立柱移动式MK7125精密数控平面磨床横向进给和纵向进给机构及床身设计【含CAD图纸】
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湖南科技大学本科生毕业设计（论文）第一章 前 言1.1 课题背景 随着人类社会的不断向前发展，人们对物质产品的需求已经提升到了质的方面。在日常的生活中，各种电子产品、家用电器、交通工具等越来越精致美观，质量也较以往提升不少。而在国防、科研、精密制造等领域，对零件加工精度与表面质量的要求越来越高。正是这种现实需求，推动了机械加工行业的不断发展。精密加工技术的研究及应用水平已经成为衡量一个国家机械制造业乃到整个制造行业水平的重要依据。在工业发达国家，精密加工技术受到极大重视，各国均大量投入人力物力对其进行研究，来保证其尖端技术处于国际领先地位，使其产品在国际市场上具备更强竞争力。 提高零件加工精度对于现代制造行业具有重要的意义，这也是众多科研人员和机械工程师们致力于其中的缘由之所在。1.提高零件的加工精度，可提升产品的品质和性能，进而提高产品的稳定性和可靠性。根据英国Rolls-Roy公司的一份研究成果，若是将飞机发动机转子的加工精度由60m提高到12m，表面粗糙度由Ra0.5m减少到Ra0.2m，则发动机的压缩效率将从89%提高到94%。20世纪80年代初，前苏联从日本引进了四台精密多轴数控铣床，用于加工潜艇螺旋桨曲面，使其潜艇的水下航行噪音大幅度下降，即使用精密的声纳探测装置也很难发现潜艇的行踪，此事震惊了西方国家的国防部门。2.提高零件的加工精度可促进产品的小型化。传动齿轮的齿形误差及齿距误差影响了其传递扭矩的能力。若将该误差从目前的36m降低到1m，则齿轮箱单位重量所能传递的扭矩将提高一倍，从而可使目前的齿轮和齿轮箱尺寸大大缩小。IBM公司设计生产的磁盘，其记忆密度由1957年的300bit/cm2提高到1982年254万bit/cm2，提高了近一万倍，这在很大程度上归功于磁盘基片加工精度的提高和其表面粗糙度的减小。3.提高零件的加工精度可以增强零件的互换性，提高装配效率，促进自动化装配应用，推进自动化生产。自动化装配是提高装配生产和装配质量的重要手段，而自动化装配的前提是装配所用零件必须实现完全互换，这就要求严格控制零件的加工公差，从而导致零件的加工精度要求很高。精密加工技术和装备可以使之成为实现1。精密加工技术理论是实现精密加工的前提，而精密加工装备即精密加工机床是实现它的首要基础条件。随着加工精度要求的提高和精密加工技术的发展，机床的加工精度不断提高，精密机床获得了迅速的发展。二战后，为了满足国防工业和尖端技术发展的需要，美国首先运用了金刚石刀具精密切削技术，在此基础上设计生产出了空气轴承的高性能精密车床。50年来，美国在这方面投入了大量人力、物力和资金，研究超精密切削理论并开发了超精密切削机床。超精密机床是综合性新技术的结晶，它综合应用多项现代新技术于精密机床，使其产生质的飞跃。近年来，精密和超精密加工技术也越来越广泛应用于民用产品中，如加工民用交通工具、电子芯片、通讯设备部件等等，使精密、超精密加工逐步深入到社会生活的方方面面2。由于历史等各方面因素的影响，我国在精密加工理论和精密加工装备的研究起步较晚。经过几十年的研究，我国在精密、超精密领域取得了不少的研究成果，在制造水平上有了长足的进步。但是，与制造业发达国家相比，差距仍旧是很大的。由于涉及到保密及众多因素，从国外引进先进精密机床受到限制，并且引进的机床在国内也无法达到国外的加工水平。这说明我们在技术理论和加工工艺上还存在很大不足，我们需要更加大力研究，提高理论水平并研制性能更加优越的超精密加工装备，为我国国防工业、尖端技术等领域的发展创造有利条件。磨床，尤其是精密磨床通常是零件最后一道工序使用的装备，担负着保证零件最终加工质量的作用。欧洲机床展览会（EMO）曾经调查：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%，其它的占8%；由此可见，在精密加工当中，有许多零件部件是通过精密磨削来达到其精度要求的，而精密磨削加工需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。而磨床在企业机床中占据的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻床占14%。而在磨床中，有很大一部分是低端产品，其加工性能和效率都是比较低的，很难适应当下机械行业快速发展的需求。在国内，这样的情况就更为严重了，并且大多数的磨床还没有实现数控化，加工性能和效率就更为低下了。近年来，我国的汽车行业不断升温，芯片行业也开始开始逐步成长，并且随着材料科学的发展，各种新型材料出现，其中有很多难加工的脆硬材料。这一系列的情况都对我国研究并开发适合国情高精度磨床提出了要求。1.2 国内外数控平面磨床的发展状况充分的了解国内外在磨床领域的发展状况能对本次设计有很大帮助，不仅能增加自己对本次设计的兴趣，并且在了解的过程中，可以接触到很多的各种类型平面磨床，可以了解它们结构和运动原理，能够为自己的设计提供很有价值的参考。1.2.1 国内数控平面磨床的发展状况中国是机床制造的大国，也是机床使用的大国，同时还是机床进口的大国。世界四个国际机床展览会中的其中一个就是在中国举办，中国是世界机床行业中的地位是很重要的。我国工业起步比较晚，各类基础技术理论和制造工艺水平都跟国际先进水平有较大的差距。在磨床领域中，有很多发达国家已经掌握并应用的核心技术，我们还尚未摸索清楚，需要我们花费时间和精力去研究摸索。当下我国磨床的生产是一种学习式的生产模式，我们通过不断引进先进的磨床设备进行消化吸收，再来开发自己的产品。这是一种能够很快将自身基础夯实的有效方法，但是我们也要认识到自行研究发展重要性。同时，要发展磨床不单单是只发展磨床就可以的，它是一个复杂的机电产品，可以很地代表国家机电行业的发展水平，而数控技术的应用更是国家综合科技实力表征。我国从80年代开始生产数控平面磨床，各生产厂家均走过了自行研制，与大学及科研单位合作开发到直接引进成熟数控系统的发展道路。杭州机床厂是一家具有五十年历史的专业生产平面磨床的机床制造厂，它从80年代中期开始生产数控平面磨床，先后开发出各种型号的平面磨床。同时国内也涌现了很多其他比较有实力的磨床生产厂家，如天津津医数控磨床有限公司、西安第三机床厂、广西桂北磨床厂、南通机床股份有限公司以及浙江荣德机械有限公司等。不过，最有实力还是当属杭州机床厂，它一直是该领域的领军厂家，它通过不断地引进国外先进磨床进行消化，在平面磨床的生产制造方面有了一些自己的独到之处。它的产品以较高的性价比在国内市场很受欢迎，曾经在北京的国际机床展览会展出了一台MGK7350型数控高精度卧轴圆台平面磨床，采用了中腰移动式立柱作横向进给，床身机构刚性良好，磨削工况平稳，在结构设计上跟上了国际趋势；同时其加工表面粗糙度达到了Ra0.08以下，处于一个比较高的精度等级。相较于大陆，国内平面磨床水平最高水平是在台湾。由于台湾跟国外一些先进厂家接触较早也较多，因此，已掌握了相当部分的核心技术，自己的产品也很有自己的特色，产品大量出口，在国际市场上受到欢迎。福裕机床公司成立于1978年，是台湾最大的高精度平面磨床生产厂，在国际上也是比较著名的。该公司出口的磨床占台湾出口磨床的一半，其生产的“Chvalier”品牌磨床在欧美等地有比较高的知名度。福裕设计生产的磨床外形美观，色彩搭配良好，令人赏心悦目，在大陆市场也是非常受欢迎的。它已经在上海设立分厂生产，这对我国磨床业的发展和合作是很好的机会和平台。总体说来，我国在磨床行业在中低端市场中具有一定的竞争力，但是在高端精密型磨床领域是失守的，这是一个我们必须认清的事实。尤其是在精密磨床的核心数控系统上，国内磨床大多数是依赖于进口数控系统。虽然，国内已经有公司开发出了自己的数控系统，但是在功能和性能上与国外著名厂商的产品有着很大的差距，只能应用于控制精度要求不是很高的机床上。1.2.2 国外数控平面磨床的发展状况数控平面磨床由于对数控系统的特殊要求而相对于数控车床、铣床等的发展较晚。近几十年来，借助CNC技术，磨床上砂轮的连续修整，自动补偿，自动交换砂轮，多工作台，自动传送和装夹工件等操作功能得以实现，数控技术在平面磨床上逐步普及。前几年德国ELB公司生产的BRILIANT系列二坐标CNC成型磨床，其垂直和横向为数控轴，纵向为液压控制，砂轮修整采用安装在工作台上的金刚石滚轮，适用范围较广；同时ELB公司开发了具有当代最新技术的磨床产品，即以机电一体化和计算机技术为基础的CAM-MASTER系列柔性磨削加工单元，CAD-MASTER系列和COMPACT-MASTER系列磨削加工中心，控制轴最多可达到24轴。英国JONES&SHIPMAN公司与美国A-B公司开发了A-B8600数控系统用于FORMAT5型数控平面磨床，由CNC控制液压阀，驱动纵向可调速运动，横向与磨头进给用滚珠丝杠副，直流伺服电机驱动，间断式砂轮修整，CRT图形模拟显示。美国ALLEY-BRANDLY公司生产的8400CNC、8600CNC数控系列，适用于车床、铣床和磨床，其8400CNC最多可控制6根伺服轴，任2轴可进行圆弧插补，任3轴可进行螺旋线插补，6轴直线插补。8600CNC系列最多能控制17个坐标，包括8个参与插补轴，8个位控制轴及1个主轴，具有图形显示，扩展分支程序，显示加工时间，调整程序校验，刀具寿命监测等功能。日本FANUC公司开发了OG高速高性能数控系统，其中O-GSG适用于平面磨床，可根据磨削零件不同开关，有四种不同的磨削方法，具有砂轮轴角度倾斜控制功能，荒磨、粗磨、精磨、无火花磨削整套磨削循环；砂轮滚压修整后位置补偿功能，修整器相对于被修整砂轮法线方向控制功能，修整滚轮外缘圆弧半径补偿功能，砂轮形状图形显示功能及磨削参数显示等，系统最小设定单位0.1m，属于“紧凑”型数控系统，价格较低。在近年汉诺威、东京、芝加哥及国内等大型机床展览会上，CNC磨床在整个磨床展品中已占大多数，如德国BLOHM公司，ELB公司等著名磨床制造厂已经不再生产普通磨床。日本的冈本、日兴等公司也成批生产全功能CNC平面磨床，在开发高档数控平面磨床的同时，也积极发展中、低档的数控平面磨床。而从最近几年的在美国芝加哥举行的国际制造技术展览会（IMTS）上，众多生产厂以实物的形式展览它们的产品。根据参展产品的特点，可以看出今后平面磨床的发展趋势。1. 从规格上看，参展产品以小型平面磨床为主。小规格机床的运输及布展比较便利；国外平面磨床不分普通、精密和高精密的精度等极，相对小规格的机床，精度可以做得很高；在国际市场上，中、小规格的平面磨床的需求更大。2. 从控制角度上看，由于技术水平的发展导致功能变化，传统加工型平面磨床已经向成形磨床转变，常规的控制已经难以实现加工功能要求，数控平面磨床已经成为发展的主流。3. 从功能上看，平面磨床不仅仅应用于水平平面加工，转向于成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线等表面加工。ELB、BLM公司以平面磨床为基础设计而成的五轴联动磨削中心，可实现非平面型复杂曲面的磨削；Unison、Trutech公司的柔性磨削系统，可实现成形、无心、外圆、工具、轮廓等磨削工艺；以及福裕、Parker公司等的快速抖动磨床，反映出平面磨床是磨床中演变潜力最大的一种机型3。未来平面磨床的发展根本在于设计创新：平面磨床是磨床类机床中发展潜力最大的机床，在完成传统平面磨削加工功能基础和现有平面磨床床身、工作台、磨头等大件的结构基础上，可以发展成为具备加工外圆、曲线、工具甚至更为复杂的曲面加工功能的磨削加工中心。我国在完成磨床规格系列的完善后，应该跳出传统思维车到曲线或轮廓等非平面磨削加工思路上去进一步发展，形成具有我们自己特色的技术和产品。模块化设计将是贯穿产品设计全过程的一条主线，无论是机床技术发展的潮流还是市场竞争的要求；无论是降低成本的需要，还是提高产品质量的目的，都要求我们在今后的产品开发中，运用好模块化设计的理念和方法。世界机床工业的发展，根本在于设计理念创新与新技术的结合。根据传统的金属切削原理，采用全新的现代设计理念，结合先进的控制技术，正推动着机床技术向新的领域迈进。1.3 课题研究的意义由前面国内外平面磨床的现状，我们可以清楚地看到我国在磨床领域与国外存在很大的差距。尤其是高端精密磨床，几乎全部依赖进口，由于复杂的因素影响，我们无法获得国外最先进的技术装备，而要实现国家的现代化，这些高精尖的技术装备是必不可少的，这就决定了我们必须走版主创新的道路。机床是制造的基础，机床创新是使我国成为制造强国的根本。中国工程院士周勤之曾说：“创新不是脑袋一拍就可以创新。创新需要有很深的研究与实践基础，必须掌握磨削机理、关键功能部件的工作原理、工艺参数、磨床结构等关键技术，才能创造出有理论基础和实用价值高的高质量、高可靠性和精度稳定性的高端磨床。”对于我们只掌握机械基础知识的本科生来说，虽然自行创新设计一台高精密的平面磨床无异于空中楼阁很不现实，但是通过参照已有的机床设备和运用已有的计理论，进行磨床相关部件的设计计算，使我们对磨床的结构与功能有个理性的认识，为以后从事相关的设计工作打下基础。甚至对于在设计中，如果遇到机床结构中有不合理的部分，对其提出可行的改进建议，这对培养我们的设计能力是有很大帮助的。1.4 课题研究内容和方法1.4.1 课题的研究内容本课题为设计一台立柱移动式MK7125型精密数控平面磨床，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。设计需要完成的内容有： 1.磨床的总体总局方案设计； 2.横向进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杠副的设计计算，绘制横向进给机构装 配图和相关零件图； 3.纵向进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杠副的设计计算，绘制纵向进给机构装 配图和相关零件图； 4.床身设计，绘制床身零件图； 5.磨床数控系统的设计与选用，绘制硬件连线图 6.翻译指定的英文专业文献设计的重点和难点在于磨床砂轮架的设计计算，以及垂直进给滚珠丝杠和伺服电机的设计计算。这也是能使我学到更多专业知识，锻炼我专业技能和设计能力的部分。相应地，设计说明书主要部分为：总体总局设计、砂轮架设计及计算、垂直进给机构设计及计算、立柱的设计和数控系统的选用五大部分。其中，砂轮架设计包括了主轴的设计，轴承、联轴器的选用以及主轴驱动电机的选用；垂直进给机构的设计包括了传动部件滚珠丝杠的设计计算，轴承、联轴器的选用和伺服电机的选用。在说明书最后有自己对这次设计的总结和展望，以及对指导老师和同组同学的致谢辞，然后就是设计中的主要参考文献。1.4.2 完成设计课题的方法毕业设计的目的在于通过一系列的设计及计算，使我们在大学四年所学到的知识有一个综合的复习和运用的机会，同时提高我们设计能力以及团队协作能力。完成本设计课题的主要方法是运用自己所学到的知识进行结构设计，并进行校核计算以确定设计满足要求。通过查阅磨削相关的文献资料，了解到磨床的工作原理，以及设计中要满足的各项条件。文献资料也包括一些对现代磨床所采用结构的介绍和论述，其中所采用的结构对我们的设计有很好的指导和启发作用。除了从书本及互联网上找资料外，指导老师也要求我们去实地参观，更加深入地了解磨床的外形以及内部结构。学校高效精密实验室有一台数控平面磨床，我去参观并仔细观察了它的外形及部件分布；虽然，无法看到它的内部结构，却对我完成磨床总体布局设计提供了很好的现实材料。另外，更重要的是，我和同组同学一起去了湘潭三峰数控机床厂参观，该厂就是以生产平面磨床为主。在那里我了解了更多的平面磨床的结构布局，一台平面磨床是如何从零件在一道道工序中变成了一个整体，更清楚地了解到了磨床部件的内在结构。通过对它们的借鉴，使我最终能够完成这个设计课题。1.5 设计的主要技术参数1. 磨床的主要规格 工作台台面尺寸（宽长）：250500（630）mm2. 加工范围 可磨削加工的最大工件尺寸（宽长高）：250500（630）360mm3.工作台 工作台纵向移动速度（无级）：0.03-25m/min 工作台横向自动进给：连续（无级）0.1-1m/min 断续（无级）0.5-12mm/工作台一行程4. 砂轮架 砂轮架垂直快速升降速度400mm/min； 垂直自动进给0.001-0.02mm，最小进给量0.0001mm； 砂轮尺寸（外径宽内径）2002032 砂轮转速3000r/min5. 加工指标 磨削表面粗糙度Ra0.03m，加工后表面对基面的平行度300：0.002 第二章 总体布局设计总体布局设计对于一台机床的设计是一件很重要的事情，一个合适的总体布局不仅可以很好地节约有限的加工车间空间，能使机床具有很好的美学效果，还能在市场竞争中占据优势。更重要地，合适的总体布局对机床的性能有重要的影响，各主要部件的组合方式不同，机床的整体刚性就不一样，机床的加工性能就不一样。磨床的总体布局与加工运动的形式有关。2.1 运动形式的设计精密数控平面磨床的磨削加工成形运动，除了主运动砂轮的转动外，还包括三个方向的进给运动：垂直进给运动，横向进给运动和纵向进给运动。而这个三个方向的进给运动可以由不同的部件来完成，有多种选择：（1）工作台完成横向和纵向进给运动，由砂轮架沿立柱作垂直运动完成垂直进给；（2）砂轮架既完成垂直进给又完成横向进给，工作台来完成纵向进给运动；（3）工作台不作任何运动与床身固定，由砂轮架完成垂直进给运动，横、纵向进给由立柱作横、纵向运动完成；（4）纵向进给由工作台完成，垂直进给由砂轮架完成，同时立柱可以作横向运动完成横向进给，这种进给运动实现方式又称为中腰立柱移动式4。这几种运动实现方式各有优缺点。第一种是最常见的平面磨床进给运动实现方式，技术比较成熟，实现起来比较容易，设计中不存在太大的技术风险，并且有较多的可以供参考的信息，设计周期相对较短。相对应的布局方式称为卧轴矩台式。这种布局方式也存在不足的地方，这种形式的磨床的整体刚性不是很优良，因而限制了零件加工精度提升，对于精度要求特别高的平面磨床选择这种布局方式是不合适的。第二中运动形式在结构上相对于第一种有了一定的改变，布局方式称为托板内存式，在实际也有较多的应用，湘潭三峰机床厂生产的平面磨床就是这种类型。这种类型机床会由于砂轮和电机转动引起的振动，对机床的加工精度有一定的影响，也适合高精度要求的机床设计。第三种和第四种运动形式对应的布局方式，都可以称为立柱移动式布局。第三种立柱可以作横、纵向运动的方式，虽然提高了磨床的整体刚性和运动的稳定性，但是运动件的质量很大，结构也很复杂，不仅会浪费能源，并且机床响应速度会大降低，这样一来提高机床精度的成本就会很高，不是很实用。而第四种运动实现方式却很好地综合第二种和第三种形式的优点，既有刚性和稳定性良好的优点，机床响应速率也符合要求，因而第四种布局在现代高精度磨床中应用较多。另外，第四种运动方式使运动能在较小运动范围完成，有效地减少了机床的占地面积，这一优点在现代加工中是很重要的，不仅利于生产布局，而在对加工物流也有很大好处。一般地，进给传动的方式通常有两种：一是通过步进电机-滚珠丝杠实现；二是通过液压传动实现。在本次设计中，三个方向的进给传动方式均采用滚珠丝杠副传动。液压传动方式是当前普通磨床应用最广泛的传动方式，但是由于液压系统存在爬行的现象，所以运用在精密度要求高的平面磨床上是不合适的。用伺服电机驱动滚珠丝杠替代了液压驱动后，不仅能消除爬行再低，并且可以使传动机构得到很大的简化，使磨床结构更加紧凑。滚珠丝杠的加工精度很高，虽然会存在回程误差，但是在实际应用中已经有了很多种消除误差的巧妙方法，因此采用滚珠杠副传动可以很好地提高磨床的精度。在现在的高精度平面磨床设计中，一般都是采用滚珠丝杠副来作伺服驱动机构的。另外，滚珠丝杠已经形成规格化，设计时只需要根据计算所得参数选择合适的丝杠即可，不需要自行再设计，可以简化设计流程。不过，由机械原理的知识可知，滚珠丝杠是不能自锁的，当用于垂直传动时，需要考虑添加自锁装置，来保证定位精度，这在后面的设计中会有论述。2.2 机床的布局方案在上面已经讲到，中腰立柱移动式是最合适的磨床布局形式，本来应该是采用这种布局形式的。但是，指导老师考虑到分组的需要，在设计任务书中已经将我们各组的设计布局指定了。我的设计布局是第一种卧轴矩台式，具体布局见图2.1总体布局图。图2.1 总体布局图第三章 纵向及横向进给机构的设计3.1 进给系统应满足的要求高精度，好的快速响应性，调速范围大，系统可靠性好3.2 磨削力的计算磨削力起源于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结合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力可分解为相互垂直的三个力，即沿砂轮切向的切向磨削力，沿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。磨削力比不仅与砂轮的锐利程度有关，且随被磨材料的特性不同而不同，还与磨削方式等有关。而磨削力与砂轮的耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等均有直接关系1。3.2.1 磨削力力学模型的建立图3.1 磨削力的力学模型对于本次所设计机床： vw工件速度，vw(0.0325)m/min； n砂轮转速，n =3000r/min； vs砂轮线速度，vs=31.4m/s； ap磨削深度取垂直方向最大进给量，ap0.02mm；3.2.2 磨削力经验公式的建立1. 砂轮切向磨削力的公式建立如下1： （3.1）Fp单位面积磨削力，是磨削工件时作用在单位切削面积上的主切削力（即切向切削力）(N)；b砂轮的磨削宽度(mm)，b20mm；其它各变量意义如上所示。2. 单位磨削力经验公式1： FpK (014.7mm滚珠丝杠的额定动载荷：=2570010841.3(N)3.4.7 滚珠丝杠副预紧力的计算预紧就是在滚珠丝杠副内预先施加轴向载荷Fp。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： （3.14）滚珠丝杠所受的最大轴向力；所以， (N)3.4.8 对预拉伸滚珠丝杠行程补偿值C和预拉伸力Ft的计算滚珠丝杠的热变形将导致长度、定位精度变化，热变形： ktLu （3.15）热膨胀系数(11.810-6)；t温升(一般取24)，取t2.5；Ln螺母长度, Ln146mm；La安全行程，La(12)Ph21020mm；Lu有效行程，LuLk+Ln+2La750+146+20936mm所以，ktLu11.81062.593627.6mm为了补偿热变形的影响，行程偏差Ck27.6mm由于滚珠丝杠选择的是两端固定的安装方式，需要采用丝杠预拉伸的方法来进一步补偿热变形，预拉伸力， Ft （3.16）各变量意义如上所示，则：Ft1.952.527.323633.3(N)3.4.9 滚珠丝杠副轴承规格型号的选择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。本次设计选用NSK生产的丝杠支承专用角接触轴承，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DF型组合形式14。轴承特点：采用特殊设计的尼龙成形保持架，增加了钢球数，且接触角为，轴承轴向刚性大，与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比，启动力矩较小。轴承型号的选择：滚珠丝杠左端的轴承内径需小于丝杠的外径32.5mm,所以左端轴承内径选择25mm；在选用内循环滚珠丝杠时，右端轴承内径需小于丝杠的螺纹底径27.3,所以右端轴承的内径选择20mm，所以滚珠丝杠左端选用轴承25TAC62A，右端选用轴承20TAC47A。轴承最大轴向载荷的计算： Ft+ （3.17）Ft滚珠丝杠预拉伸力，Ft3633.3(N)；滚珠丝杠最大轴向载荷，(N)；所以，Ft+3633.3+463.84097.1(N) 又因为轴承的预紧力需大于最大轴向载荷的三分之一，即： （3.18）因为 4097.11365.7(N)，滚珠丝杠副两端轴承的预紧力分别为3040N和2160N，均大于1365.7(N)，所以所选择的轴承满足要求。3.4.10 滚珠丝杠副工作图的设计1. 滚珠丝杠螺纹长度： （3.19）Lu有效行程，根据前面计算，Lu936mm Le余程，根据滚珠丝杠的导程查表得，Le40mm；所以，936+2401016mm2. 两支承间距离： （3.20）左支承至左螺纹之间的距离，50mm；右支承至右螺纹之间的距离，37mm；所以，1016+50+371103mm图3.3 纵向滚珠丝杠副工作图3.4.11 滚珠丝杠副驱动电机的选择1. 功率的计算：（1）磨削功率： =V （3.21）最大磨削力，取=463.8N；V最大进给速度，取V10m/min；则 =463.810/60=0.08(kw)（2）空载功率： （3.22）空载状态下滚珠丝杠所受的轴向力，275N；空载时进给速度，20m/min;则 27520/600.09(kw)（3）载荷附加功率： （3.23）磨削功率；各级传动效率之积，考虑联轴器、轴承与滚珠丝杠的传动效率，由于滚珠丝杠选择三级精度，效率为0.9；滚动轴承的效率为0.98；联轴器的效率取0.92，所以，0.90.980.920.81；则 0.02(kw)电机总功率：0.08+0.09+0.020.19(kw)2. 电机转矩的计算（1）最大动态预紧转矩： （3.24）理论动态预紧转矩，即有预加载荷但没有外载荷时，滚珠丝杠与螺母相对连续传动所需要的力矩，；动态预紧转矩公差；所以，（2）驱动最大负载所需的扭矩： （3.25） F滚珠丝杠所受的最大轴向力；滚珠丝杠导程；无预加载荷滚珠丝杠的效率，取0.9；所以，（3）支承轴承所需的启动扭矩： （3.26）、滚珠丝杠两端轴承的启动扭矩，0.15，0.2；所以，所以，驱动滚珠丝杠所需的扭矩： （3.27）传动比，由于电机直接与滚珠丝杠相连，1；所以，；，即3. 负载转动惯量的计算：（1）负载转动惯量： （3.28）m工作台、电磁吸盘及负载质量；滚珠丝杠导程；所以，0.002()（2）滚珠丝杠产生的转动惯量： （3.29）滚珠丝杠密度，；滚珠丝杠长度，L=1.223(m)；滚珠丝杠公称直径，(m)；所以，0.001（3）联轴器及锁紧螺母等产生的转动惯量：查表可得（4）驱动滚珠丝杠所需要的总转动惯量15：电机的额定扭矩简单估算符合公式： （3.30）即，4. 电机的选择：选择FANUC 4 /4000i电机16，电机各参数如下：输出功率：0.19kw，符合要求；扭矩：3.11，符号要求；转动惯量：，满足0.0013，因而按照加速能力选择k20是合适的17。3.4.12传动系统刚度的计算 （3.33） 拉压刚度；轴向刚度；接触刚度。1. 拉伸刚度（1）最小拉伸刚度： （3.34）滚珠丝杠最小螺纹底径，27.3mm；滚珠丝杠两支承间的距离，1116mm；所以，440.8（2）最大拉伸刚度： （3.35）滚珠丝杠最小螺纹底径；滚珠丝杠两支承间的距离；85+20+40+750+968；所以，9582. 轴向刚度 （3.36）、支承轴承的刚度，根据所选择的轴承查表得1080，760所以，1080+76018403. 接触刚度 （3.37）滚珠丝杠预紧力，154.6N；滚珠丝杠额定动载荷，25700N；滚珠丝杠刚度，772；所以，302.53.4.13 传动系统刚度的校核及滚珠丝杠副精度的选择1. 系统刚度的计算根据公式（3.31）2. 系统轴向刚度引起的误差（1）滚珠丝杠副传动系统轴向刚性引起的最大行程范围内的定位误差： （3.38）空运转时滚珠丝杠所承受的轴向载荷，275(N)；、最小系统刚度和最大系统刚度；所以，0.3（2） 滚珠丝杠副传动系统轴向刚性引起的正反向间隙： （3.39）空运转时滚珠丝杠所承受的轴向载荷，275(N)；最小系统刚度；所以，3.83. 滚珠丝杠精度的选择 （3.40）滚珠丝杠副传动系统轴向刚性引起的最大行程范围内的定位误差，0.3；定位精度机床全程定位精度为；滚珠丝杠任意300行程内的行程变动量，；则，所以，可以选择3级精度4. 滚珠丝杠副型号及具体尺寸的确定滚珠丝杠类型：FFZD；基本导程：10mm；滚珠直径：7.144mm；列数：3；最小螺纹底径：27.3mm；滚珠丝杠外径：32.5mm；公称直径：32mm；额定动载荷：25.7KN；额定静载荷：50.2KN；刚度：772；所选择的滚珠丝杠为：FFZD3210-3-P3/101611943.4.14 滚珠丝杠副临界压缩载荷的校验 （3.41）滚珠丝杠副的最大受压长度，=968mm；安全系数，水平安装 =；支承系数，=4；所以，=4 =(N)=463.8(N)3.4.15 滚珠丝杠副极限转速校验滚珠丝杠副转速过高，会产生共振，影响正常运转，损坏机器，为确保不发生共振，应计算所允许的最高转速： = （3.42）与支承有关的系数，取21.9；与支承有关的系数，取4.730；临界转速计算长度，968；螺纹底径，27.9；所以，6380.5(r/min) 因实际最大转速为2000，小于滚珠丝杠的极限转速，因此符合要求。3.4.16 滚珠丝杠副值校验 （3.43）滚珠丝杠副的节圆直径，34.444；滚珠丝杠的最高转速，本次设计式中所选用的值为：2000；则： 34.444200068888因此所选用的丝杠符合要求。3.4.17 基本轴向额定静载荷校核 （3.44） 滚珠丝杠副的基本轴向额定载荷（N）；静态安全系数，普通载荷，取2；最大轴向载荷（N）；本次设计式中所选用的值为：=2463.8=927.6（N）50200（N）3.4.18 联轴器的选择1. 联轴器的选择由于纵向进给机构在加工中正反转变化较多，启动频繁，所以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。所选择的联轴器型号为LT2 GB/T4323-1984，如图3.5所示18。主动端：J型轴孔，C型键槽，；从动端：Y型轴孔，B型键槽，。图3.5 纵向联轴器2. 联轴器的校核（1）校核最大转速 n （3.45）n被联接轴即滚珠丝杠的最高转速，n=2000r/min；联轴器允许的最高转速，5500r/min；n，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 （3.46）计算转矩，由于电动机启动时动载荷和运转中可能出现的过载现象，一般按轴上的最大转矩作为计算转矩；联轴器的许用转矩，=16； （3.47）工作情况系数，因转矩变化相对较小，所以=1.5；公称转矩，且，P为电机功率为0.19KW，n为电机转速2000 r/min，所以=0.9；代入式（3.45）可得=1.36，因为联轴器的许用转速=16，满足，所以所选的联轴器符合要求19。3.5 滚珠丝杠副设计使用中应注意的问题1. 为提高滚珠丝杠副的使用寿命和精度，应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心,以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力。2. 滚珠丝杠副在行程两端应有行程保护装置，以防止越程后滚珠丝杠副受撞击而影响精度、使用寿命甚至损坏。3. 防止热变形，热变形对螺旋传动的定位精度有着重要的影响。其热源不单是螺旋副的摩擦热，还有其他机械部件工作时产生的热，致使丝杠热膨胀而伸长。为此必须分析热源的各因素，采取控制措施控制热源，还可以采用预拉伸、强制冷却等减小热变形对丝杠伸长的影响。4. 防护与密封，尘埃和杂质等污物进入滚道会防碍滚动体运动流畅，会加速滚动体与滚道的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。5. 合理润滑，减小驱动力矩提高传动效率。接触表面的油膜还有吸振，减小传动噪声和冲洗丝杠上的粉尘等杂物的作用。3.6 导轨的设计3.6.1 导轨应满足的要求导轨的作用是导向和承载。导轨应满足精度高,承载能力大，刚度好，摩擦阻力小，运动平稳，精度保持性好，寿命长，结构简单，工艺性好，便于加工，装配，调整和维修，成本低等要求，下面几个要求尤为突出7：1. 导向精度：导向精度是导轨副在空载荷或切削条件下运动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的偏差，影响导向精度的因素很多，如导轨的几何精度和接触精度，导轨的结构形式，导轨和支承件的刚度，导轨的油膜厚度和油膜刚度,导轨和支承件的热变形等等。直线运动导轨的几何精度一般包括导轨在竖直平面内的直线度，导轨在水平面内的直线度和导轨面之间的平行度。接触精度指导轨副间摩擦面实际接触面积占理论接触面积的百分比。2. 承载能力大，刚度好。根据导轨承受载荷的性质，方向和大小，合理地选择导轨的截面形状和尺寸，使导轨具有足够的刚度，保证机床的加工精度。3. 精度保持性好，精度保持性主要是由导轨的耐磨性和刚度决定的。若刚度不足，则直接影响部件之间的相对位置精度和导轨的导向精度，使导轨面上的压强分布不均，加剧导轨的磨损。导轨的耐磨性是决定导向精度能否长期保持的关键，常见的磨损形式有磨料（或磨粒）磨损，粘着磨损或咬旱，接触疲劳磨损等。影响耐磨性的因素有导轨材料，载荷状况，摩擦性质，工艺方法，润滑和防护条件等。4. 低速运动平稳性 当动导轨作低速运动的或微量进给时，应保证运动始终平稳，不出现爬行现象。影响低速运动平稳性的因素有导轨的结构形式，润滑情况，导轨摩擦面的静、动摩擦系数的差值，以及传动导轨的运动传动系刚度。5. 结构简单、工艺性好 导轨要求结构简单，易于加工和维护。3.6.2 导轨的具体设计1. 根据本次设计需要达到的精度，以及滑动导轨结构简单、工艺性好、制造方便、抗振性好、刚度和精度易于保证等特点，本次设计纵向及横向进给机构选择滑动导轨。由于滑动导轨存在着磨损快的缺点，为了提高导轨的耐磨性，现在广泛采用贴塑导轨。贴塑导轨的粘贴塑料软带以聚四氟乙烯为基体，添加各种无机物和有机粉末等填料，不光具有摩擦因数小，耗能低；动静摩擦因数接近；低速运动平稳性好；阻尼特性好；吸振、抗振性好；耐磨性好等优点，还具有自身的润滑作用，没有润滑油也能正常工作，使用寿命长，维护修理方便7。2. 选择导轨的截面形状，保证必要的导向精度。支承导轨为V形的双三角形组合滑动导轨，且与床身制成一体，导向精度高，磨损后动导轨能自动下沉来补偿磨损量，不会产生间隙，具有较好的精度保持性，适用于精度要求较高的进给导轨，所以，纵向及横向进给机构导轨选用支承导轨为V形的双三角形组合形式9。横向进给及纵向进给导轨的宽度均根据推荐值选择，即横向导轨宽50mm，纵向导轨宽60mm；导轨长度则根据工作台长度及行程等要求来确定。3. 选择适当的导轨结构及尺寸，保证导轨有足够的刚度，并使单位面积上的比压不宜过大，以免磨损过快。三角形导轨的顶角一般在90120范围内变化，顶角越小，导向性越好，但摩擦力也越大，所以，一般在精密机械中使用小顶角。所以，本次设计中滑动导轨的顶角选择907，导轨的结构如图3.9所示。4. 选择合适的导轨材料，热处理方法，精加工方法以及摩擦表面间恰当的硬度匹配，提高导轨的使用寿命。由于铸铁的成本低，具有良好的减振性和耐磨性，易于铸造和切削加工，所以滑动导轨的材料选用灰铸铁HT200。由于支承导轨各处使用机会难以均等，且修复困难，不易维护，所以支承导轨处通过淬硬来提高导轨寿命9。5. 选择合理的润滑系统，使导轨在良好的润滑条件下工作，以减少摩擦和磨损。V形的双三角形滑动导轨能留存润滑油，可以得到充分的润滑。6. 设计良好的防护装置，防止切屑杂物等掉在导轨面上。纵向及横向进给系统设有工作台挡板，可以防止切削及杂物等掉落在导轨上。图3.6 导轨结构图3.7 纵向进给机构的设计纵向进给机构由交流伺服电机经过联轴器直接驱动滚珠丝杠副带动工作台运动，即可完成磨削加工时的纵向往复运动，如图3.7所示。图3.7 纵向进给机构结构第四章 磨床床身的设计床身作为一个支撑件，是机床的基础构件。因为比较大，所以也称为“大件”。在切削时，刀具与工件之间互相作用的力大部分作用在床身上并使之变形。机床的动态力使床身和整体震动。床身的热变形会改变执行器件的相对位置和运动轨迹。这些，都将影响加工精度和表面质量。因此，床身是机床十分重要的构件。4.1床身应满足的要求1.应具有足够的刚度和较高的刚度重量比。后者在很大程度上反映了设计的合理性。2.应具有较好的动态特性。这包括较大的位移阻力和阻尼；与其它部件相配合，使整机的各阶固有频率不致与既激振频率相重合而产生共振，不会发生薄壁震动而产生噪音等。3.床身应设计的使整机的热变形较小。4.应该排屑畅通,吊运安全,并具有良好的工艺性以便于制造和装配。4.2床身的设计4.2.1 床身材料的选择作为立柱移动式MK7125型数控平面磨床的重要部件，磨削过程中大部分的力作用在床身上，因此床身材料选择是相当重要的。只要材料选择得当，不仅可以提高加工稳定性，还可以节约材料，降低成本和减轻机床自身重量。表4.1 材料性能结构对照表类别性能特点结构特点灰铸铁件流动性好，体收缩和线收缩性小。综合力学性能低，抗压强度比抗拉强度高34倍。吸振性好。弹性模量低。形状可以复杂，结构允许不对称，有箱体形、筒形等。用于发动机的汽缸体、筒套、各种机床床身、底版、平板、平台等。球墨铸铁件流动性与灰铸铁相近；体收缩比灰铸铁大，而线收缩小，易形成缩孔、疏松。综合力学性能高；抗磨性好；冲击韧性、疲劳强度较好。消振能力比灰铸铁低。一般多设计成均匀壁厚；对于厚大断面件，可采用空心结构，如球墨铸铁曲轴轴颈部分。可锻铸铁件很脆，毛坯易损坏。综合力学性能稍次于球墨铸铁，冲击韧性比灰铸铁大34倍由于铸态要求白口，一般薄壁均匀件，常用厚度为5-16。为了增加其刚性，截面形状多加工成工字形或箱形，避免十字截面；零件突出部分应用肋条加固。铸钢件流动性差，体收缩、线收缩和裂纹敏感性都较大。综合力学性能高；抗拉强度与抗压强度几乎相同，吸振性差。结构应具有最少的热节点，并创造顺序凝固的条件。相邻壁的连接和过度更应圆滑；铸件截面应采用箱行和槽形等近似封闭状的结构；一些水平壁应改成斜壁或波浪形；整体改成带窗口的壁，窗口形状最好为椭圆形或圆形，窗口边缘须作出凸台，以减少产生裂纹的可能根据表4.1分析，磨床震动大，灰铸铁件吸震性好，并能达到强度要求，且铸造容易，经济性好，因此确认灰铸铁为本磨床床身的材料。4.2.2床身壁厚的确定床身的最小壁厚根据当量尺寸C来选择，当量尺寸可由4.1式确定:L=1.6mB=1.132mH=0.7mC=2.588根据查表4.1可知立柱的最小壁厚t为20mm，综合考虑工艺条件和床身的受力情况，立柱的壁厚确定为20mm，由于立柱肋条的厚度约为0.70.8倍的壁厚，所以为15mm。 第五章 数控系统的选用5.1 数控系统的概述自从1952年美国制造出第一台数控机床后，在机械加工领域中，数控机床的地位就不断在上升。到如今数控机床、加工中心已经在精密机械加工行业中确立了自己的独一无二的重要性。而对于数控机床来说，数控系统就如同它的神经系统，对比一下人的神经系统的重要性，就可以知道数控系统对于一台数控机床来说是多么地重要了。在本设计中，前面已经提到垂直进给需要很高的控制精度。所以，用单片机自行开发一个数控系统已经无法满足磨床的精度和稳定性要求，并且开发所消耗的时间精力也是不小的。如此一来，不如去选择一款成熟的精度高的控制系统，不仅能达到精度和稳定性要求，并且能使设计周期极大缩短，更具经济性。并且，选择专业商家的产品，还能获得很好的售后服务，可以免去很多后续加工中的后顾之忧。所以在本设计中，选用一款合适的数控系统是很好的选择。5.2 数控系统的选用作为精度要求高的平面磨床的数控系统，我们需要选择一个高端的产品。目前国际上高精密数控系统的生产厂家主要有：德国的SIEMENS公司和日本的FANUC公司。本设计中磨床需要控制的是三个方向的进给运动和砂轮主轴的转速。通过一系列的对比后，选用了SIEMENS公司的SINUMERIK 802C BASE LINE。它是在SINUMERIK 802C基础上发展的产品18-19。虽然它是针对车床而开发的，但可以经过简单地改进就可应用于平面磨床的控制，看起来似乎有点费事，但实际上它的性价比是比较高的。这个系统可控制23伺服电机进给轴和一个伺服主轴或变频主轴，当系统匹配连接SIMODREVE 611U或者SIMODRIVE base line 时，需连接lFK7系列伺服电机。该数控系统的组成为：1. SINUMERIK 802C base line 数控系统 集成式、紧凑式CNC控制器，配置8英寸液晶显示操作面板，全功能操作键 盘、机床操作界面，48点输入/16点输出；2. RS232C接口隔离器；3.380V/220V（单相），400W隔离变压器；4. 驱动器和电机伺服进给驱动SIMODREVE 611U或者SIMODRIVE base line带1FK7系列伺服电机。SIMODRIVE base line带1FK7的配置有两种：一、转矩6 Nm，集成式带单极对旋转变压器，不带制动，光轴，转速3000 r/min；二、转矩11 Nm，集成式带单极对旋转变压器，不带制动，光轴，转速3000 r/min。使用SIMODREVE 611U与1FK7的配置为：3 Nm/6 Nm/8 Nm/11 Nm，光轴，带/不带抱闸。在本设计中垂直进给系统中，为了设计的需要，不选用系统配套的伺服驱动电机，而选用的是松下电器的产品MGMA032C1H。5.电缆 连接SINUMERIK 802C base line数控系统到驱动器的电缆为信号反馈电缆和信号电缆；连接驱动器到电机的电缆为编码器电缆和电机动力电缆。该产品的控制图如图5.1所示：图5.1 802C连线图第六章 设计结论这次毕业设计的题目是设计一台精密数控平面磨床的砂轮架及其垂直进给机构，也包含了数控系统的选用。设计的目标是使磨床具有较高的加工精度，能适应各种平面加工，能加工各种材料。为了能满足这些设计要求，需要对砂轮主轴进行细致的设计计算与校核，并且在垂直进给机构中选择了伺服电机加滚珠丝杠副来保证垂直进给的精度能够达到要求。采用这些措施，能够使设计出
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