数控系统具有高编程分辨率（1nm）和快速插补功能（插补周期0.1ms）。基于PC机和数字信号处理芯片（DSP）的主从式硬件结构是超精密数控的潮流，如美国的NAN OPATH和PRECITECHS ULTRAPATH TM都采用了这一结构。数控系统的硬件运动控制模块（PM AC）开发应用越来越广泛，使此类数控系统的可靠性和可重构性得到提高。我国国防科技大学研制开发的YH1型数控系统采用ASW824工业一体化PC工作站为主机，用ADSP2181信号处理器模块构成高速下位伺服控制器。模块化、构件化是超精密磨床进入市场的重要技术手段，如美国ANORAD公司生产各种主轴、导轨和转台，用户可根据各自的需要组成一维、两维和多维超精密运动控制平台和磨床。研制超精密磨床时，布局就显得非常关键。超精密磨床往往与传统磨床在结构布局上有很大差别，流行的布局方式是“T”型布局，这种布局使磨床整体刚度较高，控制也相对容易，如Pneumo公司生产的大部分超精密磨床都采用这一布局。模块化使磨床布局更加灵活多变，如日本超硅晶体研究株式会社研制的超精密磨床，用于磨削超大硅晶片,采用三角菱形五面体结构，用于提高刚度；德国蔡司公司研制了4轴精密磨床AS100，用于加工自由形式表面，该磨床除了X、Z和C轴外，附加了A轴，用于加工自由表面时控制砂轮的磨削点。此外，一些超精密加工磨床是针对特殊零件而设计的，如大型高精度天文望远镜采用应力变形盘加工，一些非球面镜的研抛加工采用计算机控制光学表面成形技术（CCOS）加工，这些磨床都具有和通用磨床完全不同的结构。由此可见，超精密磨床的结构有其鲜明的个性，需要特殊的设计考虑和设计手段。为保证超精密磨床有足够的定位精度和跟踪精度，数控系统必须采用全闭环结构，高精度运动检测是进行全闭环控制的必要条件。双频激光干涉仪具有高分辨率（如ZYGO AX10MTM 2/20分辨率为1.25nm）与高稳定性，测量范围大，适合作磨床运动线位移传感器使用。但是双频激光干涉仪对环境要求过于苛刻，使用和调整非常困难，使用不当会大大降低精度。根据我们的使用经验，德国Heidenhain公司生产的光栅尺更适合超精密磨床运动检测，如该公司LI P401,材料长度220mm，分辨率为2nm，采用Zerodur材料制成几乎达到零膨胀系数（0.1ppm/k），动静尺间隙为0.60.1mm，对环境要求低，安装和使用方便，如Nanoform2500和Opt imum2400超精密磨床都使用了Heidenhain光栅尺。在数控软件方面，开放性是一个发展方向。国外有关开放性数控系统的研究有欧共体的OS ACA、美国的OMAC和日本的OSEC。我国国防科技大学在此基础上提出了构件化多自由度运动控制软件，可根据磨床成形系统的布局任意组装软件，符合磨床模块化发展的方向。1 总体概述超精密加工机床设计与制造的关键与核心问题是保证超精密加工工艺和目标的实现。因此，超精密加工机床的设计和制造的基本原则和要求是：消除或减少机床上的热源和振源；提高机床的结构刚度和几何精度；减少机床的变形（含温度变形和力变形）对机床加工精度的影响等。为了实现这些基本原则和要求，超精密加工机床设计时，经常采取的一些原则措施有：（1）首先是尽量不用或少用摩擦发热量大的传动装置（如机械无级调速器），并把工作过程中发热量大的热源（如电机、冷却润滑油箱等）与机床本体结构分离或隔热，以避免热量传入机床本体引起机床结构的热变形。选用热胀系数和导热系数值低的材料作机床的重要零部件材料。与此同时也要尽量采用热物理特性相同或相近的材料来制造机床的构件和零部件。零部件的结构设计力求热对称，而且应考虑采取强迫的风冷或液体冷却并预留相应的冷却液循环流动通道。当冷却的尺寸范围在200mm1500mm时，风的流量应为（310）m/s或液体的通量为（110）L/s，从而可分别保持温度波动为0.05C和0.02C。对个别强热源处（如主轴轴承）所产生的热量，必要时可采用专门的热管带走。 （2）超精密加工机床不仅要考虑安装和工作在恒温室里，而且在极高精度要求的情况下，还应考虑控制机床工作在温度0.01C的油淋浴的恒温箱中，因此，机床的工作过程必须是完全自动或遥控的。（3）为了避免振动影响加工精度，除了机床必须安装在由空气支承、弹簧支承或其他有效的隔振器支承的地基上外，机床上的旋转运动件也要严格进行动平衡，残馀不平衡量应小于0.51g.mm。与此同时，为了消除和减少机床本身内部振源，要尽量采用运动平稳的传动系统，如非接触的气动和液体传动，禁止或避免采用带有冲击力的传动，如有间隙的换向机构等。通过振源振动频率的调整（如改变转速）或通过对机床工艺系统的质量（m）和弹簧刚度（k）等动力参数的选择使振源的振动频率与机床工艺系统的固有频率相互远离，避开共振区，减少振动对机床工作的影响。选用具有高内阻尼系数的材料，如天然大理石、人造大理石、陶瓷等或采用不清砂的双层壁铸铁件作为机床的结构件，以保证高度衰减内部产生和外部传来的振动，因为振动衰减的效果正比于阻尼系数（即衰减指数）。正常情况下，铸铁的衰减指数为0.0060.008，而天然大理石和人造大理石的衰减指数则分别为0.020.04和0.060.08；不清砂的双层壁铸件可以大大增加结构的内阻尼，因而可大大提高衰减振动的效果。（4）进给传动的设计主要要求是：保证能有效进行误差动态补偿的换向精度；可实现最小5m的脉冲位移；采用修正系统後具有2m的高定位精度。为此，可供选择的进给传动方式有以下几种：滚珠丝杠副。特点是刚度大，可实现的增量位移为100m（即0.1m）。摩擦传动。传动刚度为50N100N/m，拉力达100N，可实现的移动增量为5m。缺点是寿命低，不够灵敏。条（带）传动。仅适合在小型机床上用。压电和磁致伸缩传动。移动量可小于5m，但总的行程量很小，只有100200m，故多数情况下它是与其它传动方式（如滚珠丝杠副）组合使用。自定位静压丝杠副。特点是由于齿形角小（只有10），故刚度大（达100N1000N/m）和可实现微小的增量位移。缺点是保证油温和油压稳定的系统较复杂。电磁丝杠副传动。它是由涂有稀有材料的磁性混合物的丝杠与带有线圈的螺母相互作用来实现传动。可实现微小的增量位移，但刚度过低，只有10N/m。（5）导轨设计。导轨是超精密加工机床上保证实现精密微量进给的重要要素之一，虽有多种形式可供选择，但采用得最为广泛的是液体静压导轨和气浮导轨。前者的刚度可达6KN8KN/m，并能保证位移精度0.02m0.04m /400mm行程；後者的刚度为1KN2KN/m，当气膜厚度为4m8m时，也能保证与液体静压导轨一样的位移精度。液体静压和气浮导轨的直线性均可高达0.02m/100mm。（6）在总体布局设计上，超精密加工机床的结构应分成承载部分和计量部分。此时，机床所能实现的精度在很大程度上取决于测量系统的有效性。因此，一般采用像激光干涉仪这样的高精度、高分辨率的仪器作测量装置，并将其单独安装在气浮支承的计量支架上，而且不仅安装测量装置时要遵守阿贝原理，在更广义理解上，也要遵守阿贝原理。阿贝原理要求，测量轴要接近于刀尖，以便消除按杠杆原理放大误差的可能性。从这一立场出发，导轨和测量装置应位于同一水平面上，在机床的承载系统中要避开采用悬伸和刚度不恒定的构件。（7）在机床整体和各部件所完成的功能分配方面，在多数情况下，一台机床只实现一种加工方法，每个部件也只完成一个固定的功能运动。这样做的目的是简化机床结构和更易于根据精度指标进行优化，而无需采取妥协（折衷）的办法。这一点是与目前一般机床的设计发展趋势复合化，扩大工艺可能性是不一样的，或者说是正好相反的。（8）为了保证超精密加工的目标顺利实现，超精密加工机床设计必须考虑采用主动控制的隔振系统和在线的误差自动补偿技术。这是因为很难保证所要求的零件制造精度，同时也很难完全消除振动和热因素带来的负面影响。2 总体方案拟定磨床总体方案，包括以下三方面的内容：（1）调查分析；（2）工艺分析；（3）磨床总体布局。 2.1 调查分析调查分析主要包括：（1）对加工对象的了解；（2）对使用要求与制造条件的了解；（3）对同类及类同设备的了解。2.1.1 加工对象加工对象是主轴箱上两个同轴轴承孔，主要技术指标如图2.1所示：图2.1 加工零件的主要技术指标工件材料：孕育铸铁。2.1.2 使用要求与制造条件本课题所要解决的关键问题是主轴箱上两个同轴轴承孔的超精密加工。要求所加工的轴承孔的技术参数能达到：（1）圆柱度：0.002mm；（2）圆度：0.002mm；（3）平直度：0.002mm。磨床的制造运用数控技术，现代测试手段，微量进给软件补偿技术，从而使精密机械设计达到所要求的精度。2.1.3 同类及类同设备（1）宁波市北仑倍力精密机械有限公司的HM1860型内圆磨床主要技术参数：加工孔径范围：380mm最大孔长：250mm主轴转速：250-3000转/分 变频无级调速主机电机：1.5KW,5200Hz变频电机冲程长度：0160mm冲程速度：80400次/分 变频无极调速冲程电机：0.75KW主轴及冲程的停机制动：变频器电子制动油泵电机：0.12KW油箱容积：106升机床重量：620KG外形尺寸：110013901400（长宽高）电源：380V，50Hz，三相本机床特点：1.较大的加工范围（380mm）2.瑞士SKF主轴承，使加工工件圆度可达1m以内，直线度可达3m以内3.韩国产LG双变频器，调速，制动易匹配调整珩磨网纹4.韩国产直线滚动轴承，保证了高可靠性与稳定性5.法国施耐德电气，具有“手动”“自动”“时间”等尺寸控制功能6.国产机的价格，进口机的性能，性价比最高的卧式珩磨机（2）广州众舜机械五金有限公司的精密内圆磨床TK-614最大研磨长度：350mm最大研磨宽度：150mm工作台面积：365150mm工作台左右最大行程：382mm工作台前后最大行程：175mm砂轮轴心至工作台面距离（加长）：400（450）mm主轴马达（V3级）：1.5HP，1HP2P砂轮尺寸（外径宽度孔径）：1801331.75mm升降手轮进刀量：每转一圈1mm（0.04）每一刻度：0.005mm（0.0002）上下微调进刀量：每转一圈0.02mm（0.001）每一刻度：0.001mm（0.00004）前后手轮进刀量：每转一圈5mm（0.1）每一刻度：0.02mm（0.0005）前后微调进刀量：每转一圈0.1mm每一刻度：0.002mm机器尺寸（长宽高）m机器重量（约）：620kg其他类同机床可参阅有关资料。2.2 加工工艺方案工艺方法对磨床的结构和性能的影响很大，工艺方法的改变常导致磨床的运动、传动、布局、结构、经济效果等方面的一系列变化。常用的内孔加工方法主要有:切入式磨削、单油石磨削、多油石磨削。2.2.1 切入式磨削切入式磨削: 将磨头沿轴向进入工件被加工孔。一般数控加工机床是采用轴向加工方式，直接切入工件的表面。采取切入式磨削方式的加工工艺方案如图2.2所示。砂轮回转，工件安装在工作台上，在加工时回转。砂轮的径向进给（Fr）靠工作台沿X方向位移实现，上面的孔及上端面加工好后，砂轮通过在垂直方向上的移动，继续加工下面的孔及下端面。工件一次安装，以保证精度。图2.2 切入式磨削2.2.2 单油石磨削单油石磨削: 将1块油石沿轴向进入工件被加工孔。数控加工机床是采用轴向加工方式，油石与工件内孔相接触，通过数控系统控制磨削部件内孔表面的质量。采取单油石磨削的加工工艺方案如图2.3所示。油石并不回转，而是做往复直线运动，工件安装在工作台上，在加工时随工作台一起回转。油石的径向进给靠拖板的水平方向位移实现，以此来带动工作台上的工件，上面的孔及上端面加工好后，油石通过垂直方向上的移动，继续加工下面的孔及下端面。工件一次安装，以保证精度。图2.3 单油石磨削2.2.3 多油石磨削多油石磨削: 将位置对称的4块油石沿轴向进入工件被加工孔。一般数控加工机床是用轴向方式加工，油石与工件内孔相接触，通过数控系统控制磨削部件内孔表面的质量。采取多油石磨削的加工工艺方案如图2.4所示。油石回转，工件安装在工作台上，在加工时工件并不回转。油石的径向进给靠数控部件参数的设置来实现，通过往复振动来进行磨削，上面的孔及上端面加工好后，多油石装置通过垂直方向上的移动，继续加工下面的孔及下端面。工件一次安装，以保证精度。图2.4 多油石磨削2.2.4 加工工艺方案选定切入式磨削的特点是：排屑和散热相对比较容易，磨削液较易进入磨削区，适合加工小、中尺寸类型的零件，控制相对简单，加工得到的精度和表面粗糙度比较高。单油石磨削的特点是：排屑和散热相对比较容易，磨削液较易进入磨削区，适合加工中尺寸类型的零件，但是控制相对复杂，加工得到的精度和表面粗糙度一般，油石较易磨损。多油石磨削的特点是：内圆的加工条件相对比较苛刻，排屑、散热困难，磨削液不易进入磨削区，油石易磨损，控制比较复杂，加工高精度和表面粗糙度的孔比较困难，成本也高，适合加工大尺寸类型的零件。综上所述，多油石磨削的散热比较困难，容易引起热变形，一般用于加工大尺寸类型的零件，由于本课题所加工的零件属于中小尺寸，而且要求要求达到的精度比较苛刻，所以应避免排屑和散热较为困难的工艺，而且应该尽可能减少磨具本身由于磨损所带来的误差，所以多油石磨削并不适合本课题。相比另两个方案，切入式磨削与单油石磨削。一般单油石磨削的磨削量较大，由于本课题是精密加工，所以磨削量极小，所以并不十分合适。而且单油石磨削的控制相对比较复杂，由于控制复杂，执行元件也将增加，精度就更难以保证。所以本课题选择砂轮切入式磨削，砂轮与工件同向回转的加工方式。2.3 磨床运动的确定与分配磨床的传动系统是由加工工艺来决定的。确定磨床的运动时，应当在满足工作要求的前提下，尽可能减少运动数目，特别是减少要求高的运动数目（例如分度运动等），并尽可能简化运动装置和传动装置的结构，尽可能用一个执行件完成多个运动。2.3.1 磨头的运动分配磨头是加工零件的执行元件，其运动的形式有两种方案：（1）自身回转；（2）自身的回转和垂直方向上的直线移动。磨头是与加工零件直接接触的部件，加工零件的加工要求很大程度上取决于磨头自身的精度，所以磨头运动的复杂程度越小越好，而且应该尽可能减免磨头电动机所散发的热量，所以方案（2）并不适合本课题，而方案（1）中电动机所产生的热量可以用散热片得以解决。综上所述，本课题选择方案（1）。2.3.2 磨头主轴箱的运动分配 由于磨头采用自身回转的运动方式，根据加工工艺方案，所以磨头主轴箱就负责磨头垂直方向上的直线移动。2.3.3 回转工作台的运动分配根据加工工艺方案可知，回转工作台主要负责工件自身的回转，所以其运动的形式有两种方案：（1） 自身的回转；（2） 自身的回转和X方向上的直线移动。两者的区别在于是否有X方向（水平方向）上的直线移动，由于加工工件就安装在回转工作台上，鉴于加工要求，对回转工作台自身的误差要求就非常高，所以应该减少其运动数目以保证其精度，所以采用方案（1）。2.3.4 拖板的运动分配 由于回转工作台采用自身回转的运动方式，根据加工工艺方案，拖板的运动为X方向的直线移动。2.3.5 运动分配分析的结论确定磨床的运动分配如下：所有的运动由磨头、磨头主轴箱、回转工作台、拖板四个执行件来完成。磨头的运动是自身的回转，磨头主轴箱的运动是垂直方向上的直线移动，回转工作台的运动是自身的回转，拖板的运动是X方向（水平方向）上的直线移动。2.4 磨床的总体布局本项工作的基本要求：（1）保证刀具和工件间的相对位置和相对运动。（2）足够的刚性，抗振性。（3）便于操作、维修、排屑等。（4）材料消耗低，占地面积小。（5）造型美观。总体布局的具体内容：（1）运动分配时应考虑的结构因素（2）磨床传动形式的确定（3）磨床支承结构形式的确定2.4.1 结构因素（1）把运动分配给重量轻的执行件基于这一原则，考虑到磨头主轴箱的重量，需要对其进行平衡。如果没有平衡装置的话，在其上升阶段却需要相当大的拉力才能实现，这都是影响到加工要求的不良要素。所以在磨头主轴箱的另一端加以平衡，钢丝绳的一端与磨头主轴箱连接，而另一端吊以重物，重物的质量与磨头主轴箱的质量相当，这样磨头主轴箱的质量就被平衡，这样能使得精度等要求的保证。（2）提高加工精度提高精度的加工方法有以下两种：刀具回转、工具回转。由于本课题所要达到精度要求极高，另外超精度磨削的磨削量是十分小的，所以本课题采用刀具和工件同时回转，而且回转方向一致，以此来提高加工精度和减少磨削量。（3）减少占地面积 此因素取决于加工工艺方案以及磨床支承结构形式，请参照下文。2.4.2 磨床传动形式（1）磨头的驱动磨头的运动是自身的回转，所以磨头的驱动有三种可以采用的方案： 由内置电动机直接驱动； 由内置电动机通过皮带的传动来驱动； 通过外置电动机来直接驱动。 结合本课题的加工要求，经过研究（详情请参阅精密数控磨床的磨头设计相关部分），决定采用第种方案。（2）磨头主轴箱的驱动由于在立柱上安装的部件主要保证磨头主轴箱在垂直方向的上下移动、进给。故在垂直立柱进给系统设计中主要认为有如下两种可以采用的方案： 用步进电机、滚珠丝杠、直线导轨来带动磨头主轴箱在垂直方向上的移动，并且对于步进电机与滚珠丝杠的对心采用重心驱动原理。 用直线电机直接驱动来带动磨头主轴箱在垂直方向上的移动。结合本课题的加工要求，经过研究（详情请参阅精密数控磨床的垂直立柱进给系统设计相关部分），决定采用第种方案。（3）回转工作台的驱动回转工作台的运动是自身的回转，所以其驱动的方案有以下两种选择： 通过外置电机驱动带轮，通过带轮的传动来使回转工作台旋转。 通过内置电动机直接驱动回转工作台的旋转。结合本课题的加工要求，经过研究（详情请参阅精密数控磨床的回转工作台设计相关部分），决定采用第种方案。（4）拖板的驱动拖板通过步进电机来控制X方向上的移动，一般拖板系统的进给有以下两种方案： 用步进电机，滚珠丝杠，滚动直线导轨来驱动拖板实现粗进给，由压电陶瓷实现精进给。 用直线电动机驱动拖板来实现粗进给，由压电陶瓷实现精进给。结合本课题的加工要求，经过研究（详情请参阅精密数控磨床微量进给拖板系统设计相关部分），决定采用第种方案。2.4.3 磨床支承结构形式的确定机床支承结构形式如图2.5所示主要有以下几种：图2.5 机床支承结构形式根据本课题加工要求，为了避免不必要的精度损失，力求结构简单的机床，所以复合式、单臂式、龙门式机床暂不考虑。而卧式机床的占地面积相对较大，所以本课题采用立式机床。2.4.4 总体布局的确定综上所述，精密数控磨床总体布局如图2.6所示：总体上采用立式布局，立柱部分装有步进电动机，电动机与无间隙齿轮相结合，箱形立柱上装有滚珠丝杠、直线导轨，保证磨头主轴箱的上下运动，立柱内部与外部磨头主轴箱装置通过两根挂有与磨头主轴箱同等重量铁块的钢丝，为了与磨头装置自重保持平衡、回转工作台嵌在拖板中，砂轮休整器安装在回转工作台上，拖板安装在床身的导轨上，夹紧装置与测量装置安装在拖板上，工件安装在回转工作台上随工作台回转。图2.6 精密数控磨床的总体布局3 磨床主要技术参数的确定主要技术参数包括：（1）主参数：指磨床的加工范围；（2）基本参数： （a）尺寸参数主要结构尺寸； （b）运动参数执行件的运动速度； （c）动力参数一般指磨床电机功率。3.1 加工范围的确定加工孔径范围：145200mm最大孔长：250mm3.2 主要结构尺寸回转工作台台面直径：直径应大于加工零件、刀具和砂轮休整器的和，考虑到其泛用性，所以取800mm。磨头直径：根据被加工零件的性质以及泛用性，取140mm。磨床总体尺寸定为188516703002（长宽高）3.3 运动参数的确定3.3.1 磨头主轴箱进给速度 磨头主轴箱的进给速度确定为：100500mm/min。3.3.2 拖板进给速度拖板的进给速度确定为：150450mm/min。3.3.3 工作台回转速度 由于工件是固定在回转工作台上，所以工作台的回转速度即工件的回转速度，为30r/min。3.3.4 磨头回转速度 磨头回转速度即此精密数控磨床的主轴速度：根据要求将主轴回转速度定为n=10000r/min。3.4 动力参数的确定由于本课题牵涉的动力参数全是有关电动机驱动功率的问题，所以只要确定电动机的驱动功率即可。驱动电动机功率的确定有以下三种方法：（1）实测法选一台传动与结构跟所设计相近似的机床，并选择特定工序或典型工序，用电表测量其一定时间t内的输入电功W（千瓦小时），电动机功率P=（W/t）（Kw）。（2）计算法按磨削原理公式计算，也可用估算公式计算。（3）统计分析法 有时可查手册上的经验公式。如外圆磨床，根据砂轮宽度按经验公式可算得电机功率。如果无经验公式，就需经统计和分析比较同类型的机床，来确定电机功率。3.4.1 磨头的驱动电动机因为内圆磨床砂轮主轴的转速很高，又需调速，所以一般可采用的驱动电动机主要有：直流电机和交流变频调速电机。直流电动机的主要特点是：调速范围宽、低速运行平稳；负载特性硬、过载能力强，在一定的速度范围内可以做到恒力矩输出，反应速度快，动态相应特性好。但是，直流伺服电动机体积较大，其电刷易磨损，寿命受到一定限制。交流变频电动机的主要特点是：具有独特的磁极形状，使转矩波动最小；定子外面没有机壳，定于铁心直接在空气中冷却，使电动机温升能减到最低；具有高的转矩/惯量比，能承受高的加减速；采取集中磁力线结构，在保证高输出转矩的情况下，电动机的体积小而重量轻。现选用高频交流调速电动机，在磨头中内置式安装，以减少振动，进行精密定位控制（详情请参阅精密数控磨床的磨头设计相关部分）。根据砂轮的转速，初步得出驱动电动机的功率为4.66kW，最后选型后定为5.5kW（详情请参阅精密数控磨床的磨头设计相关部分）。3.4.2 滚珠丝杠的驱动电动机根据滚珠丝杠的进给性质，驱动电动机的选择方案有两种：步进电机与伺服电机。步进电机的特点：能够驱动的力矩范围为中小力矩，一般在20Nm以下，转速最高达到2000rpm，低速时有振动，但是如果使用细分型电动机可明显改善，精度一般较低（但在细分型驱动时较高），高速时力矩下降快，过载时会失步（也可接编码器防止失步），但只能为开环控制，耐振动，运行温度，价格低，基本可以免维护。伺服电机的特点：能够驱动的力矩范围几乎是全范围，能够驱动的速度范围大，可达5000rpm，直流伺服电机更可达12万转/分，运行的平滑性好，精度高（具体要看反馈装置的分辨率），可310倍过载（短时），力矩特性好，响应速度快，耐振动性能一般，维护性较好，价格较高。结合本课题的加工要求，经过研究（详情请参阅精密数控磨床的垂直立柱进给系统设计相关部分），决定采用反应式步进电动机。驱动电动机的功率由滚珠丝杠所要驱动的力矩来决定。由于滚珠丝杠驱动力矩计算得：T=5.411Nm（详细过程请参阅精密数控磨床的垂直立柱进给系统设计相关部分）。由于丝杠的启动力矩计算得：T0=2.30Nm（详细过程请参阅精密数控磨床的垂直立柱进给系统设计相关部分）。根据选型，由此可将驱动电动机的功率定为5.5kW（详细过程请参阅精密数控磨床的垂直立柱进给系统设计相关部分）。3.4.3 拖板的驱动电动机由于拖板的进给量很小，所以可采用的电动机有以下三种：异步电动机；伺服电动机；步进电动机异步电动机的特点是：高效，节能，起动转矩高，噪音低，振动小，运行安全可靠，体积小，重量轻，结构坚固等特点。伺服电动机的特点是：良好的可控性，运行稳定和快速响应，在自动控制系统中用作执行元件，它能对控制信号能作出快速的响应。步进电动机的特点是：位移或角位移量与脉冲数成正比，它的线速度或转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率进行调速，能快速起动、反转和制动。结合本课题的加工要求，经过研究（详情请参阅精密数控磨床微量进给拖板系统设计相关部分），决定采用反应式步进电动机。步进电动机的功率是根据拖板的进给速度得出的，初定为5.5kW（详情请参阅精密数控磨床微量进给拖板系统设计相关部分）。3.4.4 回转工作台的驱动电动机为了满足数控机床对伺服系统的要求，对伺服电机有较高的要求：（1）电动机能在调速范围内都能平滑地运转；（2）电动机应有较强的过载能力，以满足低速大转矩的要求；（3）为了满足快速响应的要求，电动机的快速响应性要求好；（4）电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。常用的伺服执行元件主要有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机和直接驱动电动机。作为床身零部件的主电机一般选用伺服电机。本课题采用感应式交流伺服电机。与直流伺服电动机相比，输出相同功率，交流电机重量轻，而且交流电机结构简单、坚固，适应的安装环境宽，可以承受高速运转。安装在床身一侧的主电机通过两对皮带轮的传递驱动回转工作台的主轴运转。轴的转速约为30r/min，因此所需的功率很小。为了能控制回转工作台的旋转，初定电动机的功率为1.8kW（详细选型请参阅精密数控磨床的床身部件设计）。3.5 主要部件概述3.5.1 精密磨头采用内置式电机，轴承用B级滚动轴承，应用喷雾润滑及底座水冷却，磨头在立柱上的移动采用直线导轨，砂轮转速n=10000r/min，砂轮直径140mm3.5.2 精密回转工作台工作台转速30r/min采用外置式电机，轴承用多排密珠轴承。这样精度高、振动小、为消除电机热源影响，采用电机安装在床身上，用同步带传动的方式。3.5.3 导轨支承水平导轨用滚动导轨、立柱导轨采用直线导轨以提高导轨的直线度，对导轨直线运动可采用软件补偿技术。3.5.4 滚珠丝杠步进电机采用BF系列反应式（VR）步进电机： 90BF3-3 相数3 步距角3/1.5（）电压60/12V静态力矩20000Nm，总长130，机壳90mm，轴9mm。 90BF5-1.5 相数5 步距角1.5/0.75（） 静力矩16000Nm。另外有SB系列反应式步进电机；43BY4-7.5型永磁式步进电机；43BYG/J450型感应式永磁式步进电动机 提高步进电机伺服系统精度的方法有：（1）间隙补偿：机械系统的间隙、可以按脉冲当量换算成指令脉冲。（2）螺距补偿误差：丝杠螺距误差的补偿，可以用下列两种方法实现：一种是机械样板的补偿方法；另一种是采取当量误差达到一个脉冲当量的地方装挡块，用位置开关检测并发出补偿脉冲的方法。（3）反馈补偿：把检测器直接装在磨床移动部件上用检测移动部件的移动量，测出整个机械系统的误差包括间隙及螺距误差，另外热变形误差、刚变误差可用软件补偿来解决。本设计采用上海磨床六厂生产的400 5-3 型精密滚珠丝杠FN1B-FN1D。3.5.5 微量进给机构采用压电陶瓷、作为微进给控制机构，设克服外负载150kgf、总位移量约20m、通入的控制信号为电压量、输入为位移量。3.5.6 立柱及床身采用热变形小、抗震性强的孕育铸铁，用平衡块维持平衡。3.5.7 测量系统传感器的选用是测量系统的关键。根据传动链末端元件的运动性质正确、合理地选用、安装传感器是准确测量传动链运动精度的必要条件。根据工作原理，机床传动误差测量常用传感器可分为以下几类：（1）光栅传感器光栅传感器的最大优点是信号处理方式简单，使用方便，测量精度高（国外著名厂家如德国Heidenhain、西班牙Fagor等公司制造的光栅传感器精度可达1m/m）；缺点是光栅尺价格较昂贵，对工作环境要求较高，玻璃光栅尺的线胀系数与机床不一致，易造成测量误差。（2）激光传感器激光传感器（包括单频和双频激光）具有较高的测量精度，但测量成本也较高，对环境条件变化（如温度、气流、振动等）较敏感，在生产现场使用时必须采取措施保证测量的稳定性和可靠性。（3）磁栅传感器磁栅尺可分为线状（有效测量长度3m）和带状（有效测量长度可达30m）两种型式，其优点是制造成本较低，安装使用方便，线胀系数与机床相同；缺点是测量精度低于光栅尺，由于磁信号强度随使用时间而不断减弱，因此需要重新录磁，给使用带来不便。（4）感应同步器感应同步器的优点是制造成本低，安装使用方便，对工作环境条件要求不高；缺点是信号处理方式较复杂，测量精度受到测量方法的限制（传统测量方法的测量精度约为25m）。本课题应用单点式，选用一只测量传感器，高精度传感器应保证测量精度为0.1m（也可采用三点式测量，选用三只测量传感器。可分离系统误差及测出内径尺寸；可用DG8-5A电杆式量仪；角度测量：可用孔盘打256孔，或用圆光栅。）3.5.8 微机及数控技术应用微机控制及补偿，采用数控技术，可编程控制器。3.5.9 环境控制（1）抗震：采用抗震性好的孕育铸铁作为主要大件（床身、立柱）材料。（2）温度控制：采用恒温室保证200.5，隔离各部件热量。4 精度分析4.1 加工精度与加工误差加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数的符合程度。在机械加工中，由于工艺系统中各种因素影响，使加工出的零件不可能与理想的要求完全符合。零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。其符合程度愈高，加工误差愈小，即加工精度愈高；偏离程度愈大，加工误差愈大。由此可见，加工精度和加工误差是从两个不同的角度来评定加工零件的几何参数。首先必须明确以下几点：（1）“理想几何参数”的含义：尺寸参数是指图纸规定尺寸的平均值；形状和位置参数是指绝对正确的形状和位置，如绝对的圆和绝对的平行等等。（2）加工精度是零件图纸或工艺文件以公差T给定的集合参数，而加工误差则是零件加工后的实际测得的偏离值。一般说，当T时，就保证了加工精度。（3）零件三个方面的几何参数，就是加工精度和加工误差的三方面的内容。即，加工精度（误差）包括尺寸精度（误差）、形状精度（误差）和相互位置精度（误差）。从保证机器使用性能出发，每个机械零件应具有足够的加工精度，但没有必要把每个零件都做得绝对准确。设计时应根据零件在机器上的功用，将加工精度规定在一定范围内是完全允许的。即加工精度的规定均以相应的标准公差数值标注在零件图上，加工时只要零件的加工误差未超过其公差范围，就能保证零件的加工精度要求和工作要求。4.2 原始误差零件加工精度主要取决于工件和刀具在切削过程中相互位置的准确程度。由于多种因素的影响，由机床、夹具、刀具和工件构成的工艺系统中的各种误差，在不同的条件下，以不同的方式反映为加工误差。工艺系统的误差是“因”，是根源；加工误差是“果”，是表现。因此，把工艺系统的误差称之为原始误差。4.3 机床的几何误差机床误差是最基本的原始误差之一。分析和研究机床误差及其对加工精度的影响，无论在理论上或是实际应用上都具有重要的意义。机床误差是由机床的制造误差、安装误差和磨损等引起的。它是保证工件加工精度的基础。4.4 研究机械加工精度的方法加工误差的研究方法，通常分为：分析计算法（又称因素分析法）和统计分析法两种。分析计算法，是分别研究各原始误差对加工精度的影响。研究某一确定因素时，一般不考虑其它因素的同时作用。通过分析、计算或实验、测试，得出该因素与加工误差之间的关系，即找出它们之间的变化规律。统计分析法，是对某一具体加工条件下加工的一批工件，进行实际测量，然后以数理统计学为基础来处理、分析误差的性质和变化规律。可见，前一种方法主要是分析各项误差单独的变化规律，后一种方法主要是研究各项误差综合的变化规律，且只适用于大批大量的生产条件。在实际生产中，这两种方法往往要结合起来应用。一般先用统计分析法找出误差的出现规律，初步推断产生加工误差的可能原因，然后，运用分析计算法找出影响加工误差的关键因素，再进行实验验证。4.5 加工误差分析因为影响加工误差因素复杂，且是个综合性问题。利用统计法分析的目的是找出影响加工精度的主要因素，验证分析结果，提出解决问题的措施。工艺设计必须保障产品设计时提出的各项公差要求，不允许随意放宽任何公差带。按统计方法可以得到，当公差放大后加工得到的零件中，只有一部分零件超出原设计公差要求，需要校直处理。需校直的零件占总零件的比率为校直率。所谓校直率增加是生产的工艺过程不能满足原设计要求的表现，必须采取相应的措施，如增加投产数量，改变公差带形成可修复超差件和修复工序等等。解决这类问题的方法步骤归纳为：（l）现场调查并作统计。通过对统计数据的分析处理，了解误差的规律，判别其方向、大小及其发生的条件。（2）绘制必要的统计图表，如直方圆、点图等（必要时作相关分析）。初步判别误差的性质。（3）查找影响误差的主要因素，将影响