（机械制造及其自动化专业论文）高精度数控复合转台平面砂带磨床的研制.pdf

霪庆大学硕士学像论文 摘要 摘 菲 y 3 1 4 1 8 3 x 在对目前薄片类零件的加工现状进行分析藤，针对它们的缺点 瓣不足，本谦题提出了一种新的加工工艺方法，并研制出设备一复 合转台平面砂带磨床。它以砂带作为磨削工具，采用复合回转台结 构翱压潦投潦裁方式，谯缀大程度上减小了零件的受力鄹受热变 形，并能在加工表面形成理想的磨削轨迹，因而可以达到较好的加 工效果。 本文对薄冀“零件的翔工旗度积表嚣缓量进行了分辑，在税壤设 计中采取了控制平面度及平行度的措施，而采用可编程序控制器设 计的控制系统中引入半闭环控制，保证了砂带磨削加工零件尺寸的 麓精度。为了得裂最佳瘗凝效果，本谍题还赁实验磺究了各耱蘑鸯l 参数对加工精度及表面质量的影响，并最终获得较好的结果。 ( 本课题研制的设备已投入使用，并得到用户的肯定和认可，获 得了成功幸 关键谲：砂带平面磨削蘑翻轨迹复合转台压摩板 可编程序控制器 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h em a c h i n i n gm e t h o d so fs l i c ep a r ta tp r e s e n t ，t h i s p a p e r r a i s e san e wg r i n d i n g p r o c e s s m e t h o da n d d e v e l o p t h em a c h i n e t h e c o m b i n e d r o t a r yt a b l et y p ea b r a s i v e b e l ts u r f a c eg r i n d e r , w h i c hg r i n d sw i 1a b r a s i v e b e l t ，u s i n gc o m b i n e dr o t a r yt a b l ea n dp l a t e n i tr e d u c e s t h et r a n s f i g u r a t i o no f p a r tf o r g r i n d i n gf o r c ea n d h e a tg r e a t l y , a n df o r ma p e r f e c tg r i n d i n gt r a c e ，s oh i g hq u a l i t yi s a c h i e v e d i nt h i sp a p e r ，w ea n a l y z e dt h em a c h i n i n gp r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t yo fs l i c e p a r tt h a tm a c h i n e db y a b r a s i v e b e l tg r i n d i n g ，c o n t r o lt h ep l a n e n e s sa n dp a r a l l e l i s m d u r i n gd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，a n da d o p ts e m i c l o s e dc y c l ee o n t r o ls y s t e mt o e n s u r et h eh i g hd i m e n s i o np r e c i s i o nu s i n gp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ri no r d e rt o o b t a i nt h eb e s tg r i n d i n ge f f e c t ，t h ei n f l u e n c eo ft h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so f a b r a s i v e b e l tg r i n d i n go nm a c h i n i n gp r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t yi sr e s e a r c h e db y e x p e r i m e n t ，a n d t h eb e s tp a r a m e t e r sa r eu s e d t h em a c h i n et h a tw a sd e v e l o p e dh a sb e e ni nu s c ，a n du s e r sa r es a t i s f i e d k e y w o r d s ：a b r a s i v e - b e l tg r i n d i n g c o m b i n e dr o t a r yt a b l e g r i n d i n g t r a c o p l a t e n p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r 霆庆大学矮士学位论文 翁一章鳞论 第一章绪论 第一节问题的提出 、。l 在生产突黢孛，薄片炎爱瀑蕺 衾满零馋懿应震中分广泛。露磊稳耪辩露 擦片来说，它是摩擦离合器、制动器中的关键结构件，在汽车和精密机床上得 到普遍使用。摩擦片的基本结构形式一般是在金属芯片的一侧或两侧贴上石棉 专苕瓣薄片，为了增热强度发提高薄片的憨体硬度，石拣薄片中 主往还掺杂了盒 耩细屠( 魏镧滔) 及其它材辩。由予使鞠过程中主瑟靠石棉毒季糙薄片侧瑶斡摩 擦力起作用，而摩擦力与摩擦片的表面质量、尺寸精度，特别是平面度、平行 度误差密切相关，因而对薄片的加工精度要求很高。如下图所示为某摩托车离 会器懿摩攘净之。 l 。芯片2 。石栋薄冀 图1 1摩托车摩擦片 该摩擦片国铝台金芯片葶曩嚣铡瑟聚餐懿葛撼枣季料薄片组藏，惠手其本身熬 特点：零件薄、刚性差、翳变形，特别怒表面的一层由石棉及细金属屑、软术、 橡胶等组成的簿片，其加工工艺性较莲，因而对其进行高精度、低粗糙度加工 十分困难，这是目前存在酌一道加工难题。 蘑对这一瓣题，探索罩孛遥台该癸零件豁高效、精密静加工方法其有一定 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 的学术意义。而成功地解决这一难题将会对我国汽车行业、精密机床行业以及 其它行业所使用的薄片( 或薄壁类零件，因薄壁零f z l ：$ - r l 薄片零件一样，也存在 壁薄、刚性差、易变形等特点) 的加工提供一种新手段，能够取得良好的社会 经济效益，具有很大的实用价值和重要意义。 第二节国内外薄片类零件加工现状 通过查阅文献资料及调研，目前国内外加工薄片类零件的方法主要有： 较传统的加工方法有飞刀铣削、车削等，但由于薄片零件其自身的形状特 点，装夹定位十分困难，加工效果很不理想，加工质量差，难以达到要求的精 度。同时，由于操作不便，加工效率也很低。因而现在这类方法使用较少。 对薄片类零件的加工目前广泛使用的方法是磨削，具体有以下两大类：一 类是单面麝削。这种磨削方式下，工件经装夹定位，一般采用砂轮的端而或圆 周面进行磨削。采用这种磨削方式的加工方法及没备主要有以下几种： i 碗形砂轮端面磨削 采用碗形砂轮端面磨削的加工方法如下图 形砂轮进行进给磨削。这种方法 只对较易定位的零件适应，如摩 擦片、轴承环等，而对很薄的工 件或很难定位的工件则较难实 现。同时，对摩擦片零件或其它 一些非金属薄片零件来说，加工 的材料主要是非金属，其磨屑具 有很大的粘性及附着力，因而很 容易填满碗形砂轮的容屑空间， 堵塞砂轮，便砂轮部分或完全( 严 重时) 失去磨削能力，因而堵削 效率低，加工成本高。并且，为 1 - 2 所示。工件随工装转盘转动，碗 1 碗形砂轮2 t 件 图1 2 碗形砂轮磨削 了防止砂轮堵塞，一般选用磨粒较粗的砂轮。另外，由于工件自身的特点，采 用这种方法很难做到高精度装夹，采用碗形砂轮端而磨削时主要靠砂轮的轴向 压紧力来压紧工件，工装盘上无专门的夹具，磨削时，工件只是某一部分区域 翟 受轴向压紧力的作用，工件很容易产生受力变形。这就使得加工工件的表面质 量和精度雅瞳达到高精度商鏖篷要求e 2 立轴圆台平而廉削1 这种黪削方式一般使用碟形砂轮或杯形砂轮作为切削工具，转台上有一个 工装或数个工装。为了在磨削时较妻孑赡教热，往 萱对砂埝进纾修整( 翅开冷十 j 槽等) ，并采取小磨削蕊缓进给等措施。鼠然其采用多工装，在加工效率上有 繇筏意，健扶形蕊二 侮黯工平嚣静鞔邃上蕾，它嚣瘗鸯l 虢遥不圭驽匀，各轰懿甥 削速度及切削量都不尽相同，加工效果也不很理想。这种方法对设错本身的要 求较高，对砂轮的选择及调整，切削量及转台速度的选释都有较严旃的要求。 豫上述加工方法外，对予能受磁力作月的金属薄片还可以采用卧式乎蕊砂 轮麟床进行加工。它依靠磁力作用夹紧工件，采用砂轮圆周而进 亍廉削，有数 显装萋显示移轮涎逶绘藿。这秘密瓣方式缝达到缀裹鹣精度秘袭嚣蔟量( 露达 镜面) ，但其加工效率很低，对大批量生产并不适宜，而对不能受磁力作用材 料的零件也无能为力。 另一类是双丽麽削。双面磨削一般应用在需对工件的两面进行廉削，且对 两丽的平面皮、甲行度及平面问的尺寸要求较高的场台n 双面摩一般使用超摩 粒( 金嚣l 磊，c b n ) 砂稔，列难切女越料邀行高髓度高教率热工。如闳片、鞣l 承环、车用空调机上的压缩机零件等精密零件。它一般采用配精有承载力大的、 宽大瘗瑟豹盘形砂轮对互 孛委反覆嗣对逶行燕工，工 譬靛送绘、砂轮翡遂刀均 采用自动控制方式，可以使批量生产的工件同时获得高精度和高效率的加工效 果吒 双面縻期豹各种加工方式如下表例： 晒 t ：j 磅靠e 定 ： 穿遗送 佩戢甘噬工件博动 奴 嚣， 蕊 1 醪 1 3 f 1 u t ， ，； 圈 一3 职两摩削棚下方式 重庆大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，双面磨削设备主要在国外生产，如日本、德国等”。“7 1 。 蠢零党洋( k o y 0 ) 公司生产籍k v d 3 0 0 鍪立辘双臻蠢瘗寐莛一释赎穆较 小的磨床，它使用c b n 砂轮作切削工具。我图的广东液压泵厂、大连液压件 厂等厂窳已进口使用。该机床结构紧凑，上下砂轮轴置于床舟当中。为了增加 撬庆蕊憨髂雕度和受力平鸳，设诗时采曩矩形学辕，并使黪头钵导戟中心薅与 砂轮主辅中心线在嗣个面上。两砂轮的上下位露及遗给再l 数最表示，其迸给 量可达o 0 0 l m m 。 日本鼹渍( n i s s e i ) 公司是家专门生产双端面麽床的厂家。它设计的双端 磊委瘗床攒撼不蠢遗工待栗嗣不弱懿送游方式。您溪时菠砂耱与工荇始终绞触， 磨削力均匀地分布在工件表面上。由于在设计时采用箱体式结构，并增加立柱 和机床主轴的刚性，并采取许多减振及传动消隙措施，使机床能达到较高的精 度。_ 【| 乏岁 ，它还采趱金塞魂反馈魄鼹来叁动溅鬃工馋鸯l 工簿壤及砂轮使用状态。 图1 - 4 为其生产的v 5 c 型立式双端面磨床，它采用圆盘送料方式( 送料盘可在 1 0 0 0 上转动) ，最薄可磨o 8 m m 的工件。 i n - 4 】- 乜帆2 * 硪进器3 7 传动幽轮4 ，穗建勰s j 戎督艳 i t , 竹，堪甜7 上嘏轮8 立挂口，工件l o 上拖板 1 1 一砸动由轮12 _ 下拖轭3 3 吏承栈 “下最 台1 5 砂轮 、 圈t - 5 在豳内，目前上海磨床研究j f f 同大众汽车制造厂合作，开发制造出了 s t r 7 5 6 5 膜片弹簧双端面磨床，该磨床主要用来加工桑塔纳汽车刹车盘中的膜 片癸簧零锌。萁辍臻络筏布局觅爨1 - 5 。工 孛凌夹紧轮夹繁，上下滚轮及支承 板定位。该设备最小谶给量可达1 u m ，具有自动测量系统，加工后工件平行度 重庆大学硕：b 学位论文第一章绪论 可以控制在o 0 2 o 0 4 m m 以内。磨削工件尺寸范围为： 外径：( 1 ) 1 9 4 3 5 0 m m 内径：( 1 ) 4 0 6 0 r a m 厚度：2 4 5 3 5 m m 但它目前使用的砂轮只能为树脂砂轮，其加工磨损很快，因而其加工成本 很高。 综述以上几种薄片零件的加工方法主要存在以下不足： 1 形成加工面的磨削轨迹不够理想。以上几种磨削方式都不能形成一种均 匀的纵横交错的磨削轨迹，从表面成形原理方面看，不够理想。 2 对某些材料，砂轮的磨削效率低。由于砂轮在磨削过程中易发生堵塞， 因而在磨削非金属、有色金属时，磨削效率较低。并且由于排屑不畅往 往会出现工件烧伤现象，还会在加工表面出现较大残余应力及表面微观 裂纹或余相组织变化。 3 砂轮修正较困难。不管是单面磨削或双面磨削，砂轮的修正是一个很重 要的问题，特别是在双面磨削时，砂轮的磨损很不均匀，时常出现凹陷 现象，为了保证加工精度，砂轮的修正尤为重要。而砂轮的修正往往相 当困难。 4 对难加工材料，砂轮磨削成本高。一般地，在对难切削材料的高精度高 效率加一1 _ ：时选用超磨粒( 金刚石，c b n ) 砂轮，而这种砂轮价格昂贵。 如上海大众使用双面磨加工膜片弹簧时目前只能采用树脂砂轮，而这种 砂轮磨损太快，修整次只能磨削约2 5 件。而想提高砂轮的耐用度和 使用性能仍有一定的困难。 5 国外生产的双面磨床一般能达到较高的精度和较好的表面质量，但其设 备造价高，对企业是一个不小的经济负担。且其使用成本昂贵，设备的 维护和维修较难，因而很难推广使用。 第三节本课题的研究内容及任务 根据上述对国内外薄片类零件加工的现状分析，在对砂轮磨削和砂带磨削 经过实验对比后，我们选用砂带作为磨削加工工具。和砂轮磨削相比，砂带磨 削具有很高的切除率。且由于砂带的柔性，具有磨肖4 、抛光等多重作用，其磨 重庆大学硕士学位论文第一章绪论 削性能好，对象石棉摩擦片、铝件等零件的磨削不存在堵塞问题。而具有“冷 态”磨削之称的砂带磨削其磨削温度低，工件刁i 易出现烧伤现象，表面无微观 裂纹和金相组织变化。此外，较低的磨削温度还可以防止工件受热变形，这对 薄片零件加工来说十分重要。 选定砂带作为磨削工具后，本课题从工件表丽成形原理入手，分析以上各 种方法的磨削轨迹，以便采取一种更为理想有效的磨削方式。其目的在于：一 方面能够获得较为理想的磨削轨迹，在机床本身精度相同的情况下可获得最佳 精度和表面质量；另一方面，采用此种加工方式可以在磨削加工的同时进行上 下料，减少辅助加工时间，提高效率。从而能满足高精度高效率加工的要求。 为了完成上述研究内容，实现研究目的，本课题主要研究任务如下： 1 平面磨削方案分析分析磨削加工影响薄片零件精度的因素，探索以砂 带来磨削薄片零件的最优磨削方式，包括最佳磨削轨迹的获得、保证加 i i p - 平面度、平行度的可靠性等； 2 机械结构设计包括实现砂带磨削轨迹的结构设计、磨头结构设计、 进给传动系统结构设计、压磨板设计等； 3 尺寸精度分析分析整个系统对加工尺寸精度的影响，提出了控制尺寸 精度的控制方案，从而达到高精度的要求； 4 控制系统开发采用一种可靠而经济的控制设备作为主控件，实现整 个设备的控制，完成系统硬件和软件设计； 5 实验分析为了得到最佳磨削效果，分析各磨削参数对加工质量的影 响，通过实验研究砂带粒度、砂带线速度、砂带偏摆频率及工件转速等 参数与磨削效果间的关系，并选择最佳适用参数。 重庆大学硕士学位沦文第二章总体方案的分析与设计 第二章总体方案的分析与设计 第一节平面磨削运动及轨迹分析 任何一种加工表面都是由切削刀具和被加工工件作一定的相对运动而形成 的，加工表面就是它们作相对运动的运动轨迹。如渐开线齿轮是由工件和切削 刀具( 齿条或齿轮滚刀) 作展成运动加工而成。对于平面运动来说，最简单的 形成方式是一条直线( 母线) 沿着另一条直线( 导线) 移动来获得。但平面磨 削运动不仅仅如此。 磨削加工的刀具是砂轮( 或砂带) ，它们都是使用粘结剂( 一般为树脂或陶 瓷) 和磨料制成( 对砂带来说还需要磨料和粘结剂的承载体一基材) 。制作成 的砂轮( 或砂带) 表面均匀等高地分布着磨料磨粒，每一个磨粒都可看成是 个小小的切削刀具，因而砂轮( 或砂带) 其实是一个多微刃切削刀具，磨削实 际上是微量切削而形成的累积效应。 在平面磨削中，砂轮磨削主要采用端面磨削或圆周而磨削方式。下面对目 前国内外薄片类零件磨削的运动及轨迹作一分析。 对碗形砂轮端而磨削而言，除砂轮的进给运动外，形成加工平面的运动有 两个，砂轮的旋转运动及工件的旋转运动( 如图1 2 ) 。由于砂轮的转动速度比 工件的转速高得多，因而其磨削轨迹如图2 1a 所示。从磨削轨迹可以看出碗 形砂轮端面磨削平面过程是一种有纹磨削，它在加工过程中形成了许多重复轨 迹，加工工件表面上各点的磨削状态不一样。从表面成形原理分析，此种磨削 ab c 图2 - 1符种磨削方法形成的摩削而 重庆大学硕士学位论文第二章总体方案的分析与设计 方式不够理想，不能够获得高的磨削表面质量。 下嚣磊绞凄赘运费上俸遂一步分辑呻1 。 砂轮端丽为圆形，对工件进 行加工时，a c b 与a c b 都为弧形 ( 如图2 2 ) 。由予b b 鞠a a 对应 的圆心角z b o b 及l a o a 不相等， 在感燃热王过程中，当王 牛主粒 b 点运行到b 位凝时，a 还没有 转动刭a 位露，瓣两其嬲工时闯 是不相同的。由于在磨削区域内 工件表面上各点转过的圆心角不 尽相同，豳两使用此融癌女加工 方式时，工件j 二各点的切削爨并 不寿露嗣，魄靛搜褥热王怎工 孛戆 表耐质量不理想。 1 工件2 碗形砂轮 嘲2 - 2 对于立辅圆台平面磨床，其形成凝工平筒静运动仍怒砂轮的旋转运动和工 件的旋转运动，只不过工件随大圆台转动，对对称分布多工装的加工工件来说， 其磨削成形轨迹如图2 - 1b 所示。和碗形端面砂轮磨削相似，仍存在磨削表而 残形器理上熬缺翳，瘗痰麓迹并不均匀，甥魏量也不稳霹。 对双蝴而縻削而言，当采用旋转承载式或工件转动式时，其运动及表而麽 漤鞔逾与蠹2 - 1b 籀 l ；l 。当聚璃穿逡送瓣式时，王辞二不俸任何转动，掰褶当_ 丁 转动半径无穷大，其加工后的淡面磨削轨迹为两组平行的螺旋线。 当采用砂轮圆周面避行平黼磨削时，工件一般作平动，磨削轨迹为一藏细 密的平行线( 当采用较粗砂轮时，可以明鼹看到壤疫) 。此时，加工 i i i 的表蕊 质量间砂轮的圆周表面质量有很大关系，而砂轮的径向跳动误差或圆周表面缺 麓都会复鼙至l 豁王表嚣上去。懑琵瑟耱方法蹲壤窳本身瓣糖废 ，工件表嚣上备点静密 削路程之比融接近1 ，而各微刃在 加工表面上的磨削方向不断变化。 溜瑟鼹瘗 | l 袭强震形嚣理上着，魏 种方式能形成较高的表而质景。 大转台 砂楷 工镀： 图2 - 3 蘑懿运动速度示意蟹 第二节本谦题磨潮方案的孩定l 娃、珏t 一、影晌薄片类零件加工朕量的因素 杰瘗囊l 操工薄片零转乎嚣孬时，豫一乏述各秘蚕网蕊女l 工方式在乎嚣成形瑷怒 上会对零件袭而质量及糟度产生影响外，还与许多篡它因素有关，包括：砂轮 的选择( 砂轮的软硬度，磨料种类、粒度等) ，机床本身的刚魔，磨削参数的 选取等。下蕊主要分析砂轮磨削时因砂轮瑭损及摊麟不畅对薄片零件如工精度 和表面质量的影响。 藿痰火学琰壹- 学位论义努二章总体方察瓣分辑与设计 1 砂轮磨损对加工糟度的影嚼 砂轮是盘糕结裁粘缀痞辩黪粒制残懿，磨粒在鼷割袭亵上鹣分布杂乱恁黎。 实际磨胬辩，摩粒都楚醴较大的受静角、，j 、爱惫戏受屠角翡强翻进行仞黼。工 件材料是在黪粒切削刃的挤压、摩擦作用下产生变形转为切屑，形成加工袭两， 因藤在嬷划过稷中，砂轮的磨擐在历难免。 砂轮黪摩按与该壤嚣点的受力及磨削逮凄等肖缓大关系。聚臻秽轮壤魏薄 片零件时，各点的蘑渐状态不尽稽同( 第一节中琶讨论) ，因而砂轮的磨损也 并不均匀。加工一段时间后，磨粒的等黼性遭到破坏，砂轮磨削表面会出现形 状误差，用这 ：誓的砂轮去加工工l 牛则会产生平颓度误差及粮糙度误差。 正鬻麴砂轮磨损会接砂轮表瑟瘗粒缱纯，不孬锋裂。键纯黪黪粒在工传滚 面的加工主要是滑擦和挤压，因而砂轮的磨削能力下降，而蘑潮区的溢液剥升 高，这对薄片零件的加工精度是个很不利的因索。当磨损较为严重时，会国 现磨坡破毋酾隳粒脱落，破碎残脱落部分蚋縻粒在如王表疆翻砂轮磨削蘧阉逡 动，一方嚣对砂轮翡藩戳西律筵大的彼环，掬剃砂轮懿癣损：舅一方谣还会在 加工表面上形成深浅不同的切削稽，使表面糨糙度和加工精廉避一步下降。茵 恧在磨削加工过程中，砂轮霈不定期进雩亍修垫，蕻目的一方面提高砂轮糜削表 嚣磨粒蘸簿离性，舞一方嚣提高黪粒酌锋到程凄，蜷龆甥澍能力。 2 砂轮施削稀滔闷磁对加= l = = 精魔的影响 砂轮磨削时，磨属主要由磨糍间容屑槽带走。在磨削过程中，当因某种潦 困镬砂轮容腌嫫填满( 称为容属攒壤塞) 时，则撵爆阕题变褥严爨，从两也会 降低砂轮瓣澍麓力。砂轮堵塞对攘工溪整黪影晌泼现在薅个方露：一是撵不出 去的磨屑会对加工表磷禳破坏作用，降低了z 件袭谣精糙度；二是蘑削嚣温度 明显升高，往往会烧伤工件，藏在加工寝面出现较大的残余鹰力及金稽缓织变 化。这是砂输鏖瓤嚣金属材料及蠢色金属材料十分豳难的一个主要原因( 由予 非金释榜料鞠有色金瓣材料的密震有缀大瓣粘性，缀容易堵塞砂轮) 。 3 磨潮溢度对薄片类零件糯工精渡的彩编 对薄片零件来说，困箕本身的刚谴较差，磨潮瀛度g f 起工件的燕变形不客 忽褪。出予受热变形，改变了工件与刀具之间的勰对运动，从弱造成加工误蓑。 据统计，在精密加工中，由热变形弓f 起的船工误蓑终占总攘工误差魏4 0 - 7 0 ， 它不仅降低加工精度，而且还影响丽工效率。 切削加工过疆中所产生的切削热，主要传绘王停、机床、刀舆、切羼和盥 整庆大学硕士学僚论文第二章惫俸方裘的分紊军与设诗 围介质。在单而瘢削加工蒋孽片零件时，磨削温度引起工件热变形尤其明显。由 于薄片零件在单面磨削时，工乎 磨削表颥困磨削作用便温度升高，这样就在工 件懿上下表舔形成温差，鬻嚣祓热工王 l 件会产生一定的热变形挠度，使工件成 一 拱形。在平耐磨削加工时，砂轮的磨削 嚣囊为一平嚣，爨女嗪i 形见黧2 4 ，瘗澍 后t 件恢复别币常温度后，则会 拜现如 一 图所示的凹陷，形成较大的平面度误 麓。所以降低摩削温度是提麓薄片零件 = = 三三三三兰 翔王蘩囊魏一令有效途径。 。 砂轮的磨损、容屑槽堵塞及磨削区 雾等圭鬯都孽要茎竺妻警紫关耄二宴? 图：。薄片零件受热变形 移轮瘗损，绶褥容震整减小，客藩藐力 下降，出现容腐槽堵塞。砂带磨损后磨粒的钝化和容盾槽堵塞弓i 越的排盾不畅 都会使磨削医| ：| 勺温度升高。它们对加工精度和表面质艇的影响是个综合作用 效果。 出琵，在本谋题中，我们隘砂帝摩潮代替砂轮磨黼采对薄片炭零件遴行翱 工。 二、砂带磨削的特点分橱 砂带磨黼作为一穗较耨酶船工工艺技术是在近几十年发展超来酶。最裙鲍 砂带磨削一般用来手工打磨，其加工对象主要是木树。三十年代厢砂带磨削开 始逐步应用予龛弱加工。随着静电植砂技术的出现及砂帮制作技术的日益摁 蠢，移带整女l 技零正在彳莓翻迩速发震，葵疲瘸氇越采麓广泛。露移轮瘩蘩耱壅， 它具有以下一些特点： 1 砂带黪削是一种弹性磨削，这怒幽砂带的构成物质决定的。在磨削过 瑕中，单个黪敕经菸压、懑擦、麓犁、甥魏完或整个甥越过程。翅子砂荣采溺 静电植砂技术，表面磨鞍分布均匀，等高性好，尖刃外露，切刃锋利，因而眈 砂轮的切削能力好，这使得砂带磨削过程中磨削的材料切除率大，效率高。同 时也出于砂带的弹性接触状态，使砂带魅粒的挤压秘淤攘作用更为明显，具有 缀强躲磷瘩作糟，磨鬻表露蔟萋好。嚣簿，骖蒂癣麓可达缝蠢( r a o 0 】u m ) ， 重庆大学礤士学位论文 瓣二= = 章总体方案静分析与设计 面对于粗糙度在r a 0 1 u m 以上的情况，则非常容易达到。 2 砂带黪削流度低，这点时薄片类零件的加工箍得十分踅要。砂带路 箭稻对砂轮藏潮舔言，奄“冷态”麟女i 之称，蕊其联因蹩排麟能力强，散热条 件好。亩予砂带的蘑辩是专门稍逢鹃，瘗被静，l 傅形状譬长三麓体，砂带涮造 时暴弱蛰迦撼砂技术，健褥瘗粒均建尖刃朝辨，等凌均匀分蠢在藻材波面，因 嚣它切剐刃锋剥，有较大豹窑孀空阀。在黪削时，材料豹变形小，切滁率离， 摩疆0 力帮随之产生的黪削热小，磨削滠度低。丽较大豹察屑空阅可以将摩属即 时带迮。同时，砂带的周长远远超过砂轮周长，使得砂带磨削既有良好的散热 条件，又可以通过砂带的懋空部分( 不与接触轮、张紧轮、压磨叛接触的部分) 因运行时的撮荡使附予容褐稽中的簿藩辩落，速步防止堵塞魂象，减少瘩擦， 降低磨潮流魔。 此舞，砂带壤麓鹣特点还霄： 砂豢瘗剃系绞熬掇渤，l 、，稳定燃姆； 秒带瘘削设蚕鞍篱零，机床功率涮熙率麓； 砂带磨削成本较低。 由以卜特点可以蒋出，砂带磨削在加工薄片零件特别是非鑫属或有色盒属 等砂轮难以加工材料的零件非常适用，能达到较筒的表丽质量。 兰、砂带磨削方式 砂荣乎礴磨削一般只鸯接触轮式和愿黢投式烈釉方式。箕加工方式如图2 5 所示。 a ，戳紧轮2 图2 - 5 0芑 b 3 。驱础轮4 。：= ! 二斟：5 + 聪摩被 砂带平面磐削方式 藤庆大学顼二l ? 学位论文第二章总体方燕的分耩菠计 接触轮式磨削是砂带通过接触轮与工件接触进行磨削。砂带经接触轮张紧 贼圆弧状，它楣当于砂轮溅周面詹削方式。压瘵扳麟削方式是在砂带的背面树 块匿褰蔽，为了褥到离豹热工精度帮袭瑟质量，愿蘑板本身鸯较严格静痿羹 硬求，并且由于麽削过程中砂带背面一盥和压磨板表面摩擦，其袭面一般由耐 磨材料做成。 秒赘乎豫绫潮瓣精发，特澍是翔王戏嚣乎嚣澄滁受一般瘀剃螯避存在瓣戮 索，如：磨削参数、机床刚性等影响外，还在很大程度上和砂带的磨削方式有 关。 从磨削愿理上看，接触轮詹削方式的接触丽积小，磨削压力大，磨粒切除 率君辩的能力强，困磊瘗懿效率离。餐霹时，砂带的纛犊恢，磨麓精度静僚持性 麓。另一方面，接触轮是高速运动部件，因动不平衡或其它因索影响，其运 动误差( 径向跳动) 必然会反映到工件加工表面上，造成工件的加工误差。压 黪馥酶接魅麓锻太，单颗纛粒承受魏受蘩较夸，显然蔟摩裁效搴较矮继轮式稳， 但磨损慢，精度的持久性好。另外，压膳板一般为围定结构件，刚性大，机床 主轴的回转误差不会反映到压磨板上，因而其加工工件的精度高。 如图中a 所示，接触轮瓣削方式中，瘗粒在切削过程中戆切剡角度一直是 变化的，因丽酶粒在切入过程中受力急溺变纯，这德往侵磨粒扶移带表露迅速 脱落，造成砂带不均匀磨损，使加工的平面度下降。而压磨板磨削中，压磨板 谶端一般有阎定的斜角，因而砂带磨粒在切削过程中一直保持切削角度不 变，致使移黪藏粒长辘方纛在一次磨凝避程中交纯缀小，切削过程爨释嚣平缓， 所以砂带的寿命k ，加工裳面质量好。 根据它们的特点，接触轮磨削一般威用较粗磨粒砂带对有较大切除余量的 王 孛进 亍糖壤翔工，磨床设备缝搀较麓攀。露压瘗投方式主要用予精密，它可 以达到较高的加工表面质爨和精度。本课题中加工的楚精度要求较为严格静薄 片零件，因丽选用压磨板方式。 ，网、零漂题最终瘥割方寨 通过以上的分析后，在对薄片类零件的加工中，我们采用以下方案： 1 ，采用砂带磨削工艺； 2 采用复台囝转台设计； 3 采甬压释板癞潮方式。 重庆大学硕士学位沧文第二章总体方案的分析与设_ c 1 此外，为了进一步提高磨削表面质量，我们还采用了砂带往复偏摆振动机 构，使磨削轨迹更为均匀，进一步减小因砂带磨损不均匀以及砂带磨料分布不 均匀而带来的加工误差。 总体磨削方案简图如图2 6 。 8 图2 - 6 总体磨削方案简图 第三节控制方案选择6 、 、2 8 张紧轮 砂带 压磨板 主动轮 从动轮 人转台 工件 小转台 对于一个机b 一体化产品，控制系统是一个不可缺少的重要组成部分，整 个产品的功能都是在控制系统的控制和协调下实现的。在前面得出机械系统的 加工方案后，如何让各部分正确运转并保持稳定运行，让其完成应有的功能是 控制系统应该完成的任务。 目前，用于控制机电一体化产品的控制装置主要有：单片机( 单扳机) 、微 机、可编程序控制器等，由于它们本身不同的特点和功能而应用于不同场合。 在_ t a k 设备控制方而，p c ( 可编程序控制器) 的使用越来越广泛。 下面对可编程序控制器与微机及单片机( 单板机) 作一比较： ( ) 可编程序控制器与微型计算机比较 采用微计算机技术制作的可编程序控制器和微型计算机一样也是由c p u 、 r o m 、r a m 、i o 接口等构成的。但是，它又不同下一般的微型计算机。 1 应用范围 重庆大学硕士学何论文第二帮总体方案的分析与设计 微型计算机是一种应用范围十分广泛的通用设备，它大量使用于科学计算、 数嚣处理、计算税透信、控割簿方瑟。磊可编翟_ | 葶控鞠器主要瘸子工娩控裁。 2 使用环境 微鍪计算枫系统对环境要求比较禽，一般在于虢比较小，具有一定温度和 湿发要求的机房内使用。丽可编程序控制器能适应工程现场较恶劣豹环境。 3 硬件设计 微型计算辊骧一些慕零蕊接口辨，一般不具蚕处理】b l k 觋场壤号瓣接口单 元，因而要想应用于工业控制，必须做接阴电路部分设计工作，做能满足现场 控翻簧求豹接口毫路投。舔胃编程净控制嚣是舔 霉工j | t 控髑鹃通用设器，它本 身具有i o 接f ： 、高速处理、脉冲输出等单元，因而使用方便。 4 程序设计 微型计算机系统具有丰富的程彦设计语言，例翅汇编语言、c 诿害等。它 要求使用者具有“定水平的计算机硬件和软件知识。可编程序控制器一般采用 梯形国语畜编程，编程谬旬数蹩鞍少，逻辑篱单，荔予学习； 羹攀握。 5 系统功能 微型计算l l 系统一般配有较强的揉作系统，避行设备管理、文件管理等。 两可编程序控制器只有简单的监控程序，能完成故障检焱、用户程序的输入和 修改，用户程序的执行等功能。 扶以一芝滤比较可以瓣出，可绽撰序控划爨是一秘用予工业巍动化控制静微 电脑，具有结构简单、抗干扰能力强，易学易用鳟特点，价格也比一般的微型 诗算橇霞赢。 ( - ：) 可编程j 控制器与单片枫( 坤舨机) 比较 单板机其有缩构简荦、使糟方便、价格较便宜等优点，它一般用于数据采 集茬曩工业掩剿。但是，瞧予单板规不是专门针对工业现场的自动他控制设捌弱， 因此与可编程序控制器比较起来有以下几个缺点： 1 ，不翔哥翁程廖控露l 器容荔攀援 使用单片机( 单扳机) 来实现自动控制，一般要使用微处理机的机器指令 迸行编程。这就要求淡计人员具有较好的汁算视穗件和敬f - b u i j - 。对于那璺兵 熟悉机电控制技本的维修及工作人员来说，需要进行相当一段时扛越的学习习馕 掌攘。 可缟程序接剁爨本身是微魄骑系绞，它提供有1 t 0 接臼、数字曼示、默冲 重庆大学硕士学位论文第二章总体方案的分折与设计 输出等单元，采用的编程语言是机电控制人员所熟悉的梯形图语言。对于馊用 者来浇，不必去关心徽毫脑酶婆技术闯麓，两只要爱较短蓊时闻去熬悉可编 程序控制器的指令系统及操作方法，就能应用到工程现场，便于使用和维护。 2 不如可编程序控湖器便蠲简单 使用零片机( 单扳机) 来实现窘幼控制，一般要在输入输出接口上傲大量 的工作。例如：戮考虑工程现场与单片机( 单板机) 的连接，输出驱动，接口 麴扩震，接臼的工作方式，售号粒于挠楚理等。除了要遴乎亍接建l 程序戆设计岁 ， 还要进行许多硬件和软件的设计工作才能与控制现场连接起来，此外调试也十 分繁璇。 可编程序控制器的输入输出接口已经做好，输入接朋可以与无电压开关直 接连接，非常方便。输出接口舆有一定的驱动能力，能适应一般的控制要求。 瑟虽，在输入接麟有光电勰台蓐l ：节，馊现场的于摅信号不容易送入可缡程序控 制器。 3 。不摇霹l 缟耩序控涮器可靠 控制的可靠性足工业控制中最重毅的要求之。使用单片机( 单扳机) 进 行工业控制，突出的问题就是抗干抗性能较差。为了提高抗干抗能力，在硬件 设计上要实施许多措麓，它需要积累捆当多的设计经验。 从实践来看，用可编程序控制器实现的自动控制工程，稳定可靠。当然， 可缡程序控测器在| t i k 控嚣毽方器嚣毙鞍优越，瞧要髑予其它方蕊，如数撰采嶷、 数据处理等，就不太适应了。而单片机( 单板机) 的通用性、适应性较强。 爵编稳序控铺器莛专门孺子工程瑗场静鑫动控翻，在设计和制造过程中 取了抗干扰性措施，稳定性和可靠性较高。可编稷序控制器的输入输出都采用 光电隔离，在工麓上也加强了抗干扰措益。因此抗干扰性能好。p l c 出厂前的 铡行实验缓是： ( 1 ) 电源要求：2 2 0 v ( 8 5 一1 1 0 ) ( 2 ) 抗猿动；1 6 。7 h z ，掘箍先3 r a m ( 3 ) 工作温度：1 0o c 至5 5 。c ( 4 ) 灞度：3 5 至9 0 r h ，无凝结 邋过以上比较，根撼本课题实际瓣要完成豹功能，繁重考虑控制蓉统豹可 靠性和稳定性，并综合考虑到控制系统设计的工作景和整个系统的性价比等方 嚣，选择霹编程序控到嚣 乍黄主控单元。 重庆大学硕士学位论文第三章机掀结构设计中的若干问题 第三章机械结构设计中晌若干问题 第一节复合转台结构设计 一、l # 完整镑星较系传动结梅设计 根据第二章得出的结果，从表面成形轨迹原理上分析，要想得到较好的膳 舒散栗( 表面质鬃和精度) 需采用复合转台设计。工装安敖在小转台上，这样 在磨削过积中，工件一方面随大转台转动， 在本课题中采用行星齿轮传动结构设计。 本课熬中设嚣粒平瑟骖黎磨藏 是用来加工如图1 1 所示的零件， 因丽设计辩敬工装及小转台静壹径 为庐1 5 0 m m 。综合考虑加工效率及 磨削时间，在大转台上均匀分布6 个小转台，其分匆如图3 1 所示。 大转台的赢径为庐8 3 0 m m ，篡转速 终为t l r p m ，毒转台均匀分布在 西5 4 0 m m 的圆周上。转台驱动电机 采用三福交流电梳，登号为y 9 0 l 4 ，其额定功率为1 5 k w ，额定转速 为1 4 0 0 r p m 。为了达到大转台较低 另一方面还随小转台自转。因而， 闰3 ，1 憨转速，慕雳瘦黪耱( 痧7 5 m m ，多1 5 0 m m ) 、立式蜗藏( 型号为w c j t 0 0 6 6 ) 及一对齿轮副( m = 3 5 ，z ，= 1 5 ，z ，= 1 3 5 ) 传动来减速。 大转台和小转台静行星轮系传魂绪橱翔黼3 2 。当大转台3 转动时，齿轮5 与固定在床身上的弧形齿条7 啮合，褥经齿轮副9 、1 0 传动n d , 转台的传动轴 i l 上，从而带动小转台2 转动，整个系统构成行星轮系。 小转台的转速为： 1 7 恢 鬻 鬟痰大学硬士学侥论文第三耄穗禳缝槐设计中趣若干蠢聪 1 = 】二装2 。枣转套3 。大转套4 ，定爱块5 。小齿轮6 。定傻嚣 7 弧形齿条8 床身9 齿轮1 0 齿轮1 l 。传动轴 图3 - 2 行星轮系传动结构 二、小转台定位分析及传动齿轮选择计嚣 为了装夹工件的需要，在大转台运转过程中，小转台并非始终作行星运动， 当小转台转惑您觏区螽需停止自转。因蕊在实际中没有使用整个内逸圈，丽是 采用一段弧形荫条。在逶入瞒合区时，为了防止齿轮5 与弧形齿条7 发生蠢尖 重痰大学硪士学位论文第三章撬棱结梭没诗中豹若干游题 顶凌尖从嚣破坏黄轮及产生机床掇动影响加工精度觋象，鬟采尾一秘定位规 构，保证齿轮与弧形齿条接触时，保持正常的啮合状态。为此，我们设计了如 蚕3 3 繇示静定位结毒鼋。 图中定位环为一薄片环形零件，在和弧形齿条相重叠的区域内加工出定 尺寸荫扁形缺口：定位 块是一个捆应媳除去了 月芽缺口的圆形薄片零 件。在实曝运转时，囊 小转台处在噱合区 露，靠定位块翻定位环 的作用，使小转台只随 大转台转动，丽自身不 能转动( 圈中a 位置) ； 在进入啮合区时，齿轮 8 与弧形齿条6 处与 | _ e 常啮合状态，此时定位 环与定位浃脱开，定德 环不再对定位块起限制 作用，而依靠齿轮齿祭 数螓合终爆实璃行星传 动( 图中b 、c 位置) ： 4 + 定位炔5 小齿轮6 定位环7 弧形齿祭8 床身 图3 - 3 当噍合齿轮写弧形齿条穆要麓y 开对，又簦到定位环与定位决的配合组霞( 鬻中 d 位置) 。因而烂个运动过程可分为齿轮齿条啮合过程和定位环定位块滑动口 合 过秘两部分。 要保证在运动过程中俣持上述运动状态，则必须要求在弧形壹条瓶对应戆 圆心角口内，小搬轮5 必须转过( 摊+ 等) 圈( 其中丹为整数) 。依据此 j o ” 条件，再根据其它限制条件可以计算出可选取的齿轮及弧形齿条的参数，下面 其体作一分析。 为了保证在臃削加工过程中有足够的摩削及光麽时间，我们取砂港宽度为 1 5 0 r a m ( 工件肖径为庐1 1 0 r a m ) 。工件在进入磨削区之前必须保证已处于自转状 霪痰大学磺士学倥论文第_ 兰黎执擞继均设计中黔辫乎阅题 态且只有全馥f 出了磨削区域后才能停止，所以。角的最小假为 a = 2 a r c c o s o b o a 5 4 01 5 01 1 0 = 2 a r c c o s 上争 2 ；2 a r c c o s l 4 1 1 8 。 27 实际应硝巾坟18 0 。，繇戳弧 形蠢条酌溜心角藏溜为： 1 1 8 。s 戊1 8 0 。 ( 1 ) 设计时取模数m = 3 ，确定大转 台和小转台i ! f 勺位援后，初步估计弧 形凌嗣7 秘意轮5 的真经蕊圜为 6 1 5 蔓d 7 6 6 03 0 d 5 5 5 ，折辣为凿数 2 0 5 s z ，2 2 0 1 0 z s 1 8 在a 角之内，齿轮齿祭啮合的齿数应相等 翻3 4 其范围为； ( 2 ) ( 3 ) 且均应转过整数齿，所以有 l 幸z ，篇0 十三堕) 奉z ， ( 辩淑懿数) 3 6 0 、 3 6 0 。 3 。“。1 且 蠡+ z ，( h 十3 6 万0 - 6 j + z ； 应为憋数( 4 ) 依据以上条件，采用t u r b oc 编写- - 4 程序，便可阻计算出最符合要求的 相啮合的齿轮及弧形齿条的参数( 程序及其运行后的结荣冤融泶i ) 。从所褥臻 果中可以稽出z ，= 2 1 0 ，z ；：1 5 ，球：1 4 4 0 ( a 1 2 0 0 】为最佳参数，实际采用搿：1 2 0 0 豹一缌，弧形齿条豹搜耀拨数为7 0 搬。 第二节磨头结构设计 滕头是砂带平面磨床的关键部件之一。加工工件的表面质量及精度与鹰头 重庆大学硕士学位论文第三章机械结构设计中的若干问题 结构的好坏有直接关系。在进行磨头设计时应着重考虑以下几个方面：磨头重 量及总体刚皮、减振性能、进给的平稳性等。 一、进给系统方案选择 在本课题中，因加工不同零件的需要，磨头应能实现上、下进给，加工工 件的尺寸精度是由压磨板相对于小转台上工装面的位置来保证的。实际加工中 在更换工件后，首先是磨头上行至零位，再由键盘输入工件尺寸值，经过可编 程序控制器( p c ) 运算处理后，驱动磨头向下进给到适当的位置( 实际要求驱 动压磨板到适当的位置) 。因而整个进给系统设计的好坏对加工精度以及表而 质量都有很大的影响。 为了实现进给，有两种方式可供选用：整个磨头进给方式和压磨板进给方 式。 ab 1 支承轮2 压磨板3 张紧轮4 驱动轮 图3 - 5 磨头进给方式 图3 5a 为整个磨头迸给方式简图。整个磨头包括主动轮、支承轮、张紧 轮、压磨板等作为一个整体来进行进给。由于主动轮和主驱动电机间由三角带 传动，主动轮及主驱动电机的中心距需固定不变因而主驱动电机也应包括在 进给部件中。 压磨板进给方式如图3 5b 所示。它在进给过程中只是压磨板作进给运动， 主动轮和支承轮与床身固定，刁i 作进给。为了在压磨板进给时保证砂带的周长 不变，张紧轮应可以浮动。 下面对两种进给方式作一比较： 全霪 重威大学硕士学位论文第三章机械结构设计中的若干问题 1 结构复杂程度整个磨头进给方式中其运动部分重量大，具有较大的 的震璧幂h 转动惯疆，困箍萁运动过程不翁拉澜，使橇械受载增大，系统响应速 度降低，灵敏度下降。出于是采罔步进伺服进绘，因而嚣选用较大转矩的步进 电机，并且还必须加平衡气敞宋负担部分重量。因此又存在个丝杠、导轨 与平餐气敷运行凝廑的要求，另夕 逐嚣要设司主驱动电机豹安装位羹等。这秘 方式结构比较复杂。压磨板进给方式只是压磨板作进给运动，其运动件重量较 轻，不需褥鬻= j 蟊平衡气波，其运动过程也较荔茬铡，籀对于整个磨头避给方式 来说，结构简币得多。 2 刚艘及运动的平稳性磨头迸给方式因鞲量大，丝杠及支承普轨受力 变形较大，其刚性也较差，劳且主驱动电机只能与主动轮处于一边，这会给丝 杠和导轨造成一一定的扭矩，在低速邋动时释易发生爬行现象。同时主电机与运 动部分是个整体，因露其黪头豹掇动毪不枣忽援。压瓣叛送给方式熬主惑辍 在床身上，通过三角带传动到主动轮，因_ 而其减振性能较好。同时因重要辍及 受力平衡戮而其稳定经好，受力交彩小，耐凄好。 3 砂带张紧力磨削过程中砂带张紧力对磨削质蹙有一定的影响。整个 磨头迸给方式中，困主湖轮、从动轮及支承轮间的中心距不变，因而砂带的张 紧力不会照磨头上、下避绘赢教变，从张紧力方蕊来说不会对嬷剃质量产生影 响。而压磨板进给方式因只有压磨板进给，支承轮张紧弹簧浮动，砂带张紧力 有一定程袋静改变，但在磨赘嚣一尺寸工俸辩，溪不存在鸯避绘运动，砂繁张 紧力保持不变。 。 4 加丁尺寸范丽 整个磨头避给方式只受缒杠及拧轨行程的限制，它加 工尺寸豹范基较大；两压磨投避绘方式因受砂带张紧力及张紧轮弹簧浮动量的 限制，加工尺寸范围较小。 综合上述霹秘方式瓣霞缺点，攫爨本漾题中憨艇工对象，饕重考薅鸯l 王运 动平稳性，选择第二种方案。一方面它结构较简单，刚度及运湖平稳性较好， 且露头其有较好鹣减摄往艇；舅一方瑟虽然因砂带张紧力帮紧轮浮动范围鲴 限制其加工零件尺寸范 羽较小，但对加工薄片类零件而言已可以满足要求，其 加工零件琢度尺寸范围为l o m m 。 二、避绘系统结掩设计 本课题中设计的进绘系统主要周来在鼹换加工工件时驱动压磨