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精密平面磨床微进给及微位移工作台设计【4张图纸】【优秀】

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摘要

　　　随着科学技术的发展和高新技术产业的需要，精密平面磨床已然在当代制造产业中占据了非常重要的地位。本文在收集了大量资料和吸取了前辈们的经验的情况下，设计了一台以广州机械制造厂的MGB6120为原型、以微进给机构和微位移系统来提升加工精度的精密平面磨床工作。在此基础上，完成了该磨床的总体设计计算，并进行了数据对比优化选择，取得以下研究成果：

　　(1) 设计一台精密数控平面磨床，用砂轮周边磨削平面和台阶平面，用于机械制造业及工具模具制造业，且能加工各种难加工材料。

　　(2) 确定了该精密平面磨床工作台的各个部件及其功能分配，完成了该平面磨床的传动选择以及总体布局设计。

　　(3) 利用滚珠丝杆为主要器件，结合梯形螺纹丝杆压杆来检测其稳定性；通过压电、电致伸缩器件在微位移系统中的压电耦合效应和砂轮修整器特性提高了该工作台的加工精度。

　　(4) 将840D数控技术作用于平面磨床工作台并选择西门子IFK6交流伺服电机作为进给机构和微位移系统的电力源，完成了精密平面磨床微进给及微位移工作台的设计。

关键词：精密；微位移；微进给；砂轮器；数控

摘要III

AbstractIV

目录V

1 绪论1

1.1 本课题的研究背景和意义1

1.2 国内外精密平面磨床的发展概况1

1.2.1 国外精密加工数控车床技术发展概况1

1.2.2 国内精密加工数控车床技术发展概况3

1.3本课题的设计任务说明5

1.3.1 毕业设计任务与论文组成5

1.3.2 本课题的研究方法5

2 精密平面磨床的总体设计6

2.1 引言6

2.2 磨床技术规格6

2.3 磨床总体布局设计7

2.4 磨床的传动设计7

2.5 磨床主要组成部件及其功能8

2.6 进给机构的分类及使用方法8

2.7 本章小结9

3 砂轮的特性和修整10

3.1 砂轮的特性10

3.2 砂轮修整器11

3.2.1 砂轮修整器的设计11

3.2.2 修整器摆角的设计14

3.3 砂轮修整的展望15

3.4 本章小结15

4 微位移系统17

4.1 引言17

4.2 微位移技术的分类17

4.3 微位移系统的广泛实用性19

4.3.1 微位移器件在磨床中所需要具备的条件20

4.3.2 微位移行程的提高20

4.4 压电、电致伸缩器件在微位移系统结构中的优点20

4.4.1 压电与电致伸缩效应——机电偶合效应20

4.5 微位移系统的结构设计21

4.5.1 微位移工作台的组成21

4.5.2 微位移工作台工作原理21

4.5.3 板弹簧的设计与用途22

4.5.4 预紧力与系统分辨率22

4.6本章小结23

5 微进给机构系统的设计24

5.1 微进给机构的结构和特点24

5.2 确定微进给机构设计方案25

5.2.1 对微量自动进给机构的基本要求：26

5.3 滚珠丝杆副的优点26

5.3.1 滚珠丝杆的设计计算26

5.3.2 梯形螺纹丝杆压杆稳定性校核28

5.4 垂直微进给电机的功率计算28

5.5 本章小结29

6 数控硬件电路设计30

6.1 引言30

6.2 840D数控系统说明30

6.3 840D数控系统组成30

6.4 840D数控系统的连接30

6.5 本章小结32

结论和展望33

致谢34

参考文献35

1 绪论

1.1 本课题的研究背景和意义

　　　二十一世纪，随着科学技术的飞速发展，现代制造工业正以全新的面貌展现在世人面前。其中，精密加工技术的发展显而易见。精密加工技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置。

　　　根据先进技术的实用性和先进性而论，精密加工技术追求加工上的精度和表面质量极限；制造自动化包括了产品设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速市场需求的快速响应，而且是提高生产效率，改善劳动条件的重要手段。两者有着密切关系，许多精密加工需要自动化技术得以达到预期指标，而制造自动化基本赖于精密加工才能准确可靠的实现。两者的全局性和决定性奠定了它们是先进制造技术的支柱。

　　　众多国家都十分重视先进制造技术的水平和发展，精密加工技术显然已经是一个国家进行产品革新、扩大生产和提高国际经济竞争能力。从先进制造技术的技术实质性而论，精密加工技术追求加工上的精度和表面质量极限；制造自动化包括了产品设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速市场需求的快速响应，而且是提高生产效率，改善劳动条件的重要手段。两者有着密切关系，许多精密加工需要自动化技术得以达到预期指标，而制造自动化基本赖于精密加工才能准确可靠的实现。两者的全局性和决定性奠定了它们是先进制造技术的支柱。微进给机构的研究与设计，便是精先进制造技术的集中体现之一。

　　　微进给机构一般指行程范围为毫米级：位移分辨率及定位精度达到纳米级的位移机构。微进给机构通常由微位移器和精密导轨两部分组成，其技术研究不仅关系到超精密磨床研制，更是精密机械、微电子、生物工程等多种学科赖以发展的基础。因此开展微进给机构工作台的研究与设计是非常有必要且具有更广阔的应用前景。

1.2 国内外精密平面磨床的发展概况

　　　国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究，以获得亚微米级的尺寸精度。

　　1.2.1 国外精密加工数控车床技术发展概况

　　　发展精密加工磨床是发展精密加工技术的十分重要的内容，歌发达国家都发展了很多种精密机床。精密加工磨床也向着高精度、多功能和高效专用方向发展。

　　　美国是开展精密加工技术研究最早的国家， 20实际30年代开始，在制造技术上处于世界领先地位，但在50年代以后，对制造技术没有给予足够的重视，在经济竞争上感受到巨大的威胁，经过认真总结，80年代后，在重要的、高速增长的技术市场上失利的一个重要原因就是没有把自己先进的技术应用到制造产业上。如今，美国国家工程科学院的国家研究理事会经过反复研究，提出不能像前些年那样把制造归属于设计的地位上，而是要把注意力重新放在制造技术上。美国利用自己已有的成熟单元技术，只用两周的时间便组装成了一台小型的超精密加工车床（BODTM 型），用刀尖半径为的单晶金刚石刀具，实现切削厚度为的加工。尽管如此，最近美国政府还是继续把微米级和纳米级的加工技术作为国家的关键技术之一，这足以说明美国对这一技术的重视。

　　　德国JUNG公司是国际上知名较高的平面磨床生产厂商，在40余年的生产过程中，该公司的平面和成型磨床以精度高、使用寿命长而著称。JUNG公司的主要平面磨床产品均采用立柱升降式，外形小巧，磨削精度高。工作台纵向运动一般都设二套运动装置，往复运动由液压驱动，缓进给成型磨削采用机电传动。其中水平较高的是JF520CNC B型四坐标数控平面和成型磨床。

　　　该机采用高精度连续轨迹控制以图形辅助操作，控制系统是以西门子SINUMERIK810为基础，配用JUNG公司开发的专用软，一反传统结构，首次采用了龙门式框架结构，可以满足大尺寸工件和新型工程材料的精密磨削加工需要。图1.1和图1.2分别为大型磨床和手动数控磨床。

QQ截图20131125154127.gif

精密平面磨床微进给及微位移工作台设计.gif

内容简介：: 无锡太湖学院信机系机械工程及自动化专业毕业设计论文任务书一、题目及专题：1、题目精密平面磨床微进给及微位移工作台设计 2、专题二、课题来源及选题依据结合自己实习经验观察，国内数控平面磨床尚未普及，生产效率的提升空间很大。三、本设计（论文或其他）应达到的要求：设计一台精密数控平面磨床，用砂轮周边磨削平面，也可以磨削台阶平面、能用于机械制造业及工具磨具制造业，能加工各种难加工材料（如陶瓷材料）；磨床总体设计方案确定，绘制机床总体布局图；砂轮修整器设计计算；垂直进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杠副设计计算，绘制垂直进给机械结构的装配图；结合数控技术的微位移工作台的设计。四、接受任务学生：机械93 班姓名邱文浩五、开始及完成日期：自2012年11月12日至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名签名签名教研室主任学科组组长研究所所长签名系主任签名2012年11月12日无锡太湖学院毕业设计（论文）开题报告题目：精密平面磨床微进给及微位移工作台设计信机系机械工程及自动化专业学号：学生姓名：指导教师：（职称：副教授）（职称：副教授）2013年1 月15日课题来源自拟题目科学依据（1）课题科学意义当代社会，制造业特别是机械制造业是国民经济的支柱产业，现代制造业正在改变着人们的生产方式、生活方式、经营管理模式乃至社会的组织结构和文化。由于中国潜在的巨大市场和丰富的劳动力资源，世界的制造业正在向中国转移，中国正在成为世界的制造大国。我国在家电等若干产品的产量已居世界第一位。但是在自主知识产权的创新设计、先进制造工艺和装备及现代化管理等方面仍然存在很大差距，所以我们还没还不是领先于世界的制造强国。机械制造业是国民经济和社会发展的物质基础，是一个国家综合国力的重要体现。伴随经济全球化，我国正在成为世界机械制造业的中心，但是与发达国家相比，我国机械制造业不仅制造工艺装备陈旧、生产自动化技术落后，企业管理粗放、缺乏自主创新产品与先进技术等，而且在快速、高品质、低成本，以及优质服务方面也有较大的差距。因此正确分析我国机械制造业的品牌优势、技术优势和成本优势，并依据不同类型制造业的特点，有针对性地提出制造业的信息化战略对策具有重要意义。（2）精密加工技术的研究状况及其发展前景精密和超精密制造技术是当前各个工业国家发展经济的核心技术之一,因此了解精密与超精密加工的国内外发展状况及发展趋势对我国发展装备制造业具有十分重要的意义。目前精密加工所能达到的加工精度距加工的极限还有相当的距离。国外有人声称已开发了以原子级去除单位的加工方法，但目前还未在实际生产中得到应用。为了促进精密加工技术的发展，应深入研究和探讨下列几个问题，即发展前景：(1)努力开发加工单位极小的精密加工方法；(2)开发精密的机械机构；(3)开发高精度的检测系统；(4)开发适用于精密加工并能获得高精度、搞表面质量的新型材料。研究内容设计一台精密数控平面磨床，用砂轮周边磨削平面，也可以磨削台阶平面、能用于机械制造业及工具磨具制造业，能加工各种难加工材料（如陶瓷材料）；磨床总体设计方案确定，绘制机床总体布局图；砂轮修整器设计计算；垂直进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杠副设计计算，绘制垂直进给机械结构的装配图；结合数控技术的微位移工作台的设计；拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析实验方案设计一台精密数控平面磨床，用砂轮周边磨削平面和台阶平面，用于机械制造业及工具模具制造业，且能加工各种难加工材料。确定了该精密平面磨床工作台的各个部件及其功能分配，完成了该平面磨床的传动选择以及总体布局设计。利用滚珠丝杆为主要器件，结合梯形螺纹丝杆压杆来检测其稳定性；通过压电、电致伸缩器件在微位移系统中的压电耦合效应和砂轮修整器特性提高了该工作台的加工精度。将840D数控技术作用于平面磨床工作台并选择西门子IFK6交流伺服电机作为为进给机构和微位移系统的电力源，完成了精密平面磨床微进给及微位移工作台的设计。研究计划及预期成果研究计划：2012年10月28日-2012年11月28日：学习并翻译一篇与毕业设计相关的英文材料。2012年12月01日-2013年01月30日：按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填毕业设计开题报告书。2013年01月25日-2013年02月10日：填写毕业实习报告。2013年02月20日-2013年03月20日：按照要求修改毕业设计开题报告。2013年03月20日-2013年04月30日：微进给机构微位移系统设计。2013年05月01日-2010年05月21日：毕业论文撰写和修改工作。预期成果：这套低成本、高效率、高可靠性、人性化精密平面磨床，能在市场竞争中处于有利地位。微进给及微位移技术的应用范围广泛,其推广应用社会经济效益十分显著,国内制造业水平有显著的提高。特色或创新之处使用840D数控系统，效果明显，方便改变参量，能有效的提高加工工件的精度。采用固定某些参量、改变某些参量来研究问题的方法，思路清晰，简洁明了，行之有效。已具备的条件和尚需解决的问题图书馆中提供了大量的资料，包括前辈们辛苦的劳动成果，使得我可以像站在巨人肩膀上一样来设计课题，当然，由于学生的条件约束性，不能到工厂进行实际装配操作，理论依据也有待完善。指导教师意见指导教师签名：年月日教研室（学科组、研究所）意见教研室主任签名：年月日系意见主管领导签名：年月日编编号号无锡太湖学院毕毕业业设设计计（论论文文）题目：题目：精密平面磨床微进给及精密平面磨床微进给及微位移工作台设计微位移工作台设计信机系系机械工程及自动化专专业业学号：学生姓名：指导教师：职称：副教授）（职称：）2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚诚信信承承诺诺书书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）精密平面磨床微进给及微位移工作台设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。班级：机械 93 学号： 0923150 作者姓名：邱文浩 2013 年 5 月 25 日I摘摘要要随着科学技术的发展和高新技术产业的需要，精密平面磨床已然在当代制造产业中占据了非常重要的地位。本文在收集了大量资料和吸取了前辈们的经验的情况下，设计了一台以广州机械制造厂的 MGB6120 为原型、以微进给机构和微位移系统来提升加工精度的精密平面磨床工作。在此基础上，完成了该磨床的总体设计计算，并进行了数据对比优化选择，取得以下研究成果：(1) 设计一台精密数控平面磨床，用砂轮周边磨削平面和台阶平面，用于机械制造业及工具模具制造业，且能加工各种难加工材料。(2) 确定了该精密平面磨床工作台的各个部件及其功能分配，完成了该平面磨床的传动选择以及总体布局设计。(3) 利用滚珠丝杆为主要器件，结合梯形螺纹丝杆压杆来检测其稳定性；通过压电、电致伸缩器件在微位移系统中的压电耦合效应和砂轮修整器特性提高了该工作台的加工精度。(4) 将 840D 数控技术作用于平面磨床工作台并选择西门子 IFK6 交流伺服电机作为进给机构和微位移系统的电力源，完成了精密平面磨床微进给及微位移工作台的设计。关键词：关键词：精密；微位移；微进给；砂轮器；数控IIAbstractWith the development of science and technology and the need of high-technique industry, precision surface grinder has played a very important role in modern manufacturing industry. Under the circumstance of collecting a great number of materials and absorbing predecessors experience, this article designs a precision surface grindering machine which is the prototype of MGB6120 in Guangzhou machine tool. In addition, it improves precision by a micro feed mechanism and a micro displacement system. In that case, it finish the calculation of the overall design of the grinding machine. Whats more, it makes the optimization of comparative data and obtains the following results：(1) It designs a precision NC grinding machine and grinds surface with grinding wheel. It is used in mechanical manufacturing industry and model manufacturing industry. It also processes various materials which are very difficult.(2) It confirms each component and function allocation of precision surface grinder worktable. It also finishes the transmission selection and overall layout.(3) It regards ball screw rod as main device and is combined with the trapezoidal thread screw rod to test its stability. Piezoelectric coupling effect and grinding wheel dressing device features, which improve the machining accuracy of the workbench through the piezoelectric and electrostrictive devices in the micro displacement system.(4) It uses 802D in NC plane grinder worktable and chooses Siemens IFK6 AC servo motor as the power source for the feeding mechanism and micro displacement system. It also completes the design of precision surface grinder micro-feed and micro displacement worktable.Key words: precision, micrometric displacement, micro-feeding, Grinding wheel. CNC (computerized numerical control)目目录录摘要.IIIABSTRACT.IV目录 .V1 绪论.11.1 本课题的研究背景和意义.11.2 国内外精密平面磨床的发展概况.11.2.1 国外精密加工数控车床技术发展概况.11.2.2 国内精密加工数控车床技术发展概况.31.3 本课题的设计任务说明.51.3.1 毕业设计任务与论文组成.51.3.2 本课题的研究方法.52 精密平面磨床的总体设计.62.1 引言.62.2 磨床技术规格.62.3 磨床总体布局设计.72.4 磨床的传动设计.72.5 磨床主要组成部件及其功能.82.6 进给机构的分类及使用方法.82.7 本章小结.93 砂轮的特性和修整.103.1 砂轮的特性.103.2 砂轮修整器.113.2.1 砂轮修整器的设计.113.2.2 修整器摆角的设计.143.3 砂轮修整的展望.153.4 本章小结.154 微位移系统.174.1 引言.174.2 微位移技术的分类.174.3 微位移系统的广泛实用性.194.3.1 微位移器件在磨床中所需要具备的条件.204.3.2 微位移行程的提高.204.4 压电、电致伸缩器件在微位移系统结构中的优点.204.4.1 压电与电致伸缩效应机电偶合效应.204.5 微位移系统的结构设计.214.5.1 微位移工作台的组成.214.5.2 微位移工作台工作原理.21I4.5.3 板弹簧的设计与用途.224.5.4 预紧力与系统分辨率.224.6 本章小结.235 微进给机构系统的设计.245.1 微进给机构的结构和特点.245.2 确定微进给机构设计方案.255.2.1 对微量自动进给机构的基本要求：.265.3 滚珠丝杆副的优点.265.3.1 滚珠丝杆的设计计算.265.3.2 梯形螺纹丝杆压杆稳定性校核.285.4 垂直微进给电机的功率计算.285.5 本章小结.296 数控硬件电路设计.306.1 引言.306.2 840D 数控系统说明.306.3 840D 数控系统组成.306.4 840D 数控系统的连接.306.5 本章小结.32结论和展望.33致谢.34参考文献.35无锡太湖学院学士学位论文01 绪论绪论1.1 本课题的研究背景和意义本课题的研究背景和意义二十一世纪，随着科学技术的飞速发展，现代制造工业正以全新的面貌展现在世人面前。其中，精密加工技术的发展显而易见。精密加工技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置。1根据先进技术的实用性和先进性而论，精密加工技术追求加工上的精度和表面质量极限；制造自动化包括了产品设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速市场需求的快速响应，而且是提高生产效率，改善劳动条件的重要手段。两者有着密切关系，许多精密加工需要自动化技术得以达到预期指标，而制造自动化基本赖于精密加工才能准确可靠的实现。两者的全局性和决定性奠定了它们是先进制造技术的支柱。众多国家都十分重视先进制造技术的水平和发展，精密加工技术显然已经是一个国家进行产品革新、扩大生产和提高国际经济竞争能力。从先进制造技术的技术实质性而论，精密加工技术追求加工上的精度和表面质量极限；制造自动化包括了产品设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速市场需求的快速响应，而且是提高生产效率，改善劳动条件的重要手段。两者有着密切关系，许多精密加工需要自动化技术得以达到预期指标，而制造自动化基本赖于精密加工才能准确可靠的实现。两者的全局性和决定性奠定了它们是先进制造技术的支柱。微进给机构的研究与设计，便是精先进制造技术的集中体现之一。微进给机构一般指行程范围为毫米级：位移分辨率及定位精度达到纳米级的位移机构。微进给机构通常由微位移器和精密导轨两部分组成，其技术研究不仅关系到超精密磨床研制，更是精密机械、微电子、生物工程等多种学科赖以发展的基础。因此开展微进给机构工作台的研究与设计是非常有必要且具有更广阔的应用前景。1.2 国内外精密平面磨床的发展概况国内外精密平面磨床的发展概况国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究，以获得亚微米级的尺寸精度。1.2.1 国外精密加工数控车床技术发展概况国外精密加工数控车床技术发展概况发展精密加工磨床是发展精密加工技术的十分重要的内容，歌发达国家都发展了很多种精密机床。精密加工磨床也向着高精度、多功能和高效专用方向发展。美国是开展精密加工技术研究最早的国家， 20 实际 30 年代开始，在制造技术上处于世界领先地位，但在 50 年代以后，对制造技术没有给予足够的重视，在经济竞争上感受到巨大的威胁，经过认真总结，80 年代后，在重要的、高速增长的技术市场上失利的一个重要原因就是没有把自己先进的技术应用到制造产业上。如今，美国国家工程科学院的国家研究理事会经过反复研究，提出不能像前些年那样把制造归属于设计的地位上，而是要把注意力重新放在制造技术上。美国利用自己已有的成熟单元技术，只用两周的时间便组装成了一台小型的超精密加工车床（BODTM 型），用刀尖半径为的单nm105精密平面磨床微进给及微位移工作台设计1晶金刚石刀具，实现切削厚度为的加工。尽管如此，最近美国政府还是继续把微米级nm1和纳米级的加工技术作为国家的关键技术之一，这足以说明美国对这一技术的重视。 2德国 JUNG 公司是国际上知名较高的平面磨床生产厂商，在 40 余年的生产过程中，该公司的平面和成型磨床以精度高、使用寿命长而著称。JUNG 公司的主要平面磨床产品均采用立柱升降式，外形小巧，磨削精度高。工作台纵向运动一般都设二套运动装置，往复运动由液压驱动，缓进给成型磨削采用机电传动。其中水平较高的是 JF520CNC B 型四坐标数控平面和成型磨床。 3该机采用高精度连续轨迹控制以图形辅助操作，控制系统是以西门子SINUMERIK810 为基础，配用 JUNG 公司开发的专用软，一反传统结构，首次采用了龙门式框架结构，可以满足大尺寸工件和新型工程材料的精密磨削加工需要。图 1.1 和图1.2 分别为大型磨床和手动数控磨床。图 1.1 大型龙门磨床图 1.2 手动数控磨床英国是较早从事精密加工技术研究的国家之一。从 1979 年起，开发用于制造 X 射线无锡太湖学院学士学位论文2望远镜的金属反射镜的立式超精密金刚石刀具车床。该机床为保证精密加工，采用了许多新技术。例如采用封装合成花岗岩作为机床基础（总重），永久磁铁型 DC 力矩马T48达驱动的 X 轴和 Z 轴，径向和轴向的回转精度为，空气轴支承的旋转工作台，分m1 . 0辨率为的 HP5501 型微光干涉仪，由 HP9826 型计算机等构成的 X 轴，Z 轴工件m015. 0尺寸及形状精度的测量补偿系统，压电式刀具微进给装置，16 位 CNC 控制系统等。要求反射镜的精度在范围内的表面凹凸达到以下，整个镜面的形状精度以下。nm30mm6m1英国在 80 年代初就已开始实施纳米计划，成立了纳米技术战略委员会。Cranfield 理工学院是世界上第二个能制造出用于大型超精密加工机床的高刚度气浮精密轴承和mkN /2主轴系数的单位。 3日本在第二次世界大战后，为了迅速恢复经济，大力开发制造技术，其中精密加工技术尤为突出，先进技术的引进和开发使得机械制造业的水平有了很大的提高，并且在其他大型工业产业中起到了巨大的作用。在短短的 40 年中，从一个战败国发展成为世界上的经济强国。1.2.2 国内精密加工数控车床技术发展概况国内精密加工数控车床技术发展概况我国对精密加工技术的研究起步并不晚。图1.3为国内某一生产车间。基本发展过 2程与日本有着类似之处。1965年前后研制出镜面外圆磨床，加工圆度优于，表面m03. 0粗糙度以下。70年代后期制成了ST186高精度磁盘车床。进入80年代，研制了mRa 01. 0回转精度达的精密轴系，单晶金刚石刀切削的超精密车床和超精铣床，最高分辨m025. 0率为的CNC数控超精密车床等产品。最近哈尔滨工业大学研制成功HCM-1亚微米m01. 0超精密加工车床，起技术性能如表1-4示。图 1.3 技术人员在讲解磨床精密平面磨床微进给及微位移工作台设计3表 1-4 国内外典型超精密车床性能指标型号（生产厂家）型号（生产厂家）HCM-1 （中国哈工大）（中国哈工大）M-18AG （美国（美国 MOORE SPECIAL TOOL CO.)径向跳动m075. 0轴向跳动m05. 0径向刚度mN /200轴向刚度mN /160Z 向（主轴）直线度mmm 100/2 . 0mmm 230/5 . 0X 向（刀架）直线度mmm 100/2 . 0mmm 230/5 . 0X、Z 向垂直度（）11主轴重复定位精度m1（全程）mm4 .255 . 0形面精度m圆度：0.1平面度：0.3加工工件精度表面粗糙度mRa0.00420.0075(P-V 值)位置反馈系统分辨率m25温控精度 C004. 0006. 0隔振系统固有频率Hz22加工范围mm32035680 年代，我国开始生产数控平面磨床，各开发厂家分别做过了自行研制，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：广东机械厂是一家具有 8五十年历史，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 MGB7132 卧轴矩台高精度平磨，MG7130 系列普通数控平磨，MLK7140 数控缓进给成型磨，MGB7120、ML7163、ML7150 卧轴距台数控平磨，MKL7760 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。我国在磨削过程建模与模拟、声发射过程监测与识别、工件表面烧伤及残余应力预报、磨削加工误差在线检测、评价与补偿等方面都有许多成果，并已开发出了新型磨削机器人。我国人造磨料生产虽然起步较晚，但发展很快，在世界上已有相当份额。 9无锡太湖学院学士学位论文4近几年来国外精密磨床技术发展迅速，例如对硬脆材料磨削机理及工艺的研究，利用于磨削热量同时进行工件热处理，以及不使用磨削液的无污染磨削等方面，我国均有一定差距。为此，我们一方面要积极开展引进国外先进磨削技术的研究工作；同时在国内应结合生产，系统地开展和推广各种先进与实用的精密磨削技术。只有这样，才能使我国的精密磨床技术尽快赶上国外先进水平，并能做到有所发展与创新。1.3 本课题的设计任务说明本课题的设计任务说明1.3.1 毕业设计任务与论文组成毕业设计任务与论文组成课题名称：精密平面磨床微进给机构工作台设计任务目的与要求：(1) 设计一台精密数控平面磨床，用砂轮周边磨削平面，也可以磨削台阶平面，能用于机械制造业及工具模具制造业，能加工各种难加工材料(如陶瓷材料)；(2) 磨床总体设计方案确定，绘制机床总体布局图；(3) 砂轮修整器设计计算，绘制磨头修整器装配图；(4) 垂直进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杆副设计计算，绘制垂直进给机械结构的装配图；(5) 磨床微机数控系统的硬件电路设计；(6) 翻译指定的英文专业文献；(7) 撰写毕业设计论文（说明书）。1.3.2 本课题的研究方法本课题的研究方法此毕业设计以广东机械厂的 MGB6120 为原型，分析它的结构特点，然后对它进行改进。MGB6120 的纵向进给由油泵电机驱动，通过液压筒推动工作台作纵向往复运动。液压筒导致工作台在低速进给时产生“爬行” ，大大地降低了工件表面的磨削质量。我们在设计中用伺服电机代替油泵电机，不仅很好的解决了这个问题，而且还简化了机床的结构。为了提高MGB6120的几何、工作精度，我们采用机电一体化设计原理，进给机构用似服电机-滚珠丝杠副驱动。西门子SINUMERIK840D数控系统是西门子数控系统中的一款高性能、低价位的数控系统。它可以控制四个数字进给轴和一个主轴，能实现三轴联动。就本机床而言，它控制三个似服电机和一个主轴电机。使用西门子SINUMERIK840D型数控系统极大提高了MGB6120的进给灵敏度和准确度、可靠性和自动化程度。精密平面磨床微进给及微位移工作台设计52 精密平面磨床的总体设计精密平面磨床的总体设计2.1 引言引言本次设计的是一台精密数控平面磨床，通过采用金刚石砂轮和滚珠丝杆副，并依据机电一体化设计原理通过数控系统等措施来保证加工精度。本机床为高精度机床。几何精度、工作精度都很高，性能可靠稳定，垂直进给具有数控系统。进给灵敏度、准确度高，磨削自动化程度较高，当每次磨削循环结束后，工作台停止在纵向运动的右端。该精密数控平面磨床主要包括磨头及垂直进给系统、工作台纵向及横向驱动系统、床身及防护罩装置、冷却及润滑系统和数控系统五大部分。工作台的纵向运动和托板的横向运动都由西门子伺服电机驱动，经过齿轮减速，通过滚珠丝杆副做往复运动；磨头垂直导轨为立柱前后双导轨形式的贴塑滑动导轨；磨头主轴系统前后各位双联成对高精度滚动轴承结构，主轴的旋转由电机驱动通过弹性联轴器使主轴运转；磨头的垂直运动是由交流伺服电机驱动蜗杆，传动与其相啮合的涡轮，转动与涡轮刚性连接的丝杆副的螺母而使与丝杆固定连接的磨头作垂直运动。本机床总布局为十字托版型，托板上下的横纵导轨均为双 V 型滑动导轨。工件磨削平面的形成由工作台的纵向运动和托板的横向运动而形成，磨头仅作垂直上下运动。机床用砂轮周边磨削平面，还可以磨削台阶平面。能用于机械制造业及工具模具制造业，能加工各种难加工材料（如陶瓷材料）。为了适应磨削各种加工表面，工件形状及生产批量要求，磨床的种类很多，其中主要类型有以下几种： (1) 外圆磨床（包括外能外圆磨床、外圆磨床、无心外圆磨床等）(2) 内圆磨床（包括普通内圆磨床、无心内圆磨床等）(3) 平面磨床（包括卧轴距台平面磨床、立轴矩台平面磨床、卧轴圆台平面磨床、立轴圆台平面磨床等）(4) 工具磨床（包括工具曲线磨床、钻头沟槽磨床、丝锥沟槽磨床等）(5) 刀具刃磨磨床（包括万能工具磨床、拉刀刃磨床、滚刀刃磨床等）2.2 磨床技术规格磨床技术规格(1) 主要规格工作台面（长宽）；mm200630(2) 加工范围最大磨削工件尺寸（长宽高）；mm360200630(3) 工作台工作台纵向移动速度（无级）：；min/2503. 0m工作台横向自动进给速度：连续（无级）：；min/11 . 0m断续（无级）：工作行程；/125 . 0mm(4) 磨头a) 砂轮轴中心线至工作台面距离：； mm480160b) 磨头垂直自动进给量：；mm02. 0001. 0c) 最小进给量：；mm0001. 0无锡太湖学院学士学位论文6d) 磨头垂直快速升降速度：；min/400mme) 砂轮尺寸（外径宽度内径）砂轮：；3220200f) 砂轮转速：；min/3000r(5) 工作精度a) 磨削表面粗糙度：；mRa03. 0b) 加工后表面对基面的平行度：。 mm002. 02.3 磨床总体布局设计磨床总体布局设计图 2.1 磨床总体外观图2.4 磨床的传动设计磨床的传动设计电机电机作为机床的动力来源，它的位置需要根据机床设计来确定，它将直接与IFK6 伺服电机连接，推动主轴电机转动，不将电机与工作台直接连接，可以有效的减少工作状态下的运动振幅，从而更好的提高了机床的加工精度。图 2.2 则为磨床传动的局部传动设计图.精密平面磨床微进给及微位移工作台设计7图 2.2 磨床局部传动设计图2.5 磨床主要组成部件及其功能磨床主要组成部件及其功能(1) 床身用于支承和连接磨床各个部件。为提高机床刚度，磨床床身一般为箱型结构，内部装有液压传动装置，上部有纵向和横向两组导轨以安装工作台和砂轮架。(2) 工作台有上下两层组成，上下工作台可相对于下工作台偏转一定角度，以便磨削锥面；下工作台下装有活塞，可通过液压机构使工作台往复运动。(3) 磨头磨头的转动，由主轴电机通过柔性联轴器驱动，前后支撑均为成对的高精度滚动向心推力球轴承。(4) 砂轮架其上安装砂轮，由单独电动机带动作高速旋转。砂轮架安装在床身的横向导轨上，可通过手动或液压传动实现横向运动。(5) 砂轮修整器砂轮修整器是安装在磨头上面的，用来修整平心个砂轮，它用三只螺钉经垫铁紧固在磨头体的上端。(6) 头架用于安装工件，其主轴由电动机经变速机构带动作旋转运动，以实现周向进给；主轴前端可安装卡盘或顶尖。(7) 尾架尾架安装在工作台右端，尾架套筒内装有顶尖，可与顶尖一起支承工件。它在工作台上的位置可根据工件长度任意调整。2.6 进给机构的分类及使用方法进给机构的分类及使用方法(1) 垂直进给机构分为数控控制进给和手动进给：a) 数控控制进给又称自动进给，由伺服电机驱动蜗杆，传动与其相啮合的螺旋齿轮，转动与螺旋齿轮刚性连接的丝杆副的螺母，移动丝杆使其与其固定连接的磨头架垂直运动。b) 手动进给在床身后，与伺服电机相连接的蜗杆轴上装有一直吃锥齿轮，转动相啮合的另一锥齿轮轴，通过蜗杆螺旋齿轮副可获得磨头上下调整移动，在平时，锥齿轮无锡太湖学院学士学位论文8对始终处于非啮合的脱开位置。(2) 横向进给机构分为手摇进给、手微进给和自动进给：a) 手摇进给将捏手松开，使斜齿轮与手轮空转，然后将手轮向前推，使齿形离合器向结合（此时拉杆已将齿轮与齿轮脱开）摇动手柄，经手轮，轴联轴器转动滚珠丝杆使滚珠螺母移动，带动了脱班横向进给运动。b) 手动微进给基本上与手摇进给相同，此时应将捏手拧紧，使挟持轮与收敛内结合在一起，然后使齿形离合器结合，转动蜗杆上的捏手（图中未示出）经蜗杆，斜齿轮啮合传动轴，其余传动与 a 同。c) 自动进给自动进给的动力为油马达，在它的输出轴上装有齿轮 12，经与它啮合的齿轮 11 然后转动轴 4，（此时应将齿形离合器 5 分开）经联周期 5 使滚珠丝杆转动，滚珠螺母是紧固在拖板上的，因此使拖板作横向进给。2.7 本章小结本章小结设计了磨床的基本构架，分析并选择了工作台设计中不可或缺的部件，参照科学合理的设计理念，对设计模型有大概的认识。砂轮架的设计在工作台整体中有着非常重要的作用，在了解砂轮架的特性和工作台配置以及加工条件下，合理选择砂轮架是工作台设计成功的重要原因。精密平面磨床微进给及微位移工作台设计93 砂轮的特性和砂轮的特性和修整修整3.1 砂轮的特性砂轮的特性砂轮是由磨料家结合剂用制造陶瓷的工艺方法制成的。制造砂轮时，用不同的配方和不同的投料密度来控制砂轮的硬度和组织。磨料、粒度、结合剂、硬度和组织这五个因素决定了砂轮的特性。砂轮架的设计应满足下列四点基本要求：(1) 主轴的回转精度要求高且稳定；(2) 主轴轴承系统的刚性好；(3) 振动小，发热低，不漏油；(4) 制造装配简单，调整维修方便。砂轮架旋转精度是指主轴前端的径向跳动和轴向穿动，它直接影响工件表面的光度和表面质量。一般平面磨床砂轮架（磨头）的径向、轴向跳动允差：。mm010. 0005. 0高精度的小于。而通过提高轴承的精度，提高主轴的加工精度，选择合适的轴向mm005. 0止推等方式来提高砂轮架的旋转精度。由于砂轮主轴做高速旋转，所以振动和发热对砂轮架正常工作影响较大。振动会使工件表面光洁度降低，产生波形缺陷；而且会使磨床精度很快尚失。砂轮架发热会使砂轮主轴膨胀，伸长，位移。前后轴承发热不均匀时，影响砂轮的正常工作以致发生“包轴”现象。可以采用以下措施来减小振动和发热：静平衡砂轮、对传动砂轮的电机进行动平衡、避免在主轴上装不对称零件、选用粘度比较低的润滑油。砂轮架在设计磨床中的结构特点：(1) 磨头在该磨床上经常做上下移动，因此要求体较小，重量轻，结构简易，但是相对于转动精度要求就要更高，故此采用高精度的滚动轴承。本磨床使用西门子 IPH7 型主轴电机，然后通过弹性联轴器把主轴电机和主轴连接起来，而主轴加上工出锥度，方便定位砂轮。主轴前后端为背靠背的向心推力球轴承（396110），轴承的接触角线向外扩散，加大了支承宽度，较为稳定，刚性好。前端固定，后端游动，装配方便。当主轴做高速转动时，内圈的轴向伸长量比外圈大，背对背排列不会因此增加轴承的负荷，从而保证了轴承的正常的运转。轴承前端一对轴承的内圈，由迷宫式螺母和轴肩固定，外圈由迷宫式螺母和轴体壳台阶固定，轴承后端一对轴承的内圈，由螺母和轴肩固定，外圈轴承盖和轴体壳台阶固定。这样做的轴向定位精度高，并可以补偿主轴的若身长。(2) 滚动轴承的密封采用迷宫式密封装置，工作性可靠，但结构较复杂，使用时要在间隙中填满润滑脂。轴承采用锂基润滑脂润滑。轴承的预紧措施采用修磨垫片法和调整不同长度的外壳套、内壳套，使轴承内、外圈移动行程预紧。无锡太湖学院学士学位论文103.2 砂轮修整器砂轮修整器3.2.1 砂轮修整器的设计砂轮修整器的设计精密零件的磨削加工中，圆弧形面的磨削尤其是轴承外环内滚道和内环外滚道的磨削是一个技术难点，而砂轮的修整对磨削精度起着重要作用。传统的砂轮修整是通过砂轮修整笔进行手工修整（图3.1为手动往复式砂轮修整器），或者采用成型修整器(如滚轮)进行修整。图3.1 手动往复式砂轮修整器设要求修整后的砂轮最小半径为，砂轮修整滚轮的半径为，砂轮截面曲线是半1r2r径为的半圆，则如图3.2所示，对修整截面上任一点； mm2r3 10BBZY ,XBB图3.2 砂轮轴线坐标系根据计算要求，砂轮在修整后点B处的砂轮半径应为，而实际修整后点B处的BX1r砂轮半径为，按图3.2的坐标系，有：RBBX1r精密平面磨床微进给及微位移工作台设计11B点和修整轮中心不在同一点，而指的是修整轮中心与砂轮中心的高度差：Z； 0Z,rYXB232B2B(3.1) ； (3.2)22RBB12Z22B1rXrrXr设：； 2B1rXrR代入式(3.2) 后有：； 2RB2Z2RR； 2RBRB22Z2R2RR； 0R22ZRB2RB由式(3.3)可以连列出的二次方程：RB； 24R4R212Z2RB ； (3.4)RZ22RB在任意三角形中，斜边总是大于另外一条边，因此：； 2B12RBB1rXrrXr所以：； 0RB上式(3.4)必须取正号，所以：； RR2Z2RB； 1RRR22Z2RB由麦克劳林公式： /n!xxf!1n/x0f!x0fx0f0fxfnn1n1n221； 10为前两式做近似值计算，有：； x0f0fxf1设：； X1xf则：； 10f； 0.50f1故：； 2X1X1； 22ZR21X1无锡太湖学院学士学位论文12代人上面式(3.12)，有：； 121R2ZRB； (3.5)R22ZRB根据(3.5)可知：与的平方值成正比，与成反比。砂轮与砂轮修RBZ2B1rXrR整器两者中心距的水平间距。砂轮修整滚轮的半径可视为常数，放入联立式mm35r2(3.1)、(3.3)和(3.5)可以得出作为、和的函数，即对应着不同的、和RB1rBYZ1rBY值，有不同的值。ZRB在使用磨床的过程中，在利用外圆进行磨削时，砂轮半径可在到的mm160mm200范围内变化，所以取进行计算，另外，将其与作对比，再分别取mm160r1mm190r1、，；参照以上数据可以得出下表3-3。mm1Zmm2mm2mm、1.414、0YB表3-3 修整后砂轮半径的误差值RBz1rBYBXRRB022270.002221.4131.413226.4130.002211902002250.002222045169.330.00289021970.002541.4131.413196.4140.002552001950,0025611602045148.120.00337022270.008811.4131.413226.4140.008832002250.008901902045169.330.01181021970.010151.4131.413196.4140.010182001950,0102021602045148.120.0130根据计算数据和表 3-3 可知：在实际应用半径范围内，两轴插补修整时，安装高度误差所引起的修整后砂轮半径精密平面磨床微进给及微位移工作台设计13误差并不大。即在这种情况下，砂轮半径取最小值，即、时，mm2Zmm160r10BX的最大值也仅。即通过砂轮修整器的修整，可以有效的减少因安装高度误差RBmm01. 0所引起的修整后砂轮半径的误差。图 3.4 为砂轮修整器零件图，砂轮修整的关键在于得到较高的修整精度，较好的表面质量。修整精度的高低决定磨削工件的尺寸精度和表面质量；较好的表面质量能保证对磨粒有较强的控制，磨削时有足够的排除碎屑空间。图 3.4 砂轮修整器零件图3.2.2 修整器摆角的设计修整器摆角的设计当砂轮位置固定时，为了保证修整刀具能够充分的工作，同时保证砂轮修整的精度要求，并且修整完毕修整刀具能够充分的脱离砂轮而不刮伤砂轮。因此圆弧修整的摆角，端面修整摆角和。如图3.5：70025020无锡太湖学院学士学位论文14图3.5 修整器运动示意图其中 1：端面修整 CBD2：圆弧修整 AB3：端面返回 DBC4：圆弧返回 BA3.3 砂轮修整的展望砂轮修整的展望得到较高的修整精度，较好的表面质量以及较高的修整精度是砂轮修整器的主要功能。然而，砂轮在刚刚开始使用的时候和磨损之后很难得到修整，如果想要达到指定的修整精度，则面临着严峻的挑战。 11新的修整工具、修整技术的发展应该趋于搞效率、高精度及高度自动化，因此，赋予了砂轮修整技术研究者新的使命：(1) 研究并开拓新的检查检测系统。应用计算机对修整过程进行控制，开发检测、处理、质量评价、控制一体化的修整系统，实现金属基金刚石砂轮磨削的智能化修整。(2) 以节约成本为宗旨展开砂轮修整的研究。开发修整低成本、高效率、高适应性、高工业化应用程度的金属基金刚石砂轮的修整技术为基本原则。(3) 对成形砂轮的修整技术展开研究。伴随着各种复杂外形加工零件的加工越来越多和各种高性能材料在各领域的广泛应用，对成形砂轮修整提出了更高的要求。因此，在成形砂轮修整器的基础上做出改进也是对修整技术的一个关键提升。 3.4 本章小结本章小结砂轮和砂轮修器整需要的零部件很多，在这里只能列出重要的部件来进行设计，并精密平面磨床微进给及微位移工作台设计15且通过计算说明砂轮修整器可以有效减少因安装高度误差所引起的修整后砂轮半径的误差对磨床及加工工件的精度影响甚微。在不增加加工误差的情况下，增强砂轮的实用寿命，并因此提高加工工件的加工精度，可见砂轮修整器在该工作台中的重要功能。无锡太湖学院学士学位论文164 微位移系统微位移系统4.1 引言引言美国和日本在微位移技术领域的研究水平处于世界领先地位。1985 年美国 LLNL 国家实验室研制成为用于大型光学金刚石车床的快速微动伺服刀架 FTS。该系统前端可装金刚石刀具，整个移动部件由前后两个弹性薄膜支承，内部装有两个差动式电容微位移传感器检测刀头位移量。该系统最大位移，分辨率为。m27. 1m5 . 2 n日本理化院研制成用于曲面磨削的工作台，工作台由三支压电陶瓷制动器做驱动元件，可加工球面及非球曲面，加工半径为的球面反射镜，半径误差为。此60mCiS0.16m外日本 Osaka 大学研制的微进给刀架的分辨率可达，最大行程为，响应频m005. 0m7 . 3率为。在国内，哈工大研制的车削用微进给刀架，采用压电陶瓷制动器做驱动元件，KHz2支承刀头部分为一对弹性膜，其受力状态可简化为双固定端梁在中间加载，结构简单、紧凑、体积小、易于控制、使用方便，其最大行程为，定位分辨率。m10nm2 12此外，中国长沙国防科技大，广东工学院等院校也都在进行这方面的研究，已经取得显著的进展。压电陶瓷制动器，虽然具有分辨率高，刚度高和响应快等优点，但其行程小使其应用受到限制，而日本 Kobe 大学采用步行机构制成大行程高分辨率的微位移进给机构，使得这一问题得到了解决。近年来，随着微电子技术，宇航、生物工程等学科的发展，对精密机械的精度要求越来越高，要求精密机械和检测设备具有亚微米甚至纳米精度。在精密加工和测量中，为实现刀具或工件的精确、微小位移，进一步提高分辨率，必须采用微进给系统。高精密的微进给系统是精密加工中的关键装置，它除了具有微量控制切削厚度的功能外，还可用来进行机床导轨直线度补偿，主轴回转误差补偿及非对称表面和非球面的加工等。微位移技术精密机械和一起实现高精度的关键技术之一。近年来，微位移技术得到迅速发展，广泛应用于宇航、机械、微电子领域，成为现代机械工业的基础。4.2 微位移技术的分类微位移技术的分类微位移技术包括微位移机构、检测装置和控制系统三部分组成，如图 4.1 所示。微位移机构是具有高灵敏度高精度的机构。图 4.1 微位移技术的组成精密平面磨床微进给及微位移工作台设计17微位移工作台控制技术的结构图如图 4.2 所示。图 4.2 微位移工作台控制结构框图微位移机构由微位移驱动器和微动工作台组成。根据微位移驱动器和微动工作台导轨行程可以分成以下五类： 13(1) 柔性支承，压电晶体或电致伸缩微位移器驱动；(2) 气浮导轨，伺服电动机或直线电动机驱动；(3) 滑动导轨，机械式或压电式驱动；(4) 滚动导轨，压电晶体或电致伸缩微位移器驱动；(5) 平行弹性导轨，电磁、电压或压电式驱动。根据行程微位移机构的机理，微位移器可以分为机械式和机电式两类。其类别如图 4.3所示。无锡太湖学院学士学位论文18图 4.3 微位移器的分类4.3 微位移系统的广泛实用性微位移系统的广泛实用性微位移系统在精密机械和仪器中主要用于提高运动的灵敏度和精度。随着科学技术的不断进步，对设备的精度要求也越来越高，微位移技术则越来越广泛。根据当前实际应用的范围，可以分为以下三个方面：(1) 精度补偿：精密工作台是高精度仪器和设备的核心，它的性能的优劣直接影响整机的精度。而在当今社会制造业生产中，效率问题成为衡量设备先进性的重要指标之一，因此，先进的设备和仪器中的运动部件，向高速度，高精度发展，以提高设备的工作效率。但是，高速度带来的运动惯量较大，对高精度有一定的影响。为解决高速度和高精度的矛盾，通常采用粗、精结合的方法来实现。(2) 微进给机构：在精密加工中，为了提高加工质量，往往采用微量进给运动，例如，超光滑表面的精加工，要求每次进给量为微米级，这是一般机械所难于达到的，用微位移机构很容易实现。(3) 微调：微调是精密机械中常遇到的难题，实现高精度、准确可靠的微调，是保证机构调整到正确位置的关键，特别是在车床运作时的动态实时调整，难度相当大，而微位移系统真是解决这类问题的关键。精密平面磨床微进给及微位移工作台设计194.3.1 微位移器件在磨床中所需要具备的条件微位移器件在磨床中所需要具备的条件位移的压电器件，应满足下列要求：(1) 压电灵敏度高，即单位电压变形大。(2) 行程大，电压-变形曲线重复性好。(3) 体积小，稳定性好、不易老化。压电陶瓷的主要特点是变形量小，即在压电陶瓷上施加较高的电压时，任然获得的行程很小。所以在设计微位移器件时，应该尽量提高压电陶瓷的变形量，以满足设计的要求。4.3.2 微位移行程的提高微位移行程的提高提高微位移行程有利有弊，其措施可以从以下几个层面考虑：(1) 增加压电陶瓷的成长度和提高施加的电压（或采用压电堆，提高变形量），此为常用的方法，但增加长度会使结构增大，而提高电压则会造成使用不便。(2) 减少压电陶瓷的厚度，可使变形量增加，但是减少压电陶瓷的厚度，会使机械强度下降，如果是承受较大的轴向载荷时，可能会破坏器件，在设计时应该兼顾机械强度。(3) 不同的材料压电系数不同，可根据需要选择不同的材料。(4) 压电晶体在不同的方向施加电压，产生的压电系数不同。4.4 压电、电致伸缩器件在微位移系统结构中的优点压电、电致伸缩器件在微位移系统结构中的优点压电、电致伸缩器件是本课题设计所采用的新型微位移器件。它本身具有体积小、结构紧凑、分辨率高、控制简便等优点，并且它没有热问题，这意味着它不会对该精密平面磨床产生因发热而引起的附加误差。采用这种器件制成微位移系统还能较容易的实现精度为的超精密定位，因此，作为理想的微位移驱动器，压电、电致伸缩器件m01. 0在精密机床中得到了广泛的应用。4.4.1 压电与电致伸缩效应压电与电致伸缩效应机电偶合效应机电偶合效应电介质在外加电场作用下，应变与电场的关系为：；2MEdE 式中：应变；：逆压电效应；dE：压电系数；dVm/；电场；EmV /；电致伸缩效应；2ME：电致伸缩系数；M22/Vm电介质在电场的作用下，会产生两种效应，即逆压电效应和电致伸缩效应，统称机电耦合效应。无锡太湖学院学士学位论文20电致伸缩效应：在外界电场的作用下，电介质因感应极化作用而引起的应变，该应变的大小与电场平方成正比，与电场的方向无关。逆压电效应：电介质在外界电场的作用下，产生应变，应变的大小与电场成正比，应变的方向与施加电场方向有关。逆压电效应仅在无对称中心晶体才有，而电致伸缩效应应在所有的电介质晶体中都存在，但是一般都比较软弱。压电单晶体如石英、罗息盐等的压电系数比电致伸缩系数打几个数量级，在低于 1的电场作用下，只有逆电压效应。MV/m 144.5 微位移系统的结构设计微位移系统的结构设计4.5.1 微位移工作台的组成微位移工作台的组成一个良好的微位移系统，需要一组性能良好的微进给机构，而微位移机构是精密加工中的关键装置。根据本设计的要求，并从位移精度、位移范围、机构刚度、预紧结构、剪应力传递和密封性能等等方面综合考虑，微位移工作台设计成立时结构，以电致伸缩陶瓷制动器作为驱动元件，推动板弹簧产生变形，并在计算机控制下输入精度的电压信号以产生相应的微位移。4.5.2 微位移工作台工作原理微位移工作台工作原理该系统包括宏进给定位工作台和微位移定位工作台。首先，机床工作台进行粗进给，即一级进给，粗进给工作台实现高速运动，满足磨削加工的高响应、高效率的要求。微位移工作台的具体结构见图 4.4。图 4.4 微位移工作台结构图1-电阻应变片；2-压盘；3-电致伸缩陶瓷；4-子紧弹簧；5-子紧螺栓；6-密封圈；7-密封帽；8-上平精密平面磨床微进给及微位移工作台设计21台；9-压紧圈；10-板弹簧；11-支撑套；12-基座。微位移机构工作台采用电致伸缩瓷驱动器和板弹簧组合的方式，利用子紧弹簧和子紧螺栓的微小弹性变形来传递位移，推动微动工作台，实现微量寄给，具有体积小，机构紧凑。无机械摩擦、无间隙等优点，。满足精密加工对微定位的要求。由图 4.4 可见，它由电致伸缩陶瓷制动器、板弹簧、支撑套、后套、基座、上平台、压紧圈、压盘、预紧螺栓、密封帽及 O 形圈等零部件组装而成。4.5.3 板弹簧的设计与用途板弹簧的设计与用途弹簧有各种各样的用途，例如：供给钟表的原动力、给运输车辆减震、称量物体重量、约束机械零件、行程弹性连续、发射和迟延导弹和飞行器、减轻不平衡的旋转机械对支承结构的周期性扰动力等。弹簧是一种对负荷很敏感的蓄能装置，其主要性能是能够容许很大的扰度而不致损坏并当负荷除去之后能回复到它原来的大小和形状，尽管大多数弹簧是机械弹簧，其效果能来自金属构件固有的弹簧；也可以采用液压弹簧和空气弹簧。为了使弹性材料发生变形，施加的力必须逐渐增大。根据定义，功等于作用力的平均值乘以距离。就弹簧来说，变形时所做的功是作为弹性势能储存在弹簧里的，当负荷减去时，弹性势能就会再释放出来。而储存在弹簧里的能量可用来减振或推动机构。板弹簧是微位移工作系统中的主要变形元件，它的设计，计算十分重要。微位移工作台的行程很小，约小于，所以板弹簧在强度能满足的前提下，变形量却不大，为m20此主要计算板弹簧在电致伸缩陶瓷推动力作用下其变形量是否能达到设计要求。板弹簧作为微位移工作台中的弹性元件，其厚度远小于平台与压盘的厚度，所以可以将上平台和压盘视为刚体，装配时上平台、板弹簧，压盘紧密连接。因此，板弹簧，上平台与压盘连接部分不发生形变，则板弹簧可简化为外径 2a，内径 2b 的弹性圆环，内嵌直径为 2b 的刚体，二者之间刚性连接。工作台受力模型可简化为图 4.5。图 4.5 工作台受力模型4.5.4 预紧力与系统分辨率预紧力与系统分辨率分辨率是指机构输入信号改变某一最小量值时，微位移机构最大的变化量，其值为：无锡太湖学院学士学位论文22；02S/f 式中：系统的分辨率；f：微位移机构最大的位移量；s：控制系统的精度。n由上式可知，系统分辨率与系统最大位移量 s 成线性关系。电致伸缩陶瓷制动器的f位移量随着载荷的增加而减小。当预紧力增大时，随着陶瓷致动器位移量的减小，系统的位移量也减小，但由于消除了间隙，提高了接触刚度，在不提高控制系统精度的情况s下，可以提高系统的分辨率。 15预紧力增加，可以使微进给机构的刚度、频响和分辨率提高，但同时会减少微进给机构的工作行程。因此根据实际情况，在不超过陶瓷制动器设计载荷的前提下，施加合理的预紧力。4.6 本章小结本章小结微位移系统的分类、设计、实用性的合理分析是本章内容的关键，也是整个精密平面磨床设计的核心骨干，在设计方面查阅了很多的资料，筛选的过程数据虽然冗杂但是在耐心仔细钻研下都被一一攻克。弹簧板和预紧力分析更是将工作台的精密性和可靠性得到了提升。精密平面磨床微进给及微位移工作台设计235 微进给机构系统的设计微进给机构系统的设计5.1 微进给机构的结构和特点微进给机构的结构和特点根据平面磨床加工的不同工作情况，采用垂直微进给机构可以使得磨头得到手动进给、自动进给、快速升降等运动。其中自动进给和手动进给是该机构主要结构和特点：(a) 自动进给由伺服电机驱动蜗杆，传动与其相啮合的螺旋齿轮，转动与螺旋齿轮刚性连接的丝杆副的螺母，移动丝杆使其与其固定在连接的磨头架垂直运动。(b) 手动进给在床身后，与伺服电机相连接的蜗杆轴上装有一直吃锥齿轮，转动相啮合的另一锥齿轮轴，通过蜗杆螺旋齿轮副可获得磨头上下调整移动，在平时，锥齿轮对始终处于非啮合的脱开位置。 16手动进给是自动进给此外，垂直进给机构与横向进给机构最大的不同点是：垂直进给机构中往往有一个转向的传动副，如锥齿轮、涡轮蜗杆副等。如垂直进给机械机构装配图（图 5.1）所示，可得出本磨床垂直微进给机构的结构和特点。无锡太湖学院学士学位论文24图 5.1 垂直进给机构装配图图 5.2 进给机构示意图精密平面磨床微进给及微位移工作台设计255.2 确定微进给机构设计方案确定微进给机构设计方案数控车床靠步进电机带动滚珠丝杠传动，由于滚珠丝杠可以有过盈量，传动无间隙，精度主要靠机床本身和程序保证。在加工过程中可以自动测量，并能自动补偿刀具磨损及其他原因产生的误差。所以加工质量好，精度稳定。还可以用编程的方法车出形状复杂，普通车床难以加工的零件。适合精度高，批量大，形状复杂的零件。但小批量生产也很好用。但它的维修费用较普通车床高。提高本磨床的精度和运作平稳性是首要问题，于是我把原有机床的滑动螺旋副改进为滚珠丝杆螺旋副。由于滚珠丝杆不能自锁，在垂直传动时，须在系统中附加自锁或紧急制动装置。而在考虑上述这个问题的同时，又考虑到需要降低转速来保证磨床的安全性；于是在设计中采用了涡轮蜗杆传动（图 5.3 为 MGB6120 蜗杆轴）。涡轮蜗杆传动具有自锁功能、传动比大的特点；不仅解决了滚珠丝杆必须在系统中附加自锁活制动装置的问题，还是得运转速度能降低到要求的范围内。图 5.3 MGB6120 蜗杆轴5.2.1 对微量自动进给机构的基本要求对微量自动进给机构的基本要求：(1) 灵敏度高能实现所需的最小进给量为了保证灵敏度较高，微量进给机构应minS具有高刚度。根据灵敏度要求确定微量进给机构的刚度计算条件。 (2) 平稳性好在低速进给是速度均匀，不出现爬行。因此，对于低速进给还应不出现爬行的条件确定传动系统刚度的计算条件。(3) 精度高多数微量进给机构执行部件的定位精度直接决定工件的加工精度，因此无锡太湖学院学士学位论文26应按所需加工精度确定进给精度和重复定位精度要求。(4) 结构简单调整方便，操纵轻便灵活5.3 滚珠丝杆副的优点滚珠丝杆副的优点滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其他直线运动副相比，有下列优点：(1) 传动效率好。(2) 运动平稳。 17(3) 高耐用性。(4) 高可靠性。5.3.1 滚珠丝杆的设计计算滚珠丝杆的设计计算负荷与转速的计算丝杆轴向负荷为；NFm1500伺服电机最高转速为；min/ r2000Mn丝杆转速为；133r/min=302 2000=iMsnn 预取丝杆导程；mm5l 丝杆的等效转速；min/ r805400mn初选丝杆寿命,根据工作条件查表得h15000hL，35. 111watfff；62. 01khff，等效轴向静载荷：；136001080150006062. 011135. 115001060F316316mmhvhatwaenLfffffC式中：温度系数；tf：精度系数；af：负荷性质系数；wf：硬度系数；hf：可靠性系数；kf：等效负荷；mF N：等效转速；mnmin/ r由此选插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，型号 CMD20055；，。NCa15338NCae36704螺母长度，余程。mm108Lmm20cl螺纹长度；528202108380uL取丝杆全长为；650L精密平面磨床微进给及微位移工作台设计27轴承的选用：采用成对推力球轴承，轴承型号为 8209GB301-84。其尺寸参数为：、。mm45d mm73D20B技术参数：额定动载荷、。NC37400NC852000计算轴承额定动载荷：；CPffCnL式中：寿命系数，并且；Lf310500hLLf：转速系数。nf式中：可靠性为 90的额定寿命，取为；hL10h15000得；11. 3500150003Lf又；747. 0803 .333 .3333mnnf将、代入，得；LfnfNNC3740062451500635. 011. 3可用。5.3.2 梯形螺纹丝杆压杆稳定性校核梯形螺纹丝杆压杆稳定性校核临界载荷公式为：0F 220lEIF式中螺杆材料的弹性模量，。E211m/102NE 螺杆危险截面的轴惯性矩，。I6441dI122.5dmm 长度系数，；2 螺杆的最大工作长度；l0.5lm；NF256045 . 0210645 .2210214. 321241120 工作载荷；F1500FN所以满足压杆稳定性条件，可以选用。04FF5.4 垂直微进给电机的功率计算垂直微进给电机的功率计算各轴输入功率分别为：；11KPPed；3212KKPP ；5423KKPP 无锡太湖学院学士学位论文28；dKPP 3式中：刚性联轴器的传动效率；1K ：深沟球轴承的传动效率；2K ：涡轮蜗杆副的传动效率；3K ：推力球轴承的传动效率；4K ：普通丝杆螺母副的传动效率；5K ：载荷系数；K：电动机的额定功率；edP ：蜗杆轴的输入功率；1P ：丝杆螺母的输入功率；2P ：丝杆的输入功率；3P ：计算功率；dP；dPmgv式中；min/mm40010150mvgkg，123454002 150 9.81000 4001130.98 0.98 0.75 0.98 0.25edKmgvPWK K K K K所以选择西门子 IFK6 交流伺服电机，电机功率为。KW.205.5 本章小结本章小结透过微位移系统折射到本章微进给机构的设计理念，微进给机构系统作为本工作台得以运行的核心机构，而设计所需要计算的数据的确庞大。微进给机构中的滚珠丝杆、梯形螺纹丝杆压杆稳定性以及电机的计算功率都需要进行精密的计算，由得出的数据进行分析，选择最合适的机构部件，使得精密平面磨床工作台的框架基本完成。精密平面磨床微进给及微位移工作台设计296 数控硬件电路设计数控硬件电路设计6.1 引言引言数控机床是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备，是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物。 18数控编程方法分为两种，风别是：手工编程和自动编程。手工编程：主要由人工来进行从零件图样分析工艺处理、数据计算、编写程序单、输入程序到程序校验等各步骤的编程过程。它适用编程易于实现的场合。例如于点、位加工、几何形状不太复杂的零件的加工，计算较简单，程序段不多，编程易于实现等。当然对于几何零件较为复杂的数控编程加工，以及那些集合元素不复杂但是编制程序量需求很大的零件，因为编程事的计算数据相当庞大，工作内容繁琐，且极易出现错误，程序的检测验收也是相当的苦难，手工编程在这里就受到了极大的限制。因此要采用自动编程。所谓自动编程即程序编制工作的大部分或全部有计算机完成，可以有效解决复杂零件的加工问题，也是数控编程未来的发展趋势。同时，也要看到手工编程是自动编程的基础，自动编程中许多核心经验都来源于手工编程，二者相辅相成。6.2 840D 数控系统说明数控系统说明数控机床是一个十分复杂的系统，它由程序输入装置、数控装置、伺服驱动系统、辅助控制系统和运动系统等组成。840D 数控系统是西门子数控系统中的一款高性能、低价位的数控系统。6.3 840D 数控系统组成数控系统组成840D 型数控系统的组成主要有以下几个部分：(1) 板控制单元和全数控的键盘；(2) I/O 模块 PP72/48 为 PLC 部分，其提供了 72 点数字输入河 48 点数字输出；(3) 机床控制面板（其中包括有机床操作所需要的全部按钮，如果工作墨台选择选钮、倍率开关、NC 启动和进给保持按钮、各轴正、负点动钮、电子手轮、相应机床动作的控制按钮等等）；(4) SIMODRIVE 611 驱动系统和交流伺服电机为 CN 的执行单元。SIMODRIVE 611驱动系统和交流伺服电机为 CN 的执行单元。(5) SITOP 电源，需要直流电源供电，而且要求电源应保证在恶劣的电网波动下能保持精确稳定的输出。(6) 根据 SIMENS 公司的建议：系统应使用两个独立的支流电源，一个用于 840D 的PCU、PP72/48 和输入信号的公共端，而另一个则为 PP72/48 的输出信号供电。6.4 840D 数控系统的连接数控系统的连接840D 数控系统主要有三大部分组成：输入装置，数控装置和辅助装置。输入装置由电源馈入模块，驱动模块，端子转换模块，这三个主要模块构成。图 6.1 为 840D 数控系无锡太湖学院学士学位论文30统的输入装置。图 6.1 84

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