毕业设计（论文）-车刀刃磨装置的结构设计.doc

44 西安航空职业技术学院 车刀刃磨装置的结构设计 摘要 车刀是一种应用非常普遍的金属切削刀具，用它可以在普通车床和数控车床上加工端面、圆柱面和曲面等。在车类加工中心或车类数控机床上，车刀应用的频率更高。车刀和其它刀具一样，切削一段时间后就会变钝，此时必须对其重磨方可使用。否则，加工精度和生产效率都受到严重的影响。车刀刃磨机研究的目的就是提高其刃磨质量，降低制造成本，提高生产率;通过对车刀刃磨的控制研究，实现对车刀的位置几何角度自动调整，提高刃磨质量和效率，减少工人的劳动强度，及时满足生产的需求。本课题主要研究内容是分析普通外圆车刀的几何结构即车刀几何角度和刃磨方法，建立车刀刃磨刀面的数学方程;运用步进电机控制技术来实现对执行机构的控制，从而实现对车刀刃磨角度自动精确调整。关键词 车刀，车刀的几何角度，车刀的刃磨，车刀刃磨装置目录第一章 绪论1（一）研究的目的和意义.1（二）国内外发展简况1（三）课题的来源和研究的主要内容3第二章 车刀分析以及刃磨方法4 第一部 分车刀的参数分析4第二部 分车刀的刃磨方法12第三部分 车刀的尺寸大小及角度参数15第三章 装置的设计.21 第一部分 车刀刃磨装置的结构分析21 第二部分 传动装置以及电动机的选择设计23 第三部分 刃磨装置控制系统初步设计39第四章 总结47感谢.48参考文献.49第一章 绪论一研究目的和意义随着机械制造技术的发展，特别是数控加工技术，柔性加工的广泛应用，对金属切削加工必不可少的刀具及其制造也提出了更高的要求。刀具状态的好坏直接影响着被加工零件的加工质量及其机械加工效率，为保证零件的加工质量，提高生产效率，降低加工成本，刀具在达到磨钝标准规定的值时就应进行重磨(重新刃磨)然后才能继续使用。对金属切削刀具的刃磨既是刀具制造过程中的最后一道工序，也是刀具多次重磨必须进行的一道工序。刀具的刃磨决定了刀具切削部分的最终形状及其几何精度，是保证刀具切削性能和产品质量的关键。车刀是一种应用非常普遍的金属切削刀具，用它可以在车床上加工外圆、车断面和镗孔等。在大多数机加工厂中，车床数控车床得到广泛的应用，车刀应用的频率更高。车刀和其它刀具一样，切削一段时间后就会变钝，此时必须对其重磨方可使用。否则，该车刀报废，所以车刀的重磨工作量非常大。目前，我国螺旋齿立铣刀的刃磨大约98%以上是在m6020或其变型、改进型的普通万能工具磨床上进行或者进行手工磨削。磨削质量除了取决于机床自身的刚性、精度外，还主要依赖于操作者的技艺和直观感觉。由于工具磨床是一个通用的刀具磨床，所以这种重磨方法的缺点是:(1) 机床调整麻烦，刃磨效率低;(2) 刃磨由工人手工操作，刃磨精度低。车刀刀刃磨技术及控制研究的目的就是提车刀的刃磨质量，降低制造成本提高生产率;通过对车刀刃磨的控制研究，实现对车刀的自动刃磨和重磨，减工人的劳动强度，及时满足生产的需求。本设计主要先了解车刀的角度及几何数，根据这些设计出数控车刀刃磨装置的结构设计以及利用单片机来控制机构运行实现车刀的刃磨。二 国内外发展简况对于车刀以及其他复杂形状刀具的刃磨技术和控制研究方面，国内外已有许多专家。做了不少的研究，也开发出了一些的刀具刃磨设备。在国外，对立车刀及其他复杂刀具磨削工艺和数控工具磨床的研究开发早，己经发展到了很高的水平。对于车刀刀刃的磨削90%以上是在数控工具磨上进行的，基本上实现了一次装件自动完成刀刃的全部磨削。有的数控工具磨还实现了自动上工件(被磨刀具)、自动磨削、自动修整砂轮、自动补偿、自动工件的全过程自动化。数控工具磨床的发展经历了从低档到高档的过程，由三轴数控发展到了六轴、八轴数控，并且己开发出十轴以上的多轴数控，多轴联动的数控工具磨床，还开发出不经铣制，直接磨出容屑槽和刀刃的整体、强力磨削的数控工具磨床。德国 wa lter公司的五轴helitronicp owerp roductionc nc工具磨床，可用于制造各种金属切削刀具。机床配有测量定位系统，将测头固定安装在磨头上，用于实现刀具定位，可缩短磨削周期。该机床采用walter公司自己开发的专用数控系统hmc500及其软件。除了能提供各种通用刀具磨削软件外，它还开发了一种新的“灵活编程”软件，通过该软件可以把刀具磨床变成能够设计刀具的磨床。瑞士 sc hneeberger公司的五轴五联动gemin cnc工具磨床，主要用于生产和修磨各种不同形状的小尺寸刀具，能自动测量，自动上下料，实现了无人操作。机床配有自动测量系统，方便刀具的安装及磨削，它采用一个固定安装的三维测头，既可用于测定刀具毛坯几何形状，在刀具重磨前测量又可用来保证刀具磨削质量。还有，美 国的huffman 公司的hs-87r型数控工具磨床，瑞士strausak公司的57w /cnc-4g四轴数控磨床，日本牧野公司的nx-40型十轴数控工具磨床等都是性能优越的数控机床。为了提高我国刀具的制造工艺水平及质量，80年代后期国内部分厂家陆续从 美国、德国、日本等国引进了数控工具磨床及cnc磨削技术。主要有 :(1) 营 口 机 床 厂从德国walter公司引进了helitronic30cnc三轴数控工具磨床。该机床可实现任意两轴和三轴联动，各轴均由步进电机驱动。整机刚性和精度较好，适用于立铣刀等的磨削加工。(2 )上 海 工具厂从日本东芝硬质合金株式会社引进了一台rbg-01型模具铣刀数控专用磨槽机。该机床数控轴数为6轴，6m-b控制x, y, a, b,c轴，sm-c控制z轴。联动轴数为4轴(x, y, a, c)由6m-b系统控制。各轴均由直流伺服电机驱动。该机床刚性好、加工精度高。机床实现了自动上工件、自动磨削、自动下工件等全过程自动化，是80年代属世界先进水平的数控工具磨床。(3 )v l 205-cnc数控刀具磨床是从法国rouchaud公司引进并进行中法合作生产的六坐标数控刀具刃磨设备。它配备nlm760数控系统，使用renishaw测头进行刀具参数测量，为刀具刃磨程序的参数化设计提供了极为方便的条件。国内在数控工具磨床的研究方面开发起步较晚，可以说是从80年代中后期才开始的，其研究、开发还处于样机或单台极少量试生产阶段。国内有几家研制的数控工具磨床，其cnc系统都是从国外引进，使机床售价大大的提高，从而影响这些数控工具磨床的推广和应用。在数 控 系 统方面，北京航空航天大学在80年代就开展了数控刀具刃磨机的研制工作，己开发了几种型号的数控刀具刃磨机。在已有的研究成果上，还开发了一套性能优越的数控刀具刃磨机数控系统。该大学在国家“八五”和“863”计划中承担了高性能开放式数控系统的开发任务。开发出了的基于windows操作系统的开放式数控系统ch-2010,在车床、铣床、加工中心、凸轮磨床等多种机床上获得成功应用。“华 中 2 000 型 工具磨床专用数控系统”是在国家“八五”重点攻关项目 “数控万能工具磨床产品开发”科研成果的基础上，成功开发出的用于各种回转刀具磨削加工的集成化cnc系统。在数 控 磨 床方面，武汉机床厂研制的mh6030型刀具磨削中心，该机床采用8050m数控系统，实现六轴主联动控制。该机床适用于加工复杂工具、复杂刀具如模具铣刀等，还适用于磨削加工复杂的中小型零件。咸阳机床厂mk6025/3三轴联动数控万能工具磨床是最近研制成功的新一代工具磨床，该机床采用了华工i型数控系统，配有华中理工大学各种刀具加工软件，该软件还可以针对用户自己的要求进行自行编程并设计所需软件。该机床能自动完成各类普通及复杂刀具的刃磨或重磨，解决了普通工具磨床需要附件才能完成的复杂刃磨问题;配备测量系统，在数控系统测量软件支持下，将被磨刀具的有关几何参数(如螺旋角或导程)及安装位置(如始点位置)等参数自动输入计算机系统，自检测系统可以自动判断加工刀具的起始点，自动生成加工程序并实现整个加工过程的自动磨削。还有 营 口 冠华机床厂的m6025k万能工具磨床和武汉机床附件厂的gw-1万能磨刀机，均为普通型工具刃磨机床。主要问题国内各大中型机械厂，对车刀类的刃磨，主要由工人在万能工具磨床上进行手工刃磨。工人劳动强度大，刃磨效率和精度低。刀具重磨时，刀具的刃形受到磨损或严重的破坏，使得手工刃磨时不容易控制，没法保证刀具的重磨质量。在车刀刃磨技术及控制技术研究方面，国内起步较晚，而且相关设备和数控系统主要依靠进口和与国外企业合作开发，因而，多数局限于一些复杂刃形如球头车刀等的制造和建模，或者直接依赖进口特定的大型数控加工机床。国外对刀具刃磨的研究虽然起步较早，但所开发的设备主要是三轴、多轴联动的大型数控工具磨床或磨削加工中心。对于通用型的车刀刃磨，进口该设方案的设计和比较该设计的题目是刀具刃磨机设计。设计要求该机床能够刃磨多种刀具如盘铣 刀、铰刀、拉刀、麻花钻等。要根据刀具在实际刃磨时的需要进行设计，由于刀 具有不同的刀角，所以在设计时要实现不同刀角刃磨，就要使磨头和工作台满足 运动灵活的需要。 关于磨头部分的设计和工作台部分的设计现在提出以下几种方案以供设计 的选择。 磨头设计的方案比较： 方案一：在磨头放置上采用磨头水平放置（即磨头轴线水平），在磨刀时如 果需要角度的调整，磨头可以在水平面内回转 360。在垂直面内可以左右摆动， 磨头的前后运动通过摇动手柄带动水平放置的传动丝杠转动来带动磨头的底座 在前后方向上运动。 方案二：在磨头放置的方向上采用磨头垂直方向放置（即磨头轴线竖直）， 在磨刀时通过立柱上的垂直导轨来实现磨头的上下运动。磨头的左右运动和方案 一一样通过丝杠传动来实现。磨头在垂直水平面上的回转可以通过在立柱上安装 蜗轮蜗杆机构来实现。 在磨头部分垂直升降设计方案，可以采用滚珠丝杠传动和齿轮齿条传动两种 方案可进行对比选择。 工作台设计方案比较： 方案一：采用蜗轮副回转工作台，通过蜗轮蜗杆传动使工作台在水平面上进 行回转。而工作台在纵行的移动采用丝杠传动来实现。纵向的慢速移动采用齿轮 减速器来完成，导轨形式采用接触面为滑动摩擦副的滑动导轨。 方案二：两工作台面用凸台连接来实现工作台的水平面上的回转运动，而工 作台的纵向快速移动采用齿轮齿条传动来实现，工作台的纵向慢速移动采用行星 减速机构来完成。导轨采用镶钢 v 形导轨，以钢球为滚动体实现工作台纵向移动。2.2 方案的评价和确定2.2.1 磨头设计方案评价和确定 方案一的评价： 方案一中采用磨头水平放置。在参观和生产实习中经常看到磨头的这种放置 方法，由于对该放置方法比较了解，所以提出了这种设计方案。该方案比较适合 长形工件的刃磨，另外从工件座及实际加工对象（以下加工对象以铣刀盘为例） 方面来考虑，由于磨头的最大高度是 300mm，在铣刀盘水平放置时，该工件座的 最大高度不应该超过 200mm，如果超出 200mm，将不能磨削铣刀盘。因为 12铣 刀盘的高度为 68mm,再加上砂轮的半径将会超过 300mm，故不符合磨头的最大高 度。如果能在不大于 200mm 的高度内设计出工件座和夹具，本方案将完全可以采用。 方案二的评价： 方案二中采用磨头垂直放置。这种设计方案特点是热变形小，精度稳定，但 结构复杂。该方案适合大型工件刃磨。 从工件座及夹具的大小来考虑，由于铣刀盘垂直放置，故放在水平方向的长 短完全不受限制，只是在垂直方向受到了限制，但铣刀盘的最大直径是 400mm， 这样将不会超出磨头的最大高度 300mm。所以，从这点考虑该方案也可以用。 从加工方面看，由于刃磨刀具时经常采用单斜边平面砂轮，在磨刀时是用砂 轮的斜边来磨刀的，故铣刀盘或者砂轮要有一个来回的往复运动。如果这种往复 运动靠手动来完成，则对于工人的劳动量将大幅度增加。如果采用液压系统，则 会明显提高机床的造价，同时还会给人们的感觉是不稳定的。因此，此方案二只 能在方案一不能实现的时候采用。 通过以上两种方案的评价，从上述的评价中完全可以看出，方案一较方案二 要好，所以采取方案一的设计方案。 2.磨头部分垂直升降方案的评价和确定 用滚珠丝杠螺母副作为垂直升降机构评价： 滚珠丝杠螺母副的结构形式是滚动摩擦副，其丝杠和螺母上分别加工半圆弧 形沟槽，合在一起形成滚珠的圆形轨道，并在螺母上加工有使滚珠形成循环的回 珠通道，当丝杠和螺母相对运动时，滚珠可以在滚道内循环滚动，因而迫使丝杠 和螺母产生轴向的相对移动。由于丝杠和螺母之间是滚动摩擦所以具有摩擦损失 小，传动效率高，可以达到 0.900.95，是普通丝杠副的 34 倍。摩擦阻力小， 几乎与运动速度无关，动、静摩擦力之差很小，因而运动灵敏、平稳、低速时不 容易产生爬行；且磨损小、精度保持性好、寿命长。丝杠螺母之间进行消隙或预 紧，可以消除反向间隙，使反向无死区，定位精度高、轴向刚度大。但滚珠丝杠 螺母副的结构不能自锁，传递具有可逆性，因此在某些场合传递垂直运动时，应 增加制动或防止逆转装置，以防因自重而自动下降。 用齿轮齿条传动作为垂直升降机构评价： 1) 齿条同侧齿廓为平行线,它在与齿定线平行的任一直线上具有相同齿距, m pp i p = 。2) 齿条直线齿廓上各点具有相同的压力角,等于直线齿廓的齿形角,一般为标准值 o 20= aa 。3) 当齿轮齿条标准安装时,齿轮分度圆与齿条分度线重合,啮合角等于齿形角;齿轮以角速度转动, 带动齿条以线速度wg =pv 。由以上特点可以知道齿轮齿条的啮合传动精确度和传动效率不如滚珠丝杠螺母副的传动。其中有一个最为 重要的因素是齿轮齿条的啮合传动不能实现在运动方向上的连续移动，这就使磨 头部分垂直升降在工作需要的高度范围内不能任意的上下移动，而滚珠丝杠则可 以实现在任何位置上连续的移动，而不像齿轮齿条的啮合传动出现位移的不连续 现象。 通过对上述两种方案的评价中完全可以看出方，滚珠丝杠螺母副传动方案与齿轮齿条的啮合传动方案相比，滚珠丝杠螺母副传动 m pp i p = 方案有明显的优10势。所以采取滚珠丝杠螺母副传动方案进行设计。2.2.2 工作台设计方案的确定首先比较方案一和方案二所采用的角度回转装置，采用蜗轮副回转工作台具 有准确，容易操作的特点。但结构复杂安装和制造都不方便。而两工作台之间用 凸台连接，结构简单，安装和制造都非常方便，但在回转角度的时候需要手动上 工作台面。关于工作台慢速移动的方案进行比较，如果采用方案一的方法利用齿 轮减速器完全可以实现工作台慢移的目的，但齿轮减速器的结构大，在磨床内进 行安装不容易，传动平稳性不如行星齿轮减速器。而行星齿轮减速器具有体积小， 变速范围大，传动平稳。基本属于恒扭矩传动，传动效率高的特点。最后对工作 台选用的导轨进行比较评价，方案一导轨形式采用接触面为滑动摩擦副的滑动导 轨。该导轨的特点是，结构简单，工艺性好，使用维修方便,但它的摩擦系数大， 磨损快，寿命短，容易产生爬行现象。方案二导轨采用了镶钢 v 形导轨，以钢球 为滚动体实现工作台的纵向运动的滚动导轨。该导轨的特点是运动灵敏度高，牵 引力小；低速运行平稳性好，定位精度高；摩擦小、精度保持性好，使用寿命长； 润滑简单，可以采用最简单的油脂润滑，维修方便，但滚动导轨的刚度和抗振性 较差，对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。 通过以上对方案一和方案二的对比分析评价，同时与具体的实际情况相结 合，可以发现选用方案二的设计优于方案一的设计。故选用方案二的设计方法进 行设计。 以上是对磨头部分的设计方案和工作台部分的设计方案的比较评价，与生产 实际相结合，最后确定了两部分具体的设计方案。第 3 章 刀具刃磨机床总体介绍3.1 机床的用途和参数刀具刃磨机床主要是用来刃磨各种金属切削刀具，同时也可以磨削多种多样 的中小型零件的外圆、平面和沟槽等。适用于各种类型的工厂工具车间，机修车 间使用。1) 被磨削工件最大直径 250 fmm2) 前后顶尖最大距离 650mm113) 工作台面尺寸（长宽） 940135mm 4) 工作台纵向最大移动量 480mm 5) 工作台最大回转角度 20(10) 6) 磨头（或溜板）水平方向最大移动量 230mm 砂轮中心线对顶尖中心线最小距离 50mm 砂轮中心线对顶尖中心线最大距离 280mm 7) 磨头垂直方向最大移动量 230mm 砂轮中心线对顶尖中心线上升量 175mm 砂轮中心线对顶尖中心线下降量 55mm 8) 砂轮的回转角度 在水平面内 360 在垂直面内 30（15） 9) 磨头电动机（50hz） 功率 0.45/0.6 千瓦 转数 1400/2800 转/分 10) 磨头外圆附件电动机(50hz) 功率 80 瓦 转数 700 转/分 11) 机床最小轮廓尺寸（长宽高） 148011021215 12) 机床重量 1000 千克3.2 机床结构说明3.2.1 床身部分1.床身顶平面采用了 v平型组合式导轨。 2.尾部下面（内侧）有一贮（润滑）余油的油池，当盛油量达到一定的高度 时前旋开尾部下面（外侧）的油塞机可以放油。3.2.2 升降溜板部分1.溜板采用了与床身相适应的组合形式导轨。 2.横向进给采用了双螺母副的结构形式，调节垫板的厚度利用压紧螺母可以 达到丝杠进给精度的合理。 3.磨头部分垂直升降采用了滚珠丝杠螺母副的结构形式，是滚动摩擦副。 由于磨头部分及立柱等本身的影响，导致磨头上升与下降轻重不一，操作时 有不便之感，为此采用了滚柱式超越离合器结构，使磨头在下降时，平面轴承失 去作用。代替的是平面摩擦，于是基本上克服了使磨头在上升与下降时轻重差别 较大的弊端。 4.横溜板在移动时，采用了花键与花键套滑合的运动结构形式。3.2.3 工作台部分1.采用齿轮齿条传动形式来传动工作台。 2.导轨采用了镶钢 v 形导轨，以钢球为滚动体实现工作台的纵向运动的滚动 导轨。123.本机床虽然以干磨为主，但在回转工作台的周围留有水槽，以便在工作中 使用微量冷却时有一回路。 4.慢速移动工作台，是采用行星减速机构，降速比为 8.26，即行星手轮转 一转，工作台纵向移动量为 17.49 毫米。3.2.4 磨头部分1.主轴轴承采用单列向心球轴承经过精心的调整成对安装在主轴上。 2.主轴的两端采用莫氏锥孔，以便于在其上连接加轴。 3.主轴在垂直水平面内可以旋转 15采用扇形齿轮，齿轮副可以进行所要 求旋转角度的微调（包括粗调旋转角度的作用） 4.磨头壳顶平面与主轴有中心线在设计与制造中有一定的要求，因此，可以 借用壳顶平面作基准来调整与恢复主轴轴线在所要求的水平位置。3.2.5 工作台与夹具连接方式本机床是一种轻型万能工具磨刀机。因此可知，该机床可以用来磨各种类型 的刀具，由于在磨削不同类型的刀具时，使用的夹具也不一样，故机床在设计时， 在小工作台上面留有 t 形槽，t 形槽是用来固定工件座。在机床的制造时候，同 时也用了不同刀具的夹具装置（夹具在制造的时要考虑刀具的最大回转角度）， 以供用户在需要时更换。3.3 磨头的使用调整在刃磨铣刀盘时由于需要调整角度，所以磨头也必须进行调整。下面对磨头13的调整做简要的介绍。 该磨刀机的磨头是可以绕垂直轴转动 360，而磨头左右的摆角则只能在 15范围内调整。在刃磨铣刀盘的时候，首先应该将砂轮的轴线调成与小工作台 的 t 形槽垂直。在调整其垂直的方法是将其紧固螺母拧松，然后将磨头转动到需 要的角度位置，在拧紧紧固螺母，其次应调整砂轮轴线的水平，此磨刀机在磨头 的加工时，将磨头的顶端平面加工成与轴线水平的，在调整砂轮轴线的水平时， 只需要调整磨头顶平面就可以了。在调整磨头的轴心线水平时，可以利用内孔扳 手转动蜗杆通过齿轮带动扇形齿转动，扇形齿转动而带动磨头的转动，从而达到 磨头的水平。3.4 基座的结构介绍磨头的底端是一个基座，基座的上面做成弧形，在弧形槽内装有导块。导块 和基座通过 t 形螺钉和螺母配合而连接成一体，当拧松时，导块可以在基座的弧 形槽内滑动。为了减少其滑动过程的阻力（摩擦力），采用了弧形导轨。弧形导 轨应经表面处理后，硬度可以达到 hrc5864，这样可以减少导轨的磨损量。导 块在基座弧形槽内的运动是由齿轮和扇形齿啮合运动来实现的。在导块的上面装 有夹具轴和分度盘，分度盘通过过盈键和夹具轴连接在一起。下端由轴承盖固定 在箱体上阻挡其轴向的运动。箱体与导块是通过螺栓连接在一起。当拧松螺栓时， 通过蜗轮蜗杆传动来带动导块上面所有的零件一起转动（即微调）。当达到一定 的位置要求时，拧紧螺母便可以了。此处用的分度盘要有很高的精度，故其要防 止灰尘，如果有灰尘的影响，必须将分度盘密封起来。在制造箱体时，考虑到安 装的方便，将箱体分为上下两部分。即上箱盖和下箱座。上下箱体通过螺母和螺 钉连接在一起。在整个箱体旋转时，同样为了减少摩擦，在下箱体做里一个导轨， 该导轨为了防止其横向窜动，才做成了圆形导轨。第二章 车刀分析以及刃磨方法第一部分 车刀的参数分析一，金属切削发展简史研究金属切削加工过程中刀具与工件之间相互作用和各自的变化规律的一门学科。在设计机床和刀具、制订机器零件的切削工艺及其定额、合理地使用刀具和机床以及控制切削过程时，都要利用金属切削原理的研究成果，使机器零件的加工达到经济、优质和高效率的目的。 简史金属切削原理的研究始于19世纪中叶。1851年，法国人m.科克基拉最早测量了钻头切削铸铁等材料时的扭矩,列出了切除单位体积材料所需功的表格1864年，法国人若塞耳首先研究了刀具几何参数对切削力的影响1870年,俄国人na.季梅首先解释了切屑的形成过程，提出了金属材料在刀具的前方不仅受挤压而且受剪切的观点。1896年，俄国人aa.布里克斯开始将塑性变形的概念引入金属切削。至此，切屑形成才有了较完整的解释。1904年，英国人j.f.尼科尔森制造了第一台三向测力仪，使切削力的研究水平跨前了一大步。1907年美国人f.w.泰勒研究了切削速度对刀具寿命的影响，发表了著名的泰勒公式。1915年，俄国人rt.乌萨乔夫将热电偶插到靠近切削刃的小孔中测得了刀具表面的温度(常称人工热电偶法)，并用实验方法找出这一温度同切削条件间的关系19241926年,英国人e.g.赫伯特、美国人h.肖尔和德国人k.科特文各自独立地利用刀具同工件间自然产生热电势的原理测出了平均温度（常称自然热电偶法）。19381940年美国人h.厄恩斯特和m.e.麦钱特利用高速摄影机通过显微镜拍摄了切屑形成过程，并且用摩擦力分析和解释了断续切屑和连续切屑的形成机理。40年代以来，各国学者系统地总结和发展了前人的研究成果，充分利用近代技术和先进的测试手段，取 得了很多新成就，发表了大量的论文和专著。第三章 装置的设计第一部分 车刀刃磨装置的结构分析根据以前的车刀刃磨大致可分为手动刃磨和用工具磨床进行刃磨。手动刃磨在前面已经讲过，利用工具磨床刃磨可减小加工误差，并且效率高于手工刃磨。磨床刃磨是利用三向钳进行进行夹紧和进行角度确定，但是磨削过程中需要多次装夹工件而且磨削精度不高（精度不一定高于手动磨削）。因此需要设计出一磨削精度高于其他磨削方法，磨削效率高，结构简单，成本低廉的自动化磨削装置。根据以上磨削方法，我们设想一可以实现可绕x轴，y轴，z轴，旋转的机构并且在绕x轴时，不干涉y轴的运动。该机构与工具磨床组合可实现6个自由度，该机构最初设想为利用球角控制刀架角度变化,但是该机构在磨削过程中不能承受磨削力，出现偏移，使磨削精度下降。同时我们又设想出改造三向钳，改造成步进电机控制，但是设计出结构尺寸过大不符合设计要求。因此以上两种机构都不符合要求。根据以上的设想，我们设计出利用类似与十字轴的结构，来实现工作台绕x轴的旋转，以及绕y轴的旋转。同时利用步进电机可实现联动。如图九所示。当步进电机转动时带动丝杠转动，使螺母上下移动，当螺母上下移动时，使滑杆转轴抬高或降低，带动工作台面绕y轴旋转，转动一定角度。同理底下步进电机带动丝杠螺母使工作台面绕x轴进行旋转。工作台面底下的电机带动蜗轮蜗杆机构使刀架绕z轴旋转，因此实现车刀在磨前刀面，后到面，副前刀面及副后刀面，所转动的角度。但是一般磨削是用砂轮面去磨，因此在磨削后刀面时，x 轴和z轴是联动的，也可以先走绕x轴进行旋转，然后绕z轴进行旋转，当前刀面与后刀面有一定角度时，x，y，z轴是联动的也可以分别转动，这些主要是控制方面做的，该机构是可以同时联动也可以分别转动各个轴，根据实验该机构不会出现自由度的约束。 这种机构，在设计时主要考虑到x轴和y轴的连接部分，也就是十字轴的初步设计，该机构十字轴与普通十字轴完全不同，它是由三根轴构成的，x滑杆转轴，y滑杆转轴，和固定转轴，固定转轴要比其他两轴要粗，固定转轴在和其他两轴连接处是在中心线开了个槽子和孔，y轴在连接处是削去两端圆弧部分使其插入固定转轴的槽中同时中间也打孔与固定转轴孔的轴线重合，使x轴插入该孔中，实现当工作台绕y轴转动时以y轴轴线为中心旋转，x轴也是一样的。 图3.1 车刀刃磨装置的结构图 1. 步进电机 2. 丝杠 3. 螺母 4. x滑杆转轴 5. y滑杆转轴 6. 车刀 7. 蜗杆 8. 刀架 9. 蜗杆 z轴是通过，蜗轮蜗杆机构实现传动的，整个装置所采用的传动部件都是具有自锁功能的，因此减少了装置的零件数目，把结构简单化了。如果在装置中不采用具有自锁功能的传动零件在整个切削过程中，刃磨装置所受磨削力是可以产生逆传动的，因此，我们采用的是非滚珠丝杠，就是在螺母中没有滚珠，虽然在传动过程中，使传动摩擦大，但是它具有自锁功能。而在z轴所采用的蜗轮蜗杆机构本身是具有自锁能力的，它们的具体细节将会在下一部分说明。我们所设计的车刀刃磨装置，机构不仅可以用于刀具刃磨而且这种机构是可以用于其它机床加工复杂工件。我们在设计过程中，考虑到工作台面可绕x轴y轴各旋转正负30度的角度变换，而在z轴可进行完全旋转。这种机构的通用性强，使用方便，可以和多种机床进行组合。也可以把该种装置看成是一个数控夹具。（1） 刀架板的设计在设计刀架板时主要要考虑到刀架板在工作时是否对其它零件产生干涉，还有刀架板中刀架的位置，要能切削方便与砂轮有一个好的位置不至于砂轮闯到磨削装置上。根据这些要求我们设计出将刀架部分用一半圆弧凸出使砂轮与磨削装置有一定距离。我们设计刀架板厚20mm总长180mm在边缘处有一半径为45mm的圆弧突出。具体零件可参考刀架板零件图。（2） 底板的设计 底板设计中，首先要考虑到板的厚度以及部分细节方面的设计再装丝杠螺母的地方采用厚度为35mm，比其它地方后。这样要钻空放入轴承。在其它地方板厚为15mm ，底板总长为175mm总宽为165mm。材料为q235第二部分传动装置以及电机的选择设计一 歩进电机选择计算（一）步进电机的工作原理和特性步进电机如同普通电机，有转子、定子和定子绕组分成若干相，每相的磁极上有极齿，转子在轴上也有若干齿。当某相定子绕组通以直流电激励后，便能吸引转子，使转子上的齿和定子上的齿对齐。因此，它是按电磁铁作用的原理进行工作的，在外加脉冲信号的作用一步一步的运转，是一种将电脉冲信号转换相应角位移的机电元件。步进电机定子可以做成两相或三、四、五和十相等。相绕组可以单拍或双拍方式通电。步进电机主要技术参数指标和特性有:(1) 步距角。当步进电机的定子绕组为m，转子齿数为z，通电方式系数为k时，每输入一个脉冲信号，转子转过的角度称为步距角，用表示则有 (5-1)单拍通电时k=1，双拍通电时k=2。(2) 静态步距角误差是指步进电机空载时，每步实际转过的角度与理论步距角之差。以角度单位或理论步距角的百分数表示。(3) 精度通常指的是最大步距误差和最大累积误差，步距误差是空载运行一步的实际转角的稳定值和理论值之间的最大值，用理想步距的百分数表示。累积误差时指，从任意位置开始，经过任意步后任意的实际角位移和理论角位移之差。(4) 最大静转矩所谓静态是指步进电机的通电状态不变，转子保持不动的定位状态。静转矩即是步进电机处于定位状态下的电磁转矩，它绕组内的电流和失调角之间的函数。失调角就是在定位状态下，如果在转子上加一个负载使转子转过一个角度。并能稳定下来，这时转子上受到的电磁转矩和负载转矩相等，该电磁转矩即为静转矩。角度b称为失调角。对应于某式调角最大的转矩，为最大静转矩，一般来说材大的电机，负载转矩也大。 (5) 最大起动转矩只有在外加的转矩小于峨时才能启动，该性能表示步进电机启动时的负载能力。(6) 响应频率在某一个频率范围内，步进电机可以任意运行而不丢步，则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率来作为衡量指标。它是指在一定负载下直接起动而不丢步的极限频率。(7) 运行频率和矩频特性运行频率指拖动一定负载使频率连续上升时，能使步进电机不失步运行的极限频率。矩频特性包括起动矩频特性和运行矩频特性。起动矩频特性指在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，起动频率和负载转矩之间的关系，又称为牵入特性。运行矩频特性指负载惯量不变时，运行频率和负载转矩之间的关系，又称为牵出特性。矩频特性如图3.2所示。 图3.2步进电机矩频特性 图3.3 步进电机惯频特性(8) 惯频特性在负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系，称为惯频特性。惯频特性分为启动惯频特性和运行惯频特性。如图5-2所示。对于步进电机的控制，了解其性能参数必须的，因为在进行步进电机选择和软件设计时，它的性能决定整个控制系统的性能。(二)步进电机选择和计算1初选步进电机型 号相数电压电流电阻电感静转矩机身长定位转矩出轴长重量接线图单 位vamhkg.cmmmkg.cmmmkg57bygh101431.32.32.24.9450.3210.45a57bygh10225.10.756.812.55450.3210.45b57bygh2014160.440608.5550.7210.65a57bygh2024120.717.5228.5550.7210.65a57bygh20322.41.51.63.48550.7210.65b57bygh204451.53.33.68.5550.7210.65a57bygh205260.61026.58.5550.7210.65b57bygh20642.730.91.48.5550.7210.65a57bygh20724.41.153.889550.7210.65b57bygh20827.20.612338.5550.7210.65b57bygh209441.62.53.58.5550.7210.65a57btgh21044.81.53.248550.7210.65a57bygh2114321.528.5550.7210.65a57bygh21221.830.61.38.5550.7210.65b57bygh21324.51.535.49550.7210.65b57bygh214232.51.54.414550.70.65b57bygh25125.11.53.46.812680.7210.65b57bygh30144.622.3414760.9211.0a57bygh30242.62.41.11.914760.9211.0a57bygh30345.41.53.66.812760.9211.0a57btgh304471.54.77.414760.9211.0a57bygh30622.730.92.215760.9211.0b 图3.4 57电机的外形图初步选用型号是57bygh203系列的混合式步进电机，这种电机产品同时兼有反应式和永磁式两种步进电机优点。该产品具有体积小、驱动电流和功耗小、起动和运行频率高、动态性好的特点，同时还具有良好的内部阻尼特性，因而运行平稳，无明显的低频振荡区，噪音小，可靠性高。既可用于组建稳定、可靠的开环系统，也可用于组建闭环系统。工作中要求步进电机能严格跟随指令脉冲,不发生失频、振荡;能快速起动、停止、正反转和高效运转;能满足各项性能指标且具有良好的动态特性。步进电机选用时首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，使电动机的矩频特性有一定余量以保证运行可靠，一般来说最大静转矩t-大的电机，负载转矩也大，通常取t /t=0.20.5。对于相数较多，突跳频率要求不高时取大值，反之取小值。其次要求计算机械系统的负载惯量和产品所要求的启动频率，使之与步进电机相匹配并有一定余量，并使最高连续工作频率能满足产品快速移动的要求。选用步进电机时还必须注意到要使其步距角和机械系统相匹配，以得到所需要的脉冲当量。57电机的参数步 距 角：0.9/1.8 deg 绝缘电阻：500v dc 100m 绝缘强度：500v ac 1 minute 温 升：65k 环境温度：-10+55 绝缘等级：b 图3.5 57bygh203以及57bygh301运行矩频特性2负载转矩和惯量的计算(1)负载转矩的估算精确计算驱动系统的转矩是比较复杂的，习惯的做法是根据实际装置实测求取，在选择步进电机时，常常使用近似的公式，先估算出负载的转矩，从而为选定步进电机提供依据。根据该课题的要求,估算电机的负载转矩。由机械结构可知,电机驱动丝杠螺母机构在到工作台，该直线运动系统换到电动机轴的负载转矩一般由下式估算: (3-1)f一直线运动机械的轴向力，kg；d一齿轮齿条传动中的齿轮直径，cm；w一负载质量，kg；i一减速传动比；一驱动系统的效率；一滑动摩擦系数。式中其中，取0.10.3, =0.850.950，d=14mm。由机床的结构参数，估算工作平台的总质量(包括旋转步进电机、蜗轮、蜗杆、刀架等)为15kg，根据刀具刃磨载荷轻的特点，直线运动受到的轴向力可根据力矩平衡原理得出，如图5-3所示，轴向力矩与摩擦分力的力矩相等： （3-2）=0.77kg代入（3-1）可得： = (2)负载惯量的计算根据惯量的定义，物体对某轴的惯量定义为该物体微小体积的质量dm与该微小体积到轴的距离r的平方的乘积之总和，即 3-3回转体的惯量计算： 3-4式中：回转体的材料密度 d回转体直径 l回转体的长度该机构是经过一级蜗轮蜗杆减速传到工作台上故其转动惯量必须经过折算，其公式为： 3-5工作台转动惯量计算步进电机驱动蜗轮蜗杆传动机构，通过蜗轮蜗杆机构传到工作台，这时根据动能守恒定律可得到工作台运动惯量换算到驱动轴上的等效转动惯量为： 3-6=0.012k蜗轮轴转动惯量计算=0.029k蜗轮蜗杆等效为圆柱体，其转动惯量为 =0.095 k=0.235 换算到电机轴上总惯性负载 =0.012+ = 0.012 k (3)加速转矩驱动负载时往往需要进行加减速度运行。惯性体就会产生加速转矩，其计算式为：式中s每转走的步数，为步进电机的步距角；f 最大驱动频率，hz(pps)；t加速时间；g重力加速度，。二 丝杠螺母机构的选择计算（一）丝杠螺母机构概述1丝杠螺母机构的特点（1）用较小的扭矩传动丝杠，可使得螺母获得较大的轴向牵引力；（2）可达到很大的降速比，使得机构大为简化；（3）能达到较大的传动精度。用于机构进给时，还可算作测量元件，通过刻度盘读出直线位移的尺寸，最小度数值可达到0.01mm；（4）传动平稳，无噪声；（5）在一定条件下能自锁，即丝杠螺母不能进行逆传动。此特点可用于部件升降移动，防止因部件自重而降落。2丝杠螺母机构的选用根据该设计方案，要求工作台能够上下移动，而且要能够自锁，故根据选用如图所示结构：(二)丝杠螺母机构的计算1丝杠的导程：根据结构设计和要求，选用丝杠头数k=1,螺距t=4mm,故丝杠螺母机构的导程s=kt=4mm。2丝杠的效率：正传动的效率即回转运动转换为直线运动的效率为： 3-7式中：中径处的螺纹升角，； 丝杠螺纹中径； 当量摩擦角。= =对于滑动丝杠：，当f=0.1, =时，。代入数据得= =0.5113驱动扭矩m计算设所受的轴向力为p，则螺纹中径处的圆周力q为： 3-8 =6.9 =1.34n驱动扭矩m为： 3-9用代入得：= 6.9=8.6n.m4耐磨性计算滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大，螺旋副间越容易形成过渡磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p,使其小于材料的许用压力p。有耐磨性决定丝杠中径的公式为： 3-10式中:p丝杠所承受的最大轴向力； 螺母的长径比，l为螺母的长度（mm）一般取1.24，但螺母的螺纹圈数一般不超过10。因为圈数越多，载荷分布越不均，第10圈以后的螺纹，实际上起不到分担载荷的作用。 =16mm故取=16mm,耐磨性核算的公式为： 3-11代入数据得p=72.580,故满足要求。三 蜗轮蜗杆机构选择计算（一）蜗轮蜗杆传动的尺寸参数1蜗轮蜗杆传动的特点蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线的夹角围任意值，通常用的为90。这种传动有以下的特点：（1）当使用单头蜗杆（相当于单线螺纹）时，蜗杆旋转一周，蜗轮只转过一齿距，因而能实现大的传动比。在动力传动中，一般传动比i=580；在分度机构或手动机构中，传动比可达300。（2）在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是渐渐进入啮合及渐渐退出啮合，同时啮合的齿对有较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。（3）当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆的传动具有自锁性。（4）蜗杆传动与螺旋齿轮的啮合相似，在啮合