机械毕业设计1516新型丝杠磨床砂轮修整器设计正文.doc
机械毕业设计1516新型丝杠磨床砂轮修整器设计正文
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机械毕业设计1516新型丝杠磨床砂轮修整器设计正文,机械毕业设计论文
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本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 46 页 1 绪论 1.1 引言 随着科学技术的迅速发展，国民经济各部门所需求的多品种、多功能、高精度、高品质、高度自动化的技术装备的开发和制造，促进了先进制造技术的发展。磨削加工技术是先进制造技术的重要领域，是现代制造业中实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广的基本工艺技术 1。 齿轮传动系统是各种机器和装备中应用最广泛的动力和运动传递装置。 磨床上的砂轮在对工件进行磨削时，砂轮磨削区的温度大约在 1000 C左右，磨粒磨削点的温度也有几百度。在磨削过程中砂轮磨损经过磨耗磨损、磨粒磨损、脱落磨损三个周期以后，在它的表面 会形成砂粒蜕化不锋利，并且还留下许多磨削颗粒堵塞砂轮气孔，这样就难以对工件进行磨削加工。所以，在磨削的过程中要不断地对砂轮进行表面修整或对成形砂轮形状的修整，达到去除钝化磨粒，保证有新磨粒和足够数量的有效切削刃，从而保证工件的尺寸精度和表面的粗糙度 2。 修整砂轮，主要是根据所加工工件几何形状以及表面精度要求等，对砂轮进行修整后再对工件进行修磨，达到保证磨切工件质量要求 3。通常修整砂轮时，把若干个砂轮修整片装在砂轮修整架上，完全靠手支撑并左右移动修整架，利用砂轮的转动带动修整片旋转的差动力，实现砂轮的 修整。这种传统修整砂轮方法会出现以下情况：第一，砂轮修整片磨损快并且在使用过程中孔的间隙变大，影响修整精度。第二，操作过程稳定性差，有一定的危险性。第三，被修整的砂轮表面较粗糙、圆柱度差。第四，不能完全消除砂轮运转产生的径向跳动，此项是影响砂轮使用的关键 4， 5。 1.2 砂轮修整器的发展现状 砂轮修整是传统磨床上磨削时最困难的部分，也是相当复杂的几何学难题 6。目前砂轮修整法大致可分为 3 种。一种是硬质合金轮滚轧法 .这种方法修出的砂轮表面较锋利，但压碎的碎肩易堵塞砂轮，影响砂轮的磨削能力，修整效率低。另 一种是用金刚石修整工具以车削方式修整砂轮，修出的砂轮较锋锐，磨削能力较强，但修整效率也低。第 3 种是用金刚石滚轮以“切入磨俐”的方式修整砂轮 7。另外，砂轮修整器根据产品的不同要求有多种形状和形式组成。例如单粒精钢石、多功能单粒精钢石修整器，液压磨仿形修整器， NC数控控制修整器，成型平面磨床砂轮修整器等。 下面nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 46 页 三 幅图是两种普通砂轮修整器： 图 1.1 多功能砂轮修整器结构示意图 图 1.2 普通手动砂轮修整器 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 46 页 图 1.3 万能砂轮修整器 近些年来，超硬材料在生产工程和科学技术领域的广泛使用，使超硬磨料砂轮的应用急剧增加，砂轮的修整问题变得日益突出，成为世界各国研究的重要课题 8。超硬磨料砂轮具有优良的磨削性能，抗磨损能力强，不需经常修整。但在初始安装和使用磨钝后修整却比较困难。超硬磨料砂轮的修整，通常分为整形和修锐两个工序，整形是对砂轮进行微量切削使砂轮达到所要求的几何形状精度，并使磨料尖端细微破裂，形成锋利磨刃。修 锐是去除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一定的容屑空间，并使磨刃突出结合剂之外，形成切削刃。其中整形法有金刚石笔整形法、滚压整形法、磨削整形法、软钢磨削整形法等。而修锐的方法有很多，但主要是 以 下几种：游离磨粒挤轧修锐法、喷射修锐法、刚玉块切入修锐法、磨削修锐法、电解修锐法、液压喷射修锐法等。可以参考剃齿刀磨床砂轮修整器的数控化改型实例 10、简便实用的导轨磨砂轮修整器 11 、外圆磨床液压砂轮修整器 12、 S7332 64A 自动圆弧砂轮修整器的结构分析与改进 13、调心球轴承磨外沟用砂轮修整器 14、磨 削凸度用单点砂轮修整器的工作原理 15。 各国的研究者不仅对超硬磨料砂轮的修整机理进行了深入的研究，而且对常用的修整方法作了较大的改进并通过实验提出了新的修整工具和修整方法 9。日本东京大学庄司克雄教授研制出了 GC 杯形砂轮修整器，该修整器解决了传统修整器的修整工具磨耗太快而导致的修正精度差的问题。日本理化研究所大森教授研制成功了在线电解修整法（简称 ELID 法）。 ELID修锐法是近年来金属结合剂类超硬料修正技术的一项新成就。利用 ELID 法在线修锐金刚石砂轮磨削港片陶瓷或者其他超硬材料，目前已可以达到镜面的 加工水平。而后在 ELID 法的基础上，又提出了一种简易的双电极在nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 46 页 线修锐法（简称为 T-ECD法）。该方法对 ELID 法作了进一步的工装改进和简化，从而更实用和方便。除了上述的修整法，还有弹性修锐法、超声波振动修整法和激光修锐法等。这些方法从各个方面提高了砂轮修整后的精度，石砂轮的修整进入了更高的水平。 为获得所需的工件轮廓和良好的精度，砂轮必须获得精确的轮廓形状，成形砂轮修整主要要达到以下要求：成形轮廓精度，廓形相对砂轮回转轴的位置精度，工作面的圆跳动，为此，必须严格控制修整进给量、修整速度和修整次数。所以新 的修整工具、修整技术的发展将趋于高精、高效、柔性及自动化发展，具体如下： （ 1）开展实用的、成本低、高效率的修整技术研究。当前的金属基金刚石砂轮修整法或多或少的都存在着修整成本高、效率低、装置复杂、操作不易掌握等局限，所以开发新型的砂轮修整器十分的必要。 （ 2）开发修整的在线监测、监控、故障自诊技术。利用声发射信号来判断砂轮的工况，对砂轮质量进行评价，应用计算机对修整过程进行控制，开发检测、处理、质量评价、控制一体化的修整系统。 （ 3）应用自适应控制技术和专家系统技术，实现砂轮的智能化修整。这些高科技技术为 砂轮修整技术的智能化提供了可靠的技术基础。 （ 4）开发远程控制系统。应用网络技术对修整过程进行远程操作、管理、临控和诊断。 1.3 课题 的 来源 和 要求 本课题 来源于江苏省自然 基金项目 数控丝杠磨床精密智能磨削方法及关键技术研究。 本 课题 是该项目的子课题， 目的是研制出一种新型丝杠 磨床 砂轮修整器。 在本课题的研究中，主要由下面几个问题要解决： （ 1）完成新型砂轮修整器的运动机构的设计。运用 SolidWorks 和 CAD 等软件设计出该机构的三维模型和二维平面图。 （ 2）完成其运动机构的运动分析和力学计算。针对已有的 机构，分析它的运动过程，并进行其运动时的受力计算。 （ 3）掌握砂轮修整器的算法。根据砂轮修整器的运动轨迹，掌握其算法。 （ 4）完成砂轮修整器的运动仿真。仿真模拟机构的运动，完善其中的不足。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 46 页 1.4 论文 的 组织结构 本论文的 组织 结构如下： 第一章简要介绍本课题的理论意义与实际价值、国内外研究现状 及 背景； 第二章介绍 砂轮修整器 总体 方案 设计 ； 第 三 章 介绍 运动的正反解和 力学分析； 第 四章 介绍 机构设计与分析 ； 第 五 章介绍砂轮修整器的控制方法和 流 程 ； 2 砂轮修整器 总体 方案 设计 2.1 丝杠磨床简介 机床主要由床 身、工作台、头架、砂轮架、砂轮架托板、精密主轴、砂轮修整器、中心架、冷却及恒温装置、复合托架等主要部件组成。机床的螺纹运动是由头架主轴的旋转运动与砂轮架托板纵向运动实现联动而成的。 机床配备砂轮修整器，利用包络成形原理实现复杂曲面的生成，一台 砂轮 修整器可以修整出多种齿形。在机床进行外圆磨削时， 砂轮 修整器可以很方便的修整外圆砂轮。 2.2 修整器的功能要求 由于磨削过程中砂轮的损耗，会造成加工的工件不符合精度和技术要求。且砂轮的造价较高，如果砂轮出现损耗就更换砂轮的话，会加大生成成本，为了降低成本，就要对砂轮 进行修整。 砂轮在磨削过程中主要有以下几种磨损形式： （ 1） 砂轮工作表面变钝 。 磨粒在工作中磨损，使刃口变钝，出现明显的小平面，以致磨削力增大、发热及出现明显的振动和噪声，不能很好的切下金属。 （ 2） 砂轮工作面堵塞 。 切屑粘附在磨粒切刃和结合桥上，阻塞了磨粒间的孔隙，使砂轮的磨削能力明显降低，磨削功率增大，工件发热，以致工件表面发生烧伤现象或出现明显的振动或噪声。 （ 3） 砂轮廓形畸变 。 磨粒脱落显著，自锐作用过强，不能使砂轮保持正确的轮廓形状（产生畸变） nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 46 页 修整需要达到的目的：修整就是通过修整轮和磨削砂轮的撞击使磨 削轮磨钝的磨粒脱落、碎裂，形成新的磨粒切削刃，使砂轮恢复利刃口和正确形状， 达到去除钝化磨粒，保证有新磨粒和足够数量的有效切削刃，从而保证工件的尺寸精度和表面粗糙度。 2.3 砂轮 修整器 总体 设计 2.3.1 运动过程分析 对砂轮的修整主要是针对砂轮的外缘，砂轮的外缘的平面投影是一条沿竖直方向对称的特殊的曲线，所以要实现对砂轮的完全修整，就必须使砂轮修整器的修整砂轮的轨迹能和被修整的砂轮外缘形状相吻合。这就要求修整砂轮不仅能实现在平面内 X、Y方向的移动，同时还要实现绕垂直于平面的轴（ Z轴）的转动。 由于修整砂轮的 平面运动是多自由度的运动，所以考虑用并联机构来实现这一运动。并联运动是 一种用于传送运动的装置 ，它 包括适合于提供至少一个自由度的并联运动传送结构，该自由度包括三个平移自由度 。所以初步设计大致的机构如图 2.1所示： 图 2.1 并联机构简图 在图示的机构中， 滑块 4和滑块 5的平动 带动连杆组 1和连杆组 2的摆动，从而nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 46 页 实现底杆 3 在水平面内 的多自由度的运动。 （图中连杆组一和连杆组 2 分别组成两个平行四边形，从而使底杆 3能够保持水平） 由于砂轮修整要求的精度比较高，所以就对 滑块的移动速度与距离有精确的要求，而且为了实现底杆 3能够到达平面内的任意位置 ，两个连杆 组 的运动情况也不相同。综合考虑，让 滑块 在丝杠上运动， 形成一个丝杠螺母副， 且在左右两端各加一个电机 来带动丝杠的旋转。然后就通过控制两个电机的转速，来控制两根丝杠的转速，用丝杠带动连杆的水平移动。这样一来，不仅能控制底杆所处的位置，而且又更很好的保证精度。 若将底杆 3换成一个平板，这就能够实现底板 在平面内多自由度的运动。再通过另外的连接件将修整砂轮固定在底板上，这样也就是实现了修整砂轮在平面内的运动。 由于砂轮在修整时转速较高，考虑使用带传动。将电机固定在底板上，将休整砂轮和小带轮连接在一起，通过电机的旋转带动大带轮的旋转，然后带动小带轮，实现修整砂轮的高速旋转。 修整砂轮还要实现绕 Z轴的旋转，由于修整砂轮已经垂直于平面，所以就要使连接修整砂轮的机构实现绕 Z轴的旋转。在进行修整砂轮时，为了保证修整精度，要求修整砂轮在 Z轴方向的转速很低，考虑到此， 利用步进 电机带动连接修整砂轮的机构的旋转，从而也就实现 了修整砂轮绕 Z轴的旋转。 综上 所述 ，在进行砂轮修整时，运动过程如下：两个连接丝杠的电机的旋转带动丝杠的旋转，丝杠的旋转使连杆和丝杠的连接件做水平运动，带动连杆的运动，从而使底板实现平面内多自由度的运动。同时，带轮电机旋转，带动修整砂轮的高速旋转；另外一个电机 带动 修整砂轮绕 Z轴的旋转。综合起来，就能实现修整砂轮的复杂运动，使其按照磨削砂轮的外缘形状进行修整。 2.3.2 机构设计及分析 结合上文所分析的运动过程及运动简图，设计如下的机构： nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 46 页 BA43 61 71 41 3181 61 2291 01 91 81 5571 1图 2.2 工作原理 1.底板 2.电机 3.滑块 4.滑槽 5.丝杠 6.滑块 2 7 丝杠 2 8.电机 9.连杆 10.连杆 11.电机 12.待修整砂轮 13.修整砂轮 14.修整轮夹具 15.V 带 16.轴 17.载物台 18.连杆 19.连杆 砂轮修整器的工作原理如图 2.2所示，通过丝杠电机 2 和 8 的旋转带动丝杠 5 和丝杠 7 的旋转，从而使上 滑块 3 和上 滑块 6 沿着导轨实现水平方向的移动。用四根连杆将 修整轮底座 和两个 滑块 相连，这样通过两个 滑块 的移动可以实现底板的平面 运动。同时在底板后面加一电机，通过电机的旋转 带动轴 16，轴 16 带动修整轮夹具 14旋转从而 实现修整砂轮绕 Z 轴的转动。修整砂轮 13 通过加在摇杆上的电机带动带轮旋转，实现修整砂轮的旋转。综上，该机构能实现摇杆在平面内的移动和绕涡轮轴的旋转运动，从而实现修整砂轮复杂的平面运动。 设计该机构时，须考虑到以下几个问题： nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 46 页 （ 1） 在上平板中间有打断部分，防止两个上固定架移动出范围，导致连杆相互交叉，无法运动。 （ 2）底板需要特殊设计以用来装夹摇杆和丝杠螺母。 （ 3）底板间两根连杆之间的距离要大于上平板间打断部分的距离，用以 防止连杆运动到死点，导致无法运动或损毁零件。 （ 4）控制摇杆和底板之间的距离，防止在装上带轮后，在绕轴旋转时带轮或修整与底板产生干涉。 3 机构的运动学分析 3.1 机构的正反解 机构的运动学模型如图 2.1所示 砂轮修整器结构原理可简化为平面机构，如图 3.1 示：两上固定架简化为 A、 B两点，连杆 即为图中 AD和 BC， CD为运动平台， FGH为旋转平台， GH 为金刚石滚轮 (金刚笔 )伸出运动平台的长度。建立如图坐标系，取 AD=BC=l1， CD=l2， GF=l3， GH=l4，E(xE,yE), CGH 。 该并联机构砂轮修整器正解可描述为：已知并联机构左右滑块的位置，求金刚石滚轮 (金刚笔 )H点坐标及姿态角 。 由图可知： (3.1) (3.2) 又： (3.3) nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 46 页 则其正解为： (3.4) F点坐标可由下方程解得： (3.5) 该并联机构砂轮修整器反解可描述为：给定金刚石滚轮 (金刚笔 )H 点坐标及姿态角 ，求并联机构左右滑块的位置。 易知： (3.6) 则其反解为： (3.7) 通过上面的运动学正反解分析，可以看出该并联三自由度机构的正逆解同时存在解析解，并且解算过程较为方便，在初始条件确定后，其正反解结果具有唯一性。 3.2 基本尺寸的确定 该砂轮修整器要保证修整砂轮有一定的 工作空间，才可以对砂轮进行修整，且至少要保证其工作空间在 100 100(mm)这一范围内，本机构在设计时，将其空间 设置在100 100(mm)范围 ,这样足以保证修整时的工作空间。通过上面的正反解分析和综合方nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 46 页 案设计中的分析，可以确定出该砂轮修整器中如下的基本尺寸： 固定架架的最大移动距离： 260mm 两侧连杆的长度： 200mm 底杆的最小长度： 150mm 两侧连杆在底杆的中心孔的距离： 60mm 底板 中间轴承座外侧距离： 70mm 两侧连杆处于竖直位置时底杆和上平板 的最小距离： 54mm 以这些尺寸为基本尺寸，同时综合考虑多方因素，比如一些标准的国标、运动时的安全系数等，对该机构进行建模设计。 3.3 修整力的计算 因无具体的修整力计算公式，现采用计算磨削力公式求其修整力大小： 角正回归法为北京工业大学提出的一种磨削力计算方法。 pa 磨削深度 avf 工件轴向进给速度 wv 工件速度 （ 1）采用其外圆磨削力实验公式。 x y zt p p a v wF F a f v 外圆磨削力实验公式为： 0 . 9 0 0 . 6 2 0 . 7 6453t p a v wF a f v 取 0 .0 0 1 3pa m m， 3 / m inavfm， 17 /wv m s。 求得： 19.48N （ 2）采用平面磨削力实验公式。 x y zt p p s wF F a v v 平面磨削力实验公式为： 0 . 8 6 0 . 4 4 1 . 0 628282t p s wF a v v 取 0 .0 0 1 3pa m m， 3 5 / m insvm， 17 /wv m s。 求得： 22.13N (3) 采用金刚石滚轮修整力计算公式： nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 46 页 t s rr rsF v vuav 式中：ru为修整比能，tF为切向修整力，sv为砂轮线速度，rv为修整轮线速度，ra为修整进刀量为 0.01mm 。 修整比能ru参考金刚石滚轮取为小于 30.1 /J mm ，可求得单位宽度径向修整力为2/rF N mm ，则径向修整力不会超过 10N。 4 机械 结构 设计 与 分析 在该机构的三维建模中，采用了 Pro/E 这一软件进行辅助建模 ,二维软件则是采用了 Cad软件 。 4.1 电机的选择 4.1.1 交流伺服 电机的 介绍 一 原理 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数） 二 交流伺服电机的基本常识 交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成 90 度电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。 交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压 Uf，控制绕组两端施加控制电压 Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。 为了在电机内形成一个圆形旋转磁场，要求激磁电压 Uj 和控制电压 UK 之间应有 90 度的相位差，常用nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 46 页 的方法有： （ 1）利用三相电源的相电压和线电压构成 90 度的移相 （ 2）利用三相电源的任意线电压； （ 3）采用移相网络 （ 4）在激磁相中串联电容器 三 交流伺服电机及其调速分类和特点 ： 长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较 直流电机 小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高 10 70，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流 伺服驱动 ，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。 四 异步型交流伺服电动机 ： 异步型交流伺服电动机指的是 交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻 1/2，价格仅为直流电动机的 1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。 这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM 表示。 五 同步型交流伺服电动机 ： 同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同 的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 46 页 电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻 60，转子惯量减到直流电动机的 1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同 步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。 六 交流伺服电机的优良性能 ： （ 1） 控制精度高 。 步进电机 的步距角一般为 1 8。 (两相 )或 0 72。 (五相 )，而交流伺服电机的精度取决于电机编码器的精度。以伺服电机为例，其编码器为 l6 位，驱动器每接收 2 =65 536 个脉冲，电机转一圈，其脉冲当量为 360 65 536=0， 0055 ；并实现了位置的闭环控制从根本上克服了步进电机的失步问题。 （ 2） 矩频特性好 。 步进电机的输出力矩随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其工作转速一般在每分钟几十转到几百转。而交流伺服电机在其额定转速 (一般为2000r min 或 3000r rain)以内为恒转矩输出，在额定转速以 E 为恒功率输出。 （ 3） 具有过载能力 。 （ 4） 加速性能好 。 步进电机空载时从静止加速到每分钟几百转，需要 200 400ms：交流伺服电机的加速性能较好 。 六 步进电机和交流伺服电机性能比较 ： 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和 方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 （ 1） 控制精度不同 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 46 页 两相混合式步进电机步距角一般为 3.6 、 1.8 ，五相混合式步进电机步距角一般为 0.72 、 0.36 。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为 0.09 ；德国百格拉公司（ BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8 、 0.9 、 0.72 、 0.36 、 0.18 、 0.09 、 0.072 、 0.036 ，兼 容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036 。对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360/131072=9.89 秒。是步距角为 1.8 的步进电机的脉冲当量的 1/655。 （ 2） 低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动 器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（ FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 （ 3） 矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降 ，所以其最高工作转速一般在 300 600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 （ 4） 过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大 的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 46 页 （ 5） 运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 （ 6） 速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200 400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA 400W 交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。 该设计中控制夹具旋转的电机和丝杠电机都选用交流伺服电机。而 V 带电机则选用交流电机。 4.1.2 修整轮使用的 V 带电机 选用 常州瀚玛机电有限公司 Y系列 (IP23)三相异步电动机 。如下图： Y系列 (IP23)三相异步电动机为一般用途鼠笼型三相异步电动机，是新设计的更新换代产品。其功率等级和安装尺寸符合 IEC标准。电动机的外壳防护等级为 IP23，冷却方式为 IC01，连续工作制 (S1)，适用于不含易燃、易爆、腐蚀气体和较为清洁的场所。用于驱动各种无特殊要求的机械设备，如机床、泵、风机、压缩机、运输机械等。 电 动机具有效率高、噪声低、起动转矩大等优点。电动机符合 JB5271-91(H280)、JB5272-91(H315 355)Y系列 (IP23)三相异步电动机技术条件。 Y系列 (IP23)三相异步电动机采用 B级绝缘。额定电压为 380V，额定频率为 50Hz，nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 46 页 接法，出线盒引出六个 (H280)，三个 (H315 355)出线端。电动机的结构及安装型式为 IMB3(机座带底脚，端口无凸缘，卧式 )，可满压起动或降压起动。电动机运行地点的海拔不超过 1000m，最高环境空气温度随季节而变化，但不超过 40 ，最低环境空气温度为 -15 ，是湿月时月平均最高相对湿度为 90%，同时该月月平均最低温度不高于 25 。 如图 4.1。 要求 轴高为 28，功率为 380W，额定转速为 6000rpm。 4.1.3 交流伺服电机 的选取 下面是 ACM系列交流伺服电机的参数及尺寸等 产品型号 ACM601V36 ACM602V36 ACM602V36A ACM602V60 ACM602V60A ACM604V60 额定电压 V 36 36 36 60 60 60 额定功率 W 100 200 200 200 200 400 额定力矩 N.M 0.318 0.64 0.64 0.64 0.64 1.27 峰值力矩 N.M 0.95 1.91 1.91 1.91 1.91 3.82 额定转速 RPM 3000 3000 3000 3000 3000 3000 最大转速 RPM 4000 4000 4000 4000 4000 4000 额定电枢电流 A 4 7.6 7.6 4.7 4.7 8.4 峰值电枢电流 A 11 22 22 14 14 25 力矩系数 N.M/A 0.0866 0.0918 0.0918 0.15 0.15 0.161 反电势系数 V/RPM 3.03 x10-3 3.213x10-3 3.213x10-3 5.24x10-3 5.24x10-3 5.54x10-3 电阻 mohm 380 163 163 378 378 192 电感 mH 0.91 0.41 0.41 1.07 1.07 0.59 转动惯量 kgx10-4 0.1032 0.176 0.296 0.176 0.296 0.3549 最大径向负载 N 78.6 245 245 245 245 245 最大轴向负载 N 38.2 68 68 68 68 74 电机机座尺寸 mm 60 60 60 60 60 60 电机安装直径 mm 70 70 70 70 70 70 电机法兰直径 mm 50 50 50 50 50 50 电机轴直径 mm 8 11 14 11 14 14 轴连接方式 无键槽 带键槽 带键槽 带键槽 带键槽 带键槽 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 46 页 出轴长度 mm 25 30 30 30 30 30 电机总长 mm 86.7 100.7 100.7 100.7 100.7 127.8 磁对极 4 4 4 4 4 4 编码器 2500可选 2500可选 2500可选 2500可选 2500可选 2500可选 电机重量 Kg 0.701 0.966 0.984 0.966 0.984 1.463 工作环境温度 0 40 0 40 0 40 0 40 0 40 0 40 ACM系列交流伺服电机安装尺寸 200W交流伺服电机 ACM602V36A、 ACM602V60A 安装尺寸如下所示： 200W交流伺服电机 ACM602V36、 ACM602V60 安装尺寸如下所示： 适配驱动器 适配电机选型 适配驱动器 100W电机 ACS806、 ACS1806 200W电 机 ACS806、 ACS1806 400W电机 ACS806、 ACS1806 选取型号为 ACM602V36A。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 46 页 4.2 修整轮 部分的 机构设计 4.2.1 V 带 轮 电机 的 额定数据 (1)额定功率 P = 380KW (2)转速 n n = 6000r/min (3)选定电机机型 西门子 1FK7011-5AK21号电机 4.2.2 V 带传动的设计计算 (1) 设计功率 Pd 计算公式和参数设定 KWPkP Ad 418.0103801.1 3 (4.1) P-传递的功率（ kW） KA-工况系 数 查表 14-8 KA=1.1 (2) 选定带型 根据 Pd和 n1由图 14-2、 3或图 14-4选取 普通 V带 Z型号 节宽 bp=8.5 顶宽 b = 10 高度 h = 6.0 契角 40 (3) V带的根数 LAd KKPP pz 21 (4.2) 取 z = 1 (4) 带速 smndv p /70.15100060 11 (4.3) (5) 单根 V带的预紧力QF215.2500 mvzvPKF daQ (4.4) nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 46 页 (6) 作用在轴上的力 rF 2sin2 1zFF Qr (4.5) (7) 带轮结构的尺寸 基准宽度db5.8db 基准上槽深minah0.2min ah 基准下槽深minfh0.8min fh 最小轮缘厚 带轮宽 B B = 14 外径ad4.502 ada hdd (4.6) 轮槽角 34 (8) 小带轮包角 1 1803.57180 121 a dd dd (4.7) 由电 动机可知，其轴伸直径 d =11mm 长度 L =23mm 故带轮轴 mmd 110 ，毂长小于 110mm。 查得，小带轮的结构为实心轮， 如图 2.3所示 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 46 页 图 4.1 小带轮 三维 结构 图 4.2 小带轮的二维尺寸 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 46 页 由上文可知，传动比为 1.0，所以大带轮的数据和小带轮相同。 图 4.2 大带轮 图 4.3 大带轮二维尺寸 4.2.3 带轮的安装 小带轮和发动机之间用键 连接，大带轮和修整轮之间用圆柱销的过盈链接 。可见下图： nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 46 页 图 4.4 小带轮于电机之间的键连接 图 4.5 带轮 与 修整轮之间的销连接 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 46 页 图 4.6 带轮与 V带的装配 4.2.3 键的选取 键可分为平键、半圆键、楔键、切面键等几类。 （ 1） 平键联接。它具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点，因而得到广泛应用。键的两侧面是工作面， *它来传递扭矩，但不能承受轴向力，不能对轴上的零件起到轴向固定的作用 。按键构造分，有圆头（ A 型 0、方头（ B 型）及单圆头（ C型）三种。键一般用抗拉强度 MPa 的碳钢或精拔钢制造，常用的材料为 45 号钢。 （ 2） 半圆键。键在槽中能绕其几何中心摆动以适应轮毂中键槽的斜度，工作时，其侧面来传递扭矩。特点是：工艺性较好，装配方便、尤其适用于锥形轴与轮毂的联接。缺点是键槽较深，对轴的强度削弱较大，故一般只用于轻载联接中。 （ 3） 楔键联接。工作时， *键的楔紧作用来传递扭矩，同时还可承受单向的轴向载荷，对轮毂起到单向的轴向定位作用。它分为普通楔键及钩头楔键两种。常用于一些低速、轻载和对传 动精度要求不高的联接中。 （ 4） 切向键。工作时， *工作面上的挤压力和轴与轮毂间的摩擦力来传递扭矩。用一个切向键时，只能单间传动；有反转要求时，必须用两个切向键，常用于重型机械、直径较粗的轴等场合。 选用键 4 18 GB/T1096-79 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 25 页 共 46 页 图 4.6 键 4.2.4 修整砂轮夹具 和底座的设计及 装 配 砂轮夹具的设计如下图 图 4.7 修整轮夹具 设计 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 26 页 共 46 页 图 4.8 修整轮夹具 二维尺寸 载物台的设计如下图 图 4.9 载物台三维 结构 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 27 页 共 46 页 图 4.10 载物台二维尺寸 载物台上有四个小通孔，用来与连杆用销连接成转动副。中间部分的大孔用来安装两个轴承，用来 保证轴 6的转 动 修整器夹具与 电机 用 轴 连接， 轴 与砂轮座的孔 用键连接 。如图 4.11。轴与砂轮座之间用轴承连接，如图 4.7。 图 4.11 砂轮 夹具 与 轴的键连接 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 28 页 共 46 页 上述各零件的三维装配图如下 图 4.12 修整轮部分的装配 4.3 丝杆螺母副轴承和联轴器的选取 4.3.1 联轴器的选取 本测量装置将电机轴与丝杠直接相连，减少了中间传动环节，可提高测量装置的精度。联轴器是连接两轴或轴和回转件，在传递转矩和运动过程中一同回转而不脱开的一种装置，在传动过程中不改变转动方向和转矩的大小，这是各类联轴器的共性功能。联轴器连接的两轴，由于制造及安装误差，承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移，相对位移的基本形式如图 4.13 所示： nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 29 页 共 46 页 图 4.13 被连接两轴相对位移基本形式 图 4.13中，（ 1）表示两轴平行但中心线不在同一直线上，这时产生的偏差称为径向偏差。（ 2）表示安装时两轴互成一个角度，这时产生的偏差称为角向偏差。（ 3）表示由种偏差的组合，称为复合偏差。 相对位移的存在，要求在设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的性能。根据对各种相对位移有无补偿能力（即能否在发生相对位移条件下保持联接的功能），联轴器可分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两大类。挠性联轴器又可按 是否具有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两个类别。挠性联轴器因其具有挠性，故可在不同程度上补偿两轴间某种相对位移。挠性联轴器品种多，用量大，是最常用的联轴器。 十字滑块联轴器属于挠性联轴 器 。十字滑块联轴器由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙的中间盘组成。因凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移。十字滑块联轴器结构如图 4.14所示： nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 30 页 共 46 页 图 4.14 十字滑块联轴器结构 十字滑块联轴器适用于多种场合，如转速计、编码器、丝杠、机床、产业机械等。其优点是结构 简单，使用方便、容易安装、节省时间、尺寸范围广、转动惯量小，便于目测检查，可电气绝缘等。半联轴器和中间盘之间的滑动能容许大的径向和角向偏差。 联轴器的固定方式有如下几种： （ 1）定位螺丝固定：两个定位螺丝间隔 90对所固定的轴进行锁紧，是一种传统的固定方式。 （ 2）夹紧螺丝固定：利用内六角螺栓拧紧的力量，使狭缝收缩，而将轴心紧紧夹持住。 （ 3）键槽型：这种类型与定位螺丝固定型一样，是一种最传统的固定方式，适合高扭矩的传动，为防止轴向滑动，通常与定位螺丝固定型、夹紧螺丝固定型并用。 （ 4）复合固定方式：在联轴 器的固定中，采用两种固定方式来进行联接固定称为复合固定方式。 查阅联轴器设计选用手册，根据丝杠小端直径选择 HL-12-06 型十字滑块联轴器，选用紧定螺钉固定方式。 4.3.2 丝杠螺母副的选取 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转化为直线运动或将直线运动转化为回转运动，同时传递运动或动力。螺旋传动根据螺纹副的摩擦情况，可以分为三类：滑动螺旋，滚动螺旋和静压螺旋 13。滑动螺旋构造简单、加工方便、易于自锁、但摩擦大、效率低（一般为 30% 40%）、磨损nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 31 页 共 46 页 快，低速 时可能爬行，定位精度和轴向刚度较差。静压螺旋实际上是采用静压流体润滑的滑动螺旋。静压螺旋传动效率可达 99%，但结构复杂，需要供油系统。滚珠丝杠传动是滚动螺旋传动的一种。它具有以下优点： （ 1）传动效率高。滚珠丝杠传递系统的效率高达 90% 98%，为传统的滑动丝杠系统的 24 倍，所以能以较小的转矩获得较大的推力。 （ 2）运动平稳。滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。 （ 3）高精度。滚珠丝杠传动系统中温升较小，并可预紧消除 轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度 。 （ 4）高耐用性。钢球滚动接触处均经硬化（ HRC5863）处理，并经精密磨削，运动过程属纯滚动，小队磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。 （ 5）高可靠性。与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘，还可在许多特殊场合下工作。除此之外，目前很多厂家的滚珠丝杠产品已形成系列且规格齐全，方便选用。鉴于此，我选择滚珠丝杠。 （ 2）丝杠螺母副的预紧 滚珠丝杆副的轴向间 隙，是指在无负载情况下的原始轴向间隙，和在负载作用下 由于滚珠与滚道型面接触点的弹性变形，而引起螺母轴向位移量的总和。预紧是为了消除滚珠丝杠副的轴向间隙并提高其刚度，最终是为了达到定位精度的需要。预紧的方法有很多种，最普遍和常用的是双螺母结构，在两个螺母之间配有垫片来达到预紧。双螺母预紧方式如图 4.10 所示，在一根丝杆上装两个螺母，通过垫片对其施加一定的预紧力 Fao，使滚珠与滚道接触处产生一定的预变形，这样，滚珠丝杆副不论在哪一个方向承受轴向力，只要轴向力的大小在一定范围内，滚珠丝杆螺母副间都不会出现轴向 间隙。还有一种预紧是在单螺母和丝杠间通过控制中
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