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大平面磨齿机修形器的机械结构设计,平面,机修,机械,结构设计
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本科毕业设计(论文)题目：大平面磨齿机修形器的机械结构设计 数控砂轮修形系统修形器的设计摘 要Y7125磨床主要用于剃齿刀和插齿刀的磨削，由于砂轮的磨损，需要定期对砂轮进行修整。本课题的意义在于设计出数控砂轮修形器，以取代传统的靠模修行装置，来完成砂轮的数控修整。本课题研究的主要内容为：根据Y7125磨床的工作及产生中凹的原理和传统的靠模机构工作机理，对Y7125磨齿机进行了数控改造，完成对砂轮的正确修形。本文提出了两种不同方案，对两种不同机械结构作了分析、比较，选用一种结构简单，制造精度高的修整装置。该装置通过控制电机带动丝杠，利用丝杠的传动带动托板完成两轴联动。完成对机械整体结构的设计并对主要结构进行了误差来源分析。关键词：Y7125磨床；砂轮修形器；误差分析；机械结构设计I CNC Wheel Dressing System Modification DesignAbstractThe significance of this issue is to design a modification devices are installed in the Y7125 grinder, to tie in with the CNC parts work to complete CNC trimming of the grinding wheel.The main content of the research are: According to the work of grinding and production of Y7125 in the principle of concave, And the old model sector by the mechanism, on Y7125 CNC grinding machine was modified, design a computer-controlled machinery sector, the right to complete the grinding wheel dressing. In this paper, two kinds of different options, on 2 different mechanical structures were analyzed and compared to find a simple structure, manufacture of high precision trimming device. The device uses pulses sent by computer control two motor driven screw, use of the drive screw driven pallet to complete the two-axis movement. Completed the design of the overall structure of the mechanical structure and the main source of the error.Key Words: Y7125 Grinder; Wheel Dressing Device;Error Analysis; Mechanical Structure DesignI 目 录1 绪论11.1选题的目的意义及现状11.1.1数控砂轮磨齿机的目的11.1.2数控砂轮磨齿机的意义11.1.3现磨齿机国内外目前的现状21.2砂轮的修整方法特点及现状31.2.1简单曲线法31.2.2成型修形法31.2.3机械靠模法31.2.4CNC修整法41.2.5CNC修整法的发展概况及现状41.3课题主要研究工作内容52 磨齿修形的原理及机械方案的确定62.1磨齿修形原理及砂轮型面尺寸计算62.1.1 Y7125磨齿机工作原理62.1.2磨齿修形原理和砂轮型面尺寸计算73 数控砂轮修形器部件的选择93.1本课题拟采用的研究方案93.2传动部分选择103.2.1电机驱动装置103.2.2传动类型的选择173.2.3丝杠副与丝杠的参数计算193.2.4传动方式的确定223.2.5支承方式的确定223.2.6丝杠副的润滑233.2.7导轨的选择233.2.8防尘与润滑243.3联轴器的选择253.3.1联轴器类型的选择253.4安装部分设计263.4.1电机的安装26I 3.4.2丝杠的安装274 CNC修形器精度分析28 4.1 CNC修形器精度分析284.1.1 CNC一般廓形控制系统的原理和要求284.1.2 CNC砂轮修形器实际修形精度284.2伺服系统位置精度和分析294.2.1X向位置精度分析294.2.2Z向位置精度分析295 结论30参考文献31致谢33I 主 要 符 号 表U 摩擦系数T 负载转矩 步距角L导程 主切削力 进给力 进给力切削功率 切削速度 进给量 传动效率I 11 绪论1.1选题的目的意义及现状1.1.1数控砂轮磨齿机的目的 Y7125磨齿机在国内应用广泛，在短期内进口一台先进的高档数控磨床在资金方面为各企业也带来了一定的困扰。因此在原有的Y7125磨齿机的基础上对该磨床进行数控化改造成为了当务之急。用较低的成本来达到较高磨齿精度和生产效率，这样就可以为企业降低成本，提高利润，满足企业的生产需要。 修形齿轮刀具的关键在于砂轮的修形系统，砂轮修整精度的高低是影响工件表面质量和精度的关键因素。大平面砂轮型磨齿机Y7125是我国齿轮加工的重要设备，主要用来磨削剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具和标准齿轮。但由于其修形系统采用的是机械式靠模修整装置, 砂轮的形状由靠模来决定。砂轮的修形精度与靠模的制造精度、安装精度及操作者技术熟练程度有关。当刀具齿形有微小的变化时，相应的，砂轮的截形也随之而变，这就需要重新制造靠模板。因而，这种修形方法的效率是很低的，且不具有通用性。1.1.2数控砂轮磨齿机的意义 数控砂轮修形器，用于Y7125磨齿机上，以代替原来机床上使用的机械式砂轮修整器可适应磨削修形剃齿刀、修形插齿刀以及齿轮的给定齿形。该系统包括两大部分：砂轮修整器机械部分和驱动系统；数控系统这部分由工业控制机控制，它包括工控机、显示器和驱动系统。砂轮型面形状由软件控制，这样就可方便的磨出各种形状的修形剃齿刀和插齿刀。生产效率、加工质量都有较大程度的提高。用户通过编写修形曲线数控程序来控制修形器金刚笔修形。砂轮的修形曲线也是靠不断试磨形成的。工人需要根据产品的测量报告反复修改数控程序，不断试磨，才能得到精准的砂轮截形曲线。这就对操作工人的个人技能有了更高的要求。同时每一台数控砂轮修形系统都要配备一台工控机，使得该系统的价格较高，加之该系统放在生产车间中，占地面积较大，砂轮修整环境较恶劣，电磁干扰严重；步进电机的大功率、高电平的信号也会对微机造成干扰。在先进装备制造业飞速发展的今天，传统的普通精度齿轮适应范围越来越窄，高精度的齿轮传动越来越急需。在这种情形下，研究高精度，高速运转，大传动比的齿轮成为当务之急。国内外齿轮加工设备也不断改进，自动化技术、微机控制技术开始广泛使用，各种数控机床纷纷出现。剃齿刀和插齿刀是常用的齿1 轮加工刀具，现在在许多工厂里刀具磨削主要使用的是Y7125大平面砂轮磨床，该磨床上砂轮的修形由操作人员手动为动力的靠模板修形法来完成修形的。在实际使用过程中对靠模板的精度要求较高，而靠模板的加工工艺比较复杂。购买一台国外的全数控磨刀机大约300多万人民币,对于很多中小型企业其价格比较昂贵,所以对现有的Y7125磨床进行数控化改造，可以缩短制造靠模板的周期，提高了加工的效率，成为解决现有加工问题的有效方法，现在设计的数控砂轮修形器，用来取代Y7125磨床上的机械式靠模修形机构。根据我国国情和大多数厂家的需要，设计思想是：技术先进、经济实用、运行可靠、操作方便。现有数控砂轮修形器由机械部分和控制部分两大块组成，它的工作原理是：由编制好的软件控制修形笔即金刚石笔的运动轨迹，对加工对象待修砂轮进行加工，使其形状达到加工要求，这样修形的结果，使得砂轮在磨削刀具后，刀具精度高，间接保证了齿轮的加工精度。在整个数控砂轮修形系统中机械部分的结构设计极为重要，机械结构部分是数控系统程序的执行机构，它性能的好坏直接影响着砂轮修形的精度，而砂轮修形的精度直接影响着齿轮修形的精度。齿轮修形最终通过对砂轮的修形来实现齿轮刀具的修形，砂轮的修形是齿轮修形的基础。 现如今齿轮修形技术是反映一个国家机械制造行业整体水平的重要方面。特别是在关系到国家经济发展的汽车工业和标志着国家高新科技水平的航空航天领域，齿轮的修形技术一直是国家的商业秘密。再一定程度上齿轮的修形技术的研究和发展已成为一个国家齿轮制造行业水平的一个重要标志。本课题的意义在于设计出修形器装置安装在Y7125磨床上,以配合数控部分工作来完成砂轮的数控修整。这样以来，我们就可以把上位机单独放在一个专门的操作间内，工人用它得出修形曲线。把下位机安装在Y7125磨齿机上控制砂轮修形器进行修形。用一台上位机可以完成对多台磨齿机砂轮的修形控制。实现了“一对多”的控制方式。该系统的研制在生产实践方面有着重大的意义。1.1.3现磨齿机国内外目前的现状在世界上对砂轮修形的研究及应用已有50年的历史，特别是在工业发达的西方国家，由于汽车工业和航天技术的高速发展，他们对高速重载低噪音齿轮箱的制造技术投入的科研费用更高，对齿轮的修形更迫切。 在国内，砂轮修形虽然在二十世纪五十年代就已提出，并有应用。但直到七十年代初才开始有比较深入的研究。目前我们虽然已有众多的研究成果及理论，但还没有一套完整的数控砂轮系统设计方法和强度计算方法1。由于理论研究的不完善性，使得砂轮修形在制造工艺上停滞不前，计算机工业兴起后整个机械产业进入了新的时代。数控砂轮修形系统是随计算机工业的发展而产生的。七十年代初期，国外一些学者就开始对微机控制砂轮修形系统进行研究。1973年日本津田展宏在直齿轮磨削中使用了数控修整器圆弧。1979年原西德的M.Week教授介绍了他们与Klingen Lnberg公司共同研制的CNC砂轮修形系统。1994年美国的NORMAC公司推出了性能卓越的FORMA-STER.CNC砂轮修形系统。我国绝大多数齿轮厂家在进行剃齿刀修形、插齿刀修形时仍然采用国产的Y7125齿轮磨床。由于该机床的砂轮修形部分采用机械式靠模机构和休整杆机械补偿金刚笔尖形状和安装误差的补偿，因此修形的柔性较差，重复性低，调整时间长，生产效率低。鉴于此，国内在CNC砂轮修形系统的研究起步要晚一些。1.2砂轮的修整方法特点及现状机械靠模方法是最常用的，但有其自身的缺陷和不足，有待改进。砂轮修形常用的方法有以下四种，各种特点对比如下。1.2.1简单曲线法简单曲线修整法以金刚笔作为修整工具。在导轨、转轴、圆盘等构件引导下，金刚笔沿着直线、圆弧、渐开线等简单的曲线运动。圆弧修整器是常用的一种按照简单曲线法工作的修整器，金刚笔扰转轴以半径r在砂轮轴截面内转动。修整出的砂轮截形是圆弧。通过适当调节转轴的位置（a，b）和圆弧半径r，可用圆弧来逼近其它砂轮截形。金刚笔也可以在空间其它平面内转动，修整出扁圆砂轮截形。由于这时的调节参数增多，可使逼近精度提高。简单曲线法修整结构简单，外形尺寸小。但是，它的调节比较麻烦，而且只能能修整出几种简单的曲线，对于复杂的砂轮会产生较大的逼近误差。1.2.2成型修形法成型修整法修整工具是金刚石滚轮，它与被磨削工件有相同的形状。金刚石直接把砂轮修整成所需要的形状。成型法修整器的结构简单，精度稳定，易实现连续修整，修整效率高。这种修整通用性差，一种金刚石滚轮只能用于磨削相同形状、相同尺寸的工件。金刚石滚轮的精度要求高，成本昂贵。只能适用于大批量生产。1.2.3机械靠模法在靠模机构修整法中，修整工具的运动有靠模控制。四杆机构修整器的四杆机构以一定的缩放比把它反映到砂轮上。靠模机构修整器有多种形式。一般修整器用一块靠模，有的修整器用三块靠模，有的靠模形状比较简单，采用调节靠模位置的方法修整不同的砂轮截形。靠模机构修整器的结构比较简单，可以修整任意砂轮形状。但是制造周期长，调试比较复杂。1.2.4CNC修整法CNC修整法是一种新的修整法。在这种修整法中，金刚笔的运动由软件控制。金刚笔不仅沿着Z轴和X轴移动，还要转动，使得金刚笔在砂轮修整过程中始终与砂轮截形垂直。金刚笔的这两个运动在计算机控制下实行联动。通过编写程序可修整出所需要的砂轮形状。CNC修整法具有很大的柔性，可用于各种形状的磨削，适用于单件、小批量、多品种生产，易实现自动化。而且还可以利用软件方法对磨削误差进行补偿。这种修整方法被认为是砂轮修整技术的一个发展方向。虽然目前这种修整器的价格比较昂贵，但是随着计算机工业的不断发展，基本解决。1.2.5CNC修整法的发展概况及现状CNC修整法是随着计算机工业的发展而产生的。七十年代初期，国外一些学者就开始了对CNC修整法的研究工作。一九七三年，日本的津田展宏在直齿轮磨削中使用了数控圆弧修整器。用一台电机带动拖板移动，用另一台步进电机带动拖板上的金刚笔转动。以变态圆弧逼近渐开线砂轮截形，提高了齿轮磨削精度；一九七九年，西德的M.Weck教授介绍了他们与Klingenlnber公司共同研制的CNC成型砂轮修整系统。金刚笔具有三个运动，两个移动，一个转动。三个运动均用步进电机驱动，所驱研制的修整系统后来用于Klingenlnber公司制造的HSS350CNC螺纹磨床上；日本的相浦正人等人，在特殊齿形滚刀的研制中使用了CNC砂轮修整方法，提高了滚刀的制造精度和齿面光洁度；一九八二年，英国的Diaform公司在美国芝加哥机床博览会上展出了它的CNC修整系统。该修整系统采用直流电机伺服系统，以光栅为反馈元件。金刚笔的运动精度为0.01mm。这种修整系统已作为通用附件进行商品生产；Reishauer公司严重了一种两坐标砂轮修整系统。它利用两根金刚笔分别修整砂轮的两个侧面。机关报安装在十字溜板上，用直流电机进行驱动脉冲传感器作为检测元件。我国在CNC砂轮修形器的研制方面也取得了一定的成果。西安交通大学在1987年研制成功XJD-1型微机控制成型砂轮修整系统，并通过了省级鉴定。该系统的使用精度达到0.01。后来他们经过十几年的研究形成的SX系列数控砂轮修形系统已在国内数十余家齿轮厂获得了广泛的应用。数控砂轮修形系统主要用于国产Y7125磨齿机上，以替代机床上原有的机械靠模砂轮修整器。系统的机械修形部分均采用原机床上修整器的底座安装尺寸, 故安装时不需要对机床作任何改装, 十分方便。修整器系统具有结构简单, 维修方便, 重复定位精度高等优点。秦川机床厂与重庆大学合作开发的数控修整器应用于公司的大平面砂轮磨齿机上，生产出了我国汽车工业急需的可磨径向剃齿刀的数控磨齿机，填补了国内空白。上海机床厂也研制成功了金刚滚轮两坐标砂轮修整系统2004年，洛阳轴承工模具公司成功的研制了一种新型双坐标数控砂轮修整器。该产品由洛阳轴承工模具制造公司和装备研究所共同研制，主要用于轴承磨加工工序对砂轮复杂形面的修整。按照技术要求，该产品的机械和电气部分，分别采用了滚珠丝杠、直线导轨、柔性连轴器和双数控触摸式人机界面电气系统。一次可存储50个不同型号的数据程序，既可满足直线和圆弧形状砂轮端面的修整，又能根据不同要求，精确地对砂轮形面进行复杂的曲线修整。 该产品的成功研制，是洛轴在数控砂轮修整器方面的一次技术性突破，其机械性能、砂轮形面修整的精度和能力，目前在行业内处于领先水平，具有较高的实际应用和推广价值。1.3课题主要研究工作内容根据Y7125磨床的工作及产生中凹的原理，和其靠模机构工作机理，对Y7125磨齿机进行了数控改造，设计出一种由步进电机控制的机械机构，完成对砂轮的正确修形。Y7125磨齿机的磨削模型的建立及磨削齿轮刀具的砂轮截形计算是一个关键及难点，为修形曲线精确化奠定了良好的理论基础，克服了生产中依据经验修形的问题。这也是本课题的创新点和核心所在。36 2 磨齿修形的原理及机械方案的确定 2 磨齿修形的原理及机械方案的确定2.1磨齿修形原理及砂轮型面尺寸计算2.1.1 Y7125磨齿机工作原理该数控砂轮修形器是用于Y7125型大齿面砂轮磨齿机上，该磨齿机主要用于磨削剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具和测量用的标准齿轮的渐开线齿形。Y7125磨齿机砂轮直径为400mm，磨削齿轮规格如下： 齿轮直径20250mm模数18mm 齿轮齿数8120牙螺旋角0145Y7125磨齿机利用齿条和齿轮啮合原理磨削齿轮，砂轮工作端面相当于齿条的一个侧面。磨削时，砂轮位置固定不动，被磨齿轮做展成运动，就磨削出齿轮的正确渐开线齿形。磨削节圆和节线的纯滚动关系是靠一个渐开线凸轮和挡块来实现。其工作原理（如图2.1）图2.1 Y7125磨齿机磨齿原理磨削时，砂轮端面“假想齿条”和齿轮啮合时纯滚动节线是倾斜的。调整工作台，倾斜一个2A角度来实现。磨削节圆和节线的纯滚动，是由齿轮旋转的同时，其中心线沿着和W-W方向平移来实现。渐开线凸轮的基圆半径决定磨削时的节圆半径。被磨齿轮基圆半径为ra时，有如下公式成立： (2.1)式中： 安装角（齿条端面压力角） 被磨削齿轮半径 被磨削齿轮截圆半径 凸 渐开线凸轮基圆半径 倾斜挡块夹角 另外，为斜齿轮的基圆螺旋角。2.1.2磨齿修形原理和砂轮型面尺寸计算利用砂轮修形装置，把砂轮修整成和修形齿轮啮合的齿条形状，就可以磨出各种修形齿轮。砂轮型面尺寸是根据齿轮齿条啮合原理计算出来的。 剃齿刀修形砂轮的型面尺寸计算剃齿加工是应用的比较广的一种齿轮加工方法， 然而正确渐开线齿形的剃齿刀加工出来的齿轮齿形，常常不是正确的渐开线，而是在齿高中部凹进去一点，见图2.2a凹进的部位大约占有效啮合长度的一半，凹进去的大致在0.03mm左右，这就是“中凹”现象。为避免这种现象，就要把剃齿刀齿形中间部位磨的凹进去一些。有时为了改善齿轮传动性能，也要把剃齿刀齿形中间部位磨的凹进去一些，或是，对剃后的齿轮顶部和根部进行修形。加工这样一些齿轮齿形的剃齿刀称为修形剃齿刀。砂轮形状和齿轮齿形形状有许多表示方法，本文选用齿形的测量的曲线表示齿轮齿形，参见图2.2b 纵坐标表示齿廓上曲率半径，起点为渐开线与退刀孔交点，横坐标表示与标准渐开线的偏差值，偏向渐开线为正值，反之为负值。 a b a中凹现象 b修缘和修根图2.2 剃齿加工时可能发生的现象砂轮截面尺寸，采用轴向截形尺寸表示，参见图2.3a 横坐标表示啮合时，齿条齿长，纵坐标表示相对与标准齿条的偏差值，上凸为正，下凸为负，原点表示与齿轮磨削时啮合最低点。剃齿刀修形形状和尺寸确定后，就可以确定砂轮的修形部位和尺寸。砂轮的磨削角为+ ，A点和B点为剃齿刀上修形部位的起点和终点。图2.3b所示位置，A点为啮合点。 a b图2.3 砂轮修形部位和尺寸计算当砂轮移动到虚线位置时，齿轮顺时钟旋转，与齿轮啮合，B点为啮合点。此时有： (2.2)修形长度 (2.3)由式 2.2 得 (2.4)砂轮上修形点的坐标为的坐标为 任意点对应于砂轮型面上C点齿轮顺时钟转过一定角度后，C点和点啮合，当很小时，有： (2.5) (2.6) C点坐标为 插齿刀修形为了改善被插齿轮的齿形，插齿刀有时也要进行修形主要有两种，即倒角插齿刀和剃前插齿刀。3 数控砂轮修形器部件的选择3 数控砂轮修形器部件的选择3.1本课题拟采用的研究方案本数控砂轮修形器是用于Y7125型大平面砂轮磨齿机上，该磨齿机主要用于磨削剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具和测量用的标准齿轮的渐开线齿形。Y7125磨齿机利用齿条和齿轮啮合原理磨削齿轮，砂轮工作端面相当于一个齿面，磨削时砂轮位置固定不动，被磨齿轮做展成运动，就磨削出齿轮的正确渐开线齿形。利用砂轮修行装置把砂轮修形成和修行齿轮啮合的齿条形状，就可以磨出各种修形齿轮。由于要使剃齿刀具齿形中部产生中凹，所以必须对砂轮进行反修形，这就要求修形装置能具备水平运动、斜线运动和圆弧运动。因此必须采用两轴以上的联动机构才能达到所需要求。所以提出以下两种方案：方案01:如图3.1所示，该系统的机械执行机构需要X和Z两个方向的坐标运动，是一个两轴联动的系统。但在实际使用中，所需求的运动轨迹在Z方向上移动量较小，若X、Z均采用平直导轨，则不易实现，且机构的体积较大制造成本较高，所以机械部分采用X轴平动，Z轴则采用摆动代替平动的设计方案。1-Z向电机 2-托板 3-金刚笔头4-X向电机5-丝杠6-砂轮 图3.1 方案1 两轴联动 方案02:如图3.2所示，采用计算机控制驱动两个电机（轴向和径向），再西安工业大学北方信息工程学院（论文）由电机带动机械部分运动，从而完成所需加工轨迹。它的机械运动包括（X向）和（Z向）两个方向的直线运动。根据不同的加工要求两个轴分别由两个不同扭矩的电机来驱动，并且Z向电机是搭在X向电机所控制的拖摆上，即当输入程序控制X向的电机推动拖摆和刀具向前运动时，Z轴电机也随之一起运动，反映在工件表面就是一个平面；当输入程序为X向和Z向电机同时运动时在工件表面就为一个圆弧。在实际运动时可以根据不同的要求通过输入不同的的程序来改变圆弧的长度和深度以满足加工要求。 1-砂轮 2-金刚笔头3-Z向电机 4-丝杠 5-X向电机图3.2 方案2 两轴联动通过对以上两种方案的比较，由于1方案的拖摆结构过大，通过丝杠带动工作可靠性不高。方案2两轴都是通过丝杠传动，布局简单合理，方案经济适用，可靠性高，便于操作。所以最终选用2号方案为最优方案。3.2传动部分选择3.2.1电机驱动装置根据驱动和控制精度的要求,XZ运动控制系统的执行装置可以分别选用交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机。直流伺服电机具有起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制、效率高的优点，但维护困难，使用寿命短，速度受到限制。直流伺服电机的转速控制采用电压控制方式,因为控制电压与电机转速成正比。直流伺服电机的转矩控制采用电流控制方式，因为电机的转矩与控制电流成正比。交流伺服电机具有高速、高加速度、无电刷、维护环境要求低等优点，但驱动电路复杂、价格高。交流伺服电机的控制分为电压控制和频率控制两种方式。异步电机通常采用电压控制方式。步进电机不需要传感器，不需要反馈，用于实现开环控制；步进电机可以直接用数字信号进行控制，与计算机的接口实现连接比较容易；没有电刷、维护方便、寿命长、启动、停止、正转、反转容易控制。步进电机的缺点是能量转换效率低，易失步（输入脉冲而电机不转动）等。对步进电机的控制包括单相励磁、双相励磁及单双相励磁控制。其中，单相励磁精度高，但易失步；双相励磁输出转矩大、转子过冲小，为步进电机的常用控制方式，但效率低；单双相励磁控制方式分辨率高、运转平稳。 综合以上各种电机的特点，再满足机械装置性能的要求下，遵从结构简单、性能稳定、经济实惠的原则，我们选定采用步进电机。确定步进电动机的型号选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩大的电机，负载力矩大。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。X向电机选择: 设计机床需具备的各项参数如下：各拖板重量w=400N滚动导轨摩擦系数U=0.003最大走刀抗力FZ（与运动方向相反）=200N最大主切削力FX（与导轨垂直）=250N拖板进给速度=180mm/min磨刀空行程速度=200mm/min丝杆导程L=1mm丝杆节圆直径d0=8mm丝杆总长L=200mm定位精度0.01mm传动比i=1脉冲当量的选择：脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离。初选步进电动机的步距角1.5/ 3 ，当三相六拍运行时，步距角=1.5 其每转的脉冲数S=240 p/r=0.004mm (3.1)等效负载转矩的计算：空载时的摩擦转矩TLF = = =2.1210-4 Nm (3.2) 磨削削加工时的负载转矩TLTL = (3.3) = =0.036Nmu-摩擦系数W-拖板重量L-导程i-传动比FZ-最走刀抗力Fx -最大切削力-滚动丝杆传动效率，取0.9等效转动惯量计算：丝杆的转动惯量=Kgm2 (3.4) 换算到电动机轴上的总转动惯量 (3.5)= =4.45510-6 Kgm2初选步进电动机型号根据磨削时负载转距TL=0.036Nm和电动机总转动惯量JL=4.45510-6 kgm2,初步选定电动型号为55BF003步进电动机。该电动机的最大静扭距=0.67Nm，转子转动惯量=3.610-6kgm2为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度应为： 及 (3.6) (3.7) (3.8)空载时起动时间计算（）:55BF003步进电动机的最小加、减速度时间为1s带惯性负载的最大起动频率的计算: (3.9)电动机空载起动频率,55BF003空载起动频率是1800Hz带惯性负载的最大转速r/min (3.10) 带惯性负载起动力矩如下图3.3 图3.3 电动机起动矩频率特性曲线 =0.2Nm负载时起动时间ta= (3.11)该电机带惯性负载时能够起动速度验算:空行程快速移动速度的验算从电动机的运行矩-频率特性曲线查得=1800Hz时，电动机转矩0.18NmTLF =2.210-4Nm（空载时的摩擦转矩） (3.12)工作行程速度计算：当TL=0.036Nm时，电动机对应频率f3000Hz (3.13)以上计算，选该型号步进电动机，无论是起动性能，还是空行程快速进给，还是工作行进给速度都能满足设计要求。Z向电机的选择：脉冲当量的选择各参数：拖板重量w=200N拖板与导轨贴塑板间摩擦系数U=0.06最大走刀抗力(与运动方向相反）=300N最大主切削力Fx（与导轨垂直）=200N拖板进给速度=10500mm/min磨刀空行程速度=200mm/min丝杆导程L=1mm丝杆节圆直径d0=6mm丝杆总长L=72mm定位精度0.01mm传动比i=1脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离初选之相步进电动机的步距角1.5 /3.0 ，当三相三拍运行时，步距角=1.5 其每转的脉冲数S=480 p/r (3.14)= = 0.004mm (3.15)等效负载转矩的计算：空载时的摩擦转矩 TLF = =0.0024Nm (3.16)磨削加工时的负载转矩 TL = = =0.064N.m (3.17)u- 摩擦系数w-拖板重量L-导程i-传动比Fz-最走刀抗力Fy -最大切削力-滚动丝杆传动效率等效转动惯量计算：丝杆的转动惯量=Kgm2 (3.18) 拖板的运动惯量Jw=kgm2 (3.19)换算到电动机轴上的总转动惯量 = =6.8Kgm2 (3.20)初选步进电动机型号:根据磨削时负载转距TL=0.064Nm和电动机总转动惯量JL=6.8Kgm2,初步选定电动型号为55BF003步进电动机。该电动机的最大静扭距=0.67Nm，转子转动惯量=3.610-6kgm2为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度应为： 及 (3.21) (3.22) (3.23)空载时起动时间计算（）:75BF003步进电动机的最小加、减速度时间为1s带惯性负载的最大起动频率的计算 (3.24)电动机空载起动频率,55BF003空载起动频率是1800Hz带惯性负载的最大转速 (3.25) 带惯性负载起动力矩电动机起动矩-频率特性曲线如下图3.4 图3.4 负载时起动时间 =(3.26)该电机带惯性负载时能够起动速度验算:空行程快速移动速度的验算:从电动机的运行矩-频率特性曲线查得=1800Hz时，电动机转矩0.18NmTLF =0.0024Nm（空载时的摩擦转矩） (3.27)工作行程速度计算当TL=0.064Nm时，电动机对应频率f2000Hz (3.28)以上计算，选该型号步进电动机，无论是起动性能，还是空行程快速进给，还是工作行进给速度都能满足设计要求。电机的安装也很重要，转动惯量大的负载应选择大机座号电机。电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。电机如果未固定好，造成强烈共振，也会导致步进电机失步，启动频率不应太高，应在启动程序中设置加速过程，即从规定的启动频率开始，加速到设定频率，否则就可能不稳定，甚至处于惰态电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼来解决。这里通过螺钉将电机固定在基座上。3.2.2传动类型的选择传动类型的确定是本课题的核心部分，传动类型不仅直接影响到工作部件的运动精度，而且对机械机构的也会产生相应的影响。根据所学知识可知，在选择机械传动类型时，可参考以下原则： 修形器与原动机和工作机必须匹配。三者应在机械传动特性上相互协调，使机器在最佳状态下运转。满足功率和速度的范围要求，考虑传动比的准确性及合理范围，考虑结构布置和外廓尺寸的要求，满足质量，经济性因素等。传动装置的费用包括初始费用（即制造和安装费用）、运行费用和维修费用。初始费用主要决定于价格，它是选择传动类型时必须要考虑的经济因素。运行费用则与传动效率密切相关，特别是大功率以及需要长期连续运转的传动，由于对能源消耗产生的运行费用影响较大，应优先选用效率较高的传动。 在选择传动类型时，同时满足以上各原则往往比较困难，有时甚至相互矛盾和制约，因此在选择传动类型时，应对机器的各项要求综合考虑，以选择较合理传动型式。 常用机械传动系统的主要类型和特点：机械传动的作用是传递运动和力，常用机械传动系统的类型有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、带传动、链传动、轮系、丝杠传动等。 (1) 齿轮传动：齿轮传动是依靠主动齿轮依次拨动从动齿轮来实现的，其基本要求之一是其瞬时角速度之比必须保持不变。其特点有：齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。 (2) 蜗轮蜗杆传动：蜗轮蜗杆传动是用于传递空间互相垂直而不相交的两轴间的运动和动力。 (3) 带传动：带传动是通过中间挠性件（带）传递运动和动力。带传动主要用于两轴平行而且回转方向相同的场合，这种传动称为开口传动。 (4) 链传动：传动是由装在平行轴上的主、从动链轮和绕在/考 试大/链轮上的环形链条所组成，以链条作中间挠性件，靠链条与链轮轮齿的啮合来传递运动和动力。 (5) 螺旋传动：螺旋传递机构又称丝杠螺母副机构，主要是将旋转运动通过螺母转变为直线运动或将直线运动变换为螺旋运动。丝杠传动，钢性较好，可以传递较大扭力，位置准确，频繁换向时容易产生冲击振动。 丝杠与电机连接时中间必须加装联轴器以达到柔性连接。同步带则可以直接选用联轴器对同步轮与电机出力轴进行刚性连接。丝螺母间因无间隙，直线运动时精度较高，尤其在频繁换向时无需间隙补偿。丝杠螺母间摩擦力很小，转动时非常轻松。综上分析，根据满足性能要求、运行平稳安全、经济实用等方面要求，选用丝杠传动。在本方案中，选择丝杠传动的优势还在于，在尽可能简单的机械结构条件下，满足工作部件所要完成的运动轨迹，并能保证传动精度。同时可以充分的缩小整个装置的体积，减轻装置的质量，便于安装。丝杠传动根据传动类型的不同，可分为两大类：滚珠丝杠传动和滑动丝杠传动。由于本设计并不要求高的传动效率，而且考虑到降低成本。因此，选用滑动丝杠螺母副为传动部件。3.2.3丝杠副与丝杠的参数计算 按照滑动丝杠副的额定静载荷和额定动载荷及传动比的要求，来确定所需要的滑动丝杠副的公称直径和基本导程，再参照所选取的标准，确定所选的型号。在设计过程中，由于阅读了大量有关THK的资料，所以在选型时参照THK的企业内部标准。 (1) 丝杠副的计算载荷式中：载荷系数，按表3.1选取硬度系数，按表3.2选取精度系数，按表3.3选取 平均工作载荷 N。表3.1 载荷系数载荷系数无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转1.52.5表3.2 硬度系数实际硬度（HRC）58555045401.01.111.562.43.85 表3.3 精度系数精度系数C, DE, FGH1.03 (2) 计算额定动载荷 (3) 根据在滑动丝杠系列中选择所需要的规格，并使所选规格的丝杠副的额定动载荷。 (4) 验算传动效率、刚度及工作稳定性，如不满足要求，则应另选其他型号并重新验算。则有如下计算结果： (1) 求计算载荷N （3.31）其中系数由表3.1，3.2，3.3查得。 (2) 根据寿命条件计算额定动载荷 N （3.32） 根据必需的额定动载荷选择丝杆副尺寸，由于需要满足，查表选取丝杠。 (3) 稳定性验算 用压杆稳定性来求临界载荷，既有： （3.33）式中： E为丝杠的弹性模量，对于钢, 丝杠危险截面的轴惯性矩， （3.34） 长度系数，采用铰链时，因为 所以临界载荷系数为： （3.35） 故稳定系数为： （3.36） (4) 验证临界转速高速运转时，需要算起是否会发生共振的最高转速，要求丝杠最高转速。临界转速可按下面公式计算： （3.37） 由于，所以不会发生共振。 (5) 刚度验算滑动丝杠在工作负载F和转矩T共同作用下所引起的每个导程的变形量为： （3.38） 式中： A丝杠的横截面，A= ，；丝杠的极惯性矩， ,； G钢的剪切弹性模量，对于钢，G=83.3；T转矩，Nm。因为 （3.39）式中为摩擦角，这里取，即，则有：（3.40）按最不利情况计算，即取 ，则： (3.41)丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： （3.42）通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的，即： m （3.43）可知该丝杠的导程误差满足上式，所以其刚度可满足要求。 (6) 效率验算滑动丝杠副的传动效率为： （3.44）因为要求在90%95%之间，所以该丝杠副能满足使用要求。综上计算验证，预选MDK1202-3型丝杠副的各项性能指标均符合题目要求，故可选用该规格的丝杠副。3.2.4传动方式的确定根据丝杠和螺母的相对运动的组合情况，其基本传动形式有一下4种类。 (1) 螺母固定、丝杠转动并移动，该传动形式因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不宜太长，否则刚性较差。因此只适用于行程较小的场合。 (2) 丝杠转动、螺母移动，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑，丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。 (3) 螺母转动、丝杠移动，该传动形式需要限制螺母移动和丝杠的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。 (4) 丝杠固定、螺母转动并移动，该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下使用极不方便，故很少应用。 根据本方案的结构要求，选用类型(2)，即丝杠转动、螺母移动的传动类型。这种传动类型，只要加上导向器，满足工作滑块单向直线进给的工作要求。而在本方案中，滑动丝杠螺母副将固定在工作托台上，只对工作托台起传动作用。托台的支撑将由滑动导轨来完成。3.2.5支承方式的确定由于本系统X向与Z向所用丝杠均属于短丝杠，故采用传动端直接用联轴器与电机轴固定，简支端支撑采用GB276-82型深沟球轴承，只承受丝杠的重力。3.2.6丝杠副的润滑 丝杠副的润滑，润滑剂可提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全损耗系统用油：润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。每半年对丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂。用润滑油润滑的丝杠副，可在每次机床工作前加油一次。3.2.7导轨的选择滑动导轨的特点滑动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的直线滚动导轨而言，它有以下几方面的优点： （1） 定位精度高 导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。 （2） 降低机床造价并大幅度节约电力 采用滑动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。 （3） 可提高机床的运动速度 滑动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率2030%。 （4） 可长期维持机床的高精度 对于直线滚动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使滑动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。 因为滑动导轨的摩擦系数小、动、静摩擦系数很接近。因此，运动轻便灵活；运动所需功率小，摩擦发热少，磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好，一般没有爬行现象，移动精度和定位精度较高。所以，根据本次设计需要选择滑动导轨。选择日本THK公司的滑动导轨，型号：2 SRS15M+170L H-II3.2.8防尘与润滑 如果粉尘及其他异物进入直线运动系统,将导致异常磨损,并缩短使用寿命,因而必须防止异物侵入内部。所以,预想可能会有粉尘及其他异物进入时,就有必要选择满足使用环境条件的密封装置或防尘装置。丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入。机器表面加入防尘毛毡和皮老虎压板等。如果丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时将防护罩的一端连接在螺母的侧面，另一端固定在丝杠的支承座上。如果丝杆副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。 要注意工作环境与装配过程中的清洁，不能有铁屑、杂质、灰尘等粘附在导轨副上。若工作环境有粉尘时，除利用导轨的密封外，还应增加防尘装置。润滑的主要目的是减小磨擦和磨损以防止过热，破坏其内部结构，影响导轨副的运动功能。良好的润滑有利于滚动直线导轨的性能发挥，并延长使用寿命。为了保证润滑正常，要定期校验自动程序执行情况和润滑点通畅情况，在加油时必须保证油脂和加油工具的清洁。 当使用直线运动系统时,必须提供良好的润滑。如果无润滑状态下使用,滚动部分就会更快地磨损,因而其使用寿命会缩短。 润滑剂具有如下功效 （1） 降低各运动部件之间的摩擦,从而可防止烧伤及减少磨损。 （2） 在滚动面上形成油膜以减少作用于表面的应力，并延长滚动疲劳寿命。 （3） 将油膜覆盖于金属表面以防止生锈。此外,即使是带有密封垫片的LM滚动导轨,其内部的润滑剂也会在运行中逐渐渗漏出去。 因此需要根据使用条件,以适当的时间间隔来补给油脂。3.3联轴器的选择3.3.1联轴器类型的选择 (1) 联轴器联接两轴相对位移的大小。安装调整后难以保证两轴精确对中或者工作过程中有较大位移量的两轴联接，要选用带弹性元件的弹性联轴器。 电机与丝杠的连接需要联轴器的连接，考虑到电机转速不高，载荷平稳，扭矩小，且机械结构简单，我们选用圆锥销套筒联轴器，结构如图1所示。套筒联轴器是用一个整体套筒以键、花键、锥销或过盈配合实现两轴连接，所连接的俩轴的直径可以相同，也可以不同。套筒式联轴器最大工作转速一般不超过为250r/min。套筒联轴器不具备轴向、径向和角向补偿性能，适用于低速、轻载、无冲击载荷，工作平衡和上尺寸轴的联接。具有径向尺寸小、结构简单、成本低等优点。为了保证连接具有一定的对中精度和便于套筒的拆装，套筒与轴通常可采用H7/k6配合。 图3.5 圆柱销套筒联轴器 电机轴端直径为，X轴向丝杠端直径为，Y轴丝杠端直径也同样为。故俩轴向联轴器选用同样的尺寸。查机械传动装置设计手册表16-9知，联轴器各参数如下： 轴孔直径 圆锥销尺寸 许用转矩为 质量0.02kg 圆锥销连接的强度条件 式中联轴器的计算转矩圆柱销的平均直径套筒的内径销的许用切用力，可取 联轴器的计算转矩为=0.03，计算得出，故设计的联轴器符合强度。3.4安装部分设计3.4.1电机的安装如下图3.6图3.7安装部分的设计主要采用螺栓或螺钉的安装方式，将电机与托板、基板通过电机安装板连接，用螺栓或螺钉固定。电机安装板是一面开有六个M3的螺纹孔，电机与电机安装板通过6个M3的螺钉进行固定，使电机和电机安装板固定在一起。电机安装板的另一面开有4个M6的螺纹孔，将电机和电机安装板一起通过4个M6的螺钉一起固定在托板和基座上。 图3.6 X方向电机安装 图3.7 Z方向电机安装3.4.2丝杠的安装 本系统X向与Z向所用丝杠均属于短丝杠，故采用传动端直接用联轴器与电机轴固定，简支端支撑采用GB276-82型深沟球轴承，只承受丝杠的重力。 4 CNC 修形器精度分析4 CNC修形器精度分析4.1 CNC修形器精度分析4.1.1 CNC一般廓形控制系统的原理和要求廓形控制又称连续轨迹控制，或称连续切削控制。廓形控制系统具备控制刀具相对工件以给定速度沿指定路径运动功能，切削零件轮廓。具有这种控制功能的数控机床可以用来加工各种形状的零件。Y7125数控砂轮修形系统就属于该种数控该系统。廓形控制系统中，各个坐标轴运动是分别控制的，切削发生在坐标轴运动期间，轴向速度的任何偏差都会引起零件的形状误差。每个轴的速度都需要精确控制，因而比点位/直线控制系统要复杂得多。目前，一般用直线插补和圆弧插补方法来控制各个轴的联动，是工件（或刀具）走出规定的轨迹来。除了曲线拟合误差和插补误差影响廓形精度外，更重要的是伺服系统的精度和动态特性的影响。廓形控制，除了要求较高的系统定位精度外，系统必须具有较好的快速性，平稳性，抗振性，以便系统具有较强的轨迹跟随能力，保证切削过程中每一点的精度和粗糙度。日本JIS标准，采用极差的传统检验方法，重复定位精度采用最大最小读数差值表示，定位精度只测量一次，用基准长度内的最大偏差表示，定位精度不包括重复定位精度。该方法未采用数理统计分散毒的方法，可靠性差。但该方法简单易行，用于分表，量块等仪器就能进行检验，并且，我国七十年中期开始接触数控机床，引进和吸引的数控机床都是日本生产的，因而JIS标准在我国应用普遍，国内检验条件一般的厂家乐于采用JIS标准。数控机床及机床数控附件，其定位精度表明运动部件实际移动位置和和指令位置的一致性，偏差和分散度越小，定位精度越高。检验应在全行程范围内进行，各运动方向分别进行。检验结果应标明采用的标准，以便交流。这是位置精度的检验项目和原则。4.1.2 CNC砂轮修形器实际修形精度本微机控制系统采用步进电机开环控制砂轮修整，伺服系统的位置精度和动态特性对砂轮修形精度影响最大。磨削修形剃齿刀的砂轮截形一般是直线和圆弧。实际修整砂时，需多次修整，故对系统的原点定位精度要求严格。表明原点定位存在误差时，即使系统各点定位准确，也会形成廓形误差，甚至使修整失效。为此，本系统采用高精度的光纤传感器作为原点定位元件，其定位误差在以内。定位精度对砂轮修形精度影响。磨削修形剃齿刀的砂轮修整时，X方向的定位精度影响最大的是砂轮凸起部分的位置和凸起部分的形状。由于磨削剃齿刀时需要调整砂轮轴向位置。因此要求砂轮凸起部位形状准确，特别是砂轮的凸起高度尺寸要保证。在一次安装调整后，至少经过粗修和精修两道工序修整砂轮，X和Z向的重复定位精度更显重要，否则，由于精度差，两次修整时误差大，就不成所需形状。4.2伺服系统位置精度和分析4.2.1X向位置精度分析修整器X向行程为28mm，修整时，X向只单向进给。本文检测了三个点的定位精度和重复定位的精度，这三个点在行程前，中，后范围内。方法是，利用检测系统，编程使X轴正向进给指定值，Z轴不动，同时利用光栅来确定实际移动量，即光栅数显仪读书作为实际移动量，结束后，再反向进给同样指令值，并记录相应读数，重复进行7次。可求出指令值与实际移动距离的偏差和分散范围，并作为定位精度的指标，三组数据中最大值作为本系统的定位精度。分散范围即为重复定位精度。这种方法，与工厂一致。定位精度的评定方法比JIS的一次测量方法更合理，重复定位精度采用JIS规定的方法。4.2.2Z向位置精度分析Z方向运动控制砂轮修形深度，由于剃齿刀修形深度不大于0.03mm，插齿刀修形深度不大于2mm，所以Z方向进给属于微量进给。在修形过程中，Z方向运动又是改变方向，因此反向间隙是比较重要的因素， 不过对于Z方向位置精度也可用上面的方法进行检测。5 结 论5 结论在本次毕业设计中，我完成了CNC数控砂轮修整系统机械本体的设计及误差的分析。在此之前我对机械的设计还是一个模糊的概念。经过本学期的设计，使我对机械设计有了比较完整的认识，学到了很多关于机械设计方面的知识。首先，通过对Y7125磨床修整原理的认识和理解，在原有的机械式靠模修整装置的基础上
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