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新型 磨床 砂轮 修整 设计

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南京理工大学紫金学院毕业设计说明书(论文)作 者:杨士吉学 号：060104251系：机械工程系专 业:机械工程及自动化题 目:新型丝杠磨床砂轮修整器设计讲师陶卫军指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2010 年 5 月毕业设计说明书（论文）中文摘要本文对砂轮修整器作了较为系统的介绍，讲述了砂轮修整器的历史背景和将来的发展方向。基于砂轮修整器的发展现状，提出了一种新型丝杠磨床砂轮修整器结构。在设计过程中，对其结构进行了分析，使其能够完成修整砂轮外轮廓的动作。修整砂轮时修整轮与被修整轮的接触面能够保持垂直。对该机构进行了简单的受力分析；确定了各个零件的尺寸，并运用Pro/E软件设计出各零件的三维结构和组装图。用CAD软件画出了零件图和装配图。通过之前的计算选取电机，最后完成该机构的设计。关键词 修整器 机械设计 丝杠磨床 毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Design of A Newtype Grinding wheel Dresser for lead Screw Grinding Machine. AbstractIn this paper, a newtypes griding wheel dresser was introduced. The historical background of grinding wheel dresser and future direction was described. Through the understanding of grinding wheel dresser, had a new screw design of grinding wheel dresser. In the design process, its structure was analyzed, so that it can complete trimming the outline of the griding wheel. The paper achieved when the dressing wheel and the contact was maintained vertical. Then the force of its simple analysis carried out to determine the size of each part, and use Pro/E software to design three-dimensional map of parts and assembly diagram. Using CAD software to draw diagrams and assembly drawings of parts. Selected by the calculation before the motor, the mechine was completed.Keywords Dresser Mechanical Design lead Screw Grinding Machine 本科毕业设计说明书（论文） 第 48 页 共 48 页1 绪论1.1引言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。磨削加工技术是先进制造技术的重要领域，是现代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1。齿轮传动系统是各种机器和装备中应用最广泛的动力和运动传递装置。磨床上的砂轮在对工件进行磨削时，砂轮磨削区的温度大约在1000C左右，磨粒磨削点的温度也有几百度。在磨削过程中砂轮磨损经过磨耗磨损、磨粒磨损、脱落磨损三个周期以后，在它的表面会形成砂粒蜕化不锋利，并且还留下许多磨削颗粒堵塞砂轮气孔，这样就难以对工件进行磨削加工。所以，在磨削的过程中要不断地对砂轮进行表面修整或对成形砂轮形状的修整，达到去除钝化磨粒，保证有新磨粒和足够数量的有效切削刃，从而保证工件的尺寸精度和表面的粗糙度2。修整砂轮，主要是根据所加工工件几何形状以及表面精度要求等，对砂轮进行修整后再对工件进行修磨，达到保证磨切工件质量要求3。通常修整砂轮时，把若干个砂轮修整片装在砂轮修整架上，完全靠手支撑并左右移动修整架，利用砂轮的转动带动修整片旋转的差动力，实现砂轮的修整。这种传统修整砂轮方法会出现以下情况：第一，砂轮修整片磨损快并且在使用过程中孔的间隙变大，影响修整精度。第二，操作过程稳定性差，有一定的危险性。第三，被修整的砂轮表面较粗糙、圆柱度差。第四，不能完全消除砂轮运转产生的径向跳动，此项是影响砂轮使用的关键4，5。1.2 砂轮修整器的发展现状砂轮修整是传统磨床上磨削时最困难的部分，也是相当复杂的几何学难题6。目前砂轮修整法大致可分为3种。一种是硬质合金轮滚轧法.这种方法修出的砂轮表面较锋利，但压碎的碎肩易堵塞砂轮，影响砂轮的磨削能力，修整效率低。另一种是用金刚石修整工具以车削方式修整砂轮，修出的砂轮较锋锐，磨削能力较强，但修整效率也低。第3种是用金刚石滚轮以“切入磨俐”的方式修整砂轮7。另外，砂轮修整器根据产品的不同要求有多种形状和形式组成。例如单粒精钢石、多功能单粒精钢石修整器，液压磨仿形修整器，NC数控控制修整器，成型平面磨床砂轮修整器等。下面三幅图是两种普通砂轮修整器：图1.1 多功能砂轮修整器结构示意图图1.2 普通手动砂轮修整器图1.3万能砂轮修整器近些年来，超硬材料在生产工程和科学技术领域的广泛使用，使超硬磨料砂轮的应用急剧增加，砂轮的修整问题变得日益突出，成为世界各国研究的重要课题8。超硬磨料砂轮具有优良的磨削性能，抗磨损能力强，不需经常修整。但在初始安装和使用磨钝后修整却比较困难。超硬磨料砂轮的修整，通常分为整形和修锐两个工序，整形是对砂轮进行微量切削使砂轮达到所要求的几何形状精度，并使磨料尖端细微破裂，形成锋利磨刃。修锐是去除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一定的容屑空间，并使磨刃突出结合剂之外，形成切削刃。其中整形法有金刚石笔整形法、滚压整形法、磨削整形法、软钢磨削整形法等。而修锐的方法有很多，但主要是以下几种：游离磨粒挤轧修锐法、喷射修锐法、刚玉块切入修锐法、磨削修锐法、电解修锐法、液压喷射修锐法等。可以参考剃齿刀磨床砂轮修整器的数控化改型实例10、简便实用的导轨磨砂轮修整器11 、外圆磨床液压砂轮修整器12、S733264A自动圆弧砂轮修整器的结构分析与改进13、调心球轴承磨外沟用砂轮修整器14、磨削凸度用单点砂轮修整器的工作原理15。各国的研究者不仅对超硬磨料砂轮的修整机理进行了深入的研究，而且对常用的修整方法作了较大的改进并通过实验提出了新的修整工具和修整方法9。日本东京大学庄司克雄教授研制出了GC杯形砂轮修整器，该修整器解决了传统修整器的修整工具磨耗太快而导致的修正精度差的问题。日本理化研究所大森教授研制成功了在线电解修整法（简称ELID法）。ELID修锐法是近年来金属结合剂类超硬料修正技术的一项新成就。利用ELID法在线修锐金刚石砂轮磨削港片陶瓷或者其他超硬材料，目前已可以达到镜面的加工水平。而后在ELID法的基础上，又提出了一种简易的双电极在线修锐法（简称为T-ECD法）。该方法对ELID法作了进一步的工装改进和简化，从而更实用和方便。除了上述的修整法，还有弹性修锐法、超声波振动修整法和激光修锐法等。这些方法从各个方面提高了砂轮修整后的精度，石砂轮的修整进入了更高的水平。 为获得所需的工件轮廓和良好的精度，砂轮必须获得精确的轮廓形状，成形砂轮修整主要要达到以下要求：成形轮廓精度，廓形相对砂轮回转轴的位置精度，工作面的圆跳动，为此，必须严格控制修整进给量、修整速度和修整次数。所以新的修整工具、修整技术的发展将趋于高精、高效、柔性及自动化发展，具体如下：（1）开展实用的、成本低、高效率的修整技术研究。当前的金属基金刚石砂轮修整法或多或少的都存在着修整成本高、效率低、装置复杂、操作不易掌握等局限，所以开发新型的砂轮修整器十分的必要。（2）开发修整的在线监测、监控、故障自诊技术。利用声发射信号来判断砂轮的工况，对砂轮质量进行评价，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。（3）应用自适应控制技术和专家系统技术，实现砂轮的智能化修整。这些高科技技术为砂轮修整技术的智能化提供了可靠的技术基础。（4）开发远程控制系统。应用网络技术对修整过程进行远程操作、管理、临控和诊断。1.3 课题的来源和要求本课题来源于江苏省自然基金项目数控丝杠磨床精密智能磨削方法及关键技术研究。本课题是该项目的子课题，目的是研制出一种新型丝杠磨床砂轮修整器。在本课题的研究中，主要由下面几个问题要解决：（1）完成新型砂轮修整器的运动机构的设计。运用SolidWorks和CAD等软件设计出该机构的三维模型和二维平面图。（2）完成其运动机构的运动分析和力学计算。针对已有的机构，分析它的运动过程，并进行其运动时的受力计算。（3）掌握砂轮修整器的算法。根据砂轮修整器的运动轨迹，掌握其算法。（4）完成砂轮修整器的运动仿真。仿真模拟机构的运动，完善其中的不足。1.4 论文的组织结构本论文的组织结构如下：第一章简要介绍本课题的理论意义与实际价值、国内外研究现状及背景；第二章介绍砂轮修整器总体方案设计；第三章介绍运动的正反解和力学分析；第四章介绍机构设计与分析；第五章介绍砂轮修整器的控制方法和流程；2 砂轮修整器总体方案设计2.1 丝杠磨床简介机床主要由床身、工作台、头架、砂轮架、砂轮架托板、精密主轴、砂轮修整器、中心架、冷却及恒温装置、复合托架等主要部件组成。机床的螺纹运动是由头架主轴的旋转运动与砂轮架托板纵向运动实现联动而成的。机床配备砂轮修整器，利用包络成形原理实现复杂曲面的生成，一台砂轮修整器可以修整出多种齿形。在机床进行外圆磨削时，砂轮修整器可以很方便的修整外圆砂轮。2.2 修整器的功能要求由于磨削过程中砂轮的损耗，会造成加工的工件不符合精度和技术要求。且砂轮的造价较高，如果砂轮出现损耗就更换砂轮的话，会加大生成成本，为了降低成本，就要对砂轮进行修整。砂轮在磨削过程中主要有以下几种磨损形式：（1）砂轮工作表面变钝。磨粒在工作中磨损，使刃口变钝，出现明显的小平面，以致磨削力增大、发热及出现明显的振动和噪声，不能很好的切下金属。（2）砂轮工作面堵塞。切屑粘附在磨粒切刃和结合桥上，阻塞了磨粒间的孔隙，使砂轮的磨削能力明显降低，磨削功率增大，工件发热，以致工件表面发生烧伤现象或出现明显的振动或噪声。（3）砂轮廓形畸变。磨粒脱落显著，自锐作用过强，不能使砂轮保持正确的轮廓形状（产生畸变）修整需要达到的目的：修整就是通过修整轮和磨削砂轮的撞击使磨削轮磨钝的磨粒脱落、碎裂，形成新的磨粒切削刃，使砂轮恢复利刃口和正确形状，达到去除钝化磨粒，保证有新磨粒和足够数量的有效切削刃，从而保证工件的尺寸精度和表面粗糙度。2.3 砂轮修整器总体设计2.3.1运动过程分析对砂轮的修整主要是针对砂轮的外缘，砂轮的外缘的平面投影是一条沿竖直方向对称的特殊的曲线，所以要实现对砂轮的完全修整，就必须使砂轮修整器的修整砂轮的轨迹能和被修整的砂轮外缘形状相吻合。这就要求修整砂轮不仅能实现在平面内X、Y方向的移动，同时还要实现绕垂直于平面的轴（Z轴）的转动。由于修整砂轮的平面运动是多自由度的运动，所以考虑用并联机构来实现这一运动。并联运动是一种用于传送运动的装置，它包括适合于提供至少一个自由度的并联运动传送结构，该自由度包括三个平移自由度。所以初步设计大致的机构如图2.1所示：图2.1 并联机构简图在图示的机构中，滑块4和滑块5的平动带动连杆组1和连杆组2的摆动，从而实现底杆3在水平面内的多自由度的运动。（图中连杆组一和连杆组2分别组成两个平行四边形，从而使底杆3能够保持水平）由于砂轮修整要求的精度比较高，所以就对滑块的移动速度与距离有精确的要求，而且为了实现底杆3能够到达平面内的任意位置，两个连杆组的运动情况也不相同。综合考虑，让滑块在丝杠上运动，形成一个丝杠螺母副，且在左右两端各加一个电机来带动丝杠的旋转。然后就通过控制两个电机的转速，来控制两根丝杠的转速，用丝杠带动连杆的水平移动。这样一来，不仅能控制底杆所处的位置，而且又更很好的保证精度。若将底杆3换成一个平板，这就能够实现底板在平面内多自由度的运动。再通过另外的连接件将修整砂轮固定在底板上，这样也就是实现了修整砂轮在平面内的运动。由于砂轮在修整时转速较高，考虑使用带传动。将电机固定在底板上，将休整砂轮和小带轮连接在一起，通过电机的旋转带动大带轮的旋转，然后带动小带轮，实现修整砂轮的高速旋转。修整砂轮还要实现绕Z轴的旋转，由于修整砂轮已经垂直于平面，所以就要使连接修整砂轮的机构实现绕Z轴的旋转。在进行修整砂轮时，为了保证修整精度，要求修整砂轮在Z轴方向的转速很低，考虑到此，利用步进电机带动连接修整砂轮的机构的旋转，从而也就实现了修整砂轮绕Z轴的旋转。综上所述，在进行砂轮修整时，运动过程如下：两个连接丝杠的电机的旋转带动丝杠的旋转，丝杠的旋转使连杆和丝杠的连接件做水平运动，带动连杆的运动，从而使底板实现平面内多自由度的运动。同时，带轮电机旋转，带动修整砂轮的高速旋转；另外一个电机带动修整砂轮绕Z轴的旋转。综合起来，就能实现修整砂轮的复杂运动，使其按照磨削砂轮的外缘形状进行修整。2.3.2 机构设计及分析 结合上文所分析的运动过程及运动简图，设计如下的机构： 图2.2 工作原理1.底板 2.电机 3.滑块 4.滑槽 5.丝杠 6.滑块2 7丝杠2 8.电机 9.连杆 10.连杆 11.电机 12.待修整砂轮 13.修整砂轮 14.修整轮夹具 15.V带 16.轴 17.载物台 18.连杆 19.连杆 砂轮修整器的工作原理如图2.2所示，通过丝杠电机2和8的旋转带动丝杠5和丝杠7的旋转，从而使上滑块3和上滑块6沿着导轨实现水平方向的移动。用四根连杆将修整轮底座和两个滑块相连，这样通过两个滑块的移动可以实现底板的平面运动。同时在底板后面加一电机，通过电机的旋转带动轴16，轴16带动修整轮夹具14旋转从而实现修整砂轮绕Z轴的转动。修整砂轮13通过加在摇杆上的电机带动带轮旋转，实现修整砂轮的旋转。综上，该机构能实现摇杆在平面内的移动和绕涡轮轴的旋转运动，从而实现修整砂轮复杂的平面运动。设计该机构时，须考虑到以下几个问题：（1）在上平板中间有打断部分，防止两个上固定架移动出范围，导致连杆相互交叉，无法运动。（2）底板需要特殊设计以用来装夹摇杆和丝杠螺母。（3）底板间两根连杆之间的距离要大于上平板间打断部分的距离，用以防止连杆运动到死点，导致无法运动或损毁零件。（4）控制摇杆和底板之间的距离，防止在装上带轮后，在绕轴旋转时带轮或修整与底板产生干涉。3 机构的运动学分析3.1 机构的正反解机构的运动学模型如图2.1所示砂轮修整器结构原理可简化为平面机构，如图3.1示：两上固定架简化为A、B两点，连杆即为图中AD和BC，CD为运动平台，FGH为旋转平台，GH为金刚石滚轮(金刚笔)伸出运动平台的长度。建立如图坐标系，取AD=BC=l1，CD=l2，GF=l3，GH=l4，E(xE,yE),。该并联机构砂轮修整器正解可描述为：已知并联机构左右滑块的位置，求金刚石滚轮(金刚笔)H点坐标及姿态角。由图可知：xG=12(xA+xB)yG=l12-(xB-xA-l22)2 (3.1)xH=xG+l4cosyH=yG+l4sin (3.2)又：cos=12xA+xB-xFl3sin=l12-(xB-xA-l22)2-yFl3 (3.3)则其正解为：xH=12xA+xB+l412xA+xB-xFl3yH=l12-(xB-xA-l22)2+l4l12-(xB-xA-l22)2-yFl3=arccos12xA+xB-xFl3 (3.4)F点坐标可由下方程解得：(xF-xG)2+(yF-yG)2=l32(xF-xE)2-(yF-yE)2=lEF2 (3.5)该并联机构砂轮修整器反解可描述为：给定金刚石滚轮(金刚笔)H点坐标及姿态角，求并联机构左右滑块的位置。易知：xA=xH-l4cos-12l2-l12-(yH-l4sin)2xB=xH-l4cos+12l2+l12-(yH-l4sin)2xF=xH-(l3+l4)cosyF=yH-(l3+l4)sin (3.6)则其反解为：xA=xH-l4cos-12l2-l12-(yH-l4sin)2xB=xH-l4cos+12l2+l12-(yH-l4sin)2lEF=xH-l3+l4cos-xE2+yH-l3+l4sin-yE2 (3.7)通过上面的运动学正反解分析，可以看出该并联三自由度机构的正逆解同时存在解析解，并且解算过程较为方便，在初始条件确定后，其正反解结果具有唯一性。3.2 基本尺寸的确定该砂轮修整器要保证修整砂轮有一定的工作空间，才可以对砂轮进行修整，且至少要保证其工作空间在100100(mm)这一范围内，本机构在设计时，将其空间设置在100100(mm)范围,这样足以保证修整时的工作空间。通过上面的正反解分析和综合方案设计中的分析，可以确定出该砂轮修整器中如下的基本尺寸：固定架架的最大移动距离：260mm两侧连杆的长度：200mm底杆的最小长度：150mm两侧连杆在底杆的中心孔的距离：60mm底板中间轴承座外侧距离：70mm两侧连杆处于竖直位置时底杆和上平板的最小距离：54mm以这些尺寸为基本尺寸，同时综合考虑多方因素，比如一些标准的国标、运动时的安全系数等，对该机构进行建模设计。3.3 修整力的计算因无具体的修整力计算公式，现采用计算磨削力公式求其修整力大小：角正回归法为北京工业大学提出的一种磨削力计算方法。磨削深度 工件轴向进给速度 工件速度（1）采用其外圆磨削力实验公式。外圆磨削力实验公式为：取，。求得： 19.48N（2）采用平面磨削力实验公式。平面磨削力实验公式为：取，。求得：22.13N (3) 采用金刚石滚轮修整力计算公式：式中：为修整比能，为切向修整力，为砂轮线速度，为修整轮线速度，为修整进刀量为。修整比能参考金刚石滚轮取为小于，可求得单位宽度径向修整力为，则径向修整力不会超过10N。4 机械结构设计与分析在该机构的三维建模中，采用了Pro/E这一软件进行辅助建模,二维软件则是采用了Cad软件。4.1 电机的选择4.1.1 交流伺服电机的介绍一原理伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数） 二交流伺服电机的基本常识交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。 交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。 为了在电机内形成一个圆形旋转磁场，要求激磁电压Uj和控制电压UK之间应有90度的相位差，常用的方法有： （1）利用三相电源的相电压和线电压构成90度的移相 （2）利用三相电源的任意线电压； （3）采用移相网络 （4）在激磁相中串联电容器 三交流伺服电机及其调速分类和特点：长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高1070，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。 四异步型交流伺服电动机：异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。 这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。 五同步型交流伺服电动机：同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。 六交流伺服电机的优良性能：（1）控制精度高。 步进电机的步距角一般为18。(两相)或072。(五相)，而交流伺服电机的精度取决于电机编码器的精度。以伺服电机为例，其编码器为l6位，驱动器每接收2 =65 536个脉冲，电机转一圈，其脉冲当量为36065 536=0，0055 ；并实现了位置的闭环控制从根本上克服了步进电机的失步问题。 （2） 矩频特性好。 步进电机的输出力矩随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其工作转速一般在每分钟几十转到几百转。而交流伺服电机在其额定转速(一般为2000rmin或3000rrain)以内为恒转矩输出，在额定转速以E为恒功率输出。（3） 具有过载能力。 （4） 加速性能好。步进电机空载时从静止加速到每分钟几百转，需要200400ms：交流伺服电机的加速性能较好。六步进电机和交流伺服电机性能比较：步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 （1）控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。 （2）低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 （3）矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 （4）过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 （5）运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 （6）速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。该设计中控制夹具旋转的电机和丝杠电机都选用交流伺服电机。而V带电机则选用交流电机。4.1.2 修整轮使用的V带电机选用常州瀚玛机电有限公司Y系列(IP23)三相异步电动机。如下图：Y系列(IP23)三相异步电动机为一般用途鼠笼型三相异步电动机，是新设计的更新换代产品。其功率等级和安装尺寸符合IEC标准。电动机的外壳防护等级为IP23，冷却方式为IC01，连续工作制(S1)，适用于不含易燃、易爆、腐蚀气体和较为清洁的场所。用于驱动各种无特殊要求的机械设备，如机床、泵、风机、压缩机、运输机械等。电动机具有效率高、噪声低、起动转矩大等优点。电动机符合JB5271-91(H280)、JB5272-91(H315355)Y系列(IP23)三相异步电动机技术条件。Y系列(IP23)三相异步电动机采用B级绝缘。额定电压为380V，额定频率为50Hz，接法，出线盒引出六个(H280)，三个(H315355)出线端。电动机的结构及安装型式为IMB3(机座带底脚，端口无凸缘，卧式)，可满压起动或降压起动。电动机运行地点的海拔不超过1000m，最高环境空气温度随季节而变化，但不超过40，最低环境空气温度为-15，是湿月时月平均最高相对湿度为90%，同时该月月平均最低温度不高于25。如图4.1。要求轴高为28，功率为380W，额定转速为6000rpm。4.1.3 交流伺服电机的选取下面是ACM系列交流伺服电机的参数及尺寸等产品型号 ACM601V36ACM602V36ACM602V36AACM602V60ACM602V60AACM604V60额定电压 V363636606060额定功率 W100200200200200400额定力矩 N.M0.3180.640.640.640.641.27峰值力矩 N.M0.951.911.911.911.913.82额定转速 RPM300030003000300030003000最大转速 RPM400040004000400040004000额定电枢电流 A47.67.64.74.78.4峰值电枢电流 A112222141425力矩系数 N.M/A0.08660.09180.09180.150.150.161反电势系数 V/RPM3.03 x10-33.213x10-33.213x10-35.24x10-35.24x10-35.54x10-3电阻 mohm380163163378378192电感 mH0.910.410.411.071.070.59转动惯量 kgx10-40.10320.1760.2960.1760.2960.3549最大径向负载 N78.6245245245245245最大轴向负载 N38.26868686874电机机座尺寸 mm606060606060电机安装直径 mm707070707070电机法兰直径 mm505050505050电机轴直径 mm81114111414轴连接方式 无键槽 带键槽 带键槽 带键槽 带键槽 带键槽 出轴长度 mm253030303030电机总长 mm86.7100.7100.7100.7100.7127.8磁对极 444444编码器 2500可选 2500可选 2500可选 2500可选 2500可选 2500可选 电机重量 Kg0.7010.9660.9840.9660.9841.463工作环境温度 040040040040040040ACM系列交流伺服电机安装尺寸200W交流伺服电机ACM602V36A、ACM602V60A安装尺寸如下所示： 200W交流伺服电机ACM602V36、ACM602V60安装尺寸如下所示：适配驱动器 适配电机选型 适配驱动器 100W电机 ACS806、ACS1806200W电机 ACS806、ACS1806400W电机 ACS806、ACS1806选取型号为ACM602V36A。4.2 修整轮部分的机构设计4.2.1 V带轮电机的额定数据(1)额定功率P = 380KW(2)转速nn = 6000r/min(3)选定电机机型西门子1FK7011-5AK21号电机4.2.2 V带传动的设计计算(1) 设计功率Pd计算公式和参数设定 (4.1)P-传递的功率（kW）KA-工况系数查表14-8 KA=1.1(2) 选定带型根据Pd和n1由图14-2、3或图14-4选取普通V带Z型号节宽bp=8.5 顶宽b = 10 高度h = 6.0 契角(3) V带的根数 (4.2)取 z = 1(4) 带速 (4.3)(5) 单根V带的预紧力 (4.4)(6) 作用在轴上的力 (4.5)(7) 带轮结构的尺寸基准宽度基准上槽深基准下槽深最小轮缘厚min=5.5带轮宽B B = 14外径 (4.6)轮槽角(8) 小带轮包角 (4.7)由电动机可知，其轴伸直径d =11mm长度L =23mm故带轮轴，毂长小于110mm。查得，小带轮的结构为实心轮，如图2.3所示图4.1 小带轮三维结构图4.2 小带轮的二维尺寸由上文可知，传动比为1.0，所以大带轮的数据和小带轮相同。图4.2 大带轮图4.3 大带轮二维尺寸4.2.3 带轮的安装小带轮和发动机之间用键连接，大带轮和修整轮之间用圆柱销的过盈链接。可见下图：图4.4 小带轮于电机之间的键连接图4.5 带轮与修整轮之间的销连接图4.6 带轮与V带的装配4.2.3 键的选取键可分为平键、半圆键、楔键、切面键等几类。 （1）平键联接。它具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点，因而得到广泛应用。键的两侧面是工作面，*它来传递扭矩，但不能承受轴向力，不能对轴上的零件起到轴向固定的作用。按键构造分，有圆头（A型0、方头（B型）及单圆头（C型）三种。键一般用抗拉强度MPa的碳钢或精拔钢制造，常用的材料为45号钢。（2）半圆键。键在槽中能绕其几何中心摆动以适应轮毂中键槽的斜度，工作时，其侧面来传递扭矩。特点是：工艺性较好，装配方便、尤其适用于锥形轴与轮毂的联接。缺点是键槽较深，对轴的强度削弱较大，故一般只用于轻载联接中。（3）楔键联接。工作时，*键的楔紧作用来传递扭矩，同时还可承受单向的轴向载荷，对轮毂起到单向的轴向定位作用。它分为普通楔键及钩头楔键两种。常用于一些低速、轻载和对传动精度要求不高的联接中。（4）切向键。工作时，*工作面上的挤压力和轴与轮毂间的摩擦力来传递扭矩。用一个切向键时，只能单间传动；有反转要求时，必须用两个切向键，常用于重型机械、直径较粗的轴等场合。 选用键418 GB/T1096-79图4.6 键4.2.4 修整砂轮夹具和底座的设计及装配砂轮夹具的设计如下图图4.7 修整轮夹具设计图4.8 修整轮夹具二维尺寸载物台的设计如下图图4.9 载物台三维结构图4.10 载物台二维尺寸载物台上有四个小通孔，用来与连杆用销连接成转动副。中间部分的大孔用来安装两个轴承，用来保证轴6的转动修整器夹具与电机用轴连接，轴与砂轮座的孔用键连接。如图4.11。轴与砂轮座之间用轴承连接，如图4.7。图4.11 砂轮夹具与轴的键连接上述各零件的三维装配图如下图4.12 修整轮部分的装配4.3 丝杆螺母副轴承和联轴器的选取4.3.1联轴器的选取本测量装置将电机轴与丝杠直接相连，减少了中间传动环节，可提高测量装置的精度。联轴器是连接两轴或轴和回转件，在传递转矩和运动过程中一同回转而不脱开的一种装置，在传动过程中不改变转动方向和转矩的大小，这是各类联轴器的共性功能。联轴器连接的两轴，由于制造及安装误差，承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移，相对位移的基本形式如图4.13 所示：图4.13 被连接两轴相对位移基本形式图4.13中，（1）表示两轴平行但中心线不在同一直线上，这时产生的偏差称为径向偏差。（2）表示安装时两轴互成一个角度，这时产生的偏差称为角向偏差。（3）表示由种偏差的组合，称为复合偏差。相对位移的存在，要求在设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的性能。根据对各种相对位移有无补偿能力（即能否在发生相对位移条件下保持联接的功能），联轴器可分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两大类。挠性联轴器又可按是否具有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两个类别。挠性联轴器因其具有挠性，故可在不同程度上补偿两轴间某种相对位移。挠性联轴器品种多，用量大，是最常用的联轴器。十字滑块联轴器属于挠性联轴器。十字滑块联轴器由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙的中间盘组成。因凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移。十字滑块联轴器结构如图4.14所示：图4.14 十字滑块联轴器结构十字滑块联轴器适用于多种场合，如转速计、编码器、丝杠、机床、产业机械等。其优点是结构简单，使用方便、容易安装、节省时间、尺寸范围广、转动惯量小，便于目测检查，可电气绝缘等。半联轴器和中间盘之间的滑动能容许大的径向和角向偏差。联轴器的固定方式有如下几种：（1）定位螺丝固定：两个定位螺丝间隔90对所固定的轴进行锁紧，是一种传统的固定方式。（2）夹紧螺丝固定：利用内六角螺栓拧紧的力量，使狭缝收缩，而将轴心紧紧夹持住。（3）键槽型：这种类型与定位螺丝固定型一样，是一种最传统的固定方式，适合高扭矩的传动，为防止轴向滑动，通常与定位螺丝固定型、夹紧螺丝固定型并用。（4）复合固定方式：在联轴器的固定中，采用两种固定方式来进行联接固定称为复合固定方式。查阅联轴器设计选用手册，根据丝杠小端直径选择HL-12-06 型十字滑块联轴器，选用紧定螺钉固定方式。4.3.2丝杠螺母副的选取螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转化为直线运动或将直线运动转化为回转运动，同时传递运动或动力。螺旋传动根据螺纹副的摩擦情况，可以分为三类：滑动螺旋，滚动螺旋和静压螺旋13。滑动螺旋构造简单、加工方便、易于自锁、但摩擦大、效率低（一般为30% 40%）、磨损快，低速时可能爬行，定位精度和轴向刚度较差。静压螺旋实际上是采用静压流体润滑的滑动螺旋。静压螺旋传动效率可达99%，但结构复杂，需要供油系统。滚珠丝杠传动是滚动螺旋传动的一种。它具有以下优点：（1）传动效率高。滚珠丝杠传递系统的效率高达90% 98%，为传统的滑动丝杠系统的24 倍，所以能以较小的转矩获得较大的推力。（2）运动平稳。滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。（3）高精度。滚珠丝杠传动系统中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。（4）高耐用性。钢球滚动接触处均经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，运动过程属纯滚动，小队磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。（5）高可靠性。与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘，还可在许多特殊场合下工作。除此之外，目前很多厂家的滚珠丝杠产品已形成系列且规格齐全，方便选用。鉴于此，我选择滚珠丝杠。（2）丝杠螺母副的预紧滚珠丝杆副的轴向间隙，是指在无负载情况下的原始轴向间隙，和在负载作用下由于滚珠与滚道型面接触点的弹性变形，而引起螺母轴向位移量的总和。预紧是为了消除滚珠丝杠副的轴向间隙并提高其刚度，最终是为了达到定位精度的需要。预紧的方法有很多种，最普遍和常用的是双螺母结构，在两个螺母之间配有垫片来达到预紧。双螺母预紧方式如图4.10 所示，在一根丝杆上装两个螺母，通过垫片对其施加一定的预紧力Fao，使滚珠与滚道接触处产生一定的预变形，这样，滚珠丝杆副不论在哪一个方向承受轴向力，只要轴向力的大小在一定范围内，滚珠丝杆螺母副间都不会出现轴向间隙。还有一种预紧是在单螺母和丝杠间通过控制中径，并调节增大钢球直径，而实现预紧目的。四点接触预紧方式如图 4.16 所示。图4.15 双螺母预紧图4.16 四点接触预紧方式本测量装置选用双螺母预紧方式。查优励聂夫滚珠丝杠尺寸标准，导程4mm，底径9.5mm 的丝杠，其额定动载荷Ca 为4380N。根据下面公式可计算预紧载荷FaoFao =Ca （3-2） （4.8）其中为预紧系数，其值可查下表载荷类型轻载荷中载荷重载荷0.050.070.1表1 预紧系数表本装置中的丝杠承受轻载荷，故取=0.05，则得预紧载荷 （4.9）滚珠丝杠的支承方式主要有四种：（1）两端固定。这种支承方式适用于高转速，高精度的情况（2）一端固定，一端支承。适用于中等转速，高精度的情况（3）两端支承。适用于中等转速，中等精度的情况（4）一端固定，一端自由。适用于低转速，中精度，短轴丝杠本文选择两端支承的方式。固定端具体结构如图4.17所示：图4.17 固定端结构图中 1 是轴承座，2 是轴承，3 是压盖，4 是间隔环（共有两个），5 是固定螺帽，6 是防松小螺栓（附铜垫片）。4.3.3 丝杠的计算丝杠主要用来传递运动，通过电机带动其旋转，实现上固定架的水平移动。在实际修整时，上固定架的移动速度不高，所以丝杠的转速也不高，而且由于是通过四根连杆相连，所以丝杠受到的平均载荷很小，经过初步的估算，丝杠受到的载荷大概在几十牛左右，在设计计算时，考虑到安全因素，取100N进行计算。丝杠的相关计算如下：（1）初始条件螺杆材料为：50Mn 热处理为：高、中频加热,表面淬火螺母材料为：20CrMnTi 热处理为：渗氮、淬火挡球器材料为：40Cr 热处理为：离子渗氮螺纹滚道法面截形为：半圆弧平均载荷为：100N平均转速为：450(r/min)工作长度为：260mm两支承间最大距离为：50mm轴向载荷与运动方向为：同向使用寿命为：8000h（2）载荷计算载荷系数KF为：1.0短行程系数KL为：1.00硬度影响系数KH为：1.0硬度影响系数KH为：1.0动载荷Ca(计算值)为：600.2N静载荷Coa(计算值)为：100N（3）寿命计算额定动载荷为：13100N额定静载荷为：27400N公称直径d0为：20mm导程Ph为：6mm螺纹升角为：524钢球直径Dw为：3.969mm圈数列数为：2.51计算所得动载荷的值：计算所得静载荷的值：（4）螺旋副几何尺寸螺纹滚道曲率半径为：2.0642.183mm偏心距为：0.0560.14mm螺杆大径为：19.00819.206mm 取19.1螺杆小径为：15.98415.915mm 取15.95螺杆接触点直径为：17.915mm 螺杆牙顶圆角半径为：00mm螺母螺纹大径为：24.01624.085mm 取24.05螺母螺纹小径为：20.79420.992mm 取20.80（5）计算驱动转矩驱动转矩为：-912.99(N*mm) （6）轴向弹性变形量载荷分布不均系数Kz为：1.25轴向弹性变形量为：0.00117mm（7）螺杆系统的刚性螺杆材料弹性模量E为：207000螺杆材料切变模量G为：83000两端固定的长度系数为：0.5螺杆系统的刚性为：87340.087(N/mm)（8）螺杆的强度螺杆当量应力为：1.999Mpa（9）螺杆的稳定性螺杆临界载荷为：79496.393N（10）横向振动两端固定的系数1为：4.730螺杆临界转速为：1759486.695(r/min)（11）计算效率效率为：1.334根据计算的尺寸我们选取丝杠的型号：GB/T8541设计的丝杠如下所示：图4.18 丝杠在图示该丝杠的两端还相应的延长出一段轴来，左端部分用于通过联轴器和电机相连，右端通过轴承和底座的机构相连，这样起到固定了丝杠的作用。4.3.4 轴承的选取与滑动轴承比较，滚动轴承有下列优点：（1）摩擦系数小，启动力矩小，效率高（与混合润滑滑动轴承比较）。（2）径向游隙小，还可用预紧方法消除游隙，因此运转精度高。（3）轴向尺寸（宽度）较小，可使机器的轴向尺寸紧凑。（4）某些滚动轴承能同时承受径向与轴向载荷，因此可使机器结构简化，紧凑。（5）润滑简单，耗油量少，便于密封，易于维护。（6）为标准件，互换性好，易于选用与更换，且成本较低。滚动轴承广泛应用于中速，中载和一般工作条件下运转的机械设备中。仪器精密轴承多为微型深沟球轴承。本测量装置要求精度较高，且所用轴承主要承受径向载荷，故选用深沟球轴承。查机械设计手册，根据GB/T276-94，选择内径为12 的6001型深沟球轴承，轴承代号为36101。4.4 机构底座部分的设计4.4.1 滑槽和滑块的选取两个滑块通过导轨与底板相连，同时用四根连杆与载物台相连。其主要作用就是通过丝杠的旋转带动实现其水平方向的移动，同时通过连杆带动载物台的平面运动。丝杠螺母副中螺母（即滑块）的移动需要导轨的导向，下面我们来了解并选择滑槽。导轨主要是用来保证各运动部件的相对位置和和相对运动精度，以及用来承受载荷（包括工作台、滑板部件的重量）14。依定位原理，在结构设计时必须限制运动件的5 个自由度，而仅保留其按规定方向移动的自由度15。对导轨的基本要求为：方向精度运动件沿规定方向做直线运动的准确程度，它取决于导轨本身的直线度；运动的灵便型和平稳性主要取决于导轨中的摩擦力和导轨表面的几何形状误差；对温度变化的不敏感性当温度变化时导轨仍能正常工作，即不“卡死”又不晃动；耐磨性导轨在长时间使用后不降低精度。它主要取决于相配材料、导轨表面粗糙度及表面硬化；结构工艺性导轨应在保证仪器工作性能的条件下，结构简单、加工方便、装修简易、造价低。按摩擦性质分，导轨可分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨和弹性摩擦导轨。滑动导轨是支承件和运动件直接接触的导轨，优点是结构简单、制造容易且接触刚度大。缺点是摩擦阻力大，磨损快。滑动摩擦导轨按承导面形状可分为两类：圆柱面滑动摩擦导轨和棱柱面滑动摩擦导轨。圆柱面滑动摩擦导轨的承导面是圆柱面。这里我们选用滑动导轨。根据机械设计手册查表可知，选用滑动导轨里面的三角形导轨，国标尺寸如下图：图4.19 三角形导轨尺寸选取b=2mm，B=20mm，角度=90同时为了保证滑动时不出现误差，采用双侧导轨，导轨的机构图如下：图4.20 导轨三维图图4.21 导轨具体尺寸导轨的尺寸确定后，上固定架的相应的尺寸也就能够知道，设计的结构如下：图4.22 滑块三维图图4.23 滑块具体尺寸该零件中，下面的两个小孔用于连接连杆，且下面沟槽的高度保证了连杆在旋转时不会该零件发生干涉。中心孔为一螺纹孔（图中未显示），而且该孔与上平板上四个轴承座的孔同心，用于通过丝杠，使丝杠的旋转运动转化为该零件的水平移动。两个滑槽的尺寸是根据导轨的尺寸设计，与导轨相互配合，实现其在导轨上的滑动。4.4.2 底座部分的其他零件设计砂轮修整器的底板是该机构中最大的部件，该平板主要负责装夹导轨、滑块、丝杠、丝杠电机、减速装置。同时，若将该修整器装配到机床上，也主要是通过上平板与机床相连接来固定和确定位置。而且在上固定架的水平移动时，还要确保不会出现运动死点。所以在设计该平板时，要综合考虑以上几种因素。现设计如下：图4.24 底板三维图图4.25 底板尺寸在图示的机构中，上平板两端突出的部分打有螺纹孔，通过螺栓连接来固定丝杠电机；下方有四个轴承座，四个孔尺寸相同且中心线重合；中间两个轴承座的尺寸都相同，但比两端的略小，因为在装夹导轨时，导轨的地面与两端轴承座的内面相接触，侧面与中间轴承座的侧面相接触，以此来起到固定导轨的作用。同时，中间两