毕业论文终稿-冰刀刃磨装置设计[下载就送全套CAD图纸 答辩通过]

需要CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑本科毕业设计（论文）冰刀刃磨装置设计学号学生姓名指导教师所在学院所学专业2016年6月北华大学学士学位论文I摘要冰上运动的发展对冰刀质量提出了更高的要求，可是冰刀的手工刃磨自动化程度低，刃磨质量和效率难以得到保证。在国内，本文首次将数控方法应用到冰刀刃磨当中去。冰刀的数控刃磨需满足设备便携、工艺简单、控制精确、刃磨精度高等方面的要求。本次设计主要针对冰刀刃磨装置进行设计。首先，通过冰刀刃磨装置结构及原理进行分析，在此分析基础上提出了总体结构方案；接着，对主要技术参数进行了计算选择；然后，对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过AUTOCAD制图软件绘制了冰刀刃磨装置装配图及主要零部件图。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AUTOCAD制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键词冰刀；刃磨；数控；设计北华大学学士学位论文IIABSTRACTHIGHLIFTDEVICECALLEDWEIGHTLIFTINGDEVICE,ATOPHEAVYMACHINERY,LIFTINGMACHINEISAWITHRELATIVELYSMALLFORCECANTHEWEIGHTLIFTING,DESCENDINGORSHIFTOFSIMPLETOOLS,CANALSOBEUSEDTOCORRECTTHEDEFORMATIONOFTHEEQUIPMENTINSTALLATIONANDTHEDEVIATIONOFTHECOMPONENTSUCHASELECTRICLIFTINGDEVICEISALIFTINGDEVICEFORLIFTINGHEAVYOBJECTSBYSCREWDRIVETHEMOTORISCOMPOSEDOFAMOTOR,ABELTDRIVE,ATURBINEVORTEXRODDRIVE,ASCREW,ANUT,ALIFTINGROD,ETCTHISDESIGNFIRST,BASEDONTHESTRUCTUREANDTHEPRINCIPLEOFELECTRICLIFTINGDEVICEOFHIGHANALYSIS,THISANALYSISBASEDONPUTFORWARDTHEOVERALLSTRUCTURESCHEMEOFANDTHEN,THEDESIGNANDVERIFICATIONOFMAINTECHNICALPARAMETERSOFTHEMAINPARTSISDISCUSSEDTHEN,THROUGHTHETHREEDIMENSIONALDESIGNSOFTWAREPRO/EDESIGNTHEELECTRICLIFTINGDEVICEANDMOTIONSIMULATIONISCARRIEDOUTFINALLY,DRAWTHEELECTRICLIFTINGDEVICEASSEMBLYANDMAJORPARTSOFTHEMAPTHROUGHTHEDESIGN,THECONSOLIDATIONOFTHEUNIVERSITYOFTHEPROFESSIONALKNOWLEDGE,SUCHASMECHANICALPRINCIPLES,MECHANICALDESIGN,MECHANICSOFMATERIALS,TOLERANCEANDINTERCHANGEABILITYTHEORIES,MECHANICALDRAWINGMASTERTHEDESIGNMETHODOFGENERALMACHINERYPRODUCTSANDBEABLETOSKILLFULLYUSEAUTOCADDRAWINGSOFTWARE,FORTHEFUTUREWORKINLIFEISOFGREATSIGNIFICANCEKEYWORDSBRUSHSEAL；FINITEELEMENTMETHOD；DEFORMATION,；LEAKAGE北华大学学士学位论文III目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111研究的背景及意义112冰刀刃磨技术概述2121冰刀的手工刃磨213国内外研究状况314主要内容4第二章结构尺寸设计521冰刀刃磨机的主要指标522冰刀刃磨机的基本要求523冰刀刃磨机总体布局524主要部件的设计和选择6241进给轴的行程和尺寸6242丝杠的选取7243砂轮架的设计725磨削力的计算826丝杆螺母副的选择10261选择计算10262校核计算1227导轨副的选择13271静安全系数计算13272根据额定静载荷初选导轨13273导轨校核计算1428本章小结15第三章刃磨部件设计1631数控刃磨的特点1632影响冰刀刃磨质量的因素1633磨料的选择1834砂轮的选择1835冰刀与砂轮位置关系1936砂轮的修整19北华大学学士学位论文IV361砂轮的磨损机理19362砂轮的参数19363砂轮修整方法2037本章小结20第四章控制系统设计2141系统的硬件结构2142刃磨的运动控制分析21421砂轮的控制运动21422刃磨的控制流程2243砂轮恒线速度的控制2244本章小结23总结24参考文献25致谢26北华大学学士学位论文V北华大学学士学位论文VI北华大学学士学位论文VII北华大学学士学位论文VIII北华大学学士学位论文IX北华大学学士学位论文1第一章绪论11研究的背景及意义滑冰运动起源于荷兰。13世纪中叶,荷兰出现铁制冰刀。冰刀是冰上运动鞋下面的块刀片，它是冰上运动的基础。如图11和12所示，冰刀的刀刃线一般是由几段半径（810米）很大的圆弧线组成，刀刃一般厚2毫米。图11冰刀外形示意图到了17世纪,溜冰逐渐发展成为一种运动项目。冰刀是冰上运动的基础。今天,运动员和滑冰运动爱好者取得了越来越好的成绩冰刀的质量是一个决定性的因素。然而,冰刀使用一段时间后,其刃口会变钝,这时需要对其重新刃磨,使其恢复原来的形状。因此冰刀的正确刃磨对于保障冰刀的滑行质量和提高运动员的运动成绩起着至关重要的作用。冰刀的刃磨分为手工刃磨和数控刃磨。从刃磨质量上说，数控刃磨的加工质量要比手工刃磨的要高得多。目前，国外已经有商品化的数控冰刀刃磨机，而国内目前在冰刀刃磨机领域的研究和开发则比较落后,只有少数厂家能生产简易磨刀架和磨刀机。产品技术含量低,自动化程度不高,冰刀的刃磨质量完全取决于操作者的熟练程度,严重影响冰刀刃磨的效率和质量,商品化的手工冰刀刃磨机则尚属空白,更谈不上全自动的数控冰刀刃磨机了,这对我国冰上运动的发展是一个极大的制约。因此,开发具有自主知识产权的国产数控冰刀刃磨机势在必行。图12两段圆弧的冰刀刀刃线本文目的是解决我国冰刀刃磨行业的共性技术问题，开发具有自主知识产权的数控冰刀刃磨机，使冰刀由手工刃磨过渡到全自动刃磨，在冰刀刃磨技术上产生质北华大学学士学位论文2的飞跃，提高冰刀刃磨的质量和效率，促进滑冰运动的体育器材技术升级，提升我国滑冰运动员的运动成绩。本文的开展，对提高我国滑冰运动训练科学化水平和综合实力，促进我国体育器材新产品的开发及科技成果的转化，营造体育科技产业化环境，提高冰刀刃磨技术，促进体育产品结构的调整，提高运动员备战奥运会的运动成绩都将具有非常重要的意义。本文研究的数控技术及其在冰刀刃磨领域的应用，对于提高我国体育装备水平和实力、提冰上项目竞争能力、促进社会生产率的发展等方面都具有很好的社会效益和经济效益。12冰刀刃磨技术概述冰刀在冰面上滑行产生磨损，其磨损量小，冰刀的刃磨加工是一种磨削量小，精度要求高的加工方式。目前，冰刀的刃磨方法主要有两种，手工刃磨和数控刃磨121冰刀的手工刃磨手工刃磨是使用多级目数的精细磨料对工件表面进行多次的磨削加工。先将较粗的磨料混合猪油和煤油，在利用附着体（如铸铁）对零件表面给予一定的压力，进行圆周运动，经过多级的刃磨，达到表面要求。如图13图13手工刃磨冰刀方法但是手工刃磨存在一些严重的问题，主要有（1）手工刃磨时的作用力不易控制，在刃磨的过程中容易出现各种问题，如图14所示，当手压磨具作用力过大，就会出现切屑向刀刃处堆积形成卷刃；若刃磨冰刀用力不均还将造成偏刃和脊刃，如图15所示。（2）用油石在冰刀侧面刃磨冰刀的卷刃时，手控制油石的平稳度不够，易产生偏斜，用力程度也难以控制到最佳状态，常出现油石在刃侧面滑掉，直接伤及刀刃造成局部钝刀，如图16所示；（3）现阶段用的油石磨料粒度受限制，无法加工出最低粗糙度的冰刀锋刃；（4）油石不易修平，平面度差的油石难以保证被刃磨冰刀表面的几何形状；北华大学学士学位论文3（5）手工刃磨，冰刀的轮廓曲线难以与设计值吻合，这将影响冰刀的滑行质量；（6）手工刃磨精度不高、生产效率低，劳动强度大。图14冰刀的卷刃图15冰刀的偏刃和脊刃图16冰刀的局部钝刀122冰刀的数控刃磨技术冰刀的数控刃磨，是数控技术应用到冰刀刃磨当中去。与手工冰刀刃磨相比，数控冰刀刃磨具有质的飞跃，使得冰刀的刃磨加工质量更稳定，效率更高，更可靠。数控冰刀刃磨机，从本质意义上讲和一台普通的数控磨床没有什么区别，产品加工都要经过数控编程、刀补、插补、最后控制运动轴加工的过程。所不同的是，冰刀数控刃磨机床是一个非常专业化的数控机床。冰刀本身的结构小巧，刃磨机是在体育项目中使用，要求能够经常随运动队携带，这决定了冰刀的数控刃磨机应该是便携式的体积小、重量轻利用数控的编程技术可以编出任何平面的冰刀刀刃线。数控系统可控制X、Y、Z轴实现冰刀的测量、刃磨、砂轮修整。利用工艺卡编程，可控制机床对冰刀进行粗、精、抛光3级刃磨。粗磨完成主要的轮廓加工，精磨、抛光磨主要是提高精度和表面光洁度。利用以上数控技术，数控冰刀刃磨机床具有很强的灵活性，能适应任何一把冰刀的刃磨。手工冰刀刃磨的精度主要取决于操作人的经验程度。而冰刀的数控刃磨其精度则取决于控制系统的质量和机床的机械传动精度。13国内外研究状况有关刃磨冰刀的机器，在国外已有手工和数控两种商品化的产品例如美国的WISSOTA公司就是生产手工冰刀刃磨机的著名厂家，图17是该公司手工冰刀刃磨机产品。CAGONE公司也提供一系列手工和数控冰刀刃磨机，其产品如图18所示。北华大学学士学位论文4图17WISSOTA公司的手工冰刀刃磨机图18CAGONE公司冰刀刃磨机我国在冰刀刃磨机领域的研究和开发则比较落后，只有少数厂家能生产简易磨刀架和磨刀机，如图19所示图19国产手工冰刀磨刀机我国手工冰刀磨刀机产品技术含量低，自动化程度不高，冰刀的刃磨质量完全取决于作者的熟练程度，严重影响冰刀刃磨的效率和质量，商品化的手工冰刀刃磨机则尚属空白，更谈不上全自动的数控冰刀刃磨机了，这对我国冰上运动的发展是一个极大的制约。因此，开发具有自主知识产权的国产数控冰刀刃磨机势在必行。14主要内容本次设计主要内容；（1）查找相关资料，了解国内、外相关技术的现状、发展趋势；（2）对冰刀的结构特性展开研究，针对冰刀的结构特性要确定最佳刃磨机理及方案，构思机构总体结构方案；（3）确定各传动系统结构；（4）对主要零部件（主轴部件等）的机构选型及参数计算；（5）绘制装配图、部件零件图。设计要求（1）学生要按时、独立完成设计任务，每周向指导教师汇报设计进展情况，并保证设计质量。不允许数据造假、网上下载和拼凑；（2）完成冰刀刃磨装置设计工作，并能够提出至少两种以上可行性方案；能够根据使用要求，根据机械原理及机械设计基本知识，完成刃磨方案设计、装配关系的确立。北华大学学士学位论文5第二章结构尺寸设计本文研究的数控冰刀刃磨机是集机械、电气、计算机和控制技术于一体的机械加工设备。其中，机械部分是冰刀刃磨机的重要组成部分。机械部分的布局、结构设计、裝夹技术将对加工精度、系统可靠性和设备的便携性具有十分重要的意义。21冰刀刃磨机的主要指标冰刀的数控刃磨有其行业特点。首先，由于每个冰刀的磨损程度不同，其轮廓形状位置是未知的。其次，冰刀数控刃磨属于成形加工，不但要将刀刃磨出来，还必须将冰刀轮廓形状修复成规定的形状。再次，冰刀的刀刃面要求有较低的粗糙度。最后，刃磨冰刀时，在保证质量的前提下，应尽量考虑冰刀的使用寿命，每把冰刀的刃磨量设定要合理。综合上述冰刀刃磨的特点后，确定冰刀刃磨机的主要指标为（1）能够按特定参数和仿形自动刃磨300450MM，拱高10MM的速滑、短道速滑冰刀的任意弧度。通过X、Y、Z三个轴的伺服电机控制三维运动平台和刃磨运动。（2）冰刀刃磨过程分粗磨、精磨、抛光三级刃磨，磨轮驱动为变频、低噪、小功率电机。冰刀刃平面粗糙度达到RA0050025，90边刃角直接打磨。一次刃磨时间为35分钟。（3）采用弧度采集器、线阵CCD与A/D转换卡、单片机进行接口通讯，能检测冰刀弧度、刀刃磨损量；接收、运算采样数据；显示刃磨过程图形、进行数据对比和按弧度检测数据分级刃磨。22冰刀刃磨机的基本要求（1）该设备是用于运动员刃磨冰刀，设备应简单、可靠、易操作、精度高；（2）为了保障冰刀的形状精度，机械夹持部分应具有良好的刚性和精度；（3）设备的布局、功能应适应不同种类冰刀刃磨的要求。23冰刀刃磨机总体布局刃磨机的总体布局是设计刃磨机时影响全局性的决策部署。在总体布局确定后，才能确定部件之间的相对位置及运动关系，进一步具体设计刃磨机。总体布局的影响因素是多方面的，其中，工件的表面形成方法，即冰刀与砂轮怎么做相对运动来加工刀刃是设计刃磨机时首先要决定的。表面形成的方法确定后，刃磨机的布局、传动、结构及外形等就可初步决定。为了减少或消除刃磨机的振动及热变形，应特别注意主轴变速箱、电动机等的布局。此外，被加工工件的尺寸、重量和技术要求与刃磨机的布局有密切关系。总体布局还必须考虑人的因素，能够满足操作要求，北华大学学士学位论文6必须有利于减轻操作者的劳动强度，以提高工作效率，并应注意留出必要的维修空间。数控冰刀刃磨机机械部分的总体布局如图21所示，此冰刀刃磨机采用立式设计，主要由X向进给装置、Y向进给装置、Z向进给装置、夹具、砂轮装置五部分组成。由于冰刀的长度在300450MM之间，Y向运动行程为60MM，Z向运动行程只要20MM，所以整个机床的尺寸可以设计成长850MM，宽300MM，高565MM。冰刀的刃磨过程主要有X向冰刀磨削运动，Y向进给运动和Z向调节砂轮运动，通过这三个运动来实现对任意弧度冰刀的刃磨。本文研究的数控冰刀刃磨机体积、质量较小，转动惯量小，所以可将电机与丝杠直接相连。如图22所示，冰刀固定在夹具11上；X轴电机9带动丝杠2旋转，使滑板8沿X方向移动，从而带动冰刀实现X方向的运动，行程为550MM，磨削刀刃表面和90边刃角；同理，Y轴电机5带动丝杠6旋转，使滑板3沿Y方向移动，从而带动冰刀实现Y方向的运动，行程为60MM，磨削冰刀的拱高，X轴和Y轴的联动可实现砂轮的磨削运动；手轮13（为了减轻重量，用手轮代替Z向电机）带动丝杠12旋转，实现砂轮16的上升下降即Z方向的运动。砂轮安装在砂轮架15上，由砂轮电机14带动砂轮16转动。1X轴支撑架2X轴丝杠3Y轴滑板4底座5Y轴电机6Y轴丝杠7X轴导轨8X轴滑板9X轴电机10夹具导轨11夹具12Z轴丝杠13手轮14砂轮电机15砂轮架16砂轮图21数控冰刀刃磨机的总体布局北华大学学士学位论文724主要部件的设计和选择对主要部件的设计和选择要能满足冰刀刃磨机的精度、刚度等性能上的要求。241进给轴的行程和尺寸冰刀的长度为300450MM，工作台的实际加工行程就是所加工冰刀的长度，即工作台的实际加工行程为300450MM。但在加工开始和结束时，工作台要有一段加速行程和减速行程，所以将X轴的总行程设定为550MM；再加上工作台本身的长度（500MM）和装夹尺寸，得出X轴的总尺寸为828MM。图22冰刀加工尺寸示意图刀刃可加工厚度不超过30MM，如图22所示，要给工作台留出一段加、减速行程，所以Y轴的行程为60MM；再加上工作台本身的宽度（200MM）和装夹尺寸，得出Y轴的总尺寸为318MM。冰刀厚2MM，砂轮厚8MM；加上刀具的加、减速行程，Z轴的行程设定为20MM。由于工作台本身的高度（220MM）度、砂轮架的高度（110MM）和装夹尺寸，所以将Z轴的总尺寸设定为400MM。242丝杠的选取在本设计中，采用滚珠丝杠，梯形螺纹。丝杠的刚度与直径大小直接相关，直径大、刚度好，但直径太大转动惯量也大，考虑到刃磨机属于小型加工设备，取滚珠丝杠的直径为20MM，所以选择公称直径20MM，公称导程6MM，丝杠外径203MM的滚珠丝杠副。根据机床运动轴的行程，确定丝杠的有效螺纹长度分别为X轴600MM，Y轴90MM，Z轴48MM。243砂轮架的设计砂轮架（磨具、磨头）是磨床上用来带动砂轮作高速旋转的关键部件，图23是冰刀刃磨机的砂轮架结构。经过静平衡的砂轮紧固在主轴上，主轴支撑在轴承上。整个砂轮架与Z轴丝杠相连，实现Z方向的运动。北华大学学士学位论文81端盖2轴承3砂轮4支撑架5主轴图23砂轮架结构其中，主轴与轴承是砂轮架的关键部分，主轴轴承系统刚性好，会提高磨削生产率、加工精度和工件表面光洁度。磨床的砂轮主轴多数采用两点支承，主轴刚度的计算简图见图24，根据材料力学，式中I主轴支撑之间那一段的当量惯性矩，主轴支撑,054DDI之间那一段的当量外径和孔径。当D/D05时，孔对刚度的影响可以忽略，则，这里D20MM。主轴的刚度为405I在本设计中，我们选择单列向心球轴承，其简化后的支点在轴承中部；通常，主轴前端的悬伸长度A由构造决定，根据冰刀刃磨机的整体尺寸，取A20MM；一般情况下I35A，大型磨床取下限，中小型磨床取上限，故取I60MM。将各个参数带入式（32）中，得主轴刚度K115N/MM，其中E200GPA。610图24受弯主轴计算简图25磨削力的计算磨削力是工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和接合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力可以分为相互垂直的切向磨削力，沿TF砂轮径向的法向磨削力，以及沿砂轮轴向的轴向磨削力。一般磨削中，轴向磨NFAF北华大学学士学位论文9削力较小，可以忽略不计。由于砂轮磨粒具有较大的负前角，所以法向磨削力AF大于切向磨削力，通常情况下/在153范围内（称/为磨削比），NTNFTNFT需要指出的一点，磨削比不但与砂轮的锐利程度有关，而且随被加工材料特性的不同而不同。磨削普通钢料时，/153。NT磨粒开始接触工件后，即刻受到工件的抗力作用，图25所示为磨粒以平均磨粒切深切入工件表面时的受力情况。在不考虑摩擦作用的情况下，切削力GAXDF垂直作用于磨粒锥面上。其分布范围如图25C中的虚线范围。从图25A可以看出，作用力分解为法向推力和侧向推力。两侧推力相互抵消而法向推XDFDFNXTXDFNDF力则叠加起来使整个磨粒所受的法向磨削力明显增大，所以无论是滑擦、耕犁N或切削状态下磨粒所受法向磨削力都大于切向磨削力。图25磨粒上的作用力根据图25，在XX截面内作用在磨粒上的切削力可按下式求得XDFCOSDFPX式中，单位磨削力（N/2MM）；接触面积；S磨粒半顶锥角；切削力方向与X方向的夹角。分布如图25C中虚线范围所示，设图中磨粒是具有一定锥角的圆锥，中XDF心线指向砂轮的半径，且圆锥母线长度为，则接触面积DSIN21北华大学学士学位论文10将式代入得因为将式（35）代入（36）则得因此，可求得作用于整个磨粒上的磨削力如下于是可得到磨削力的计算式，BLNSTD为动态有效磨刃数，DN为砂轮表面上的单位长度静态有效刃数，T为砂轮与工件的接触弧长度，SL为磨削宽度；B当时，将，代入式中，MAG05208,5,94270DPNF可得，NFNT,2当时，将代入式中，G61,80DP可得NT,9626丝杆螺母副的选择261选择计算丝杠螺母副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。北华大学学士学位论文11表51丝杠螺母副支承支承方式简图特点一端固定一端自由结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。一端固定一端游动需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。两端固定只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。（1）导程确定电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比I1,选择电机Y系列异步电动机的最高转速，则丝杠的导程为CMKGFMRN2MIN,/50MAXMAX最大转矩取PH4MMVPH7AX（2）确定丝杆的等效转速基本公式I/RPH最大进给速度是丝杆的转速MAX/30/2150/MINHNVPR最小进给速度是丝杆的转速IIN1I丝杆的等效转速IN/221AXRTTTM式中取21T故I/03/21INMAXTN（3）确定丝杆的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为003，K为颠覆力矩影响系数，一般取1115，本课题中取13，则丝杆所受的力为NGFGFGFKFZX21520331223Y12YMA）（）（）（0IN北华大学学士学位论文12其等效载荷按下式计算（式中取21T，1N）NTNFFM49321MI3AX（4）选择滚珠丝杆型号计算得出CACAR173KN,则COA23FM（346519）KN公称直径PH6MM则选择GD型丝杠螺母副，丝杆的型号为GD20043公称直径D020MM丝杆外径D1193MM钢球直径DW2381MM丝杆底径D2171MM圈数3圈CA11560NCOA5243N刚度KC347N/M262校核计算（1）临界压缩负荷验证丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算NFKLEIFFCRMAX201E式中E材料的弹性模量E钢21X1011（N/M2）LO最大受压长度（M）K1安全系数，取K113FMAX最大轴向工作负荷（N）F1丝杆支撑方式系数F1151I丝杆最小截面惯性距（M4）44221_6WODDI式中DO是丝杆公称直径（MM）DW滚珠直径（MM），丝杆螺纹不封闭长度LU工作台最大行程螺母长度两端余量LU30014820X2488MM支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度LU，选取LO620MM代入上式计算得出FCA58X108N可见FCAFMAX，临界压缩负荷满足要求。（2）临界转速验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速CRN，要求丝杠的最高转速北华大学学士学位论文132230KPAEILFNCZCR式中A丝杆最小截面A24622M1093414D2D丝杠内径，单位M；P材料密度P785103KG/MCL临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为148/2300620488/2440MM2K安全系数，可取2K08FZ丝杠支承系数，双推简支方式时取189经过计算，得出CRN63104MIN/R，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。27导轨副的选择271静安全系数计算根据给定的工作载荷FZ和估算的WX和WY计算导轨的静安全系数FSLC0/P，式中C0为导轨的基本静额定载荷，KN；工作载荷P05FZW；FSL1030一般运行状况，3050（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨因系统受中等冲击,因此取40SLF,05OSLXYZCFPFWXYYOXSL2067158379N26FP41394C272根据额定静载荷初选导轨选择汉江机床厂HJGD系列滚动直线导轨,其型号为HJGD25基本参数如下额定载荷/N静态力矩/NM滑座重量导轨重量导轨长度动载荷AC静载荷OATBCTGK/GMLMM1750026000198198288060311000滑座个数单向行程长度每分钟往复次数北华大学学士学位论文14MSLN4064导轨的额定动载荷1750ACN依据使用速度V（M/MIN）和初选导轨的基本动额定载荷ACKN验算导轨的工作寿命LN额定行程长度寿命HTCAWFSFK2045MF1,81,OTCHRDFFF331087521420958HTCAWFSFKKM273导轨校核计算导轨的额定工作时间寿命3102SOTHLN331024958104971506SOTLNHTH导轨的工作寿命足够导轨的静安全系数042163SLCFP静安全系数；0基本静额定负载；P工作载荷导轨寿命计算北华大学学士学位论文15350748HTWCFCLKMP28本章小结本章首先介绍了冰刀刃磨机的主要技术指标；接着在深入分析了冰刀刃磨运动的特点及刃磨过程中对各个运动的不同要求的基础上，确定了冰刀刃磨机机械部分的总体布局；并对主要部件进行了设计和选则，包括进给轴的行程和尺寸、丝杠的选取和砂轮架的设计；计算了磨削力的大小；最后确定出刃磨机的整体尺寸为长850MM，宽400MM，高440MM。北华大学学士学位论文16第三章刃磨部件设计为了保障冰刀刃磨的质量、效率和可靠性，就必须对冰刀刃磨工艺进行研究。本章结合冰刀数控刃磨的特点，从砂轮磨料的选取，刃磨量的确定，砂轮转速，进给速度和砂轮的结构、位置、修整等对冰刀刃磨工艺方面展开了深入的研究，并介绍了自动生成刃磨工艺卡的方法。31数控刃磨的特点与冰刀的手工刃磨相比，冰刀的数控刃磨在控制过程、加工工艺、加工设备都有手工刃磨具有明显的不同。本节主要从加工工艺方面，来说明冰刀数控刃磨加工的特点如下（1）手工刃磨是人工搓动砂轮或条砂轮，数控加工时，主轴带动砂轮做高速旋转，转速达到8000R/MIN，加工线速度达到3060M/MIN。（2）加工进给时，手工加工是断续的，一段一段的推。冰刀的数控进给加工是均匀的、连续的、稳定的、可靠的，速度一般高于手工加工的速度。（3）手工加工靠操作员的手感，分级加工不明显，加工过程由人工来控制。数控加工分级加工非常明显，每一级的加工量和加工次数都很精确具体；由程序控制加工过程，所以数控加工稳定性强，可靠性高。（4）手工加工产热低，数控加工产热相对较大。（5）手工加工速度慢，效率低，加工时间长，精度低。数控加工速度快，效率高，完成一把刀的加工时间只要35分钟，加工精度高。32影响冰刀刃磨质量的因素1）磨料数控刃磨加工时，会产生较大的热量和压力，加工材料也刃磨材料微观分子将十分活跃，出产生复杂物理作用，机械作用，化学作用。这些作用都会明显地影响加工的效果和质量，只有在正确选取能与工件材料相匹配的刃磨材料时，才会得到好的刃磨质量。在本章下一小中，会专门介绍本文冰刀磨料选择的方法和选择结果。2）单次磨削量机床控制砂轮对冰刀进行加工时，在单次的加工过程中，砂轮对冰刀的纵向的刃磨量为单次刃磨量。单从精度角度而言，单次刃磨量越小，得到冰刀的刃磨精度会越高，但这样刃磨效率会很低，所以，单次刃磨量要根据刃磨精度，刃磨效率和刃磨级别三重因素来综合确定。不同的刃磨级别，单次刃磨量是会不相同的。在本北华大学学士学位论文17文冰刀刃磨过程中，粗磨时，单次刃磨为1020微米；精磨时，单次刃磨量为510微米；抛光磨时，只进行表面抛光处理，基本上不设定加工量。3）主轴转速在一定范围内，提高主轴的转速会提高冰刀的刃磨质量，但高到一定值时，其刃磨质量却会下降。是因为，在一定的刃磨量时，主轴转速越大，产生的热就越大，磨料的微粒活性增大，离心的作用力也越大，起切削作用的微粒刃磨砂粒就容易被摔落，所以刃磨的质量会下降，如图31所示，横坐标和纵坐标箭头方向分别表示主轴速度增大，刃磨精度增高的方向。同样，主轴的转速根据不同的刃磨级别会不同。一般而言刃磨级别越高转速会越大。在本文冰刀刃磨过程中，粗磨时，主轴转速为800010000R/MIN；精磨时，主轴转速为1000012000R/MIN；抛光磨时，主轴转速为1200018000R/MIN。图31主轴转速和加工精度的关系4）砂轮进给速度在一定单次刃磨量和主轴转速情况下，提高进给速度会使冰刀的刃磨质量下降，图32，横坐标和纵坐标箭头方向分别表示进给速度增大，刃磨精度增高的方向原因是，当进给速度低时，冰刀同一微表面积得到的刃磨时间就越长，磨削质量就越好。但是考虑到刃磨效率和产热因素，进给速度不能太低。因为，如果进给速度太低，一方面会降低加工效率；另一方面，会使摩擦热聚积，工件温度升高，造成工件烧结。因此，应该根据不同的刃磨级别，确定相应的进给速度。级别高时，刃磨量较小，进给速度可以适当加大。在本文的冰刀刃磨过程中，粗磨时，进给速度为400MM/MIN；精磨时，进给速度为600MM/MIN；抛光磨时，进给速度为800MM/MIN。北华大学学士学位论文18图32砂轮的进给速度和加工精度的关系5）磨粒尺寸在本文中，冰刀的刃磨分三级，磨粒尺寸也相应分为三级，粗磨的磨粒尺寸大，精磨、抛光磨的磨粒尺寸小。在每一级的刃磨中，只要能达到所在级别的刃磨质量要求的前提下，可以尽量选择偏粗的磨粒，这样可以提高刃磨的效率。所以本文对冰刀磨粒的选择为粗磨时，选择粒度号数为4080的砂粒，磨粒的颗粒数一般选择在200400/CM2；精磨时，选择粒度号数为100200的砂粒，磨粒的颗粒数一般选择在400600/CM2；抛光磨时，选择粒度号数为200W20的砂粒，磨粒的颗粒数一般选择在600800/CM2。6）砂轮补偿技术砂轮补偿技术是保证冰刀刃磨质量的重要因素。砂轮使用久了，会产生磨损，半径会缩小，表面平整下降，圆度也会下降。这些因素会对精度要求较高的冰刀刃磨质量产生重大影响。这时，需要对砂轮进行修整和半径补偿。在本章后续章节中会专门介绍冰刀刃磨机砂轮的修整和补偿方法。7）刃磨机设备任何数控机床本身具备一定的精度等级，例如普通精度的数控机床位移精度一般为0010001MM，精密级数控机床位移精度可高达01M。机床重要组成元件如丝杠、导轨、电机、以及机床的刚度和裝夹技术会对机床精度产生重要的影响，从而对工件的加工质量产生重要影响。33磨料的选择冰刀数控刃磨加工和一般的手工刃磨加工相比，最明显的特点是其加工速度快，产生热量大，压力高。加工材料微观分子将十分活跃，产生复杂物理作用，机械作用，化学作用。这些作用都会明显地影响加工的效果和质量，其中对磨料的选择起决定意义的作用是加工材料和被加工材料的物理作用和化学作用。在一定工艺方法前提下，只有在选定好与被加工材料能相匹配的刃磨材料，才能得到理想的数控加工效果。本小节的研究目的就是研究加工材料和被加工材料的刃磨作用机理，选定好适合冰刀加工的刃磨材料。北华大学学士学位论文19工业中，常用的磨料材料有四种刚玉，碳化硅，立方氮化硼，金刚石。刚玉与金属材料的刃磨时，粘附作用很明显，不适合做本项目的磨料；刃磨产生热量时，碳化硅在容易和钢铁材料发生化学反应，所以也不适合做本项目的磨料；金刚石虽然硬度大，也不粘附钢铁材料，也不和钢铁材料发生化学反应。但在刃磨的高温下，金刚石容易和空气中的氧的亲和性大，而本文的刃磨不使用刃磨液，所以金刚石也不适合做冰刀的磨料。本文最终选择的磨料是立方氮化硼，34砂轮的选择砂轮的结构有利于简化加工工艺。冰刀刃磨分粗磨、精磨、抛光磨三级刃磨，对应有粗磨、精磨、抛光磨三级砂轮。当从一种级别刃磨向另一种级别转换时，就要更换砂轮。冰刀是小型工件，加工冰刀的砂轮也是小型砂轮（本文所选择是直径40MM，厚8MM的砂轮），所以设计砂轮时，可以将三块不同级别的砂轮合并成一块，更换砂轮时，Y轴带动砂轮在Y轴进给一段位移，就可以转换砂轮。35冰刀与砂轮位置关系冰刀与砂轮的位置关系也会对冰刀刀刃的质量产生重要影响。冰刀手工刃磨冰刀时，人工控制砂轮刃磨冰刀，很难保证砂轮面和冰刀刀刃面始终平齐，很容易把刀刃面磨得不平整，产生偏刃。在冰刀的数控刃磨时同样要注意这个问题。冰刀与砂轮的位置关系需要保证两点。（1）冰刀要能落在砂轮的加工范围内，如图33（A）所示。（2）砂轮的轴线N1与冰刀面的法线N2（与冰刀面垂直的竖线）必须平行，否则就会产生偏刃，如图33（B），（C），（D）所示。图33砂轮与冰刀的位置关系北华大学学士学位论文2036砂轮的修整361砂轮的磨损机理在磨削过程中，用于磨削力和磨削温度的作用。砂轮工作表面上的磨粒会逐渐的磨钝。磨钝后的砂轮，将影响被磨工件的表面质量和几何精度，常引起振动、噪音、粗糙度增大、产生裂纹、烧伤和残余应力等。因此，砂轮和其它切削工具一样需要定期“刃磨”，也就是需要定期修整。磨料磨具的固有特性和被加工材料的物理化学作用是影响磨削质量好坏的重要因素。砂轮的磨削加工过程中，砂轮的磨损形式主要有机械磨损、化学磨损和粘附磨损三种。砂轮的修整在磨削中占有重要的地位，是充分发挥磨料磨具优异性能的必要条件。362砂轮的参数由于砂轮在磨削过程中的热变形和磨损作用，在砂轮停止加工后和加工中尺寸会有所变化，如图34所示。因此在每次磨削前先要将砂轮修整一次，获得一个比较准确的半径初始值。当砂轮半径小于设定最小值时系统要给出提示信息。砂轮数据保存在相应的砂轮文件中，可以随时调出编辑。对冰刀刃磨加工，采用普通砂轮，精度要求比较高，所以每磨削一定圈数要进行砂轮修整。对砂轮的磨削和修整是通过设定砂轮和工艺参数来实现的。冰刀砂轮的最主要的两个参数是宽度和半径，因为砂轮的宽度决定Y轴的移动幅度，半径对砂轮恒线速度的控制和加工精度具有重要意义。图34磨损砂轮的表面形状（放大效果）363砂轮修整方法本系统是根据计数器设定或手工测量来控制修整砂轮，砂轮的修整主要有两方面的内容修形，修锐。（1）修形修形又包括两个方面的内容修砂轮圆度与修砂轮圆柱表面的平整度。砂轮使用久了，其外表面就会出现如图34所示的缺陷，而且砂轮的圆整度也会发生微小的变化，如图35所示。修形就是修整砂轮的外圆面和砂轮的圆整度。修形时，用金刚石笔将砂轮的外圆半径磨掉一层，如图35所示。使砂轮重新恢复标准的圆柱形，然后量出砂轮新的半径，再将新的半径值补偿到控制系统中去。（2）修锐砂轮使用一段时间后，起切削作用的小磨粒会折断或者被磨平，或者磨粒之间的空间被切削物所填满，造成磨粒的磨削功能下降。这时需要用油石刃磨砂轮，一北华大学学士学位论文21方面将砂粒之间的微小填充物清洗出来，一方面将微小的磨粒打锐。图35砂轮的修形示意图37本章小结本章结合了数控刃磨的特点，研究了影响冰刀刃磨质量的各种因素，确定了各种因素的工艺取值范围，在此基础上，介绍了自动生成冰刀刃磨加工工艺卡的方法。设计了冰刀的砂轮结构，介绍了砂轮的修整方法。第四章控制系统设计正确的刃磨工艺是保证刃磨质量的必要前提，而稳定可靠的刃磨控制过程又是刃磨工艺得以实现的技术保证。冰刀刃磨的控制过程分为三个刃磨级别的控制过程，而每一级别控制过程中又由多次单次加工循环组成。每单次加工过程中有许多细节控制步骤，对这些细节步骤的控制和把握会对冰刀的最后刃磨质量产生重要影响。加工过程中，还要采取方法控制砂轮具有恒定的加工线速度。41系统的硬件结构冰刀刃磨机的控制系统以通用PC机作为基本的硬件平台，通过打印机接口外接自行设计的板卡，把冰刀刃磨机作为通用PC机的一个外设，实现PC直接数控，从而将冰刀刃磨机集成为便携式的数控产品。采用通用PC机通过打印机接口与刃磨机联接，PC机可以根据需要与机器本身分开，也可联机共同工作，为该设备的便携式提供了灵活的组成方式，可以把机床想打印机一样的方面的连接在任何一台普通的通用PC机上。同时，以通用PC机作为基本的硬件平台也可省略专用控制器的接线和板卡设计，简化了控制系统的自身的结构。42刃磨的运动控制分析冰刀的刀刃线形状比较简单，主要由几段相切的圆弧线组成。冰刀加工时，由三个移动轴控制工作台对冰刀进行加工。其运动可以分解为旋转主轴带动砂轮作旋转运动；Z、X轴两轴联动，完成对冰刀刀刃轮廓线的刃磨；X、Y、Z轴三轴联动，带动砂轮走螺旋线的轨迹运动。421砂轮的控制运动本文的砂轮是安装在工作台上，所以砂轮的运动方式有三种（1）随主轴做主北华大学学士学位论文22旋转运动。（2）随X轴和Z轴联动完成对冰刀刀刃轮廓线的刃磨。（3）随Y轴做来回的往复移动。以下重点对砂轮的第三种运动进行分析说明。如图41所以，方框表示砂轮刃磨圆柱面的展开，方框里的线条表示加工点在砂轮面上留下的刃磨轨迹。图A，砂轮不摆动，砂轮磨削面上的所有实际起磨削作用的有效磨削点将集中于一条线上。砂轮厚8MM，冰刀刃厚2MM，这样很快就会将砂轮磨出一条槽，大大浪费了砂轮的使用效率。而图B时，砂轮在做进给运动时，同时沿机床的Y方向轴上做来回的往复摆动，这样砂轮的整个外圆柱面就将参与冰刀的刃磨加工，将砂轮从A中的一条线的径向磨损均匀分散到一个圆柱面上的径向磨损，大大提高砂轮的使用效率和使用寿命，节省成本，还能方便对以后的砂轮修整。图41磨削点在砂轮面上的运动轨迹422刃磨的控制流程由工艺可知，冰刀的刃磨分粗磨、精磨、抛光磨三级。每级刃磨中，都需要多次刃磨过程来完成，加工起始时，刃磨机的测量部分给出冰刀的刃磨量，控制系统会自动计算出每级刃磨的刃磨量和每级刃磨的刃磨次数，并以工艺卡的形式在人机界面中操作员显示出来。操作员可以适当的修改个别的加工参数。在任何一级刃磨中，砂轮每完成单次加工过程，控制系统都会做出判断是否进入下一级的加工，或者是否完成加工。本文数控伺服系统中，有四个伺服轴主轴、X轴、Y轴和Z轴。主轴带动砂轮作回转运动，由于工件质量和体积都较小，机械惯量、机械常数也较小，所以其机械滞后比较小，在实际加工中形成轮廓曲线时只要有小的滞后误差。而且，砂轮直接由主轴电机带动，不经过其它传动装置，传动误差很小。X轴、Y轴和Z轴，主要是带动运动台刀架上下左右运动，由于是便携式的机床，运动台重量轻、机械惯量小，响应较快。故对X轴、Y轴和Z轴也采用半闭环控制方式。43砂轮恒线速度的控制为了保证工件表面的刃磨质量，必须要求砂轮保持表面的线速度恒定。如刃磨工艺中所知，为了保持砂轮的切削力和表面光洁平整性，一段时间后就得对砂轮进行修整。这样砂轮的半径就会不断减小，如果转速是恒定的，所以砂轮的线速度就会随之减小。这时，为了保证砂轮的加工线速度恒定，就得随着砂轮的半径的改变北华大学学士学位论文23而改变砂轮的转速。本文采取的是三相交流伺服电机，本文采取如下方法实现对砂轮的恒线速度旋转。如图42所示采取CNCPLC模拟量单元的数据及信号处理环节，而在执行环节中，用变频器来实现对交流电机的控制。同时设计合理的信号数据处理环节，主要包括程序，PLC程序，变频参数设置等，以满足控制方式的要求。图42砂轮恒线速度控制在数控环节完成对当前砂轮直