平面研磨机设计

-1-摘要研磨是一种重要的精密和超精密加工方法，它是利用磨具通过磨料作用于工件表面，进行微量加工的过程。研磨加工可以得到很高的尺寸精度和形状精度，甚至可以达到加工精度的极限。本设计采用现代设计方法学为指导，给出了圆柱端面研磨机的黑箱模型和整机功能的形态学矩阵，依据形态学矩阵制定出研磨机机具体方案。通过MATlAB软件中的优化函数对方案中主要运动部件的参数进行优化。设计出了一台双驱动两自由度行星式圆柱端面研磨机。建立数学模型，计算出工作时加工零件的运动方程，通过MATLAB软件绘制了运动运动轨迹。最后通过对研磨轨迹的分析，确定了系杆和内齿轮的转速范围。【关键词】行星式研磨机功能分析运动轨迹MATLAB软件-2-AbstractLappingisanimportantprecisionandultraprecisionmachiningmethod,whichistheuseofabrasivethroughtheabrasiveeffectonthesurface,themicromachiningprocess.Lappingcangetveryhighdimensionalaccuracyandformaccuracy,evenuptothelimitsofprecision.Thedesignusesamoderndesignmethodologyasaguide,cylindricallappingmachineisgivenblack-boxmodelandthewholefunctionofthemorphologicalmatrix,basedonmorphologicalmatrixtodevelopspecificprogramsgrindermachine.ByMATlABoptimalfunctioninthesoftwareprograminthemainmovingpartsoftheparameterswereoptimized.Designofadualdriveplanetarytwodegreesoffreedomcylindricalgrindingmachine.EstablishedMathematicalmodel,calculatetheequationofmotionofmachineparts,throughtheMATLABsoftwaretodrawthemotiontraces.Finally,throughtheanalysisoflappingtrajectorytodeterminethetierodandthegearspeedrange.【Keywords】planetary;functionalAnalysis;lappingmachine;motiontraces;MATLABsoftware-3-1前言研磨是一种具有悠久历史的精整和光整加工方法。它是利用附着和压嵌在研具表面上的游离磨料磨粒，借助于研具与工件在一定压力下的相对运动，从工件表面上切除极小的切屑，以使工件获得较高的尺寸精度和几何形状精度及极低的表面粗糙度值的表面。这种加工方法，称为研磨。研磨加工具有以下特点：(1)可以获得极高的尺寸精度、形状精度及部分相互位置精度。通过研磨，可以使工件表面获得以下的表面粗糙度。(0.16)aRum(2)可以使偶件配研表面获得非常精密的配合。(3)研磨是在低速、低压力条件下进行，因此产生的热量很小，工件表面变质层极薄，表面质量好。(4)研磨装置和研磨机床结构较简单，既适用于单件手工生产，同时也适用成批机械化生产。研具是使工件研磨成形的工具，同时又是研磨剂的载体，硬度应低于工件的硬度，又有一定的耐磨性，常用灰铸铁制成。湿研研具的金相组织以铁素体为主；干研研具则以均匀细小的珠光体为基体。研磨M5以下的螺纹和形状复杂的小型工件时，常用软钢研具。研磨小孔和软金属材料时，大多采用黄铜、紫铜研具。研具应有足够的刚度，其工作表面要有较高的几何精度。研具在研磨过程中也受到切削和磨损，如操作得当，它的精度也可得到提高，使工件的加工精度能高于研具的原始精度。要正确处理好研磨的运动轨迹是提高研磨质量的重要条件，一般要求：(1)工件相对研具的运动，要尽量保证工件上各点的研磨行程长度相近(2)工件运动轨迹均匀地遍及整个研具表面，以利于研具均匀磨损；(3)运动轨迹的曲率变化要小，以保证工件运动平稳；(4)工件上任一点的运动轨迹尽量避免过早出现周期性重复。因此，设计时应当充分考虑到以上特点，以现代设计方法学为指导，对圆柱端面研磨机进行设计。-4-2研磨机原理方案设计2.1研磨机功能分析所要求设计端面研磨机，主要加工对象是圆柱端面。功能就是加工圆柱零件端面，使其达到要求的粗糙度要求、形状精度要求。图2.1研磨机黑箱图研磨机的总功能是研磨工件，包括夹持工件、研磨液循环、研磨盘旋转、对加工零件施加一定的压力、联接和支承。划分分功能及功能元如下图所示：图2.2研磨机功能元-5-建立研磨机功能结构图图2.3研磨机功能结构图根据功能结构图建立求解功能元得形态学矩阵，如表2.1。表2.1研磨机功能元解的形态学矩阵功能元解功能元123456A能量转换汽油机柴油机电动机液压马达气动马达蒸汽透平B能量传递与分配齿轮传动链传动皮带传动C工件夹持电磁铁机械夹具D研磨液循环水泵E工作运动方式研磨盘转动（公转）工件转动（自转）研磨盘（自转+公转）工件固定研磨盘固定工件（自转+公转）从表2.1中选取研磨机的方案为：。321ABCDE-6-2.2研磨机主运动原理分析根据所选的方案，主运动为有公转同时又有自转的研磨盘的运动。选取差动轮系来实现此运动要求。差动轮系简图如下：图2.4差动轮系简图差动轮系的自由度；（n构件个数，pl低幅数，ph高幅数）32nlhF12n由机械原理所学知识有：由于机构自由度，因此要使整个机构具有确nF定的运动，该机构必须要用两个原动件。确定系杆H和内齿轮为原动件，做圆周运动。设定系杆H转速为，内齿轮转速为，行星齿轮转速为。根据差动轮n21n系的计算方法有：2122111()HHHzznzin-7-两个回转中心的偏心距：21()mze根据上面差动轮系简图，容易看出，行星齿轮既可以围绕自身轴线自转，又可以围绕内齿轮轴线公转。因此，将研磨盘固定在行星齿轮上，跟随行星齿轮一起运动，让研磨盘同时具有公转和自转运动。图2.5研磨机主运动方案3研磨机结构设计设定研磨机的主要尺寸参数。行星架H偏心距：，最大加工零件尺寸：6em。208DHm-8-3.1主运动部件结构设计主运动结构图如下：图3.1主运动机构结构图1偏心轴；2小同步带轮；3轴承7205C；4轴承7212C；5大同步带轮；6轴承套；7轴承7213C；8轴承7205C；9连接盘II；10轴承7205CC；11内齿轮；12行星齿轮；13连接盘I；14研磨盘；15轴承7204C；16螺钉M1025；17螺钉M1025；18轴承套；19轴承套；20螺钉M1025；21螺钉M1035；22轴承套；23轴承套；24带轮连接盘；25螺钉M625-9-研磨盘的主运动原理如上图所示：偏心轴1和内齿轮11分别由两个可电机控制，偏心轴1上装有小同步带轮2，通过电机及带传动使偏心轴1旋转。行星齿轮12固定在连接盘I13上，连接盘13与轴承10和轴承15外圈配合，通过轴承套19限制连接盘13的轴向运动，连接盘13与固定在偏心轴上的轴承10和轴承15的外圈配合，可以绕偏心轴1自由旋转。行星齿轮12固定在连接盘13上，行星齿轮12与内齿轮11啮合，内齿轮11固定在连接盘9上，连接盘9固定在内轴套6上，内轴套6上装有同步带轮5，通过电机及带传动使内轴套6旋转，从而使内齿轮11的旋转。所以，当内齿轮11和偏心轴1同时旋转的时候，行星齿轮12的运动是绕自身中心旋转运动和绕内齿轮11中心旋转运动的复合运动。研磨盘14通过与连接盘13之间螺钉定位，使研磨盘14与行星齿轮12保持转速状态一致。3.1.1差动轮系结构设计采用MATLAB软件优化函数进行差动轮系优化设计。1.目标函数和设计变量的确定2210.96354fXmzbuc式中行星轮的齿数；1zm模数（mm）；b齿宽（mm）；c行星轮个数；u轮系的齿数比。影响目标函数的独立参数、b、m、c应列为设计变量，其中，这样设1z1c计变量为123zxXb因此，目标函数：2213130.9654()fxx2.约束条件的建立（1）（保证小齿轮不根切）11()7gXx-10-（2）（限制齿宽最小值）22()10gXx（3）（限制模数最小值）33（4）；42()5x（5）（限制齿宽系数范围）3170gXbm（6）（满足接触强度要求）61239.()0()Hx（7）（满足弯曲强度要求）748FSFy3.编制优化设计的MATLAB文件（1）主程序x0=50;20;3lb=40;15;2ub=60;60;10x,fn=fmincon(yiyi_f,x0,lb,ub,yi_g)（2）目标函数functionf=yiyi_f(x)a=x(1)*x(3)b=12/ac=(b-1)*(b-1)+4f=0.19635*x(1)2*x(2)*x(3)2*c（3）约束函数functiong,cep=yi_g(x)g(1)=17-x(1)g(2)=10-x(2)g(3)=2-x(3)g(4)=5*x(3)-x(2)g(5)=x(2)-17*x(3)g(6)=750937.3/(x(1)*x(2)*x(3)0.5)-630g(7)=1482000*1.67*2.4/(x(1)*x(2)*x(3)2)-321.4-11-cep=（4）MATLAB文件的运行结果为x=40.000051.11203.0066fn=6.9824e+005根据优化结果，确定、。则有：140z13m150b表3.1差动轮系优化设计结果齿数Z模数m齿宽b行星齿轮40350内齿轮443454.行星齿轮和内齿轮零件图图3.2行星齿轮零件图-12-图3.3内齿轮零件图3.1.2电机的选取设加工工件时，工件位置最大偏心距为，最大压力，max0.125e30FN取工件被加工表面与研磨盘上表面的摩擦系数为。则：f摩擦力37.5FuN工件对主轴的最大阻力矩max0.537.18.5TeFm通过最大阻力矩算出x18.969Pkw考虑到传递效率问题，因此所选取的两个电机型号同为JY7134，其额定功率为0.37kw。3.1.3偏心轴设计的设计根据扭转强度来计算偏心轴的最小直径。偏心轴材料选用，取。#4530MPa-13-maxx3max318.7564.TTWND考虑到轴有偏心和键槽，故取。轴的零件图如下：in20图3.4偏心轴零件图3.1.4带轮的设计图3.4轴零件图参考机械设计手册单行本带传动和链传动第14-43到14-53页。1.小同步带轮的设计（1）设计功率选择载荷修订系数，故；1.7AK1.703.629dAPKkw（2）选定带型节距8bPm（3）选定小带轮齿数126Z-14-（4）确定小带轮节圆直径16.2dm（5）选定大带轮齿数2Z（6）确定大带轮节圆直径.（7）带速1346210.4860dns（8）初定轴间距2am（9）带长212100()()647ddLma确定64p（10）带齿数80pbzP（11）实际中心距2213()/6.053aMdm式中14()pL（12）安装量和调整量minax25.03681IS（13）基本额定功率0.3Pkw（14）要求带宽；确定1.407.dslzbmK40sb（15）紧变张力和松边张力125/1632dFPN（16）压轴力12()79.8QFK-15-（17）带轮设计带轮的零件图如下：图3.5小同步带轮零件图2.大同步带轮的设计（1）设计功率选择载荷修订系数，故；1.7AK0.3.629dPkw（2）选定带型节距8bm（3）选定小带轮齿数14Z（4）确定小带轮节圆直径6.5d（5）选定大带轮齿数23（6）确定大带轮节圆直径8.m（7）带速-16-13.486.520.9601dnms（8）初定轴间距am（9）带长212100()()2954ddLa确定96p（10）带齿数120pbZP（11）实际中心距2213()/634.09aMdm式中14()pL（12）安装量和调整量minax34.0982IS（13）基本额定功率0.Pkw（14）要求带宽确定1.4067.9dslzbmK70sb（15）紧变张力和松边张力125/854.217dFPN（16）压轴力12()965.3QFK（17）带轮设计带轮的零件图如下：-17-图3.6大同步带轮零件图其余主运动部件的结构见所交的零件图。3.1.5研磨机整机结构设计1.整机传动方案设计研磨盘公转运动的传动方案：JY7134电机（转速1400r/min）蜗杆蜗杆涡轮减速器（10:1）小同步带轮-2同步带II小同步带轮-1行星齿轮公转；研磨盘自转运动的传动方案：JY7134电机（转速1400r/min）蜗杆蜗杆涡轮减速器（10:1）无极变速器（变速范围19）大同步带轮-2同步带I大同步带轮-1行星齿轮自转。2.利用SolidWorks2006三维绘图软件对整机进行建模。-18-图3.7研磨机整机结构图-19-4研磨机运动分析4.1研磨机运动数学分析图4.1运动分析坐标系为固定在夹具上的坐标系，其坐标原点与内齿轮及系杆H旋转中心O重合；xOy为固定在系杆H末端的坐标系，原点绕坐标系的原点O旋转，角速11Oxy度为，轴和轴分别始终与轴和轴分别保持平行；为固定在行Hw1yxy2星齿轮上的坐标系，原点与行星齿轮的自转中心重合，则坐标系的自转速度即2为行星齿轮的自转速度。1w研磨机研磨工件端面时，工件夹持在夹具上，其位置是固定的。所以只要求出加工零件端面的中心点相对于研磨盘的运动轨迹，加工零件端面上的其他位置P相对于研磨盘的运动轨迹就很容易求得。设点与原点的距离为，与轴的夹角为；在初始0时刻，设系杆H与PORx0A-20-Ox轴的夹角为；轴与轴重合。经过一段时间后，行星齿轮在系杆H0B2Ox1t的带动下绕O点公转角度，同时绕点自转角度。要求出加工工件相对于Hwt11w研磨盘的运动轨迹，只要求出点P在坐标系中的坐标即可。2xOy首先通过坐标平移变换，求出点P在坐标系中的坐标(，)：11xy100cos()HxRAewtB.（1）iniy通过坐标变换，求出点P在坐标系中的坐标(，)：2xOy2xy211cos()in)xwtt.（2）1icos(y将（1）式代入（2）式得：1010cos()()HxRtAewtB.（3）2insinyw设行星架H和行星齿轮两个角速度之比设为I：（4）1HI将（4）式代入（3）式，加工零件端面中心点P相对于研磨盘的运动轨迹方程为：20011cos()cos()HHxRwtAewtBII（5）200in()in()yttII4.2MATLAB绘制运动轨迹及其分析方程（5）中，根据整机传动方案有：，设开始时刻6em140/minHwr，。则方程中还有两个未知量和。0A0BIR-21-4.2.1参数I对研磨轨迹的影响编制MATLAB程序：t=0:0.001:12r=40i=0wh=140e=6x2=r*cos(1/i*wh*t)-e*cos(1/i-1)*wh*t)y2=-r*sin(1/i*wh*t)+e*sin(1/i-1)*wh*t)plot(x2,y2)其余值不变通过改变I值可以得到不同的研磨轨迹。下图为I从1到9的研磨轨迹。-50-40-30-20-10010203040-40-30-20-10010203040-40-30-20-10010203040-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-10010203040-50-40-30-20-1001020304050I=1I=2I=3-40-30-20-10010203040-40-30-20-10010203040-50-40-30-20-10010203040-50-40-30-20-1001020304050-40-30-20-10010203040-50-40-30-20-1001020304050I=4I=5I=6-22-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050I=7I=8I=9图4.2I从1到9变化的研磨轨迹继续整大I的值-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050I=10I=20I=30-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050I=40I=50I=60图4.3I从10到60变化的研磨轨迹当I为负值，既行星齿轮的自转和公转转向相反时。I从-1到-9对应的轨迹如下：-23-50-40-30-20-10010203040-50-40-30-20-1001020304050-40-30-20-10010203040-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-10010203040-50-40-30-20-1001020304050I=-1I=-2I=-3-40-30-20-10010203040-40-30-20-10010203040-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050I=-4I=-5I=-6-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050I=-7I=-8I=-9图4.4I从-1到-9变化的研磨轨迹继续整大I的值-24-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050I=-10I=-20I=-30-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050I=-40I=-50I=-60图4.5I从-10到-60变化的研磨轨迹分析上面的几幅运动轨迹图，可以得出如下结论：（1）系杆转速与研磨盘自转转速的比值I对研磨运动轨迹起着决定性的作用，是研究研磨运动轨迹的重中之重。在加工零件时应用合理的研磨运动轨迹，对零件端面研磨加工来说是非常关键的，研磨运动轨迹是否合理直接影响零件端面的加工质量。（2）当I由1变化到9的过程中，研磨轨迹可以清晰的看出其变化，这些轨迹在研磨盘上并不均匀且磨削速度波动较大，不利于研磨盘的有效利用和提高研磨质量，这些轨迹不适合用于较高质量要求的研磨加工。（3）当I由10变化到20，研磨轨迹开始变得均匀，但研磨轨迹还不是十分均匀，并不适合精磨和精细研磨，适合刚开始的粗磨。I由20到40的时候，轨迹趋于均匀，适合精磨。I由40到60的时候轨迹已经非常密集且均匀了，这时候磨削速度波动较小。研磨盘磨削也很均匀，适于零件端面的精细研磨。（4）同样对于转动方向不同时也有上述的几点规律。(5)要提高光纤连接器的精密研磨质量，应该在原来I值的基础上，增加I的-25-值。4.2.2参数R对研磨轨迹的影响I值不变（设为20），改变R的值可以得到不同的研磨轨迹，如下图所示-20-15-10-505101520-20-15-10-505101520-30-20-100102030-30-20-100102030-40-30-20-10010203040-40-30-20-10010203040R=10R=20R=30-50-40-30-20-1001020304050-50-40-30-20-1001020304050-60-40-200204060-60-40-200204060-80-60-40-20020406080-80-60-40-20020406080R=40R=50R=60图4.6R从10到60变化的研磨轨迹分析上面的运动轨迹图，可以得出如下结论：(1)当I值不变时，不同的R值对对应的研磨轨迹是不同的，R值越大，轨迹重复点越少，越有利于延长研磨盘的使用寿命。4.3设定研磨机主要运动参数由2.2中有2122111()HHHznznzi将设定的具体数值代入得12404.41.1.1wnIIn-26-通过分析4.2中对I值得分析可以得出大致的工作参数如下表：表4.1研磨机主要运动转速参照表加工要求I值范围内齿轮转速参考值（r/min）粗研磨102019.09-25.45精研磨204015.9119.09精细研磨406014.8415.91注：内齿轮转速范围的调整时由无级变速器控制的。-27-总结与体会此次毕业设计，我的主要步骤是：确定设计方案主运动原理设计主运动结构设计整机结构设计零件研磨轨迹分析SolidWorks零件三维建模SolidWorks整机装配利用Solidworks绘制零件图利用Solidworks绘制装配图编写设计说明书。确定设计方案主要是以现代机械设计方法学为指导，对研磨机进行了功能原理分析以及功能元的求解。主运动原理设计是在机构原理设计的基础上进行的。主运动结构设计主要利用了MATLAB优化函数对差动轮系进行了优化设计，在参考机械设计标准的基础上进行零部件的尺寸计算、结构设计。整机结构设计综合考虑了主运动部件的基本尺寸、研磨液循环、工件夹持、密封问题、宜人性。此次毕业设计，让我充分认识到了设计工作的系统性和艰巨性。以前吧，在教学任务的要求下，也做过较多的课程设计，其设计步骤也同这次大致相同，但以前的课程设计主要是针对某个或某类固定的、现有的机械产品的部分结构设计，设计过程中所要考虑的问题也相对较少。因此也就没有特别强的感觉到自己专业知识结构中不足。但毕业设计是一个整机的设计，以前也很少接触与研磨机相关的内容。所以在设计过程中很多的问题。话说功夫不负有心人，设计过程中诸多问题都在我自己翻阅书本、借鉴相关设计成果、认真思考设计的不足、向指导老师讨论、认真听取指导老师意见的基础上大致得以了解决。同时让我充分发现了自己在现有水平下某些机械方面专业知识的不足，比如工程图视图表达、机械结构考虑不