无心磨床导轮架及其修整器结构设计毕业论文.doc

上海工程技术大学毕业设计（论文） 无心磨床导轮架及其修整器结构设计无心磨床导轮架及其修整器结构设计毕业论文1 综述1.1 无心磨削的基本概念1.1.1 无心磨削的基本原理无心磨削是工件不定回转中心的磨削。有无心外圆磨削和无心内圆磨削。可磨削圆柱表面和圆锥表面、回转体工件内外表面。工件支撑在导轮和托板上、导轮轴线在垂直平面内与砂轮轴线倾斜一小角度。磨削时，砂轮回转和砂轮架横向进给，导轮回转除带动工件回转外，同时使工件自动轴向进给（见图1.1）。工件借助于与其托板的摩擦实现减振。图1.1 无心磨削工作原理无心磨削大体上有4种进给磨削方式：切线进给磨削（又称纵向贯穿磨削，工件由砂轮与导轮切线方向通过）、切入进给磨削（又称切入磨削，对带台阶或锥度等零件进行磨削，工件可用挡销定位支撑，由砂轮和导轮进给切入）、断面进给磨削（带台阶零件沿其轴向前进及后退）和通过进给磨削（又称贯通进给磨削工件沿其轴向自动进给），如图1.2所示。图1.2 无心磨削4种方法a)通过进给b）切入进给c）切线进给d)端面进给1砂轮2工件3导轮4导向板（送料板）5挡板 图1.3 砂轮、导轮和托板的相对位置示意图在图1.3中，W表示工件，G表示砂轮，C表示导轮，B表示托板。砂轮的作用是磨削工件，因而又称磨削轮（或磨轮），它和工件的接触点1叫做磨削点。导轮的作用是引导和控制工件的运动，它和工件的接触点2叫做控制点。托板是用来支承工件的，它和工件的接触点3叫做支承点。另外，导轮和托板联合起来，可对工件进行定位，因此2、3两点又叫做定位点。正常工作时，磨轮和导轮同向旋转，他们的速度分别为和；工件的转速为，其转向和砂轮相反。通常，为使工件以进给量做轴向运动，导轮轴线应相对砂轮轴线倾斜一个角度，被称为导轮倾角。以保证工件和导轮线接触。一般认为，工件运动完全取决于导轮。严格说，这种观点是不全面的。从整个磨削过程来看，若磨削短小工件，则工件的线速度和导轮的线速度都沿导轮轴线变化，但二者的变化规律完全不同。这至少说明工件的运动不仅仅取决于导轮。理论和实践一致表明，工件的运动不仅和砂轮、导轮、托板的材料以及砂轮运、导轮运动、磨削余量有关，而且还受到无心磨削几何布局的影响。因此，工件的运动是砂轮，导轮和托板的联合作用的结果。1.1.2 导轮修整的角度设置导轮在无心磨削中有两个作用，一是工件磨削时的定位基面，与托板工作面成“V”形定位装置；二是导轮与砂轮一起使工件获得均匀的回转运动与轴向运动。常用导轮曲面为单叶回转双曲面。常用导轮曲面为单叶回转双曲面。导轮的修整器的作用，是把导轮的外形修整成内凹的形状，因为导轮是圆柱体，如果还修成圆柱的，那么导轮在调整磨削角度的时候，导轮和砂轮的接触点只有在一个点上。如果不调整磨削角度，那么不能形成螺旋线，工件在通磨的时候不能往前移动，只用于停止磨削。磨削角度的作用：导轮修整后形成的内凹和两边凸，如果两边凸的地方跟工件接触，那么只能两边磨削到，砂轮的中间接触不到工件。砂轮和刀片的面是在水平位置不变的，无心磨大多都是通过调整的倾斜角度和水平角度来或者和砂轮的接触面，这个接触面就是磨削区域同时在调整的时候产生了螺旋线，给了工件往前的力。如图1.4所示。图1.4 导轮修整角度示意图1.2 无心磨削的国内外研究现状及发展趋势1.2.1 无心磨削的国内外研究现状在无心磨削的整个理论研究过程中，主要涉及到以下几个方面的内容：成圆过程，运动和动力学分析。(1)无心磨削成圆过程的研究情况无心磨削中工件磨削表面如何被磨圆，是国内外专家和学者们感兴趣的问题。早在20世纪30年代就有这方面的论文发表，目前，国内外仍有许多单位和个人在研究它。研究无心磨削成圆理论比较成熟的国家有俄罗斯、日本、英国、德国和中国等。在符波费里金引入傅里叶级数的分析方法后，人们对无心磨削成圆效应有了新的认识，从而极大地推动了这一问题的研究。此后，各国许多学者都采用了类似的方法对成圆效应进行数学分析和解释，得出了许多有用的结论。迄今为止，无心磨削成圆的研究可以归纳为三个方面：几何成圆理论、静态成圆理论和动态成圆理论。几何成圆理论的本质在于导轮、砂轮、托板和工件之间的相对几何关系决定了无心磨削的成圆过程。这种理论忽略了系统的振动、变形和磨削机制，仅考虑几何关系，因而称之为几何成圆理论。静态成圆理论比几何成圆理论稍有发展。这种理论之所以称为静态成圆理论，是因为它除了考虑几何关系外，还引进了系统静刚度因素。动态成圆理论是比较完善的无心磨削成圆理论。这种理论不仅考虑了几何因素，而且还考虑了磨削系统的振动参数(静刚度K，阻尼C和质量m)以及具有反馈特性的磨削机制。动态成圆理论又叫做无心磨削动态稳定性理论。日本学者对有局部缺口的工件进行无心磨削研究，对频谱图法的发展有十分重要的意义，但没有建立谐波分布函数，不能有针对性地控制显著(较大)谐波和谐波分布状态。20世纪90年代，国内学者提出了无心磨削准动力学成圆理论，该理论有机地统一了几何成圆和动态成圆两大理论，并具备了两种理论的优点。近半个世纪的无心磨削理论和实践研究表明。工件表面圆度误差生成主要依赖于系统振动、工件转速与几何布局。为了从本质上描述无心磨削成圆机理，A.Y.Chien提出了谐波的频谱图法，研究系统对诸次谐波的频率响应问题。日本学者对有局部缺口的工件进行无心磨削研究，对频谱图法的发展有十分重要的意义，但没有建立谐波分布函数，不能有针对性地控制显著(较大)谐波和谐波分布状态。所以建立无心磨削准动力学成圆理论，研究工件表面谐波分布状态与系统振动、工件转速及几何布局之间的内在规律性，以实现谐波的合理控制，并进一步发展频谱图法。准动力学谐波生成机理较有效地描述了工件表面的谐波生成规律。目前，对影响工件圆度误差的各种因素的研究，尤其是磨削区几何形状的研究比以前有了新的发展。具体表现在除对工件圆度误差进行支承误差复映外，还根据工件圆度误差的“杠杆假设”，做进一步的矢量分析，从而得到无心磨削几何区域稳定图。近年来，国内外除了从稳态磨削方面研究外，还从动态磨削方面对工件圆度误差的影响进行了一定的单项试验与理论研究，并取得了很大的发展。他们主要分析了工艺系统在受迫振动条件下对工件圆度误差的影响，但是忽略了颤振的影响。(2)运动学和动力学分析从20世纪50年代斯姆尼洛斯基、60年代米津荣、70年代王玉昆到80年代钱安宇和90年代夏新涛，他们对无心磨削过程中，工件的运动和受力状态进行了详细的推导和分析，使得对工件的运动和受力状态的研究逐渐成熟并区域完善。这些研究不仅具有理论价值，而且可以解释生产中的现象，受到人们极大的关注。以上述专家的成果为依据，本文通过建立新的数学模型，通过新的研究方法，更加全面、有效、方便的分析了无心磨削过程中几何参数，动态参数对工件圆度误差的影响。除了以上两种研究外，导轮修整、无心磨削表面质量等也是人们关心的问题。但是这些方面的研究还远远不够，停留在比较简单的阶段，有待进一步的研究发展。1.2.2无心磨削的发展趋势从无心磨削的发展及现行生产动向来看，无心磨削应向着高速、宽砂轮、高精度、自动化及闭环系统方向发展。（1）高速磨削。高速磨削是通过提高砂轮速度来达到提高磨削效率和磨削质量的一种加工方法。高速磨削的砂轮线速度一般为50ms80ms，无心磨削目前可达80ms的砂轮线速度。高速磨削的特点是可以提高生产率、提高砂轮使用寿命(比普通磨削提高75左右)和提高加工精度与表面质量。但是，在磨削过程中，要消耗更多的功率；因此，对机床和砂轮及电机都将有更高的要求。（2）宽砂轮磨削。宽砂轮磨削和高速磨削一样，都属于高效率磨削方法。顾名思义，宽砂轮磨削主要是增加砂轮工作宽度，使之和工件有更大的磨削接触面积。这样有利于提高生产率和扩大磨床使用范围。切入磨削时，可以磨削更长的工件，或者同时磨削两个其至更多的短工件，贯穿磨削时，可以加大一次通磨的磨削余量，减少通磨次数，或者粗精磨一次完成。（3）高精度磨削。高精度磨削后的工件在形状精度、位置精度、尺寸精度，粗糙度和波纹度等方面都具有很高的精度(质量)级别。那种认为高精度仅对圆度误差而言的看法是片面的。高精度磨削是在高精度磨床上进行的。磨削时，砂轮部件、导轮部件和托板部件的刚度、精度以及几何布局部直接影响着工件精度。因此在设计高精度磨床时，有必要对磨床的静态和动态件能给以预测。预测方法包括理论和试验两个方面的内容。（4）磨削自动化。无心磨削自动化的内容有：工件上下料自动化，自动测量，自动进给，砂轮和导轮的自动修整以及砂轮的自动平衡等。在机床设计过程中，实现磨床综合自动化不可或缺的一个重要手段是，配置自动上下料机构。根据不同工艺方式，不同零件，而采用标准模块组合式上下料装置、机械手、机器人或借助于机床自身的功能元部件来实现自动山下料。例如无锡光洋机床有限公司KC200型，无锡机床股份有限公司MKlll50型无心磨床配置了步进龙门式机械手；而MKlll50型无心磨床上的则为双轴型龙门式机械手，使卸料与装料时间达到了最大限度的重合，在提高磨床综合自动化程度时，缩短了辅助时间。（5）磨削闭环系统。磨削闭环系统的显著标志是使磨削的各种参数、磨床的各种动作、工件精度的测量与预测、信息的反馈与比较、设备保养以及意外事故处理等方面和谐地处于同一机制之中。随着磨床应用计算机数控技术的普遍化，其应用水平正得到不断的提高，利用当今CNC系统所具备的高速运算、处理与多坐标插补功能。北京市机电研究院MK8580型立式数控内曲线磨床，运用开发的磨削软件，通过C轴与X轴联动插补，实现了非圆内、外曲面的磨削。计算机数控技术作为实现磨床综合自动化的关键手段，不仅被用于磨削进给与砂轮修整各种运动的控制，而且被用于各种辅助运动控制。2 方案论证2.1调速方法的选择目前异步电动机调速方法很多，大致可分为以下几种类型：改变转差率调速，包括有降低电源电压，绕线式异步电动机转子串电阻等方法； 改变旋转磁势同步转速调速，包括有改变定子极对数，改变电源频率等方法； 串级调速； 利用转差离合器。上述第一类型的两种调速方法设备比较简单，但它们的调速范围窄，最主要的是它们属有级调速，不能满足调速要求，因此没能广泛应用；变频调速和串级调速，具有无级调速平滑性好的优点，从这一点考虑这两种方法比较符合调速要求，但由于变频调速和串级调速多采用大功率晶体管、可控硅组成变频器和控制器元件，价格贵，制造技术复杂，控制功率大，也没有得到广泛应用。 利用电磁转差离合器对电机转速进行调节，既实现了无级调速，又克服变频、串级调速控制器大的缺点，因而得到了广泛应用。因此，本设计选用电磁转差离合器进行电机转速的调节。2.2 传动方案2.2.1 传动方案比较方案一：图2.1 传动方案一如图2.1所示，导轮由一个功率较小的电动机N2驱动。运动从电机轴经过一对带轮z1、z2，挂轮a、b以及kz3的蜗杆蜗轮而传到导轮（此时离合器M向上啮合）。改变挂轮a、b的数值便可调整导轮的工作转速，从而也就改变了纵向磨削时工作的纵向进给速度。在用金刚刀修整导轮时，导轮的转速应该提高。为此，可将离合器M向下捏合，电动机则通过链轮z1、z2和一对螺旋齿轮z4、z5而驱动导轮。方案二：图2.2 传动方案二如图2.2所示，导轮由电机SD驱动。运动从电机轴经过一对带轮a、b以及KZ3的蜗杆蜗轮而传到导轮。使用转差离合器便可调整导轮的工作转速，从而也就改变了纵向磨削时工作的纵向进给速度。在用金刚刀修整导轮时，提高导轮转速。方案一中的导轮传动系统主要由带传动和齿轮传动组成。但是由于链传动和齿轮传动极易产生振动, 并且这两级传动都处在高速区, 无论是在修整导轮还是在磨削工件时, 这两级传动都在工作, 因此它们产生的振动会严重影响机床的加工精度。而方案二中电机通过带传动直接通过蜗轮蜗杆传动，机床振动减小, 运行平稳, 这样主轴与轴瓦之间的间隙可以维持正常水平, 润滑良好, 延长了主轴的使用寿命，使用转差离合器达到了无级调速的任务要求，同时省去齿轮、离合器等部件等备件。因此，选择方案二更有利于导轮传动系统。2.2.2 方案确定导轮架的结构设计中使用转差离合器来达到无极调速的设计要求。而在减速方面选用结构紧凑、传动平稳、造价低廉、不需要润滑以及缓冲的V带传动。再结合冲击载荷小，传动平稳的蜗轮蜗杆传动系统，使导轮达到要求转速。3 导轮架结构设计3.1 电动机的选择由于现在工业上普遍使用三相交流电源，可考虑采用Y系列三相异步电动机。三相异步电动机的结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便，启动性能好等优点。一般电动机的额定电压为380V。根据设计要求，电动机的输出功率 选定电动机的额定功率 电动机转速的计算 （3.1）通过以上计算，选择Y132S1-2电动机，其额定功率为5.5kw，同步转速为3000r/min，满载转速为2900r/min。3.1.2 运动及动力参数的计算1分配各级的传动比带轮传动比蜗轮蜗杆传动比2.确定各轴转速 （3.2）3.确定各轴的功率和转矩 （3.3） （3.4） 3.2 电磁转差离合器 电磁转差离合器主要由电枢与磁极两个旋转部分组成。电枢部分与异步电动机联接，是主动部分；磁极部分与异步电动机所拖动的负载联接，是从动部分，图3.1为电磁转差离合器的示意图。 图3.1电磁转差离合器示意图电磁转差离合器的电枢部分在异步电动机运行时，随异步电动机转子同步旋转，转向设为顺时针方向，转速为n，见图3.2（a），若励磁绕组通入的励磁电流I1=0，电枢与磁极二者之间既无电的联系又无磁的联系，磁极及所联之负载则不转动，此时的状态负载相当于被“离开”。若励磁电流I10，则磁极与电枢二者之间就有了磁的联系，磁力线如图3.2（b）中所示，由于电枢与磁极之间有相对运动，电枢上的绕组在磁场作用下要产生感应电动势并产生电流，对着N极的绕组条的电流流出纸面，对着S极的则流入纸面。 图3.2电磁转差离合器的电磁转矩及磁场分布 电流在磁场中流过受力厂，使电枢受到逆时针方向的电磁转矩M 。电枢由异步电动机拖着同速转动，M 就是与异步电动机输出转矩相平衡的阻转矩，磁极则受到与电枢同样大小，相反方向的电磁转矩，也就是顺时针方向的电磁转矩，在它的作用下，磁极部分以及负载便顺时针转动，转速为n ，此时负载相当于被“合上”，若异步电动机旋转方向为逆时针，通过电磁转差离合器的作用，负载转向也为逆时针，二者是一致的，需注意的是：转差离合器电磁转矩M 的产生有一个先决条件，即电枢与磁极两部分之间有相对运动，因此负载转速n必定小于电动机转速n （n=n，则M =0），所谓转差离合器的“转差”就体现在这里。3.3 带传动设计V带传动允许的传动比大，结构紧凑、传动平稳、造价低廉、不需要润滑以及缓冲、吸震、易维护，大多数V带已标准化。V带传动的上述特点使它获得了广泛的应用。1. 确定计算功率由2表8.7查得，工作情况系数为1.1，故： （3.5） 2. 选择V带的带型根据、电机转速由2图8-11选用Z型。3. 确定带轮基准直径并验算带速1） 初选小带轮的基准直径。由2表8-6和表8-8，取小带轮的基准直径=68mm。2） 验算带速 （3.6）因为，故带速合适。3） 计算大带轮的基准直径 （3.7）根据2表8-8，圆整为=95mm。4. 确定V带的中心距a和基准长度根据公式 （3.8）初定中心距=220mm。5. 计算带所需的基准长度 （3.9）由2表8-2选带的基准长度。6. 计算实际中心距a （3.10）中心距的变化范围为245.915mm277.865mm。7. 验算小带轮上的包角 （3.11）8.计算带的根数z由=68mm和，查2表8-4a得=1.25kw。根据，i=1.4和Z型带，查2表8-4b得。查2表8-5得，表8-2得，于是 （3.12）取1根。9. V带的初拉力 （3.13）其中m 为V带的线质量，由表8-23得Z型m=0.07kg/m ,故10. 作用于轴上的力 （3.14）11.带轮的结构设计小带轮的基准直径为68mm，外径为73mm，底径为53mm。大带轮的基准直径为95mm，外径为100mm，底径为 80mm。12.带轮的技术要求（1）轮槽工作面不应有砂眼、气孔，轮辐及轮毂不应有缩孔和较大缺陷。带轮外缘要倒钝锐边，轮毂孔公差为H7或H8，轮毂长度下偏差为零，公差等级为IT14。（2）查1表8-76 带轮工作表面粗糙度为3.2，形位公差圆跳动t=0.2。（3）轮槽对称平面与带轮轴线垂直度为。（4）各带轮轴线应相互平行，各带轮行对应的V型槽对称平面应重合，误差不得超过。（5）带装入轮槽前，应先调小中心距，不得强行撬入。3.4 蜗轮蜗杆传动设计蜗杆传动式在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错夹角可为任意值，常用90。这种传动具有传动比大，零件数目少，结构紧凑的特点，而且在传动中，由于蜗杆齿是连续不断地螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐推出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低，因此应用颇为广泛。1 .选择蜗杆传动类型根据GB/T10085-1988的推荐采用渐开线蜗杆ZA。2蜗轮蜗杆的材料蜗轮蜗杆的材料不仅要具有足够的强度，更重要的是应具有良好的跑合性、减磨性及耐磨性。蜗杆一般用碳钢或者合金钢制成，对于不太重要的传动及低速中载蜗杆，可采用40和45钢等，经调质硬度在220300HBS。常用的蜗轮材料为铸造锡青铜、铸造铝青铜及铸铁等，效率要求不高时，特别是要求自锁时，可采用灰铸铁，为了防止变形，一般要对蜗轮进行时效处理。综合考虑，在本机构中蜗杆采用45碳钢调质处理，硬度在4555HRC，蜗轮采用灰铸铁HT150。3接触强度的初步运算（1） 蜗杆头数和涡轮齿数查1表5-9 选=4，则=i=94=36 （3.15）（2） 9470得值查1表5-21 初取 （3.16）（3） 载荷系数K按1表5-20的说明选取K=1.2（4） 蜗轮转矩，由1表5-19初估 （3.17）（5） 弹性系数 由1表5-23查取 （6） 许用接触应力循环次数 （3.18）寿命系数 由1图5-1查取 （3.19） (7)计算按1表5-20中公式 （3.20）(8)初选m、d值由1表5-7选用 m=2.5mm d=35.5mm4传动基本尺寸（1）蜗轮分度圆直径 （3.21）（2）传动中心距 （3.22）（3）蜗杆导程角 （3.23）5. 选定传动精度等级（1）蜗轮圆周速度 （3.24）（2）滑动速度 （3.25） （3）精度等级 参照1表5-38选定： 传动 8c GB10089-886. 传动效率（1）啮合效率 （3.26）上式中由1表5-29查得 （2）考虑搅油损失的效率 取（3）轴承效率 蜗杆蜗轮轴均用滑动轴承支撑（4）传动效率 （3.27）7. 蜗轮接触强度校核 按1表5-20中的公式接触强度条件为 （3.28）（1）载荷系数K 按1表5-20中的说明 （3.29） 取 故K=1（2）蜗轮转矩 （3.30）（3）计算接触应力 ，满足接触强度条件8. 蜗轮抗弯强度校核按1表5-20中的公式，抗弯强度条件为 （3.31）（1）齿形系数 按 （3.32） 由1表5-28查得（2）螺旋角系数 （3.33）（3）许用弯曲应力 单向传动由1表5-26查得 按，由1图5-1查得 （3.34）（4）计算弯曲应力，满足抗弯强度条件9. 其他几何尺寸计算（1）齿形角和顶隙 ZA蜗杆， （2）几何尺寸 蜗杆齿顶圆直径 （3.35） 蜗轮齿根圆直径 （3.36） 蜗杆分度圆轴向齿厚 （3.37） 蜗杆分度圆法向齿厚（3.38） 蜗杆齿宽 （3.39） 磨削蜗杆，当m10mm时，应增大1525mm 故取45mm 蜗轮喉圆直径 （3.40） 蜗轮齿根圆直径 （3.41） 蜗轮外圆直径 （3.42） 取 蜗轮齿圈宽度 （3.43） 取 蜗轮咽喉母圆半径 （3.44） 蜗轮分度圆齿厚 （3.45）3.5 轴的校核计算3.5.1 蜗杆的校核计算1.蜗杆的受力计算分度圆直径转矩切向力 （3.46）轴向力 （3.47）径向力 （3.48）简化蜗杆上的载荷和支承形式。作用在蜗杆上的弯曲载荷可用集中力代替，分解为切向力、径向力和轴向力。如图3.1a所示。双支座的蜗杆轴系简化为铰链双支点梁，如图3.1b所示。图3.1c为蜗杆上由径向力、切向力和轴向力引起的弯矩图。图3.1d为蜗杆上作用的矩图。图3.1 弯矩图（1） 水平平面H和沿垂平面V的支座反力水平面H内的支座反力 （3.49）水平面H的弯矩 （3.50）沿垂平面V内的支座反力 （3.51） （3.52）垂直面V的弯矩计算 （3.53）（2）合成弯矩Ma （3.54）（3） 计算扭矩T （3.55）（4） 危险截面的当量弯矩 （3.56） （3.57）故，蜗杆轴符合设计要求。3.5.2 窝轮轴的校核计算分度圆直径转矩切向力轴向力径向力（2） 水平平面H和沿垂平面V的支座反力水平面H内的支座反力水平面H的弯矩沿垂平面V内的支座反力垂直面V的弯矩计算（2）合成弯矩Ma（4） 计算扭矩T（5） 危险截面的当量弯矩故，蜗轮轴符合设计要求。3.6 轴承的选择蜗杆轴使用一对圆锥滚子轴承，如图3.2所示，圆锥滚子轴承主要承受以径向为主的径、轴向联合载荷。轴承承载能力取决于外圈的滚道角度，角度越大承载能力越大。与角接触球轴承相比、承载能力大，极限转速低。圆锥滚子轴承能够承受一个方向的轴向载荷，能够限制轴或外壳一个方向的轴向位移。图3.2 圆锥滚子轴承导轮的转速相对于砂轮来说是很低的，所以导轮主轴多数是用滑动轴承，如图3.3所示，滑动轴承是在滑动摩擦下工作的轴承。滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声。在液体润滑条件下，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，还可以大大减小摩擦损失和表面磨损，油膜还具有一定的吸振能力。但起动摩擦阻力较大。轴被轴承支承的部分称为轴颈，与轴颈相配的零件称为轴瓦。滑动轴承应用场合一般在低速重载工况条件下，或者是维护保养及加注润滑油困难的运转部位。图3.3 滑动轴承4 导轮架修整器结构设计4.1 修整器传动机构的设计常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种非线性传动部件等。其主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方面得到最佳匹配。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。随着机电一体化技术的发展，要求传动系统不断使用新的技术要求。具体讲有三个方面：（1）高速化：产品工作效率的高低，直接与机械传动部分的运动速度相关。因此，机械传动机构应能适应高速运动的要求。（2）精密化：对于某种特定的机电一体化产品来说，应根据其性能的需要提出适当的精密度要求，虽然不是越精密越好，但由于要适应产品的高定位精度等性能的要求，对机械传动机构的精密度要求也越来越高。（3）小型化、轻量化：随着机电一体化系统精密化、高速化的发展，必然要求其传动机构小型轻量化，以提高运动灵敏度、减小冲击、降低能耗。为与电子部件的微型化相适应，也要尽可能做到使机械传动部件短小轻薄化。在本设计中，传动机构具有可分为传动（X）和进给（Y）两个方向.如图4.7所示图4.7 导轮修整器传动示意图4.1.1 X向传动机构的确定（1）X向减速装置的选择X向电动机输出轴与丝杠轴线成90夹角，传动比大，而蜗杆传动正好适用于交错轴间传递运动及动力，同时具有传动比大、工作较平稳、噪声低、结构紧凑、可以自锁等优点，因此减速装置选择蜗轮蜗杆减速器。（2）X向传动元件的确定X向跨度较大，要求系统刚度好，而滚珠丝杠有如下特点：传动效率高 效率高达90%95%，耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。系统刚度好 通过给螺母组件内施加欲压来获得较高的系统刚度，可满足各种机械传动要求，无爬行现象，始终保持运动的平稳性和灵敏性。传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有很高的制造精度,又由于摩擦小,丝杠副工作时温升和热变形小,容易获得较高的传动精度.使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动,磨损极小,期使用后仍能保持其精度,因而寿命长,且具有很高的可靠性.其寿命一般比滑动丝杠要高56倍.因此在X向选择滚珠丝杠副作为传动元件.4.1.2 Y向传动机构的确定（1）Y向减速装置的选择Y向传动的特点是: 电动机输出轴与进给螺杆平行.齿轮传动较适合于平行轴间传递运动及动力,且具有以下特点:瞬间传动比恒定传动比范围大速度和传递功率的范围大 可用于高速,中速和低速的传动,功率可从小于传动效率高 一对高精度的渐开线圆柱齿轮,效率可达99%以上.结构紧凑 适用于近距离传动.齿轮传动可分为渐开线圆柱齿轮传动,圆弧齿轮传动，圆锥齿轮传动，准双曲面齿轮传动等多种类型，考虑到传动效率及加工难度等因素，Y向减速装置确定使用渐开线齿轮、减速器。（2）Y向传动元件的确定由于Y向行程非常短，速度低，精度要求高，而滑动螺旋副有以下特点：摩擦阻力大，传动效率低（通常为30%60%）结构简单，加工方便易于自锁运转平稳，但低速或微调时可能出现爬行螺纹有侧向间隙，反向时有空行程，定位精度和轴向刚性较差（采用消隙机构可提高定位精度），因此，Y向传动元件选用滑动螺旋副。4.2 液压传动系统设计本机床的液压系统只用于修整磨削轮和导轮时修整的往复运动，及工件横进给磨削时的推料动作。油箱放在床身内，加油时可打开床身背门，并打开加油器盖，可注入油。油箱清洗较方便，可单独取出后清洗。如图4.2所示，油泵只在修整砂轮和导轮及横进给磨削推料时才工作，工作压力为6-8公斤/厘米2，操纵系统分二组，各由操纵阀和节流阀组成分别操纵磨削轮修整器和导轮修整器往复运动，及休整速度的调节。横进给磨削的推料动作，由电磁阀操纵，电磁阀的动作有装在进给手柄上的撞杆及行程开关控制。本机床液压系统所用的油为SYB1104-62.20号机械油在油温50时，运动黏度为17-23厘拖，恩氏黏度为2.6-3.31Et，如室温低于5时可加入10%左右的10号机械油，以适当的降低其黏度。图4.2 液压系统示意图4.3 修整器导轨设计导轨的作用是当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上的导轨起支承和导向的作用，即支承运动件和保证运动件在外力（载荷及运动件本身的重量）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。在无心磨床的修整器上也应设计导轨。根据导轨的设计要求导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等来设计导轨的结构形状。修整器导轨的基本要求：（1）刚度：导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。（2）耐磨性：是指导轨在长期使用过程中能保持一定的导向精度。因导轨在工作过程中难免有所磨损，所以应力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。（3）导向精度：导向精度主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度和圆度。影响它的因素有：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。（4）低速运动平稳性：低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。（5）疲劳和压溃：导轨面由于过载或接触应力不均匀而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。疲劳和压溃是滚动导轨失效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载荷和受载的均匀性。（6）结构工艺性：设计导轨时，要注意到制造、调整和维修方便，力求结构简单，工艺性及经济性好。本课题修整器导轨选用滑动导轨。其特点是结构简单，使用维修方便；未形成完全液体摩擦时低速易爬行。滑动导轨的截面形状、特点及应用有：(1)平面环形导轨:承载能力大,工作精度高、结构简单、制造方便，但只能承受轴向载荷，必须与主轴联合使用，由主轴承受径向载荷。适用于主轴定心的回转运动导轨的机床，例如：立式车床，齿轮加工机床和平面磨床等。(2)椎面环形导轨:可以承受一定径向载荷，工艺性差。目前用于花盘直径小于3m的立车和其他机床，有被平面环形导轨取代的趋势(3)V形面环形导轨:可承受较大的径向力和一定的颠覆力矩，但工艺性差，既保证导轨的接触又要保证导轨面与主轴同心是相当困难，有被平面环形导轨取代的趋势，目前用于3m以上的立车。如表4.1所示，常见的滑动导轨结构的基本形式有三角形、矩形、燕尾形及圆形四种，每种又分为凸形和凹形两类。凸形导轨不易积存切屑等脏物，也不易储存润滑油，宜在低速下工作；凹形导轨则相反，可用于高速，但必须有良好的防护装置，以防切屑等脏物落入导轨。表4.1 导轨结构的基本形式对称三角形不对称三角形矩形燕尾形圆形凸形凹形基于以上原因，由于本设计对导轨强度要求不高，考虑到维修简单，加工成本。因此选用燕尾型滑动导轨。如图4.1所示，燕尾形导轨的调整及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面的间隙，且高度小，结构紧凑；但制造检验不方便，摩擦力较大，刚度较差。用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的场合。图 4.1 本课题修整器导轨设计方案1. 中托板 2.上托板目前导轨常用的材料有铸铁、钢、非铁金属、和塑料等。导轨与承导件或运动件铸成一体，其材料常用灰口铸铁。它具有成本低、工艺性好、减振性好、热稳定性高、易于铸造和切削加工等优点。在润滑和防护良好的情况下，具有一定的耐磨性。常用的是HT200HT400，硬度以HB=180200较为合适。适当增加铸铁中含碳量和含磷量，减少含硅量，可提高导轨的耐磨性。除此之外为提高铸铁导轨的耐磨性，常对导轨表面进行淬火处理。保证导轨良好的润滑，是减小导轨摩擦和磨损的一个有效措施。这主要是润滑油的分子吸附在导轨接触表面，形成厚度约为0.0050.008mm的一层极薄的油膜，从而阻止或减少导轨面间直接接触的缘故。由于滑动导轨的运动速度一般较低，并且往复反向，运动和停顿相间进行，不易形成油楔，因此，要求润滑油具有合适的粘度和较好的油性，以防止导轨出现干摩擦现象。选择导轨润滑油的主要原则是载荷越大、速度越低，则油的粘度应越大；垂直导轨的润滑油粘度，应比水平导轨润滑油的粘度大些。在工作温度变化时，润滑油的粘度变化要小。润滑油应具有良好的润滑性能和足够的油膜强度，不浸蚀机件，油中的杂质应尽量少。对于精密机械中的导轨，应根据使用条件和性能特点来选择润滑油。常用的润滑油有机油，精密机床液压导轨油和变压器油等。还有少数精密导轨，选用润滑脂进行润滑。关于润滑方法，对于载荷不大、导轨面较窄的精密仪器导轨，通常只需直接在导轨上定期地用手加油即可，导轨面也不必开出油沟。对于大型及高速导轨，则多用手动油泵或自动润滑，并在导轨面上开出合适形状和数量的油沟，以使润滑油在导轨工作表面上分布均匀。4.4 金刚石笔金刚石笔具有尖角锋利，硬度高等特点。尖角磨钝后可修整，以多次使用。在磨床导轮整修中，产品可保持持久耐磨。金刚石笔采用粉末冶金技术,通过高温热压烧结,把金刚石固定在有一定规格的柄体上。使用破裂的金刚石参加修整时不易脱落。杂质,汽泡部位在参与修整时不易爆失,是比较经济的导轮修整工具。 根据其不同的排列和结构,形成多种规格的金属笔,以适应不同磨床的砂轮修整。L系列：金刚石呈链状分布 ；C系列：金刚石呈层状分布；P系列：金刚石呈排状分布 ；F系列：金刚石呈粉状分布。结 论本设计通过前期查阅大量的国内外文献以及参考资料，深刻理解了无心磨削的基本原理，了解了无心磨削在国内外的研究现状及发展趋势，为无心磨床导轮架及其修整器的结构设计打下了基础。在导轮架的结构设计方面主要研究了导轮架的传动设计。通过多个传动方案的比较，最终选定了由转差离合器实现无级调速的设计要求。而在减速方面，则运用了带传动以及蜗轮蜗杆传动的结合，使导轮得到相应转速。导轮架的结构设计重点在于两个传动系统间传动比的合理分配，使之达到最高效率的运转。在带传动方面，选择了运用广泛，结构紧凑、传动平稳、造价低廉的V带传动。在蜗轮蜗杆的设计方面，选择了合理的蜗轮蜗杆尺寸，同时对蜗杆轴以及蜗轮主轴的疲劳强度校核和刚度校核。在修整器的设计方面，侧重于对导轨的选型，对于各种类型的导轨进行了性能分析，最终选定了燕尾形导轨。导轨的往复运动方面，则运动了液压传动。修整器的X向与Y向传动机构依靠电动机、减速装置和传动元件（滚珠丝杠、滑动螺旋副）的结合来实现。参考文献1 卜炎, 机械设计. 机械传动装置设计手册M. 机械工业出版社, 1999.2 濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社，2001.3 姚 俊.CIMT2001平面磨床展品评述J.精密制造与自动化，20014 李伯民，赵波主编.现代磨削技术M.北京:机械工业出版社，2003.5 曾志新，吕明.机械制造技术基础在M.武汉：武汉理工大学出版社，2001.6 范云涨，陈兆年.金属切削机床简明手册M. 北京:机械工业出版社，1994.7 冯辛安，黄玉美.机械制造装备设计M.北京，机械工业出版社;2002.8 王昆，何小柏.机械设计课程设计M. 北京:高等教育出版社，2001.9 温松明主编.互换性与测量技术基础M.长沙：湖南大学出版社，2000.10 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Dynamic model of a centerless grinding machine based on an updated FE modelJ. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2008, 48(7): 832-840.18杨佐德, 淳光文, 叶芳. 几种无心磨床常见磨削缺陷及消除方法J. 现代机械, 2011, 2: 028.19钱安宇. 无心磨削M. 青海人民出版社, 1982.20林开湖. MK10100 型数控无心磨床研制J. 磨床与磨削, 1996 (1): 41-43.致 谢经过三个多月的努力，毕业设计已接近尾声了。在老师的指导下，我顺利地完成了本次毕业设计的全部任务。老师渊博的知识、严谨的治学态度和高度的责任心给我留下了很深刻的印象，同时也给我的学习、工作、生活以很大的影响，使我受益匪浅。值此论文完成之际，谨向导师表示衷心的感谢，并感谢同组同学对我的合作和支持。此外，具有丰富设计经验的老师给我们全组同学悉心讲解图纸和解答疑问，在此也表示衷心的感谢。最后，院里的领导和其他老师也给了我很大的关心，再一次对大家表示衷心的感谢！译 文基于修正有限元模型的高速无心磨床动力学建模摘要： 无心磨床操作中出现了一些独特的特征，在再生颤振的过程中特别容易产生不稳定性。这些振动的理论研究拥有一定的困难性，因为在这个过程中涉及到大量的参数。此外，这样的研究需要一个精确测定动态属性的特定机器。考虑到在这个过程中动态特性的重要作用，在本文中，分析和实验方法交替使用，目的是研究正在响应中的振动模式的参与情况。使用从机床试验模态分析（EMA）中得到的结果作为参考，采用有限元（FE）模型进行验证，并提高使用相关性和更新技术。简化模型的状态空间从已经进行过模拟的更新模型中获取。模拟与加工测试获得的结果相比之后，它被证明模型可以准确地预测无心磨床的动态行为，特别是关于振动。关键词：无心磨床 有限元 试验模态分析 模型简化1.介绍无心磨削是对未夹紧工件的切削去除过程，在这过程中，它仅仅是所支持的导轮，砂轮和托板的工作。这种配置可以在最小的工序范围内用一个简单易用的方式来安装/卸下工件，从而提供高度的灵活性，在一定意义上，同时实现高生产力与精确的零件尺寸公差。在另一方面，圆度方面有偏差是很常见的，因为在这些机器上加工的工件中心会产生浮动。其最常见的一种情况是，表面粗糙的工件在接触砂轮和工作导轮后，其中心产生的位移导致了偏差的产生。一些研究人员研究了圆度误差的起源和演化。这些研究显示了几何动态不稳定性的产生原因。几何不稳定性主要是由特殊无心磨床独立的几何结构和工件的角速度等因素产生。动态不稳定性源于再生过程和动态结构的相互作用。在这种情况下，自激震荡的出现限制了工件的表面质量。最后一个问题的研究需要足够的机床动态特性的知识，所以研究人员通过数值模型，在其原始设计及修改后的基础上通过系统来预测机床的动态响应。为了获得适当的模型，本文的有限元（FE）模型相关的测量技术是通过实验数据得来。2.系统建模以前这项工作的发展：埃尔比泽瑞研究的振动响应的机器研究使用集中质量模型，其特征在于所述移动部件在进给方向（参照图1）由两个滚珠螺钉导向。这些组件在颤振条件下产生较大的振动幅度。此模型的优点是它的简单性，但也是有限的，因为机器是由几个假设的无限元作为机床的刚性部件，磨削砂轮和砂轮头，所以它不能充分地模拟工件切割点和砂轮的接触点之间的力传递的路径。由于上述的限制，人们开始在工作中额外重视有限元模型的发展。在预测的动态响应机的操作条件下，分别观察不同组件的实际行为。2.1 FE建模无心磨床的动态特性通过利用ANSYS有限元模型建模软件进行研究。这个模型，它由3200个节点和37,807种元素组成，具体在图2中有描绘。此图显示了所用的全局坐标系统，其中横向轴为X轴，垂直轴为Y轴，其中机器的纵