精密数控磨床的总体结构设计.doc

精密数控磨床的总体结构设计1.1 总体方案拟定磨床总体方案，包括以下三方面的内容：（1）调查分析；（2）工艺分析；（3）磨床总体布局。 1.2调查分析调查分析主要包括：（1）对加工对象的了解；（2）对使用要求与制造条件的了解；（3）对同类及类同设备的了解。1.3加工对象加工对象是主轴箱上两个同轴轴承孔， 2.1.1工件材料：孕育铸铁。2.1.2 使用要求与制造条件本课题所要解决的关键问题是主轴箱上两个同轴轴承孔的超精密加工。要求所加工的轴承孔的技术参数能达到：（1）圆柱度：0.002mm；（2）圆度：0.002mm；（3）平直度：0.002mm。磨床的制造运用数控技术，现代测试手段，微量进给软件补偿技术，从而使精密机械设计达到所要求的精度。2.1.3 同类及类同设备加工工艺方案工艺方法对磨床的结构和性能的影响很大，工艺方法的改变常导致磨床的运动、传动、布局、结构、经济效果等方面的一系列变化。常用的内孔加工方法主要有:切入式磨削、单油石磨削、多油石磨削。切入式磨削切入式磨削: 将磨头沿轴向进入工件被加工孔。一般数控加工机床是采用轴向加工方式，直接切入工件的表面。采取切入式磨削方式的加工工艺方案如图所示。砂轮回转，工件安装在工作台上，在加工时回转。砂轮的径向进给（Fr）靠工作台沿X方向位移实现，上面的孔及上端面加工好后，砂轮通过在垂直方向上的移动，继续加工下面的孔及下端面。工件一次安装，以保证精度。2.2.2 单油石磨削单油石磨削: 将1块油石沿轴向进入工件被加工孔。数控加工机床是采用轴向加工方式，油石与工件内孔相接触，通过数控系统控制磨削部件内孔表面的质量。采取单油石磨削的加工工艺方案如图所示。油石并不回转，而是做往复直线运动，工件安装在工作台上，在加工时随工作台一起回转。油石的径向进给靠拖板的水平方向位移实现，以此来带动工作台上的工件，上面的孔及上端面加工好后，油石通过垂直方向上的移动，继续加工下面的孔及下端面。工件一次安装，以保证精度。2.2.3 多油石磨削多油石磨削: 将位置对称的4块油石沿轴向进入工件被加工孔。一般数控加工机床是用轴向方式加工，油石与工件内孔相接触，通过数控系统控制磨削部件内孔表面的质量。采取多油石磨削的加工工艺方案如图所示。油石回转，工件安装在工作台上，在加工时工件并不回转。油石的径向进给靠数控部件参数的设置来实现，通过往复振动来进行磨削，上面的孔及上端面加工好后，多油石装置通过垂直方向上的移动，继续加工下面的孔及下端面。工件一次安装，以保证精度。2.2.4 加工工艺方案选定切入式磨削的特点是：排屑和散热相对比较容易，磨削液较易进入磨削区，适合加工小、中尺寸类型的零件，控制相对简单，加工得到的精度和表面粗糙度比较高。单油石磨削的特点是：排屑和散热相对比较容易，磨削液较易进入磨削区，适合加工中尺寸类型的零件，但是控制相对复杂，加工得到的精度和表面粗糙度一般，油石较易磨损。多油石磨削的特点是：内圆的加工条件相对比较苛刻，排屑、散热困难，磨削液不易进入磨削区，油石易磨损，控制比较复杂，加工高精度和表面粗糙度的孔比较困难，成本也高，适合加工大尺寸类型的零件。综上所述，多油石磨削的散热比较困难，容易引起热变形，一般用于加工大尺寸类型的零件，由于本课题所加工的零件属于中小尺寸，而且要求要求达到的精度比较苛刻，所以应避免排屑和散热较为困难的工艺，而且应该尽可能减少磨具本身由于磨损所带来的误差，所以多油石磨削并不适合本课题。相比另两个方案，切入式磨削与单油石磨削。一般单油石磨削的磨削量较大，由于本课题是精密加工，所以磨削量极小，所以并不十分合适。而且单油石磨削的控制相对比较复杂，由于控制复杂，执行元件也将增加，精度就更难以保证。所以本课题选择砂轮切入式磨削，砂轮与工件同向回转的加工方式。2.3 磨床运动的确定与分配磨床的传动系统是由加工工艺来决定的。确定磨床的运动时，应当在满足工作要求的前提下，尽可能减少运动数目，特别是减少要求高的运动数目（例如分度运动等），并尽可能简化运动装置和传动装置的结构，尽可能用一个执行件完成多个运动。2.3.1 磨头的运动分配磨头是加工零件的执行元件，其运动的形式有两种方案：（1）自身回转；（2）自身的回转和垂直方向上的直线移动。磨头是与加工零件直接接触的部件，加工零件的加工要求很大程度上取决于磨头自身的精度，所以磨头运动的复杂程度越小越好，而且应该尽可能减免磨头电动机所散发的热量，所以方案（2）并不适合本课题，而方案（1）中电动机所产生的热量可以用散热片得以解决。综上所述，本课题选择方案（1）。2.3.2 磨头主轴箱的运动分配 由于磨头采用自身回转的运动方式，根据加工工艺方案，所以磨头主轴箱就负责磨头垂直方向上的直线移动。2.3.3 回转工作台的运动分配根据加工工艺方案可知，回转工作台主要负责工件自身的回转，所以其运动的形式有两种方案：（1） 自身的回转；（2） 自身的回转和X方向上的直线移动。两者的区别在于是否有X方向（水平方向）上的直线移动，由于加工工件就安装在回转工作台上，鉴于加工要求，对回转工作台自身的误差要求就非常高，所以应该减少其运动数目以保证其精度，所以采用方案（1）。2.3.4 拖板的运动分配 由于回转工作台采用自身回转的运动方式，根据加工工艺方案，拖板的运动为X方向的直线移动。2.3.5 运动分配分析的结论确定磨床的运动分配如下：所有的运动由磨头、磨头主轴箱、回转工作台、拖板四个执行件来完成。磨头的运动是自身的回转，磨头主轴箱的运动是垂直方向上的直线移动，回转工作台的运动是自身的回转，拖板的运动是X方向（水平方向）上的直线移动。2.4 磨床的总体布局本项工作的基本要求：（1）保证刀具和工件间的相对位置和相对运动。（2）足够的刚性，抗振性。（3）便于操作、维修、排屑等。（4）材料消耗低，占地面积小。（5）造型美观。总体布局的具体内容：（1）运动分配时应考虑的结构因素（2）磨床传动形式的确定（3）磨床支承结构形式的确定2.4.1 结构因素（1）把运动分配给重量轻的执行件基于这一原则，考虑到磨头主轴箱的重量，需要对其进行平衡。如果没有平衡装置的话，在其上升阶段却需要相当大的拉力才能实现，这都是影响到加工要求的不良要素。所以在磨头主轴箱的另一端加以平衡，钢丝绳的一端与磨头主轴箱连接，而另一端吊以重物，重物的质量与磨头主轴箱的质量相当，这样磨头主轴箱的质量就被平衡，这样能使得精度等要求的保证。（2）提高加工精度提高精度的加工方法有以下两种：刀具回转、工具回转。由于本课题所要达到精度要求极高，另外超精度磨削的磨削量是十分小的，所以本课题采用刀具和工件同时回转，而且回转方向一致，以此来提高加工精度和减少磨削量。（3）减少占地面积 此因素取决于加工工艺方案以及磨床支承结构形式，请参照下文。2.4.2 磨床传动形式（1）磨头的驱动磨头的运动是自身的回转，所以磨头的驱动有三种可以采用的方案： 由内置电动机直接驱动； 由内置电动机通过皮带的传动来驱动； 通过外置电动机来直接驱动。 结合本课题的加工要求，经过研究（详情请参阅精密数控磨床的磨头设计相关部分），决定采用第种方案。（2）磨头主轴箱的驱动由于在立柱上安装的部件主要保证磨头主轴箱在垂直方向的上下移动、进给。故在垂直立柱进给系统设计中主要认为有如下两种可以采用的方案： 用步进电机、滚珠丝杠、直线导轨来带动磨头主轴箱在垂直方向上的移动，并且对于步进电机与滚珠丝杠的对心采用重心驱动原理。 用直线电机直接驱动来带动磨头主轴箱在垂直方向上的移动。结合本课题的加工要求，经过研究（详情请参阅精密数控磨床的垂直立柱进给系统设计相关部分），决定采用第种方案。（3）回转工作台的驱动回转工作台的运动是自身的回转，所以其驱动的方案有以下两种选择： 通过外置电机驱动带轮，通过带轮的传动来使回转工作台旋转。 通过内置电动机直接驱动回转工作台的旋转。结合本课题的加工要求，经过研究（详情请参阅精密数控磨床的回转工作台设计相关部分），决定采用第种方案。（4）拖板的驱动拖板通过步进电机来控制X方向上的移动，一般拖板系统的进给有以下两种方案： 用步进电机，滚珠丝杠，滚动直线导轨来驱动拖板实现粗进给，由压电陶瓷实现精进给。 用直线电动机驱动拖板来实现粗进给，由压电陶瓷实现精进给。结合本课题的加工要求，经过研究（详情请参阅精密数控磨床微量进给拖板系统设计相关部分），决定采用第种方案。2.4.3 磨床支承结构形式的确定为了避免不必要的精度损失，力求结构简单的机床，所以复合式、单臂式、龙门式机床暂不考虑。而卧式机床的占地面积相对较大，所以本课题采用立式机床。2.4.4 总体布局的确定综上所述，精密数控磨床总体布局如图所示：总体上采用立式布局，立柱部分装有步进电动机，电动机与无间隙齿轮相结合，箱形立柱上装有滚珠丝杠、直线导轨，保证磨头主轴箱的上下运动，立柱内部与外部磨头主轴箱装置通过两根挂有与磨头主轴箱同等重量铁块的钢丝，为了与磨头装置自重保持平衡、回转工作台嵌在拖板中，砂轮休整器安装在回转工作台上，拖板安装在床身的导轨上，夹紧装置与测量装置安装在拖板上，工件安装在回转工作台上随工作台回转。主要结构尺寸回转工作台台面直径：直径应大于加工零件、刀具和砂轮休整器的和，考虑到其泛用性，所以取800mm。磨头直径：根据被加工零件的性质以及泛用性，取140mm。磨床总体尺寸定为188516703002（长宽高）性能分析-精度预测（1）提高主轴部件的制造精度首先应提高轴承的回转精度，如选用高精度的滚动轴承，或采用高精度动压滑动轴承（多油楔）和静压轴承等。其次是提高配合表面（如箱体支承孔、主轴轴颈）的加工精度。实际生产中，常采用定向装配和分组选配，使误差相互补偿或抵消，以减小轴承误差对主轴回转精度的影响。（2）对滚动轴承进行预紧适当预紧可以消除间隙，并产生微量过盈，提高轴承的接触刚度，并对轴承内外圈滚道和滚动体的误差起均化作用，从而提高主轴的回转精度。（3）使主轴的回转误差不反映到工件上直接使工件在加工过程中的回转精度不依赖于主轴，是保证工件形状精度的最简单而又有效的方法。如在外圆磨床上磨削外圆柱面时，为避免工件头架主轴回转误差的影响，工件由头架和尾架的两个固定顶尖支承，头架主轴只起传动作用，工件的回转精度完全取决于顶尖和中心孔的形状精度、同轴度。在镗床上加工箱体类零件上的孔时，可采用镗模加工，刀杆与主轴为浮动联接，则刀杆的回转精度与机床主轴回转精度无关，工件的加工精度仅由刀杆和