M2120内圆磨床的改造设计

编 号无锡太湖学院毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目： M2120 内圆磨床的改造设计 信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业学 号： 学生姓名： 指导教师： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） M2120 内圆磨床的改造设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。班 级： 机械 92 学 号： 0923098 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日I无 锡 太 湖 学 院信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业毕 业 设 计 论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目 M2120 内圆磨床的改造设计 2、专题 二、课题来源及选题依据本课题来源于与无锡开源机床集团有限公司合作改造项目。 磨床是金属切削行业的一个重要分支，随着工业的发展，对机械零件的加工精度及表面粗糙度的要求日益提高，磨削加工显得更加重要，当前的磨削技术已无法满足要求，所以要提高磨削技术的水平以达到现代工业磨削加工所要求的的精度和效率。尤其在汽车、电力、船舶、冶金、军工、航空航天等行 业。数控内 圆磨床对被加工零件的适应性很强，具有较高的生产率、加工精度和稳定的加工质量。为了提高加工精度、尺寸精度，本次设计针对数控内圆磨床进给部件进行改造设计。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 在了解 M2120 磨床的基础上，设定改造方案。完成改造后的磨床的磨头部件改造设计，绘制磨头装配图； II 完成 M2120 内圆磨床的非标准零件图设计，绘制三张零件图； 完成 设计说明书一份，有方案拟定，必要的分析、计算。 四、接受任务学生：机械 92 班 姓名 祁 耀 华 五、开始及完成日期：自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名签名签名教 研 室 主 任学科组组长研究所所长签名系主任 签名2012 年 11 月 12 日III摘 要本次设计主要针对数控磨床做部分改造，以适应加工产品时可以简单加工、精确定位、保证尺寸，提高加工效率，减轻工人劳动强度。此次改造对机床的导轨和驱动等进给部件做一定的修改，以适应产品的需要，保证在生产中的精度及效率。液压驱动对重复定位及尺寸的精度很难保证，使得在生产中很难提高效率。改用伺服电机驱动进给部件，可以保证机床的重复定位，使产品的精度不会因为操作者的原因而无法得到保证。导轨是数控控制精度的一个方面，数控方式对导轨要求是具有高灵敏度，低摩擦阻力，高寿命等，所以对导轨的要求也比较高。一般的磨床采用的是滚动导轨，精度较低，摩擦阻力大，寿命不高，所以本次设计导轨采用的是滚动导轨丝杠是控制精度的另一个方面，以前沿用的滑动丝杠传动效率低、导程精度低，不能满足高精度、高效率的要求，因此该用滚珠丝杠，滚珠丝杠传动系统是以滚珠为媒介的滚动螺旋传动的体系，它的传动效率高，是传统滚珠丝杠的 24 倍，运动平稳性好，精度高，较高的耐用性，可靠性高，无间隙，刚性好。对于生产时产品的尺寸能进行补偿，保证产品一致性。另外对于产品的变更能及时进行调整，以适应不同的产品，尽量降低加工成本。关键词：内圆磨床；数控；伺服IVAbstractThe design focuses on CNC grinding machines to do part of the transformation to adapt to the processed products can be simple processing, precise positioning to ensure that the size, improve processing efficiency, reduce labor intensity.The transformation of feed components on the the machine rails and drive to do some modifications to accommodate the needs of the product to ensure accuracy and efficiency in production.The hydraulic drive to repeat the positioning and dimensions of precision is difficult to ensure, so that is difficult to improve efficiency in production. Switch to servo motor drive feed parts can guarantee repeat positioning of the machine, the accuracy of the product will not be because of the operators reasons can not be guaranteed.Rails to one aspect of the numerical control precision CNC pair of guide rails requirements having a high sensitivity and low frictional resistance, high life, etc., and so on rails requirements are relatively high. The grinder is rolling guide, low accuracy, friction, life is not high, so the design rail is rolling guideThe screw is another aspect of the control accuracy, sliding screw previously used transmission efficiency is low, the lead accuracy is low, can not meet the requirements of high precision, high efficiency, so that the ball screw, ball screw drive system is based on a ball media rolling screw drive system, the transmission efficiency is high, the traditional ball screw 2 to 4 times and good, smooth motion, high accuracy, high durability, high reliability, no gap, good rigidity.To compensate for the size of the product in the production to ensure product consistency.In addition to the change of the product can be adjusted in a timely manner, in order to adapt to the type of product and to minimize processing costs.Keywords: Internal grinder; CNC; ServoV目 录摘 要 .IIIAbstract.IV目 录 .V1 绪论 .11.1 本课题的研究内容和意义 .11.2 国内外的发展概况 .11.3 本课题应达到的要求 .12 总设计方案 .22.1 主要规格与参数 .22.2 总设计方案分析与选定 .32.2.1 机床设计改造的基本要求 .32.2.2 机床设计改造的研究方法 .32.2.3 机床设计的方案分析 .42.3 主要结构与性能 .82.3.1 床身 .82.3.2 进给箱 .82.3.3 磨架 .82.3.4 床头 .82.3.5 砂轮修整器 .82.3.6 砂轮轴 .83 传动系统 .93.1 工件传动 .93.2 砂轮传动 .93.3 进给传动 .93.4 机床所用滚动轴承明细表 .93.5 传动带明细表 .103.6 丝杠副明细表 .104 X 轴进给伺服系统的设计与计算 .114.1 进给伺服系统的控制方式的选择 .114.2 伺服系统机械传动结构设计特点 .124.3 伺服电动机的选择计算 .124.3.1 选择伺服电机的三个指标及其计算 .124.3.2 电动机转子惯量与负载惯量匹配 .124.3.3 空载加速转矩 .134.3.4 电动机的选择 .134.4 滚珠丝杠副 .144.4.1 滚珠丝杠特点 .144.4.2 滚珠丝杠的消隙和预加载荷 .144.4.3 滚珠丝杠的支承 .144.4.4 滚珠丝杠的选择计算 .144.4.5 选择丝杠轴承 .164.5 半闭环进给系统的精度 .164.5.1 伺服刚度 .16Rk4.5.2 滚珠丝杠的螺母的接触强度 .17VI4.5.3 丝杠的拉压强度 .174.5.4 轴承的轴向刚度 .174.5.5 综合刚度 .174.5.6 定位精度 .174.6 导轨的选择 .184.7 涨紧套 .184.7.1 涨套的联接特点 .184.7.2 涨套的选用计算 .185 电气系统 .205.1 概述 .205.2 机床夹紧动作 .205.3 工件夹紧 .205.4 维护检查 .206 冷却系统 .217 润滑系统 .227.1 润滑油的选择 .227.2 注意事项 .227.3 使用和维修 .227.4 其他润滑 .228 结论与展望 .238.1 结论 .238.2 不足之处与未来展望 .23致 谢 .24参考文献 .25附 录 .26M2120 内圆磨床的改造设计11 绪论1.1 本课题的研究内容和意义磨削技术及磨床技术在机械制造行业占有极其重要的位置，磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要的作用。随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。1.2 国内外的发展概况由于内圆磨床应用十分广泛，近年来，磨削技术得到了飞速发展，各种磨削新技术、新工艺和新成品层出不穷。国际上有不少著名制造商，如日本的 OKAMMOTO、MITSUI三井，德国的 BLOHM、ELB、ABA，瑞士的 MAGERLE，意大利的 FAVRATO 等。在发展数控内圆磨床生产数量的同时，还要努力提高数控磨床的质量和精度。由于 CBN 砂轮的使用，强力磨削突破传统磨削的限制，生产倍率成倍提高，目前磨削线速度已高达120m/s，大吃深缓进给的强力磨削也得到了广泛应用。现代高精度磨削技术的发展，磨削尺寸精度达到 0.10.3m，表面粗糙度达到 0.2 0.05m，磨削表面变质层的残留应力均很小，明显提高了加工零件的质量。数控是内圆磨床发展的重要方面。在相当长的时期里，国外磨床的数控化率远远低于车床和铣床。在近十年来，由于数控技术的发展，适用于磨床的数控系统也有了较大发展，数控系统的性价比大大提高。目前国内高速磨削应用面不广，磨削速度一般不超过 60m/s，与国外相差较大，磨削效率也相对较差，大吃深缓进给的强力磨削方法在我国生产中应用不多。随着我国机械制造业迅猛发展，国内对数控机床的要求也越来越高，自主研发了高精度机床，在控制技术方面与国外差距还很大， ，主要采用 PLC 控制为主。国内各机床厂和机床研究所对数控磨床及磨削技术的发展投入很大，取得了一些初步进展，如 CIMT 展出的上海机床厂的 MKY7875、云南MIGHTY 公司的 SGS-618II、威海机床厂的 MJ7116 等。1.3 本课题应达到的要求本次设计主要针对数控磨床做部分改造，以适应加工产品时，可以简单加工、精确定位、保证尺寸、提高加工效率、减轻工人劳动强度。此次改造对机床的导轨和驱动等进给部件做一定修改，以适应生产中精度和效率。需要采用伺服电机做驱动元件实现自动控制，把原来滑动丝杠螺母副，把回转运动转变为直线运动，并且采用滚动导轨，以提高精度。无锡太湖学院学士学位论文22 总设计方案2.1 主要规格与参数 1. 磨孔直径 50200mm2. 磨孔最大深度 当磨孔直径 5080mm 120mm80160mm160 200mm3. 工件最大旋径 在罩内 400mm在罩外 120mm4工作台最大行程 600mm5床头箱最大回转角度 306. 床头箱主轴中心至床身底面距离 1200mm7.床头箱最大横向移动量 200mm 8.工件转速 （无级调整） 低速 120320r/min高速 220650r/min9.工作台运动速度修整速度 0.21m/min磨削速度 1.56m/min最高速度 7m/min10.砂轮进给刻度盘刻度 每格 0.001；0.01；0.1三种每转 0.1；10；100三种11.砂轮最大横向移动量 与装配图参数一致 12.砂轮转速 110000，8000，6000，4800，4000r/min 13.冷却泵流量 25L/min14.工件电动机 功率 1.5KW15.砂轮电动机 功率 4KW16.冷却电动机 功率 0.09KW17.进给伺服电动机 型号：HC-SF152(B)功率比例：25.6KW/s额定转速：2650r/min额定转矩：7.16Nm进给速度：12m/min18.静变器容量 2.2KVA19.引接电源 3相380V 50HZ（或60HZ）20.机床外形尺寸 3100*1464*1470mm21.机床重量 3350KgM2120 内圆磨床的改造设计32.2 总设计方案分析与选定2.2.1 机床设计改造的基本要求设计改造机床时应力求达到重量轻、体积小。质量好、效率高、成本低使用维修方便。要达到上述要求，设计人员应考虑机床的技术、经济指标，如加工范围。加工精度、粗糙度、生产率、工艺性、成本，采用新技术和“三化”程度等。各项技术、经济指标之间的相互联系和相互影响的，因此在设计时必须全面的加以考虑，根据具体要求确定若干指标为重点，处理好相互之间的关系。设计改造机床，除了考虑上述各项指标外，机床的“三化”是不容忽视的问题。2.2.2 机床设计改造的研究方法机床为了加工不同形状的和技术要求的工件的需求，因此品种很多，类型不一，但不论设计哪一类机床，归纳起来大致有一个基本相似的步骤。（1）工件的工艺分析：设计机床前，首先对工件进行必要的分析，了解工件的尺寸、材料、技术要求、批量，确定加工方法、余量、定位基准、装夹方法等。（2）调查研究：通过三个途径（访问用户和承制单位，参阅技术资料）的调查研究和分析，为拟定初步设计方案打下基础。访问使用单位，主要了解操作人员对机床的要求，现有的工件加工方法，同类机床的使用情况和存在问题，使用单位的自然条件、设备条件、生产经验等。访问承制单位，主要了解制造部分的设备条件、技术能力及原有生产经验。参阅有关技术材料，包括国内外有关技术文献，同类机床的技术蓝图及总结。（3）工作图设计：包括确定机床的布局，技术参数和工作循环等，绘制机械部件装配图，零件图，编制设计说明书，标准件、外购件。通用件明细表等。（4）现场服务：参加制造、装配、试磨和鉴定总结工作，进一步修改图纸，上述设计过程的各项工作，是不可分割的，是相互穿插同时进行的。2.2.3 机床设计的方案分析图2.1 磨架总图无锡太湖学院学士学位论文4一.进给部件驱动方式的选择A 液压驱动液压进给驱动系统定位由一下几部分组成：机械部分、位置检测部分件、液压传动部分件和PLC ，如图A所示。其中PLC控制系统是整个驱动系统的核心。PLC依据自身程序及行程开关控制液压系统油路走向及液压缸的运动来驱动进给。图2.2 液压驱动方式液压驱动方式传动功率大，低速、平稳，有过载保护能力，传动布置灵活，但是进给精度不高，效率相对较低。B 机械传动机械传动通过齿轮传动（如图B）将转速通过丝杠、螺母转换成直线运动，一般需求较高的制造精度和安装精度。图2.3 机械传动方式齿轮传动传动比精确，结构紧凑，工作可靠，使用寿命长，但是加工、安装、调整的精度要求高，否则会严重影响加工精度。M2120 内圆磨床的改造设计5C伺服电机驱动伺服进给系统组成（如图C）图2.4 伺服驱动方式进给伺服系统的要求：1稳定性；2精度高；3快速响应性；4调速范围大；5低速大转矩输出进给伺服系统的性能主要取决于组成系统的机电两部分的匹配，即机电参数配合的协调性。进给伺服系统的控制方式分为：开环控制，半闭环控制，闭环控制。（1）开环控制图2.5 开环控制方式开环控制系统图如图（1）1）工作台位移量的控制：数控装置发出进给脉冲，经驱动电路放大，驱动电路，步进电动机收到伺服驱动电路的脉冲信号，开始运转，转换为步进电动机的角位移量，再经过减速齿轮、滚珠丝杠螺母、螺母移通过机械部件将转动转换为工作台直线运动位移量。2）工作台进给速度的控制：进给脉冲频率经驱动后，就转化为步进电动机定子绕组中电流的通断电变化的频率进而决定了步进电动机的转速，步进电动机的转速再经过减速齿轮、滚珠丝杠螺母体现为工作台的进给速度。3）改变步进电动机输入脉冲信号的的循环顺序，即可改变步进电动机定子绕组的电流通断循环的顺序，从而实现电动机正反转，相应工作台的运动方向也会改变。在管理中采用开环控制具有作用时间点、控制成本低等优点，在外界干扰较小的情况下，有一定的控制作用。但是这种控制无反馈机制，无法发现和纠正计划和实施中与预定目标的偏差，缺乏抗干扰能力，不能进行误差修正。在控制X、Z 轴的进给运动时，没有位置检测元件、速度检测元件，无法给予无锡太湖学院学士学位论文6进给运动位置修正，控制精度不高，影响系统工作精度，从而影响到工件的磨削精度。（2）半闭环控制图2.6 半闭环驱动方式半闭环控制系统图如图（2）所示，半闭环系统与开环系统不同，它所采用的是伺服电机，伺服电机半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角，间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。由于半闭环控制系统将移动部件的传动丝杠螺母不包括在环内，所以传动丝杠螺母机构的误差仍会影响移动部件的位移精度，由于半闭环控制系统调试维修方便，稳定性好，目前应用比较广泛。半闭环控制系统的伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多中小型数控机床所采用。（3）闭环控制图2.7 闭环驱动方式闭环控制是一种自动控制系统，其中包括功率放大和反馈，使输出变量的值响应输入变量的值。数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若工作台没有移动，即没有位置反馈信号时，指令值使伺服驱动电动机转动，经过齿轮、滚珠丝杠螺母副等传动元件带动机床工作台移动。装在机床工作台上的位置测量元件，测出工作台的实际位移量后，后反馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行控制。若两者存在差值，经放大器后放大，再控制伺服驱动电动机转动，直至差值为零时，工作台才停止移动。M2120 内圆磨床的改造设计7在理论上，如果不考虑外部因素，全闭环控制比半闭环控制可能会提高基础的定位精度。但如果不能很好的解决机床发热、环境污染、温升、振动、安装等因素，会出现全闭环不如半闭环的现象。短时间内可能会有效果，但时间一长，灰尘、温度变化对光栅尺的影响，将严重影响测量反馈数据，从而失去作用。同时光栅尺出现问题后，会产生报警，造成机床不能工作。综上所述：本次设计中采用了半闭环控制进给驱动。二.丝杠的的选择滚珠丝杆是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的理想的产品。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。本次设计采用滚珠丝杠。三.导轨的选择滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：1）定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。2） 降低机床造价并大幅度节约电力采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。3） 可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率2030%。4) 可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。本次设计采用滚动导轨。2.3 主要结构与性能2.3.1 床身床身采用整体铸件，床身上用直线滚动导轨，采用集中润滑滑动导轨面，在工作时必须供油润滑。工作台的移动主要由 Z 轴伺服系统（ Z 轴伺服电机，涨紧套联轴器，滚珠丝杠，组合轴承，一对角接触球轴承螺母，螺母座，轴承座等件组成）驱动工作台往复运动。2.3.2 进给箱进给是由底座、滑板、直线滚动导轨、磨头座、X 轴伺服系统（X 轴伺服电机，涨紧套联轴器，滚珠丝杠，角接触球轴承，螺母座）零件组成，X 轴伺服系统驱动进给箱运动。无锡太湖学院学士学位论文82.3.3 磨架主要有底座、滑板、磨具座三大件组成，底座固定在工作的T型槽中，根据工件长度调整其纵向位置。磨具装夹在磨具座中，由电动机通过一对皮带轮传动。2.3.4 床头传动工件主轴由交流双速电机经一对皮带轮传至工件主轴。皮带的松紧借助皮带压紧调整，主轴前后支承都是成对的有预加载荷的高精度向心轴承，皮带轮端面可外接压力油缸或气压缸，用于工件的自动加紧或松开。床头箱连同底座安装在床身上，磨削锥孔时，他们都能在水平面内绕各自的垂直轴线回转。松开床头箱与底座之间的三个紧固螺钉就能转动床头箱粗调回转角度。回转角度的精调在底座和工作台之间进行，调整时先松开工作台左端的压板和底座前端回转中心处的螺钉，然后转动底座左端的方头螺钉即可。2.3.5 砂轮修整器砂轮修整器固定在床身后端，磨具由X轴伺服电机驱动，快速靠近修整器，修整器固定不动。2.3.6 砂轮轴砂轮轴前后轴承均为高精度的向心推力球轴承，前轴承由螺帽紧固，后轴承靠弹簧自行消除前后两对轴承的间隙。调换不同类别的砂轮轴按规定，相应调换皮带轮，以得到规定的砂轮线速度。磨具旋向从砂轮轴皮带轮端面观测，砂轮轴按照顺时针方向旋转。M2120 内圆磨床的改造设计93 传动系统3.1 工件传动工件电机安装在床头箱背部，由交流变频器提供电源，电动机经过一对皮带轮降速后驱动主轴，主轴转速可在120650r/min范围内作无级调速。3.2 砂轮传动安装在进给滑板上的电动机，经一对皮带轮传递至砂轮轴，皮带的松紧可通过移动电动机的底板来进行调节。3.3 进给传动采用伺服电机经涨紧套直接驱动滚珠丝杠带动工作台或进给滑板运动。图3.1 磨床进给部件1 工件电机 2.压紧轮 3.活塞 4.回转板 5.工作台 6 Z轴伺服电机 7.床身 8.丝杠 9.滑板 10.X轴伺服电机 11 砂轮轴 12 修整器 13 主轴3.4 机床所用滚动轴承明细表表3-1 滚动轴承明细表 序号 型号 名称 数量 安装部位1 6204 深沟球轴承 2 床头前压紧轮2 6205 深沟球轴承 2 床头后压紧轮3 6208 深沟球轴承 4 床头第一、二传动轴前轴承4 6209 深沟球轴承 2 床头第一、二传动轴后轴承5 6203 深沟球轴承 2 砂轮修整器6 7206C 角接触球轴承 4 进给机构7 ZARN2557N 组合轴承 1 床身无锡太湖学院学士学位论文108 7206C 角接触球轴承 1 床身9 38205 推力球轴承 1 床头第一传动轴后支承10 32214E 圆柱滚子轴承 2 床头主轴11 32120 圆柱滚子轴承 1 床头主轴12 K303517 滚针轴承 2 夹具气缸3.5 传动带明细表表3-2 传动带明细表名称 型号 规格 数量 安装部位三角带 A 1600 2 床头箱部位3.6 丝