数控精密平面磨床进给系统的设计

XXXXXXXX毕业设计说明书题 目： 数控精密平面磨床进给系统的设计 专 业： 机械设计制作及其自动化 学 号： XXXXXXXX 姓 名： XXXXXXXX 指导教师： 完成日期： 2012 年 5 月 17 日 目 录1 绪论 11.1 课题研究背景及目的11.2 国内外发展状况21.3 毕业设计任务与论文组成52 数控平面磨床总体设计 72.1 磨床简介 72.2 磨床技术规格 72.3 主要结构及说明 9 2.4 磨床总体传动设计 102.5 磨床总体布局设计 103 理论计算 123.1 功率计算123.2 电动机选用143.3 滚珠丝杆副选用与校核143.4 锥齿轮尺寸计算184 机构设计 204.1 传动部件设计204.2 导轨设计234.3 机构设计255 硬件电路设计 266 机床设计方案的改进 29结论30致谢31参考文献32附录33精密数控平面磨床工作台纵向进给、横向进给机构设计摘要本文对所设计的磨床作了详尽的论述，分别从精密数控平面磨床的总体布局、横向进给、纵向进给和硬件电路设计等几个方面进行了阐述。绪论：介绍该课题研究背景和国内外发展状况，以及此次毕业设计的任务。数控平面磨床总体设计：简单介绍了此次设计的数控平面磨床，给出该数控平面磨床的技术规格和主要结构及说明，并说明了磨床的总体传动设计和总体布局设计。理论计算：包括机床功率的计算，电动机选用，滚珠丝杆副选用与校核以及锥齿轮尺寸计算。方案设计：详细说明了精密数控平面磨床的传动部件设计和导轨设计的要点和要求，并提出纵向进给机构和横向进给机构的设计方案。硬件电路设计：详细说明了硬件的选用和电路的连接。最后，针对本设计中不够完美的地方的改进想法，以及对本次毕业设计的总结和对我国超精密发展方向进行了展望。关键词：平面磨床，数控，纵向进给，横向进给Precise Numerical Control Plane Grinding MachineAuthor:Memg DanTutor:Deng ZhaohuiAbstractThis paper makes a thorough exposition of the designed grinding machine from the aspects of its overall design,horizontal and portrait give and hardware circuit design.The following is a brief introduction of the composition of this paper.INTRODUCTION: It introduces the background of this subject research ,the development in this field internal and international, and the assignment of this graduation project.THE OVERALL DESIGN OF THE NUMERICAL CONTROL PLANE GRINDING MACHINE: It gives a brief introduction to the design of the numerical control plane grinding machine, and provides its technical specification , main structure and explanation of the numerical control plane grinding machine , and show the design of the overall transmission of the grinding machine and the design of the overall arrangement. THE THEORETIC CALCULATION: It introduces the calculation of the power of lathe , the selection of the motor, the selection and check of the ball pole and the theoretic calculation of the size of the cone gear wheel.CONCEPTUAL DESIGN: It introduces the main points and requirements of the design of the drive parts, and puts forward the design of the horizontal and portrait give parts.THE DESIGN OF HARDWARE CIRCUIT: The election of the hardware and the connection of circuit are explained at length. In view of the flaws of the design, it puts forward some measures to make impovement. Besides, a conclusion of this graduation project and prospect of the development of precise machine are given in this part.Keyword: plane grinding machine , numerical control, portrait give, horizontal give1第 1 章 绪论1.1 课题研究背景及目的1.1.1 课题研究背景随着科学技术的迅速发展，国民经济各部门所需求的多品种、多功能、高精度、高品质、高度自动化的技术装备的开发和制造，促进了先进制造技术的发展。同时，随着社会进步，人们对加工精度的要求越来越高，对精密和超精密加工的需求也日益增多，精密加工广泛的应用于制造生产中，对机床精度的要求也进一步提高。磨削是一种重要的精密和超精密加工方法，因此磨削的应用也愈加广泛。磨削加工技术是先进制造技术中的重要领域，是现代机械制造业中实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广的基本工艺技术。精密、超精密加工技术市场是国家尖端技术集中的市场，它既是高代价、高投入的工艺技术，又是高增值、高回报的工艺技术，世界工业先进国家都把它放在国家技术和经济振兴的重要位置 1。当今，在光学和电子零件加工中，都力图提高精度和集成度，不仅是零件加工，而且对作为精密模具、机械零件、测试仪器零件最终加工工序的磨削加工也提出了超精密化的要求。此外，随着新材料的开发，陶瓷等作为结构零件材料在某些特殊场合已经得到了应用，这些新材料均属于难切削材料，其结果不仅提高了磨削的比重，而且还促进了磨床、磨削加工方式和工艺以及其它相关技术的发展。随着以工程陶瓷为主体的非金属材料逐渐成为工程技术重要材料，各国还开发了适应加工这类工程陶瓷的超精密平面磨床。陶瓷材料的特点是硬而脆，其硬度是碳钢的 1O 至 20 倍，而断裂韧性仅为碳钢的几十分之一。陶瓷材科的性能对粗糙度、破损度、平面度等平面参数十分敏感。陶瓷材料的磨削机理与金属材料不同，主要有三个特点：砂轮损耗大，磨削比低 3 磨削力大，磨削效率低 3 由于磨削条件不同，会使加工零件的强度发生变化。根据以上这些特点，各国都致力开发了适合进行纳米磨削的超精密平面磨床，并且进行了脆性材料的可延性磨削技术的研究。随着社会的不断发展，高效是各个生产商不断追求的目标，数控技术得到推崇。2当今，磨削加工技术的发展趋势是向着采用超硬磨料磨具，发展高速、高效、高精度磨削新工艺，装备 CNC 数控磨床的方向发展。1.1.2 课题研究目的本次设计目的是设计一台精密数控平面磨床，精度等级为 1 ，用砂轮周边磨削m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 )。1.2 国内外发展状况超精密加工技术是以高精度为目标的技术，它具有单项技术的极限、常规技术的突破、新技术综合三个方面永无止境的追求的特点。实现超精密加工的主要条件应包括以下诸方面的高新技术：超精密加工机床与装、夹具；超精密刀具和磨料，刀具刃磨技术；超精密加工工艺；超精密加工环境控制（包括恒温、隔振、洁净控制等） ；超精密加工的测控技术等。毫无疑问，超精密加工机床技术是最关键的技术，它直接代表了国家制造业的水平 1。大学和研究所保持着对超精密机床研究的持续热情，对高技术进行超前研究，并使得研究型超精密试验机床尽可能采用高技术作产业的先导，对超精密机床产业化和商品化起着推动作用。美国 LLNL 实验室开发了一系列超精密试验研究型机床，1984 年研制成功的大型光学金刚石车床 LODTM 是至今为止精度最高的大型超精密机床 2。该机床可加工直径为 2.1m 质量 4.5t 的工件。采用高压液体静压导轨在 1.07m1.12m 范围内直线度误差小于 0.025 （在每个溜板上装有标准平尺，通过测量和修正来达到） 。位移误差不m超过 0.013 （用氦屏蔽光路的激光干涉仪来测量和反馈控制达到） 。主轴溜板运动偏摆小于 0.001 (通过两路激光干涉仪测量,压电陶瓷修正来实现 ).激光测量系统有单独的花岗岩支架系统,不与机床联结,油喷淋冷却系统可将油温控制在 20 0.0025 .采用C摩擦驱动,推力可达 1360N，运动分辨率达 0.005 。m在商品化实用超精密机床方面，世界上最负盛名的是英国的 Tayler/Hobson-Pneumo 公司。该公司生产 Optoform,Microform 和 Nanoform 三个系列的超精密机床。典型产品 Nanoform250 车床采用空气静压主轴，其径向、轴向刚度分别为 88MN/m 和362MN/m，径向和轴向精度 0.05 ，采用液体静压捣鬼，水平和垂直线度分别为 0.2 m/250mm 和 0.5 /250mm，定位精度为 0.3 /250mm，数控系统采用 Nanopath，分辨率为0.001 。测量系统采用光栅迟或激光干涉仪，分辨率分别为 8.6nm 和 1.25nm。加工m型面精度达 0.2 ，表面粗糙度 优于 0.01 。aR美国洛切斯特大学光学中心（COM） 3开发了 POTICAM 系列的超精密光学加工机床；OPTICAM 超精机床系列设备包括：OPTICAM/SM 平面抛光机床，OPTICAM/AM 非球面加工机床和 OPTICAM/PM 棱镜加工机床。2000 年开始进行“保形光学制造技术”的研究，开发了 Nanotech 150AG 非球加工机床；Q22 磁流变加工机床等。英国的 Granfield 大学的精密工程研究所研究的 OAGM2500 六轴 CNC 超精密磨床 4、Nanocenter250、600 非球面光学零件车窗和大型超精密金刚石镜面磨床，是超精密机床研究的先锋。1超精密磨削及磨粒加工工艺技术当前精密磨削是指被加工零件的加工精度达 10.1 ，表面粗糙度 为 0.20.01maR的加工技术。超精密磨削的加工精度小于 0.1 ，表面粗糙度 ，磨m m025.床定位精度的分辨率和重复精度小于 0.01 。现在超精密磨削正从微米、亚微米（10.1 ）的加工向纳米级 加工发展。用磨具进行磨削和用磨粒进行3210研磨和抛光是实现精密及超精密加工的主要途径。用于超精密镜面磨削的树脂结合剂金刚石砂轮的磨料平均粒径可小至 4 ，使用 20nm 的超微细磨粒的磨片，所磨削加m工的集成电路板的沟槽边沿没有崩角现象；用铸铁结合剂粒度为 的、金刚石砂轮#80精磨 SiC 镜面，表面粗糙度可达 25nm。日本还用激光在研磨过的人造金刚石上切aR割出大量等高性一致的微小切削刃，对硬脆材料进行精密加工，效果很好。对极细粒度的模具而言，砂轮锋锐性的保持是一个大问题。金属基微细超硬磨料砂轮在线电解修整（ELID）技术，很好地解决了这一问题。用 60008000 目粒度的钢结合剂金刚石砂轮和 ELID 技术精磨 硅片，去除率为 ，平面度为 5。)4(10inmmin/536/2超精密机床轴系的研究与发展4气浮主轴的最大优点是回转精度高。由于气浮误差均化效应，通常主轴回转运动精度比主轴加工的圆度精度要高出 35 倍。主轴和电机采用一体化结构直接驱动。电动机与株洲的动平衡问题，电动机电磁振动消除、电动机热消除、主轴热伸长补偿以及新型气浮结构设计与制造等都是一直在研究改善的问题。为了提高主轴的径向和轴向刚度，采用半球型气浮主轴如德国 Kugler 公司 EK 系列气浮轴承。为了进一步提高回转精度和刚度，近年来很多人研究控制节流量反馈方法来实现运动的主动控制。最近，用电磁技术和气浮结合的控制方法也在研究之中。但电磁技术的缺点很多，如热效应严重等，还不能达到很高精度。日本学者 6研究了一种用永磁体加压电陶瓷微位移驱动和电容传感器位置测量的方法来改善气浮主轴的精度。主动控制增加了系统的复杂程度和降低了可靠性，目前尚不到使用的程度。但使用永磁体增加止推气垫的刚度的成功实例并不少见，这种气磁轴承和加开真空负压槽的真空吸附加强型气浮轴承相似。这种综合轴承在一定程度上可改善气浮轴承的动态特性，如增大阻尼。3超精密驱动技术的新进展为了获得高的运动精度和运动分辨率，超精密导轨直线运动的驱动对伺服电动机的要求很高，既要求有平稳的超低速运动特性，又要又大的调速范围，好的电磁兼容性。美国 Parker Hannifin 公司的 DM 和 DR 系列直接驱动伺服执行器，输出力矩大，位置控制分辨率高达 1/640 000。主轴驱动电动机可以采用印刷板电动机，它的惯性小，发热量小。精密滚珠丝杆式超精机床目前采用的驱动方法，但丝杆的安装误差、伺杆本身的弯曲、滚珠的跳动及制造上的误差，螺母的预紧程度等都会给导轨运动精度带来影响。通常超精密传动机构应有特殊设计，例如丝杆螺母与气浮平台的联结器应保证轴向和滚转刚度高，而水平、垂直、俯仰和偏转四自由度为无约束的机构，电动机预丝杆的联结器也应采用纯扭矩无反转间隙的联轴器。气浮丝杆和磁浮丝杆可进一步减小滚珠丝杆的跳动误差和因摩擦和反向间隙引入控制系统的非线性环节。俄罗斯研制的气浮/磁浮丝杆 78其电磁丝杆的传动主要指标如下：丝杆直径 62mm，螺距和螺纹齿高 4mm，丝扣宽度 1mm，间隙 =0.1mm，承载能力和静刚度分别为 700N 和 75MN/m 和气浮平台联合使