【JX313】数控精密平面磨床的进给系统[FY]
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【JX313】数控精密平面磨床的进给系统[FY],jx313,数控,精密,平面磨床,进给,系统,fy
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1 附录 英文翻译资料 精密设计：发展状况和趋势 ),要 回顾精密设计的状况，包括 现在的精密设计人员，都把可重复性放在首位。这里多位编者引用的各种设计规则、模式或者原则，对于在超精密机床和仪器中得到能再现的结果都是正确的。不同概念、系统和元件的建模和分析需要采用高级的设计，或者使它充分有效。在分析上的花费是值得的，这样避免了制造出不完整的设计。但是，创造力在保证降低成本上更重要，它可以找出更好的办法。在世界范围内，精密设计人员遵守设计原则，但是他们以他们的创造力进行挑战，以获得思虑周到的设计。当今，大部分精密机床、高级技术都用到补偿，例如几何误差，有机床运动带来的误差或者热引起的误差。精 密设计今后的发展要求纳米甚至是亚纳米位置户测量精度，要求采用完整的控制和误差补偿系统的设计概念。 关键词：设计原则和特征，预测设计，精度，可再现性，重复性 致谢 作者要感谢以下的编者 绍： 目前，在工业领域和研究中，都采用了各种方法来制造高精产品或融入了高精加工 2 环节。这类产品的制造依赖于一种高专化的科学，叫做超精加工，超精加工以以下学科为基础 1 精密设计 2 光学和机械测量学 3 精密加工 这里所说的精密设计是指包括材料、机械、电子、控制、热力学、动力学和软件在内的所有设计。也可以说成是高精密机电设计。随着机械仪器和产品高精度要求的迅速增长，高精度的设计也变得越来越重要的 ,如今，这种发展趋势 受到了计算机技术、数据处理和数据存储技术发展的影响。这种加工方法始于 1958年，集成电路刚问世的时候。由于需要在一块芯片上放置越来越多的晶体管 所以要使用低至几个纳米的定位误差的机器。例如，一种在一片矽板上用来定位内部通信网络网点的晶体分布器。这样一种机器只有靠高度发展的设计和制造技术才能实现。同样，高密度的光学记录系统（ 迅速发展是应光盘控制系统的发展需要，这要求机床的误差等级控制在纳米范围内。机床中的轴承、发动机和卷抽成型光学部件的制造精度维亚微米。为了适应生产要求，应大力发展亚微米精度甚至纳 米精度的机床。 在度量衡学，高精度的测量已经得到了发展，例如测量软件、误差建模、测量技巧和测量方法。为了测量零件和产品有足够的精度，就要有精度维亚微米到纳米的机床，既然现有的高精度的设计模型很难达到这种水平，就要求有新的设计技术。由于精密的可调测量机床、激光干涉仪和纳米灵敏件 量衡学作为一种基础规律将面临着非常大的发展，而且，很多分析软件和误差补偿软件业正在发展和实行。 精密加工用以实现产品的高形状精度和高的表面质量。该精度可达到纳米等级，所以，机械的设计和加工步骤都必须确定，包括加工 步骤和机械的相互作用及刀具和工件间相互作用。用以实现精密加工的几种技术有：钻、磨、拉、，磨孔、抛光、离子和电子放射加工和化学加工。在 991、 994和 996里可找到关于机床和机械技术的主要概况。这个领域的新发展则应在纳米范围内 996。 尽管在精密度量衡学和制造领域有很多有趣的例子，这篇论文已经迷制造为主题。这个规律有着重要的历史和几种起源。尽管如此，有一点很清楚，在早期，天文学和度量衡学的发展对精密设计有着重要的影响。有关 于以前的精密加工的发展在 989中有记载。 19世纪出现了很多发明，特别是在设计方面。通过直线和圆弧加工机床获得 3 了很多相关的理论。许多精密机床的设计和制造都采用了运动性设计和人性化设计原则等先进的设计原则。在 20世纪，由于各种测量仪器和精密机床发展的刺激，设计的发展有了进一步的上升。在美国，一个精密机床设计的特别例子就是：一台高精光学钻床（ 983,这里要特别提到的是设计者布赖恩，他设计了几种机床，包括 84英尺的（ 989,1997图 图 子测量机床 在欧洲，二十世纪 50年代，飞利浦研究所（荷兰）为国内发展研制了几种高精机床。那时， 括“纳米”。在德国和瑞士，最早追溯到 1875年， 日本也有很长的高精机床和仪器的发展史。如今，日本在该领域扮演着主要角色，关于“日本的设计”在 996中有详细介绍。例如，该书中可能提到 所以我们可以得出一个结论：对于高精密度的机床和产品的需求在增长。在 中介 4 绍了向高精度的发展趋势，在 983和 996中更特别介绍了机床精度。他著名的预测机床精度图表如图 图 测的精密加工的趋势 这张图表很好的预测了现在的趋势。精密工程的未来趋势主要由 生储藏量、生物工 程学、 会持续平稳发展，所以精密机器的需要在将来会上升。 精密设计在未来的高精产品和机械的发展中扮演主要角色。利用总体设计方法在多种科学的设计组中可以实现这些设计。由于高精设计的费用上升，设计必须放在首位。因此预测设计是必要的。这片设计总结了精密设计的基本信息，说明了在精密加工这个重要领域中技术和将来的趋势。 在精密仪器和机床的很多部分，要经过反复的祥和作用来达到最后的精度。由于误差会产生几何学、运动学和动力学的影响，每一个部分都会影响到整体的精度。尽管 5 实行 了这些影响因素的相互作用在整个系统活动中有重要作用，但这里主要是分离的介绍这些因素。 整篇论文的术语：仪器和机器都用来表示一种仪器。度量衡学的术语根据“国际大众度量衡学术语词汇表”定义的。在精密设计中，相对于纯粹的度量衡学、精密定位和机床刀具路径，有关机器和仪器的更是关键信息。因此，下列给出的定义，是从上面提到的国际词汇表的扩大。 工的实际数量等级的理想等级之间的差别，描述了质量上的精度。 加工结果相联系的参数，描述可以合理的归因于数量的等级的离中趋势。 以从只是装置中 读出的指示度数的最小刻度。 .（加工结果的）重复性：在相同条件下成功加工相同量的结果间的差值。 不同条件下加工结果间的差别。 其他关于测量和制造机器的定义在 和 中分别给出， 布赖恩有关于“轴的旋度”的个别指导中描述了从 20年代 30年代末到现在的实际精密汽车转向节和周的检验模式 996。 何图 在最初的机器和仪器设计中，几何图是设计者对于及其所应具有的结构的意向。在最初阶段，几何图通常包括一些基本形状。例如，用圆柱体或管子表示轴，用梁或 者封闭的盒子结构标志支撑物，用平面或柱状表示导向部分。但是，在实际中，这些理想的形状不能被复制，由于受机床精度限制，直线永远不可能完全直，而且元也不可能完全圆。这里，仔细选择加工工序是应特别注意提高零件的精度。在加工过程中，越多运动的轴将导致更多的错误，尽管额外的轴的微小运动可能会对几何误差有一定的补偿。 精度不仅仅受肉眼的形状误差影响，也受肉眼偏差影响，例如表面光洁度。在整体加工中，这是很多应用中的必须因素。在接触关系中，磨对于表面光洁度的影响是明显的。夹住的部分间的联系对表面光洁度的影响就不太明显，但是 当刚度、阻尼、磁滞和热传导率和热扩散型等性质相关时就是必需的了。几何图不仅在加工过程中修改，如果没有足够的隔离（例如隔振、隔热），几何图就会受环境影响，例如，大部分材料的元件，在温度变化影响下的膨胀和变形，对于未加封的的自然花岗岩，它结构的形状取决于水汽的进入。其他一些影响几何图的因素有：振动、电器和磁场。很多材料的使用 6 寿命取决于空间的变化。 同样介绍了非理想的形状，因为实际上机器时有很多零部件装配而成的。这里，对形式和力的接近的解释和单块结构和用螺钉或胶合的装配结构间的选择的考虑是必要的。在装配时，零部件 可以用非常精确的特殊机床加工 ，尽管在接触面的滞后作用可以会对整个在现性产生消极影响。在传统形式中，对于闭环装配部件要有窄的公差，否则会产生反接力，在错误测量情况下，就会在装配时引入搞得不明确的压力。力的封闭结构从另一方面解决了这个问题，它采用静态联系方法，例如运动学的、半运动学的或者未运动学的 设计联系，因此，大大减小了几何形状误差，甚至在力封闭结构中，一些几何误差，例如：导向轴方形误差和平面误差将会影响整个精度。但是这些误差都是可以减小的，而且有可能采用软件补偿来减少。 由于机器的机械结构的刚度 有限，所以几何位置在有载荷的情况下就会发生变化。特别是党在和产生的位置和尺寸的变化时，将严重的影响机器的工作。当有了正确的模型，这些误差都可以预测和弥补 。 另一个关系到几何图的问题是：工件的定位。对于加工和测量机床，工件的定位必须保证在夹具内不产生变形。同时，工件必须牢固的固定在机床的框架或工作台上，而且，特别提到的是：在加工时，工件的热膨胀不能产生过大的压力。关系到定位问题的是：在高精密仪器重要是应传感器的衬垫物。这就是运动的和半运动的设计重点。 动学 机床往往不是静止的，用运动学关系来描述 就是：不同的部分有不同的运动。这些结构和机构的数学描述之描绘了理论发生什么，只基于理论长度、理论位置和理论圆弧的。但是，在实际中，这些因素都是在一定精度下保证的，因此，在实际的形式、速度和加速度等细节方面与理想的形式有所不同。 在现代机床中，位置是由多个机械部分联合产生的，例如，侍服控制系统中的促动器和传感器。促动器的公路和速度、传感器分析、控制方法和机械重现性等因素共同决定了规定方法的精度。在多于一根轴被控制的情况下，轴的同步性是影响精度的另一因素。例如，在铣圆弧外形时，要同时控制两个正交轴。 力学 事实上，机床不是静止的，包含有多个加速部分，意味着在加工过程中动力学效应将起到重要的作用。一个将相对位置不确定的加速度影响减到最小的方法是选择合适 7 的轮廓，例如，在第二引出物中不包含突涨的曲率，例如，用倾斜的正弦来代替抛物线。防止振动和错误运动同样可以有效的减少动力位置误差。零部件本身就可以按最小受力设计。若零部件是旋转的，对称结构就有利于减少不平衡，同时全部的惯性的都可以减小，直线运动时，应保持质量小，并且应尽可能靠近轴驱动。 另外一个决定机床对动力影响的因素是刚度。一般为了减小受力、增大刚度，不仅跟 材料的质量和种类有关，而且和分布也有关系。通常动力障碍有外部产生，例如地板和声音的振动。这些情况下，刚度、质量比对于减小输入相应是必需的。是机床和障碍隔离可以直接减小输入。 3. 设计原则 高精度机床的设计要经过很多人的分析。 描述了科学仪器的机械设计 922。 980。 986,1987,1997中定义了“十一条原理和技术”。 发表了 12个“精密仪器模型” 989基于这些调查，总结了第三和第五部分。 890年的 1890第一次发表：测量仪器一般是用来测量在作为附注的比例尺的延伸部分刻度的一条直线。这个原理也叫做调准原理 929，“ 967和“机械设计和尺寸度量第一原理” 979c。对于不能直线设计的情况重新说明， 位移测量系统所测量的位 移的功能点应在同一条直线上。如果做不到这一点，那么转变位移的滑动方法必须不受角度限制，或者角度数据必须作为 另一个测量基本原理是 979a,是这样定义的：“直线测量系统所测量的直线的功能点应在同一条直线上。”如果不是，那么转变测量的滑动方法必须不受角度限制，或者角度数据必须作为计算补偿。 图 在该系统中，使用中间体（ ），就可以在水平中间平面内在三个方向上避免产生 1998。这台机床也适用于 机床的直线误差不那么灵敏。 8 图 2动学设计 仪器的各个部分是固体的，但不是固定的。如果固体部分受到多于六个方向的力时，它将产生内应力，并且会受力变形，但是若不采用非常精确的微米测量，是无法确定的 1890。 达到高精度、低成本。 别是在度量 仪器方面。 对于一般的机床刀具设计的重要性，这不仅仅对使用者和减小变动有意义，也是对于经济加工而言 922 929对于当今精密加工运动学设计的重要性在 992中有详细地说明。 一条原理”中也强调了它的重要性。 有一位不那么世界闻名的是 1962年到 1985年，它同时是飞利浦电器的员工和恩加芬工业大学的教授。他的演讲 稿包括 200个看起来相对较 9 差的设计例子，在这些例子中，运动学设计是解决问题的关键。962 985其他一些介绍运动学设计的书有 992，992,994和 996。 运动学设计是从数学发展来的，它多少有些理想化，例如：固定不动的机体、笔直的线条、完美的圆和“点接触”等等。尽管如此，由于在原理上是正确的，所以这仍是机械设计的一个良好开始。运动学设计的基础是非常重要的，一般都采用波形 管998。图 典型的解决方法是利用一根细杆（如图 由于杆的长度有限，在被限制的方向上，向一边的位移就被限制了。采用折叠的两片板就克服了以上的缺点，并可达到相同的功能（图 图 包括了四根杆。 图 制单自由度运动 图 通过两个细杆（图 现或者利用一个铰接的金属板。 限制两个直线自由度和一个旋转自由度，例如，采 用三根杆（图 b）或者采用普通的金属板（图 10 图 制两个自由度的运动 图 制两个直线自由度 利用这些基本元素的组合，可制造运动机构或夹具。图 用三块铰接金属片限制平面的六个自由度，热中心在与铰接金属片的中垂线交点。 11 图 制六自由度和热中心 图 图 用三块折叠金属的 12 图 运动支撑 1997。利用这种方法，当接触刚度和表面正交时的摩擦只是轻微的减小时，沿表面的摩擦了大大减小。由于刚度和力的比增大，迟滞（ 标准的无铰接模型的 m. 图 用 循环 热循环的定义是：“在温度变化时，一条经过决定具体部件间相对位置的机械部件集合的路径， 原则上，热循环应尽量减小，以减小空间热斜率的影响。机床热循环中的热膨胀又通过两种方法：改变机床零件的有效长度或选择合适的热膨胀系数。定位的点和轴，可通过建立热中心来选择，如图 管热膨胀系数在 10991，但热膨胀的影响可通过测量不同温度下零件的膨胀程度988和选择合适的定位点建立相等的热长度来减小。 为了获得在空气调节装置大厅中 0.5/.1/991。热源 被限于机床内部或外部会导致机床温度外形的变化。由于相同的机床元件有不同的热时间，这可能会导致在热循环中的不等热膨胀（见 3 部分）。因此， 在它的关于机床刀具 1980的出版物中作为一个原理。就是：在热源处把热量带走。 开热源之后，利用一条规则可以减小热趋势。 根据 992，结构链定义为：“机械零件的装配，以保持指明的部件间的相对位置，一对典型的指明的部件是刀具和工件：结 构链包括主轴、轴承和轴套、导轨和机架、发动机和刀具、夹具。”从发动机到响应点的传动路径中全部机械零件和连接处，例如，最尾受动器（切削刀具或探针）或重力中心，必须具有高刚度以避免在改变载荷情况下的变形。机床或仪器的设计包括一个或多个结构链。 在一个认为是好的结构链设计中必须的是连续和平行路径的分离。在连续路径上，刚度不能突然变化。连续路径的改进方法是：通过把材料从最稳定的部分转移，从使最柔性的部分刚度增加。平行路径的改进方法则相反：改进刚度最大的部分 为了系统质量相等 到更柔性的平行路径。 由于物理限制， 一个封闭链系统的测量系统不可避免的在离最尾受动器一定距离处摄制。除了友好的结构链设计外，测量系统和最尾受动器间的路径必须尽可能是刚度大，以减小偏差，例如，减小路径长度，叫做“测量欢” 996。 度量结构是误差测量的参考结构，独立于机床基础，例如作用在度量系统上的外力必须是不变的 979b。 “分离结构”原理。 1998。实际上，力和位置信息路线是分离的概念，存在于旋转平面的设计中，如图 994。 在 989讨论了度量机构的历史，以解决机床零件的变形问题。第一次度量结构的例子是在很早以前的 883。最近的例子就是 979b,84年的 979a和 980,在图 982和989。 989议把度量结构尽可能的做小一些，以减小环境影响。979b建议要建立零漂移度量机构或利用温度控制度量结构的支撑面需和机床 14 基体的偏差中和轴在同一位置。 通过把正确的机械设计和闭环控制结合起来，可实现增大运动速度、精度和运动适应性。典型的例子有：压缩光盘播放器，高级 着伺服定位控制装置的发展，判断传动装置是如何 传递力的，以抵消惯性引起的力，例如刀具或者测量力、摩擦力等。如“十一条原理” 986,1987,1997中阐述的，动力应该安装在直接驱动轴的位置。如果不行，由轴引起的偏差 叫做动力补偿 包括机床导轨的动差。如果发动机和测量轴在旋转中心的同一侧，那么，导轨在它的可控性下合成旋转的影响会减小。 在很多 3中都用到了直立锻床。为了避免锻床的垂直导轨动力系统承受连续的力，就会用到力补偿，因此要除去马达中不期望的热量浪费。可通过和多途径得到连续的力 ，例如利用附加的质量，但以动力观点来看是不宜的。可取的是在压力或真空和“连续比率突变”下采用磁场作用，例如 997,998。依靠滑动的方法和可容许力的变化规范，一种形式的质量补偿比另一种更适合。一种减小 量分离，应用于很多 作用补偿 由于质量和机床固定部分的支撑刚度有限，驱动力引起的反作用力引起这些固定部分的运动 994， 997 例如 ： 快速刀具伺服切削 切削非旋转的对称表面 常见 的 减少几架震动的 方法有 ： 提高刚度和 机架质量或增加振动阻尼。 中提到了更多的方法。第一个例子是：在载荷和机架间相对的方向上增加质量。第二个例子是：同时发生的反作用力可以通过不需要严格定位精度要求的第二个发动机来抵消。 度补偿 以弹性元件为基础的仪器和机械由优势：实际的反冲和摩擦不会引起实质上的运动。弯曲部 分的尺寸是以允许的压力和严格限制定位运动的可制造性和必要性的合适的振动为基础的。但是，振动被材料的弹性极限何、弹性材料的刚度极限限制，产生和误 15 差成直线比例的相反的力。在这些例子中，驱动力变得太大而不能控制。他通过传动装置要求的垂直尺寸和作为机床结构障碍的热量的产生，弯曲部分作为一种有选择的设计可以省略或者清除不希望得到的力的影响这是对被动元件的最好做法的明显理由。提到的这种典型的方法被作为建立“负刚度”提到通过包括弯曲部分和旋转式直线弯曲阶段固定联给的装置，以获得接近于零件刚度的设计，这个问题就可以在增加复 杂性的代价下得到解决。 出了些建立负刚度的例子 985. 称 在 989推荐在机床元件的最大范围内，尽可能加入对称元件。例如质量和力的分布或者是刚度。包括全部的仪器和环境因素。在设计、制造、装配和加工一个精密仪器过程中，要权衡解决不对称所带来的问题在对对称进行改动。为了避免热不对称，包括机床元件的有效变形，应让热膨胀的热从中作为对称轴。 。为了解决由重力引起水平面不对称的影响，机床可用垂直装配，例如 983三次对 称 由 四 面 体 结 构 很 好 的 实 现 了 ， 例 如 ： 计的998,992,997报道了一些对称反对者 1995动能量不会由于不对称设计而减小，实际上经常会增大。 现性 根据第二部分给出的定义，重现性是指在相同的情况下机床的工作结果相同。机床工作可以使是 的测量工作也可以是机床刀具加工产品的工作。 993提出决定论共参考：在自动控制下 机床决定论地执行，作为设计、制造、和运行测试的正确的基本原则，基本理论是：自动刀具和测量机床安全像恒星一样重现，在我们能够理解和控制的范围内准许原因和影响关系。他们的门不是随机或是可能停电，任何事情的发生都是有原因的。而且原因简单的可以通过普通的判断力、好的度量和合理的资源投资而解决。事实上，重现性要求： 元件连接时，减小滞后现象 大轴承的系统刚度 括传热器的配件 16 重现性对于仿真是必 要的（第四部分），仪器的模型越相近，仿真就越好，软件的误差补偿范围就越大（第六部分）。这里 970。根据 他总结了对于典型物理定理的决定论本质的七个例外 993。这些里外都是针对与分子和原子质量级的，对于制造领域毫无实际意义。 如在第一部分中所提到的，在不远的未来，对于超精密机器的需求将上涨，于是，在该领域设计方法将会发生明显的改变。对精密机床运动的完全理解对于元件尺寸误差的预见是必要的 。通过把所有的元件误差全部加在一个误差聚存中。机床的设计者就可以预知所有机床的精度。 998,989。在最近出版的一本书 996中给出了当含机械和加工的很好概括。由于越精密的机器的发展一般来说是非常昂贵的，所以“准时生产”设计变得越来越重要。尽管设计构思的全面分析非常昂贵，三是通过设计阶段早期的系统的分析可以省下一大笔钱。机场和仪器的精度主要有以下五种误差源产生：运动偏差，热偏差，静态误差，动力误差和控制系统执行 误差（如图 从设计规范开始，可以通过理论设计，随后会随这个理论设计进行建模、方针和改进。然后可以画出流程图，表示出建模和仿真过程，同时有必要核对地否与功能特性相符。利用运动模型来判断运动误差的影响， 括热膨胀和扩散的刚度和强度。可利用简单弹性理论和热理论基础计算进行必要的验证。机床系统的动力方面包括惯性和刚度影响需要谨慎分析。同时，控制系统和机床系统必须进行调整，以使闭环系统具有良好的动力状态。图 计过程进行得越深入 ，就可以获得更详细的模型和仿真。以下简短的介绍了最重要的分析过程和方法。 通过优化一个精密机床或测量仪器的设计理论，误差模型方法主要在过去二十年发展起来的，该模型可用于预测运动误差。 993,995a,b。这些建模技术是以估计运动误差的影响为基础的，例如直线车厢、旋转平面和主轴。成功的应用矩阵参数预测和补偿弯曲偏差最早出现在 1972年 982。对于每根轴，运动误差都可以通过矢量法描述，直线误差矢量： T,旋转误差矢量： R,车 厢在结构链固定位置的旋转的影响可通过外部矢量：旋转矢量： 计算，这些矢量在 7 调节系统中有定义。这里，调节系统的起源和读取属于轴的矢量 括了机床轴之间矩阵误差的总和。指定机床位置的整个动力误差可以通过误差向量描述，可通过所有轴的误差来计算 995： dP(x,y,z)=(iR*iP+ 动力建模必须符合机床的结构链，例如，可以从共建位置开始，经过所有的元件和联结，在探针和刀具位置结束。旋转工作台和主轴可以和导轨箱采用相同的方法。在995中，建模技术应用于五轴的铣床。这种相对简单的方法迅速的给予设计者关于针对结构链中变化的设计方法的影响信息。 另外一个建模方法：用齐次变形矩阵描述动力误差，同样也得到广泛的应用。这里，误差参数 981,993,997。随后，介绍了高精密度设计所要求的第二种影响因素。 如众多便这说明的那样，热效应对精密机床和仪器的偏差有重要的影响967,976,979,990,991,992。在该领域 1968年和 1990年给 968,990。 大体来说，机床的温度外形可有一个不固定的结构 T=T(x,y,z,t)表示。由于这应用了空间和温度梯度与机械热量 的结合，机床的形状和尺寸会发生变化。特别是不固定因素会使误差很难估计。因此，大多数都尝试描述固定的状态T=T(x,y,z,)993,997a。这里，作为另一种方法，就无外力作用下的变形（否则建模很困难）而言，误差建模主要基于热循环中（大的）机床零件的膨胀和弯曲。960,997a。计算完膨胀和变形后，在 (x,y,z,)。在 993中，这个方法成功的应用于铣床，而且是热误差减小 70。 由于机床无可避免的有内部热源，有时必须用到不稳定描述 T=T(x,y,z,t)。通过这种关系，刀具和工件相对位置的热影 响就可以计算出来。如今，有限元和有限元建模技术得到广泛的应用 993。由于热主要由主轴驱动产生， 管如此，确定热边界范围还是很难的。与内部热源引起的失调相反，环境影响模型，例如敞开门，只能做到敏感，但做不到预测。 18 机床和仪器的结构链能被类似的静态力所影响，例如，改变慢速移动的机床部件的重量，轻微的改变切削力 995和又钢丝绳空气管和真空管引起的力。加速度理由更高的频率，将在下一段中讨论。 由于机床元件的刚度有限 ，例如轴承、主轴、箱体、包括齿轮齿条和联结，上述提到的力将会引起刀具和探针的位置误差。第一种方法，用以简单线性弹性理论或 今，可利用高级软件包如998对复杂平面结构、轴承、支承和单一材料和复合材料的 3 该领域一种有趣的方法在 997中有报道，他描述了在设计阶段早期进行综合 做：“实体样板”。 由于机床结构一般是由许多不同的零件装配而成的，可以被视为质量合理的复合体，所以整个结构须根据这些元件间的相互作用而行动。 974。关于这个项目出版了很多好的书，如 990. 由于大部分驱动系统都在质量中心上做直线运动，惯性将会引起机床部件的旋转，主要是由于齿轮系统和联结的刚度有限。在高精机床中，例如 3使是低的加速度也会给测量精度带来很大的影响。 机床的动力将会给系统工作带来很大影响，位置精度和跟踪精度会因为结构中的 机械阶跃响应而被大大减小。再加上到规和主轴惯性作用引起的轻微的加速度，振动状态取决于固有频率和阻尼大小（见 为了预知内部振动引起的偏差，对机床动力的建模分析是非常重要的，例如找出最低的固有频率和在一定的频率范围内机床结构的振动模型（由伺服系统的带宽限制）。重量轻的（动）刚度设计对于决定机床元件最低自然频率和静刚度是非常重要的。 机床结构中的传动装置的相互作用力将会引起不能允许的偏差，特别是对高精度机床入晶片步进器和非旋转对称零件制造应用的快速刀具伺服系统的 于机架的质量有限，和 地面的联结刚度有限，反作用力就会引起共振（见 995b, 997,997,997。图 对于复杂系统如切削机床和晶片步进器，对整个机床进行建模和评估会使效率很低 19 而耗时大。因此 997建议将整个系统按基础和元件成功的分割，分别对他们建模和分析。随后将这些模型合成一个整体系统模型，用于整个机床的固有频率和振动模型的外形分析。 动力模型，例如块状质量模型，对于分析选中的想法的动力 行为是很有帮助的。这个模型包括由一系列机械条件所联结起来的很多质量，可以用一套差分方程表示。模型还原技术 992984,997。为该目的，可应用 量惯性和重心位置。应用于 图 996a。 在大多数情况下，闭环控制系统应用于定位和多轴外形控制的机械系统。超精机床的闭环系统应用实例是 瓷 导轨机床、晶片步进器和光盘操作题。为了获得好的动力行为，控制方法要和机械系统的动力很好的配合。控制系统的优化设计依赖系统的行为例如它的固有频率，摩擦系数和其他干扰力。 一般情况下，控制系统包括位置和速度反馈，有时在一些高级加工中还加入了速度和加速度前馈控制（见 如 991中所表明机械设计主要决定被控系统的等级。自由度度越多，模型的等级就越高。 997提出三种主要的动力影响源：传动装置的复杂性、导轨系统的复杂性和机架的质量和刚度，若引入多的自由度，所有这些 因素可能会使被控系统的等级提高。在 991中描述了一种传动装置等级模型（两个自由度）。它是描述机械闭环系统动理性尾最小河最大众的等级。 . 2). N. S. W. s at of or to of is to or to on is to of an is in by on is to to a In s of by or or he to K. . . . . . . . . . . . . . . . . . X. . in at of a is on 0 is as It be as is to 19871, 19891, 19911, 19941. is by in 958, to on a 19961 an of a An of a is to of C on of a a be by as a in to be to to to be is 19931, To to to be to 1989, 19971. as a an in TM of be at so be as as of 47/2/1998 557 be 19911 19941, 19961. in in 19961. be in of on as a a it is of a on in An is 19891. 9th in of of In 0th of of by of of An of in SA is 19831. be He to 4979is of 1989, 19971, in 1 1 n a of 19901 950s 19801. as 875. a in of a in 19941. An of is in 19961. As an be 19921. So we is an 19871, 19891 by 19831 19961. is in in in be by C at a on by so in a in of be in to of is a of in 2. of n to a to to by in an in we on 558 be to an to of in 0 of an of an a of is a of an of an of be to of be of of of of of of of of as as 19931 S0 in of 930s 19961. 0 0 0 0 n of s on to In of or or or In be be to a of of 19981. In an be of is by of a by is an in In of on is of on is is (be by of of on in of to or as as or In of be on 19981, at In of in of a be on by 19981 or 19921 on in of be by to of a a if in as is be 19951. to is of be in a it is by At be to or in of of be to to of in is or an to be by of in on In a be to In by a of as of In is of is An is of a by 559 he a in An of of on is by no in an of a or is in be In of is of be In of be as of as 1973971 ( of a to is in it is of it is In to is in to 3. of by a of of in 19221. a of 19801. 1986, 1987, 19971. as 1989On of 890 18901: is to be is a of on as . is of 19291, 1964, of 19791. As a to it is to in a A be in of or is to be If is be of or be to of of is 1979A be in at is If is be of or be to of a 3( in by A ), in in 19981. as of 3to a of If a is in it be to or in a it be to 目 录 1 绪论 1 题研究背景及目的 1 内外发展状况 2 1 . 3 毕 业 设 计 任 务 与 论 文 组成 5 2 数控平面磨床总体设计 7 2 床简介 7 2 床 技 术 规格 7 要结构及说明 9 2 . 4 磨 床 总 体 传 动 设计 10 2 . 5 磨 床 总 体 布 局 设计 10 3 理论计算 12 率计算 12 3 . 2 电动机选用 14 珠 丝 杆 副 选 用 与 校核 14 齿轮尺寸计算 18 4 机构设计 20 4 . 1 传 动 部 件 设计 20 轨设计 23 构设计 25 5 硬 件 电 路 设计 26 6 机床设计方案的改进 29 结论 30 致谢 31 参考文献 32 附录 33 精密数控平面磨床 工作台纵向进给、横向进给机构设计 摘 要 本文对所设计的磨床作了详尽的论述，分别从精密数控平面磨床的总体布局、横向进给、纵向进给和硬件电路设计等几个方面进行了阐述。 绪论：介绍该课题研究背景和国内外发展状况，以及此次毕业设计的任务。 数控平面磨床总体设计：简单介绍了此次设计的数控平面磨床，给出该数控平面磨床的技术规格和主要结构及说明，并说明了磨床的总体传动设计和总体布局设计。 理论计算：包括机床功率的计算，电动机选用，滚珠丝杆副选用与校核以及锥齿轮尺寸计算。 方案设计：详细说明了精密数控平面磨床的传动部件设计和导轨设计的要点和要求，并提出纵向进 给机构和横向进给机构的设计方案。 硬件电路设计：详细说明了硬件的选用和电路的连接。 最后，针对本设计中不够完美的地方的改进想法，以及对本次毕业设计的总结和对我国超精密发展方向进行了展望。 关键词 ：平面磨床，数控，纵向进给，横向进给 a of of is a of of It of in of F It a to of of of of of It of of of of of of It of of of F of of at In of of it to a of of in 湘潭大学兴湘学院 毕业设计说明书 题 目： 数控精密平面磨床进给系统的设计 专 业： 机械设计制作及其自动化 学 号： 2008963327 姓 名： 谌 阳 指导教师： 张 高 峰 完成日期： 2012 年 5 月 17 日 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）评阅表 学号 2008963327 姓名 谌 阳 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 数控精密平面磨床的进给系统 评价项目 评 价 内 容 选题 现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的； 量是否适当； 研、社会等实际相结合。 能力 合归纳资料的能力； 究方 法和手段的运用能力； 论文 （设计）质量 述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 无观点提炼，综合概括能力如何； 无创新之处。 综 合 评 价 该同学的论文选题符合培养目标要求，能体现学科专业特点，达到了综合训练的目 的。该生具有一定的文献查阅、综合运用专业知识的能力，基本上能在设计工作中运用所学知识，毕业设计设计方案可行，工作量饱和，态度比较端正，研究内容具有一定的实际应用价值。 评阅人： 2012 年 5 月 28 日 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 2008963327 姓名 谌 阳 专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 49 页 图 表 9 张 论文（设计）题目 ： 数控精密平面磨床的进给系统 内容提要： 本文对所设计的磨床作了详尽的论述，分别从精密数控平面磨床的总体布局、横向进给、纵向进给和硬件电路设计等几个方面进行了阐述。 绪论：介绍该课题研究背景和国内外发展状况，以及此次毕业设计的任务。 数控平面磨床总体设计：简单介绍了此次设计的数控平面磨床，给出该数控平面 磨床的技术规格和主要结构及说明，并说明了磨床的总体传动设计和总体布局设计。 理论计算：包括机床功率的计算，电动机选用，滚珠 丝杆副选用与校核以及锥齿轮尺寸计算。 方案设计：详细说明了精密数控平面磨床的传动部件设计和导轨设计的要点和要求，并提出纵向进给机构和横向进给机构的设计方案。 硬件电路设计：详细说明了硬件的选用和电路的连接。 最后，针对本设计中不够完美的地方的改进想法，以及对本次毕业设计的总结和对我国超精密发展方向进行了展望。 指导教师评语 指导教师 ： 年 月 答辩简要情况及评语 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日 目 录 1 绪论 1 题研究背景及目的 1 内外发展状况 2 业设计任务与论文组成 5 2 数控平面磨床总体设计 7 床简介 7 床技术规格 7 要结构及说明 9 床总体传动设计 10 床总体布局设计 10 3 理论计算 12 率计算 12 动机选用 14 珠丝杆副选用与校核 14 齿轮尺寸计算 18 4 机构设计 20 动部件设计 20 轨设计 23 构设计 25 5 硬件电路设计 26 6 机床设计方案的改进 29 结论 30 致谢 31 参考文献 32 附录 33 精密数控平面磨床 工作台纵向进给、横向进给机构设计 摘要 本文对所设计的磨床作了 详尽的论述，分别从精密数控平面磨床的总体布局、横向进给、纵向进给和硬件电路设计等几个方面进行了阐述。 绪论：介绍该课题研究背景和国内外发展状况，以及此次毕业设计的任务。 数控平面磨床总体设计：简单介绍了此次设计的数控平面磨床，给出该数控平面磨床的技术规格和主要结构及说明，并说明了磨床的总体传动设计和总体布局设计。 理论计算：包括机床功率的计算，电动机选用，滚珠丝杆副选用与校核以及锥齿轮尺寸计算。 方案设计：详细说明了精密数控平面磨床的传动部件设计和导轨设计的要点和要求，并提出纵向进给机构和横向进给机构的设计 方案。 硬件电路设计：详细说明了硬件的选用和电路的连接。 最后，针对本设计中不够完美的地方的改进想法，以及对本次毕业设计的总结和对我国超精密发展方向进行了展望。 关键词 ：平面磨床，数控，纵向进给，横向进给 a of of is a of of It of in of F It a to of of of of of It of of of of of of It of of of F of of at In of of it to a of in 1 第 1 章 绪论 题研究背景及目的 题研究背景 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。同时，随着社会进步，人们对加工精度的要求越来越高，对精密和超精密加工的需求也日益增多，精密加工广泛的应用于制造生产中，对机床精度的要求也进一步提高。磨削是一种重要的精密和超精密加工方法，因此磨削的应用也愈加广泛。磨削加工技术是先进制造技术中的重要领域，是现代机械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。 精密、超精密加工技术市场是国家尖端技术集中的市场，它既是高代价、高投入的工艺技术，又是高增值、高回报的工艺技术，世界工业先进国家都把它放在国家技术和经济振兴的重 要位置 1。 当今，在光学和电子零件加工中，都力图提高精度和集成度，不仅是零件加工，而且对作为精密模具、机械零件、测试仪器零件最终加工工序的磨削加工也提出了超精密化的要求。此外，随着新材料的开发，陶瓷等作为结构零件材料在某些特殊场合已经得到了应用，这些新材料均属于难切削材料，其结果不仅提高了磨削的比重，而且还促进了磨床、磨削加工方式和工艺以及其它相关技术的 发展 。 随着以工程陶瓷为主体的非金属材料逐渐成为工程技术重要材料，各国还开发了适应加工这类工程陶瓷的超精密平面磨床。陶瓷材料的特点是硬而脆，其硬度是碳钢 的 10 倍，而断裂韧性仅为碳钢的几十分之一。陶瓷材科的性能对粗糙度、破损度、平面度等平面参数十分敏感。陶瓷材料的磨削机理与金属材料不同，主要有三个特点：砂轮损耗大，磨削比低 3 磨削力大，磨削效率低 3 由于磨削条件不同，会使加工零件的强度发生变化。 根据以上这些特点，各国都致力开发了适合进行纳米磨削的超精密平面磨床，并且进行了脆性材料的可延性磨削技术的研究。 随着社会的不断发展，高效是各个生产商不断追求的目标，数控技术得到推崇。 2 当今，磨削加工技术的发展趋势是向着采用超硬磨料磨具，发展高速、高效、高精度磨削新工艺，装备 控磨床的方向发展。 题研究目的 本次设计目的是设计一台精密数控平面磨床，精度等级为 1 m ，用砂轮周边磨削平面，也可以磨削台阶平面。能用于机械制造业及工具模具制造业，能加工各种难加工材料 (如陶瓷材料 )。 内外发展状况 超精密加工技术是以高精度为目标的技术，它具有单项技术的极限、常规技术的突破、新技术综合三个方面永无止境的追求的特点。 实现超精密加工的主要条件应包括以下诸方面的高新技术：超精密加工机床与装、夹具；超精密刀 具和磨料，刀具刃磨技术；超精密加工工艺；超精密加工环境控制（包括恒温、隔振、洁净控制等）；超精密加工的测控技术等。毫无疑问，超精密加工机床技术是最关键的技术，它直接代表了国家制造业的水平 1。 大学和研究所保持着对超精密机床研究的持续热情，对高技术进行超前研究，并使得研究型超精密试验机床尽可能采用高技术作产业的先导，对超精密机床产业化和商品化起着推动作用。 美国 验室开发了一系列超精密试验研究型机床， 1984 年研制成功的大型光学金刚石车床 至今为止精度最高的大型超精密机床 2。该机 床可加工直径为 量 工件。采用高压液体静压导轨在 围内直线度误差小于 m （在每个溜板上装有标准平尺，通过测量和修正来达到）。m （用氦屏蔽光路的激光干涉仪来测量和反馈控制达到）。主轴溜板运动偏摆小于 (通过两路激光干涉仪测量 ,压电陶瓷修正来实现 )不与机床联结 ,油喷淋冷却系统可将油温控制在 20 C 推力可达 1360N，运动分辨率达 m 。 在商品化实用超精密机床方面，世界上最负盛名的是英国的 公司生产 个系列的超精密机床。典型产品 3 床采用空气静压主轴，其径向、轴向刚度分别为 88MN/m 和 62MN/m，径向和轴向精度 m ，采用液体静压捣鬼，水平和垂直线度分别为 250250位精度为 250控系统采用 辨率为 m 。测量系统采用光栅迟或激光干涉仪，分辨率分别为 工型面精度达0.2 m ，表面粗糙度m 。 美国洛切斯特大学光学中心（ 3开发了 列的超精密光学加工机床； 精机床系列设备包括： M 平面抛光机床， M 棱镜加工机床。 2000 年开始进行“保形光学制造技术”的研究，开发了 50球加工机床； 流变加工机床等。 英国的 学的精密工程研究所研究的 轴 精密磨床 4、 600 非球面光学零件车窗和大型超精密金刚石镜面磨床，是超精密机床研究的先锋。 1超精密磨削及磨粒加工工艺技术 当前精密磨削是指被加工零件的加工精度达 10.1 m ，m 的加工技术。超精密磨削的加工精度小于 0.1 m ，表面粗糙度 磨床定位精度的分辨率和重复精度小于 m 。现在超精密磨削正从微米、亚微米（ 10.1 m ）的加工向纳米级 m32 1010 加工发展。用磨具进行磨削和用磨粒进行研磨和抛光是实现精密及超精密加工的主要途径。用于超精密镜面磨削的树脂结合剂金刚石砂轮的磨料平均粒径可小至 4 m ，使用 20超微细磨粒的磨片，所磨削加工的集成电路板的沟槽边沿 没有崩角现象；用铸铁结合剂粒度为 #8000 的、金刚石砂轮精磨面，表面粗糙度可达本还用激光在研磨过的人造金刚石上切割出大量等高性一致的微小切削刃，对硬脆材料进行精密加工，效果很好。对极细粒度的模具而言，砂轮锋锐性的保持是一个大问题。金属基微细超硬磨料砂轮在线电解修整（ 术，很好地解决了这一问题。用 60008000 目粒度的钢结合剂金刚石砂轮和 术精磨 )4(100 硅片，去除率为 3 m ，平面度为 6/ 5。 4 2超精密机床轴系的研究与发展 气浮主轴的最大优点是回转精度高。由于气浮误差均化效应，通常主轴回转运动精度比主轴加工的圆度精度要高出 35 倍。主轴和电机采用一体化结构直接驱动。电动机与株洲的动平衡问题，电动机电磁振动消除、电动机热消除、主轴热伸长补偿以及新型气浮结构设计与制造等都是一直在研究改善的问题。为了提高主轴的径向和轴向刚度，采用半球型气浮主轴如德国 司 列气浮轴承。为了进一步提高回转精度和刚度，近年来很多人研究控制节流量反馈方法来实现运动的主动控制。 最近，用电磁技术和气浮结合的控制方法也在研究之中。但电磁技术的缺点很多，如热效应严重等，还不能达到很高精度。日本学者 6研究了一种用永磁体加压电陶瓷微位移驱动和电容传感器位置测量的方法来改善气浮主轴的精度。主动控制增加了系统的复杂程度和降低了可靠性，目前尚不到使用的程度。但使用永磁体增加止推气垫的刚度的成功实例并不少见，这种气磁轴承和加开真空负压槽的真空吸附加强型气浮轴承相似。这种综合轴承在一定程度上可改善 气浮轴承的动态特性，如增大阻尼。 3超精密驱动技术的新进展 为了获得高的运动精度和运动分辨率，超精密导轨直线运动的驱动对伺服电动机的要求很高，既要求有平稳的超低速运动特性，又要又大的调速范围，好的电磁兼容性。美国 司的 列直接驱动伺服执行器，输出力矩大，位置控制分辨率高达 1/640 000。主轴驱动电动机可以采用印刷板电动机，它的惯性小，发热量小。 精密滚珠丝杆式超精机床目前采用的驱动方法，但丝杆的安装误差、伺杆本身的弯曲、滚珠的跳动及制造上的误差，螺母的预紧程度等 都会给导轨运动精度带来影响。通常超精密传动机构应有特殊设计，例如丝杆螺母与气浮平台的联结器应保证轴向和滚转刚度高，而水平、垂直、俯仰和偏转四自由度为无约束的机构，电动机预丝杆的联结器也应采用纯扭矩无反转间隙的联轴器。 气浮丝杆和磁浮丝杆可进一步减小滚珠丝杆的跳动误差和因摩擦和反向间隙引入控制系统的非线性环节。俄罗斯研制的气浮 /磁浮丝杆 78其电磁丝杆的传动主要指标如下：丝杆直径 62距和螺纹齿高 4扣宽度 1隙 =载能力和静刚 度分别为 700N 和 75MN/m m 。 司的超精密车、铣床 i 就采用了面节流式空气静压丝杆螺 5 母副。 超精密加工的意义重大，我国超精密加工技术的发展要赶超世界先进水平，就应优先考虑适度、稳定高精度的战略。最求高精度从理论上是无穷尽的，但根据我国国情，选择适当的投入 /精度比，追求适度、稳定高精度，依靠自己的力量开发廉价化的超精加工技术。 业设计任务与论文组成 业设计任务 1 设计一台精密数控平面磨床，用砂轮周边磨削平面，也可以磨削台阶平面。能用于机械制造业及工具模具制造行业，能加工各种难加工材料； 2确定磨床的总体方案 3工作台纵向进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杆副设计计算，绘制纵向进给机构的机械结构装配图；绘制相关零件图； 4工作台横向进给机构设计，绘制横向进给机构机械结构装配图； 5磨床床身立柱的设计（选做）； 6磨床微机数控系统的硬件电路设计； 7翻译指定的英文专业文献； 8撰写毕业设计论文（说明书）。 文组成 论文由以下几章组成 1绪论： 介绍课题研究背景和国内外发展状况，以及此次毕业设计的任务。 2数控平面磨床总体设计：简单介绍此次设计的数控平面磨床，给出所要设计的数控平面磨床的技术规格和主要结构及说明，并说明了磨床的总体传动设计和总体布局设计。 3理论计算：包括机床功率的计算，电动机选用，滚珠丝杆副选用与校核以及锥齿轮尺寸计算。 4方案设计：详细说明了精密数控平面磨床的传动部件设计和导轨设计的要点及要求，并提出纵向进给机构和横向进给机构的设计方案。 6 5硬件电路设计：详细说明了硬件的选用和电路的连接。 6机床改进：针对本设计中不够 完美的地方的改进想法。 7结论：包括这次毕业设计的总结，和对精密数控平面磨床的发展方向进行了展望。 8致谢 9参考文献 7 第 2 章 数控平面磨床总体设计 床简介 本次设计是一台精密数控平面磨床，它除了可以磨削平面外，还可以磨削台阶平面，不仅适用于机械加工行业亦适用于模具行业。它采用机电一体化设计原理，通过采用 珠丝杆副，数控系统等措施保证加工精度。 该精密数控平面磨床主要包括磨头及垂直进给系统、工作台纵向及横向驱动系统、床身及防护罩装置、冷却及 润滑系统和数控系统五大部分。该机床的磨头为普通平面磨床磨头，垂直进给的高精度由丝杆副和数控系统来保证。该机床的横向驱动系统及纵向进给机构采用滚珠丝杆加交流伺服电机驱动，提高加工精度。纵向进给导轨镶装塑料，以降低摩擦系数，提高耐磨性和抗撕伤能力，并防止低速时出现爬行。该机床的冷却系统包括磨削液冷却、强制过滤等装置。为减少磨削液对砂轮制功功率的损耗，冷却压力为 2 机床的总体布局分为十字拖板型，拖板上下纵横导轨均为双 V 型滑动导轨，工件摩削平面的形成由工作台的纵向运动和拖板的横向运动而成，磨头仅做垂直上下运 动。 工作台纵向运动由伺服电机带动，拖板横向运动也有伺服电机驱动。通过一对减速齿轮传动，滚珠丝杆转动而使拖板横向往复运动，磨头垂直导轨为立柱前后导轨形式的贴型滑动导轨，磨头主轴系统为前后各为双联成堆高精度滚动轴承结构。主轴的旋转运动由伺服电机驱动，通过柔性连轴器使主轴运转，磨头的垂直运动是由伺服电机驱动蜗杆、涡轮传动与其向啮合的螺旋齿轮，转动与螺旋齿轮刚性连接的丝杆副的螺母而使与丝杆固定联结的磨头做垂直运动。 本级床为高精密数控机床，几何精度、工作精度很高，性能可靠性稳定，垂直进给、横向进给 、纵向进给具有数控系统，进给灵敏度、准确度高，磨削自动化程度高，当每次自动磨削循环结束，工作台始终停止在纵向运动的右端 床技术规格 1工作台面尺寸 200 630加工范围： 最大磨削尺寸（宽长高） 200 630 3808 最大工件载重量（包括电磁吸盘） 130工作台： 最大纵向行程 750大横向行程 220 型槽数和槽宽 4 14工作台纵向运动： 进给速度 5m/手动进给手轮每转 180拖板横向运动： 连续进给 m/动机给手轮每转 5轮每格 进给手轮每大格 磨头垂直运动： 砂轮主轴中心线至工作台面之距 160480轮转速 3000r/磨头垂直快速升降速度 400mm/ 磨头垂直自动进给量 小进给量 动进给旋钮每转（ 1/ 10/ 100） 钮刻度（ 1/ 10/ 100） 速进给 400mm/砂轮尺寸： 外径 200度 25 32 8占地空间： 长 2405 15939 高 1786床重量 2000要结构及说明 头 磨头主轴的转动，由主轴电机通过柔性联轴器驱动具有前后支承均为成对高精密滚动向心推力球轴承而使砂轮转动。 直进给机构 由伺服电机驱动蜗杆，传动与其相啮合的螺旋齿轮，转动与螺旋齿轮刚性联结的丝杆副的螺母，移动丝杆使与其固定联结的磨头体垂直运动。 垂直运动具有数控系统基础，进给有自动与手动。 1自动 快速运动 按住点动式快速上升键，磨头上升，当释放时磨头停止上升，按住点动式快速下降键，磨头下降，当释放时，磨头停止下降，其运动速度为 400mm/ 点发进给运动 点按点发进给键，每次进给量为 自动进给运动 在自动磨削时，分粗磨、精磨和无 进给磨削，量分级任意选择，且具有预置和粗磨、精磨和无进给磨削次数的自动转换，当无进给磨削次数结束，工作台固定的在右端停止，在磨削过程中有数字显示。 2手动 手动进给由手动脉冲发生器控制器进给量，根据需要任意选择既定的定量分级的进给，其进给量为 。根据预先选择的进给量和转动、手动脉冲发生器就可获得所选择的进给量。 调整用手动机构，在床身后面，在与伺服电机相联接得蜗杆轴上装有一直齿齿轮，转动相啮合的另一锥齿轮轴， 通过蜗杆螺旋齿轮副和垂直丝杆副可获得磨头上下调整已动，在平时，锥齿轮对始终处于非啮合状态的拓开位置。 向进给机构 10 拖板（或工作台）横向进给运动可分为手摇进给、手动微动进给和自动进给。 1手摇进给时应将捏手松开，使斜齿轮与手轮空转，然后将手轮向前推，使齿型离合器相接合（此时拉杆以将齿轮副脱开）摇动手柄，经手轮、轴、联轴器，转动滚珠丝杆，使滚珠螺母移动，带动拖板做横向进给运动。 2手动微动进给 基本上与手摇进给相同，此时应将捏手拧紧，使斜齿轮与手轮结合在一起，然后使 齿型离合器接合，转动蜗杆上的捏手，经蜗杆、斜齿轮啮合传动轴，其余传动与上面相同，微动把手上的最小刻度值为 米。 3自动进给 自动机给的动力为伺服电机，在它的输出轴上装有齿轮，经与它啮合的齿轮而传动轴（此时应将齿型离合器分开）经联轴器使滚珠丝杆转动，滚珠丝母是紧固在拖板上的，因此式拖板做横向自动进给，横向进给量：断续为 2 毫米 /次，连续为 米 /分。 向进给机构 拖板（或工作台）纵向进给运动可分为手摇进给和自动进给。 1手摇进给时应将捏手松开，使斜 齿轮与手轮空转，然后将手轮向前推，使圆柱齿轮和托板上的齿条相捏合（此时拉杆以将齿轮副脱开）摇动手柄，经手轮带动圆柱齿轮转动，圆柱齿轮和尺条捏合带动拖板做纵向进给运动。 2自动进给 自动机给的动力为伺服电机，在它的输出轴上装有齿轮，经与它啮合的齿轮而使滚珠丝杆转动，滚珠丝母是紧固在拖板上的，因此式拖板做纵向自动进给，纵向进给量 5m/ 床总体传动设计 磨床总体传动图，见图 详见 号图） 床总体布局设计 磨床的总体布局图，见图 (详见 号图 ) 11 图 密数控平面磨床传动系统图 图 密数控平面磨床总体布局图 第 3 章 理论计算 12 率计算 如下图 示： 图 削力示意图 切向磨削力 (N)； m/s）； m/ 由于本机床既要求能加工普通钢材，又要能加工硬脆陶瓷材料；所以计算切削功率时分为两种情况。 （ 1）当磨削普通钢材时，平面磨削力的公式为： 28282 w sa v v9 （ 由公式（ ： 28282 w sa v v 0 . 8 6 0 . 4 4 1 . 0 62 8 2 8 2 0 . 0 2 2 5 3 1 . 4 105N 其中 磨床加工的最大磨削量； 13 25 为磨床工作台最大进给速度； 由经验公式 9可知：径向力000N 砂轮所受的的轴向力很小，在这里忽略不计。 纵向进 给机构所受的垂直力 1F 等于砂轮所受的径向力，由于实际中 角很小，所以纵向机构所受的轴向力 2F 约等于砂轮的切向力。 纵向进给机构轴向所受的合力为： 21 )( 9 (由公式（ ： 21 )( )(1 0 5)5 0 0101 0 0 0( =向进给机构的切削功率为： 当磨削硬脆材料时，在同样的工作条件下，根据以往的经验，1000N，nF/0, 0N, 纵向进给机构轴向所受的合力为： 21 )( 9 （ 由公式 (得 14 00101000()( 21纵向进给机构的切削功率为： 0 动机选用 综合以上两种磨削方式，选取磨削功率于机床设计选择的数控系统是西门子 ，所以选择与选择与西门子数控系统相匹配的 服电机。 珠丝杆副选用与校核 1工作寿命选择 查表取 5000h9 2等效负荷和等效转速 等效负荷计算 导轨摩擦力： W9 （ 由公式（ 得 W =5000 =500N 轴向力： 1000N 切向力： 105N 00+1000+100=1605N 等效转速计算 伺服电机最高转速 000r/15 丝杆转速 0005230=2143r/杆导程 ，取 2丝杆转速 快速移动 2143r/般加工 800r/密加工 400r/整 50r/效转速 m i n/52010025501004040010030800100 52143 rn m 3丝杆选择 等效轴向动负荷 查表得 8.0 （ 由公式（ 3161060 0 16 查表选择插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，型号为 ，5837N， 6808， 51，螺母长度 L=151程为 45 螺纹长度 90991452151750 支承跨踞 1001 丝杆全长 200 采用 支承，丝杆一般不会受压缩力作用，可不校核压杆稳定性。 丝杆弯曲振动临界转速： 16 222299 10 9 （ 查表得 f 901200452151750 由公式（ m i n/2143m i n/24 3 2 预拉伸量：取温升为 C 螺纹伸长量： 1 9 （ 由公式（ 1 m 丝杆全长伸长量： 19 （ 由公式（ 1m 取预拉伸量 预拉伸力： 9 （ 由公式（ 17 0 04 4 1 4 3 126 4轴承选择 采用成对 60 接触角推力球轴承为固定端，轴承型号 7304C。其尺寸参数为： d=20=52Z=13，术参数为： C=29200N 0C=28000N 计算轴承动负荷 C： （ 式中 寿命系数 转速系数 3 10500f 9 （ 由公式（ 3 10500f 3 3133mn 9 （ 由公式（ 18 3 3133mn 把hf、公式（ =24947N 28000N 满足强度要求 9 齿轮尺寸计算 10 分锥角 r c ta r c ta 大端分度圆直径 ee 1=30 3=90mm ee 2=52 3=156锥距 11 ee =90/宽系数 R =1/3 齿宽 b= R1/3) 0 大端齿顶高 ea 1( 11 =1 3=32 大端齿根高 ef 1( 1*1 =（ 1+ 3= 19 ef 1( 2*2 =（ 1+ 3= 全齿高 2 =（ 2+ 3= 齿根角 r c t a na r c t a n 11 h r c t a na r c t a n 22 h 齿顶角 2 9 2 7 1111 c o 3 2222 c o 56+2 3 20 第 4 章 纵向进给机构设计 动部件设计 给传动系设计应满足的基本要求 进给运动的传动质量直接关系到机床的加工性能，故对进给运动有如下要求： 1具有足够的静刚度和动刚度； 2具有良好的快速响应性，做低速进给运动或微量进给时不爬行，运动平稳，灵敏度高； 3 抗震性好，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪音； 4具有足够宽的调速范围，保证实现所要求的进给量（进给范围、数列），以适应不同的加工材料，使用不同刀具，满足不同的零件加工要求，能传动较大的扭矩； 5进给系统的传动精度和定位精度要高； 6结构简单，加工和装配工艺性好。调整维修方便，操纵轻便灵活。 11 7消除传动间隙，进给系统的传动间隙（多指反向间隙）存在于各传动副和各联结结构中，直接影响机床的加工精度。为尽量消除其影响，应采用消隙传动件和消隙联系结构； 8速度稳定性要好，进给部件 在低速运动时，不产生“爬
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