毕业论文平面二次包络蜗杆专用数控磨床的设计与开发.doc

毕业论文平面二次包络蜗杆专用数控磨床的设计与开发目 录摘 要IAbstractII目 录III绪论11 平面二次包络蜗杆加工设备的发展现状和趋势21.1 国外加工设备的研究与开发21.1.1瑞士Maag公司的SD系列磨床21.1.2 瑞士莱斯豪威尔AZA型蜗杆砂轮磨齿机31.1.3联邦德国生产的锥面磨齿机41.2国内加工设备的研究与开发51.2.1二轴二联动磨床的开发51.2.2 四轴四联动磨床的开发61.3 平面二次包络蜗杆数控专用磨床开发的目的和意义61.4 研究课题的来源、技术背景、主要内容62 平面二次包络蜗杆加工设备的功能原理分析82.1 平面二次包络蜗杆齿面加工原理建模分析82.2平面二次包络蜗杆的两轴两联动加工原理及设备分析112.3基于CDK6150改造的四轴四联动数控磨床132.4平面二次包络蜗杆专用数控磨床应具备的功能132.5专用数控磨床总功能分析143平面二次包络蜗杆专用数控磨床运动学分析203.1 平面二次包络蜗杆齿面的加工运动学分析203.2四轴四联动的运动分析213.3平面二次包络蜗杆专用磨床的电机选择233.4本章小结254 平面二次包络蜗杆专用磨床的总体方案设计264.1 平面二次包络蜗杆专用磨床的设计方案264.2 总体布局方案的设计274.3总体结构方案设计304.4零部件结构设计304.4.1 床身的设计304.4.2主轴箱的结构设计324.4.3主轴箱体设计334.4.4 主轴系统的设计344.4.5 主轴箱传动系统设计345 关键零部件的结构分析与设计355.1 主轴的设计365.2主轴的密封375.3 X方向滑台传动设计385.4 Y向运动的部件设计385.5 磨头功能结构及调整方法的设计研究395.5.1 磨头的总体功能设计395.5.2磨头的调整方式406平面二次包络蜗杆专用数控磨床的运动和加工过程分析及仿真446.1 零件三维模型的建立446.2 仿真时机床各轴向调整过程466.3 仿真初始参数的确定496.3.1 导入运动参数506.3.2进行运动仿真526.4 本章小结537 机床关键零部件的有限元分析537.1 关键零部件的静力学分析537.1.1主轴的静力学分析537.1.2床身的静力学分析577.2 本章小结618机床的辅助机构设计628.1 冷却、润滑和密封系统的设计628.1.1 机床冷却系统配置628.1.2 工件的冷却638.1.3 砂轮主轴系统的冷却638.2 机床的润滑系统设计638.2.1 主轴的润滑648.3磨床防护机构设计648.3.1 砂轮的防护装置658.3.2 机床导轨的防护658.3.3 丝杠的防护668.3.4 床身的防护及整体外部结构668.4本章小结67结 论68参 考 文 献69致 谢71I1 平面二次包络蜗杆加工设备的发展现状和趋势平面二次包络蜗杆的加工设备在国内的设计开发可以追溯到上世纪70年代，首钢机械厂的研究人员在总结平面二次包络蜗杆副成型原理的基础之上利用旧车床，于1971年改造出一台能加工中心距为250mm的平面二次包络蜗杆车床，开创了国内生产平面二次包络蜗杆设备的先河，其中两项关键技术，一是车削专用磨头，二是在车床上增加的工装，为今后的平面二次包络蜗杆专用设备设计做了关键性的技术指导。为了解决平面二次包络蜗杆高效、高精度的加工问题，相关研究单位、高等院校及相关企业都在致力于研究开发平面二次包络蜗杆高精度专用设备。1.1 国外加工设备的研究与开发1.1.1瑞士Maag公司的SD系列磨床早在上世纪60年代末70年代初，瑞士的马格公司开发出了三种SD系列的磨床，其型号分别为：SD-32-X,SD-62，SD-60/B2。 其中SD-32-X型号的机床结构图1.1如下所示：图1.1 SD-32-X 瑞士磨齿机Fig.1.1 SD-32-X Switzerland Grinding machine该机床的主要技术参数如下： 可磨削工件的直径： 20-320mm； 齿数： 10-180mm； 展成行程： 0-8； 螺旋角： 45； 模数： 1-12； 最大托板行程（横向）： 350mm； 用双分度机构时最小齿数： 5； 在齿向方向上最大砂轮位移量：45； 砂轮直径： 200-280mm； 最多自动循环次数： 15次； 标准滚圆直径： 45,60,75,100,125,150,175,200,250,300（mm）；机床重量： 6400kg；砂轮修正机构补偿量： 0.001-0.002cm；机床的最大进给量（单齿面）：0.05mm该机床精度高，可以达到德国标准DIN3级，可以安排完整的自动磨削程序，关键部件为砂轮修整反补偿装置以及齿形齿腹的修整机构，但是该机床价格昂贵，而且加工效率低、结构复杂，不适合目前市场大批量的生产，只适合单件小批量的生产。另外，该机床也不是加工平面二次包络蜗杆的专用设备。1.1.2 瑞士莱斯豪威尔AZA型蜗杆砂轮磨齿机 瑞士Reishauer公司在上世纪70年代在NZA磨齿机的基础之上开发的具有更高自动化的蜗杆砂轮磨齿机。 其机床的结构图1.2如下：图1.2 NZA 瑞士磨齿机Fig.1.2 NZA Switzerland Grinding machine 机床的主要技术参数：最大外圆直径： 300mm；最小根圆直径： 10；最大行程长度： 180；齿数： 12-260；最大模数： 单线砂轮： m6 双线砂轮： m3最小模数： m0.5；最大工件重量（包括夹具）：60kg；蜗杆砂轮尺寸： 最大直径： 350mm 最小直径： 270mm 宽度： 62,84,104（mm）砂轮自动进给： 总量： 0.8mm工件每次行程进给量： 0.01-0.08mm；工件架切向位移： 手调最大： 90mm 自动位移： 4电机总功率： 30kw；机床净重： 5080kg；机床外形尺寸： 243022802130（mm）该机床采用蜗杆砂轮连续磨削的方式进行工作，虽然从一定程度上提高了磨削的效率和精度，自动化程度也得到的提高，但是也存在一些问题，比如：砂轮主轴温升很高、同时机床价格居高不下、加工成本高。并且该机床也不是加工平面二次包络蜗杆的专用设备。1.1.3联邦德国生产的锥面磨齿机 该机床的工作过程是：砂轮的轴向剖面修整成齿条的一个齿形，并沿齿向作直线往复运动。工件通过蜗轮、丝杆和交换齿轮完成展成和分度运动,但也有用滚圆盘和钢带作展成运动,利用蜗轮副或分度盘作分度运动的。砂轮架按工件螺旋角转过一个角度时可磨削斜齿轮。该机床调整方便，通用性好，但是仅适用于单件小批量生产，不适合大规模加工，下表2-1是机床各种型号的主要参数：表2-1各型号的参数型号NZAAZAAZA-KZBRZ300E传动链方式机械传动链机械传动链机械传动链机械传动链电控制传动链最大直径（mm）300（330）330（400）330（400）700（770）300最大齿宽（mm）170180180290170最大/最小模数（mm）5（6）/0.56（8）/0.56（8）/0.57（10）/1.55/0.5最大/最小齿数130/12(8)260/12(8)260/12(8)280/16(13)256/7最大螺旋角4545453045最大工件重量（kg）50606030040磨削蜗杆单头单/双头单/双头单/双头单头保证精度DIN4级DIN4级DIN4级DIN4级DIN2-3级1.2国内加工设备的研究与开发1.2.1二轴二联动磨床的开发1999年春，重庆大学机械传动国家重点实验室作为“211”一期工程项目，利用已有的一台闲置螺纹磨床Y7250W，与西华大学数控技术研究所合作，于2002年春开发了一台二轴联动平面包络环面蜗杆数控磨床。Y7520W是一种高精度螺纹磨床，可磨削加工最大直径为200mm、最大长度为500mm的螺纹及圆柱蜗杆等工件，因此用这种磨床来改装蜗杆磨床具有较强的改造基础。 由于是基于原磨床的床身结构进行改造，因此该磨床具有一些不足之处，例如：（1）在加工中心距较大的蜗杆时，机床的回转工作台必须相对于工件向后移动较大距离，加工较小中心距蜗杆时，机床的回转工作台中心必须相对于工件向前移动较大距离，在这种情况下回转工作台来回运动范围很大，特别是加工小中心距的工件时，回转工作台必须与工件靠的很近，由于砂轮及砂轮头较大，在这种情况下，为获得正确的加工位置，砂轮头必须后退较大的距离，这就造成机床结构庞大。（2）机床有很多运动层面，使机床结构很复杂，刚性差，加工精度难以保证，操作很不方便，以及一些相应结构问题和刚度问题，使得机床的总体结构不合理，同时由于振动带来的影响使得加工的精度不高。1.2.2 四轴四联动磨床的开发西华大学与重庆大学利用一台CDK6150数控车床联合开发出一台四轴四联动加工平面二次包络蜗杆车床，该机床能满足对平面二次包络蜗杆的磨削，同时加工范围也得到扩大，但是，由于该机床是在普通车床上改造而来的，其结构、性能、精度等不能得到很好的保证，经过实际生产之后发现无论从机床导轨的精度、刚度上来说都存在很大的局限性，不能够完全实现高效、高精度的平面二次包络蜗杆的磨削。宁江机床厂也在致力于对平面二次包络蜗杆专用机床的开发，于2004年和瑞士的兰伯特瓦力公司签署了合作协议，双方将致力于数控蜗杆铣床的开发。目前，宁江机床厂已经开发出数控蜗杆铣床，但是并未投入大规模生产。1.3 平面二次包络蜗杆数控专用磨床开发的目的和意义由于平面二次包络蜗杆具有良好的啮合特性以及硬度高、传动效率高、承载能力大等优势，现已被广泛应用于制造加工等行业，但是由于目前专门加工平面二次包络蜗杆的设备缺乏，造成加工平面二次包络蜗杆的成本高、效率低，因此也阻碍了其应用推广。目前平面二次包络蜗杆磨削加工仍然不具备专用的加工设备，很多加工依旧停留在对车床或者磨床的一些改造上，比如增加一些必要的工装和磨头设备，但如此一来由于增加的工装和附件是基于之前专门的车床或磨床之后改造来的，因此就对加工蜗杆的精度造成了一定的影响,不能满足市场需求。国外虽有可以磨削平面二次包络蜗杆的设备，但价格昂贵，结构复杂，很难在国内大批量生产使用。基于目前市场大量需求以及平面二次包络环面蜗杆高效、高精度加工设备的缺乏,致使国内该类蜗杆供不应求，或者是由于购买外国专用设备生产以至于成本过高，无法得到推广和普及。为此，提出了平面二次包络蜗杆高效、高精度专用数控磨床，利用现代设计理论和产品设计开发的思路对平面二次包络蜗杆的专用磨床进行设计开发。1.4 研究课题的来源、技术背景、主要内容平面二次包络蜗杆在机械相关的领域和行业起作非常重要的作用。基于目前各行业对环面包络蜗杆的广泛需求，要解决平面二次包络蜗杆高精度、高效率、低成本的加工问题，对加工的设备也提出了更高要求。为此有必要开发一种能够解决平面二次包络蜗杆高精度、高效率、低成本的加工的专用设备。本文将在西华大学数控研究所前期开发的数控蜗杆磨床的基础之上，结合西华大学数控研究所与上海合纵重工平面二次包络蜗杆加工设备课题，本课题特提出对平面二次包络蜗杆的专用数控磨床进行开发，为完成高精度、高效率、低成本平面二次包络蜗杆的专用数控磨床的开发。本课题主要研究内容应包括：(1) 对现有的平面二次包络蜗杆的加工方法进行分析研究,找出存在的问题,论证平面二次包络蜗杆加工的专用数控磨床开发的必要性和可行性；(2)对平面二次包络蜗杆加工理论进行分析, 建立加工原理的数学模型，研究平面二次包络蜗杆磨削功能要求，提出本专用磨床设计的功能目标和确定详细明确的设计要求,为设计提供依据； (3)根据平面二次包络蜗杆齿面成形原理，研究分析确定专用磨床采用的加工原理。运用功能分析的方法，对平面二次包络蜗杆加工进行功能原理设计，研究平面二次包络蜗杆专用磨床的总体布局设计和总体结构方案的分析设计；(4)在完成运动学、动力学的相关分析计算的基础上对平面二次包络蜗杆专用磨床的关键零部件进行分析设计研究；(5)根据平面二次包络蜗杆专用磨床的总体布局设计和总体结构方案，完成整机的虚拟样机的设计； (6)为验证专用磨床采用的加工原理正确性和结构的合理性，对虚拟样机进行运动仿真研究； (7)为保证专用磨床加工精度和工作可靠性，对关键零部件进行结构分析研究； (8)为保证平面二次包络蜗杆专用磨床完成加工过程的稳定性和安全性，对整机的辅助系统（润滑、密封、冷却、防护等装置）进行配置研究。73732 平面二次包络蜗杆加工设备的功能原理分析2.1 平面二次包络蜗杆齿面加工原理建模分析蜗杆螺旋齿的示意图如下，从图中可以看出将螺旋齿面分为三个部分：1.蜗杆齿槽环面，2.蜗杆工作齿面，3.蜗杆齿顶环面，4.蜗杆非工作齿面，其中3和4面都可以看出是完全线接触。图 2.1蜗杆齿面的构成Fig.2.1 Worm tooth surface constituting(1)、蜗杆齿面的加工建立坐标系如图2.2 是空间固定标架1；为空间固定标架2；为联接蜗杆的标架1；是联接工作台的标架2；是工作台的转角，是蜗杆的转角；当=0时，与重合，和重合。 图2.2. 蜗杆加工坐标系 Fig. 2.2. Worm processing coordinate system(2) 砂轮轮廓及配合图2.3（a）为砂轮磨削截面，图2.3（b）为蜗杆喉颈和蜗轮啮合时的位置参数，是砂轮磨削时的回转中心，L是工件的实际中心距，D1是蜗轮分度圆直径，是分度圆压力角，Df1蜗杆喉颈位置齿根圆直径，Et1为分度圆齿槽宽，R2砂轮直径，为砂轮磨削面所成的倾斜角，砂轮初始定位在： l1=R2-L+0.5Df1； 砂轮齿形角为： 0=arctan（tantcos） （2-1） 其中t=-0,0=180et1/d2 砂轮齿顶宽为： (2-2)其中S为磨头工作时留的侧隙图 2.3（a）砂轮轴截面Fig. 2.3（a）Wheel axial sectionDn/2L 图 2.3（b）砂轮啮合位置Fig. 2.3（b）Grinding wheel engaging position（3）啮合方程 蜗杆齿面和砂轮表面的啮合方程是： (2-3) 联立其磨削面方程和图2.2中的坐标系可以得到蜗杆齿面方程: （2-4）其中r、为砂轮的旋转参数方程（2-4）所表达的就是由蜗杆齿面包络出蜗轮齿面的过程，即二次包络方程式，其中，加工蜗杆的转角是，蜗轮的旋转角度是，加工的实际中心距为a，传动比是i12，= i12。这样就得到了加工蜗杆的啮合方程： （2-5）式（2-5）为修型运动的啮合方程，对于一般传动，可以推出：联立方程（2-4）和方程（2-5）可以得到蜗轮齿面的方程。412.2平面二次包络蜗杆的两轴两联动加工原理及设备分析重庆大学机械传动国家重点实验室于1999年春与西华大学数控技术研究所合作，用型号为Y7250W的螺纹磨床历时两年多开发了一台二轴联动的平面二次包络蜗杆数控磨床，所开发的NC2050二轴二联动数控磨床总体结构图2.4如下： 图2.4 NC2050二轴二联动数控磨床 Fig.2.4 NC2050Two axis linkage CNC grinding machine该二轴联动平面二次包络蜗杆数控磨床可以加工最大直径为200、长度为500mm的平面二次包络蜗杆，基于其加工范围比较大，以此作为基础改造出的能加工平面二次包络蜗杆的磨床对平面二次包络蜗杆数控磨削具有其现实意义的。从图中可以看出，通过伺服电机带动主轴做回转运动，而砂轮通过回转工作台上的伺服电机驱动进行旋转，从而实现对蜗杆不同位置进行加工的工位变化，通过v方向的滑台实现砂轮的纵向运动，以随时保持与基圆相切，通过Y方向的滑台实现砂轮的径向运动，主轴和砂轮自身的回转运动都是通过CNC伺服系统控制，磨削前需要手动调整好砂轮垂直方向Z以获得正确的加工工位。以下是改造后数控机床的个别主要技术指标：额定转速： 1450r/pm；功率： 2kw；最大加工中心距： 300mm；最小加工中心距： 100mm；蜗杆工作部分长度： 150mm；额定转速： 2000r/pm；主基圆直径： 200mm；加工蜗杆头数： 1-6；主轴转速： 1-10r/pm；该两轴两联动平面二次包络蜗杆数控磨床虽然能够满足加工平面二次包络蜗杆，但是也有一些问题：（1）当加工中心距不同的蜗杆时，对床身的结构要求改变较大，当被加工蜗杆的中心距较小时，磨头需要向蜗杆旋转轴的垂直方向移动较大距离，但由于磨头的旋转工作台结构比较大，需要向反方向移动较大距离，才能保证加工位置的正确，这样一来导致机床的床身结构变大。（2）该两轴两联动结构的磨床的运动是有多层滑台构成，即使保证了加工位置的正确，其加工精度也会在每一层的结构依次降低，因此总的加工精度也不能保证，不能满足现代加工的高精度要求，同时，磨床本身结构的刚度也降低，多层结构从人机工程的角度来看也不能满足操作者的方便操作。通过主轴回转和砂轮架的回转实现两轴两联动，完成平面二次包络蜗杆环面的啮合。同时，在机床主轴和尾座处分别添加了加高底座和尾座垫块，这样一来使得整个机床的刚度和精度大幅度下降，在主轴高速运行的状态下无法保证蜗杆加工所需的高精度要求。并且，该机床的加工效率也是非常低的，不能满足当前大批量生产的需求。2.3基于CDK6150改造的四轴四联动数控磨床由于CDK-6150部分功能与我们所要求的平面二次包络蜗杆专用数控磨床有很多共同点，其本身具有加工平面二次包络蜗杆要求的主轴箱和XY运动的部件，同时主轴性能和主轴箱也具备专用磨床的一些要求，因此西华大学通过在该机床的机械部分上进行改造改装了一台GWNC4-A四轴四联动数控磨床。改造主要是针对：（1）在床头箱和尾座的部分垫高了165mm，由于原来的床身床头箱的高度不能满足加工的高度相等，即尾座和主轴箱的中心高不相同，同时由于添加了移动滑台，中心高也发生了变化；（2）安装了专用磨头，作为磨削蜗杆的主要部件；（3）将普通丝杆传动改为了滚珠丝杆运动，减少了机械爬行，提高了传递效率；（4）配置了与四轴四联动数控系统相应的交流伺服电机。 改造后的示意图2.5如下：磨头体操作面板磨头转台A向X向滚珠丝杆Z向滚珠丝杆轴Z向电机A向电机主轴垫高层图2.5GWNC4-A四轴四联动数控磨床Fig.2.5 GWNC4-A Four-axis linkage CNC grinding machine2.4平面二次包络蜗杆专用数控磨床应具备的功能通过上一节的分析，确定平面二次包络蜗杆专用数控磨床所具备的基本功能为：（1）横向、纵向工作台的运动功能：通过伺服电机带动主轴进行回转运动，伺服电机将动力传递给滚珠丝杆，由滚珠丝杆将回转运动变为直线运动，从而实现工作台的进给功能；（2）圆弧插补功能：通过伺服电机驱动X、Y方向的滚珠丝杆，将回转运动转换为直线运动，以带动X、Y方向的工作台联动，实现圆弧插补运动，该过程由数控系统通过编程实现。（3）磨头回转功能：平面二次包络蜗杆加工的专用磨头安装在回转工作台上，回转工作台由蜗轮蜗杆的运动带动做回转运动。（4）磨头磨削功能：磨头的回转运动通过独立的电机带动，通过电机带动磨头实现砂轮的磨削功能。2.5专用数控磨床总功能分析（1）专用数控磨床总体功能分析本磨床是专门针对平面二次包络蜗杆进行加工的专用数控磨床，因此除了包括数控磨床基本的要求以外，比如在功能上满足驱动、执行、控制等功能，同时在其专用磨头部件上必须具有砂轮角度调整、磨头进给等功能；在执行部件上，包括机床的油路和润滑系统的执行等功能；另外，在控制方面包括机床的启动和急停功能等。详细的总体功能图如下图2.6所示：冷却、润滑x、y方向的进给砂轮角度修正驱动功能执行功能辅助功能支承和链接控制功能驱动形式传递形式定位夹紧磨削砂轮冷却启动、制动（停止）变速仪表显示防护总功能(平面二次包络蜗杆磨削)图2.6 总体功能图Fig.2.6 Total Function Chart（2）建立专用数控磨床功能结构图在完成整体功能的分析之后进一步对完成功能的详细步骤进行分析。首先设定加工蜗杆的初始主轴转速等参数，确认机床系统各个部件处于正常状态后对工件进行安装夹紧以及定位。根据蜗杆的加工需要调整好磨头的初始位置、砂轮的偏转角度等参数，确认初始加工工位。通过数控系统进行机床主轴和滑台等部件走位的编程，启动主轴，通过实现四轴联动对蜗杆进行加工，这个过程中机床的润滑、冷却系统适时启动，对机床的各个部件进行辅助调节。 其具体的结构执行结构图2.7如下：启动、停止辅助进给磨削支承与联接定位传递形式转换传动系统夹紧砂轮修正变速信号物料（蜗杆）驱动信号平面二次包络蜗杆图2.7 功能结构图Fig.2.7 Functional Block Diagram（3）寻找专用数控磨床原理和组合根据功能结构图及专用机床要求具备的功能，在确定好机床系统的功能关系之后，充分考虑执行部件完成系统各个功能的实现原理，在保证完成系统功能的前提下对相关的执行原理进行优化选择，以确定专用数控磨床原理和组合。对平面二次包络蜗杆专用数控磨床完成系统各个功能的方案选择是多种的，相应的组合更多，合理配置平面二次包络蜗杆专用数控磨床方案的组合是保证功能完成和节省经济和能源的必要条件，根据对平面二次包络蜗杆专用数控磨床主要功能分析，对完成各主要功能的方案进行分析得到平面二次包络蜗杆专用数控磨床功能组合的形态学矩阵如表2-1:表2-1 平面二次包络蜗杆磨床功能原理的形态学矩阵功能元 功能元件123A驱动形式交流伺服电机直流伺服电机步进电机B传动形式齿轮同步带传动C工件定位手动气动液压D夹紧手动气动液压E砂轮修整手动气动液压Fxy进给滚珠丝杆齿轮齿条普通丝杆 方案评选的分析： 首先对驱动形式进行考虑，由于直流电机需要专用的电源，而步进电机又不能保证主轴转动的精度，交流伺服电机现在越来越被广泛应用于机床系统中，无论从其控制精度还是运行性能上来说都是比较好的选择，因此，选用交流伺服电机作为电机驱动。另外传动形式，无论是齿轮传动还是同步带传动都各有优势，对于工件的定位和夹紧方式来说手动控制相比于气动和液压控制比较方便而且成本低，气动和液压装置不仅要配置相应的气缸和液压泵，而且控制上还需要配置相应的控制系统，提高了成本。x、y向的进给可以选择滚珠丝杆和普通丝杆，但是滚珠丝杆相对来说摩擦系数小，有利于加工精度的提高。 运用淘汰法和优选法，经过初步的分析之后，初步选出3种方案：方案I：交流伺服电机（A1）同步带轮（B2）气动（C2）手动（D1）手动（E1）滚珠丝杆（F1）；方案II：交流伺服电机（A1）齿轮（B1）手动（C1）手动（D1）手动（E1）普通丝杆（F3）；方案III：交流伺服电机（A1）齿轮（B1）手动（C1）手动（D1）手动（E1）普通丝杆（F3）；（4）评价优选评价目标的确定 从数控机床的性能参数来说，我们要首先要考虑其加工的精度和范围，在满足这两个要求之后，应该从人机工程学的角度考虑其操作性、振动、噪声污染等，其次再考虑成本问题。成本主要从两方面来考虑，一个是生产成本，另一个是使用成本，即在使用过程中所需要耗费的资金。 下表2-2为平面二次包络蜗杆专用磨床的评价目标：表2-2评价目标性能参数效率、精度加工范围、噪声、振动成本生产成本、使用成本使用性操作方便、环保、安全性确定评价目标的权重系数和建立目标树为了能够准确的确定各个评价目标的重要程度，采用强制判定法计算出各个评价目标的加权系数列表如下：其中各个评价目标的权重系数即加权系数：表2-3 加权系数判别表评价目标比较目标加工范围变速效率精度成本安全性噪声振动操作方便K加权系数加工范围1100110150.03变速32101220110.075效率42102221140.096精度43334334270.186成本44412233230.158安全性33202211140.096噪声32212221150.103振动42211320150.103操作方便34301334210.1451451 下图2.7为根据加权系数判别表得出的评价目标树： 图2.7 评定目标树Fig.2.7 Assessment of the target tree对3个评价目标进行评分采用集体评分法，以减少个人主观因素对分值的影响，通过数控研究所的部分专家和同学所评的分数取平均值或者去除最大、最小值后的平均值作为有效分值，评分标准采用10分制，选择10分制的原因是根据以往设计的经验和目前市场的趋势做出相对准确的判断，而非通过计算得出结果，这种评分的优点在于可以更加迅速、更加实用的对目标做出相对合理的评价，“理想状态”取10分，“不能用”取0分，分数参考下表2-4：表2-4 目标评分方案效率精度加工范围噪声振动生产成本使用成本操作方便环保安全性988988788779877.576787.559876.5667.587.53个方案的8个评价目标的计算： 用矩阵表示8个评价目标：P = （2-1）其中 （2-2）=0.159+0.158+0.68+0.127=16.12=0.157+0.159+0.68+0.127.5=15=0.155+0.159+0.68+0.127.5=14.6由于N1N2N3，所以方案I为最佳方案，即,方案I：交流伺服电机（A1）同步带轮（B2）气动（C2）手动（D1）手动（E1）滚珠丝杆（F1）；3平面二次包络蜗杆专用数控磨床运动学分析3.1 平面二次包络蜗杆齿面的加工运动学分析虚拟中心距的加工原理 众所周知，运用数控机床加工工件的原则是在要求工件的精度的同时尽量要求机床本身的性能方面满足生产的实际需求，比如机床的大小方面，从上述的传统蜗杆加工方式我们研究发现，机床的大小是不能充分满足不同大小被加工工件的需求的，根据蜗杆的大小不同其中心距也不一样，按照传统的加工方式，机床的磨头旋转台部分需要按照被加工工件的中心距大小进行调整，中心距较小时，需要将磨头旋转台向前移动；当中心距较大时，需要将旋转台向后移动较大的距离，这样一来造成的结果就是机床本身结构庞大，不能很好的适应实际生产的需求。于是我们采用四轴四联动的加工方式，利用虚拟中心距的原理，这样可以简化加工的步骤，同时也减小了床身的体积，使机床的结构变得更加紧凑。 图3.1虚拟中心距原理 Fig.3.1The principle of virtual center如图3.1，形成该右旋环面蜗杆左侧齿面的母线为L，它与AB重合，并时刻与基圆相切。在2=0的起始位置，它与AO2，BO2构成AO2为一刚体三角形，位于蜗杆的主截面中。根据该蜗杆齿面的形成原理，加工蜗杆的假想工具齿轮轴心为O2，分度圆半径R。蜗杆、假想工具齿轮的角速度及转角分别为1，2和2，2；并且满足： 线段L随AOC的转动等同于随同AOC在所在平面中作平面运动。根据理论力学平面运动的法则，AOC的平面运动可以分解为平面上的基点的平动和绕基点的转动。因此，若取AOC中的任意点O为基点，则线段L的平动可以转化为基点O通过沿X、Z方向的移动实现作以Re为半径,圆心为O2的圆弧运动和线段L随所固连的平面（即AOC）绕O的转动，且其角速度恰等于2。由此可见，通常加工环面蜗杆时，刀具安装在假想工具齿轮的大工作台（AO2B）上，直接绕工作台中心O2的回转运动，可以改为安装在一个小工具台（AOC）上，让工具台一边以2自转一边沿X、Z方向的移动实施以O2为虚拟中心Re为半径的圆弧运动。这样便可以大大减小工作台的直径和实际中心距。这就是加工中心距的虚拟化原理。这样就完成了整个动作的拆解和简化，如此一来就可以将刀具安装在一个较小的工作台上，通过工作台的X、Z方向的进给和砂轮的自身旋转来完成工件的加工，而且，可以允许被加工工件的中心距有较大幅度的变化，同时机床本身也不会增大或者减小。 3.2四轴四联动的运动分析（1）X、Y插补中心O的确定 以加工工件的位置为基准，插补圆的圆心由工件蜗杆蜗轮啮合副的中心距a决定，同时应在工件喉颈圆弧中心线上，同时也是蜗轮的基圆圆心，该插补圆心可以通过数控编程实现，因此针对该圆心的确定是非常容易实现的，这样一来当加工中心距较大的蜗杆时就不必专门制造大型的磨床，从而大大简化了磨床的床身结构。（2）插补半径的确定如图3.2所示，取蜗杆基元圆心O为插补中心，AOC是简化后的磨削头，其中A表示加工蜗杆的砂轮刀尖，O为磨削头的回转中心，只有当插补半径选择以砂轮转台的回转中心O到插补圆心O的距离为半径，再进行相应的Y回转进行角度补偿才能保证砂轮工作面与基圆相切同时保证砂轮刀尖始终在切削圆上。 图 3.2 运动示意图Fig3.2 Grinding wheel movement （3）回转半径R的确定如图3.3所示，X、Z逆圆插补时，如果没有磨头本身的回转运动Y，砂轮刀尖移动的轨迹圆很明显与基圆不同心，并且刀尖的移动轨迹从位置1逆圆插补到了位置2，从图中可以看出刀尖的位置从位置A移动到位置A，超出了圆的轨迹，要使工作面与基圆相切，必须把磨削头绕中心O转一个角度进行补偿，经研究发现，磨削头自身的回转中心O回转角度与圆插补轨迹的回转角度有一定的几何关系，一下是对此几何关系的详细证明： 图3.3 角度补偿图Fig3.3 Angle-compensation of grinding wheel 如图3.3所示，取磨削头的一半OAB代替整个砂轮，AB与基圆相切，其延长线省略，A1B1的延长线也省略，AB是砂轮磨削的初始位置，设O是插补圆、基圆、理想磨削圆的圆心，A为砂轮刀尖，O为砂轮回转中心，若没有砂轮围绕砂轮架回转中心的旋转，砂轮会随工作台的插补运动，转过角度，平动到O1AB，使刀尖A1到达理想的磨削圆上，砂轮绕砂轮架回转中心O1转动角度，达到理想位置O1A1B1，下面证明与之间的几何关系：砂轮是固定在砂轮架上的，因此：AB= A1B1；O1A= O1A1； OA与OA1都是磨削圆半径，OA= OA1；OO与OO1都是插补圆的半径，因此OO= OO1；所以，AOOA1OO1；因此，AOO=A1OO1；1、2分别与AOO、A1O1O互补，所以1=2；由于O1AB是OAB平动得来的，所以AOA1B1；3=2+；而3是OPO的外角，所以3=1+；=；OAB随插补运动平移至O1A1B1位置时，绕O1转动的角度与回转工作台随插补运动转过的角度相等时，砂轮刀尖的位置正好在磨削圆上，满足加工要求。同理，可以证明插补误差三角形只要插补误差一旦确定，在整个插补过程中所引起的砂轮刀尖误差是不变的，并且不会随回转中心转动的角度大小变化而变化。3.3平面二次包络蜗杆专用磨床的电机选择磨床采取四轴四联动原理，由工艺动作分析得知，机床的运动包括：主轴带动工件的旋转运动（W）、砂轮的旋转运动（V）、回转工作台的回转运动（R）、横向直线进给运动（X）、纵向直线进给运动（Y）。根据蜗杆加工精度和范围要求以及参考中国江汉S7732蜗杆磨床（规格：320X1500）技术参数，确定磨床的运动参数。主要运动参数如下：主轴转速：0.2-20r/min。横向进给速度：0-3m/min。纵向进给速度：0-3m/min。砂轮主轴转速：1340 r/min。X、Y、Z轴分辨率：0.001mm。根据机床精度要求，磨床采用半闭环控制系统，信号反馈装置装在电机的端头，这种系统的闭环路内不包括机械传动环节，因此可以获得稳定的控制特性。采用高分辨率的测量元件(如脉冲编码器)，又可以获得比较满意的精度和速度。电机的选择包括类型、结构形式、额定电压、额定转速、额定功率的选择，选择过程中要考虑其使用要求及经济性。选择电机的步骤一般根据电动机的工作方式，按工作机负载，预选电动机的功率，然后进行发热，过载能力、启动能力校核。在选择交流伺服电机时，应考虑电机的最高转速和加减速时扭矩等。这里根据设计要求各部分所需功率和传递需要的扭矩以及同类产品的电机选择来初选电机，同时根据目前数控机床所使用电机的扭矩和功率来进行合理的配置选择。参考对比前面已有的平面二次包络蜗杆磨床各个部分采用的电机功率，本专用数控磨床电机功率选择为：考虑到磨床将来能够实现车削，主轴所需功率比磨削时的功率大，只磨削时蜗杆主轴功率有2kw就够了，由于车削主轴所需功率比磨削时大，同时参考CA6140主轴功率，确定主轴电机功率为7kw，选用三菱交流伺服电机，型号：HF-SP702B。回转工作台功率为初步计算1kw就够了，根据实际磨削情况，所需功率要大于此值，确定回转工作台功率为2KW，选用三菱交流伺服电机，型号：HF-SP202B，参数见表3-1。纵向进给工作台电机功率为2 KW，选用三菱交流伺服电机，型号：HF-SP202B，参数见表3-1。横向进给工作台电机功率为3.5 KW，选用三菱交流伺服电机，型号：HF-SP352B，参数见表3-1。 表3-1电机参数表HF-SP202BHF-SP352BHF-SP702B额定输出功率kW23.57.0额定转矩N m9.5516.733.4额定速度r/min2000最大速度r/min3000瞬时允许速度r/min3450最大转矩N m28.650.1100连续额定转矩时的功率比率kW/s23.837.272.5惯量 J 10（-4）kg m247.984.7164额定电流A101633最大电流A304899速度/位置检测器编编码器(分辨率：262144pulse/rev)轴允许径向负载N2058轴允许轴向负载N980制动器静态摩擦转矩N.m44附件绝对编码器重量 kg1825383.4本章小结本章主要针对平面二次包络蜗杆加工原理的分析，同时对整个机床的动力性能做了初步分析，为本文后面的四轴四联动平面二次包络蜗杆的设计作出了理论支撑。上述的虚拟中心距原理，就是我们设计平面二次包络蜗杆专用磨床所要用的运动学原理。4 平面二次包络蜗杆专用磨床的总体方案设计由于要求开发的平面二次包络数控磨床加工的蜗杆具有很广的适用领域和尺寸范围。因此，对其设备的总体方案要求应具备：（1）先进现代的四轴四联动数控系统，以满足加工原理的要求。 （2）自动化程度高、加工精度高、生产效率高、调整方便。（3）高刚性的整体床身结构，大功率电机、大平面高速砂轮，满足高负荷高精密度磨削要求。（4）安全、环保等符合国家强制性标准要求。4.1 平面二次包络蜗杆专用磨床的设计方案为了便于阐述四轴四联动机床的运动过程，我们取机床主要部件磨头和主轴部分来进行描述，如图4.1所示，上面已经分析过虚拟中心距的原理，整个机床的运动部分是由两个工作台A、B组成，分别控制X、Y向的移动，同时磨头工作的回转中心在O点，控制Z方向的回转运动，X、Y方向两个工作台同时平动实现了砂轮运动的圆弧插补，X、Y、Z三轴联动同时加上主轴的回转运动就实现了机床的四轴四联动，图中位于工作台下方的圆就是我们虚拟的一个中心距，可以看出该圆和砂轮做插补运动时的位置关系，由于X、Y、Z三轴联动确保了砂轮的产形面和基圆总是相切。值得注意的是，在机床运行之前必须保证各项运动参数是正确的，这些参数包括插补中心、砂轮垂直和前后方向的调整、砂轮的工作面在运行之前和基圆相切等等，在这些参数调整好之后我们才能保证机床的运动，进而才能保证砂轮工作面和被加工工件间的啮合正确。图4.1 四轴四联动设计方案Fig.4.1 Four-axis linkage design4.2 总体布局方案的设计总体布置需满足以下基本要求：（1）首先要能实现主轴、X轴、Y轴以及砂轮回转的四联动；（2）工件的装夹、定位功能；（3）保证精度、刚度，提高抗振性及热稳定性；（4）充分考虑产品系列化和发展；（5）结构紧凑，层次分明；（6）操作，维修、调整方便；（7）符合人机工程学的设计要求，便于操作者操作。通常磨削蜗杆的机床仍然是由床身、床头箱、回转工作台等几个主要结构组成，主要区别在于床身的布局和回转工作台的位置不同。如图4.2为 NC2050- A二轴二联动平面二次包络蜗杆数控磨床结构图，该机床是利用型号为Y7520的螺纹磨床改造成的用于加工环面蜗杆的磨床。该磨床能够实现对蜗杆的加工，主要缺点在于由于床身结构过大，不利于工件的安装定位；同时工作台是由多层结构组成，对于加工精度要求比较高的平面二次包络蜗杆加工来说是不能满足其高精度的要求。图4.2 NC2050- A二轴二联动平面二次包络蜗杆数控磨床结构图Fig.4.2 NC2050- A Two axis linkage plane double enveloping worm CNC grinding machine structure如图4.3，这是四轴四联动平面二次包络蜗杆磨床结构图，是在CKD6150-1500数控车床的基础上进行改造而来。该磨床床身结构复杂，并且其滑动工作台独立于机床床身之外，对加工的工位调整要求较高，同时加工精度也不能很好的得到保证。图4.3 四轴四联动平面二次包络蜗杆磨床结构图Fig.4.3 Four-axis linkage plane double enveloping worm grinder structure diagram图4.4为GMNC4- A四轴四联动平面二次包络蜗杆数控磨床的结构示意图。通过这三个结构图我们可以清楚地知道磨床的总体布局和结构方案。但是，在该车床上改造而来的磨床有很多不可避免的结构上的缺陷，例如：（1）由于原机床的主轴箱位置低，同时磨头滑台位置较高，因此为了获取正确的加工工位，必须将机床的主轴箱处垫高，这样则会使机床的刚性降低；（2）磨头滑台结构大，加工时带来的振动会影响加工精度；（3）磨床的几何精度较低。22图4.4 GMN