（机械电子工程专业论文）基于单片机的超硬刀具刃磨设备的数控改造.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 要实现高速切削、干切削、硬态切削、精密和超精密切削，刀具材料是关键。超硬 刀具以其独特的性能为上述切削技术的实现提供了最基本的前提条件，在现代加工技术 中的地位和作用越来越重要。对超硬刀具的刃磨技术以及刃磨设备的研究，业已受到了 人们的极大关注。 超硬刀具材料的硬度大、耐磨性好，是现代切削加工中的理想刀具材料，但是与此 同时也给超硬刀具的刃磨带来了极大的困难。目前生产实践中对超硬刀具的刃磨多采用 进口磨床，如r s 1 2 、f c 2 0 0 d 型p c d & p c b n 专用刀具磨床等。这样的磨床刚度好， 加工精度高，但进口设备价格昂贵，加工成本较高，中小企业难以承受。针对这种情况， 本课题尝试在价格较便宜的普通工具磨床上刃磨超硬刀具。但是大多数工具磨床的工作 台不具备自动往复运动的能力，或者即使有液压往复系统，由于液压往复运动的特性， 也无法满足超硬刀具的刃磨要求。为了解决这个问题，本课题对普通工具磨床进行了数 控改造，使磨床的工作台能够实现自动往复运动。 本论文从机械设计、控制系统和刃磨试验三个部分介绍了磨床的数控改造。机械设 计部分，设计了一个具有离合结构的传动系统，可以使控制系统和磨床的工作台之间进 行结合和分离。控制系统部分，以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心，采用步进电机为驱动元件， 液晶显示器和矩阵键盘为人机界面，组成了一个开环控制系统。该系统的软件部分，以 离散法对步进电机的升降速过程进行了处理，并用c 语言编程实现了控制系统对磨床工 作台自动往复运行的速度和行程的控制。刃磨试验部分，在经过数控改造后的普通工具 磨床上实现了超硬刀具的刃磨，通过s e m 扫描电镜观察，发现刀具刃口质量良好，达 到精密加工的要求。证明改造后的磨床运行平稳，振动小，能够满足超硬刀具的刃磨要 求，达到了改造的目的。 关键词：超硬刀具：工具磨床；单片机；步进电机 大连理工大学硕士学位论文 an cm o d i f i c a t i o no fs u p e r - h a r dc u t t i n gt o o lg r i n d i n g m a c h i n eb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e r a b s t r a c t s u p e r - h a r dc u t t i n gt o o l s ，w i t ht h e i ru n i q u ep r o p e r t i e s ，a r ep l a y i n gam o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l ei nm o d e mp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y s i n c ec u t t i n gt o o lm a t e r i a li sak e yf a c t o ri n r e a l i z i n gh i g h - s p e e d ，d r ya n dh a r d s t a t ec u t t i n g ，e s p e c i a l l yw h e nh i g hp r e c i s i o no ru l t r a h i g h p r e c i s i o nc u t t i n g i sn e e d e d ，i n c r e a s i n ga t t e n t i o ni sp a i dt ot h ei n v e s t i g a t i o no fs u p e r - h a r d c u t t i n gt o o lm a n u f a c t u r i n ga n dg r i n d i n ge q u i p m e n t s w i t ht h e i re x c e l l e n tc o m b i n a t i o no fh i g hh a r d n e s sa n dg o o dw e a rr e s i s t a n c e ，s u p e r - h a r d c u t t i n gt o o l sa r et h ei d e a lo n e sf o rm o d e mm a c h i n i n g h o w e v e r , a l lt h e s ef a v o r a b l ep r o p e r t i e s a l s oc o n t r i b u t et ot h e i re x t r e m e l yp o o rm a c h i n a b i l i t y c u r r e n t l ye x p o r t e dg r i n d i n gm a c h i n e s s u c ha sr s 一12a n df c - 2 0 0 da r eu s u a l l yu s e dt og r i n ds u p e r - h a r dc u t t i n gt o o l s t h e s ek i n d so f m a c h i n eh o l dh i g hr i g i d i t ya n dg o o dp r e c i s i o n , b u td u et ot h e i rh i 曲p r i c e s ，m o d e r a t ea n d s m a l le n t e r p r i s e sc a nn o ta f f o r dg e n e r a l l y i nl i g h to ft h i si s s u e ，t h i ss t u d yt r i e st or e a l i z e s u p e r - h a r dc u t t i n gt o o l sg r i n d i n gu s i n gag e n e r a lt o o lg r i n d e r , w h i c hi sf a i r l yc h e a p b u tm o s t t o o lg r i n d e r sc a n ts a t i s f yt h es t r i c tq u a l i f i c a t i o n sn e e d e dt o 面n ds u p e r - h a r dc u t t i n gt o o l s e i t h e rb e c a u s eo ft h ei n h e r e n td r a w b a c k so ft h e i rh y d r a u l i cm e c h a n i s m s ，o rb e c a u s et h a tt h e y c a n tr e a l i z ea u t o r e c i p r o c a t i n g i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，ag e n e r a lt o o lg r i n d e rw a s m o d i f i e d ，a n dt h ef u n c t i o no fa u t o - r e c i p r o c a t i n gw a sa c h i e v e d n l em o d i f i c a t i o no fag e n e r a lg r i n d i n gm a c h i n ew a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ra st h e f o l l o w i n gt h r e ep a r t s ：m e c h a n i c a ld e s i g n ，c o n t r o ls y s t e ma n dg r i n d i n ge x p e r i m e n t 。f i r s t l y , a c o n n e c t i n gm e c h a n i s mb e t w e e nt h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ew o r kt a b l eo ft o o lg r i n d e rw a s d e s i g n e d s e c o n d l y , a na t 8 9 s5 2m i c r o c o n t r o l l e rw a su s e da st h ec o r et of o r ma no p e n - l o o p c o n t r o ls y s t e m i nw h i c has t e p p e rm o t o rw a se m p l o y e da st h ea c t u a t o ra n dal c da n da k e y b o a r dw e r eu s e da st h ei n t e r f a c e a st ot h es o f t w a r eo ft h es y s t e m ，ad i s c r e t ec o n t r o l m e t h o df o ra c c e l e r a t i n ga n dd e c e l e r a t i n gp r o c e s so fs t e p p e rm o t o rw a si n t r o d u c e d ，a n dt h e s p e e da n dp o s i t i o no ft h ew o r kt a b l ew e r ec o n t r o l l e dt h r o u g hcl a n g u a g ep r o g r a m f i n a l l y , a s e r i e so fg r i n d i n ge x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e do nt h ep o s t - m o d i f i e dg r i n d i n gm a c h i n e b y m e a n so fs e mm i c r o g r a p ha n a l y s i s ，i tw a sf o u n dt h a th i g hq u a l i t y c u t t i n ge d g ec a nb e a c h i e v e du s i n gt h i sp o s t - m o d i f i e dg r i n d i n gm a c h i n e i ts h o w st h a tt h em o d i f i e dg e n e r a l g r i n d i n gm a c h i n ec a nr u ns m o o t h l y 、i t l lv e r ys m a l lv i b r a t i o n ，a n di tc a l ls a t i s f ya l l t h e s p e c i f i cq u a l i f i c a t i o n sn e e d e df o rs u p e r - h a r dc u t t i n gt o o l sm a n u f a c t u r i n g k e yw o r d s ：s u p e r - h a r dc u t t i n gt o o l ：t o o lg r i n d e r ：m i c r o c o n t r o l l e ：s t e p p e rm o t o r 1 i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：兰主塾整日期：幽：垒墨：! 兰 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：至i 堑盘 导师签 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 在现代机械加工中，常用刀具材料有高速钢、硬质合金和陶瓷，它们的主要硬质成 分是碳化物、氮化物和氧化物。其中又以硬质合金和高速钢用得最多，几乎各占一半。 近年来，随着数控加工技术的迅猛发展，超硬刀具的应用也日渐普及起来，同时引入了 许多先进的切削加工概念，如高速切削、硬态加工、高稳定性加工、以车代磨、干式切 削等i 。 1 1超硬刀具 1 1 1 超硬材料的发展 在传统的刀具材料中，高速钢是加入了合金成分( 如w 、m o 等) 的碳化铁；硬质合 金的主要成分是w c 、t i c 、t i c n 等；陶瓷则是a 1 2 0 3 和s i 3 n 4 。这些化合物的硬度最高 达到3 0 0 0 h v ，若加上粘接物质，其总体硬度则在2 0 0 0 h v 以下。对某些难加工材料的 加工，具有上述硬度的刀具材料已不能胜任，于是超硬材料便应运而生，自2 0 世纪7 0 年代起逐步发展起来。 超硬材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料，包括：单晶金刚石、聚晶金刚石( p c d ) 、 聚晶立方氮化硼( p c b n ) 和c v d 金刚石等。超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律 与其他刀具材料不同：立方氮化硼是非金属硼化物，晶体结构为面心立方；而金刚石则 由碳元素转化而成，其晶体结构与立方氮化硼相似，它们的硬度大大高于传统的刀具材 料【2 】。 各种刀具材料的性能对l - j 匕 3 如图1 1 所示。实践证明，以高的切削效率切削难加工 材料的理想刀具材料应该同时具有金刚石的高硬度和良好的耐磨性，立方氮化硼或陶瓷 的高热稳定性和化学惰性，硬质合金的高强度和抗冲击性能【4 】。可以预见，p c d 与p c b n 等超硬材料与涂层将会是刀具材料发展的趋向。 1 1 2 超硬刀具的性能特点 超硬刀具主要是指以超硬材料即金刚石和立方氮化硼为材料制作的刀具，由于单晶 金刚石价格比较昂贵，并且制造比较困难，所以实践中以聚晶金刚石( p c d ) 、聚晶立 方氮化硼( p c b n ) 以及它们的复合片占主导地位。本文中的超硬刀具是指这两种应用 较广的超硬刀具。下面介绍超硬刀具的性能特点。 ( 1 ) p c d 刀具的性能特点【5 j 极高的硬度和耐磨性：p c d 的硬度高达8 0 0 0 h v ，是目前世界上人造物质中最 基于单片机的超硬刀具刃磨设备的数控改造 硬的材料，又由于其各向同性，因此具有极佳的耐磨性。 仑妇4 彳i 理恕的切 ) j j l 材宰 t i n j r ：帘遗销 韧性_ 幽1 1刀具材料的性能对比 f i g 1 1p r o p e r t i e sc o m p a r i s o no fc u t t i n gt o o lm a t e r i a l s 较低的摩擦系数：p c d 的摩擦系数仅为0 1 o 3 ，约为硬质合金的一半，低的 摩擦系数不仅使切屑变形和切削力降低，而且切削时不产生积屑瘤，降低了加工表面粗 糙度 良好的导热性：p c d 的导热系数为5 4 0 w ( m k ) ，比硬质合金高的多，因此在切 削过程中切削热容易散出，切削温度较低。 较低的热膨胀系数：p c d 的热膨胀系数仅为4 2 x 1 0 s k ”，比硬质合盒小的多， 在切肖0 过程中刀具因切削热产生的热变形很小 高的弹性模量：p c d 的弹性模量为7 7 5 g p a ，在切削过程中刀具能保持其原始参 数，长期保持锋利，切削加工辅度高 ( 2 ) p c b n 刀具的性能特点【6 】 具有较高的硬度和耐磨性 立方氮化硼( c b n ) 的硬度和强度与金刚石相近，其显微硬度为8 0 0 0 9 0 0 0 h v ， 烧结体p c b n 的硬度一般为3 0 0 0 5 0 0 0 h v 。在切削耐磨材料时耐磨性为硬质合金的5 0 倍，涂层硬质合金的3 0 倍陶瓷刀具的2 5 倍p c b n 刀具在切削过程中刃口保持能力 强，不仅有较高的金属切除率，而且能得到好的加工精度和已加工表面质量，有利于实 现切肖i j 淬硬钢的以车代磨【n i 2 刿圆 f 掣篮蔫 大连理工大学硕士学位论文 具有很高的热稳定性和高温硬度 c b n 的耐热性可达1 4 0 0 - 1 5 0 0 ，p c b n 在8 0 0 时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的 常温硬度。利用高温导致的金属软化现象进行高速硬态干切削是p c b n 刀具的重要应用， 国内外都有大量研究【9 d 。 具有优良的化学稳定性 c b n 的化学惰性特别大，具有很强的抗氧化性，在1 2 0 0 - - - , 1 3 0 0 ( 2 时也不与铁系材 料发成化学反应，与碳在2 0 0 0 时才发生反应；在中性、还原性的气体中，对酸碱都是 稳定的；其对各种材料的黏性、扩散作用比硬质合金小的多。虽然现在所用p c b n 刀具 中多含有不同成分的粘结剂【1 2 1 ，会进刀具的切削性能有一定影响【1 3 1 ，但进刀具的化学稳 定性影响不大，p c b n 刀具与纯铁在1 0 0 0 ( 2 时不会发成反应，直到1 3 0 0 时才发生扩 散现象【1 4 】。 具有较好的导热性 在各类刀具材料中c b n 的导热性仅次子金刚石，导热系数为1 3 0 0 w ( m ) ，是紫 铜的3 2 倍，是硬质合金的2 0 倍，并且立方氮化硼的导热系数随着温度的升高而增加。 高的导热系数可使刀尖处温度降低，减小刀具的磨损，有利于加工精度的提高。 具有较低的摩擦系数 与不同材料间的摩擦系数不同，c b n 为0 1 , - 一0 3 、硬质合金为0 4 , - - , 0 6 ，随着切削 速度的提高，摩擦系数是减小的。这一特性使得切削时刀具与被切材料之间摩擦减小， 切削力降低。 1 2 3 超硬刀具的应用现状与发展趋势 ( 1 ) p c d 刀具的应用 目前，p c d 刀具主要应用在汽车工业、航空航天工业以及木材加工行业，近年来， 随着各种新材料的不断推出、刀具技术水平的提高与刀具市场的扩大，p c d 刀具的应用 领域进一步拓宽，开始在电子行业、石油地质钻探行业、玻璃切割加工、宝石加工等方 面发挥独特而重要的作用【l 引。 国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国的e l e m e n ts i x 公司，美国的g e 公司，日本的住友电工株式会社等。目前国外p c d 材料的消耗量以每年2 0 以上的速 度增长，标志着人造金刚石已进入全面取代天然金刚石的阶段。随着研究的不断深入， p c d 刀具的发展有以下几个趋势：p c d 复合片的规格尺寸越来越大；晶粒细化、质量 优化、性能均一化；磨除率与磨耗比越来越高；形状结构多样化。 随着制造业的快速发展，p c d 刀具的生产和应用逐年增加，已经成为当今世界无法 替代的优质工具，至2 0 0 2 年p c d 刀具的年销售额已达2 8 亿美元。p c d 刀具的问世在 - 3 基于单片机的超硬刀具刃磨设备的数控改造 各个领域引起了革命性的工艺改革，为世界工业的迅猛发展开拓了广阔的前景。随着理 论研究的日益深入及其应用技术的进一步推广，p c d 刀具在现代工业中的地位将日益重 要，其应用范围也将进一步拓展。 ( 2 ) p c b n 刀具的应用 立方氮化硼对铁系金属呈惰性，故p c b n 刀具主要适合于加工各种高硬度材料【1 6 】， 如冷作工具钢、热作工具钢、高速钢、轴承钢、粉末冶金钢、马氏体不锈钢、高硬度钢、 高锰钢、白口铸铁、奥氏体软铁等、各种冷硬铸铁和耐磨铸铁( 如i n c o n e l 7 1 8 ) 、表面硬 化合金、烧结w c 、球墨铸铁及各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂( 焊) 零件。p c b n 刀具还可用于高速铣削灰铸铁和硬铸铁，加工高温合金、硬质合金、工程陶瓷及其它难 加工材料。有统计表明，p c b n 刀具的5 0 用于汽车工业，2 8 左右用于重型机械，1 2 用于飞机行业，剩余1 0 用于其它的难切削材料的加工。加工各类工件材料耗用p c b n 刀具量最大的是铸铁，占总耗量达5 0 ；其次是高硬度的铁系材料，占总耗量3 0 ；其 余的主要用于耐热合金的加工。 目前，国外p c b n 刀具的耗用量远大于国内，一些发达国家如美国、日本、德国等 国家在汽车制造、难加工材料中，已大量的使用p c b n 刀具，并取得了很好的加工效果 和巨大的经济效益。由于国内对p c b n 刀具的研究较晚、p c b n 复合片的质量较低以及 价格较高等因素，限制了p c b n 刀具在国内的发展，但是随着自动化加工的普遍应用， 对切削效率和精度的要求不断提高，各种新型耐磨、高硬度的材料在工业上的应用，对 高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀等难加工材料的加工量日益增大，p c b n 刀具在国内 的研究和应用必将日益增大。 1 2 课题来源、背景及意义 尽管超硬刀具的应用非常广泛，但因其高硬度导致的刀具刃磨困难一直困扰着大多 数生产商。刀片的重磨也主要由原刀具生产厂家来完成，不仅刃磨费用高，刃磨时间长， 而且会占用企业大量的流动资金。 目前国内多采用进口磨床刃磨超硬刀具，如瑞士产r s 1 2 、r s 1 5 型、台湾产 f c - 2 0 0 d 、f c 一5 0 0 d 型p c d & p c b n 专用刀具磨床等，以上的几种磨床刚度好，加工精 度高。 但进口设备价格昂贵，加工成本也较高，中小企业难以承受。因此，一些企业试图 采用普通工具磨床来加工超硬刀具。而大多数普通工具磨床没有自动往复功能，只能靠 手摇来实现工作台的往复运动，而采用手动方式速度不均匀，振动较大，并且由于超硬 刀具极难刃磨且刃磨时间较长，完全凭手工操作，人手也无法承受。近年来，有一些工 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 具磨床采用液压传动，磨床的工作台具备液压往复运动能力，但是液压驱动的工作台往 复运动速度不均匀且冲击较大，而超硬刀具作为精密刀具，对其刃口半径和刀刃粗糙度 都有较高的要求，用此种液压工具磨床刃磨的超硬刀具还是无法满足精密加工的要求。 此外这种液压工具磨床的可靠性较低，经常出现故障，为保证工作台的稳定性，原本工 作台的液压自动往复运动又变成了手动往复运动。总之，使用现有的普通工具磨床根本 无法, n - v 出满足精度要求的超硬刀具。 因此，如果能够对原有的普通工具磨床，应用机电一体化技术进行改造，使其成为 半自动数控磨床，通过数控方式实现工作台自动往复运动，那么在普通工具磨床上加工 出来的超硬刀具的刃口质量将会有较大的改善，这就是本课题所产生的背景。于是针对 实际工厂中一台m a 6 0 2 5 型万能工具磨床，通过对其部分机械结构进行改造，设计一个 能够使磨床工作台自动往复运动的数控系统，使得原本不能加工超硬刀具的普通工具磨 床具有加工满足精密加工要求的超硬刀具的能力，这就是本课题的初衷。可以看出，这 对超硬刀具加工设备的扩展有着非常现实的意义，具有一定的创新性。 1 3 经济性数控系统介绍 本课题决定设计一个经济型数控系统，以实现上述的功能要求。这里所讲的经济型 数控系统是相对全功能型数控系统而言的，虽然在功能上有一定的局限性，不如全功能 数控系统那样完整，但在主要功能方面却是通过数控实现的【1 7 l 。 国内的数控系统分为三种，即经济型、普及型和高档型。这是根据我国当前市场需 求的实际情况，按技术应用的不同领域和复杂程度进行的阶段性划分。经济型数控系统 是在我国特有的技术经济条件下，根据我国的国情发展起来的并已形成一定经济规模的 高技术产业。经济型数控系统通常采用单片机作控制器，驱动元件采用步进电机，多数 采用开环控制，它具有经济实用、结构简单、操作方便、价格低廉的特点。近年来，我 国在经济型数控系统的研究、开发和生产上投入了大量的人力和财力，在经历了几个五 年计划之后，已经取得了可喜的成果，经济型数控机床在我国的机床市场已经占有较大 的比重，成为我国制造业不可或缺的一部分【1 8 】。 1 3 1 经济型数控系统的特点 经济型数控系统的特点【1 9 】可概括为：品种多样、功能较全、可靠性较高、价格低廉、 操作简单、维修方便等。 ( 1 ) 品种多样 经济型数控系统最早应用于普通车床的数控化改造，现已扩展到车床、铣床、钻床、 镗床、磨床、齿轮机床、拉床、刨床、冲床、螺纹磨床、气割机和各种专机以及各种辅 5 - 基于单片机的超硬刀具刃磨设备的数控改造 助装置等，行业的分布也从传统的机床行业为主向其它行业发展，比如汽车、航天航空、 兵器工业以及一些检测设备等。同时一些非传统用户如印刷、包装、医疗、缝纫、化工 等行业对经济型数控系统的需求也在增加。针对于不同的行业，经济型数控系统有它自 己不同的功能。 ( 2 ) 功能较全 经济型数控系统可以满足一般的精度要求，用于加工形状简单的直线、斜线、圆弧 以及带有螺纹的零件。它适用于多品种、大、中、小批量的自动化生产，对产品的适应 性强。目前的经济型数控系统，已经具有一定的开放性，用户可以根据需要增加系统的 功能。控制轴数可达1 5 轴，并可实现4 轴联动。既可采用开环控制，也可实现闭环 控制。具有刀具半径补偿、长度补偿、丝杠螺距补偿等补偿功能。一些经济型数控系统 已从单c p u 发展到多c p u 并行工作，提高了加工精度，减少了辅助时间，自动化程度 进一步提高。 ( 3 ) 可靠性较高 在工业环境中，经济型数控系统由于采用了一定的硬件抗干扰和软件抗干扰措施， 因此，对于电网的电压波动、射频干扰均具有一定的抵抗能力：在有油污、粉尘的环境 中能够比较可靠地地工作，防尘、防溅能力较强。目前，诸如烧功率管的系统性故障与 5 年前相比明显降低，m t b f 一般可达5 0 0 0 1 0 0 0 0 h 。 ( 4 ) 价格低廉 经济型数控系统一个最明显的优势就是它的经济性。经济型数控系统的成本通常不 超过主机成本的1 3 ，具有可观的经济性，其价格大约是同等配置带伺服电机系统的1 4 ， 甚至更低，它特别适合于普通机床的数控化改造，易于在生产一线大面积推广。经济型 数控系统在今后的发展中只有继续保持价格方面的优势，才能不断扩大其市场的占有份 额。 ( 5 ) 操作简单 经济型数控系统之所以在我国具有强大的生命力，能够生存并迅速发展，除了价格 方面的优势外，另一个突出的特点就是其使用方面的“简易”性，与中、高档数控系统 相比，它具有操作简单、方便易学的特点，适合目前我国企业的员工水平，容易掌握和 使用，不需要花大力气进行培训，用户乐意接受。 ( 6 ) 维修方便 数控系统在使用过程中出现故障是不可避免的，问题的关键在于，一旦发生故障， 怎样在最短的时间内予以排除，尽可能不影响生产。中、高档的数控系统因为系统环节 比较多、结构比较复杂，出现问题后，使用单位的维修人员不能准确判断，常常要依赖 - 6 大连理工大学硕士学位论文 系统的生产厂家来解决问题。这样，既影响了生产，又增加了使用单位的维修费用。并 且一些进口的数控系统，即使你能判断出问题的所在，但你没有可替换的备件或元件， 最后也只得求助系统的制造商或代理商，花去的费用相当可观。而经济型数控系统因为 系统环节少、结构简单，发生故障后，维修人员很容易查出问题，只要更换备件或个别 器件即可排除故障修理耗时短、费用低，企业自己能够掌握。 1 3 2 经济型数控系统的种类 按拖动方式来分，现有的经济型数控系统有如下三类【2 0 】。 ( 1 ) 步进电机拖动的开环系统 这类系统比较简单，价格最便宜，可以用于小型车床、铣床、钻床和线切割机床。 图1 2 是常见的两坐标经济型数控系统的组成框图。系统软件固化在单片机的存储器中， 加工程序可通过键盘或磁带机输入，经系统软件进行编辑处理后输出一个系列脉冲，再 经光电隔离，功率放大后驱动两台步进电机，分别控制机床两个方向的运动，完成位置、 轨迹和速度的控制。根据需要，微机还可通过继电器电路，实现对诸如主轴起停、变速、 各种辅助电机起停、刀架转位、工件夹紧松开等动作的自动控制，使整个加工过程自动 进行。 图1 2 经济型数控系统框图 f i g 1 2 b l o c kd i a g r a mo fe c o n o m i c a ln cs y s t e m 单片机控制步进电机拖动的开环系统具有价廉，技术成熟等优点，因而使用较多。 但这种系统还存在拖动力矩偏小，过载能力差、速度偏低，精度不够高及其价格随力矩 增加成指数上升等缺点。为此，选用时要注意在适当的范围内发挥其优势。一般主要适 用于拖动力矩小于1 5 n m 的小型机床，如c 6 1 6 ，c 6 1 8 ，c 6 2 0 ，c 6 1 4 0 等普通车床。对 于转矩要求大、功能要求多的机床( 如铣床、镗床、钻床及镗铣床) 和高精度机床( 如坐 标镗床) 就难于使用，需要开发与其适应的其他经济型数控系统。 ( 2 ) 电磁离合器切换的控制系统 7 - 基于单片机的超硬刀具刃磨设备的数控改造 这类系统可用直流电机或交流异步电机拖动，电磁离合器切换，以光栅盘、旋转变 压器或感应同步器检测反馈。该系统的拖动功率主要取决于电磁离合器的额定转矩，一 般在1 0 , - - - ，5 0 n m 左右。可用于中小型机床车削阶梯轴、铣削阶梯形零件、钻削坐标孔等 加工。 ( 3 ) 直流伺服电机拖动的控制系统 这类系统用直流伺服电机拖动，以编码盘、旋转变压器检测反馈。 直流系统有良好的调速性能，并有大转矩、高效率和高精度等特点。额定力矩为 2 1 n m 的直流伺服电机及其控制系统的价格与相同力矩的步进电机驱动系统的价格相 当。前者有优越的价格性能比，系统的性能范围较广，无噪音、精度高、过载能力强， 是经济型数控中的高档产品。 1 3 3 经济型数控系统的发展意义和市场前景 一个国家的工业水平，不仅体现在产品水平上，更重要的是要看制造水平，代表制 造技术发展方向的数控机床与普通机床相比，可以完成许多普通机床无法完成的任务， 稳定产品的质量，提高生产效率。工业化国家数控机床的发展已经进入稳定、实用和普 遍推广的阶段，机床的数控化率已经成为衡量一个国家机床水平的重要指标。数控机床 的发展，是国家机械工业的基础，是机床产品的发展趋势。一方面，我们应该设计、生 产一些适合本国国情的数控机床；另一方面，我们面临3 0 0 多万台普通机床，可以将其 中的一部分改造成经济型数控机床。所以，我国数控系统的需求潜力是很大的，发展前 景是光明的。而在数控系统的需求中，符合我国国情，具有中国特色的经济型数控系统， 因其技术成熟、质优价廉、覆盖面广、容易掌握，因而更加适合我国广大用户的需要。 可见，从我国的实际情况出发，紧密围绕国民经济各行各业发展的需要，大力发展量大 面广的经济型数控系统，可以显著地提高经济效益和社会效益。 目前，我国步入市场经济不久，国有企业正处于改制时期，资金严重不足，民营企 业刚刚成长，技术人才短缺，同样资金也很紧张。多数企业在短时间内不可能付出大量 的资金购买中、高档数控，而大量的机械零件需要高速、高精度的设备来制造。此时， 步进电机的经济型数控正好填补了这一空白。当前国内数控系统的发展趋势是：“跟踪 高精度、发展普及型、扩大经济型。发展经济型数控符合目前我国的实际情况，我们 应该边发展边探索。针对经济型数控存在的问题，首先要加强管理，提高生产工艺水平， 有效地组织起数控系统规模化生产，建立起数控系统质量监督体系及质量保证体系。在 重视中、高档数控系统开发、生产的同时，花大力气组织好经济型数控系统的生产。经 济型数控系统是大有作为的。 8 - 大连理工大学硕士学位论文 1 4 本课题的主要研究内容 本课题源于生产实际，主要是为了解决在普通工具磨床上刃磨超硬刀具的问题，目 的是对实际工厂中的一台m a 6 0 2 5 型普通工具磨床进行数控改造，使改造后的普通工具 磨床具有自动往复运动和快速定位的功能，做到可以在普通工具磨床上刃磨超硬刀具， 并获得良好的刃口质量。 论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 机械设计部分：对磨床的机械结构作部分改造，使步进电机能够带动磨床的工 作台；设计一个离合机构，使磨床的工作台和控制系统之间可以进行分离和结合。 ( 2 ) 控制系统部分：设计一个单片机控制系统对步进电机进行控制，在液晶显示器 的提示下，由矩阵键盘输入运行的速度和行程，实现磨床工作台的自动往复运动和快速 定位的功能。 ( 3 ) 刃磨试验部分：实现在改造后的普通工具磨床上刃磨超硬刀具；对比在专用刀 具磨床和改造后的普通工具磨床上加工超硬刀具的效果；利用扫描电镜对刃磨后的超硬 刀具的刃口以及前刀面形貌进行观察，并分析各种因素对刃磨质量的影响。 9 - 基于单片机的超硬刀具刃磨设备的数控改造 2 机械设计部分 m a 6 0 2 5 型万能工具磨床的外观如图2 1 所示。该磨床适用于刃磨高速钢、硬质合 金或其它材料刀具；也可以磨i 4 f j j l - 圆、平面沟槽和成形面等；若配备特殊附件，还能磨 制各种齿轮、蜗轮滚刀、成形刀、球头铣刀、麻花钻、锥铰刀等。该磨床砂轮架机构灵 活、可做二度空间调整；工作头架可做双向回转，并具有国际标准5 0 号锥孔，便于装 置各种刀具及夹具；工作台支承于预加载荷的滚珠导轨上，运行平滑精确。 图2 1m a 6 0 2 5 万能工具磨床 f i g 2 1 u n i v e r s a lt o o lg r i n d e rm a 6 0 2 5 2 1 总体结构设计 本设计是对m a 6 0 2 5 型万能工具磨床进行数控改造，使其能够刃磨超硬刀具。为了 使磨床能与数控改造系统进行连接，需对磨床的机械结构做相应的改造。机械结构改造 部分主要是指从步进电机输出轴到磨床齿轮齿条传动的传动齿轮之间的机械结构，包括 轴、轴套、齿轮减速装置、拔叉结构以及电机安装架等部分的设计。结构改造部分的装 配图如图2 2 所示。 考虑到磨床工作台折算到电机轴上的转动惯量较大以及传动轴和电机的连接部分 1 0 大连理工大学硕士学位论文 需要有离合结构，故采用了一级齿轮减速结构加拔叉结构。采用一级减速结构能减小电 机型号的选择。采用拔叉结构便于拆装和操作。不需要用数控改造系统时用拔叉将传动 轴拔到左边，使齿轮齿条传动中的齿轮和齿条错开；需要用数控改造系统时用拔叉将传 动轴拔到右边，使齿轮和齿条啮合，组成一个数控力n - r _ 系统。 为了减小机械部分结构尺寸，将小齿轮装在步进电机轴上，步进电机采用的是锥轴 的形式，末端用螺母固定，联接可靠。 由于工作时传动轴要频繁正反转，为防治齿轮和轴套部分蹿动，轴的末端采用圆螺 母加止动垫圈固定。 下面分别介绍各部分。 卜圆锥销2 一小齿轮i3 一轴4 一轴套5 一键i6 一拔叉7 一大齿轮8 一止动垫圈 9 一圆螺母1 0 - 电机安装架1 卜螺母1 2 一垫圈1 3 一小齿轮1 4 一键i i1 5 - 步进电机 图2 2 装配示意图 f 塘2 2a s s e m b l ys c h e m a t i cd r a w i n g 2 2 轴及轴上零件的结构设计 轴结构设计的目的是合理的确定轴的外形和结构尺寸。设计时应使轴的结构满足轴 的功能要求，即轴的工作精度的要求、强度和刚度要求。还要综合考虑轴与轴上零件的 基于单片机的超硬刀具刃磨设备的数控改造 关系；轴与其支撑之间的关系；轴与密封的关系。使轴上零件定位准确、固定可靠，保 证轴和轴上零件能正常工作。并且使轴具有良好的制造和装配工艺性。 2 2 1 轴的结构设计 ( 1 ) 轴的外型和结构尺寸 确定轴的外形和结构尺寸，实际上就是主要确定轴的每一段的长度、直径和形状( 如 圆柱形、矩形、锥形或螺纹等) ，以及各段之间的过渡关系( 如过渡圆角、倒角) 、与轴 上零件的联接关系和轴的支承方式等。 轴的外形和结构尺寸首先要满足功能要求和精度要求，在此基础上，要满足轴的强 度、刚度和稳定性要求等，同时还要考虑轴的结构工艺性问题。 一 哥 r 1 。 b bc 向 剿三嘎 图2 3 轴的设计图 f i g 2 3d r a w i n g so fs h a f t 与其他零件相比，轴的设计比较灵活。因此，设计轴时，要综合考虑与轴的结构和 尺寸有关的所有问题，运用现代设计理论和实践经验，使轴的结构和尺寸尽量达到最优。 - 1 2 大连理工大学硕士学位论文 综合以上的分析，轴的设计图如图2 3 所示。该轴需要连接磨床的齿轮齿条转动的 齿轮以及电机减速装置的大齿轮。轴的左端安装齿轮齿条传动的齿轮部分，轴的中间段 安装在磨床的箱体内，有两个滚针轴承支撑着，轴的右端安装轴套和大齿轮。 ( 2 ) 轴上零件的定位与固定1 2 l j 轴上零件的定位与固定是两个不同的概念，定位是为了保证传动件在轴上有准确的 安装位置，而固定则是为了保证轴上零件在运转中保持原位不变，承受轴上零件施加的 载荷。但定位与固定这两者之间又有联系。设计轴结构时，通常使轴的同一部位既起定 位作用又起固定作用。 按轴上零件定位和固定的方向不同，可分为轴向定位与固定、周向定位与固定。 轴上零件的轴向定位与固定 矽彦 a ) 圆螺母和止动垫圈外形b ) 圆螺母和止动垫圈固定 a ) f i g u r a t i o n so fr o u n dn u ta n dt a bw a s h e rb ) f a s t e n i n gw i t hr o u n dn u ta n dt a bw a s h e r 图2 4 圆螺母和止动垫圈防松 f i g 2 4 a n t i l o o s i n gw i t hr o u n dn u ta n dt a bw a s h e r 圆螺母定位可承受大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳 强度，故一般用于固定轴端的零件，有双圆螺母和圆螺母与止动垫圈两种型式。用圆螺 母和止动垫圈的轴向固定形式，固定可靠，但轴上须有螺纹和纵向槽。一般用细牙螺纹， 以减少对轴的削弱。常用于固定轴端零件，也可用于固定轴中的零件，以避免采用过长 的套筒。 本设计中，由于工作时传动轴要频繁正反转，为防止齿轮和轴套部分蹿动以及安装 方便，轴的左端采用轴套加圆锥销固定，右端采用圆螺母加止动垫圈固定( 如图2 4 所 示) 。 轴上零件的周向定位与固定 周向定位与固定的目的是为了将零件准确定位并固定于轴的圆周方向，使轴与轴上 零件同步转动，以满足机器传递扭矩和运动的要求。常用的轴向定位方法有销、键、花 键联接、过盈配合和成型联接，其中以普通平键和花键联接形式应用最广。 - 1 3 基于单片机的超硬刀具刃磨设备的数控改造 本设计中轴的周向定位与固定采用普通平键和圆锥销连接。圆锥销联接如图2 5 所 示，圆锥销的装配要求较高，其销孔一般要在被连接零件装配后同时加工。 图2 5 圆锥销联接 f i g 2 5 j o i n tw i t ht a p e rp i n 2 2 2 轴套 轴套一般起滑动轴承作用。为了节约材料，根据轴承需要的轴向载荷设计轴套的壁 厚。一般选用铸铜和轴承合金材质。轴套有开口和不开口之分，这要根据结构的需要选 择。一般轴套不能承受轴向载荷，或只能承受较小的轴向载荷。 轴套的作用主要有：减少摩擦；减少振动；防腐蚀；减少噪音；便 于维修；利用不同材料组成的摩擦副减少黏结；简化结构制造工艺。 本设计中轴套图如图2 6 所示，轴套具有对轴和大齿轮进行定位、轴承防尘以及安 装拔叉等作用。 箕奈1 影 图2 6 轴套的设计图 f i g 2 6d r a w i n g so fb u s h i n g - 1 4 大连理工大学硕士学位论文 2 2 3 齿轮减速结构 本设计中减速结构采用的是一级减速齿轮副。如果齿轮副的减速比选的太大就会增 加机械部分结构尺寸，如果选的太小就又没有起到减小折算到电子轴上的转动惯量的作 用，综合以上情况确定减速比为1 ：2 5 。采用的是标准直齿圆柱齿轮，大、小齿轮分别 安装在设计的传动轴和电机轴上，组成一个减速传动装置，结构紧凑，便于安装和调整。 减速齿轮副参数如表2 1 所示。大、小齿轮选用的均是标准直齿圆柱齿轮，齿轮材料为 4 5 号钢，调质处理。齿轮模数为2 ，大齿轮齿数为4 5 ，小齿轮齿数为1 8 ，中心距为6 3 m m ， 大、小齿轮齿宽均为2 0 m m ，压力角为2 0 0 。大、小齿轮尺寸如图2 7 和图2 8 所示。根 据轴的设计需要对大、小齿轮进行扩孔，并加工出键槽，以便于安装。大齿轮加工孔径 为2 2 m m ，键槽宽为6 m m ：小齿轮由于要安装在锥轴上，内孔需加工为锥形，因此需要 配作，小端孔径加工为16 m m ，键槽宽为4 m m 。 表2 1 减速齿轮副参数 t a b 2 1d e m e n s i o n so f r e d u c i n gg e a rp a i r 怂1 影 图2 7 大齿轮图 f i g 2 7d r a w i n g so ft h el a r g e rg e a r 1 5 基于单片机的超硬刀具刃磨设备的数控改造 躲1 秒 图2 8 小齿轮图 f i g 2 8d r a w i n g so ft h es m a l l e rg e a r 3 6 a 犷 杰 b 几 甘