MK7120型精密数控磨床砂轮架及垂直进给机构和立柱设计【说明书+CAD】
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MK7120
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MK7120型精密数控磨床砂轮架及垂直进给机构和立柱设计【说明书+CAD】,MK7120,精密,数控,磨床,砂轮,垂直,进给,机构,立柱,设计,说明书,CAD
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湘潭三峰数控机床有限公司参观实习报告学院 机电工程学院 学号 1103010124班级 机械设计制造及其自动化一班 姓名 赫荣玉 指导老师 邓朝晖 1前言参观实习是我们进行毕业设计的前提，是一门必修课。参观实习使我们深入到一线生产实践之中，对机床的生产制造过程有一个直观感性的认识，从而对机床的总体布局、各部件的加工制造及其作用有了初步了解，为顺利完成毕业设计打下良好的基础。上周四，在学长的带领下，我们参观了湘潭三峰数控机床有限公司磨床生产车间，通过参观及学长的讲解，我们对磨床的生产流程有了一定的了解，对所学理论知识有了一定的感性认识。虽然参观的时间很短，但是受益匪浅。2公司简介 湘潭三峰数控机床有限公司成立于2006年12月，注册资金930万元。公司拥有进口龙门刨铣、镗铣加工中心、龙门导轨磨、三坐标测量仪、表面轮廓测量仪、圆柱(度）仪等加工、检测设备200多台套，是国内精密坐标磨床、内存式卧轴矩台平面磨床、多功能全数控磨床和高速电主轴的专业生产厂家，是一家集研发、生产、销售于一体的高新技术企业，为湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心最主要的生产研发基地。公司以国家高效磨削工程技术研究中心为依托，并与桂林桂北磨床和湘潭大学、湖南科技大学等多家高校形成战略联盟的关系，具备雄厚的产品研发能力和先进的制造工艺，拥有湖南省著名商标“三湘”自主品牌，产品全部拥有自主知识产权，是国内精密磨削装备制造的重点企业之一。公司研发生产的多功能全数控磨床、双主轴磨削加工中心、对称式坐标数控磨床均属国内首创，获得了多项国家发明专利和实用新型专利，软件著作权和国际PCT，并且有5项新技术正在美国、德国、日本申请专利，其中多功能全数控磨床和磨削加工中心的工艺智能应用系统软件填补了国内空白。公司的产品获得了湖南省技术发明二等奖和湘潭市科技进步二等奖，多个项目获得了国家及省、市级重点支持。公司产品有：MLK7160多功能全数控磨床系列，双主轴对称式磨削加工中心系列，M7140、M7150、M7163、M7180内存式卧轴矩台平面磨床系列，MM7130、MM7132、MM7140精密坐标数控磨床等。产品已覆盖辽宁、山东、上海、天津、广东、浙江、河南、湖南、湖北等20多个省市。3参观过程在进车间前，在工厂工作的同校06级学长先给我们进行了安全教育，身处一个机械工厂，安全永远是第一位的。工厂车间东西比较杂乱，比如地上的线、零件等，不小心就会绊脚；也不要站在吊车行进方向，以免发生意外；还有不要站在磨床工作台进给方向等。进入车间，学长首先带我们参观了几台已经制造装配完成的数控平面磨床，有立柱移动式、托板内存式和卧轴矩台式，为我们介绍了磨床的总体布局。高精密数控平面磨床的几个大的部件有：磨头、砂轮架、立柱、床身、工作台、数控系统面板、电控柜、油箱、润滑液回收箱等。其中机床床身为整体式结构，龙门立柱、托板和磨头为内存式结构，机床刚性好；工作台纵向移动和磨头横向移动均采用液压驱动，无极调速；磨头采用内置式电机，结构紧凑，精度高，磨头垂直配有快速升降电机和手动升降机构。垂直进给运动是由滚珠丝杠副实现的，由伺服电机直接驱动丝杠，从而带动滚珠丝杠副的螺母上下移动，进而带动磨头上下移动。滚珠丝杠副是在丝杠与螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件，它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动，具有传动效率高、高精度、微进给、无侧隙及刚性高的特点。在参观过程中，我们还目睹了工人师傅对砂轮进行修整的过程。因砂轮工作了一段时间后，砂粒逐渐变钝，且有不均匀的磨损，砂粒间也充满了切屑和砂粒的碎粒，这样使得砂轮的工作表面逐渐失去了原来的形状和工作功能，使磨削后工作表面光洁度变坏，因此必须定期加以修整。数控平面磨床砂轮采用的是陶瓷砂轮，而砂轮修整器的材料为金刚石，砂轮修整器的结构比较简单。当目测修整火花均匀时即完成修整。学长还带我们参观了未经装配的滚珠丝杠副和工作台，工作台装在两个导轨上，一侧是平面导轨，另一侧是V形导轨，两个导轨之所以不同，是为了更好的实现定位，防止工作台上下前后移动。工作台上还开有夹具槽。4参观总结此次到湘潭三峰数控机床有限公司以参观学习为主，这是进行毕业设计不可或缺的一个环节。这次参观帮我跳出了思维的枷锁，使我对数控平面磨床有了一个整体的、直观的认识，也加深了我对很多结构的了解，同时学习到许多课本上学不到的知识，这对我接下来的毕业设计乃至以后的工作都有很大的帮助。最后要感谢邓老师给我们这样一个参观学习的机会，感谢学长百忙之中陪同带领我们去工厂参观，还要感谢带我们观摩为我们讲解的06级学长。 毕业设计开题报告 题目 MK7120型精密数控磨床砂轮架 及垂直进给机构和立柱设计 姓名 赫荣玉 学院 机电工程学院 专业 机械设计制造及其自动化 学号 1103010124 指导老师 邓朝晖 二一五 年 三 月 十八 日湖南科技大学 2015 届毕业设计（论文）开题报告题 目MK7120型精密数控平面磨床砂轮架及垂直进给机构和立柱设计作者姓名赫荣玉学号1103010124所学专业机械设计制造及其自动化1、 研究的意义，同类研究工作的国内外现状 （1）国内外现状： 据1997年欧洲机床展览会（EMO）的调查数据表明，25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术，车削只占23%，钻削占22%，其它占8%；而磨床在企业中占机床的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻床占14%。由此可见，在精密加工当中，有许多零部件是通过精密磨削来达到其要求的，而精密磨削加工要在相应的精密磨床上进行，因此精密磨床在精密加工中占有举足轻重的作用。 50年代初我国开始生产液压传动的平面磨床。在上海机床厂首先制造了磨头移动式卧轴矩台平面磨床372B后, 杭州机床厂、天津市机床厂相继制造了平面磨床。到目前为止已有28 家工厂生产平面磨床。平面磨床的型式发展成拖板移动式、立柱移动式和磨头移动式等三种型式。 平面磨床的类型及结构特点分析：系号 结构形式 精度及性能 贯标情况 备注1 拖板移动 好 容易达到 结构限制，做不了大规格机床2 立柱移动 好 容易达到 由厂家做，产量相对较小3 龙门式 最好 完全贯标 产量在逐年增加4 磨头移动 较好 不易达到 由于磨头移动产生变形精度不易保证，但市场产量最大 国内生产的磨头移动式平面磨床一般都是普通级精度, 规格较少, 各制造厂往往只生产一种或二种规格, 都不形成系列产品。磨头移动式平面磨床具有工艺简单,加工装配方便等优点, 使用最广泛, 国内生产量最大的M7120A、M7130平面磨床就是这种型式。国外各工业发达国家都有磨头移动式平面磨床的制造厂。例如美国Thompson公司、英国Snow 公司、西德Abe公司、意大利Favretto公司、Minini 主公司、Camut公司、Alpa 公司。这些公司生产的平面磨床都形成系列产品, 规格从小到大, 品种从普通平面磨床到CNC 成形磨床。许多厂商把卧轴矩台平面磨床的设计扩大到卧轴圆台平面磨床, 使品种规格成倍增长。磨床的工作精度相当于我国精密级平面磨床的精度。由此可见, 国外公司在平面磨床系列设计方面的效果, 值得我们重视。当前世界上意大利生产磨头移动式平面磨床的公司最多, 各公司的技术水平不相上下。国内北京、上海、天津、宁夏等地已有这些公司的产品, 用户普遍反映质量与性能较好, 机床规格也能满足各类用户的要求,意大利Favretto公司的平面磨床系列更新设计的概况如下, 可能对我们在平面磨床的设计制造方面有所启示。70年代卧轴矩台平面磨床1、总体布局磨头移动式卧轴矩台平面磨床的总体布局有二种。1）、磨头拖板在立柱的侧面。这种型式由于制造工艺及装配简单，使用最广泛。我们大家熟知的M7120A、M7130 平面磨床就是这种型式。缺点是磨头和拖板在立柱侧面，颠覆力矩较大， 因此磨头垂直进给灵敏较差, 微量进给较难达到。2）、 磨头拖板在立柱的中间。这种型式消除了拖板磨头对立柱的颠履力矩，对提高磨头垂直进给灵敏度较有利。按照立住结构的不同，又可分为单立柱和双立柱二种。单立柱的立柱和拖板加工工艺复杂，装配方便。双立柱的立柱加工方便些，装配工艺复杂。2、床身为使床身有足够的刚度以保持机床精度稳定。这些系列平面磨床的前后床身铸造成一体,后床身居中间，上面安装立柱前床身中间安装液压部件, 底部作为油池贮油。后床身对称加宽处内部作为冷却液池。利用冷却液带走部分油池热量, 减小冷却液和油池油液的温差。为了减少热变形和降低油温, 床身较长的机床都安装散热器。3、 工作台工作台底部有平及V形导轨与前床身的导轨配合。导轨都经过刮削。工作台移动由安装在床身上的油缸带动。工作台顶面为安装电磁吸盘和夹具的基准面。工作面工作台宽度是最大磨削宽度减去砂轮宽度。这与国内的设计完全不同。国内的磨床一般的工作台宽度与最大磨削宽度相同。4、 立柱、拖板立柱是磨头随拖板做垂直运动的基础，在负载情况下应保证精度稳定。TA、TB、TO、TD平面磨床的立柱采用箱型截面的铸铁件。两侧壁用双层壁结构以加强刚度。拖板是一个相当复杂的铸件,其形状相当于字母“T”, 其上有两组相互垂直的导轨。方形导轨与立往导轨相互配合, 能沿着立柱导轨作垂直上下移动。横向燕尾形导轨与磨头体壳导轨相配合, 使磨头能沿着拖板燕尾形导轨作横向移动。这两组导轨应相互垂直。拖板内安装横进给机构及作横向移动的油缸。拖板的燕尾形导轨加工工艺复杂,需要配备专用机床铣削和磨削,这种结构加工工时长,效率低。5、横进给机构横进给机构安装在拖板上部, 其功能是使磨头作自动横向连续进给、自动横向断续进给和手动横向进给。自动横向进给时由油缸传动。6、 垂直进给机构垂直进给机构安装在床身前端面左面。转动手轮通过蜗杆斜齿轮传到丝焊螺母使磨头上升下降。快速升降是作为特殊附件供应的。在手轮轴中间加一套蜗杆斜齿轮接上快速电机可以进行快速升降运动。自动垂直进给是通过液压油缸推杆带动棘轮棘爪进行的, 用手柄通过凸轮推动棘轮棘爪实现手动微量垂直进给。80年代卧轴矩台平面磨床 从机床外形图看, 外形整齐, 线条清晰。立柱在床身左侧, 拖板和磨头侧挂在立柱侧面, 沿着立柱的垂直导轨上下移动。磨头可沿着拖板燕尾形导轨作横向移动。工作台安装在床身导轨上, 由二只柱塞式油缸拖动作纵向运动。工作台两端有折叠式防护罩以保护床身导轨。机床的操作手轮, 手钮都安装在正前方，操作很方便。床身右端安置冷却水箱和磁性过滤装置。床身左端安装电磁工作台的控制器。电气控制柜安装在立柱右侧面。油泵和液压系统装置安装在独立油箱顶部, 油箱被安放在后床身后面。 床身为铸件, 箱形结构, 形状如“T” 字。床身顶端有一V 一平的导轨。在导轨顶面上铸有油坑。油坑里可安装油环, 油环用耐磨塑料做成,中间以弹簧片支承, 平时油环端面高出导轨面约0.5mm, 当工作台导轨在其端面上擦过时,使油环旋转并把润滑油涂到导轨面上。 立柱也为一个箱形结构, 其上的垂直导轨为矩形。其特点是立柱的导轨把拖板的导轨包围住，而引成立柱体积大于拖板的体积，使立柱本身的刚性大大增加。立柱与拖板结合的滑动导轨位于立柱中心线的一侧, 移动拖板上下滑动的丝杆也位于同一侧。这种设计的优点是当磨头在拖板燕尾导轨上作横向移动时, 其重心始终在立柱导轨跨距间来回移动,由于立柱刚性好，因而提高了横向移动的精度。拖板是磨头移动式平面磨床的主要铸件。其上有二组导轨, 一组作为磨头垂直移动用, 另一组作为磨头横向移动用, 这二组导轨相互垂直。另外，随着电子信息技术的快速发展，世界磨床行业已经迈入了以数字化制造技术为一体的机电一体化时代，数控磨床就是其代表作品之一。我国数控磨床起步较晚，起源于上世纪80年代，经过了30年的跌宕起伏式发展，已经由成长期迈入成熟期。数控磨床作为制造业的加工母机主要应用于航天工业、造船工业、汽车制造业、兵器制造业等。目前我国正处于工业化中期，汽车、钢铁、机械、电子、化工等一批以重工业为基础的高增长行业发展势头强劲，未来磨床市场特别是数控磨床市场需求旺盛。2010年，数控磨床全年产量239万台，同比增长56%，2005-2010年间数控磨床年均增长率为30.2%，行业增长迅速。（2）研究意义：行业规模不断扩大，国产高档数控磨床明显进步，中高档产品取得重大突破，我国数控磨床整体水平全面提升。产业的快速发展，问题也随之而来：1、数控化水平较低。目前生产值数控化率不到30%，消耗值数控化率还不到50%，而发达国家则在70%左右，高档次的数控磨床配套部件只能靠进口；2、功能部件生产发展缓慢。功能部件性能好坏直接影响着数控磨床整体的技术水平与性能，制约着主机的发展速度，其发展状况与磨床市场竞争能力密切相关。目前我国功能部件企业发展十分滞后；3、产品结构水平偏低。从行业总体上来看，产业规模虽然很大，但产品仍处于全球产业链的中低端，国内市场需求与行业供给能力不适应，进口磨床大量进入国内市场。 所以本次设计研究有以下意义：(1)了解数控平面磨床的结构、特点及功能部件；(2)提高数控磨床结构性能；(3)培养学生的自主设计能力。2、 研究目标、内容和拟解决的关键问题（根据任务要求进一步具体化）（1）研究目标：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。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）研究设计的主要内容：1、 磨床总体布局设计；2、 砂轮架设计计算，绘制砂轮架机械结构装配图；3、砂轮架垂直进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杠副设计计算，垂直进给机构结构装配图，绘制相关零件图；4、磨床立柱设计；5、磨床数控系统设计和选用；6、翻译指定的英文专业文献；7、撰写毕业设计论文。（3）拟解决的关键问题：MK7120精密数控平面磨床垂直进给机构的设计，其中包括进给系统中滚珠丝杠副及伺服电机的设计计算，进给机构装配图及相关零件图的绘制以及其数控系统的设计、选用、硬件线路图的绘制。3、 拟采取的研究方法、步骤、技术路线拟采取的研究方法（或技术路线）：1 在指导教师的安排下到湘潭三峰数控机床有限公司进行参观认识实习，对精密数控平面磨床的结构有初步认识；2 收集、查阅各种文献资料，了解数控平面磨床的整体布局及进给系统，进行精密数控磨床整体布局的设计；3 运动形式设计后，进行砂轮架垂直进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杠副设计计算，垂直进给机构结构装配图，绘制相关零件图；4 查阅手册，翻译、参考英文文献进行设计计算，用Auto CAD软件绘制进给系统的装配图、零件图及数控系统的硬件连线图；5 设计中遇到的疑点、难点问题通过广泛查阅文献资料或与组内同学相互讨论以及实地考察来解决。 4、 拟使用的主要设计、分析软件及仪器设备CAD、Pro/E绘图软件5、参考文献1、关慧贞 冯辛安、机械制造装备设计、第3版、北京、机械工业出版社、2009.11、4502、毛谦德 李振清、袖珍机械设计师手册、第1版、北京、机械工业出版社、1994.09、15263、沈克仁、意大利favretto公司磨头移动式平面磨床系列更新设计的概况、磨床与磨削、1990、03:5-134、姚峻、近几年国际平面磨床发展动态、精密制造与自动化、2001、04:3-64、李文建、数控平面磨床发展简述、伺服控制、2008、07:48-525、秦庆辉、数控龙门平面、导轨磨床研发与产业化、2009海峡两岸机械科技论坛论文集、2009:886-896湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）题 目托板内存式MK7120型精密数控平面磨床 砂轮架及垂直进给机构和立柱设计作者赫荣玉学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学号1103010124指导教师邓朝晖 2015年5 月 25日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 机电工程 院 机械设计制造及其自动化 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 年 月 日学生姓名: 赫荣玉 学号: 1103010124 专业: 机械设计制造及其自动化 1 设计（论文）题目及专题： 托板内存式MK7120型精密数控平面磨床砂轮架及垂直进给机构和立柱设计 2 学生设计（论文）时间：自 2015 年 3 月 10 日开始至 2015 年 5 月 29 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：1关慧贞、冯辛安.机械制造装备设计.北京：机械工业出版社，2009.112毛谦德、李振清.著袖珍机械设计师手册.北京：机械工业出版社，1994.093文怀心、夏田.数控机床系统设计M.北京:化学工业出版社,20054 设计（论文）应完成的主要内容：（1）磨床的总体布局设计；（2）砂轮架设计计算，绘制砂轮架机械结构装配图；（3）砂轮架垂直进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杠副设计计算，垂直进给机械 机构装配图；绘制相关零件图；（4）磨床立柱设计，绘制立柱零件图；（5）磨床数控系统设计和选用；（6）翻译指定的英文专业文献；（7）撰写毕业设计论文（说明书）。5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：图纸总工作量折合A0图纸3张以上，毕业设计论文字数不少于1.5万字，参考文献至少15篇以上。6 发题时间： 2015 年 1 月 20 日指导教师： （签名）学 生： （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 摘 要本文设计了一台托板内存式精密数控平面磨床，用于机械制造业及模具制造业平面和台阶面的精密磨削加工。主要包括磨床总体布局、砂轮架、垂直进给机构、立柱和硬件电路等设计。磨床采用托板内存式，前后床身为整体式结构，龙门立柱内设计有内存式结构的拖板砂轮架，通过砂轮架实现磨床的垂直进给运动和横向进给运动，磨床刚性好，磨床纵向进给运动由工作台工件实现；砂轮架设计包括砂轮架主轴设计计算及其刚度校核及其结构设计；垂直进给机构设计包括滚珠丝杠副设计计算、选型、校核和其他零件的设计计算及选型，垂直进给机构伺服电机驱动滚珠丝杠做旋转运动，通过滚珠丝杠副螺母座带动与其连接的立柱箱体上下运动，实现了内存式砂轮架的垂直进给运动；磨床硬件电路采用西门子802D数控系统，由CPU、磨床控制面板、个人计算机、调试电缆、输入/输出模块、驱动器和总线组成。该磨床各机构通过设计计算及校核调试，已经满足既定技术参数要求和功能要求。通过上述的设计，最终完成了托板内存式MK7120型精密数控平面磨床砂轮架及垂直进给机构和立柱设计任务。关键词：数控平面磨床、托板内存式、砂轮架、垂直进给机构、立柱ABSTRACTIn this paper, a plate memory type precision numerical control surface grinder is designed that should be used for the precision grinding of plane and step surface in machinery manufacturing and mold manufacturing. The main content of the design includes the design of overall layout, grinding wheel rack, vertical feed mechanism, column and hardware circuit .The grinder adopts plate memory type, and the before and after the lathe bed is the overall structure. There is a plate grinding wheel rack of memory structure within the longmen column. The vertical feed movement and transverse feed movement of the grinder are achieved by the grinding wheel rack, while longitudinal feed movement by the workbench. The grinder has good rigidity. The design of the grinding wheel rack mainly includes calculation and the rigidity check and the structure design of the spindle. The design of the vertical feed mechanism includes design calculation and selection and checking of the ball screw vice and the design calculation and selection of other components. The servo motor of vertical feed mechanism drives ball screw to do rotary motion, so the ball screw vice nut drives the connected column body go up and down, thus realizing vertical feed movement of the memory type grinding wheel rack. The grinder hardware circuit uses the Siemens 802D CNC system, including the CPU, grinder control panel, the personal computer, debugging, cable, input/output module, drive and a bus. Through the design calculation and checking debugging, the grinder institutions have already met the established technical parameter requirements and functional requirements. Through the above design, the assigned designing including the grinding wheel rack and vertical feed mechanism and column of the plate memory type MK7120 precision numerical control surface grinder is completed.Keywords: numerical control surface grinder, plate memory type, grinding wheel rack, vertical feed mechanism, column湖南科技大学本科生毕业设计（论文）目 录第一章 绪 论11.1 课题背景及目的11.2 国内外研究现状11.3 课题研究方法31.4 论文的构成及研究内容41.4.1 论文的构成41.4.2 设计研究的内容41.5 设计的主要技术参数4第二章 磨床总体布局设计62.1总体布局方案设计62.1.1 机床总体布局应满足的要求62.1.2 机械制造装备应满足的一般功能62.1.3 总体布局方案选择62.2 总体布局设计7第三章 砂轮架的设计93.1 主轴的设计及校核93.1.1 主轴的设计93.1.2 主轴的刚度校核113.2 轴承的设计143.3 主轴电机的选择153.4 联轴器的选择15第四章 垂直进给机构的设计174.1 垂直进给机构布局设计174.2 磨削力的计算174.3 滚珠丝杠副设计194.3.1 滚珠丝杠副设计使用中应注意的问题194.3.2 滚珠丝杠副设计步骤204.4 滚珠丝杠副驱动电机的选择284.4.1驱动电机功率计算284.4.2驱动电机转矩计算284.4.3驱动电机负载转动惯量计算294.4.4电机的选择304.5联轴器的选择304.5.1 计算转矩304.5.2 型号选择314.5.3 联轴器的校核31第五章 磨床立柱的设计325.1 磨床立柱简介325.2 立柱的受力情况325.3 立柱工作过程概述325.4 立柱的设计33第六章 硬件电路的设计346.1 数控电路的介绍346.2 西门子802D数控系统的组成346.3 802D数控系统的连接346.4 数控系统接线图35第七章 结论36参考文献37致谢38附录A：磨床总体布局附录B：磨床垂直进给机构装配图附录C：磨床砂轮架装配图附录D：磨床立柱零件图附录F：砂轮架主轴零件图附录G：数控系统电路接线图第一章 绪 论1.1 课题背景及目的 数控磨床是通过磨具磨削加工工件表面的机床。使用高速旋转的砂轮进行加工磨削是一大部分磨床的特点，而砂带磨床、珩磨机和研磨机等小部分进行加工时是使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料的。数控磨床的范畴包括数控平面磨床、数控内外圆磨床、数控立式万能磨床、数控成形磨床等 1。电子信息技术快速发展是当今社会的主流，所以世界磨床行业也进入数字化制造技术时代，即机电一体化时代，其代表作品之一就是数控磨床。我国数控磨床起源于上世纪80年代，相对其他国家起步较晚。但是，这并没有阻碍我国数控磨床的快速发展，经过了多年发展，已经由成长期迈入成熟期。数控磨床是制造业的加工母机，它在航天工业、汽车制造业、兵器制造业等行业都有广泛应用。我国正处于工业化中期，发展极其迅猛的钢铁、机械、化工等行业都依赖于磨床的制造发展，由此可见未来的磨床市场尤其是数控磨床市场前景广阔。行业规模的扩大驱动着国产中高档数控磨床的进步，全面提升了数控磨床的整体水平。伴随着产业的快速发展，数控磨床仍存在问题，表现在：1、数控化水平较低。不到30%的生产值数控化率使得高档数控磨床配套部件只能依靠进口；2、功能部件生产发展缓慢；3、产品结构水平偏低2。所以本次设计研究有以下目的及意义：(1)了解数控平面磨床的结构、特点及功能部件；(2)提高数控磨床结构性能；(3)培养学生的自主设计能力。1.2 国内外研究现状从1997年欧洲机床展览会的调查数据可以看出，磨削是应用的最主要的加工技术这一观点得到了四分之一的企业的赞同，高于车、钻等其他加工技术。相应地，在企业中磨床占机床的比例高达42%，同样远高于车、铣、钻床等占有比例。由此可见，在精密加工中，有许多零部件要达到其要求是通过精密磨削来实现的，而精密磨削加工离不开精密磨床，因此在精密加工中，精密磨床占有非常重要的作用。我国开始生产液压传动的平面磨床约在50年代初。磨头移动式卧轴矩台平面磨床372B首先在上海机床厂被制造出来以后, 各大机床厂也相继制造了平面磨床。平面磨床的型式有拖板移动式、立柱移动式和磨头移动式和龙门式等型式。平面磨床的类型及结构特点如表1.1所示。表1.1 平面磨床的类型及结构特点系号结构形式精度及性能贯标情况备注1拖板移动好容易达到结构限制，做不了大规格机床2立柱移动好容易达到产量相对较小3龙门式最好完全贯标产量逐年增加4磨头移动较好不易达到市场产量最大国内生产的磨头移动式平面磨床一般都是普通级精度, 规格较少，但是磨头移动式平面磨床具有很多优点，比如工艺简单,加工装配方便，使用广泛等。M7120A、M7130平面磨床是国内生产量最大的平面磨床，就是这种型式。国外工业发达国家的公司，例如美国Thompson公司、西德Abe公司、意大利Favretto公司都生产磨头移动式平面磨床。由于国外公司在平面磨床系列设计方面的有成果，其磨床的工作精度相当于我国精密级平面磨床的精度，这是值得我们学习和重视的。如今意大利生产磨头移动式平面磨床的公司最多。由于从国外进口，国内很多地方都已经有了这些意大利公司的产品。因为机床规格能满足各类用户的需求,他们普遍反映有较好的质量与性能。意大利Favretto公司的平面磨床系列更新设计的概况可能对我们在平面磨床的设计制造方面有所启示。70年代卧轴矩台平面磨床的结构特点为：总体布局有二种，一种是磨头拖板在立柱的侧面。制造工艺及装配简单使得这种型式使用最为广泛，缺点是颠覆力矩较大，这就导致磨头垂直进给灵敏较差, 较难达到微量进给；另外一种是磨头拖板在立柱的中间。这种型式与前一种相反，它消除了拖板磨头对立柱的颠履力矩，从而磨头垂直进给灵敏度较好。这些系列平面磨床的前后床身铸造成一体,后床身上面安装立柱，后床身对称加宽处内部作为冷却液池，前床身中间安装液压部件, 底部作为油池贮油，这样使床身有足够的刚度以保持机床精度稳定。床身较长的机床都安装散热器的目的是为了降低油温和减少热变形。立柱是磨头随拖板做垂直运动的支撑，在负载情况下应保证精度稳定。立柱结构分为单立柱和双立柱二种。单立柱的立柱加工工艺复杂，装配方便。双立柱的立柱加工方便，装配复杂。拖板是一个相当复杂的铸件,其上有两组相互垂直的导轨。矩形导轨与立柱导轨相互配合, 能沿着立柱导轨作垂直上下移动。拖板内安装横进给机构及作横向移动的油缸。横向燕尾形导轨与磨头体壳导轨相配合, 使磨头能沿着拖板燕尾形导轨作横向移动。 工作台底部有矩形及三角形导轨。工作台顶面为安装电磁吸盘和夹具的基准面。工作台移动由安装在床身上的油缸带动。与国内的设计不同的是，工作台宽度是最大磨削宽度减去砂轮宽度，而国内的磨床是工作台宽度与最大磨削宽度相同。横进给机构安装在拖板上部，垂直进给机构安装在床身前端面左面。转动手轮通过蜗杆斜齿轮传到丝焊螺母使磨头上下移动。快速升降运动是通过在手轮轴中间加一套蜗杆斜齿轮接上快速电机来实现。液压油缸推杆带动棘轮棘爪可实现自动垂直进给,手动微量垂直进给是用手柄通过凸轮推动棘轮棘爪实现。80年代卧轴矩台平面磨床的结构特点为：机床外形整齐, 线条美观。立柱在床身左侧, 拖板和磨头侧挂在立柱侧面, 沿着立柱的垂直导轨上下移动。磨头可沿着拖板燕尾形导轨作横向移动。工作台安装在床身导轨上, 由二只柱塞式油缸拖动作纵向运动。在床身安装有电磁工作台的控制器，冷却水箱和磁性过滤装置则在床身右端。机床的操作手轮、手钮都安装在正前方，操作很方便。拖板是磨头移动式平面磨床的主要铸件。其上有二组导轨, 一组作为磨头垂直移动用, 另一组作为磨头横向移动用, 这二组导轨相互垂直。床身为箱形结构的铸件，矩形导轨和三角形导轨顶面上铸有油坑，油坑里可安装耐磨塑料的油环,油环端面高出导轨面约0.5mm, 当工作台导轨在其端面上擦过时,使油环旋转并把润滑油涂到导轨面上。立柱为一个有着矩形导轨的箱形结构。其特点是立柱的导轨把拖板的导轨包围住，这样大大增加了立柱的刚性。立柱与拖板结合处的导轨位于立柱中心的一侧,位于同一侧的还有使拖板上下移动的丝杆。这样的好处是，当磨头在拖板燕尾导轨上作横向移动时, 其重心始终在立柱导轨跨距间来回移动,立柱刚性好提高了横向移动的精度3。1.3 课题研究方法拟采取的研究方法（或技术路线）：1.在指导教师的安排下到湘潭三峰数控机床有限公司进行参观认识实习，对精密数控平面磨床的结构有初步认识；2.收集、查阅各种文献资料，了解数控平面磨床的整体布局及进给系统，进行精密数控磨床整体布局的设计；3.运动形式设计后，进行砂轮架垂直进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杠副设计计算，垂直进给机构结构装配图，绘制相关零件图；4.查阅手册，翻译、参考英文文献进行设计计算，用Auto CAD软件绘制进给系统的装配图、零件图及数控系统的硬件连线图；5.设计中遇到的疑点、难点问题通过广泛查阅文献资料或与组内同学相互讨论以及实地考察来解决。1.4 论文的构成及研究内容1.4.1 论文的构成1. 绪论2数控平面磨床总体布局设计3砂轮架设计4. 垂直进给机构设计5磨床立柱的设计6硬件电路设计7总结8参考文献9致谢10.附录1.4.2 设计研究的内容本课题设计一台精密数控平面磨床MK7120，用砂轮周边磨削平面，也可以磨削台阶平面。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。设计的主要内容有：1磨床的总体布局设计；2砂轮架设计计算，绘制砂轮架机械结构装配图；3. 砂轮架垂直进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杠副设计计算，垂直进给机械机构装配图；绘制相关零件图；3磨床立柱设计，绘制立柱零件图；4磨床数控系统设计和选用；5翻译指定的英文专业文献；6撰写毕业设计论文（说明书）。设计基本要求：图纸总工作量折合A0图纸3张以上，毕业设计论文字数不少于1.5万字，参考文献至少15篇以上1.5 设计的主要技术参数主要参考参数： 1.磨床主要规格工作台面尺寸（宽长）：200500（630） 2.加工范围可磨削最大工件尺寸（宽长高）：200500（630）3603. 工作台工作台纵向移动速度（无级）：工作台横向自动进给：连续（无级）：断续（无级）：/工作台一行程4. 砂轮架砂轮架垂直快速升降速度：400，垂直自动进给：，最小进给量：0.0001mm，砂轮尺寸（外径宽内径）2002032，砂轮转速5. 加工指标磨削表面粗糙度Ra=0.03，加工后表面对基面的平行度为300：0.002第二章 磨床总体布局设计2.1总体布局方案设计2.1.1 机床总体布局应满足的要求1) 工艺范围；2) 加工精度；3) 柔性；4) 开放性；5) 噪声；6) 生产率和自动化；7) 成本；8) 生产周期；9) 可靠性；10) 磨床宜人性；11) 符合绿色工程要求4。2.1.2 机械制造装备应满足的一般功能1) 满足加工精度方面的要求；2) 满足强度、刚度和抗振性方面的要求；3) 满足加工稳定性方面的要求；4) 满足耐用度方面的要求；5) 满足技术经济方面的要求5。2.1.3 总体布局方案选择机床的总体布局首先应满足以上五个一般功能。总体布局设计是一项全局性的工作，它关乎机床的性能、质量、工艺等，关系到产品市场竞争力的高低。磨床的总体布局的设计要遵循经济、合理、的设计原则，同时要保证机床的刚度、精度和稳定性。托板内存式平面磨床要完成既定的磨削要求，需要完成主运动（砂轮的转动）和进给运动（垂直进给、横向进给和纵向进给），进给运动的实现方式是多种多样的：（1） 工作台完成横向进给运动和纵向进给运动，而砂轮架只完成垂直方向的进给运动；（2） 横向进给运动由立柱完成，纵向进给运动由工作台完成，而垂直进给运动则由砂轮架来完成，这种进给运动的实现方式叫立柱移动式；（3） 横向进给运动和纵向进给运动由立柱来完成，垂直进给运动由砂轮架来完成；（4） 工作台完成纵向的进给运动，砂轮架完成横向进给运动和垂直方向的进给运动，这种进给运动实现形式叫托板内存式。这几种运动实现形式各有各的特点。第一种运动形式比较传统，使用广泛，运动形式较简单，设计起来比较方便，设计的周期比较短，能满足用户的需求，市场相应较好。但是，整体刚性不太好是这种形式的磨床所存在的问题，刚性在一定程度上会影响磨床的精度，所以这种形式不满足磨床高精度的要求。第二种形式虽然在结构上有了改变，使运动范围限定在较小的空间内完成，有效的减少了占地面积。第三种形式的磨床的整体刚性和运动的稳定性很好，但运动件的质量太大是这种形式的不足之处，这样会使机床响应的速度大大降低，而且也是对能源的一种浪费，所以也不满足高精度、精密磨床的要求。而第四种形式在结构上有了改变，有很好的刚度和精度。这种运动形式结构较紧凑，工艺简单、装配方便，在较小的空间内即可完成既定的工作范围。这种形式还有利于机床的布局，对加工物流也有利。所以，第四种托板内存式这种形式的磨床创新性好、综合效益也很好。通过几种方案优缺点的对比，要设计高精密、高精度数控磨床可以采用托板内存式这种进给运动实现方式。由于本次设计要满足高精度的设计要求，所以采用滚珠丝杠传动来实现各个方向的进给运动。因为滚珠丝杠具有传动精度高、运动效率高、刚性好的特点。滚珠丝杠还可以在一定程度上消除回程误差，这是有利于精度的提高的。因此要设计高精度磨床，滚珠丝杠这种驱动方式是很好的。纵向运动在进行较小的进给时会出现爬行现象，所以在纵向上放弃了传统的液压驱动，这样可以提高磨削的精度，另外去除了液压系统可以使磨床机构得到简化，使得磨床更加紧凑，非常好的发挥了这种运动实现形式的优点。由于横向和垂直方向的精度要求较高，所以采用伺服电机驱动滚珠丝杠的驱动方式来完成在这两个方向的进给运动。2.2 总体布局设计总体布局设计是一项全局性的工作，它决定了磨床的产品的机构、性能、成本以及工艺，关系到产品的市场竞争力和技术水平层次的高低。MK7120型高精密数控平面磨床的几个大的部件有：砂轮架、立柱、床身、工作台、数控系统面板、电控柜、油箱、润滑液回收箱等。在设计布局的过程中不仅要考虑到紧凑，还要考虑到美观以及操作者操作方便等问题。本次设计主要特点是将立柱设计成为了固定的形式，其总体布局图如图2.1所示。图2.1 总体布局图第三章 砂轮架的设计砂轮架的设计在磨床的设计中是非常重要的一部分，尤其是磨头的旋转平稳性，主轴的刚性以及主轴驱动电机的动平衡都会对磨削的精度有很大影响。因此合理地设计砂轮架对达到磨削精度有很大的意义，尤其是主轴的设计和电机的合理选择，具体的设计过程如下：3.1 主轴的设计及校核主轴是磨床中非常重要的零件，它对磨削的精度。求量和平稳性都有较大的影响，因此要对他的强度刚度等一系列的质量和平稳性都有较大的影响，因此要对它的刚度有较高的要求。3.1.1 主轴的设计1. 磨削力的计算（1）由一个平面磨削力的经验计算公式得： （3.1）其中： 磨削过程中的最大切向磨削力(N)； 垂直方向的进给量(mm)； 纵向进给量(mm/min)； 砂轮转速(m/s)。 （3.2）由设计的参数要求可知：=0.02mm，=25m/min；由于电机转速为3000r/min，砂轮尺寸(外径宽内径)2002032，因此s不变，=s （3.3）其中： 砂轮线速度(m/s)； 电机转速 (r/min)； 砂轮外圆直径(mm)。 m/s =s ，即=31.4 m/s所以 Nm磨削经验表明，法向磨削力跟切向磨削力的大小存在一个比值（）的关系,磨削普通钢料时的取值范围为1.61.8，磨削陶瓷时的取值范围为322。综合考虑各方面的因素，磨削普通钢料时取=1.8，磨削陶瓷时取=20。则磨削普通钢料时的法向磨削力的最大值为： N（2）由陶瓷磨削力的经验计算公式（该公式应用了最小二乘法线性回归求出的各种陶瓷的单位磨削力的经验公式）得：对于陶瓷： =8.20148 N/mm =1.05372566 N/mm =164.0296 N =21.0745 N对于陶瓷： =7.82616 N/mm =1.0777553 N/mm =156.5232 N =21.555 N综上所述得： 104.41 N N故 Nm了解各个方向最大磨削力的大小是进行合理的结构设计的前提条件，也是各个零件尺寸和结构设计的基础。在磨削过程中对磨削精度的影响也较大是纵向和垂直方向的磨削力。为了合理的选择主轴电机，首先也得计算出磨削情况下可能的最大磨削力6。2.主轴的设计由于该磨床主轴转速为3000 r/min ，由以上计算可知砂轮线速度为s m/s，由此可计算出磨削的最大功率为： （3.4） kW 考虑到传动效率和安全系数等因素，可以先暂定电机的额定功率为4kw来进行下面的设计。根据一个关于轴直径大小的估算公式： （3.5）式中：设计轴的直径（mm）； 一个参考系数，跟材料有关，可查表得=115； 传动的最大功率（kW），取4kw进行设计； 主轴的转速（r/min）。 =12.66 mm考虑到一定的安全系数和刚度的要求，取=20 mm。3.1.2 主轴的刚度校核一般来说，如主轴的刚度达到设计要求则其强度一般来说都是满足要求的，故磨床主轴只进行弯曲刚度和扭转刚度的校核。1. 主轴的弯曲刚度校核由于主轴是阶梯轴，不便于计算，为了简化计算，可以把阶梯轴看成是当量直径的光轴，然后在按照材料力学计算公式计算，以下主轴的设计和校核主要参考文献。主轴结构尺寸如图3.1所示。图3.1 主轴结构尺寸图当量直径单位为mm的计算公式为 （3.6）式中：阶梯轴第i段的长度（mm）；阶梯轴第i段的直径（mm）；阶梯轴的计算长度（mm）；阶梯轴计算长度内的轴段数。将各段的长度和直径代入得 0.000914834故 mm通过简化后的主轴受力模型如图3.2所示。图3.2 主轴受力模型图 如图3.2所示，位移y对磨削精度的影响最大，其它的位移影响相对很小，因此只需校核y是否符合要求就可以了。刚度要求较严的轴mm rad由于，因此按弯曲刚度校核是符合要求的，那弯曲强度也自然符合要求，且该变形为弹性变形，经过无火花磨削后不会对精度有大的影响。2. 主轴扭转刚度校核计算轴的扭转变形用每米长的扭转角来表示。圆轴扭转角，计算公式为：对于阶梯轴 （3.7）式中：阶梯轴受扭矩作用的长度（mm），=554 mm； 轴的材料的剪切弹性模量（MPa），对于钢材,取=8.1 MPa； 轴第i段所受的扭矩（ Nm）； 轴第i段的长度（mm）； 第i段轴截面的极惯性矩（mm4）,对于圆轴，； 阶梯轴受扭矩作用的轴段数。 由于 0.000914834 所以， 对于精密的传动轴取=0.250.5，因此主轴扭转刚度符合要求，扭转强度自然也是符合要求的。综上所述，该主轴经弯曲刚度校核和扭转刚度校核均达到要求，因此该主轴设计在力学上是合理的。3.2 轴承的设计在工程实际中，一般来说主轴的前后轴颈与其主电机功率有关。在实际过程中磨床的主轴结构通常为前后轴颈相等，中间较粗。主电机功率在3.75.5kW时，主轴前轴颈直径在5570mm。考虑到该型号磨床实际受到的磨削力和降低成本的要求，故主轴前后轴颈直径均取40mm。主轴的最小直径为20mm，通过轴的设计，在轴承所在段轴径大小为40mm。因此，轴承的型号应在内径为40mm的轴承中来选择。因为磨削过程中会有一定的轴向力，因此要选用能承受一定轴向力的轴承。又因为该磨床要求有较高的转速和精度，所以轴承的配置方式要采用速度型配置，前后端都采用两个角接触球轴承，这种轴承既可以承受径向载荷，又可以承受轴向载荷。接触角常见的有=15和=25两种。前者为7000C系列；后者为7000AC系列。该种轴承的锁口在外圈上，一般内外圈不能分离，可承受径向和轴向的联合载荷以及一个方向的轴向载荷。承受轴向载荷的能力由接触角决定，接触角越大，则承受轴向载荷的能力高。该种轴承能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移。可采用多个组合的形式来提高刚度和承载能力，比如背靠背或面对面的成对安装形式。由于主轴转速较高，受弯时轴承上希望产生一个尽量大的支反力矩以抵抗弯曲变形。角刚度是表征轴承支反力矩与主轴弯曲变形倾角之比的物理量。主轴高速运转时，由于轴承的外圈装在壳体内，散热条件比内圈好，所以，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使过盈增加。但是，如果采用背靠背组配就会使得轴向膨胀过盈减少。因此，背靠背的过盈的增加比面对面少。综上所述，在主轴设计上应选择角接触球轴承背靠背组合形式。为了保证砂轮在磨削过程中的轴向精度不受热变形大的影响，在轴承配置上采用两端固定的形式。又因为轴向力不是太大，选择3600型角接触球轴承，轴径为40mm，于是选择7208C。根据一个关于轴承基本额定动载荷大小的估算公式： （3.8）查表得：3.42、0.223、1.5、1.2、1 因为7208C的额定动载荷为36.4 kN，额定静载荷为25.2 kN。所以7208C符合要求。因此，所选用的轴承在力学方面满足使用要求。3.3 主轴电机的选择由前面计算得：磨削的最大功率为3279.9W。经过查表得：角接触球轴承的传动效率为0.98，联轴器的传动效率为0.97。率98WN触球轴承大口径朝外的配置形式。又因为轴向力不是太大，所以所需主轴电机的额定功率为：W因此把额定功率为4.5kW的电机作为主轴的驱动电机是合适的。经查阅有关资料最终选择FANUC公司生产的交流主轴电机，该电机的型号为FANUC is22/4000。3.4 联轴器的选择综合考虑平面磨床的实际工作情况后，选择弹性套柱销联轴器是由于弹性套柱销联轴器的特点：具有定量补偿两轴相对偏移和一般减振、缓冲、电绝缘性能。外形尺寸较小，重量较轻，承载能力较大，要求安装精度较高。其用于正反转变化较多、启动较频繁的高中速轴的传动；工作温度在-20C。因此弹性套柱销联轴器符合实际要求。根据弹性套柱销联轴器计算转矩公式： （3.9）式中：理论转矩，Nm； 驱动功率，kW；n工作转速，r/min； 动力机系数；工况系数；启动系数；温度系数；公称转矩，Nm。查表得：=1.0,=1.5,=1.0,=1.2得 =95501.01.51.01.2=19.34 Nm查表得型号为LT3的联轴器的公称转矩=31.5 Nm，故符合实际工作要求，因此选择LT3型的弹性套柱销联轴器。第四章 垂直进给机构的设计4.1 垂直进给机构布局设计垂直进给机构在结构上是由伺服电机直接驱动丝杠，从而带动滚珠丝杠的螺母上下移动，进而带动磨头上下移动，对其精度的控制还外加一个位移的闭环反馈系统，使精度得到保证。 本垂直进给机构是被安装在立柱上，伴随着横向进给一起完成整个磨削的过程.。垂直进给机构布局图如图4.1所示。图4.1 垂直进给机构布局图4.2 磨削力的计算由于工件与砂轮接触后会引起弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用，这样就产生了磨削力。影响磨削力的因素有砂轮的耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等。磨削力可分解为相互垂直的三个力，即沿砂轮轴向的轴向磨削力，沿砂轮切向的切向磨削力以及沿砂轮径向的法向磨削力。在一般的磨削过程中，轴向磨削力较小，通常忽略不计，只考虑砂轮切向的切向摩擦力和砂轮径向的法向磨削力。由于砂轮磨粒具有较大的负前角，法向磨削力通常大于切向磨削力，所以把/称为磨削力比。磨削力比受多种因素的影响，比如砂轮的锐利程度、被磨材料的特性、磨削方式等，这些因素都会在一定程度上影响磨削力比。图4.2 磨削力的力学模型 要进行合理的结构设计，必须得先了解各个方向最大磨削力的大小。在磨削过程中纵向和垂直方向的磨削力较大，对磨削精度的影响也较大，也是各个零件尺寸和结构设计的基础。此外，为了合理的选择伺服电机，首先也得计算出磨削情况下可能的最大磨削力7。1）磨削普通钢材（以45为例）：由一个磨削力的经验公式得： （4.1）其中：磨削过程中的最大切向磨削力（N）； 垂直进给量（mm），取最大进给量 =0.02 mm； 纵向进给量（mm/min），取最大转速 =25 mm/min； 砂轮转速（m/s）。 （4.2）由于电机转速为3000r/min，砂轮尺寸(外径宽内径)2002032，因此s不变，=s （4.3）其中：砂轮线速度（m/s）； 电机转速（r/min）； 砂轮外圆直径（mm）。m/s=s ，即=31.4 m/s所以根据角正回归法建立起来的公式可得1 N在磨削普通钢材时，磨削比/=1.61.8，取/=1.8 则法向磨削力 1.81.8104.41187.9 N4.3 滚珠丝杠副设计4.3.1 滚珠丝杠副设计使用中应注意的问题1 为了能够延长滚珠丝杠的使用寿命，提高传动效率，减小驱动转矩，必须采用合理的润滑。要注入润滑脂，接触表面的油膜的作用是冲洗粉尘、吸振、减小传动噪声等。如需再采用其他合适的润滑方式，在螺母上还有油孔，用户可旋入油嘴。2 为便于丝杠加工，丝杠的外径应该小于丝杠上最大外圆处的直径。3 在设计水平放置并细长的丝杠时，应充分考虑减少甚至防止自重弯曲变形的措施。因为影响导程累积误差的因素之一是因自重使轴线产生弯曲变形，甚至使螺母受载不均。4 精密螺旋传动的定位精度在很大程度上受热变形的影响。因此要想采取好的措施控制热源首先必须分析热源的各个因素。螺旋副的摩擦热则是其中一大热源，而丝杠热膨胀而伸长主要由其他机械部件工作时产生的热导致，因此，要想减少热变形对丝杠的伸长的影响，我们可以采用强制冷却，预拉伸等方法。5 为预防越程后滚珠丝通过采取杠副受撞击，离合器而影响使用寿命，精度甚至损坏，可以安装行程保护装置于滚珠丝杠副的行程两端。6 防护与密封。需要防尘措施以避免滚动螺旋副丧失精度以及加速滚动体与滚道的磨损，因为妨碍滚动体运动流畅的主要原因是尘埃和杂质进入滚道。博特牌滚珠丝杠副已安装防尘圈于螺母两端，此外，用户还需要安装防护装置于丝杠处以防止丝杠外露。 7 将合力通过丝杠轴心作用在螺母上，可以提高滚珠丝杠副的使用寿命和精度，避免倾覆力，保证滚珠受力均匀。8 当在水平位置采用外循环滚珠丝杠副时，最好是在丝杠轴线上面插管放置。9 提高传动刚度应采用适应于数控磨床的大接触轴承。10 当使用内循环滚珠丝杠副时，为了保证装配螺母的顺利安装，必须使丝杠螺纹底径大于该端所有外圆尺寸，并且在丝杠螺纹两端中至少有一端的滚珠螺纹是通牙。11 正确选择预紧力，严禁自行拆卸滚珠丝杠副的各个部件，以免影响其精度。为了防止运转不流畅或滚珠堵塞，严禁拆卸和敲击导珠管。12 螺旋副的逆传动（尤指在垂直方向上传动时）是在电机停电后由于部件自重而产生的，它将导致滚珠丝杠副传动逆效率高，通过采取离合器，蜗轮蜗杆机构，停电自锁的电机的等方法可以防止其发生。4.3.2 滚珠丝杠副设计步骤 滚珠丝杠的设计流程如图4.3所示。1. 确定滚珠丝杠副的导程 滚珠丝杠的导程为： （4.4）滚珠丝杠导程mm；电机最大转速r/min，取3000r/min；丝杠副最大移动速度m/min，取400mm/min；传动比，因电机直接与丝杠相连，1；所以 mm将滚珠丝杠的导程优化取整为=6 mm2. 滚珠丝杠副当量载荷计算 这里的载荷及转速，是指滚珠丝杠的当量载荷与当量转速。滚珠丝杠副在、转速下，各转速工作时间的百分比%、%、%，所受载荷分别是、。则： （4.5） （4.6）在本次设计中，转动的大部分时间是快速进给，则r/min在本设计中垂直运动时主要是所带的载荷为磨头及其一起运动的部件，总的重量估算为2200，N，N所以 N图4.3 滚珠丝杠设计流程图3.确定滚珠丝杠副额定动载荷按滚珠丝杠副预期工作时间（小时）计算： （4.7）式中：预期工作时间（小时），查表得h；精度系数，由表查得； 负荷系数，查表得1.0-1.2 ，取=1.1；可靠性系数，查表得取97%，得=0.44代入式（4.7）N4.按精度要求确定滚珠丝杠最小螺纹底径 由于 （为弹性模量，取2.1N/） 所以 （4.8）式中：导轨静摩擦力（N），在本设计中为磨头及相关部件的重量=2200 N； 滚珠丝杠两轴承支点间距离（）； 行程+安全行程+余程+螺母长度一半+支承长度的一半+磨头支架高度 行程+（24）+4+(46)+(1/201/10)行程 (1.051.1)行程+(1014) 1.1450+126=567mm； 估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（），由()重复定位精度与()定位精度中的较小值来确定。定位精度与重复定位精度分别为0.012mm和0.04mm，故 8=2m，24=4.8m，取2m代入式（4.8） =30.8 mm5.确定滚珠丝杠副规格代号 根据算出的、及传动方式，选择合适的滚珠丝杠。选择南京工艺装备制造厂生产的40065型滚珠丝杠螺母，采用内循环浮动反向器，法兰直筒组合，双螺母垫片预紧。滚珠丝杠的螺纹底径：=38.9 30.8 mm滚珠丝杠的额定动载荷：=2350020922.29 N滚珠丝杠类型；基本导程：6mm；滚珠直径：3.969mm；循环总圈数：3；最小螺纹底径：35.9mm；滚珠丝杠外径：38.9mm；公称直径：40mm；额定动载荷：23.5kN；额定静载荷：73kN；刚度：1658 kN/m。 6.滚珠丝杠副预紧力 预紧就是在滚珠丝杠副内预先施加轴向载荷。预紧的目的是：消除滚珠丝杠副的轴向间隙，提高滚珠丝杠副的轴向接触刚度，并且在外加轴向载荷小于3倍预紧力的情况下，轴向刚性是常数。所以，预紧力为： （4.9）滚珠丝杠所受的最大轴向力所以，N7.预拉伸滚珠补偿值C 滚珠丝杠的热变形将导致长度、定位精度变化，热变形为; （4.10） 热膨胀系数(11.8106)； 温升(一般取24)，取2.5； 有效行程，+2； 螺母长度，128mm； 安全行程，(12)2612mm； +2450+128+212602mm； 所以 11.81062.560217.8mm 为了补偿热变形的影响，行程偏差17.8mm8.预拉伸力的计算由于滚珠丝杠选择的是两端固定的安装方式，可以采用丝杠预拉伸的方法来进一步补偿热变形，滚珠丝杠预拉伸力为： （4.11）各变量意义如上所示，则 1.952.535.926282.9 N9.额定载荷验算 （4.12）式中： 滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷（N），查表得=84.9kN； 静态安全系数，取； 最大轴向载荷（N） =22200=4400N =73N所以丝杠额定静载荷符合要求。10.确定滚珠丝杠副支承用轴承型号 在精密磨床上通常选用角接触轴承，并把2个以上的轴承组合起来施加预紧力来使用。本次设计为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，采用正面组合的TN型组合形式。轴承型号的选择：滚珠丝杠选用轴承型号为7602030TN其技术参数为 N =39000N轴承校核：轴承额定动载荷公式： （4.13） -最大轴向载荷 -寿命系数 -转速系数 其中： =2200 N =（取15000h）则 =3.11 =0.79将，的值代入式（4.13），得 =8660.76N 0.0335 kW，符合要求；扭矩：=12Nm7.14，符号要求；转动惯量：，满足0.00110.0044，符合要求。4.5联轴器的选择横向进给机构在加工中正反转变化较多，启动较频繁，所以也选用挠性联轴器中的弹性套柱销联轴器。弹性套柱销联轴器还具有补偿两轴相对位移和一般减振、缓冲、电绝缘性能等，且外形尺寸小，重量较轻，承载能力大，所要求的安装精度也较高。4.5.1 计算转矩 （4.37） 式中： 理论转矩，Nm; 驱动功率，kW; 工作转速，r/min; 动力机系数，查表取1.0； 工况系数，查表取1.5；启动系数，查表取1.0；温度系数，查表取1.2；公称转矩，Nm。由电机可知，=4 kW，n=3000r/min,带入式（4.37）得： =11.6（Nm)4.5.2 型号选择故选取联轴器LT3型，=31.5 N.m主动端，型轴孔，A型键槽 =28mm，=40mm从动端，Y型轴孔，B型键槽 =24mm，=40mm标记为 LT3联轴器GB/T4323-20024.5.3联轴器的校核 （1）校核最大转速 被联接轴即滚珠丝杠的最高转速，=4000r/min；联轴器允许的最高转速，4700r/min；=40004700，所以所选的联轴器符合转速要求。 （2）校核联轴器的许用转矩电机功率为2.7 kW，电机最高转速为4000 r/min，所以公称转矩=，工作情况系数同样取 =1.5，则计算转矩=9.7=31.5；所以所选的联轴器符合要求。第五章 磨床立柱的设计5.1 磨床立柱简介机床立柱是机床重要的结构件之一，起着机床上下运动及支撑作用。立柱主要是对箱体及砂轮架起到支撑作用，满足垂直进给运动和横向进给运动。同时立柱是连接床身与主轴、刀库的重要部件，所以它的设计必须得到重视。机床立柱材质常见的为HT250、HT200、HT300,这种材质有许多优点，比如强度、耐磨性和耐热性、减振性、铸造性能等都很好，此外还需进行人工时效处理。正确的安装立柱对于加工中心加工出合格的零件有着不能忽视的作用，而立柱的安装主要反映在其与工作台的垂直度上。 立柱普遍采用的是双立柱框架结构设计形式，对于大中型的移动立柱固定于滑座上。本次将立柱设计成固定形式的立柱，在立柱内安装有箱体，将箱体与托板设计成一体式，托板下挂有砂轮架，由此可以在立柱上完成横向进给运动和垂直进给运动，在床身上仅需完成纵向进给运动。5.2 立柱的受力情况MK7120数控平面磨床，采用的是砂轮周边进行磨削。它的立柱结构主要受砂轮架的重力和磨削时产生的磨削力，其中磨削产生的磨削力分为切向力和法向力。在本次设计中估算砂轮架的重力为2200N，切向和法向磨削力在前面的计算中已经得出：切向磨削力=104.4N，法向磨削力=187.9N。5.3立柱工作过程概述这个设计是将横向进给机构也设计在了立柱上面，随着上箱体的移动，可以同时完成垂直进给和横向进给运动。具体的是将砂轮架和托板内嵌于同一个箱体中，箱体与托板是一体的，托板下面挂着砂轮架，托板内装有滚珠丝杠副驱动的横向进给机构，将砂轮架连接在横向滚珠丝杠的螺母座上随螺母座一起运动，这样就可以实现横向进给运动。在垂直方向上，电机的转动，通过联轴器，带动了整个滚珠丝杠轴的转动，于是滚珠丝杠开始进行垂直方向上的运动。滚珠丝杠的螺母座通过螺钉与垂直的箱体连接。这样在滚珠丝杠运动的过程中，也可以带动箱体一起上下运动。为了保证运动的平稳，将横向机构和砂轮架置于同一个箱体中，并在两者之间用支座连接，打上定位
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