高精密加工一体机毕业设计.doc

目 录1 绪论21.1 数控设备与技术现状121.1. 数控设备21.1.2 数控技术31.1.3 对我国数控技术和产业化发展的战略考31.2 数控机床发展概况241.2.1 数控机床的一般原理41.2.2 机床数控系统的分类71.2.3 国内数控机床的特点191.2.4数控机床的发展预测1101.3 本文的选题及主要研究内容101.3.1 本文的选题101.3.2 主要研究内容102 机械部分设计112.1横向进给系统的计算与设计112.2计算切削力112.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型12 2.4.横向齿轮传动比计算143齿轮的设计.183.1齿轮传动的设计计算.183.2按齿根弯曲疲劳强度设计.183.3校核齿面接触疲劳强度.203.4验算齿轮圆周速度U.213.5确定齿轮几何尺寸.214研磨刀具设计.224.1研磨概念.224.2研磨刀具设计步骤.234.3确定刀具的类型.234.4 研磨切削力的分析244.5 研磨加工力与扭矩的验算244.6 强度校核265微机控制部分.285.1总体设计.285.2主控制器285.2.1主控器的选择295.2.2 8031对片外存储器的选择295.2.3 8031并行I/O口扩展296.电路原理图设计296.1关于各线路元件之间线路连接296.2. 关于电路原理图的一些说明317. 毕业设计心得.35参考文献.371 绪论1.1 数控设备与技术现状11.1.1 数控设备随着现代加工技术的不断发展，加工技术不断提高，特别是现在进入到纳米的精密加工时代，传统的加工手段和设备已经很难达到这些加工要求。因此，需要有不断先机的加工手段和设备来填补加工空白；但是作为一种高精密加工手段，不同的工件加工要求必须对应相应的加工设备，这使得加工过程中要不断变换加工手段和设备，会产生加工时效过长，加工误差太大，加工进度很难保证的很多加工难题。而高精加工一体机可以综合诸多高精加工设备的特点，加工中只要适当改变部分结构，适当调整就可适应更多的加工要求，具有极其优异的应用和功能。近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等，出口的数控机床品种以中低档为主。1.1.2 数控技术。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，有什么劳动资料生产” 。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：（1）机械制造技术；（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术；（6）软件技术等。1.1.3 对我国数控技术和产业化发展的战略考一 、战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源。环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，多我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。二 、发展战略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控技术、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、买得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。1.2 数控机床发展概况21.2.1 数控机床的一般原理一 、数字控制的基本概念数字控制（Numerical ControlNC），简称为数控，是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数字控制系统中的控制信息是数字量，模拟控制相比有许多优点，可对数字化信息进行逻辑运算、数学运算等复杂的信息处理工作，特别是可用软件来改变信息处理的方式或过程，而不用改动电路或机械机构，从而使机械设备具有很大的“柔性”。因此数字控制已被广泛用于机械运动的轨迹控制和机械系统的开关量控制，如机床的控制、机器人的控制等。高精加工一体机的设计采用数控控制，它自动输入载体上事先给定数字量，并将其译码，在进行必要的信息处理和运算后，控制机床动作和加工零件。CNC系统是由计算机承担数控中的命令发生器和控制器的数控系统。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真正的“柔性”，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。二、高精加工一体机 数控机床的组成数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成，如图1-1所示 图1-1 数控机床的组成1. 信息载体信息载体又称控制介质，用于记录数控机床加工一个零件所必需的各种信息，如零件加工位置数据、工艺参数等，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用的信息载体有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等，并通过相应的输入装置将信息输入到数控系统中。数控机床也可采用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接输入，或通过窜行口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。高级的数控系统可能还包括一套自动编程机或者CAD/CAM系统。由这些设备实现编制程序、输入程序、输入数据以及显示、模拟显示、存储和打印等功能。2. 计算机数控系统计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算机外，其外围设备主要包括光电阅读机、CRT、键盘、棉板、机床接口等。光电阅读机是输入系统程序和零件加工程序；CRT供显示和监控用；键盘用于输入操作命令及编辑、修改程序段，也可输入零件加工程序；操作面板可供操作人员改变操作方式、输入整定数据、启停加工等；机床接口是计算机和机床之间联系的桥梁，机床接口包括伺服驱动接口及机床输入/输出接口。伺服驱动接口主要是进行数/模转化，以及对反馈元件的输出进行数字化处理并记录，以供计算机采样；机床输入/输出接口是用于处理辅助功能。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件主要包括输入输出、显示、诊断等程序；控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制等部分组成。数控装置控制机床的动作可概括为：（1）机床主运动，包括主轴的启动、停止、转向和速度选择等 ；（2）机床的进给运动，如点位、直线、圆弧、循环进给的选择，坐标方向进给速度的选择等；（3）刀具的选择和刀具的补偿（长度、半径）；（4）其它辅助运动，如各种辅助操作，工作台的锁紧和松开，工作台的旋转与分度和冷却泵的开、停等。3. 伺服系统 它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和机床移动部件，它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电动机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。4. 机床它是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展来的，但也做了很多改进和提高，它的主要特点是：（1）由于大多数数控机床采用了高性能的主轴和伺服传动系统，因此数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短；（2）为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小；（3）更多的采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等；（4）不少数控技术还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床各种效率。三、 计算机控制系统的工作原理1.输入 输入给数控系统的有零件加工程序、控制参数和补偿数据等。 2.译码 输入的程序段含有零件的轮廓信息（起点、终点、直线还是圆弧等）、要求的加工速度以及其它的辅助信息（换刀、换档、冷却液开关等）。计算机依靠译码程序来识别这些符号，将加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。3.数据处理 数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动的问题。加工速度的确定也是一个工艺问题。数控系统仅仅是保证这个编程速度的可靠实现。另外，辅助功能如换刀、换档等亦在这个程序中实现。4.插补 即根据给定的曲线类型（如直线、圆弧或高次曲线）、起点、终点以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。计算机数控系统的插补功能主要由软件来实现，目前主要有两类插补方法：一是脉冲增量插补，它的特点是每次插补运算结束产生一个进给脉冲；二是数字增量插补，它的特点是插补运算在每个插补周期进行一次，根据指令进行速度计算出一个微小的直线数据段。5.伺服控制 将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经变换和放大后转化为伺服电机（步进电机或交、直流伺服电机）的转动，从而带动机床工作台移动。6.管理程序 当一个数据段开始插补时，功能程序即着手准备下一个数据段的读入、译码、数据处理。即由它调用各个功能子程序，且保证一个数据段加工过程中将下一个程序段准备就绪。一旦本数据段加工完成，即开始下一个数据段的插补加工。整个零件加工就是在这种周而复始的工程中完成。1.2.2 机床数控系统的分类机床数控系统的种类很多，为了便于了解和研究，可以从不同的角度对其分类。可以按伺服系统的控制方式，机床的运动轨迹，数控系统功能水平分类。一般地，按伺服系统的控制方式进行分类。伺服系统包括驱动机构和机床移动部件，它是数控系统的执行部分，按其控制原理可分为以下三类。1.开环控制系统（Open Loop Control System）典型的开环伺服系统如图1-2所示，是采用步进电机的伺服系统。对于数控装置发来的每一个进给脉冲经驱动线路放大并驱动步进电机转动一个步距（即一个固定的角度，如1.5），再经减速齿轮带动丝杠旋转，并通过丝杠螺母副传东工作台的移动。可以看出工作台的移动量与进给脉冲的数量成正比。显然这种开环系统的精度完全依赖于步进电机的步距精度及齿轮、丝杠的传动精度。它没有测量反馈矫正措施，所以对高精度的数控机床往往不能满足要求，但开环系统的结构简单、调试容易、造价低，在数控机床的发展过程中占有一定的重要地位，现在仍普遍采用。图1-2 开环伺服系统方框图 2. 半闭环控制系统（Semi-closed Loop Control System）如图1-3所示，采用装在丝杠上的角位测量丝杠或电机轴的转动量间接地测量工作台的移动量。它的优点就是不论工作台位移的长短，角位移测量元件制成可循环使用。图1-3 半闭环伺服系统方框图半闭环的意思就是用丝杠（或电机轴）的转动量与数控装置的命令相比较（闭环），而另一部分丝杠螺母工作台的位移量不受闭环控制（开环），故称为半闭环。显然，从理论上讲，半闭环的精度低于闭环，但半闭环调试方便，稳定性好，角位移的测量元件简单、价廉，所以配备传动精度较高的齿轮、丝杠的半闭环系统得到广泛应用。3.闭环控制系统（Closed Control System）如图1-4所示，采用直线位移测量元件，测量机床移动部件工作台（主轴箱）的位置并将测量结果送回与数控装置命令的移动量相比较，二者不相等而有差值时，将此差值放大外控制伺服电机带工作太继续移动；直至测量值与命令值相等差值为零或接近于零时停止移动。从理论上讲，闭环伺服系统的精度取决于测量工作台的精度，但实际上机床的结构、传动装置以及传动间隙等非线形因素都会影响精度，严重的还会使闭环伺服系统的品质下降甚至引起振荡。图1-4 闭环伺服系统方框图1.2.3 国内数控机床的特点11.新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位 例如：全长33公里的上海磁悬浮快速列车线，是“十五”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的2550根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。前年年初，沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工期6个月、标的6200万元在磁悬浮轨道专用数控机床项目公开招标中折挂，并于8月低将一次性验收合格的8台数控镗铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣镗加工中心已加工出轨道梁1100根，确保了轨道梁的加工精度和速度，为实现今年年底试车打下了良好了基础。2. 数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。3. 数控机床发展的关键配套产品有了突破今年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展，如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台；烟台第二机床附件厂开发了为数控龙门镗铣床、数控落地镗铣床及数控锻压设备等30多个系列100多个品种的数控配套产品。1.2.4数控机床的发展预测11. 数控机床推广应用逐步由经济型为主普及型为主转变据预测分析，到2016年我国机床的数控化率为23.5%30.36%，到2013年将达到16.5%19.27%。经济型所占比重继续减少，普及型所占比重继续增长，高级型的需求增长极快。2. 数控金切机床的构成比逐渐趋于合理数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。3. 数控机床的应用由单机向单元（系统）方向发展目前欧、美、日等国应用DNC已很普遍，柔性制造单元已占数控机床销售量的30%以上。而我国FMC、FMS和FML的拥有量不足50套，相当于日本80年代的水平，占数控机床消费额不到5%。 4. 出口前景良好1998年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在5亿美元左右，2000年上升到7.85亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，以及我国加入WTO，今后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。预计到2006年出口创汇可达到12亿美元。1.3 本文的选题及主要研究内容1.3.1 本文的选题基于多用途数控高精加工一体机的设计1.3.2 主要研究内容1.机械部分设计2.电气部分选择3.研磨刀具设计2 机械部分设计2.1横向进给系统的计算与设计1. 横向进给系统的设计 数控车床的是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对紧密数控车来说，外观不必像产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方面来考虑。一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端，2. 横向进给系统的设计计算 已知条件：最大回直径: 400 mm最大加工长度 1000mm电机功率: 7.5KW快速进给: 纵向2.4m/min横向3m/min切削速度: 纵向0.6m/min横向0.25m/min定位精度: 0.009mm移动部件重量: 纵向:800N横向500N加速时间: 30ms脉冲 横向0.005/脉冲2.2计算切削力2.2.1纵切外圆1主切削力（Fz）计算由金属切削原理可知切削率：P：电机功率7.5Kw n:主传动系统总效率取：=0.85Pc-切削功率Pc=0.787.5=6.375Kw又Pc=FzV Fz=式中: V 切削速度 V=100m/minFzPc/V=60Pc1000/v=3825N2.2.2 横切端面 主切削力F, 可取纵切的1/2 F=1/2Fz1/23510=1912.5N又F: :F=1:0.4:0.25=0.4=0.41755=765NF=0.25=0.251755=478.13NFx=0.25Fz=0.251755=956.25NFy=0.4Fz=0.43510=1530N2.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型1计算进给牵引力Fm横向导轨为燕尾形导轨其计算公式如下:Fm=KFx+ (Fz+2Fy+G)式中:Fx,Fy,Fz, 切削分力(N):G-移动部件的重量(N) :导轨上摩擦系数为=0.2,移动部件重量G=500NK考虑颠复力距影响的实验系数. K=1.4则Fm=1.4702+0.2 (1755+438.75+500)=1658.13 N2计算最大动负载C C=fwFm （3.2）选用滚珠丝杠副的直径d.时必须保证在一定轴向负载作用下.丝杠在回转100万转后,在它的滚道上不产生点蚀现象.这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C可用fw.Fm （3.3）L = （3.4）n= （3.5） 式中滚珠丝杠导程L=4mm.可取最高进给速度的(1/21/3)此处VS=0.250.5=0.125 m/minT: 使用寿命按20000h计算L: 寿命以106转为1单位Fw: 运转系数，按一般运转取fw:121.5 取fw=1.2N=31.25r/minL=37.5小时C=.fw.FmC=1.21658.13=6660.093选择滚珠丝杠螺母副 查丛书 山东济宁选用滚珠丝杠为FF20043其额定的动载荷为9100Nd=20mm =19.5m 循环列数为12.52 r=arctan r=3 选择精度等级为3级效率计算= （3.6）式中摩擦角r=3, =10式中:r丝杠螺旋升角 r摩擦角滚珠副的滚动摩擦系数 ,f=0.0030.004 R摩擦角约为10分式中:r螺旋角 CDM4006 r =3r:摩擦角取10分n=95.6%5刚度验算先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式如图最大牵引力为1658.3N, 支承间距L=450mm丝杠螺母及轴承均采用预紧,预紧力为最大牵引力为1658.3N.L= （3.7）式中: Fm工作负载(N)L.:滚珠丝杠L=4mmE:材料弹性模数对钢E=20.610(N/mm)F:滚珠丝杠面积mmF=1/4D=1/420=314mmL=1.02510mm再算滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量mm=0.94610-6L/4=0.00019对滚珠丝杠经过预拉拉伸,拉压刚度可提高4倍其实际变量=1/40.00284=4.810mm=0.00071mm定位精度0.015mm2.4.横向齿轮传动比计算1已确定横向脉冲当量=0.005mm/step,滚珠丝杠导程L=4mm和步距角0.75 ,可计算出传动比i=0.6 z1=21 ,z2=35计算简图见滚珠丝杠选择中简图.传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 (kg.cm2)由此式计算 =J+(z1/z2)Js+J2+G/g(L/2E) （3.7）式中:J齿轮z1的转动惯量.J2齿轮z2的转动惯量Js丝杠的转动惯量G工作台及工件等移动部件的重量(N)L丝杠的导程J1=0.7810d1b = 0.78104.22=0.485Kg.cmJ2=0.7810d2b=0.781072=3.746Kg.cmJs=07810DL=0.78102.545=1.37Kg.cmG=500N代入式中J=0.485+(0.6)1.37+3.746+500/10(0.4/2)=2.4 Kg.cm2电机力矩的计算机床在不同工况下,其所需要的转距不同,下面分别按各阶段计算快速空载启动时所需要的力矩=Mmax+Mf+M0 （3.8）式中:M起-快速空载启动力矩(N.m)Mmax-折算到电机轴上的加速力矩(N.m)Mf-折算到电机轴上的附加摩擦力矩(M.m)起动加速时间ta=30msMmax=.e=10nmax=传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量(Kg.cm2)电机最大角加速度nmax-电机最大转速 (r/min)脉冲当量步进电机的步距角nmax=1250r/minMmax=2.4=104.67N.cm折算电机轴上的摩擦力矩Mf(N.m)Mf=3.75N.cm附加摩擦力矩M0M0=式中 FP0-滚珠丝杠预加载荷一般取1/3FmFm为进给牵引力(N)L0滚珠丝杠导程(cm)N滚珠丝杠未预紧时传动效率95.6%M0=M0=4.57Ncm=Mmax+Mf+M0=104.67+3.75+4.7=113.12N.cm(3)快速进给时所需力矩M快 =+M0 Mf=L=31.05N.cm =31.05+4.7=35.75N.cm(3)最大切削力负载时所需力矩 =M+M0+Mt Mt=式中 Fmax-进给方向上的切削力取Fx=765N Mt-折算到电机轴上的切削负载力矩(N.cm) Mt=34.33 (N.cm) M切=34.33+31.05+4.7=78.08N.cm 上面计算可以看出,和三种工况下,以最大切削负载所需力矩作为选用电机的依据当步进电机为五相五拍时=/Mmax Mjmax=/=113.12/0.951=118.95步进电机三相四相五相六相3648510612=M/M0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866选用90BF002其最大静转距为400满足要求: fk=10000HZ fv=833HZ 90BF002型反应式步进电动机规格参数型号相数步距角电压电流保持转矩空载启动频率运行频率接线圈备注DegvAN（Kg.CM）HzHz390BF00250.751.5807A3.92（400）380016000可供双轴伸型号DD（h）bEZH1H2dD2d1键（hey）A90BF002907092251453691076.6半圆3x10 3. 齿轮的设计已知;齿轮为一级斜齿传动，传动功率P=80x7=560W.齿轮传动比i=0.6，电动机直接驱动，小齿轮转速n=1250rmin,载荷为平稳载荷。使用寿命为十年，双班制工作。（1）选择齿轮材料及精度等级 小齿轮选用45钢调质，硬度为220250HBS，大齿轮用45钢正火，硬度为170-210HBS,选择齿轮传动精度等级为6级，要求齿面粗糙度Ra3.2-6.3um（2） 按齿根弯曲疲劳强度设计3.1齿轮传动的设计计算5）选小齿轮的齿数为 则大齿轮的齿数为 3.2按齿根弯曲疲劳强度设计确定有关参数与系数1转矩 = 2. 载荷系数K查表7-10，K=11.2,取K=1.23.齿数Z.螺旋角B和齿数，因为是软齿面传动，取Z1=21，则 初选螺旋角当量齿数为由表7-12查的齿形系数 由表7-13查的应力修正系数 由表7-14选取=0.81.4，取=14. 许用弯曲应力按图7-26查，小齿轮按45钢调质查取，大齿轮按正火查取得=350MPa =400MPa由表7-9查得SF=1 =查图7-23，得由式(7-16得故 = =0.55458 由表7-2取m=0.65. 确定中心距a及螺旋角B.传动的中心距a为 =17.31mm取a=17mm确定螺旋角为B=arccos=arccos =此值与初选值相差不大，故不必重新计算3.3校核齿面接触疲劳强度 确定有关参数与系数1. 分度圆直径d 2齿宽b取 3. 齿数比U U=i=0.64. 许用接触应力 由图7-25查得 由表7-9查得 由图7-24查得 (允许有一点的点蚀 由式(7-15得 =728MPa 由表7-11查得弹性系数.故 =3.17189.80.865 =520MPa , 故齿面接触疲劳强度校核合格3.4验算齿轮圆周速度U= =8.5m/s由表7-7可知。选7级精度是合适的3.5确定齿轮几何尺寸1齿顶高 2齿根高 3全齿高 h h=4顶隙 c c=5分度圆直径 d 13mm6基圆直径 7齿距 p p=5、计算所得结果汇总如下表备用。名称符号小齿轮大齿轮螺旋角14法面模数mn端面模数mt法面压力角20分度圆直径d齿顶高hamm齿根高hf齿顶圆直径da齿根圆直径df齿宽B 4 研磨刀具设计4.1.1研磨概念： 研磨利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工（如切削加工）。研磨可用于加工各种金属和非金属材料，加工的表面形状有平面，内、外圆柱面和圆锥面，凸、凹球面，螺纹，齿面及其他型面。加工精度可达IT501，表面粗糙度可达Ra0.630.01微米。 4.1.2研磨种类： 研磨方法一般可分为湿研、干研和半干研 3类。湿研：又称敷砂研磨，把液态研磨剂连续加注或涂敷在研磨表面，磨料在工件与研具间不断滑动和滚动，形成切削运动。湿研一般用于粗研磨，所用微粉磨料粒度粗于W7。干研：又称嵌砂研磨，把磨料均匀在压嵌在研具表面层中， 研磨时只须在研具表面涂以少量的硬脂酸混合脂等辅助材料。干研常用于精研磨，所用微粉磨料粒度细于7。半干研：类似湿研，所用研磨剂是糊状研磨膏。研磨既可用手工操作，也可在研磨机上进行。工件在研磨前须先用其他加工方法获得较高的预加工精度，所留研磨余量一般为530微4.2研磨刀具设计步骤： 1确定刀具类型 2选择刀具材料 3确定刀具合理的几何角度 4确定刀具的结构参数 5设计计算刀具的轮廓外形 6制定合理的技术条件 7考虑刀具的制造工艺及热处理的要求4.3(1确定刀具的类型： 本次设计的刀具为研磨刀具，主要用于外圆精加工。 (2材料选择： 铸铁：研磨淬硬和不淬硬的钢铸件;黄铜：研磨各种软金属；研磨剂磨料：氧化铝.碳化硅.氧化铁.研磨液；机油.煤油动物油及油酸.硬脂酸。本次设计选择刀柄为45钢，研具材料为铸铁，研磨刀具连接方式为铰制孔用螺栓连接，其材料为45钢；刀具研磨部分选择35钢，抗拉强度极限540Mpb,屈服极限320Mpb (3确定刀具合理的几何角度研磨刀具研磨头做成R85和R65的5/2圆周长，研具开槽角度为90 (4确定刀具结构参数研磨刀具的长度尺寸根据铣床车刀的结构尺寸确定的，查的铣床刀具的总体长度尺寸有210mm，180mm，150mm。本次设计的研磨刀具总长确定为180mm。磨头的设计为45mmm，刀柄设计为120mm，刀具连接处设计为30mm。（1） 刀具连接处采用铰制孔用螺栓，其参数与结构尺寸如下：静载荷：L1（0.30.5）d=2.44，铰制螺栓静载荷34动载荷：L1（0.75）d=0.75x8=6铰制螺栓动载荷106.5螺纹伸出长度：L2=（0.20.3）d=0.2x80.3x8=1.62.4 取2.4螺栓与工件的距离：e=d+(36）=8+36=1114 取14（2） 研磨头装夹在方形槽中，其采用螺钉连接，螺钉采用M5M5的尺寸结构：a=1.6 dk=9.3 t=1.4 d=4 n=1.2 L=8 k=2.7 研磨切削功率的计算，目前还没有成熟的计算超细长外圆珩磨功率的经验公式，一般可用以下功率计算公式近似计算 M=304d2f0.810-3 （3-1）其中 M研磨扭矩，Nm； D研磨工件最大外圆直径，mm； F研磨进给量，mm/r。珩磨轴向力 N=299 df0.7 （3-2）其中 N研磨轴向力，Nm。那么 研磨功率 P=2Mn10-3Nfn10-3 （3-3）式中 P研磨功率，kW； n主轴转速，r/s。4.4 研磨切削力的分析磨削力的分析，磨削力起源于工件与油石接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。研究磨削力的目的，在于搞清楚磨削过程的一些基本情况，它不仅是磨床设计的基础，也是磨削研究中的主要问题，磨削力几乎与所有的磨削有关系。为了便于分析问题，磨削力可为相互垂直的三个分力，即沿油石切向的切向磨削力Ft。沿油石径向的法向磨削力Fn。以及沿油石轴向的轴向磨削力Fa。如图3-1所示。磨削力的理论公式 磨削力的计算在实际工作中很重要，不论是机床设计和工艺改进都需要确定磨削力。一般都是用磨削力的计算公式来估算，或者用实验的方法来测定。用实验的方法来测定，工作量较大，成本高。因此，多年来研究人员一直想通过建立理论模型找出准确通用的计算公式来解决工程中的问题。单位面积磨削力是磨削工件时作用在单位切削面积上的主切削力，(即切向磨削力)以Ft。表示。4.5 研磨加工力与扭矩的验算由设计任务书：被加工工件直径范围为2870mm由所改造的车床CA6163/5000：主轴转速范围为(24)101400r/min；主电机功率为7.5kW；进给电机功率为0.75kW。由所选油石型号QL120A1K2：油石尺寸为120108(mm)电机输出功率 Pd=P=7.5kW 取主轴箱内齿轮传动系统，各滚子轴承以及联轴器的传动效率约为a=0.8取各滚子轴承的效率约为 =0.98那么主轴输入功率P入=Pda= Pa=7.50.85kW=6.375kW （3-4）那么主轴输出功率P出=P入=60.98kW=6.25kW （3-5）由公式 T= （3-6）当n取最小时，可得主轴最大输出转矩T出max= =5999.4Nm当n取最小时，可得主轴最小输出转矩T出min=95506.2474000=14.92Nm那么研磨头对工件扭矩为T总=TT=fr= （3-7）其中：f为研磨头对工件的切向摩擦力；d为工件直径。当取直径为最大时，即取400mm的工件之时，所得扭矩最大。而 f=N （3-8）其中：N为研磨头作用在工件上的压力；为研磨头与工件之间的摩擦系数。由于被加工工件为45#钢，研磨油石条材料为氧化铝.碳化硅，通过查阅有关滑动摩擦系数表可约取 =0.25研磨磨头与工件压力下，研磨刀是对研磨切削性能影响很大，直接影响切削效率、研磨刀磨损量和工件精度与粗糙度。研磨工作压力大时，研磨切削量和研磨头磨损量都大，加工精度和表面粗糙度也差。研磨工作压力小时，切削量和研磨头磨损量都小，加工精度和表面粗糙度则好。 选择研磨刀工作压力时，除根据上述情况考虑外，还要根据所使用的机床动力大小 、研磨头及研磨夹具的刚性、研磨石的强度、研磨与被加工面的实际接触面以及工件的材质、尺寸大小和形状等因素全面考虑。 一般情况下，生产型珩磨机的珩磨油石工作压力可按表3-11选择。表3-1 工作压力加工性质工件材料油石工作压力/MPa粗加工铸铁0.51.5钢0.82精加工铸铁0.20.5钢0.40.8可约取油石工作压力即垂直作用在油石单位面积上平均压力为： F=0.8MPa那么 N=FA （3-9）其中：A为油石与工件的作用面积且 A=LB （3-10）其中：L表示油石条的长度，B表示油石条的宽度。所以： A=LB=(20020019819810-6=1.510-3 N=FA=0.81061.510-3N=1200N f=N=12000.25N=300N T=3007010-32=10.5Nm 通过比较T总=10.5Nm T出min即研磨头以及研磨对旋转工件的扭矩总是小于主轴对旋转工件的输出转矩。该结论即可说明：所设计研磨系统动力足够，在加工制造上满足要求，可用于生产实际。4.6 强度校核通过对外圆研磨加工时研磨头各零件的受力进行分析，我们仅需要对研磨头基体及外部活动套进行强度校核。所选择方案研磨头基体外径为210mm，内径为200mm，其危险截面处应位于螺钉键槽与油石座通孔的交截面处。利用扭转切应力强度校核公式 = （3-11） = （3-12）= =200210=0.95 3-13）那么 = =3.150.9516(1-=310-3普通车床一般转速为500r/min，代入下式中T出= =119.327已知珩磨头基体材料为45钢，所以可假设使主轴传递的所有扭矩都作用于珩磨头基体中，则：T出= 119.327N.m=Pa=3.7MPa取45钢许用切应力为 =60 MPa显然，其满足强度条件 =3.7MPa=60 MPa所以，当取T出=T总=3.7Nm时，必定满足强度条件，那么就可省去校核。 5 微机控制部分5.1 总体设计我国目前广泛使用MCS-51系列中的8031芯片,通过扩展和I/O口扩展功能,实现对机床X,Z两个方向的控制.以及软硬的任务分配有:控制步进电机脉冲发生和脉冲分配,数码显示的字符发生,键盘扫描管理既用硬件管理,又可用软件实现,此次采用若干方案:控制步进电机用的脉冲发生器用硬件.采用国产YB015环行分配器实现,字符发生及键盘扫描均有软件实现.5.2主控制器5.2.1主控器的选择 近年来同外的一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种8位的单片微型端口及部分RAM于一体的功能很强的控制器。目前国内用得较广，开发工具较齐的是MCS51系列包含三个产品：8031、8051和8751。三者的引脚完全兼容，仅在结构上有一些差异，主要是8031：8031是无R