数控导轨磨床设计说明书

本科毕业设计说明书 1 中文摘要 数控导轨磨床 MM52160整体采用双柱式龙门框架结构，由床身、工作台、立柱、横梁、滑板、磨头等主要部件组成。 M52160 的主运动是周边磨头、万能磨头带动砂轮的旋转运动。 机床的纵向进给由液压系统驱动工作台运动来实现， 床身、工作台为双 V型自定位导轨，提高了工作台运动的直线性。其中一条导轨体是横向可浮动的，补偿了由于导轨副运动摩擦发热而引起的导轨中心距的变化。 水平和垂直方向的进给均由伺服电机通过滚珠丝杠螺母副驱动执行元件（横滑板和垂直滑板）运动来完成。 该机床的控制系统采用主从式模块化控制结构， 微机作为中央控制器，实现对进给系统控制模块、主运动速度控制模块、以及辅助系统的集中控制管理。进给系统的控制由 PLC来完成。 关键词 数控导轨磨床 整体结构 控制系统 外文摘要 Title The design of Numerical control guideway grinder Abstract Numerical control guideway grinder MM52160 is formed of body section, workbench, upright column, beam, sliding plate and grinding head . The 外文摘要 2 rotational movement of the periphery grinding head and the universal grinding head is the primary motion of this numerical control guideway grinder. The longitudinal feed is realized by the hydraulics system. The workbench is driven by a hydraulics cylinder. There are two V-mode piece of guideway on the workbench ,one of which is relocatable. So the straightness of the longitudinal feed is greatly advanced. And the same time , it can compensate the variation of the guideways center distance caused by friction fever. The feed movement on both horizon and vertical direction is completed by sliding plate and ball screw driven by A.C servo-actuator . The control system of this numerical control guideway grinder adopts master-slave mode and modular control structure. As a central control unit, the microcomputer centralized control and supervise the input system control module, the primary motion velocity control module, as well as the subsystem. The input system control module is controlled by a programmable logic controller. The velocity of primary motion is changed by transducer. Keywords numerical control guideway grinder structure control system 本科毕业设计说明书 3 目 录 1 引言 4 2 机床 总体方案及主要参数确定 5 2.1 机床总体方案 5 2.2 机床主要参数确定 7 3 周边磨头部件设计 7 3.1 运动和动力参数计算 7 3.2 周边磨头主轴部件设计计算 8 3.3 周边磨头垂直滑板设计计算 18 4 床身工作台设计 20 4.1 床身工作台总体尺寸确定 20 4.2 床身工作台导轨设计 20 5 控制系统设计 22 5.1 控制对象的描述 22 5.2 总体控制方案确定 23 5.3 电气控制系统硬件的选择 24 5.4 控制系统程序设计 26 毕业设计总结 33 致谢 34 参考文献 34 附录 A 36 第一章 引言 4 1 引言 近些年来，随着机械工业在我国的迅猛发展，被称为工作“母机”的金属切削机床也有了前所未有的进步。 2003年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。 磨床是机械加工后道工序的关键设备。 车、铣、刨、镗床等金切机床上难以加工的淬硬材料和难加工材料或达不到精度要求的机械零件都在磨床上加工。随着科学技术的发展和社会进步，机械产品的加工精度越来越高，表面粗糙度越来越低， 使得磨床在国民经济各部门的作用越来越大。因而专用于导轨和平面加工的导轨磨床的需求量越来越大 。而且， 国内外实践证明，用磨削方法加工的导轨表面，在工作中能很好形成油膜，耐磨性亦比刮研的导轨面高， 况且磨削加工机床导轨面比刮研的方法生产率要高 。 尽管近年来国内的导轨磨床有了较大的发展，但与国外设计、生产的先进的导轨磨床相比尚有很大的差距 ，特别是在精度和自动化方面，从而导致每年必须进口相当数量的数控导轨磨床。由此可见，加大力度设计和研制具有自主知识产权的数控导轨磨床是必要的也是必须的。下面首先简单介绍一下国内外数控导轨磨床的发展情况。 目前，在国际上德国、日本和瑞典的机床制造水平最高。其中德国、瑞典在制造精度方面处于领先地位，日本则产量和自动化方面占有优势。在诸多龙门导轨磨床制造厂之中， 以德国瓦德利希柯堡 (Waldrich Coburg)公司水平最高。该公司从 70年代开始发展数控导轨磨床。近年来在 S系列的基础上， 相继开发了 SPS系列部 分自动华化龙门导轨磨床、 SNC系列全自动导轨磨床和 SZ系列超级自动化的磨削中心。 SPS 系列磨床采用Siemens 810M 数控系统， 控制万能磨头垂直 (z轴 )和水平 (y轴 )运动， 以及万能磨头在垂直平面内的回转运动 ( 轴 )； 控制周边磨头的垂直 ( 轴 )和水平轴 轴 )的运动。 SNC系列垒自动导轨磨床采用 Siemens 850M或 880M 本科毕业设计说明书 5 的数控系统。除少数监督功能外， 自动完成全部磨削加工， 开发了导轨磨床的专用软件， 其最多控制轴可达 l1轴。 SZ系列超级自动磨削中心，采用 Siemens 850或 880M 数控系统， 横梁固定， 用一个万能磨头， 其功率可达 l 8 5kW 和 22kW。垂直拖板的行程可达 l250mm。装备有砂轮库， 可自动换砂轮和砂轮罩壳， 具有双工作台驱动， 以提高机床的生产效率。除装卸工件外， 机床自动完成全部磨削加工。包括砂轮的自动修正和补偿， 按 NC要求进行砂轮的动平衡， 磨头主轴的自动定位，按 NC要求实现机床的磨削自动工作循环。 尽管近年来国内的导轨磨床有了较大的发展，但与国外设计、生产的先进的导轨磨床相比尚有很大的差距。主要体现在下列几个方面： 1装备方面机床精度，切削效率，自动 化程度， 吸尘防护以及操作性能与国外有关资料介绍的还有很大差距。另外， 机床的一些基础件， 如各种液压、气动、电子元件等可靠性不好， 从而影响了整机的性能。特别是：机床关键零部件，如导轨，箱体件，齿轮副，丝杠，轴等的加工工艺与国外相比还很落后，不能满足高精密机床的要求。 2加工方面国内生产的导轨磨床的磨削精度， 表面粗糙度， 表面波纹度等与国外先进水平相比尚存在一定差距。 3测量方面：与国外先进水平相比， 国内在对用导轨磨床加工好的导轨副的测量技术也是落后的。国外普遍在生产车间直接采用精密测量设备来测量机床 导轨，如激光测量仪，电子水平仪， 电子千分尺 三坐标测量机等。而国内对于导轨副的测量还没有普遍采用自动测量。目前国内数控导轨磨床的主要生产厂家有：上海重型机床厂、杭州机床集团、长春第一机床厂等。 2 机床总体方案及主要参数的确定 2 1 机床总体方案 数控导轨磨床 M52160整体采用双柱式龙门框架结构，由床身、工作台、第二章 机床总体方案及主要参数的确定 6 立柱、横梁、滑板、磨头等主要部件组成。其总体布局如图 1所示。 1.横梁 2.周边磨头横滑板 3.周边磨头垂直滑板 4.周边磨头 5.万能磨头垂直滑板 6.万能 磨头 7.万能磨头横滑板 8.立柱 9.床身 10.工作台 图 2-1 机床总布局图 M52160的主运动是周边磨头、万能磨头带动砂轮的旋转运动。周边磨头砂轮直径大，磨削功率大，效率高，精度高，适合于磨削水平导轨以及大平面。万能磨头可以绕中心回转 90度，能够磨削不同角度的导轨面。 机床的纵向进给由双活塞杆液压缸驱动工作台运动来实现，横向进给由伺服电机通过滚珠丝杠螺母丝杠螺母副带动横滑板沿横梁导轨作水平运动来实现。由于两个磨头不可以同时工作， 因此用同一台伺服电机来控制两个磨头的横向运动，通过横向进给箱中的电磁离合器来选通需运动的磨头。垂直方向的进给由伺服电机、滚珠丝杠螺母副来实现垂直滑板与横滑板之间的相对运动。 磨头的水平及垂直运动均采用滚动导轨，以消除爬行， 导轨体为淬硬钢条，提高寿命和精度保持性。 机床床身浮置于地基之上，磨削受热之后，可以在水平方向内自由伸缩，从而提高了工件在垂直方向的直线度。 其次，工作台与立柱之间采用分离型结构，以减小床身工作台由于导轨之间的摩擦及液压进给系统发热变形而对立柱、横梁造成的影响，提高了磨头的横向运动精度。立 柱与工作台均有垫铁支承，便于调整横梁与工作台的精度。 另外，床身、工作台为双 V型自定位导轨，使工作台在运动中受到对称摩擦力，消除了一 V一平导轨由于摩擦不对称而产生的弯曲和震动，提本科毕业设计说明书 7 高了工作台运动的直线性， 工作台导轨表面贴塑，减小了滑动摩擦系数，从而减小了所需的驱动力和爬行现象， 磨损小，寿命长并有良好的抗震性。可以降低对导轨材质的要求，而且由于液体有吸震性，且刚性好，因而导轨有良好的抗震性及较大的承载能力。此外这种导轨有低速不爬行，运动均匀性好，以及驱动力小等优点。工作台上的一条 V型导轨与工作台作为一体，另一条 V型导轨体用横向键与其保持横向滑动定位，称为自位导轨，由于这一条 V型导轨体是横向可浮动的，工作台和床身配合的二个 V型导轨中心距能自动调整正，补偿由导轨副运动摩擦发热而引起的中心距变化。 2 2 机床主要参数确定 根据导轨磨床的现有标准，参考其它普通导轨磨床的尺寸参数，数控导轨磨床 M52160 的基本参数确定如下 最大磨削宽度 1600mm 立柱间距 2000mm 最大磨削长度 6000mm 最大磨削高度 1000mm 工件最大重量 9000Kg 工作台最大行程 6500mm 工作台速度 5 30m/min 水平方向快速移动速度 2000mm/min 垂直方向快速移动速度 2000mm/min 砂轮尺寸 周边磨头 平面砂轮 600 100 305 万能磨头 平面形 400 63 127 杯形 400 63 127 碗形 400 63 127 加工精度为满足一般机床的要求， 导轨要达到如下精度：在水平面内的直线度小于 0 01mm lOOOmm， 在垂直平面内的直线度小于 0 Olmm lOOOmm，导轨平行度小于 0 O2mm lOOOmm，导轨表面粗糙度 R 0 4。 3 周边磨头部件设计 3 1 运动参数和动力参数设计计算 3.1.1 主轴极限转速和转速范围（周边磨头） 由金属切削加工手册查得平面磨削砂轮的线速度范围为 v 2030m/s, 则主轴的转速范围 n 360 10vd 637 955r/min 由于其转速变化范围不是很大，可采用三相异步电机变频调速来实现。 第三章 周边磨头部 件设计 8 3.1.2 最大磨削功率的确定 由机床的实际加工过程可知，在粗磨大平面时机床消耗的功率最大，因此需根据该工况的工艺参数来计算主轴的最大功率。根据金属切削加工手册，平面粗磨的切削用量如下 : 工作台速度 v100mm时， 2h。（ 0.00040.0006） d=0.0440.066 取 2h。 0.045 （ 6） 油腔深度0( 2 0 1 0 0 ) h 0 . 4 4 2 . 2tZ m m 为保证足够的承载面积 ，取 2tZ mm 第三章 周边磨头部 件设计 10 （ 7）轴承的壁厚 r 保证不形成薄壁零件，考虑油孔空间 r 25 （ 8）轴与轴承的配合间隙 2h。的公差 h。 h。0075hh，因此取 h。 0.005 （ 9）轴与轴承的几何精度误差（圆度、圆柱度、同轴度） 005 10hh 取 D 0.005 （ 10）轴承外圆与箱体孔的配合 过盈量 0 0.02mm （ 11）两个向心轴承中心跨距 l l（ 4 6） d 400 600 取 l 400mm （ 12）选择节流比 ，液阻比 考虑油温变化而引起的 值的变化，应使油 温为 20 50 度时 1.5 3.0，液阻比 1。 一般情况下，当 0.71， 1.71 时轴承具有最佳刚度，即 1.71为最佳节流比 （ 13）确定供油压力sP 粗选供油压力为 2.5MPa 则 油腔压力rPsP/ 14.6MPa （ 14）计算一个油腔的有效承载面积eA 3212 3 0 4 52 ( ) s i n ( ) 2 5 5 (1 0 8 1 1 ) s i n ( ) 7 . 9 7 1 0 m m22eA R l a 。 。 （ 15）计算轴承油膜刚度 J 361 301 2 ( 1 ) c o s 1 2 7 . 9 7 1 0 2 . 5 1 0 0 . 7 1 c o s 3 0J=( 2 1 ) 0 . 0 2 2 5 1 0 1 . 7 1 ( 2 1 . 7 1 1 )esAph 。 91 .5 8 1 0 /Nm （ 16）轴向推力轴承的结构 尺寸 本科毕业设计说明书 11 轴肩半径： 4231 .6 1 7 61 .2 1 3 21 .4 1 5 4dddddd 轴肩的厚度 当 d 50 200mm时， H。（ 0.1 0.2） d 11 22mm 取 H。 20mm 3.2.3 主轴带传动的设计计算 为了有效地将电机产生的振动与主轴隔离，在电机与主轴之间采用带传动。因为带传动有很好的缓冲、减震和吸阵作用。不需要减速因此传动比选 1： 1。考虑传动的扭矩比较大且转速较高，选用多楔 v 带传动。多楔带又称为复合三角带，是一种新型的三角胶带，由于它综合了普通 V带和平胶带的优点，在机床的传动中正在获得越来越广泛的应用。 它与普通V带相比较，且有下列优点： (1)传动功率大。由于多楔带和带轮的接触好，各工作面间的裁荷分布均匀，故多楔带的承裁能力高。 (2) 消除了多根胶带长短不齐的现象。多楔带振动小，发热少，运转平稳。 (3)伸长率小，使用寿命高。 (4)运转速度高。由于多楔带的断面尺寸小，重量轻，强力层的耐曲挠性能好，适于以较小的带轮直径在高速下 (达 40 m/s)运转。 多楔带的具体计算如下，参考机床设计手册（零件设计）表 5.2-26 （ 1）确定计算功率 jN KN 查表 5.2-5， K 1.2 1 . 2 1 8 . 5 2 2 . 2jN （ 2）选择多楔 v带型号 1 6 0 0 9 7 0 / m i nnr 根据jN和1n查图 5.2 16，选 M型多楔带。 （ 3）确定带轮计算直径1D 由表 5.2-20选带轮推荐直径1D 180mm，由传动比 1得2D1D180mm （ 4）初定中心距 A。（中心距过大易振动，过小则寿命低） 第三章 周边磨头部 件设计 12 2 0 1 23 ( )D A D D ，即 1800A1080 考虑到结构需求，初选0A 1000mm （ 5）求胶带计算长度 L 2210 1 20()2 ( ) 2 5 6 5 . 224DDL A D D m mA 按表 5.2-18选最接近的长度为 L 2583mm (6) 计算准确中心距 2221128 ( ) , 2 ( )8a a D DA a L D D 得 2 2 5 8 3 3 6 0 4 0 3 5 . 6a ， A a/4=1008.9mm 带的中心距是可以调整的，考虑安装调整和补偿初拉力（如带伸长而松弛后的张紧）的需要，中心距的变动范围为 m i n 0 . 0 1 5 9 7 0 . 2A A L m m m a x 0 . 0 3 1 0 8 6 . 4A A L m m (7) 确定多楔带的齿数 Z 0 1 2iNZ N C C 查表 5.2-25得，iN 1.972Kw；1C 1.00；2C 1.00 则 Z 11.3，取 Z 12齿。 多楔带的具体断面尺寸如下： 齿距 t 9.5 H 1.67 h 9.6 h。 13.05 40 1 。 （ 8）多楔带 轮的基本尺寸 外径 wD 2 1 8 0 2 3 . 5 5 1 7 2 . 9DC 宽度 ( 1 ) 2 1 1 9 . 5 2 1 0 1 2 4 . 5B Z t g ，取 B 125 带轮材料为 45钢 （ 9）多楔带的张紧装置 本科毕业设计说明书 13 带经过一定时间的运转后，就会由于塑性变形而松弛，使初拉力 F。降低。为了保证传动能力，应定检查初拉力的数值。如发现不足时，必须重新张紧，才能正常工作。具体张紧装置如周边磨头装配图中所示，将安装有带轮的电机安装在基座上，基座用螺栓固定在垂直滑板上，基座上的螺栓孔为长槽，可使 基座相对于垂直滑板上下滑动。要调节带的张紧力时，松开基板上的各螺栓，旋动调节螺钉，将电机推到所需的位置，然后拧紧基座与垂直滑板的连接螺栓。 3.2.3 主轴端部卸荷带轮结构设计 由于带的张紧力对主轴的刚性影响很大，因此在主轴端部设计了卸荷带轮结构，将带的拉力直接传递到主轴箱体上，而扭矩通过带轮端盖螺钉和键来传递到轴上，从而大大减小了主轴的径向力，提高了主轴的刚性。由于端盖螺栓以及键传递很大的扭矩，因此需校核其强度。 （ 1）螺栓组联接设计计算 采用圆周均布，螺栓数 Z=4，均布直径 d 180。 螺栓仅受扭矩 T 295Nm，则每个螺栓所受的工作剪力为 /4F T r 819.4N； 螺栓所需的预紧力 1 . 1 7 3 7 . 5 60090 . 1 5sp KFQNf 选择螺栓材料为 Q235，性能等级为 4.6的螺栓， 查表得 240s MPa ， S 1.5 / 2 4 0 / 1 . 5 1 6 0s S M P a 因此螺纹小径14 1 . 3 4 1 . 3 6 0 0 9 7 . 8 8 1 6 0pQd m m 按粗牙普通螺纹标准，选用螺纹公称直径 d 10（小径1d 8.3767.88mm） (2) 联接平键的校核 根据轴径查表选择键的尺寸是 16 10 32 ，普通平键联接，其主要失效形式是工作表面被压溃，强度条件为 332 1 0 2 2 6 4 . 7 1 0 6 0 1 0 00 . 5 1 0 3 2 5 5ppT M P ak l d MPa 可见，联接键的强度足够。 3.2.4 主轴强度校核 主轴 B点的在水平和垂直方向的弯矩分别为 : 第三章 周边磨头部 件设计 14 垂直方向 32 . 8 2 1 0 1 7 6 4 9 6 3 2 0vvM P a N m m 水平方向 8 8 2 . 3 1 7 6 1 5 5 2 8 4HHM P a N m m 由前面 的计算可得扭矩 264700T N m m 主轴弯矩与扭矩如图 3-1 所示， 图 3-1 主轴弯矩与扭矩图 合成弯矩 2 2 2 24 9 6 3 2 0 1 5 5 8 4 5 2 0 0 4 5vHM M M N m m 按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩及扭矩的截面（即危险截面 B）的强度。 则当量弯矩 本科毕业设计说明书 15 2 2 2 2( ) 5 2 0 0 4 5 ( 0 . 6 2 6 4 7 0 0 ) 5 4 3 7 5 6caM M T N m m 23543756 4 . 9 4 /0