毕业设计（论文）-车床用数控砂带磨削装置设计（全套图纸）

长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 1 页 装 订 线 第第 1 章章 前言前言 1.1 概述概述 砂带磨削工艺，就是将环形砂带套在接触轮和张紧轮的外圆上，在张紧的 状态下，使高速旋转的砂带表面与工件的加工表面相接触，并在一定的压力作 用下，以产生的相对摩擦运动（切削运动）对工件表面进行磨削加工的一种工 艺方法。砂带磨削分为轮压式和带压式两种方法，如图 1.1 所示。 图 1.1 沙袋磨削方式示意图 对于轮压式磨削法，即接触轮施压于工件表面上，此时接触轮与工件的轴 间距 A1/2（Dd）此种磨削方式由于接触压力大，单位时间内金属的去除量 大，效率高，因而适用于内、外圆表面和平面的粗、精磨削。对于带压式磨削 法，即用砂带施压于工件磨削表面，此时因张紧轮支架向工件方向倾斜了一个 角度 ，接触轮与工件轴间距互 A1/2（D d）。与轮压式磨削法相比，带压 法的接触压力较小，单位时间内去除的金属量亦小，主要用于磨削圆弧面、圆 锥面和其它异形表面，尤其以精加工抛光为主。 由于本文所设计装置主要用于外圆表面的精磨，所以采用轮压式。 砂带和砂轮一样，同属于一种多齿微刃型切削工具，其加工特性基本相同， 所不同的只是形状各异而已。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 2 页 装 订 线 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 1.2 目前的发展状况目前的发展状况 在国外，一些工业发达国家由于各种类型砂带磨床的迅速发展，砂带磨削 的功能已远远超出了用于除锈、 粗磨、 抛光等范围， 其加工效率为砂轮磨削的 5 20 倍，加工质量可与一般常规的磨削方法相媲美，加工精度已接近或达到与砂 轮磨削相同的水平，而机床功率的利用率却比任何金属而机床功率的利用率却 比任何金属切削机床都高，其应用范围遍及各个行业，几乎对所有材料（如木 材、橡胶、各种金属）都可进行磨削加工。据有关资料介绍，美国每年的砂轮 与砂带产量之比约为 1： 1。在著名的工程机械企业 CaterPiller 公司，砂带磨 削就占有重要的地位。 在国内，一些砂带生产厂家如郑州白鸽集团（即中国第二砂轮厂）、上海 砂轮厂等都相继引进了高压静电植砂新工艺，保证了磨粒在砂带表面的“定向排 列”，使砂带具有良好的锋利性。同时，随着粘结剂的发展，耐水耐油的全树脂 强力砂带的出现，使砂带的磨削性能得到显著提高。虽然目前我国各类砂带磨 床的型号尚不完备，但研制和使用一些砂带磨削装置是切实可行的。 1.3 砂带磨削的特点砂带磨削的特点 （l）砂带磨削具有“快削法”之称。砂带磨削效率高，已达到铣削的 10 倍， 普通砂轮磨削的 520 倍。 （2）砂带磨削还具有“冷态”磨削之称。由于加工时摩擦生热少，且因磨粒 散热时间间隔长，可有效地减少工件变形和烧伤，加工精度一般可达到普通砂 轮磨床的加工精度，有的尺寸精度已达到0.005 mm，最高可达到0.0012mm。 （3）砂带磨削具有“弹性”磨削之称。由于砂带磨削与工件是柔性接触，具 有较好的跑合和抛光作用，工件表面粗糙度可达 Ra080.2m。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 3 页 装 订 线 （4）砂带磨削设备结构简单，制造成本低，接触轮极少磨损，可使砂带保 持恒速，传动链短，机床功率利用率可达 85%。 （5）辅助时间少。工件装夹一次定位后，可多次更换砂带完成全部加工， 无需像砂轮那样进行平衡及修整工作。 （6）适应性强，操作简单，安全可靠。 1.4 砂带磨削装置的主要结构及磨削用量砂带磨削装置的主要结构及磨削用量 砂带磨削装置有几种不同的结构。一种是由电机输出轴直接传动砂带的装 置，另一种是由电机经磨削主轴传动砂带的装置，还有一种是供内圆磨削使用 的装置。 对于第一种装置，它的特点是接触轮直接安装并固定在具有 1：5 锥度的电 机输出轴上，该装置具有砂带张紧及快换操纵机构。因为这种磨削装置可以借 助夹持架安装在多种金属切削机床上进行磨削加工，故称其为通用砂带磨削装 置。这种装置中，张紧轮和接触轮宜采用质地均匀的尼龙材料制成。由于接触 轮和张紧轮都是高速旋转的零件，张紧轮的转速可达 5 000 r min 以上，为保 证安全并提高整个装置的工作平稳性， 加工后应对这两种零件进行动平衡试验， 力求将不平衡重减到最小。 本文采用的是后一种由电机经磨削主轴传动砂带的装置，这主要是考虑到 装置的整体布局。 砂带的线速度受允许的最大极限限制，一般选为 25 ms。工件每转砂带 沿工件轴线的纵向进给量一般控制在砂带宽度的一半以内，精加工时可适当减 少一些。另外，磨粒的粒度与磨削的表面粗糙度有直接关系，粒度越小，磨削 后的表面粗糙度数值越低。使用时，应保证有充足的冷却润滑液和相应的除尘 设备。 1.5 砂带磨削的发展方向砂带磨削的发展方向 与一般常规的加工方法相比较，砂带磨削的确是一种优质、高效、低消耗 的新颖的加工方法。同时，对于刚性较差的长轴或薄壁套筒零件，设计制造一 些结构简单、制造容易、操作方便的砂带磨削装置，安装在通用机床上代替磨 床来进行高效的精加工是切实可行的。 在国外，砂带磨削技术正在向以下方向发展： （1）机床功率不断增大。 200 kw 以上的砂带磨床已经出现。 （2）提高砂带速度。正在进行 100 ms 以上高速砂带磨床的研制。 （3）则增大砂带的宽度，提高加工效率，最宽已达 49m 以上。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 4 页 装 订 线 （4）延长砂带的使用寿命。已从初期的 24h 提高到目前的 8 12h。 （5）随着砂带磨削的磨削用量不断提高，单位时间内的磨削量已能够达到通 用金属切削机床单位时间内的切削量，从而把砂带磨削由精加工推向强力磨削 的阶段，并出现了以磨代车，以磨代铣和以磨代刨的趋势。 随着砂带磨削工艺在国内工程机械行业的不断推广使用， 以及砂带制造工艺 的不断完善和发展，必将出现种类更多的砂带磨床和装置。可以预料，砂带磨 削工艺在工程机械制造业中必将得到应有的重视和进一步的发展。 第第 2 章章 带磨削装置的设计带磨削装置的设计 砂带磨削技术优越性的发挥，很大程度上要依赖于砂带磨床本身，因而磨 床的结构设计是一项非常关键的工作，在砂带磨床的设计中，磨头又是最关键 的，它的结构方案，参数选择及主要零部件的制造精度，刚性等指标将对工件 表面质量、加工精度有很大的影响。 从砂带的外部特征来看，砂带犹如机械传动所用的平皮带，因而砂带传动特点也与平皮带 传动相似： （1）依靠摩擦力传动。砂带运行时它的动力来自驱动轮外缘表面与其接 触部分的摩擦力，即驱动轮的有效圆周力。为此，砂带必须像平皮带传动一样 有一定的初张力，使之紧贴驱动轮表面。 （2）为了防止砂带运行中出现跑偏、皱折等现象，砂带传动中，各传动轮 大多采用轴平行结构，少数场合使用交叉轴传动时，各轮面及轴线都须注意对 称分布。同时，在所有传动轮中，至少必须有 l 一 2 个轮子外圆轴截面为中凸 形。 （3）砂带自身质量轻且柔软，弯曲抗力小，因而它也有与平皮带传动同样 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 5 页 装 订 线 高的传动效率，甚至更高，动力损失小等特点，这也是砂带磨削功率利用率高 的原因之一。 （4）平皮带不论上下两面都不允许有物体与之作滑动摩擦，而砂带则可以 用适当的物体支承其背面，并以此实现对工件的磨削加工。 2.1 总体方案总体方案 本题目设计的砂带磨削装置可以装在 CA6140 以上的车床上，应该按 CA6140 车床的结构尺寸来确定装置的基本尺寸， 主要考虑 CA6140 车床的导轨 宽度以及导轨平面与车床主轴中心的距离。 同时根据技术要求设计计算各参数。 2.1.1 磨削装置应满足以下要求磨削装置应满足以下要求 磨削速度：510m/s 横向数控进给精度：0.001mm 直径检测精度：0.001mm 磨削直径范围：80- 400mm 砂带宽度：80- 120mm 2.1.2 装置总体方案装置总体方案 图 2.1 砂带磨削装置的总体布局 砂带磨削装置的总体布局如图 2.1 所示。电机输出的动力由 V 带传动，通 过主轴，传给驱动轮。驱动轮同时又是接触轮，这种方式是为了使装置 的空间结构更紧凑。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 6 页 装 订 线 2.2 砂带的选择砂带的选择 砂带是用粘结剂将磨料粘结在纸、布等可挠性材料上制成的可以进行磨削 和抛光的一种带状工具，它是涂附磨具的一种主要且较高级的形式。其基本组 成是：基材、磨料和粘结剂，合称为砂带构成的三要素。其基本结构如图 22 所示。以下对砂带的各组成要素进行叙述： 图 2.2 砂带的基本结构 基材 作为磨料和粘结剂的承载体，它是砂带区别于砂轮的主要特征，是 使其具有可挠性的主导因素。基材的种类主要有纸、布、复合基材、无纺布等， 每种基材还因其单位重量、强度、厚度、组成等不同而分为若干品种。 磨料 作为切削刃，起磨削作用，是构成磨具的主体。磨料的种类，有天 然磨料和人造磨料两大类。天然磨料有天然金刚砂、石榴石等人造磨料有刚玉、 碳化硅等。粒度表示磨料颗粒的大小。植砂方式 ：将磨料布置在涂有粘结剂的 基材上的上砂方式。常用的上砂方式分重力植砂和静电植砂两种。植砂密度表 示砂带表面磨料分布的疏密程度。以单位面积基材上磨粒的复盖率来表示，分 疏型和密型两大类，也有分疏、中、密型三大类的，它相当于砂轮的组织因 此也可以称为砂带的组织。 粘结剂 起粘结磨料和基材的作用，使砂带具有一定的形状和强度。它由 基材处理剂、底胶和覆胶三部分组成。用基材处理剂处理的方法，分为非耐水 处理和耐水处理的两大类。一般干磨砂带的基材要作非耐水处理，生产耐水砂 带的基材须作耐水处理。粘结剂的种类，主要分动物胶、合成树脂二大类。粘 结强度是磨料粘结的牢固程度。即当外力作用于砂带表面时。粘结剂抵抗外力 使磨料从表面脱落的难易程度，与砂轮的硬度相似。为了获得良好的磨料粘附 力，粘结剂涂层由相继涂附的三层胶基体处理剂、底胶和覆胶组成。影响 磨料粘结强度的主要因素是粘结剂的种类和用量。 表 2.1 磨料的选择：表磨料的应用范围 磨料品种 磨料代号 应用范围 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 7 页 装 订 线 棕刚玉 A 适用于加工抗张强度高的金属，如各种碳素钢、合金钢、 可锻铸铁、硬青铜等，也用于硬质木材及制品的加工 白刚玉 WA 适应于加工淬火钢、高碳钢、不锈钢、各种硬度较高的合 金钢、有色金属等，良好的锋利性也常用于木材的加工。 黑碳化硅 C 适应于加工抗张强度低、韧性大的金属，如黄铜、铝材等， 也适应于加工非金属材料，如玻璃、陶瓷异化 岗岩、玉器、 塑料、橡胶、树脂板、中纤板、刨花板等的加工。 锆刚玉 ZA 适应于加工抗张强度高、韧性大的金属材料，如各种不锈 钢、钛合金、耐热合金钢、高钼钢、镍/铬合金、铬/钴/钨合 金、青铜、灰铸铁等可锻铸铁、硬青铜等的加工。 根据上表所列，选择白刚玉，WA。 表 2.2 粘结剂和基材的性能 种类 粘结剂 基材 性能 G/G 底胶、复胶均为动物胶 L、F、J 布基 A、B、 C 纸基 粘结性能好，使作方 便，但不耐水，易受 潮、霉变 R/G 底胶为动物胶、复胶为合成树 脂（脲醛或酚醛树脂） F、J 布基 A、B、C 纸基 粘结强度高于 G/G 产 品，防潮抗霉性好。 R/R 底胶、复胶均为合成树脂 J、X、Y 布基 E、F 纸基 粘结强度高，磨削锋 利，耐磨性、耐热性 好。 WP 底胶、复胶均为合成树脂 X、Y 布基 基材耐水处理，耐水 性好， 布基产品同R/R 产品 根据表 2.2，选择 R/R，底胶、复胶均为合成树脂，基材为布基。 2.3 磨削力与磨削功率的计算磨削力与磨削功率的计算 2.3.1 选择磨削用量选择磨削用量 吃刀深度和走刀量对材料切除率的影响：由于接触轮的弹性变形，砂带磨 削时的送进磨削深度和实际磨削深度存在差别。习惯上把送进磨削深度称作名 义磨削深度(或给定磨削深度、 公称磨削深度等)，而把实际磨削深度称为有效磨 削深度。显而易见，砂带的有效磨削深度比名义磨削深度小。在名义磨削深度 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 8 页 装 订 线 一定情况下，有效磨削深度将随接触轮硬度、砂带粒度、工件材质等变化而相 应地变化。只有在确知名义磨削深度与有效磨削深度的定量关系后，才能根据 加工余量的大小确知名义磨削深度。随着有效磨削深度的增加，材料切除率将 明显增加但砂带的磨损将加剧，使用寿命缩短。 磨削用量不仅关系到砂带的磨削效率，对加工表面粗糙度也有很大影响。 选取适当的磨削用量，不仅可以得到较低的表面粗糙度，而且还能获得较高的 磨削精度和较高的生产效率等综合效果。磨削用量主要是指砂带速度、吃刀深 度、进给速度等。 表 2.3 磨削用量参照表 工件直径 （mm） 工件转速 （r/min） 切削深度 （mm） 进给量 (mm/r) 接触轮硬度 (Hs) 100 以下 68136 0.010.05 0.4- - 2 50- - 90 100- - 200 34- - 48 200- - 400 8.5- 34 400- - 1000 1.75.6 根据上表选择磨削深度 0.01 p amm= 。 2.3.2 磨削力的计算磨削力的计算 磨削力是研究砂带磨削过程的一个极为重要的参数，它和砂带的磨损，磨 削表面质量及比磨削能等都有直接关系。而且磨削力易于测量和控制，因此可 以用磨削力诊断磨削状态，作为适应控制的评定参数。 磨削力的影响因素： （1）冷却液的影响，在有冷却液的情况下，法向力和 切向力都增大，而法向力增加的更大。 （2）砂带的影响，不同种类的磨料加工 时磨削力不一样，碳化硅砂带加工时，磨削力比用刚玉砂带大 40%。其他条件 相同时，磨料粒度对磨削力的影响关系是：细粒度磨削力更大。这是因为细粒 度加工时接触的磨粒数多，容屑空间小，易堵塞，并造成磨削力切向分量加大。 基材的柔性越大，切向磨削力越小。 （3）砂带速度的影响，如图 2.3 所示，法向 力比切向力明显大，每条曲线的开始部分较低。在第二段来看，随速度升高切 削力大大地减小，这是因为单颗磨粒切入深度减小的缘故。这种变化趋势类同 于砂轮磨削，且在低速段变化 更显著。在砂带进入稳定磨损阶段后，大部分磨粒都正常参与切削，此时 的加工状态较为稳定。当速度 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 9 页 装 订 线 图 2.3 砂带速度对磨削力的影响 增加 300时，接触轮磨削的切向力将减少约 58%。 切入式砂带磨削的切向力和法向力可由下式计算，即 0.84 0.71 0 w tsp s V FUaB V = (2.1) 0.84 0.68 0 1.15 w asp s V FUaB V = (2.2) s U 磨削比能（ 2 /kg mm）取 2 1100/ s Ukg mm= ; s V 砂带速度（m/s）取 10/ s Vm s= ； w V 工件速度（m/s）取 0.17/ w Vm s= ； p a 实际（有效）磨削深度（mm）取 0.01 p amm= ； B砂带宽度（mm）80Bmm= 将以上参数代入公式（2- 1） 、 （2- 2）中得： 0 75.5 t FN= 0 61.4 a FN= 磨削功率 0 755 ts PF Vw= 2.4 接触轮与张紧轮设计接触轮与张紧轮设计 2.4.1 接触轮尺寸的设计接触轮尺寸的设计 选择带宽 B=80mm。所以接触轮、张紧轮宽度为 80mm。 接触轮的结构大致可以分为气胎式，自由对中式和实体式三种。其中实体 式是目前应用最广泛、也是最主要的一种接触轮。它或是由钢、铝、铸铁及尼 龙等材料直接制成，或是由以钢、铝等金属材料为轮芯，外包橡胶等弹性材料 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 10 页 装 订 线 制成，而这又是实体式接触轮的主要形式。接触轮硬度是影响砂带磨削特性的 重要参数，它对加工的表面粗糙度，材料切除率及尺寸精度都有很大的影响。 在其他条件相同时，硬度越大，接触轮变形越小，与工件接触面积越小，压强 大，单颗磨粒对工件的压力越大，有效切削深度越大，因而切除率也越高，而 且磨削精度也越高。 由于以上原因，采用铝制实体式接触轮，表面光滑。由于接触轮同时又是 驱动轮，所以可按下式初算接触轮直径，再验算驱动轮包角。 1 60 1000 s s V D n = 初选 1200 /min s nr= 1 60 1000 10 159.23 3.14 1200 D = ，初定接触轮直径 1 D=150mm。 取张紧轮直径为 2 D =120mm，中心距 A d = 386mm。 包角的大小影响砂带的传载能力，包角越大，传载能力越强，一般说来包 角越大越好，若包角过小，传递动力时容易打滑。 驱动轮包角： 12 1 18060 150 120 18060175.3 386 A DD d = = oo ooo 驱动轮面是钢材或铝材时取 150 = o 1 ,符合要求。 2.4.2 张紧轮的尺寸设计张紧轮的尺寸设计 砂带必须在一定张紧力作用下才能工作，张紧机构产生的张紧力通过张紧 轮使砂带得以张紧，并在驱动轮作用下使砂带进行磨削，张紧轮不仅起张紧砂 带的作用，而且还起导向作用，使砂带不致偏离接触轮。张紧轮直径越大，导 向控制越灵敏。一般情况下建议直径大于 120mm。张紧轮过小会引起砂带弯曲 过分或振动，也会使其转速过高带来其他不利影响。为使砂带定心，张紧轮外 圆要求作成中凸弧形。中凸高度值不能过大，否则会引起砂带振动及受力不均 并使砂带中部损伤。中凸高度值应根据操作状况而定，实践中常由砂带宽度决 定，也可按下式计算：(0.25 0.30) B = 计算后取2.5 =mm。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 11 页 装 订 线 2.5 张紧力的计算张紧力的计算 砂带的张紧程度对砂带磨削过程有重要作用，这表现在张紧力大小对加工 效率和加工质量及砂带使用寿命等方面的直接影响。 在砂带强度允许的情况下， 材料切除率随张紧力的增大而增加，故选择张紧力应在保证接触轮不失弹性的 条件下，张紧力越大越好。张紧力值的选择范围常在 7- 80N/cm 之间。 由平皮带传动原理可知，有效圆周力 f F 与初张力 0 F 和轮子结构尺寸之 间的关系是 0 1 1/ 2 1 1/ ft e FFF e = + 其中 为摩擦系数，0.37, 175.3 = o 所以上式可化为： 0.37 175.3 0 0.37 175.3 1 1/ 275.5 1 1/ e FN e + o o 得 55.5 f FN ，符合张紧力要求。 2.6 电动机的选择电动机的选择 本设备所需的是普通三相异步电动机。综合考虑功能和成本的因素确定， 选择交流三相异步电动机最为合理，既能满足功能要求又不会造成成本过高。 电动机的容量（额定功率）选得合适与否，对电动机的工作和经济性都有 影响。容量小于工作要求，则不能保证机器正常工作，或使电动机长期过载、 发热而过早损坏；容量过大，则电动机价格高，能力又不能充分利用，由于经 常不在满载下运行，效率和功率因数都较低，造成很大浪费。 电动机的容量主要根据运行时发热条件决定。额定功率是连续运转下电动 机发热不超过许用温度的最大功率，满载转速是指负荷相当于额定功率时的电 机转速，同一类型电动机，按额定功率和转速的不同，具有一系列型号。对于 长期连续运行的机械，要求所选择电动机的额定功率 Ped 应大于等于电动机实 际工作时的功率 Pd,即 PedPd。通常可不必校验发热和启动力矩。 电动机所需的输出功率为：Pd=Pw/kW 式中， Pw 为工作机要求的输入功率， kw， 为由电动机至工作机的总效率。 工作机要求功率 Pw，应由机器工作阻力和运动参数计算求得，通常由设计中给 定的参数，按下式计算： Pw 1000 w Fv kw 或 P w 9550 ww w T n kW 式中：F 为工作机的阻力；v 为工作机的线速度；T w为工作机的阻力矩；nw为 工作机的转速 n； 为工作机的效率。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 12 页 装 订 线 由上面公式估算得 Pd0.755kW。 根据砂带磨削实际工况的考虑，选择转速 n1400r/min 要求。根据上述条 件选择 Y90L- 4 型三相异步电动机具体参数如下： 使用条件 1、 海拨不超过 1000m； 2、 环境温度不超过 40； 3、 电机防护等级 IP44； 4、 相对湿度：不超过 90%（20以下时） ； 5、 工作制：SI 连续； 6、 绝缘等级：B 级； 7、 电动机的额定电压 380V，频率为 50HZ 具体选择参数如下表 2.6 表 2.6 参数陈列 型 号 Y90L- 4 额定功率（ kW） 1.5 同步转速（r/min） 1500 满载转速（r/min） 1400 满载电流 （A） 1.5 满载时效率 79% 满载功率因数cos 079 堵转电流/额定电流（A） 6.5 堵转转矩/额定转矩（Nm） 2.2 最大转矩/额定转矩（Nm） 2.2 噪声 dB(A) 67 转动惯量( 2 kg mg) 2.70E- 03 净重 kg 27 2.7 带传动的设计带传动的设计 1、 确定设计功率 Pd=KaP,查表得 Ka=1，Pd=0.755Kw 2、选择 V 带型号，因是露天工作设备，对结构尺寸无特殊要求，可选用普通 V 带。根据 Pd 和 n1，选取 Z 型 V 带。 3、 选择带轮直径 D1、D2： 查表得：Z 型 V 带 Dmin=50mm,考虑到小带轮转速不是很高，机构尺寸又 无特别限制，故选 D1=70mm。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 13 页 装 订 线 验算带速： 1 1 5.13/ 60 1000 Dn vm s = ，带速在 525m/s 之间，D1 选择合 适。 D2=id1=77mm,参考标准直径系列，考虑滑动率的影响，D2 应圆整至标 准直径系列，故取 D2=75mm。 转速误差： 7775 0.0265% 77 = 4、 确定中心距 a 和带长 L 初选中心距： 12012 0.7()2()DDaDD+ 得 0 102.9294mmamm 初选 0 250amm= 带长 2 21 012 0 () 2()727.7 24 DD LaDDmm a =+= 查表取：L=710mm。 中心距 0 710727.7 250241.2 22 LL aamm =+=+= a的调整范围： min max 0.015230.5 0.03262.5 aaLmm aaLmm = =+= 5、 验算小带轮包角： 21 1 18057.3 DD a = oo 得 1 178.8120 = oo ，合适。 6、确定 V 带根数 z: 根据公式 L d KKPP P z )(00+ = 查表得： 0 0.31Pkw=， ) 1 1 ( 10 i b K nKP= 查表得：1.0276 i K =，0.173410 b KE= kwP 33 1052 . 6 ) 0276 . 1 1 1 (1400101734 . 0 = 查表得：0.99,0.99 L KK =，代入求根数公式得： 3 0.755 3.22 (0.31 6.52 10 )0.99 0.99 z = + 取3z =,符合推荐的轮槽数。 2.8 主轴的设计主轴的设计 主轴部件是磨头的关键部件。为防止轴承磨损后造成较大的径向跳动，可 采用双联轴承自行消除轴向间隙的结构，各用一对 c 级 6003 轴承，如图所示。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 14 页 装 订 线 磨头主轴径跳可达 0.005mm。当要求径向跳动在 0.015mm 以内时，也可用 D 级 精度轴承。 整个主轴部分(即轴、接触轮和皮带轮)在组装前进行整体动平衡，并达到 G1.0 级或更高的平衡精度。 图 2.3 主轴结构 根据前文的计算结构，V 带轮与砂带轮的张紧力均不大，粗估主轴强度满 足要求。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 15 页 装 订 线 第第 3 章章 进给系统的设计进给系统的设计 上一章已经设计了砂带磨削装置，本章主要设计进给系统。将上一章设计 的砂带磨削装置安装在中拖板上，由滚珠丝杠带动进给。电动机选择步进电机， 由于目前市场上的步进电机步距角较大，达不到进给精度，为了保证较高的进 给精度，增加一对减速齿轮，进一步细分进给系统分辨率。 3.1 滑动导轨副设计滑动导轨副设计 根据砂带磨削装置作直线进给，不存在颠覆力矩的工作条件，精加工磨削 力小的特点，可以选择滑动导轨。 3.1.1 选择导轨面的截面形状和结构尺寸选择导轨面的截面形状和结构尺寸 根据砂带磨削装置的工作特点，矩形导轨。矩形导轨的特点： （1）尺寸紧凑，适合于高度小、层次多的部件； （2）用一根镶条可以同时调整各面间隙，调整及夹紧方便； （3）刚度不及矩形导轨，不适于承受大的颠覆力矩和向上的力； （4）应注意导轨防护。 根据机床设计手册（3 部件，机构及总体设计）表 6.2- 10 确定燕尾形导轨 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 16 页 装 订 线 型式尺寸。根据导轨面上的平均压强和最大压强，选择导轨材料，表面精加工 方法和热处理方法。根据燕尾形导轨摩擦阻力较大的特点，导轨接触面采用环 氧涂层。环氧涂层材料的摩擦系数,符合要求。 预拉伸计算：设温升 3.5C o 1、按式(2.8.30)温升引起的伸长量 2、丝杠全长伸长量： 6 11 103.5 0.4617.71 l m = 3、预拉伸，按拉伸公式： 2 11 17.710.022 4 2.1 102380 0.46 l t u AE FN l = 3.2.6 定定位位精度精度校校和和 1、丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移： 6 max 211 1.3 10100.0036 4 40.0222.1 10 4 FlF F AE = 快速移动时 max 74.7,0.27FNm= 磨削工作时 max 136.1 ,0.49FNm= 2、 丝杠与螺母间的接触变形： 由表 2.8- 33 查得 FC2505- 2 丝杠副的接触刚度489/ C KNm=， 所以得：快速移动时 74.7 0.15 489 c C F m K = ； 磨削工作时 136.1 0.28 489 c C F m K = 。 3、 轴承的接触变形：角接触球轴承的刚度可按下式估算 11 25 33 11 25 33 23.6sin 23.613sin 600.0071442900 282/ BwQ KZDF Nm = = = o 快速移动时 74.7 0.26 282 B B F m K = ； 磨削工作时 136.1 0.48 282 B B F m K = 4、 丝杠系统的总位移： maxcB =+ 快速移动时0.270.150.260.68 m=+=； 磨削工作时0.490.280.481.25 m=+=。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 20 页 装 订 线 定位精度， max 发生在螺母处在丝杠中部处，, cB 与螺母位置无关。所 以以上求得的位移均为/230mm查表 2.8- 14,2.8- 15,取丝杠精度等级为 1 级， 任意 300mm 的行程公差为6 m,满足定位精度要求。 3.3 减速齿轮设计减速齿轮设计 根据进给系统的精度要求，步进电机与丝杠之间应该有减速装置。能够实 现减速功能的结构有齿轮减速、蜗轮蜗杆减速、同步带减速。 蜗轮蜗杆传动的主要优点是可以获得比较大的单级传动比。 在传动过程中， 传动比的一般范围在 580 之间，对非动力传动，传动比可达 10000 或更大。 由于传动比大，零件数目少，因而结构紧凑。由于蜗杆齿是连续的螺旋齿，与 蜗轮轮齿的啮合是逐渐进入或退出啮合，因而传动平稳，振动和噪声小。虽然 蜗轮蜗杆结构有以上优点，但是考虑到装置的整体结构和尺寸，蜗轮蜗杆的空 间交叉结构不易安装，故不采用。 同步带与其他传动相比有下列特点：1)传动比准确，同步带是啮合传动， 工作时无滑动。2)传动效率高，效率可达 98。与 v 带相比节能 10以上。3) 传动平稳，能吸收振动，噪声小。4)维护保养方便，能在高温、灰尘、水及腐 蚀介质的恶劣环境中工作，不需润滑。5)安装要求高。要求两带轮轴线平行。 同步带在与二带轮轴线垂直的平面内运行。带轮中心距要求较严格。安装不当 易生干涉、爬齿、跳齿等现象。6)带与带轮的制造工艺较复杂，成本受批量影 响大。 齿轮传动精度高，效率高，成本低，结构简单，综合各方面考虑，决定采 用齿轮减速。 3.3.1 确定确定齿齿轮轮模数模数及及有关有关尺寸尺寸 （1） 确定齿轮传动比 步进电机的步距角 =0.36，滚珠丝杠的螺距 L0=5mm，要实现脉冲当量 =0.0025mm/step，在传动中应加一对齿轮降速。 齿轮的传动比： 02 1 360 Lz z i = 360 0.025 2 0.36 5 i = 初选 Z1=23, Z2=46 （2） 确定齿轮的模数及有关尺寸 根据传动用途及精度要求选择模数 m=2mm，则齿轮的有关尺寸见表 3.1 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 21 页 装 订 线 表 3.1 齿轮的有关尺寸 Z1 Z2 齿数 23 46 D=mZ d1=46mm d2=92mm da=d+2m da1=50mm da2=96mm df=d- 2.7m df1=40.5mm df2=87.5mm 齿宽 B 取 B=24mm 中心距 A A=(d1+d2)/2=69mm 3.3.2 齿轮消隙齿轮消隙 齿侧间隙会造成开环或半闭环伺服系统的死区误差，影响定位精度。对闭 环伺服进给系统，由于齿侧间隙引入的滞环非线性特性，影响系统的稳定性。 为了消除齿隙并增强刚性，应采用各种具有消隙或预紧措施的齿轮副。最常采 用的是弹簧预紧双片齿轮错齿法，如图所示。 图 3.1 消隙齿轮结构 3.4 步步进电机的选择进电机的选择 由于脉冲当量的需要，以及减速减振的需要，所以步进电机是通过一对降 速齿轮与丝杠连接。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 22 页 装 订 线 （1） 步进电机的步距角 系统的脉冲当量 =0.025mm/step,初选步进电机步距角 =0.36 （2） 确定步进电机的启动转距 Tq 当电动机在负载力矩 T0的作用下转过一个步距角 时。所作的功为： D0 W =T2 360 工作台克服负载 P，位移 所作的功为： a WP = 根据能量守恒原理得： D W a W= 电机的传动效率 =0.96 所以 0 360360 0.025 0.775 0.321 22 3.14 0.36 0.96 P TNm = 若不考虑启动时运动部件的惯性影响，则启动转距为 6 . 03 . 0 0 T Tq= 取安全系数为 0.5 ,则 Tq=0.321/0.5=0.642Nm （3） 确定步进电机的最大静转距 Tmax 查表得： Tq/Tmax=0.866 Tmax=0.198Nm （4） 定步进电机运行频率 = 60 1000 max max v f 01 . 0 60 6 . 31000 max =f= 60000 Hz 根据以上参数选反应式步进电机 60BYG550B。其参数表 3.2 如下 表 3.2 步进电机 60BYG550B 参数 电机型号 60BYG550B 相数 5 相电流 A 3 步距角 0.36/0.72 保持转矩 Nm 1.4 空载起动频率 KPPS 4 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 23 页 装 订 线 空载运行频率 KPPS 60 转动惯量 Kg.cm2 0.46 重量 Kg 1.4 长度 mm 92.5 3.5 计算步进电机的惯性负载计算步进电机的惯性负载 （1） 负载转动惯量计算 惯性负载可按公式计算： dML JJJ=+ () 2 32 2 2 1 1L 180 J + += MJJ Z Z J L J整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载 m2 M J步进电机转子轴的转动惯量 m2 1 J齿轮 Z1的转动惯量 m2 2 J齿轮 Z2的转动惯量 m2 3 J滚珠丝杠的转动惯量 m2 M工作台质量 脉冲当量 mm/step 对实心轴、齿轮、丝杠等圆柱零件的转动惯量可按下式估算（对于钢） 。 J=7.810- 4D4L m2 J1=4.010- 5m2 J2=16.710- 5 m2 J3=21.310- 5 m2 J L=0.00004+(0.5) 2(16.7+21.3)10- 5+127(0.0000025180/0.36)2 =0.000155 m2 （2） 惯量匹配的基本原则 惯量匹配是指机电传动系统负载惯量与伺服电机转子惯量相匹配。 根据牛顿第二定律，空载启动时，机电传动系统所需的转矩 T 等于系统的 转动惯量 Jd乘以角加速度，即 D TJ = 角加速度影响系统的动态性能。角加速度 越小，则从计算机发出指令脉 冲到系统执行完毕之间的时间越长，也就是通常所说的系统反应慢。如果 变 化，则系统的反应将忽快忽慢，影响加工精度。当进给伺服电机已经选定，则 T 的最大值基本不变。如果希望 的变化小，则应使转动惯量 Jd的变化尽量小些。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 24 页 装 订 线 惯量 J 由伺服电机转子惯量 J M和机电传动系统负载 JL两部分组成 Jd=J M+JL 负载惯量 J L由执行部件以及上面装的夹具、工件、刀具、滚珠丝杠等直线 和旋转运动件的质量或惯量折算到电动机轴上的惯量组成。J M是定值，JL则变 化。为了提高系统的稳定性，希望 Jd的变化率小些。则应使 J L所占比重小些。 这就是进给伺服系统中电动机转子的转动惯量J M与JL匹配原则。 既JM应大些， 但也不是越大越好，因 J M越大，总惯量也就越大，这将影响系统的灵敏性。 对于步进电机，为了使电机具有良好的启动能力及较快的响应速度，惯量 通常应满足下列关系 1/4J M/JL 根据上面计算结果 J M=0.00046 m 2 J L=0.000155 m 2 J M/JL=0.000046/0.000155=0.2970.25 符合惯量匹配要求。 第第 4 章章 数控系统的设计数控系统的设计 4.1 数控数控系统系统硬件组成、控制对象介绍硬件组成、控制对象介绍 4.1.1 数控数控系统系统基本硬件组成基本硬件组成 任何一个数控系统都有硬件和软件两部分组成，有了硬件才有软件运行的 基础，而只有配置了软件的硬件才有可工作的控制系统。 构成微机控制系统的基本硬件由以下四部分组成。 1中央处理单元，即 CPU。 2总线，包括数据总线（DB） ，地址总线(AB)和控制总线(CB)。 3存储器，包括可编程存储器 EPROM 和随机读写存储器。 3输入，输出接口电路。 其中 CPU 是整个系统的核心，是控制其它各部分协调工作的“大脑”。存储 器则是系统软件机系统运行中各种数据的存储器。 I/O 接口电路是系统与外界进 行信息交换的桥梁。总线则是连接 CPU，存储器和 I/O 接口电路的纽带，是各 部进行通信的线路。 长 春 大 学 毕业设计（论文）纸 共 30 页 第 25 页 装 订 线 除此之外，还根据数控控制系统的要求配备了一些外围设备。 4.1.2 主控制主控制 CPU 的选择的选择 在数控系统中，CPU 的选择应考虑以下要素： （1）时钟频率和字长。 （2）可扩展存储器（ROM/RAM）的容量。 （3）指令系统的功能是否强。 （4）I/O 接口 （5）开发手段。 目前数控机床中常用的芯片油 8086、8088、80826、80386 和 8098 等 16 位 CPU ,也有 Z80、 8031 等 8 位的 CPU。 MCS- 51 系列主要有三种产品： 8031、 8051、 8751。该系列是功能很强的控制器。本设计采用 8031 单片机作为主控制器。 8031 单片机的基本特性： （1）具有 8 位中央处理单元。 （2）具有 128 字节 RAM。 （3）片内有时钟发生器，每执行一条指令时间为 2m 或 1m。 （4）具有 21 位特殊功能寄存器。 （5）可寻址 64K 字节的外部独具存储和 64K 字节的外部程序存储器。 （6）具有四个 I/O 端口，32 根 I/O 线。 （7）具有两个 16 位定时器/计数器。 （8）具有 5 个终端源，配备两个优先级。 （9）具有一个全双工串行接口。 （10）具有位寻址能力，使用逻辑运算。 4.1.3 存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计 单片机应用系统中扩展用的程序存贮器大多采用 EPROM.。其型号有