4374轴承内圆磨床自动上下料系统设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4374轴承内圆磨床自动上下料系统设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,轴承,磨床,自动,上下,系统,设计,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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机电工程学院 毕业设计 任务书 题 目 : 轴承内圆磨床自动上下料系统设计 学生姓名： 杨 洋 学 号： 2004141034 专业班级： 机 自 0401 指导教师： 马 玉 平 2008年 2 月 25 日 1 毕业设计任务书 1本毕业设计课题应达到的目的： 小型深沟球轴承是使用量较大的轴承产品。其生产方式为大批量生产。由于行业的竞争日益激烈，生产厂家特别重视产品的质量和加工效率。在深沟球轴承内圈的加工工序中，内圈磨削是一种瓶颈工序，也是关键工序。传统的手动和半自动内磨床难以满足使用要求。因此，有必要设计开发以提高加工效率和质量为目的的全自动轴承内圈内圆磨床 。轴承加工是以大批量为特征的，因此加工设备不仅要保证轴承所要求的各项精度而且效率也是一个很重要的指标。所以上下料的辅助时间是可以考虑缩 短来提高效率的。而随着轴承工业的发展，对轴承磨床的加工精度也提出了更高的要求。尺寸精度是轴承加工中控制的一项关键之一。所以我们有必要去对上下料系统进行研究。该课题有利于提高学生的 （ 1）综合应用能力（ 2）应用参考文献的能力（ 3）设计能力（ 4）计算能力（ 5）计算机应用能力（ 6）分析问题的能力（ 7）创新能力等 。 2毕业设计任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 1， 根据给定的零件，利用三维实体造型软件造型； 2， 编制零件加工工艺； 3， 总装配图一张； 4， 上下料系统部件图； 5， 主要零件图； 6， 英文翻 译一份； 7， 毕业设计说明书一份 3对毕业设计成果的要求包括毕业设计、图表、实物样品等： 1开题报告 1 份，不少于 2000 汉字 2外文文献翻译 1 份 ，不少于 3000 汉字 3实习报告或方案论证报告 1 份 4图纸量不少于零号图纸 4 张 5完成设计说明书（含毕业设计心得） 1 份，格式规范 2 4主要参考资料： 机械制造技术基础 机械工业出版社 1999 机床备件手册 机械工业出版社 1999 机械制造工艺学 机械工业出版社 1999 金属切削机床 机械工业出版社 1999 机械设计 机械工业出版社 1999 机械优化原理与设计 中国计量出版社 2001 机械系统设计 哈尔滨工业大学出版社 2001 机械设计手册 机械工业出版社 2001 磨床 机械工业出版社 1999 磨床常见故障诊断与检测 机械工业出版社 2001 机械制造技术装备及设计 机械工业出版社 2000 12.金属切削机床夹具手册 机械工业出版社 1993 13.凸圆外圈微型深沟球轴承外形尺寸 机械工业出版社 2001 14.磨床设计制造基础 机械工业出版社 2002 3 毕业设计任务书 5毕业设计工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2008年 2月 25日 3月 30日 完成毕业设计方案论证报告 2008年 2月 25日 3月 30日 完成外文资料翻译 2008 年 4 月 1 日 5 月 1 日 完成毕业设计图 纸 2008 年 5 月 2 日 5 月 20 日 设计说明书编写 2008年 5月 21日 5月 31日 毕业 设计说明书 修改 年 月 日 月 日 年 月 日 月 日 系审查意见： 负责人： 年 月 日 院学术委员会意见： 负责人： 年 月 日 论文 )外文资料翻译 设计 题目 : 轴承内圆磨床自动上下料系统设计 译文题目 : 手摇砂轮机 自动磨削系统的 建模与仿真 院系名称： 机电工程学院 专业班级： 机自 0401 学生姓名： 杨 洋 学 号： 2004141034 指导教师： 马玉平 教师职称： 副教授 附 件： 指导教师评语： 签名： 年 月 日 附件 2004)23:874 881 手摇砂轮机 自动磨削系统的 建模与仿真 原文章 手摇砂轮机 自动 磨 削 系统 的 建模与仿真 摘要 本文研究了一个由 磨削力控制 的 自动 磨 削 系统 的 磨 削 加工 模型 削 系统 利 用了 电动 手摇砂轮机 ，该系统 由 数控 加工 中心和力传感器测力 所驱动 。 最初用一系列的弹簧来替代该 模 型中的灵活的自动 磨 削 系统 。 该 项研究 也包含 了 各 零件刚度 的 估算。同时研究 发现，该模型可以简化成一个单一弹簧质量系统。 为了控制磨削力设计了 相应的 该控制器 可以 根据 力传感器 所 测 出的 力 计算出合适的数控机床 的 主轴位移。计算机模拟结果表明，该系统 设定 时间小于 关键词 应用 磨 削 磨 削 系统 仿真 自动 磨 削 系统 1 引言 据了解，这 种磨削力 的控制，可 以 改善模具和模具 1， 2， 3， 4， 5， 6 的磨削效果 ，因此 动 力控制已成 为 磨 削 和表面处理工序 中的一个重要的程序 。近 年来 ，电 动手摇砂轮机 已成为模具 和模具 表面抛光 加工的一种通用 方式 。 这种由 数控 加工 中心驱动的 电动 手摇砂轮机 已被列入自动表面 加工 系统 7， 8 。但是，这些系统相应的 磨削力 控制技术 并 没有得到发展。因此， 本文 中 提出了 手摇砂轮机的 自动 磨 削系统的 磨削过程 模型 ， 并且设计 出 了相应的 制器 。该系统类似 于 7, 8,， 其中 力传感器是 用来 为 工件 测力 的， 该系统 如 图 1所示。 在本文中所提出的模型 ， 在磨 削 系统 9和磨 削力控制实验 中均 已实行。 一些 磨削力模型已 经 提 了 出 来，其中一个很好的模型即 1992年由以 提出 10 。在这些模型中 ， 正常磨削力 基本上和 切削速度，工作接触 面的多样化以及转盘 直径 有关 。最近 1， 詹金斯和库费斯 12等人 提出 了这种 模 型： Q= V （ 1） 其中 Q 是 材料 的去除率，向力 ， V 是相对速度 ，个模型是由 13提出的 一个结合 模型，在这个模型 中，法向 磨削力 和 材料去除率成正比，并遵 循 程 14， 可见 ，正常力 反比于轮和工件的相 对速度。这个模型 被 15采用， 16对 磨削力 进行 了 估 算， 18 和 19等人建议了 类似的模型 。17在一系列的焊缝磨削系统研究 中 ，他们 利 用 了 表达 式 Q=1） 其中 功率 积 。 上面所讨论 的 所有模型 都涉及到 砂轮。迄今为止，用球形工具 的 电 动手摇砂轮机的过程模型还没有 出现 。 对于 这种磨削工序， 之 前的结果 20表明旋转速度 对 磨削力 的影响不 大 ，因此 公式 1 中的 速度 在本模型 中 。同时，以前所有的机器 模型柔量也 没有考虑 在内 。在 本文 中， 也包含了 磨 削 系统 的柔量如 图 1所示 。 2 磨削过程模型 在 系统显示图 2 之后的 系统显示图 1 成为了 范本 。在 该图 中， M 和1表电 动手摇砂轮机的质量与刚度 （包括图 1 中的夹具和连接物 ），2刚度 ，它 被 定义 为法向 磨削力 和 磨削深度 的比 （假设为一个常 数 ）。符号M 和3量和 工件的 刚度，4传感器 的刚度 。 位移1x, 2x, 3因此，重力势 能 可以忽略 不计 。在图 2中 工 中心施加的力 。此外，在本模型中， 法向 磨削力 和 磨削深度 的比 假 设为 恒定值2K，但实际 中 ，磨削力和磨削深度 的关系有可能是 非线性 状 。 符号实际磨削力 =2K 2X+ 弹簧组1K,2K, 和 3 k 的弹簧 K,3 的估算 都列在附录 中 ， 同时 发现2效弹簧常数 K 。一般 情况下，2度远低于 力传感器 的刚度4K，因此 可以 在当前系统中 ，4K/10 ， 根据 这种推测（4， 可假定4K 4x 0。 该模型如图 2所示，可简化为图 3。 系统的运动方程如下 P(t)+dF(t)-F(t) = M 1x (3) 当 F(t) = ) 是弹簧力。 两边微分可以得到 F (t)= K 1x (5) 联立公式（ 5）和（ 3）得出 P(t) +dF(t) F(t)=t) (6) 对公式（ 6）两边进行拉普拉斯变换，可得 P(s) +dF(s)-F(s)= 2) (7) 由这些方程可画出 过程模型框图， 如图 4所示 在这个框图 中 ， 输入 P(s)是 数控 加工中心提供 的力 ， 变量dF(s)是 前面定义的 非线性磨削力，输出 F（ S） 是力传感器 所测出的力 。框图 的函数式为)=F(S)/P(S)，利用公式 7，同样假定dF(s)=0，可得 () 2( ) 1()R(8) 3 控制器设计 本文 中 ，运用了 把它 表示为)= 磨 削 系统的框图如 图 5 所示 。在 该图中 ， F*(S)是 输入附加力， F（ S） 是 力传感器测 的 值 ，并且方程 e(S)=F*(s) )是误 差 。为了调查该系统 是否 可控制在稳定状态下 ，失调时的力dF(s)可设 为零。 根据 图 5 和 方程 8， 图 5中的 系统传递函数 G（ s） 可以得出 在稳定状态 下 ， 0S ，方程 9可以 假定 这意味着 F(s)=F*(s)，因此，该系统可控制在稳定状态 下 。 由于 F(t)=t)， 区 分表达式 的 两边 ，可以发现 F (t)=K 1x =KV(t) （ 11） 在这里 V(t)是主轴 的 速度。 由 拉普拉斯变换 公 式，可 得 到 1( ) ( ) ( ) S K S s K V S（ 12） 因此， 图 5 中的术语) 可以用 表达式中的代 ， 此外， S)=0 的 条件 是有恒定的 磨削力，框图 5可以转变为 图 6 。 该图的传递函数可表达如下 （ 13） 电流传递函数 中的 分子多项式 的次数 比 由 等式 9 定义的 传递函数 的次数低一级 ， 这 意味着 电流传递函数 的 零点 少，并且对 极点 的 影响 不大 。 同时， 将 图 5中的框图误差 e(s)微分 一次。 这意味着 减小的 噪 音 会被 扩 大， 并且 这种情况不会发生在当 前的方框图 中 。因此，在随后的讨论中， 会用到图 6的方框图 。 为了确定控制器 的 增益，明显的 一点是把等式 13的分母化为 一个 三次 多项式，可 以 写 为 由于 分析一个三次多项式相对 比较难， 现在主要的 是 把他 转化为 一 个二次项 ，把两个复杂的根假设为简单的根 ， 要求二阶系统 的最大超调量 不超过 3 ， 可以得到下面的 关系 式 即 2/1 或 ，确定系统增益 的第一次实验 ， 规定 时间 可 任意设为 可以得到 因此,且度每秒 。 角 度 （见图 7 ） 可 取值 为 1或 因此特征方程（即方程 g(S)=0, 见方程 14） 的复 数 值是 S= -8我们的构想是让第三极远离这两个复杂极。S=意 选取的 ，因 此等式 14可 以转化为 比较最后一个方程的 系数和等式 13的 分 母。可以 得到 下面的关系式 K 值在附录中 可估算 为 K=10 牛每米 ， 且手摇砂轮机 （ 夹具和连接物 ）的质量 M=5千克 ， 把这些 值 代入 18a ,18b， 18c， 可以得到和于系统的增益 是 不能 忽略 的， 因此设定时间 固有频率n取 新的值 的第二次实验 是 有 必要的。 在 第二次 实验中 ， 规定 时间 设为 n=4且n=16， 按照 第 一 次实验的相同 步骤，两个复 数值 可被认定为 s=在假 设 第三极在点 S=45，则特征方程 3S +77 2S +1895S +20466 = 0 (19) 比较相应的系数后可以得到 这意味着 等式 13中的分子的根为 0， 即方程 0 （ 21） 将 上述值 代 入这个 方程 ， 可以发现最低点是 S=因此， 等式 13 的 传递函数 可写为 注：稳定状态下 ，当 S 0 时 G(S)接近 1. 4，模拟结果和讨论 利 用商业软件 以得到系统响应 。在模拟程序 中 ， 弹力 常数K=10 牛每米 ， 手摇砂轮机 （ 夹具和连接物 ） 的质量 M=5 千克 ， 系统增益是采样时间选择 为 图 6方框图 的闭 路传递函数是 利用刚得到的 系统增益， 可以画出 闭环传递函数 23 的相应 轨迹图 ， 即 图 8。方程 22 中的 三个 极也显示在该图中 。 从图中 可以看出，无论是 零 点 和第三极 都比最高复数根更 远 离 虚轴，使 它 们对系统有不可忽略的影响力，因此该系统可近似 于第二个 。 利用 刚刚得 到 的 系统增益 ， 传递函数 G(s)的 波德图 由 方程 13 可得出 （没有控制器的过程模型的 波德图 在图 9 中已给出）可以画出如图 10 所示 。比较 该 图 和 没有控制器的过程模型波 德图 ， 可 以 发现共振数量已大为减少。 同时图 9中的 相位 角大约 是 180度 ， 这和在不稳定状态下图 10中的 相位角 近似于 45度是一致的 。 由于磨削力控制系统 采用 步进输入 ， 有无控制器 的 磨削过程 的阶跃响应已 作对比 这一事实， 图 11显示 没有 控制器 的 阶跃响应， 图 12显示 有 设计控制器 的 阶跃响应 。 在没有控制 器的 系统中 ，在不 稳定状态 和 系统力控制 下 磨削力振荡， 建立 时间小于 ， 最大超调量 少于百分之三。这些 系统增益 （即K=已使用 于 力控制 的 自动 磨 削 系统 中。 结果表明，表面粗糙度可 以 减少 9。 五，结论 在本 文 中， 提出了一个 动 力控制系统 的 磨削过程模型 ，该系统利 用 了 数控 加工中心 ，电动手摇砂轮机和 力传感器 。 力 控制系统 由弹簧质量系统 表现出来。根据弹簧质量系统 可以测算每个工件的 刚度， 并且 这个 弹簧质量系统可 以 进一步简化。 以简化系统 为基础 的 制 器 已经设计出来 ，该控制器的增益 是 利用商业软件算 的 。测算结果表明 ， 规定 时间小于 大超调量 少于 3是 可 以 得到的。 附录：刚度常数的测算 手摇砂轮机的刚度（夹具和连接体 ） : 13中 ， 示 长度 为 a 和 角为 的连接体 。 示标准状态下的 b，因为正常的磨削力 用， 所以 应位移 （即 连接体 ， 夹具 ， 手摇砂轮机的合并部分 ） 在 C 点是 Z， 这 是 分 两个步骤测算的 。首先 ， 紧紧固定在主轴 上，并且可以由 悬臂梁 表示。 如图 14所示 ，由于磨削力 和力矩 在 角是 B 部分的 弹性模量和 惯性 面积 矩 。 其次， 分 也是 以悬臂梁 为 模型 ， 并且 它 最初有 一个倾角b，如图 15所示 。 该梁在 度由 负载给出 性模量和惯性 面积 矩 。 轴方向的总位移 可近似 于这样的 关系 因此 点 轴的 位移 是 连接 件 弹性模量 为10 不锈钢做成的 。 手摇砂轮机 是 不锈钢和铝合金 的结合体 ， 且0 后来人 们发现 只要 在 70 ）和 210铁）之间的值都可以使用 ， 并且很少影响最后的结果。 和利用关系 式 I= 4d /64,可 分别 确定10 米和 10 米 。将这些值 ， 长度 a=b=角 =30度代入方程27，可以得到 Z=10 P， 那么第一个弹簧的刚度1K=P/ Z=10 N/m。 材料去除过程 的刚度 ： 2削深度 的 磨削力 可由 图 1 (示的 力传感器 测 出 。进给速度为 20毫米 /分钟，转速 为 20000且 刀具直径为 法向 磨削力 可由不同的 磨削深度 测量 。 磨削深度 和 平均磨削力 的曲线关系 可 绘制 为 图 16， 大体上是 线性 关系 并且 坡度 等于 刚度2K，因此 近似于2K=10 N/m 。 工件的 刚度 ：3度3限元 法 测算 。举例来说 ， 9用 样本做出了尺寸为404015 成的 钢 。利用商业软件 当力为 100该中心的 位移 可算为 10 m， 因 此 刚度3K=10 N/m。 K,和3效刚度 等效刚度 将1K,2K,3式 28， 可得到 K=10 N/m。 从 中可以看到，1远大于2K，因此 可得， 等式 28的 右 边和等效 刚度 力传感器的 刚度4K： 力传感器 ( 操作手册 已给出了4K=10 N/m。 附件 机电工程学院 毕业设计方案 论证报告 设计题目 : 轴承内圆磨床自动上下料系统设计 学生姓名： 杨 洋 学 号： 2004141034 专业班级： 机 自 0401 指导教师： 马 玉 平 1 目 次 1 轴承内圆磨床自动上下料系统概述 2 课题来源和意义 2 课题研究现状和发展趋势 2 课题的设计任务与技术要求 4 2 轴承内圆磨床自动上下料系统设计的主要工艺参数和设计方案 5 上下料方案设计 5 上料机构“双料”故障的成因和预防 7 论证结果 10 参考文献 11 2 1 轴承内圆磨床自动上下料系统概述 课题的来源与意义 课题的背景与意义 轴承内圆内圈磨床是指用于磨削轴承内圆的专用磨床。五十年代，开始逐步发展了切入式轴承专用内圆和外圆磨床；至八十年代，随着机床基础元件技术的发展，特别是电子技术的高速发展，轴承套圈内圆和外圆磨床的技术的日趋完善，相继出现了 制轴承套劝内圆和外圆磨床及 制的轴 承套圈内圆磨床，使现代控制技术与先进的机床功能组件相得益彰，大大提高了机床的自动化程度、可靠性、工作精度和生产效率。 迄今为止，较著名的轴承磨床制造厂主要有：美国的勃兰恩特、希尔德；西德的奥佛贝克；意大利的西马特、法米尔、诺瓦；日本的精工精机、东洋工业公司；东德的柏林机床厂、卡尔马克思城磨床厂等。 本课题为生产轴承的企业提出的实际课题。小型深沟球轴承是使用量较大的轴承产品。其生产方式为大批量生产。由于行业的竞争日益激烈，生产厂家特别重视产品的质量和加工效率。在深沟球轴承内圈的加工工序中，内圈磨削是一种瓶颈工序，也是关键工序。传统的手动和半自动内磨床难以满足使用要求。因此，有必要设计开发以提高加工效率和质量为目的的全自动轴承内圈内圆磨床。 课题设计要解决的问题 轴承加工是以大批量为特征的，因此加工设备不仅要保证轴承所要求的各项精度而且效率也是一个很重要的指标。所以上下料的辅助时间是可以考虑缩短来提高效率的。而随着轴承工业的发展，对轴承磨床的加工精度也提出了更高的要求。尺寸精度是轴承加工中控制的一项关键之一。所以我们有 必要去对上下料及进给进行研究。 在学校翻阅图书馆大量文献，研究出初步的设计方案。 去工厂进行实地考察，结合书本知识，得出最佳设计方案。 课题研究现状和发展趋势 随着轴承工业的迅速发展，对轴承磨床的加工精度、效率、可靠性提出了更高的要求。尺寸精度是轴承加工中控制的一项关键精度之一，而磨床的进给机构直接 3 影响轴承套圈加工的尺寸精度。因此，随着轴承质量要求的不断提高，需要更加精密高效的磨床进给机构。 磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。 小型深沟球轴承是使用量较大的轴承 产品。其生产方式为大批量生产。 由于行业的竞争日益激烈，生产厂家特别重视产品的质量和加工效率。在深沟球轴承内圈的加工工序中，内圈磨削是一种瓶颈工序，也是关键工序。传统的手动和半自动内磨床难以满足使用要求。因此，有必要设计开发以提高加工效率和质量为目的的全自动轴承内圈内圆磨床。 课题国内外研究的概况 十八世纪 30 年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。这些磨床是在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的，它们结构简单 ，刚度低，磨削时易产生振动，要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。 1876 年在巴黎博览会展出的美国布朗 首次具有现代磨床基本特征的机械。它的工件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，箱形床身提高了机床刚度，并带有内圆磨削附件。 1883 年，这家公司制成磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。 1900 年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。例如20 世纪初，先后研制出加工气缸体的 行星内圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。自动测量装置于 1908 年开始应用到磨床上。 到了 1920 年前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成使用； 50 年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床； 60年代末又出现了砂轮线速度达 60 80 米 /秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床； 70 年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。 随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不 断的提高和增长。 4 内圆磨床和其他磨床一样，在提高效率、自动化程度和万能性方面有较大的发展。但精度提高得很慢。十多年来，内孔不圆度最佳值一直保持在 1 m 之间，最高表面粗糙度 为了适应大批量生产，各国都出现一批自动内圆磨床，如美国海尔特公司的 内圆磨床，美国 司的 内圆磨床，德国 内圆磨床。 课题的发展趋势与应用对象 磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。 外圆磨床 是使用的最广泛的，能加工各种圆柱形和圆锥形外表面及轴肩端面的磨床。万能外圆磨床还带有内圆磨削附件，可磨削内孔和锥度较大的内、外锥面。不过外圆磨床的自动化程度较低，只适用于中小批单件生产和修配工作。 内圆磨床的砂轮主轴转速很高，可磨削圆柱、圆锥形内孔表面。普通内圆磨床仅适于单件、小批生产。自动和半自动内圆磨床除工作循环自动进行外，还可在加工中自动测量，大多用于大批量的生产中。 平面磨床的工件一般是夹紧在工作台上，或靠电磁吸力固定在电磁工作台上，然后用砂轮的周边或端面磨削工件平面的磨床；无心磨床通常指无心外圆磨 床，即工件不用顶尖或卡盘定心和支承，而以工件被磨削外圆面作定位面，工件位于砂轮和导轮之间，由托板支承，这种磨床的生产效率较高，易于实现自动化，多用在大批量生产中。 工具磨床是专门用于工具制造和刀具刃磨的磨床，有万能工具磨床、钻头刃磨床、拉刀刃磨床、工具曲线磨床等，多用于工具制造厂和机械制造厂的工具车间 。 轴承套圈磨床是磨床的一个重要分支。我国的轴承套圈磨床已经全部实现了自动化生产，现在正在使用的大批量高精度的轴承生产已经广泛采用自动线生产，代表着世界先进水平的轴承磨超自动线已经大量的出口世界各地。我国的轴承 磨床制造企业为我国的精密磨床发展做出了卓越的贡献。 课题的设计任务与技术要求 在之前的轴承内圆磨床的技术参数上进行改进，把原来的半自动化改成自动化程度更高的机床。原先的磨床进给还是采用棘轮机构，用液压来驱动，这样的进给 5 系统自动化程度低，精度也低，不适合现在的大规模，高精度生产。而自动上下料结构也能很好地提高工作效率。在长时间，单一的工作状态下人的精神状态是很容易不集中的，容易发生错误，而自动上下料也能解决一问题。 本毕业设计课题应达到的目的 小型深沟球轴承是使用量较大的轴承产品。其生 产方式为大批量生产。由于行业的竞争日益激烈，生产厂家特别重视产品的质量和加工效率。在深沟球轴承内圈的加工工序中，内圈磨削是一种瓶颈工序，也是关键工序。传统的手动和半自动内磨床难以满足使用要求。因此，有必要设计开发以提高加工效率和质量为目的的全自动轴承内圈内圆磨床。轴承加工是以大批量为特征的，因此加工设备不仅要保证轴承所要求的各项精度而且效率也是一个很重要的指标。所以上下料的辅助时间是可以考虑缩短来提高效率的。而随着轴承工业的发展，对轴承磨床的加工精度也提出了更高的要求。尺寸精度是轴承加工中控制的一项关键之一 。所以我们有必要去对上下料系统进行研究。该课题有利于提高学生的 （ 1）综合应用能力（ 2）应用参考文献的能力（ 3）设计能力（ 4）计算能力（ 5）计算机应用能力（ 6）分析问题的能力（ 7）创新能力等 本毕业设计课题任务的内容和要求 （ 1） 自动进给系统部件图一张； （ 2） 总装配图一张； （ 3） 主要零件图； （ 4） 英文翻译一份； （ 5） 毕业设计说明书一份。 （ 6） 方案论证报告 1 份 （ 7） 图纸量不少于零号图纸 4 张 （ 8） 设计说明书（含毕业设计心得） 1 份 2 轴承内圆磨床自动上 下料系统设计的主要工艺参数和设计方案 上下料方案设计 对大型零件的上下料辅助时间约占整个生产辅助时间的 50%小型零件的上下料时间约占整个生产辅助时间的 20%实现 上下料的自动化可以减少生产 6 辅助时间，提高劳动生产率和设备利用率；另外根据有关部门资料统计，多数生产事故都发生在上下料过程中。故上下料的自动化可以减轻工人的手工操作劳动强度，改善劳动条件，为实现自动化生产创造了条件。 机床上料（送料）是按照机床的加工循环的时间间隔将毛坯或工件定向排列、自动送到指定加工位置，下料是利用料道 将已经完成工序加工的工件自动放在传输装置上。通常在两道工序之间，前一道工序的下料装置就是后一道工序的上料装置。机床上料装置有两种，人工上料和自动上料装置。 自动上下料装置，是自动机床和自动线设计中复杂程度高而且难度较大的重要组成部分之一。 自动上下料装置所完成的工作，是将散乱的工件经过定向机构，实现定向排列，然后顺次地把它安装到机床夹具上，并在加工完成后从夹具中卸下工件。自动上下料装置还可用于将工件定向整理后送至装配位置。自动上下料装置中，自动上料装置发展很快，已成为一个独立的部分，通常又称为自动供料器。 自动上料装置的结构形式在很大程度上取决于工件的毛坯形式及其原材料。毛坯有卷料，板料，棒料和件料等多种形式，故自动上料装置也是多种多样的。 自动上料装置大致可以分为料仓式，料斗式和工业机械手（机器人）上料装置。 料仓式上料装置是一种半自动上料装置，是将已经整理好的工件放在储料器中进行上料的装置，需要人工定期将一批工件按规定的方向和位置依次排列在料仓里，有送料器自动地将工件送到机床夹具中。这种上料装置虽然需要人工来完成工件的定向整理，但其结构简单，且工作可靠性较高。它使用于批量较大且因重量、尺寸及几何形状特殊等 原因而难于进行自动定向整理的工件，或者使用于单件工序时间较长，人工定向整理一批工件可供机床加工很长时间的场合。 料斗式上料装置，工人将一批工件到入料斗中，料斗的定向机构能将杂乱无章的工件自动定向，按照规定的方位整齐排列有序，以一定的生产节拍自动送到加工位置上。因此能进一步减轻工人的劳动强度，便于多机床管理。这种上料装置多用于工件形状简单，体积和重量不大，而且工序时间短，要求频繁上料的情况。 工业机器手（机器人）是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取工件送到加工位置上、工业机器手上料装置比料 斗或料仓灵活，适应与体积大、结构复杂的单件毛坯或劳动条件恶劣的场所、广泛应用于柔性制造系统。 本设计采用槽式料仓式上料机构，主要考虑其结构简单，工作可靠等优点。但 7 是这种结构容易产生“双料”故障，因此下面将分析起故障的成因然后采取有效措施加以避免这种故障。 上料机构“双料”故障的成因和预防 轴承磨床在磨削过程中常见的故障之一是在上、下料是往往出现一次上两个料（工件）的现象，即前面一个工件尚未磨削第二个工件就掉到磨削区域了。这种现象我们称之为“双料”故障，为排除这种故障，首先必须分析，产生“双料”的原因，才能采取预防措施。 落料的静态分析过程 轴承磨床的床头采用的是电磁无心夹具，其上下料的工作原理图如图 3 图 3一个工件加工完毕后，发出送料信号，上下料气缸动作，带动下料推杆右移，把工件推入下槽中。然后左上料推杆左移把一个待加工工件送往磨削位置后复位。然后左上料推杆又在气缸的带动下换向左移。当左上料推杆越过料槽下方时 ，后续一个工件将降落的一个工件在支撑板上等待下一次送料。 8 推料杆左移时，工件与推料杆的位置变化过程如图 3示，由图可知，在这一过程中，料槽内的后续待磨工件虽然发生一次先向下后向上震荡，但不可能出现“双料”故障，因为被送工件和推料相继地支撑住了料槽内的其他工件。 图 3送工件到位后，推料杆换向左移。若由于某些设计参数选择或调整不当，在这个推料杆左移过程中，就会出现“双 料”故障。为了说明在该过程中可能出现的非常情况和便与后面的计算，特别把推料杆移动时经过的几个特殊位置绘制成图 3 39 图 为工件开始降落的位置，工件与推料杆水平表面相切与棱角 D。该位置可以作为工件下落过程计算的时间和位移的起点。 （ 2）为工件与推料杆斜面相切与棱角 D，工件下移距离为 h=d(1 （ 3）为工件与推料杆斜面相切与棱角 C，工件下移量为： h=d(1（ ，此时，工件轴线可能已略低于料槽上壁平面，即工件不再与料槽垂直壁面相切，除非 2. (4)为工件脱离料槽前的极限位置，即料槽；棱角 间的距离等于工件直径 d。此时下工件中心偏在料槽中心线以左，即： a1=b/2-1/2/2 而相邻的上工件对下工件中心在料槽中心线右侧（ ，这就使得上工件对下工件的作用力有指向右侧的分量。此时推料杆点对工件的作用力的水平也是向右的。这两个分力使下工件在下落的同时更加向右移动。（ 5）为工件与推料杆的端面相切并滑落在支撑板的凹槽内，工件中心在料槽中心线右侧，则：2-1/2 这时如果支撑板上无凹槽或凹槽过小，工件停不稳，则上工件继续将下工件挤向右方，直至上工件相继落在支撑板上，形成多料故障。反之，若凹槽过宽，上工件落入凹槽后过分向右，则后续工件由于自身的重力产生积压力也回将落入槽中的工件再向右挤出，形成“双料”故障。所以在凹槽深度给定的情况下，起宽度应有个合适的范围，不可过大或过小。 10 论证 结果 通过几个方案对比，可发现料仓式上料装置是一种半自动上料装置，这种上料装置虽然需要人工来完成工件的定向整理，但其结构简单，且工作可靠性较高。它使用 于批量较大且因重量、尺寸及几何形状特殊等原因而难于进行自动定向整理的工件，或者使用于单件工序时间较长，人工定向整理一批工件可供机床加工很长时间的场合。料斗式上料装置多用于工件形状简单，体积和重量不大，而且工序时间短，要求频繁上料的情况。而工业机器手上料装置比料斗或料仓灵活，适应与体积大、结构复杂的单件毛坯或劳动条件恶劣的场所、广泛应用于柔性制造系统。 由于主要考虑到所加工工件往往是大批量，且通常因重量、尺寸及几何形状特殊等原因而难于进行自动定向整理，用人工定向整理一批工件可供机床加工很长时间的场合，并且单件 工序时间较长，因此本设计采用槽式料仓式上料机构比较合适。 11 参考文献 1 卢秉恒主编 机械工业出版社 2 铁维麟主编 机械工业出版社 3 郑修本主编 机械工业出版社 4 戴曙主编 机械工业出版社 5 董刚主编 机械工业出版社 6 叶光烈主编 中国计量出版社 7 侯珍秀主编 哈尔滨工业大学出版社 8 机械设计手册编委会 化学工业出版社 9 濮良贵 主编 高等教育出版社 10 卢颂峰 ,王大康 主编 北京工业大学出版社 11 王昆 ,汪信远主编 高等教育出版社 12 徐灏主编 机械工业出版社 13 雅谢利主编 机械工业出版社 14 董无岸主编 机械工业出版社 15 杜君文主编 机械工业出版社 机电工程学院 毕业设计说明书 设计题目 : 轴承内圆磨床自动上下料系统设计 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 年 5 月 目 次 1 轴承内圆磨床自动上下料系统概述 1 课题的来源与意义 1 课题研究现状和发展趋势 2 课题的设计任务与技术要求 5 2 轴承内圆磨床总体设计与布局 7 轴承内圆的磨削原理与特点 7 轴承内圆磨床的加工对象，范围及要求 8 机床 的主要运动参数分析 9 影响机床加工精度和效率的工艺因素 10 机床主要部件结构方案评价 11 2 6 机床的工作循环过程 12 2 7 机床的造型设计 13 机床的总体布局 15 3 轴承内圆磨床自动上下料系统 设计 16 上下料方案设计 16 上料机构“双料”故障的成因和预防 17 输料槽的设计 23 气缸的选择 23 设计总结 27 致谢 29 参考文献 30 1 1 轴承内圆磨床自动上下料系统概述 课题的来源与意义 课题的来源 现今轴承生产中，套圈磨削工艺及专用磨床不能满足高精度，高效率的要求，与国外相比存在着一定的差距。工艺设备的落后是国产轴承精度低，性能差，成本高以及在国际市场上竞争力低的主要原因。在所有轴承加工设备中，内表面磨床的水平具有表征意义。这主要是磨削孔径限制了砂轮尺寸及相应的系统结构和几何参数，从根本上限制了工艺系统的的刚性。内圆磨 削速度要从砂轮主轴的转速的提高寻找出路，相应的就带来了高速主轴轴承的制造，应用装配技术和高速下的振动及动平衡一系列要求。轴承套圈内径公差严格，在大批量与高效率的生产条件下，难以用定程控制尺寸，必须配用各式主动测量系统，从而增加了内圈磨床结构及尺寸的复杂性。 该课题来源于生产实践。在深沟球轴承内圈的加工中，内圆磨削是一道关键工序。其原因是：受孔径限制，砂轮尺寸小，砂轮消耗快，影响磨削效率和质量。现代磨削技术在不断的发展和提高，对于轴承内圈内圆的磨削，越来越要求磨床具有高精度、高效率和高可靠性，而传统的手动和半 自动内圆磨床难以满足使用要求，因此设计开发全自动内圆磨床则显得尤为重要。 课题的背景与意义 轴承内圆内圈磨床是指用于磨削轴承内圆的专用磨床。五十年代，开始逐步发展了切入式轴承专用内圆和外圆磨床；至八十年代，随着机床基础元件技术的发展，特别是电子技术的高速发展，轴承套圈内圆和外圆磨床的技术的日趋完善，相继出现了 制轴承套圈内圆和外圆磨床及 制的轴承套圈内圆磨床，使现代控制技术与先进的机床功能组件相得益彰，大大提高了机床的自动化程度、可靠性、工作精度和生产效率。 迄今为止，较著 名的轴承磨床制造厂主要有：美国的勃兰恩特、希尔德；西德的奥佛贝克；意大利的西马特、法米尔、诺瓦；日本的精工精机、东洋工业公司；东德的柏林机床厂、卡尔马克思城磨床厂等。 本课题为生产轴承的企业提出的实际课题。小型深沟球轴承是使用量较大的轴 2 承产品。其生产方式为大批量生产。由于行业的竞争日益激烈，生产厂家特别重视产品的质量和加工效率。在深沟球轴承内圈的加工工序中，内圈磨削是一种瓶颈工序，也是关键工序。传统的手动和半自动内磨床难以满足使用要求。因此，有必要设计开发以提高加工效率和质量为目的的全自动轴承内圈内圆磨床。 通过设计改进的预期成果是将此深沟球轴承内圆磨床制造出来并投入到实际生产轴承圈的生产中，达到提高精度、加工效率和质量的目的。 课题设计要解决的问题 轴承加工是以大批量为特征的，因此加工设备不仅要保证轴承所要求的各项精度而且效率也是一个很重要的指标。所以上下料的辅助时间是可以考虑缩短来提高效率的。而随着轴承工业的发展，对轴承磨床的加工精度也提出了更高的要求。尺寸精度是轴承加工中控制的一项关键之一。所以我们有必要去对上下料及进给进行研究。 在学校翻阅图书馆大量文献，研究出初步的设计方案。去工厂进行实 地考察，结合书本知识，得出最佳设计方案。根据任务分工，我主要负责设计机床的上下料系统。设计过程中，通过翻阅大量的通用机床的设计资料，并总结设计机床的主要特点，从而得出了该机床的上下料装配图和机床装配图。 虽然各种机床的功能和要求不同，但就其磨削原理而言，同属于内表面磨削，其运动方式和总体布局也基本相同，大多数部件通用。 目前，国内各厂对中高级精度轴承多采用二次磨削，为了改变这种情况，拟用一次磨削代替且达到终磨技术要求。 要在大批生产高效的条件下，满足上述技术要求，从磨床设计的观点来看，可以归结为磨削几何精度 、尺寸精度及效率三个方面的要求。用因果分析尺寸精度、几何尺寸及磨削效率的影响因素，从而选择最佳装夹部件方案，在考虑运动图的设计布局及造型设计，最后决定最佳的方案。 课题研究现状和发展趋势 1 课题研究现状 随着轴承工业的迅速发展，对轴承磨床的加工精度、效率、可靠性提出了更高的要求。尺寸精度是轴承加工中控制的一项关键精度之一，而磨床的进给机构直接影响轴承套圈加工的尺寸精度。因此，随着轴承质量要求的不断提高，需要更加精 3 密高效的磨床进给机构。 磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也 能加工脆性材料，如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率的磨削，如强力磨削等。 小型深沟球轴承是使用量较大的轴承产品。其生产方式为大批量生产。 由于行业的竞争日益激烈，生产厂家特别重视产品的质量和加工效率。在深沟球轴承内圈的加工工序中，内圈磨削是一种瓶颈工序，也是关键工序。传统的手动和半自动内磨床难以满足使用要求。因此，有必要设计开发以提高加工效率和质量为目的的全自动轴承内圈内圆磨床。 课题国内外研究的概况 作为整个工业基础的机械制造业，正在朝着高精度、高效率、智能化 和柔性化的方向发展。磨削、超精研加工（简称 “磨超加工 ”）往往是机械产品的终极加工环节，其机械加工的好坏直接影响到产品的质量和性能。作为机械工业基础件之一轴承的生产中，套圈的磨超加工是决定套圈零件乃至整个轴承精度的主要环节，其中滚动表面的磨超加工，则又是影响轴承寿命以及轴承减振降噪的主要环节。因此，历来磨超加工都是轴承制造技术领域的关键技术和核心技术。 国外轴承工业， 60 年代已形成一个稳定的套圈磨超加工工艺流程及基本方法，即：双端面磨削 无心外圆磨削 滚道切入无心磨削 滚道超精研加工。除了结构特殊的轴承 ，需要附加若干工序外，大量生产的套圈均是按这一流程加工的。几十年来，工艺流程未出现根本性的变化，但是这并不意味着轴承制造技术没有发展。简要地说， 60 年代只是建立和发展 “双端面 无心外圆 切入磨 超精研 ”这一工艺流程，并相应诞生了成系列的切入无心磨床和超精研机床，零件加工精度达到 3 5件加工时间 13 18s（中小型尺寸）。 70 年代则主要是以应用 60m/制力磨削技术及控制力磨床大量采用，以集成电路为特征的电子控制技术的数字控制技术被大量采用，从而提高了磨床及工艺的稳定性，零件加工精度达到 1 3件加工时间 10 12s。 80 年代以来，工艺及设备的加工精度已不是问题，主要发展方向是在稳定质量的前提下，追求更高的效率，调整更方便以及制造系统的数控化和自动化。 而目前国内经过多年的发展，特别是近年 主机发展的需要，从而带动了汽车轴承、精密机床轴承、铁路轴承、家电用轴承的快速发展，特别是轿车轴承发展迅猛 ， 4 这无形带动了自动轴承内圈内圆磨床的技术和硬件的更新，目前国内大部分磨床 的系统由 液压进给补偿系统改成步进电机进给补偿系统 ， 步进电机替代了原来的复杂的液压进给补偿系统，将原来液压波动和机械零件加 工传动链的误差消除了，并且步进电机可以把进给过程分成几个阶段，每个阶段可以选用不同的脉冲频率控制进给速度，可以用脉冲数来控制机床工作台精进给 ，大大提高了轴承的精度。不过相比国外先进的 伺服电机控制系统 ，能 将快跳油缸和谐波减速器去掉，采用滚珠丝杠和伺服电机直联结构，使得机械系统误差最小 ，步进电机又在抗干扰能力和重复定位精度能力上比伺服电机上差了一截，以致国内的轴承在寿命和可靠度上面还是比不上国外，不过相信随着轴承工业的进一步发展，我们与国外的差距会越来越来小。 十八世纪 30 年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪 械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。这些磨床是在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的，它们结构简单，刚度低，磨削时易产生振动，要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。 1876 年在巴黎博览会展出的美国布朗 首次具有现代磨床基本特征的机械。它的工件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，箱形床身提高了机床刚度，并带有内圆磨削附件。 1883 年，这家公司制成磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。 1900 年前后，人造磨料的发展 和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。例如20 世纪初，先后研制出加工气缸体的行星内圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。自动测量装置于 1908 年开始应用到磨床上。 到了 1920 年前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成使用； 50 年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床； 60年代末又出现了砂轮线速度达 60 80 米 /秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床； 70 年代，采用微处理机的数字 控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。 随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。 内圆磨床和其他磨床一样，在提高效率、自动化程度和万能性方面有较大的发展。但精度提高得很慢。十多年来，内孔不圆度最佳值一直保持在 1 m 之间， 5 最高表面粗糙度 为了适应大批量生产，各国都出现一批自动内圆磨床，如美国海尔特公司的 内圆磨床，美国 司的 内圆磨床，德国 内圆磨床。 课题的发展趋势与应用对象 磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。 外圆磨床是使用的最广泛的，能加工各种圆柱形和圆锥形外表面及轴肩端面的磨床。万能外圆磨床还带有内圆磨削附件，可磨削内孔和锥度较大的内、外锥面。不过外圆磨床的自动化程度较低，只适用于中小批单件生产和修配工作。 内圆磨床的砂轮主轴转速很高，可磨削圆柱、圆锥形内孔表面。普通内圆磨床仅适于单件、小批生产。自动和半自动内圆磨床除工作循环自动进行外，还可在加工中自动测量，大多用于大批 量的生产中。 平面磨床的工件一般是夹紧在工作台上，或靠电磁吸力固定在电磁工作台上，然后用砂轮的周边或端面磨削工件平面的磨床；无心磨床通常指无心外圆磨床，即工件不用顶尖或卡盘定心和支承，而以工件被磨削外圆面作定位面，工件位于砂轮和导轮之间，由托板支承，这种磨床的生产效率较高，易于实现自动化，多用在大批量生产中。 工具磨床是专门用于工具制造和刀具刃磨的磨床，有万能工具磨床、钻头刃磨床、拉刀刃磨床、工具曲线磨床等，多用于工具制造厂和机械制造厂的工具车间 。 轴承套圈磨床是磨床的一个重要分支。我国的轴承套圈磨床已经全 部实现了自动化生产，现在正在使用的大批量高精度的轴承生产已经广泛采用自动线生产，代表着世界先进水平的轴承磨超自动线已经大量的出口世界各地。我国的轴承磨床制造企业为我国的精密磨床发展做出了卓越的贡献。 课题的设计任务与技术要求 在之前的轴承内圆磨床的技术参数上进行改进，把原来的半自动化改成自动化程度更高的机床。原先的磨床进给还是采用棘轮机构，用液压来驱动，这样的进给系统自动化程度低，精度也低，不适合现在的大规模，高精度生产。而自动上下料结构也能很好地提高工作效率。在长时间，单一的工作状态下人的精神状 态是很容 6 易不集中的，容易发生错误，而自动上下料也能解决一问题。 7 2 轴承内圆磨床总体设计与布局 轴承内圆的磨削原理与特点 磨削加工可分为一般磨削和高光洁度磨削（即精密磨削，超精磨削，镜面磨削）两种。 对于一般磨削，砂轮可当作一把多刀多刃的铣刀，每一颗磨粒相当于一个刀齿，每一个粒尖相当于一个“刀刃”。但他与铣刀又不同的地方就是砂轮有无数的刀齿，且刀齿的排列和刀齿的角度都是及不规则的。高速旋转的每一个“刀齿” ，在切削力的作用下，从工件表面上切除一条薄层的切屑，并在 工件表面上摩擦发热而产生火化。这样无数磨砺切削的结果，就把工件表面要切除的金属磨去，形成光滑表面。 对于精密磨削，超精密磨削和镜面磨削，光滑表面的形成与一般磨削相似，单也有自身的特点。高光洁度磨削是由砂轮通过精细修整后形成等高的微刃切削作用和适当接触压力的摩擦抛光作用，使工件表面获得高的光洁度。 2 1 1 磨削基本原理： 磨削时，工件径向进给，砂轮轴轴向往复移动，在粗进给和精进给磨削之间，往往需要修整砂轮。修整时，砂轮退出内孔并在修整器位置往复运动一次，修整器就在砂轮表面去除一层磨料。每修整一次，就必须有一次补偿进给 量 a, a 的大小应根据生产条件经验合理确定，一般其数量级为 1米。 在内圆磨削中，工件进给一般由机械控制，也有用步进电机控制的。砂轮转速由电主轴控制：砂轮轴向长距离往复运动由油缸控制，而其往复振动则有偏心装置控制。 2 1 2 轴承内圆磨削的特点： 砂轮刚度低 内表面磨削时，砂轮受内径限制，常制成较细的悬臂梁状，刚度很低：刚性差，易于变形，从而引起较大的尺寸和形状误差：砂轮轴无进给光磨，恢复变形时间较长，生产率很低。在 砂轮轴的长度与砂轮轴直径的 选择上 ，使用尽可能最短的砂轮轴长度和最大的砂轮轴直径 ， 它们之间存在的比率关系可以归纳为： 比率小于 3:1 会产生可靠的性能和最短的加工时间 比率界于 3:1 到 6:1 通常作为边界选择。 比率大于 6:1 会导致诸如饶度、锥度、震颤和长的加工时间。 8 磨削条件差 内表面磨削时，砂轮直径很小，为保证一定的磨削线速度，砂轮轴转速极高，要上万转，很容易引起磨削系统的振动。在磨削时，砂轮与工件接触面积大，磨砺抑郁钝化，且自锐性不能充分发挥，产生热量多，冷却液很难进入磨削区，工件表面极易烧伤。 轴承内圆磨床的加工对象，范围及要求 2 2 1 机床的加工对象 由于电磁夹具和自动上下料的存在，该磨床适合加工大批量中高级精度的深沟球轴承内径。主要使用于磨削轴承套圈内径，也适用于其他尺寸符合的环形零件内径，最适合大批量全自动化生产。 2 2 2 机床的加工范围 根据要求， 该磨床所加工轴承套圈的规格为： 磨孔直径： 20最大磨削深度： 20 毫米 最大工件外径： 42毫米 加工余量 : 加工质量 : 高于轴承国家标准对于 2 2 3 工件的加工精度 深沟球轴承主要承受径向载荷，也能承受一定的单向或双向轴向载荷，其摩擦因数最小，极限转速最高，作为精密的机械元件，滚动轴承工作性能能直接影响逐级的工作性能，甚至安装在某些关键部件上的滚动轴承，几乎决定了该主机的性能，除高精密轴承外，像耐高温、耐低温、防锈、防震、高速、高真空、和耐腐蚀等具有特殊性能要求的轴承的质量指标也是十分严格的。 一般来说，滚动轴承应具有高的寿命 ,低的噪音，小的旋转力矩和高的可靠性，这些基本 性能要达到这些要求，就必须在机械加工工艺上首先确保轴承零件套圈的以下指标： 旋转精度：要求轴承的套圈的几何形状精度和位置精度不超过 3 m。 尺寸精度：要求套圈的尺寸精度在 5 粗糙度：安装表面粗糙度 m， 9 尺寸稳定度：在长期存放和工作时没有明显的尺寸和形状变化。 质量指标：尺寸公差 7微米：圆度 3微米：粗糙度 m 2 2 4 轴承套圈内径终磨技术条件 (见表 2表 2圈尺寸 尺寸公差 G E D (m) 椭 圆 度 G E D (m) 锥 度 G E D (m) 端面 侧摆 G E D (m) 光 洁 度 G E D (m) m 1 1 8 7 5 4 2. 5 1 5 5 4 78 9 10m 1 1 10 7 5 5 3 3 2 5 78 9 18m 1 1 12 8 6 6 3 2 6 3 6 78 9 机床的主要运动参数分析 2 3 1 机床应提供的主要运动分析 为实现正常的内圆磨削，所需要的切削运动和辅助运动如下图所示。 V f ( f 1 , f 2 , f 3 ) 图 2 0 近运动： 2 3 2 机床的运动参数及动力参数 磨架最大纵向行程 ( 400 磨架最大轴向行程 ( 420 砂轮轴型号 轮轴转速 ( 16000 48000 60000 砂轮轴功率 ( 件轴转速 ( 低速 450 56 710 高速 900 1134 1420 粗磨速度 (mm/ 磨速度 (mm/ 速趋进工作速度 (mm/ 15 工件架粗精进给微退量 ( 影响机床加工精度和效率的工艺因素 主动测量装置的精度和稳定性，以及砂轮的切削性能都是至关重要的。砂轮的自锐性及在修整期间内的耐磨性是否良好，对内圆磨削尺寸精度，几何精度和精度稳定性有重大影响，小孔磨削事尤为重要。所以，仪表和砂轮是实现正常自动内圆磨削的前提条件。 以下着重分析影响内圆磨削尺寸精度，几何精度及磨削 效率的磨床结构因素 2 4 1 内圆磨削尺寸精度结构影响因素。 （ 1） 工艺系统的运动精度及重复定位精度； （ 2） 工艺系统的静动态刚性； （ 3） 工艺系统的热变形； 2 4 2 内圆磨削几何精度的磨床结构影响精度 （ 1） 工艺系统的运动精度及重复定位精度； （ 2） 工艺系统的静动态刚性； （ 3） 夹具重复定位精度 (考虑重修的可能性 )几主轴回转精度； 2 4 3 内圆磨效率的磨床结构影响因素 （ 1） 磨削参数，主要是砂轮线速度，横向进给速度，往复频率和工件速度； 11 （ 2） 磨削循环的合理的设计以及空程 磨削时间和辅助时间的比重； （ 3） 工艺系统的刚性； （ 4） 机电系统工作的可靠性； 机床主要部件结构方案评价 根据前一节机床结构因素对加工尺寸精度，几何精度和效率影响的分析，现将内圆磨床各主要部件可能采用的结构方案列出，并分别进行刚性评价，精度评价，从而进行方案的比较选择。部件的结构方案是在假设部件结构设计，制造良好的基础上进行的。任何合理的结构方案，如果具体结构设计不当或制造不良，均会使该部件失去其优势，乃至完全打不到预测的结果。 各部件结构方案综合评价如下 表 2件 名称 结构方 案 刚性评价 精度评价 效率评价 夹 具 定心夹具 电磁无心夹具 滚轮式无心夹具 优 优 中 差 优 优 差 优 优 导 轨 滑动导轨 液静压导轨 气静压导轨 磙子滚动导轨 钢球滚动导轨 中 优 差 优 中 优 优 优 优 优 优 优 优 优 优 砂轮滚动支撑皮带轴 中 中 中 12 主轴 滚动支撑 列电主轴 滚动支撑 气静压支撑电主轴 中 优 差 中 优 优 中 优 差 进给系统 丝杠螺母 (滑动 接触，消除间隙 ) 步进电机 (滚珠丝杠 ) 液压传动滚动丝杠 步进电机凸轮机构 中 优 优 优 差 优 中 优 差 优 中 差 尺 寸 控 制 系 统 定程磨削 气浮塞规测量系统 前插式主动测量仪 步进电机凸轮杠杆 / / / / 差 中 优 优 优 优 中 优 空 程 磨 削 消 除 系 统 控制倒磨削 磨削功率控制 测量 升数法 / / / 优 优 优 中 优 中 上述评价是定性的相对比较，曾试图采用加全权记分法来进行比较。由于每种结构各具特点，无 法真正做到恰当的确定参数，并赋予适中的加权系数，所以实际上无法进行加权记分法评定。 2 6 机床的工作循环过程 机床在工作过程中 ,需要两个循环过程：磨削循环和砂轮修复循环。下面分别介 13 绍一下着两个过程。 2 6 1 机床的磨削工作过程 首先，打开总的电源，气源，启动工作轴，磁滤器，电泵。砂轮轴得到气，启动砂轮轴和气压系统；机械手上料，复位；测爪进入工作，电磁无心夹具上磁。然后，测爪张开，磨架快速左行到底，工件架快跳，快趋，进行粗磨；工件架微退，进行粗光磨。然后精磨，工件架微退，进行精光磨。工件架跳出，步进 电机复位，磨架往复停止，磨架快速右行至休整位置，补偿机构进行补偿；测爪收缩，断磁，测爪退出工件，然后机械手上料，进行下一个磨削循环。 2 6 2 砂轮休整循环 机械手上料，机械手复位，测爪进入工作并上磁，测爪张开，磨架快速左行至休整位置，休整器倒下，磨架休整左行；磨架快速右行至补偿位置，砂轮架抬起，磨架快速左行到底，工件加快跳，进行磨削。 2 7 机床的造型设计 2 7 1 床身设计 床身是金属切削机床的基础，磨床的床身内装有电器、液压和机械部件；在床身上装有工作台、工件箱、砂轮驾、立柱等。这些部件被 固定在床身上或在床身导轨上。设计磨床床身要抓住导轨精度、刚性、热变形、耐磨性、结构工艺性等问题。他们对安装在床身上的各部件的安装位置和相互运动的精度影响很大。因此，对机床床身和床身导轨设计的基本要求，要保证具有一定的精度、刚性、耐磨性、最小热变形及合理的结构工艺性。 为了使所设计机床操作方便，减少工人的劳动强度以及外形美观，该内圆磨床在造型设计上采用了以下措施： 为使机床工作场地明快，尽可能将各部件设置在机床本体上。例如，液压系统设置在床身之内；电器箱设置在机床本体后方，占地少，避免外接连线、联管，运输 方便；电器箱同时当作机床外部密封的后墙，又可节省材料。全部电器操作件均设置于电器箱前凸部上的控制面板上，调整用操作件和操作用件分片集中安装操作件于操作者易接近的部位，保证操作者视力及精力不被分散。 机床 采用半封闭型设计，后防水板用金属结构，前防水板用有机玻璃成型活动式结构，既方便观察，有给人以美观的感觉。机床调整时容易拿下，轻便且易于 14 清洗。实践证明若该为全封闭设计可能更有利于减少油雾对环境的污染。 床各外露部件的几何设计，在满足性能和结构要求的基础上，尽可能符合几何美学的原则。 外观线条统一化，外漏 部分尽可能采用简洁明快感强的直线条和直角相交。过去由于铸造工艺上的困难，也由于流线型审美观，影响到机床大部件，另外均取大圆角过度转折，现在已显陈旧，且给人以傻大的感觉。由于分模铸造的发展，接近直角的转折 的小圆角逐渐已经很容易制造，外形平整线条一致，为机床造型美观化提供了有利条件。 充分考虑机床结构设计上的均衡和稳定的关系。考虑工件头架与磨头架实际结构的不平衡性，外部采用有机玻璃密封罩。 6合理布局及选择筋的形状。 床身截面形状要算空心方形和矩形为好，但是由于床身在铸造过程中为了便于清砂，或者由 于床身内部装有机构为了装配调整方便，因而必须在床身壁上开有窗口，这样就不可能做成四面封闭的方形截面，甚至做成三角封闭也比较困难。如果单用增加箱体壁壁厚以提高其刚性，不仅使床身笨重，且浪费材料。因此，对开有窗口以及面积大于 400 400 毫米的薄壁床身，可采用各种形状的筋用来提高刚性。而该磨床选用十字形筋，起结构简单，材料省，抗弯刚度较大。 7提高床身与立柱的连接刚性。除了注意提高床身和立柱本身的整体刚性外，床身与立柱，床身与床身之间的连接刚性也不能忽视。这部分的布局变化也会降低床身的精度。立柱受力后容易产 生前倾或后倾，其主要原因是由于紧固螺钉的直径过小及布局不合理，或因立柱凸缘处刚性较差引起的变形。因此，合理的选择紧固螺钉的直径，数量及其布置，以及加强凸缘的刚性是保证床身与立柱，床身与床身连接刚性的重要措施。螺钉的直径，数量及其布置应根据受力的大小和方向而定。受较大弯矩或扭矩作用的立柱，采用螺钉紧固在凸缘的四个面上。 2 7 2 床身的热变形 热胀冷缩是常见的物理现象，如丝杠受热会伸长，薄板表面受热不一致会弯曲。如果床身底部温度较高，则上部变凹，下部变凸。反之则上部受热就变凸。 2 7 3 床身导轨的耐 磨性 机床导轨磨损后，工作台运动精度降低，影响加工精度。提高导轨耐磨性，可采取如下措施： 15 1降低导轨单位面积上的压力。 2样可以使导轨处于半液体摩擦，液体摩擦状态，这减少导轨摩擦，降低高速时的摩擦热，改善热变形，防止低速时的爬行现象对提高运动精度和延长导轨寿命有很大作用。 3防止切屑，磨料，灰尘等落入导轨面，造成导轨磨损和拉毛，必须设计合理可靠的防护罩，以提高导轨使用寿命。 4床床身所使用的材料有：级铸铁，高磷铸铁 ，铜锰铸铁，铜磷铸铁等。级铸铁具有良好的铸造性，切削性，吸振性以及成本低的优点，其耐磨性差的缺点可通过对导轨表面进行淬火来弥补。 2 7 4 床身结构工艺性 不影响结构刚性的情况下其尺寸应尽可能一致。 能太深，其圆角应尽量大，既不要用尖角砂芯，这样可减少浇铸和清砂的难度。 小了不仅铸造困难，且易产生裂痕和冷隔；但也不能太大，太大会增加铸件重量，消耗材料，且组织疏松，或形成较大的缩孔，使强度降低。因此壁厚应根据机床大小，床身复 杂程度，材料及铸造工艺而定。 厚力求均匀，不要 变化太大。否则，厚的部分容易产生缩孔和裂痕等缺陷。 机床的总体布局 为实现连续正常的连续磨削，所需要的切削运动和辅助运动在第一节中已经介绍，本以是任何内圆磨床设计者所熟知的。运动方案的设计，实质上决定了机床总体布局方案的选择。对已有轴承内圆磨床的运动设计进行比较分析，其区别在于横向进给运动 V f（有级，无级变化）和纵向运动 整运动 虑导规系统结构设计的方便和滑板层次或部件结构的简化，也 考虑到自动上下料的方便与否，本机床将所有的横向运动由工件实现，纵向运动由砂轮系统来实现。由此就决定了机床主要布局如下图所示。机床身则选用结构刚性及造型设计均较有利的巨型箱式铸造件结构。 16 3 轴承内圆磨床自动上下料系统设计 上下料方案设计 对大型零件的上下料辅助时间约占整个生产辅助时间的 50%小型零件的上下料时间约占整个生产辅助时间的 20%实现 上下料的自动化可以减少生产辅助时间，提高劳动生产率和设备利用率；另外根据有关部门资料统计，多数生产事故都发生在上下料过程中。故上下料 的自动化可以减轻工人的手工操作劳动强度，改善劳动条件，为实现自动化生产创造了条件。 机床上料（送料）是按照机床的加工循环的时间间隔将毛坯或工件定向排列、自动送到指定加工位置，下料是利用料道将已经完成工序加工的工件自动放在传输装置上。通常在两道工序之间，前一道工序的下料装置就是后一道工序的上料装置。机床上料装置有两种，人工上料和自动上料装置。 自动上下料装置，是自动机床和自动线设计中复杂程度高而且难度较大的重要组成部分之一。 自动上下料装置所完成的工作，是将散乱的工件经过定向机构，实现定向排列，然后顺次地把它 安装到机床夹具上，并在加工完成后从夹具中卸下工件。自动上下料装置还可用于将工件定向整理后送至装配位置。自动上下料装置中，自动上料装置发展很快，已成为一个独立的部分，通常又称为自动供料器。 自动上料装置的结构形式在很大程度上取决于工件的毛坯形式及其原材料。毛坯有卷料，板料，棒料和件料等多种形式，故自动上料装置也是多种多样的。 自动上料装置大致可以分为料仓式，料斗式和工业机械手（机器人）上料装置。 料仓式上料装置是一种半自动上料装置，是将已经整理好的工件放在储料器中进行上料的装置，需要人工定期将一批工件按规定的 方向和位置依次排列在料仓里，有送料器自动地将工件送到机床夹具中。这种上料装置虽然需要人工来完成工件的定向整理，但其结构简单，且工作可靠性较高。它使用于批量较大且因重量、尺寸及几何形状特殊等原因而难于进行自动定向整理的工件，或者使用于单件工序时间较长，人工定向整理一批工件可供机床加工很长时间的场合。 料斗式上料装置，工人将一批工件到入料斗中，料斗的定向机构能将杂乱无章的工件自动定向，按照规定的方位整齐排列有序，以一定的生产节拍自动送到加工位置上。因此能进一步减轻工人的劳动强度，便于多机床管理。这种上料装置多用 17 于工件形状简单，体积和重量不大，而且工序时间短，要求频繁上料的情况。 工业机器手（机器人）是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取工件送到加工位置上、工业机器手上料装置比料斗或料仓灵活，适应与体积大、结构复杂的单件毛坯或劳动条件恶劣的场所、广泛应用于柔性制造系统。 本设计采用槽式料仓式上料机构，主要考虑其结构简单，工作可靠等优点。但是这种结构容易产生“双料”故障，因此下面将分析起故障的成因然后采取有效措施加以避免这种故障。 上料机构“双料”故障的成因和预防 轴承磨床在磨削过程中常见 的故障之一是在上、下料是往往出现一次上两个料（工件）的现象，即前面一个工件尚未磨削第二个工件就掉到磨削区域了。这种现象我们称之为“双料”故障，为排除这种故障，首先必须分析，产生“双料”的原因，才能采取预防措施。 落料的静态分析过程 轴承磨床的床头采用的是电磁无心夹具，其上下料的工作原理图如图 3示： 图 318 当一个工件加工完毕后 ，发出送料信号，上下料气缸动作，带动下料推杆右移，把工件推入下槽中。然后左上料推杆左移把一个待加工工件送往磨削位置后复位。然后左上料推杆又在气缸的带动下换向左移。当左上料推杆越过料槽下方时，后续一个工件将降落的一个工件在支撑板上等待下一次送料。 推料杆左移时，工件与推料杆的位置变化过程如图 3示，由图可知，在这一过程中，料槽内的后续待磨工件虽然发生一次先向下后向上震荡，但不可能出现“双料”故障，因为被送工件和推料相继地支撑住了料槽内的其他工件。 图 3送工件到位后，推料杆换向左移。若由于某些设计参数选择或调整不当，在这个推料杆左移过程中，就会出现“双料”故障。为了说明在该过程中可能出现的非常情况和便与后面的计算，特别把推料杆移动时经过的几个特殊位置绘制成图 319 图 3 （ 1）为工件开始降落的位置，工件与推料杆水平表面相切与棱角 D。该位置可以作为工件下落过程计 算的时间和位移的起点。 （ 2）为工件与推料杆斜面相切与棱角 D，工件下移距离为： h=d(1（ 3）为工件与推料杆斜面相切与棱角 C，工件下移量为： h=d(1（ 此时，工件轴线可能已略低于料槽上壁平面，即工件不再与料槽垂直壁面相切，除非 h- 2. (4)为工件脱离料槽前的极限位置，即料槽；棱角 间的距离等于工件直径 d。此时下工件中心偏在料槽中心线以右，即： 1a=b/2-1/2/2 而相邻的上工件对下工件中心在料槽中心线左侧（ ，这就使得上工件对下工件的作用力有指向右侧的分量。此时推料杆点对工件的作用力的水平也是向右的。这两个分力 使下工件在下落的同时更加向右移动。（ 5）为工件与推料杆的端面相切并滑落在支撑板的凹槽内，工件中心在料槽中心线左侧，则： 20 2a=(2-1/2 这时如果支撑板上无凹槽或凹槽过小，工件停不稳，则上工件继续将下工件挤向右方，直至上工件相继落在支撑板上，形成多料故障。反之，若凹槽过宽，上工件落入凹槽后过分向右，则后续工件由于自身的重 力产生积压力也回将落入槽中的工件再向右挤出，形成“双料”故障。所以在凹槽深度给定的情况下，起宽度应有个合适的范围，不可过大或过小。 落料的动态分析 上面做的分析，属于静态分析，即认为推料杆的右移运动足够的缓慢，以至与图 示的落料过程中工件始终保持与推料杆相接触。但实际情况并非如此。一方面推料杆的速度很快，而且这个速度是变化的，中间速度比较高，在两边比较低。另一方面，工件在料槽内是靠重力下落的，考虑到摩擦因素等问题，下落的加速度总是小于 g 的。也就是说它下落的时候速度不是很快以至于跟不上 推料杆的移动。 它们的差值 h=可能使工件与推料杆相碰的时刻推迟到 A 点与 C 点的距离大与工件直径之后，而造成双料事故。 防止“双料”故障的措施 从静态分析中得知，支撑板上的凹槽尺寸应该选择合适，不可以过大或者过小。当槽深选定后问题就是要确定合适的槽宽。槽宽尺寸下限应由工件表面顺利接触底槽的条件来确定，尺寸上限应由相邻工件的挤压力与凹槽斜面的反力所形成的力矩的方向不得为顺时针方向来确定。 以直径为 42为例，并凹槽深度为 2缘倒角为 30见图 321 图 3 - 4 凹 槽 尺 寸则槽底半宽下限为： a左 a2+0 /2)/2=1 = 中 4）式计算。槽宽上限为： a左 d(1+)/2-(2=21 (1+)-(2=际上应在下限附近取值，以免工件在动态过程中易向 左滑出。建议取： a左 相应的槽顶宽度： K/K/=于右半槽，取倒角 45，所以： ()/2=(42 1/2)/2= 11以： k=11+k=13动态分析及图 4 的计算实例来看，工件在下落过程中很可能发生与推料杆碰撞的现象，但只要时间不是过分小，碰撞总是发生在 A 点和 C
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