【JX318】锯片刀具工具磨床进给系统设计[FY+RW]
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【JX318】锯片刀具工具磨床进给系统设计[FY+RW],jx318,刀具,工具,磨床,进给,系统,设计,fy,rw
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微透镜阵列注塑成型的复制 D. S. T. H. 航科技大学 (机械工程学院 1, 790子邮箱 l: 要 微透镜阵列注塑成型，可作为一种非常重要的大量生产技术。因此我们在近来的研究中非常关注， 为了进一步了解注塑成型在不同的加工条件下对可复制的微 透镜阵列剖面的影响，如流量、填料压力和填料时间，对 3 种不同的高分子材料 ( 行了大量的试验。 镍金属模具嵌件微阵列就是利用改良的 术电镀主装配的显微结构制造的。在表面轮廓得到测量的前提下，研究工艺条件对可复制的微透镜阵列的影响。 实验结果表明， 填料 压力和流速对注射模塑的终产品的 表面轮廓有重要的 影响。 原子力显微镜测量表明， 微透镜阵列注塑成型的平均表面粗糙度值小于模具 嵌件成型 ， 并在实际运用中，能与精细的光学元件相媲美。 1 说明 微型光学产品，如微透镜或微透镜阵列已广 泛应用于光学数据存储、生物医学、显示装置等各个光学领域。微透镜和微透镜阵列不仅在实践应用上，而且在微型光学的基础研究上都是非常重要的。有几种微透镜或微透镜阵列的制作方法，如改良的 术 1 ，光阻回流进程 2，紫外激光照射 3等。还有复制技术，如注塑模压成型 4和热压 5技术 ，这种方法对于减少大规模生产的微型光学产品的成本尤为重要。由于其优越的生产和再生产能力，只要注塑成型过程中能很好的复制微观结构，那么肯定是最适合于降低大量生产成本的方法。 基于这点，检查注塑成型能力并确定成型加工条件是 注塑成型微观结构过程中最重要的步骤。在本次研究中，我们考察了工艺条件对可复制的微透镜阵列的注射成型的影响。微透镜阵列是用之前介绍过 6， 7的改良的 术来编制的。注塑成型实验采用的是一种镀镍金属模具，来探讨了几种不同工艺条件对成型的影响。通过对微透镜阵列的表面轮廓测量，用来分析工艺条件产生的影响。最后，利用原子力显微镜 (量微透镜的表面粗糙度值的大小。 2 模具 嵌件的制造 利用改良的 术 6， 在一个有机玻璃板上制造出具有几种不同直径微透镜阵列。此种技术是先用 X 光照射有机玻璃板，然 后再进行热处理两部分构成的。 时降低了玻璃化转变温度，并因此导致净含量的增加，在热循环的作用下，微透镜发生微膨胀 7。利用 7中提出的方法，结合改良的 术可以预测微透镜形状的变化过程。 在试验中使用的微透镜阵列，有 500m (22 阵列 )， 300m (22)和 200m (55)的直径阵列，高分别是 用改良的 术制造微透镜阵列作为一个主要的技术，用来制作镀镍的金属模具的注塑成型。另一些特殊材料 ，因为它们的强度不够或热性能差而不能直接进行微细加工，当作模具或金属模具使用，如硅、光阻剂或高分子材料。尽量使用具有良好机械性能和热性能的金属材料，因为它们能在可复型加工过程中经受高压力和不断变化的温度。因此，为了利用这种复制技术进行大批量生产，我们选择使用金属模具材料而不是有机玻璃硅晶体。一些特殊技术，如低压注塑成型 8技术，应该作为良好的复制加工方法被采纳。 电镀模具的最终大小为 30 0 镍金属模具所具有的微透镜阵列如图 1 所示。 图 1 镀镍模具嵌件的制造 （ a）直接观察 ；（ b）直径为 200 m 的微透镜阵列电子显微镜图像；（ c）直径为 300 m 的微透镜阵列电子显微镜图像 3 注塑成型实验 传统注塑机 (20 M， 用做实验机。注塑模具设计的模架就是利用一块框形支撑板固定镀镍模具 (如图 2 所示 )。 图 2 注塑模具实验中使用的模架和嵌件 用修改的微透镜阵列确定模具零件孔形加强板 (在这次实验中，是一块矩形板 )的外部形状。模架本身已含有传输系统，如注射口，流道及浇口，通过支撑板、模具流道和滑动 的模具表面将熔融聚合物引入模腔。用这种方法设计的模架，能够使模具零件更换起来简单容易。 不过，有时候也使用具有特定孔径形状的支撑板。 实验主要用三种普通高分子材料， 15氏化学 )，有机玻璃 ( 41R)进行注塑成型。这些高分子材料通常在光学元件上使用，它们有不同的折射率 ( 折射率分别为 能生产出具有不同的光学特性的产品，例如 :具有相同的几何尺寸却有不同的焦距的光学元件。 通过改变每个高分子 材料的流速，充填压力和充填时间获得 7 种加工条件进行注塑成型试验。此外，为了检查是否能可再生产，同一实验往往需要重复三次。可能有人会指出，实验中没有考虑模具温度的影响，这是因为温度效应相对来说不是主要因素，而且微透镜阵列曲率半径比其他微观结构的高宽纵横比大。正是因为较大的微观结构高宽纵横比，使我们目前研究的温度效应更加可靠，并计划在将来实验时进行单独报告。 因此，在这项研究中，我们保持模具温度不变，而流速、充填压力和充填的时间都变化的情况下，能更清楚的观察其产生效果。表 1 详细的列出了三种高分子材料 其他加工条件都保持不变，将模具温度分别设定为 80 ， 70 和 60 的情况下的实验结果。 表 1 注塑模具实验中详细的工艺条件 序号 流 速 (cc/s) 充填时间 (/s) 充填压力 (1 S 4 6 表 1 序号 流 速 (cc/s) 充填时间 (/s) 充填压力 (7 C 1 5 能有人会指出，我们的实验没有考虑型腔出现真空状态时的情况，其实大可不必担心，因为在本研究中的注射阶段，大曲率半径的微透镜阵列不会把空气引入到型腔中。 4 讨论和结果 在详细讨论实验结果之前，认真思考一下，可能有助于总结为什么流速、充填压力和充填时间 (在这项研究中被选为不同的加工条件 )影响复制的质量。就流速而言，可能存在一个最佳流速，而在完成充填之前，流速太小会使得熔融聚合物过冷却，从而可能导致所谓的短暂的不连续现象，而过高的流速增大了压力面积，这是不可取的。 充填阶段是一般要求，是要在冷却时能够弥补 热熔融聚合物的体积收缩 。 因此，在这个阶段应有足够的熔融聚合物流入型腔并控制产品的尺寸精度。 越高的充填压力，越长的充填时间，将使更多的材料持续不断的流向型腔。然而， 过高的充填压力，有时可能造成不均匀的密度分布，从而产生劣质的光学质量。过长的充填时间，不利于在各自浇口处的冷凝，并且会阻止熔融聚合物流入型腔。因此，我们需要研究不同的充填压力和充填时间所产生的影响。 表面轮廓 图 3 所示的是用电子显微镜 (扫描的不同注塑微透镜的直径的 像 (a)以及不同 材料的图像 (b)。代表性的模具 表面轮廓以及所有注塑微阵列都是通过三维轮廓测量系统 ( 定的。 图 3 注塑模具的微透镜阵列和微透镜的电子显微镜图像 （ a） 透镜阵列 （ b）不同材料直径为 300作为一个可复制阵列的测量工具，我们已经确定了在模具与相应的模具嵌件分开的微阵列之间轮廓的相对高度偏差，所有的微透镜阵列相对偏差值列在表 2 中，具体见表所示： 表 2 表面轮廓相对偏差 相对偏差 (%) 直径 (m) 1 2 3 4 5 6 7 00 300 500 016 00 300 500 C 200 300 500 得一提的是，高分子材料的塑性会影响其重复使用性能。 因此在研究中，三种高分子材料总的相对误差是各不相同的。 三种聚合物中最难注塑成型的材料。在直径最小的例子中产生最大的相对偏差，那都是意料之中的事。 在这种特殊 情况下，充填时间并不对偏差产生显著影响，最好的解决方法是采用相对低的流速和充填压力。 小的直径的相对偏差要比 的多。 从表 2 可以看出，直径越大，相对偏差越小。当然，在注射和保压阶段，直径大的微透镜阵列容易比直径小的更容易填补，不管是在什么加工条件下和使用什么材料，大直径的微透镜阵列一般都能得到较好的复型。研究发现直径 500S 最好复型，一般而言，与 比较， 有良好的成型性能。 根据表 2 的数据，在考察最 小的直径的 相对偏差时，可能会有人提出一些消极的观 点，认为偏差过大，但是在这些数据中可以得到，高度上的绝对偏差在 是在测量系统误差范围以内。 所以，在解读复型实验数据时可以忽略这些消极的观点。 直径为 300m 的 透镜表面轮廓分别如图 4 和图 5 所 示。正如之前所述，在图 4所示的 ，越高的充填压力或越高流速复制微透镜时效果越好，而充填时间在这些复型例子中只起一点作用。如图所示， 对于 说，充填压力和充填时间的作用微不足道；然而，流速对于有类似的效果。 它可以提醒我们注意如果一个浇口冻结了，并阻止材料流入型腔时，充填 时间并不影响复型。 因此，经过一段时间后，充填时间的影响，主要取决于加工条件。 图 4 直径为 300 m 的 透镜表面轮廓 图 5 直径为 300 m 的 透镜表面轮廓 a 充填压力的影响 b 流速的影响 a 充填压力的影响 b 流速的影响 c 充填时间的影响 c 充填时间的影响 面粗糙度 直 径 300m 的微透镜和模具嵌件的平均表面粗糙度 值，是用原子力显微镜 (字仪表 ) 测量的。测量了每个微透镜顶点周围面积为 5m5 图 6 所示的是原子力显微镜图象和所测量的微透镜 值。 透镜复型具有最低的 ，为 通过测量表明，注塑成型微透镜阵列的 比相对应的模具嵌件要小。 因此，现在还不清楚如何改善可复制微透镜阵列的表面粗糙度，也许可以从冷却过程的回流而造成的表面张力入手，它可能会进一步得出，在实际运用中，微透镜阵列注塑成型的平均表面粗糙度值能与精细的光学元件相媲美。 图 6 直径为 300 m 的 模具嵌件和注塑模具微透镜的原子力显微镜 (像 和平均表面粗糙度 a 镀镍模具嵌件 ; b c d 距 焦距可以通过下面这个著名的等式计算得出： 1 121 1 1( 1 ) ( ) R 式中 f， 别指焦距，透镜材料的折射率，两个主曲率半径。比如，根据等式可以计算得出，直径为 200 m 的模具微透镜的焦距大约为 中 )，直径 300的微透镜大约为 其中 )，直径 500 m 中 )。 (1)这些计算结果是基于假设与模具嵌件具有相同形状的PC(复型的微透镜而得到的，所以由此推导出的几何尺寸可能与实验所测量的焦距相反。 5 总结 通过使用改良的 术电镀镍金属模具嵌件，改变各种加工条件进行大量的实验，研究工艺条件对可复型的微透镜的注塑成型过程的影响。结果显示越高的充填压力或越高流速，能得到越好的可复型效果。 相比之下，充填时 间对微透镜阵列复型的影响却很小。 也许是因为冷却阶段回流的表面张力造成的，注射成型微透镜阵列比模具嵌件有更小的平均表面粗糙度值， 型的微透镜阵列具有最好的表面质量 (即最低粗糙度值 在实际应用中，注塑成型微透镜阵列的表面粗糙度能与精密的光学元件相媲美。就凭这一点，注塑成型将成为大规模生产微透镜阵列的一个有用方法。 6 参考文献 1. ; ; Go; ; Mu; (1997) of by a : 643653 2. D; A; A (1988) of 12811284 3. ; ; ; (1999) V of 68: 709713 4. ; ; (2003) of a an J 3: 98103 5. S; H; Q (2002) 0: 365379 6. S (2002) A by J 2: 334340 7. S; S; H; S (2003) of by a J 3: 523531 8. ; ; ; ; Go; (2002) : 8590 0 (2004) 531535 _ 004 of by D. S. T. H. D. S. T. H. &) 1, 790be as a It is of of in to on of by as C). of by a by a of on of a a a of of is of is of in 1 as or in of so in or as a 1, 2, UV 3, as 4 5, a of to As as it is in to In it is of to to of In we of on of by by a 6, 7. an so as to of of to of a of by an 2 on a by a 6. is of on a of in a in a 7. of by be by a 7. in 00m -(a 2 2 300m -(2 2) 00m (5 5) m, by as a a by a in a as or be as or to or It is to to a a a is on be as a a 8. of 0 30 3 is 1. by a (a) of b) 00 m c) 00 20 M, in A to of a 2). of of in a of on of to be as to by is Of an a 2. in he 615 C (41R, S, C, to in by It be in is to of of we to in to in 0, 70 0 _C C, S, It be we a in of of in in . in cc/1 S 4 6 7 C 1 5 of it be to as to be in As as is an in a in is is to of so a to to of in at be In to of of a) b). of by a 3D 3. of a) (b) 00 s a of we a of as by . ( m) %) 1 2 3 4 5 6 7 00 300 500 016 00 300 500 C 200 300 500 t be of in It be C is be C as In is to in S is C of to be of of of is S 00 m PS a in C. It be of in S . In is an m in is of be in of of 00 m 4 C As 4, or in of C, as on as 5; C. It be if a is of a on c(of PC ) 00 m). a of b of c c.(of ) 00 m). a of b of c of 00 m by an of m 5 m. FM a of of a It be FM a of is of in is at be to by a It be a of is of in 6. of 00 m a b c d he of be by a as 1 121 1 1( 1 ) ( ) R f, R1 2 of of of 1 mm 2 ￥ ) 00 m 1= mm 2=) 00 m 1=mm 2=) 00 m q. (1). on an C (of It be of be an of 5 he of by a of or is In to on of a be to by of a = of is of in In be a of . ; ; Go; ; Mu; (1997) of by a : 643653 2. D; A; A (1988) of 12811284 3. ; ; ; (1999) V of 68: 709713 4. ; ; (2003) of a an J 3: 98103 5. S; H; Q (2002) 0: 365379 6. S (2002) A by J 2: 334340 7. S; S; H; S (2003) of by a J 3: 523531 8. ; ; ; ; Go; (2002) : 85 90 1004)531D. S. T. H. D. S. T. H. )790It ed e m m m m of ic m m al er m or m of m , ,3, m 4 5, im am as m it it is of im of m of , 7. ed m of e of m m of y, m ic 2al e al 7. ( 300m -(22)55)m , am ic m m m or al It is ic m al am ic m 803m m . m by a a)b) 00 m c) m m m Am m ly s er ed m m is Of m ay 2. m 15 m m e ed e m e es It m ay m e m 70m cc/e ( it m e (ay al er e, m m es m ay e im m a) m b). m 3. m a)m b)m 00m m ) )1 2 3 4 5 6 700300500 00300500 00300500 m ay of m m It m ay m am al e al al er m al er of m y, m ay e al m m 44, e e 5; It m e e e c(of m ) 00m ). a of of c c.(of m )00 m ). c m m ed m 5 m . It m ay m is sm al er om m It m ay m 6. of 00m m a 1 21 1 1( 1)( ) R of m m (m m m m (m )m m (m ) 00m m (1). It m m m m m of e m al er . m m ; Go; Mul ; (1997) m : 6436532. A(1988)28112843. ; ; 999) 7097134. 003) m 981035. 002)em 3653796. 002)m 3343407. S; 003)m 5235318. ; ; Em ; ; Go; (2002) : 8590湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 锯片刀具工具磨床进给系统设计 学号： 2008963343 姓名： 张文博 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 张高峰 系主任： 周友行 一、 主要内容及基本要求 本课题完成对锯片刀具工具磨床进给系统的分析设计，主要完成进给系统主要技术参数确定，伺服进给系统的设计计算。 需编写相应的设计说明书，并用二维软件绘制总装配图以及非标准件零件图。 二、重点研究的问题 滚珠丝杠副、伺服电机、滚动导轨等计算选择，有必要的刚度、稳定性和寿命验算。 三、进度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 查阅相关文献资料 2012 年 2 月中旬 2 通过阅读文献资料完成开题报告 2012 年 3 月中旬 3 研究机床进给系统的基本工作原理，完成方案设计、论证 2012 年 4 月上旬 4 完成总体设计，及其设计图的绘制 2012 年 4 月下旬 5 撰写毕业设计说明书，准备论文答辩 2012 年 5 月下旬 6 答辩 2012 年 5 月 31 日 四、应收 集的资料及主要参考文献 1吴奥嵩 数控车床伺服进给系统设计 M 辽宁：辽宁师专学报， 2011，（ 3） 2现代实用机床设计手册编委会 现代实用机床设计手册 上册 M 北京：机械工业出版社， 3胡秋 数控机床私服进给系统的设计 J 机床与液压， 2004，（ 6） 4谢红 高健 J 现代机械， 2002，（ 4） 5李洪 实用机床设计手册 M 沈阳：辽宁科学技术出版社， 1999 6宋宝玉 机械设计课程设计指导书 M 北京：高等教育出版社， 7孙桓 陈作模，葛文杰 M 7 版北京：高等教育出版社， 8濮良贵 纪名刚 M 8 版北京：高等教育出版社， 9李斌 李曦 M 武汉：华中科技大学出版社， 10关慧贞 冯辛安 M 3 版 北京：机械工业出版社， 11周增文 机械加工工艺基础 M 长沙：中南大学出版社， 12陆剑中 孙家宁 M 北京：机械工业出版社 13罗迎社 材料力学 M 武汉：武汉理工大学出版社， 目 录 摘 要 . I . 一章 概 述 . 错误 !未定义书签。 锯片刀具工具磨床的简介 . 错误 !未定义书签。 锯片刀具工具磨床的工作原理与种类 . 错误 !未定义书签。 锯片刀具工具磨床进给系统的深入研究 . 错误 !未定义书签。 传动系统的选择 . 错误 !未定义书签。 研 究方向和内容 . 错误 !未定义书签。 设计方法实现及预期目标 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠螺母副 . 错误 !未定义书签。 丝杠中常用的滚动轴承 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠螺母副的支撑形式 . 错误 !未定义书签。 交流伺服电机的选择 . 错误 !未定义书签。 进给精度的保证 . 错误 !未定义书签。 直线滚动导轨副的选择 . 错误 !未定义书签。 第二章 锯片刀具工具磨床进给系统的整体设计 . 错误 !未定义书签。 工作负载的分析 . 错误 !未定义书签。 进给系统主要技术参数 . 错误 !未定义书签。 伺服进给系统设计 . 错误 !未定义书签。 确定滚珠丝杆导程 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杆副载荷及转速计算 . 错误 !未定义书签。 确定预期额定动载荷 . 错误 !未定义书签。 按精度要求确定允许的滚珠丝杆最小螺纹底径 . 错误 !未定义书签。 确定滚珠丝杠副规格代号 . 错误 !未定义书签。 确定预紧滚珠丝杠副预紧力 . 错误 !未定义书签。 计算行程补偿值 C 和预拉伸力 F。 . 错误 !未定义书签。 确定滚珠丝杠副支承用轴承规格型号 . 错误 !未定义书签。 滚珠丝杠副工作图设计 . 错误 !未定义书签。 机的选择 . 错误 !未定义书签。 动系统刚度计算 . 错误 !未定义书签。 动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择 . 错误 !未定义书签。 轴器的选择 . 错误 !未定义书签。 动导轨的选择 . 错误 !未定义书签。 第三章 锯片刀具工具磨床的支承大件结构设计 . 错误 !未定义书签。 锯片刀具工具磨床结构材料 . 错误 !未定义书签。 锯片刀具工具磨床机床整体布局的设计 . 错误 !未定义书签。 结束语 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 摘 要 随着现代科技的发展，机械制造业面临着高速度、高精度的新的挑战，高速进给系统成为高速高精度工具磨床的关键环节之一。由于进给系统刚度低、惯量大，难以获得高进给速度和高加速度，为了提高高速高精度 工具磨床的定位精度和传动精度，除了正确设计、选择进给系统部件，精确计算其强度、稳定性、和驱动力矩外，还要对进给系统的刚度进行合理设计，减少因刚度引起的失动量，以确保加工定位精度。 进给系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是工具磨床的重要组成部分。它包含机械、电子、电机（早期产品还包含液压）等各个部件，并涉及到强点与弱点的控制，是一个比较复杂的控制系统。锯片刀具工具磨床的性能很大程度上取决于进给伺服系统的，因此研究和开发高性能的伺服进给系统，是锯片刀具工具磨床的设计成败的关键之一。本文对锯片刀具工具 磨床的进给系统进行了详细分析和计算设计，对其伺服电机也进行了选择和计算，对进给系统的精度和刚度进行了验算，保证了可靠性。 关键词 ：锯片刀具工具磨床 进给系统 数控 of of of in of to its to in to of of to of by to is of of Its a of to of of s on so is to or of s in to s to to to 湘潭大学兴湘学院 毕业设计说明书 题 目： 锯片刀具工具磨床进给系统设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 2008963343 姓 名： 张文博 指导教师： 张高峰 完成日期： 2012 年 5 月 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 锯片刀具工具磨床进给系统设计 学号： 2008963343 姓名： 张文博 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 张高峰 系主任： 周友行 一、 主要内容及基本要求 本课题完成对锯片刀具工具磨床进给系统的分析设计，主要完成进给系统主要技术参数确定，伺服进给系统的设计计算。需编写相应的设计说明书，并用二维软件绘制总装配图以及非标准件零件图。 二、重点研究的问题 滚珠丝杠副、伺服电机、滚动导轨等计算选择，有必要的刚度、稳定性和寿命验算。 三、进度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 查阅相关文献资料 2012 年 2 月中旬 2 通过阅读文献资料完成开题报告 2012 年 3 月中旬 3 研究机床进给系统的基本工作原理，完成方案设计、论证 2012 年 4 月上旬 4 完成总体设计，及其设计图的绘制 2012 年 4 月下旬 5 撰写毕业设计说明书，准备论文答辩 2012 年 5 月下旬 6 答辩 2012 年 5 月 31 日 I 四、应收集的资料及主要参考文献 1吴奥嵩 数控车床伺服进给系统设计 M 辽宁：辽宁师专学报， 2011，（ 3） 2现代实用机床设计手册编委会 现代 实用机床设计手册 上册 M 北京：机械工业出版社， 3胡秋 数控机床私服进给系统的设计 J 机床与液压， 2004，（ 6） 4谢红 高健 J 现代机械， 2002，（ 4） 5李洪 实用机床设计手册 M 沈阳：辽宁科学技术出版社， 1999 6宋宝玉 机械 设计课程设计指导书 M 北京：高等教育出版社， 7孙桓 陈作模，葛文杰 M 7 版北京：高等教育出版社， 8濮良贵 纪名刚 M 8 版北京：高等教育出版社， 9李斌 李曦 M 武汉：华中科技大学出版社， 10关慧贞 冯辛安 M 3 版 北京：机械工业出版社， 11周增文 机械加工 工艺基础 M 长沙：中南大学出版社， 12陆剑中 孙家宁 M 北京：机械工业出版社 13罗迎社 材料力学 M 武汉：武汉理工大学出版社， 潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）评阅表 学号 2008963343 姓名 张文博 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 锯片刀具工具磨床进给系统设计 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 本选题反映了学科前沿动态，符合本专业培养目标，难度切实可行。 该生态度端正，对相关的文献阅读广泛，对该领域的各种理论知识理解正确，运用合理。具有独立查阅文献，合理加工、利用各种信息，获取新知识的能力。研究、设计、完成本课题的方法科学合理；较好的实现了研究的目的；对该学科基础理论知识有较好的掌握，对学科前沿的发展动态有较全面的了解；并在设计中有较好的运用。 遵守了毕业设计的具体规定，图纸、注释清晰明确，书写打印规范，符合要求。具有一定的应用价值和创新性。 评阅人： 2012 年 5 月 31 日 潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 2008963343 姓名： 张文博 专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 24 页 图 表 6 张 论文（设计）题目： 锯片刀具工具磨床进给系统设计 内容提要： 首先对锯片刀具工具磨床进行了简单介绍，对其工作原理进行了简单的分析，在此 基础上对其进给系统进行了深入研究。根据对比直线电机传动系统和滚珠丝杠传动系 统，并依据于要加工的元件和要求和设计要求，最终选择伺服电机 +滚珠丝杠的结构。 在选择了传动系统之后，开始对锯片刀具工具磨床进给系统进行整体设计，在包括 确定 滚珠丝杆导程、滚珠丝杆副载荷及转速计算等一系列计算后确定了滚珠丝杠副、伺 服电机和滚动导轨等进给系统三大主要部件的选型。最后对工作台，床身，联轴器等其 他零部件进行了设计。 导教师评语 指导教师： 年 月 日 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 V 目 录 摘 要 . . 一章 概 述 . 1 锯片刀具工具磨 床的简介 . 1 锯片刀具工具磨床的工作原理与种类 . 1 锯片刀具工具磨床进给系统的深入研究 . 1 传动系统的选择 . 2 研究方向和内容 . 5 设计方法实现及预期目标 . 6 滚珠丝杠螺母副 . 6 丝杠中常用的滚动轴承 . 7 滚珠丝杠螺母副的支撑形式 . 8 交流伺服电机的选择 . 9 进给精度的保证 . 11 直线滚动导轨副的选择 . 11 第二章 锯片刀具工具磨床进给系统的整体设计 . 12 工作负载的分析 . 12 进给系统主要技术参数 . 12 伺服进给系统设计 . 12 确定滚珠丝杆导程 . 12 滚珠丝杆副载荷及转速计算 . 12 确定预期额定动载荷 . 13 按精度要求确定允许的滚珠丝杆最小螺纹底径 . 13 确定滚珠丝杠副规格代号 . 14 确定预紧滚珠丝杠副预紧力 . 14 计算行程补偿值 。 . 14 确定滚珠丝杠副支承用轴承规格型号 . 15 滚珠丝杠副工作图设计 . 15 机的选择 . 15 动系统刚度计算 . 16 动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择 . 17 轴器的选择 . 18 动导轨的选择 . 18 第三章 锯片刀具工具磨床的支承大件结构设计 . 20 锯片刀具工具磨床结构材料 . 20 锯片刀具工具磨床机床整体布局的设计 . 22 结束语 . 23 参考文献 . 24 要 随着现代科技的发展，机械制造业面临着高速度、高精度的新的挑战，高速进给系统成为高速高精度工具磨床的关键环节之一。由于进给系统刚度低、惯量大，难以获得高进给 速度和高加速度，为了提高高速高精度工具磨床的定位精度和传动精度，除了正确设计、选择进给系统部件，精确计算其强度、稳定性、和驱动力矩外，还要对进给系统的刚度进行合理设计，减少因刚度引起的失动量，以确保加工定位精度。 进给系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是工具磨床的重要组成部分。它包含机械、电子、电机（早期产品还包含液压）等各个部件，并涉及到强点与弱点的控制，是一个比较复杂的控制系统。锯片刀具工具磨床的性能很大程度上取决于进给伺服系统的，因此研究和开发高性能的伺服进给系统，是锯片刀具工具磨床的设计 成败的关键之一。本文对锯片刀具工具磨床的进给系统进行了详细分析和计算设计，对其伺服电机也进行了选择和计算，对进给系统的精度和刚度进行了验算，保证了可靠性。 关键词 ：锯片刀具工具磨床 进给系统 数控 of of of in of to its to in to of of to of by to is of of Its a of to of of s on so is to or of s in to s to to to 1 第一章 概 述 锯片刀具工具磨床的简介 现在市场上国产锯片磨齿机占了很大份额，改变了前些年进口机（主要是台湾机）的一统天下格局。国内锯片刀具工具磨床又被称为 锯片磨齿机 ，一般采用固定电 机与砂轮组合体对锯片进行磨削，这种结构的磨齿机实现了机械磨锯片的高效运行，包括一导轨座、一砂轮工作装置、一齿轮工作装置以及一拨齿装置，砂轮工作装置包括一传动电机和一砂轮，传动电机带动砂轮转动，导轨座与拨齿装置均安装在工作台上，其特征在于：在所述的砂轮工作装置与导轨座之间设置一用于在纵向上调转动电机纵向角度的调节座，在所述的调节座上设置一可调节其水平位置角度的角度调节机构，可以对砂轮进行各个方向的角度调整。 锯片刀具工具磨床的工作原理与种类 连续磨齿：连续磨削的磨齿机，砂轮为蜗杆形，称为蜗杆砂轮磨齿 机，砂轮相当于滚刀，相对工件作展成运动，磨出渐开线。工件作轴向直线往复运动，以磨削直齿圆柱齿轮的轮齿，如果作倾斜运动，就可磨削斜齿圆柱齿轮。砂轮的转速很高，展成链不能用机械方法联系砂轮和工件。目前常用的方法有两种： （ 1）用两个同步电动机分别拖动砂轮主轴和工件主轴，用挂轮换置；一种用数控的方法，即在砂轮主轴上装脉冲发生器，发出与主轴旋转成正比的的脉冲，脉冲经数控系统调制后经伺服系统和伺服电动机驱动工件主轴，在工件主轴上装反馈信号发生器。 （ 2）分度磨齿：这类磨齿机根据砂轮形状又可分为蝶形砂轮型、大平面砂轮型 和锥形砂轮型三种。它们都是利用齿条和齿轮的啮合原理，用砂轮代替齿条来磨削齿轮。齿条的齿廓是直线，形状简单，易于保证砂轮的修整精度。加工时被切齿轮在想象中的齿条上滚动。每往复滚动一次，完成一个或两个齿面的磨削。因此需多次分度才能磨完全部齿面。 锯片刀具工具磨床进给系统的深入研究 进给系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控磨床的重要组成部分。它包含机械、电子、电机 (早期产品还包含液压 )等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控磨 床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一 进给传动系统承担了数控磨床砂轮进给的定位，以及进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性，它直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。进给单元包括伺服驱动部件、滚动单元、位置监测单元等。要求进给单元运转灵活，分辨率高，定位精度高，没有爬行，既要适合加工锯片时的快速进给，又要有较大的加速度，又要有足够大的推力 ， 2 刚性高，动态响应快，定位精度好。数控机床普遍采用旋转电机 (交直流伺服电机 )与滚动丝杠组合的轴向进给方案。 传动系统的 选择 数控机床的伺服系统是连接数控系统和机床主体的重要部分，在设计中，在伺服方式上选择最广泛应用的半闭环方式。采用螺旋传动，计算滚珠丝杠副尺寸规格，接着进行丝杠的校核并进行精度等验算，根据计算的扭矩选择伺服电机 . 机床进给系统采用直线电动机直接驱动与原旋转电动机传动方式的最大区别是取消了从电动机到工作台（拖板）之间的一切机械中间传动环节。即把机床进给传动链的长度缩短为零。故这种传动方式即称“直接驱动”。带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和一定优点。但也带来了新的矛盾和问题。 它有响应速度快 、精度高、传动刚度高、推力平稳、速度快、加减速过程短等优点。 但也存在着滑台要保持高刚度的同时还要轻、环境要求、冷却问题、隔磁及防护问题等。 所以要综合考虑价格方面直线电机的价格要高出很多，这也是限制直线电机被更广泛应用的原因。 并且直线电机在提供同样转矩时的能耗是“旋转伺服电机 +滚珠丝杠”一倍以上，旋转伺服电机 +滚珠丝杠”属于节能、增力型传动部件，直线电机可靠性受控制系统稳定性影响，对周边的影响很大必须采取有效隔磁与防护措施，隔断强磁场对滚动导轨的影响和对铁屑磁尘的吸附。 从最低速到最高速电机都能平稳运 转，转矩波动要小，尤其在低速如 有平稳的速度而无爬行现象。电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载 4 为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能的时间常数和启动电压。电机应具有耐受 4000能保证电机可在 机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺 服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字 用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。 所以根据对比直线电机传动系统和滚珠丝杠传动系统，并依据于要加工的元件和要求和设计要求，我们最终选择伺服电机 +滚珠丝杠的结构（如图 3 图 传动系统简图 运动进给系统主要构成：大规格预负载直线滚柱导轨支撑运动部件、大扭矩伺服电机直连大直径预负荷滚珠丝杠驱动运动部件、高精度直线光栅尺实现全闭环位置控制。 传动方式的选择： 滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系。以传动形式分为两种： （ 1）将回转运动转化成直线运动 （ 2）将直线运动转化成回转运动。 传动效率高：滚珠丝杠传动系统的传动效率高达 90% 98%，为传统的滑动丝杠系统的 2 4 倍，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。 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。 高精度：滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，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。 高耐用性：钢球滚动接触处均经硬化（ 63）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。 同步性好：由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。 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。在特殊场合可在无润滑状态下工作。 无背隙与高刚性：滚珠丝杠传动系统采用歌德式沟槽形状，使钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力，消除轴向间隙，可使滚珠有更佳的刚性，减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。 交流伺服电机：交流伺服电机通常都是单相异步电动机，有鼠笼形转子和杯形转子 4 两种结构形式。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组 ，两个绕组在空间相差 90电角度。固定和保护定子的机座一般用硬铝或不锈钢制成。笼型转子交流伺服电机的转子和普通三相笼式电机相同。杯形转子交流伺服电机的结构如图 3，杯形转子 3和内定子 5三部分组成。它的外定子和笼型转子交流伺服电机相同，转子则由非磁性导电材料（如铜或铝）制成空心杯形状，杯子底部固定在转轴 7上。空心杯的壁很薄（小于 因此转动惯量很小。内定子由硅钢片叠压而成，固定在一个端盖 1、 8 上，内定子上没有绕组，仅作磁路用。电机工作时，内外定子都不动，只有杯形转子在内、外定子之间的 气隙中转动。对于输出功率较小的交流伺服电机，常将励磁绕组和控制绕组分别安放在内、外定子铁心的槽内。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋 转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的 反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相 180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停 下来。 为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率 于 1。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。假设电动机原来在单一正向旋转磁场的带动下运行于 时负载力矩是。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向 5 旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线 3 运行。由于转子的惯性，运行点由 ，此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反 的制动力矩。在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。 必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。 可见，为了适应高密度、高速度的磨床发展，在以下几个方面应重点研究： （ 1）减少运动部件的摩擦阻力小； （ 2）提高传动精度和刚度； （ 3）运动部件惯量小； 一些相关资料，对锯片刀 具工具磨床进行整体设计，在经过运动分析、受力分析、和强度校核的前提下，设计出锯片刀具工具磨床的主要结构和布局特点。 b.用 出二维图。根据零件图和产品装配图，对零件进行分析。 解该系统的主要机电部件，并设计出各部件之间联系的总体构想。 各部件的尺寸精度、形状精度、位置精度、等方面的技术要求；对全部技术要求应进行归纳整理。 润滑。 滚珠丝杠与直线电机的优缺点，并选取最优化的设计。 研究方向和内容 对锯片刀具工具磨床的进给系统进行了解研究和设计。 伺服电机 +滚珠丝杠的结构的进给传动系统的主要机电部件有： (1)运动部件； (如工作台、导轨、横梁、立柱等 ) (2)伺服电动机； (3)检测元件； (4)联轴节； （ 5)丝杠轴承； (6)滚珠丝杠螺母副 (或齿轮齿条副 )； (7)减速机构 (齿轮副和带轮 )； 6 图 进给系统示意图 设计方法实 现及预期目标 为了实现本次课程设计的目标，首先要对锯片刀具工具磨床的进给系统的基本原理进行研究，提出问题。其次，提出针对问题的研究方案，并对依据锯片刀具工具磨床进给系统的工作原理和加工要求进行合理分析，细化设计方案。 用 证设计要求： （ 1）设计横向进给行程为 30给速度为 s 20mm/s； （ 2）检测进给部分设计的合理性，是否能够满足高速加工环境以及进给精度。 为了实现此次课题研究的设计要求，在本论文中将对锯片刀具工具磨床进给系统的几个部件 进行研究设计。 滚珠丝杠螺母副 是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。 滚珠丝杠螺母副具有以下特点： （ 1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为 普通丝杠高 3此，功率消耗只相当于普通丝杠的 1/4-/3. （ 2）若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。 （ 3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 （ 4）具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。 （ 5）磨损小，使用寿命长。 （ 6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要 7 求高，故制造成本高。 （ 7）不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不同，下降时当传动切断后，不能立即停止 运动，故还需要增加制动装置。 本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副，精度为 2级，两端采用了小圆螺母为轴向定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现预紧。这种调隙方法结构简单，但载荷量须预先设定而且不能改变。 滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给 丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此课题中采用两端固定（ 方式如图 实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。 图 滚珠丝杠副定位方式 此种形式的特点和应用有以下几点： 结构较复杂，工艺较困难； 杠的轴向刚度为一端固定的四倍； 压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高； 拉伸后可减少 丝杠自重的下垂和补偿热膨胀，但需要一套预拉伸机构，结构及其工艺都比较复杂； 目标行程略小于公称行程，减少量等于拉伸量； 丝杠中常用的滚动轴承 有以下几种（表 8 60角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合 用得较多。 滚珠丝杠螺母副的选择：螺母是分为单螺母和双螺母，一般单螺母的承载负荷是没有双螺母大，使用周期也没有双螺母寿命长，在以后的保养和维护也没有双螺母方便。 所以选型要根据设备的要求，满足做设备的条件，才是最好的，不要盲目追求高精度，高负荷的丝杆，会对机器的成本增加很多，丝杆的一个级别价格就会相差好多。 表 滚珠丝杠常用支承常用轴承特点及应用 滚动轴承类型 轴向刚度 轴承安装 预载调整 摩檫力矩 应 用 60接触角推力角接触球轴承 大 简 单 不需要 小 应用广泛刚度要求变动 场合 双 向推力角接触球轴承 中 简 单 不需要 小 轴向刚度要求较高的场合 圆锥滚子轴承 小 简 单 内圈间有隔套时需要调整 大 轴向刚度要求不高的场 合 滚针和推力滚子组合轴承 特大 简 单 不需要 较大 用于大牵引力高刚度的大型、重型机床 深沟球轴承和推力轴承组合 大 复 杂 麻 烦 小 应用较少 滚珠丝杠螺母副的支撑形式 双推 自由式，刚度、临界转速、压杆稳定性低。设计时尽量使丝杠受拉力。适用于较短及垂直安装的丝杠。（如下图 图 双推 9 双推 简支式，临界转速、压杆稳定性高。丝杠有热膨胀的余地。适用于较长的、卧式安装的丝杠。（如下图 图 双推 简支式 双推 双推式，丝杠的轴向刚度高。丝杠一般不会受压，无压杆稳定性问题。可用预拉伸减小因丝杠自重引起的下垂。适用于对刚度和位移精度要求高的场合。（如图 图 双推 双推式 交流伺服电机的选择 目前 ,交流伺服系统广泛应用于数控机床 ,机器人等领域 ,在这些要求高精度 ,高动态性能以及小体积的场合 ,应用交流伺服系 统具有明显优势 。 交流伺服电机具有较高的动态性能、高可靠性及非常低的维护要求 ,以其坚固耐用、经济性能好等优点越来越广泛地应用于数控龙门加工中心的进给系统 。 交流伺服电机的动力学参数分析及选型 ,与进给机构正常、可靠运行及制造成本密切相关 。 选择电机主要应考虑满足转速、转矩的要求 ， 其中负载惯量的计算涉及因素比较复杂 。 交流伺服电机的优点，在这里将步进电机与交流伺服电机作比较 : (1)控制精
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