精密數(shù)控磨床的總體設(shè)計(jì)

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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 精密數(shù)控磨床的總體設(shè)計(jì) 摘　　要 本課題是集機(jī)，電，液一體化的高科技項(xiàng)目，所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是主軸箱上兩個(gè)同軸軸承孔的超精密加工。此磨床的加工方式采用切入式磨削方式，工件安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，隨工作臺(tái)回轉(zhuǎn)，同時(shí)砂輪回轉(zhuǎn)，砂輪的徑向進(jìn)給靠回轉(zhuǎn)工作臺(tái)沿X方向位移實(shí)現(xiàn)，上面的軸承孔及上端面加工好后，用同一砂輪加工下面的軸承孔及下端面，工件一次安裝，以保證精度?？傮w布局為立式磨床，主要分為磨頭部分、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、床身、垂直立柱、拖板以及測(cè)量機(jī)構(gòu)。總體傳動(dòng)方案為：由外置步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪，然后通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)滾珠絲杠，整個(gè)磨頭裝置通過(guò)滾珠絲杠進(jìn)行Z軸方向上的移動(dòng)，

2、磨頭的旋轉(zhuǎn)則通過(guò)另一個(gè)外置電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)則通過(guò)外置電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輪，由皮帶輪的傳動(dòng)來(lái)使回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，拖板的驅(qū)動(dòng)則由步進(jìn)電機(jī)控制。同時(shí)，磨床的設(shè)計(jì)中運(yùn)用了數(shù)控技術(shù)，現(xiàn)代測(cè)試手段，微量進(jìn)給軟件補(bǔ)償技術(shù)，從而使精密機(jī)械設(shè)計(jì)達(dá)到所要求的精度。 關(guān)鍵字：加工精度，設(shè)計(jì)方案，分配，參數(shù) General Design of Precise Numerical Control Grinding Machine Abstract This topic is to gather the machine, electricity, the high-tec

3、h item that the liquid integral whole turn, the key problem for to solve is the principal axis box is previous two to process with the super nicety of the stalk bearings bore. This grinding machine processes the way adoption correspond type to whet to pare the way, the work piece install at turn rou

4、nd the work on the stage, turn round with the work pedestal, the emery wheel turns round at the same time, the path of the emery wheel to enter to depend turn round the work pedestal to follow the X direction moves the realization, top of bearings bore and top end face process good after, process wi

5、th same emery wheel underneath of bearings bore and under carry the noodles, the work piece install once, with guarantee the accuracy. Total layout for the sign type grinding machine, mainly is divided in to whet the head cent and turn round the work set, bed body, perpendicularity to sign the pilla

6、r and drag along the plank and measure the organization. Total spread to move project is: From outside place to tread into the electrical engineering to drive the wheel gear, then spread to move to arouse to roll the bead silk through a wheel gear, whole whet a device to pass to roll the bead silk t

7、o carry on the Z stalk the square heading up of ambulation, whet the head to revolve to then pass another outside place the electrical engineering to drive, turn round the work pedestal to drive then through an outside place the electrical engineering to drive the leather belt round, from the leathe

8、r belt round spread to move to make the turn-over work pedestal revolve, drag along the knothole to drive then from tread into the electrical engineering to control. At the same time, made use of number to control the technique in the design of the grinding machine, modern test means, enter to compe

9、nsate technique for software little by little, thus make precise machine the design attains the accuracy request. Key Words: Accuracy of Process，Project Design，Allotment，Parameter 精密數(shù)控磨床的總體設(shè)計(jì) 0 引言 回顧即將過(guò)去的20世紀(jì)，人類取得的每一項(xiàng)重大科技成果，無(wú)不與制造技術(shù)，尤其與超精密加工技術(shù)密切相關(guān)。在某種意義上，超精密加工擔(dān)負(fù)著支持最

10、新科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的重要使命。超精密加工技術(shù)在航天運(yùn)載工具、武器研制、衛(wèi)星研制中有著極其重要的作用。有人對(duì)海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中美國(guó)及盟國(guó)武器系統(tǒng)與超精密加工技術(shù)的關(guān)系做了研究，發(fā)現(xiàn)其中在間諜衛(wèi)星、超視距空對(duì)空攻擊能力、精確制導(dǎo)的對(duì)地攻擊能力、夜戰(zhàn)能力和電子對(duì)抗技術(shù)方面，與超精密加工技術(shù)有密切的關(guān)系。可以說(shuō)，沒(méi)有高水平的超精密加工技術(shù)，就不會(huì)有真正強(qiáng)大的國(guó)防。 超精密磨床要求其數(shù)控系統(tǒng)具有高編程分辨率（1nm）和快速插補(bǔ)功能（插補(bǔ)周期0.1ms）?；赑C機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）的主從式硬件結(jié)構(gòu)是超精密數(shù)控的潮流，如美國(guó)的NAN OPATH和PRECITECH'S ULTRAPATH TM都采用了這

11、一結(jié)構(gòu)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件運(yùn)動(dòng)控制模塊（PM AC）開(kāi)發(fā)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，使此類數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和可重構(gòu)性得到提高。我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的YH－1型數(shù)控系統(tǒng)采用ASW－824工業(yè)一體化PC工作站為主機(jī)，用ADSP2181信號(hào)處理器模塊構(gòu)成高速下位伺服控制器。 模塊化、構(gòu)件化是超精密磨床進(jìn)入市場(chǎng)的重要技術(shù)手段，如美國(guó)ANORAD公司生產(chǎn)各種主軸、導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺(tái)，用戶可根據(jù)各自的需要組成一維、兩維和多維超精密運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)和磨床。研制超精密磨床時(shí)，布局就顯得非常關(guān)鍵。超精密磨床往往與傳統(tǒng)磨床在結(jié)構(gòu)布局上有很大差別，流行的布局方式是“T”型布局，這種布局使磨床整體剛度較高，控制也相對(duì)容易，如Pneumo公

12、司生產(chǎn)的大部分超精密磨床都采用這一布局。模塊化使磨床布局更加靈活多變，如日本超硅晶體研究株式會(huì)社研制的超精密磨床，用于磨削超大硅晶片,采用三角菱形五面體結(jié)構(gòu)，用于提高剛度；德國(guó)蔡司公司研制了4軸精密磨床AS100，用于加工自由形式表面，該磨床除了X、Z和C軸外，附加了A軸，用于加工自由表面時(shí)控制砂輪的磨削點(diǎn)。此外，一些超精密加工磨床是針對(duì)特殊零件而設(shè)計(jì)的，如大型高精度天文望遠(yuǎn)鏡采用應(yīng)力變形盤(pán)加工，一些非球面鏡的研拋加工采用計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)（CCOS）加工，這些磨床都具有和通用磨床完全不同的結(jié)構(gòu)。由此可見(jiàn)，超精密磨床的結(jié)構(gòu)有其鮮明的個(gè)性，需要特殊的設(shè)計(jì)考慮和設(shè)計(jì)手段。 為保證超精密磨

13、床有足夠的定位精度和跟蹤精度，數(shù)控系統(tǒng)必須采用全閉環(huán)結(jié)構(gòu)，高精度運(yùn)動(dòng)檢測(cè)是進(jìn)行全閉環(huán)控制的必要條件。雙頻激光干涉儀具有高分辨率（如ZYGO AX10MTM 2/20分辨率為1.25nm）與高穩(wěn)定性，測(cè)量范圍大，適合作磨床運(yùn)動(dòng)線位移傳感器使用。但是雙頻激光干涉儀對(duì)環(huán)境要求過(guò)于苛刻，使用和調(diào)整非常困難，使用不當(dāng)會(huì)大大降低精度。根據(jù)我們的使用經(jīng)驗(yàn)，德國(guó)Heidenhain公司生產(chǎn)的光柵尺更適合超精密磨床運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，如該公司LI P401,材料長(zhǎng)度220mm，分辨率為2nm，采用Zerodur材料制成幾乎達(dá)到零膨脹系數(shù)（0.1ppm/k），動(dòng)靜尺間隙為0.6±0.1mm，對(duì)環(huán)境要求低，安裝和使用方便，如

14、Nanoform2500和Opt imum2400超精密磨床都使用了Heidenhain光柵尺。 在數(shù)控軟件方面，開(kāi)放性是一個(gè)發(fā)展方向。國(guó)外有關(guān)開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)的研究有歐共體的OS ACA、美國(guó)的OMAC和日本的OSEC。我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)在此基礎(chǔ)上提出了構(gòu)件化多自由度運(yùn)動(dòng)控制軟件，可根據(jù)磨床成形系統(tǒng)的布局任意組裝軟件，符合磨床模塊化發(fā)展的方向。 1 總體概述 超精密加工機(jī)床設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵與核心問(wèn)題是保證超精密加工工藝和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，超精密加工機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造的基本原則和要求是：消除或減少機(jī)床上的熱源和振源；提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度和幾何精度；減少機(jī)床的變形（含溫度變形和力變形）對(duì)機(jī)床加

15、工精度的影響等。為了實(shí)現(xiàn)這些基本原則和要求，超精密加工機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常采取的一些原則措施有： （1）首先是盡量不用或少用摩擦發(fā)熱量大的傳動(dòng)裝置（如機(jī)械無(wú)級(jí)調(diào)速器），并把工作過(guò)程中發(fā)熱量大的熱源（如電機(jī)、冷卻潤(rùn)滑油箱等）與機(jī)床本體結(jié)構(gòu)分離或隔熱，以避免熱量傳入機(jī)床本體引起機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱變形。 選用熱脹系數(shù)α和導(dǎo)熱系數(shù)λ值低的材料作機(jī)床的重要零部件材料。與此同時(shí)也要盡量采用熱物理特性相同或相近的材料來(lái)制造機(jī)床的構(gòu)件和零部件。 零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力求熱對(duì)稱，而且應(yīng)考慮采取強(qiáng)迫的風(fēng)冷或液體冷卻并預(yù)留相應(yīng)的冷卻液循環(huán)流動(dòng)通道。當(dāng)冷卻的尺寸范圍在200mm～1500mm時(shí)，風(fēng)的流量應(yīng)為（3～10）m3/

16、s或液體的通量為（1～10）L/s，從而可分別保持溫度波動(dòng)為±0.05°C和±0.02°C。對(duì)個(gè)別強(qiáng)熱源處（如主軸軸承）所產(chǎn)生的熱量，必要時(shí)可采用專門(mén)的熱管帶走。 （2）超精密加工機(jī)床不僅要考慮安裝和工作在恒溫室里，而且在極高精度要求的情況下，還應(yīng)考慮控制機(jī)床工作在溫度±0.01°C的油淋浴的恒溫箱中，因此，機(jī)床的工作過(guò)程必須是完全自動(dòng)或遙控的。 （3）為了避免振動(dòng)影響加工精度，除了機(jī)床必須安裝在由空氣支承、彈簧支承或其他有效的隔振器支承的地基上外，機(jī)床上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件也要嚴(yán)格進(jìn)行動(dòng)平衡，殘馀不平衡量應(yīng)小于0.5～1g.mm。與此同時(shí)，為了消除和減少機(jī)床本身內(nèi)部振源，要盡量采用運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的傳

17、動(dòng)系統(tǒng)，如非接觸的氣動(dòng)和液體傳動(dòng)，禁止或避免采用帶有沖擊力的傳動(dòng)，如有間隙的換向機(jī)構(gòu)等。 通過(guò)振源振動(dòng)頻率的調(diào)整（如改變轉(zhuǎn)速）或通過(guò)對(duì)機(jī)床工藝系統(tǒng)的質(zhì)量（m）和彈簧剛度（k）等動(dòng)力參數(shù)的選擇使振源的振動(dòng)頻率與機(jī)床工藝系統(tǒng)的固有頻率相互遠(yuǎn)離，避開(kāi)共振區(qū)，減少振動(dòng)對(duì)機(jī)床工作的影響。 選用具有高內(nèi)阻尼系數(shù)的材料，如天然大理石、人造大理石、陶瓷等或采用不清砂的雙層壁鑄鐵件作為機(jī)床的結(jié)構(gòu)件，以保證高度衰減內(nèi)部產(chǎn)生和外部傳來(lái)的振動(dòng)，因?yàn)檎駝?dòng)衰減的效果正比于阻尼系數(shù)（即衰減指數(shù)）。正常情況下，鑄鐵的衰減指數(shù)為0.006～0.008，而天然大理石和人造大理石的衰減指數(shù)則分別為0.02～0.04和0.06～

18、0.08；不清砂的雙層壁鑄件可以大大增加結(jié)構(gòu)的內(nèi)阻尼，因而可大大提高衰減振動(dòng)的效果。 （4）進(jìn)給傳動(dòng)的設(shè)計(jì)主要要求是：保證能有效進(jìn)行誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膿Q向精度；可實(shí)現(xiàn)最小5μm的脈沖位移；采用修正系統(tǒng)後具有2μm的高定位精度。為此，可供選擇的進(jìn)給傳動(dòng)方式有以下幾種： －滾珠絲杠副。特點(diǎn)是剛度大，可實(shí)現(xiàn)的增量位移為100μm（即0.1μm）。 －摩擦傳動(dòng)。傳動(dòng)剛度為50N～100N/μm，拉力達(dá)100N，可實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)增量為5μm。缺點(diǎn)是壽命低，不夠靈敏。 －條（帶）傳動(dòng)。僅適合在小型機(jī)床上用。 －壓電和磁致伸縮傳動(dòng)。移動(dòng)量可小于5μm，但總的行程量很小，只有100～200μm，故多數(shù)情況下

19、它是與其它傳動(dòng)方式（如滾珠絲杠副）組合使用。 －自定位靜壓絲杠副。特點(diǎn)是由于齒形角?。ㄖ挥?0°），故剛度大（達(dá)100N～1000N/μm）和可實(shí)現(xiàn)微小的增量位移。缺點(diǎn)是保證油溫和油壓穩(wěn)定的系統(tǒng)較復(fù)雜。 －電磁絲杠副傳動(dòng)。它是由涂有稀有材料的磁性混合物的絲杠與帶有線圈的螺母相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)?？蓪?shí)現(xiàn)微小的增量位移，但剛度過(guò)低，只有10N/μm。 （5）導(dǎo)軌設(shè)計(jì)。導(dǎo)軌是超精密加工機(jī)床上保證實(shí)現(xiàn)精密微量進(jìn)給的重要要素之一，雖有多種形式可供選擇，但采用得最為廣泛的是液體靜壓導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌。前者的剛度可達(dá)6KN～8KN/μm，并能保證位移精度0.02μm～0.04μm /400mm行程；後者的剛

20、度為1KN～2KN/μm，當(dāng)氣膜厚度為4μm～8μm時(shí)，也能保證與液體靜壓導(dǎo)軌一樣的位移精度。液體靜壓和氣浮導(dǎo)軌的直線性均可高達(dá)0.02μm/100mm。 （6）在總體布局設(shè)計(jì)上，超精密加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)應(yīng)分成承載部分和計(jì)量部分。此時(shí)，機(jī)床所能實(shí)現(xiàn)的精度在很大程度上取決于測(cè)量系統(tǒng)的有效性。因此，一般采用像激光干涉儀這樣的高精度、高分辨率的儀器作測(cè)量裝置，并將其單獨(dú)安裝在氣浮支承的計(jì)量支架上，而且不僅安裝測(cè)量裝置時(shí)要遵守阿貝原理，在更廣義理解上，也要遵守阿貝原理。阿貝原理要求，測(cè)量軸要接近于刀尖，以便消除按杠桿原理放大誤差的可能性。從這一立場(chǎng)出發(fā)，導(dǎo)軌和測(cè)量裝置應(yīng)位于同一水平面上，在機(jī)床的承載系統(tǒng)

21、中要避開(kāi)采用懸伸和剛度不恒定的構(gòu)件。 （7）在機(jī)床整體和各部件所完成的功能分配方面，在多數(shù)情況下，一臺(tái)機(jī)床只實(shí)現(xiàn)一種加工方法，每個(gè)部件也只完成一個(gè)固定的功能運(yùn)動(dòng)。這樣做的目的是簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)和更易于根據(jù)精度指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，而無(wú)需采取妥協(xié)（折衷）的辦法。這一點(diǎn)是與目前一般機(jī)床的設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)——復(fù)合化，擴(kuò)大工藝可能性是不一樣的，或者說(shuō)是正好相反的。 （8）為了保證超精密加工的目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)，超精密加工機(jī)床設(shè)計(jì)必須考慮采用主動(dòng)控制的隔振系統(tǒng)和在線的誤差自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。這是因?yàn)楹茈y保證所要求的零件制造精度，同時(shí)也很難完全消除振動(dòng)和熱因素帶來(lái)的負(fù)面影響。 2 總體方案 擬定磨床總體方案，包括以下三方

22、面的內(nèi)容：（1）調(diào)查分析；（2）工藝分析；（3）磨床總體布局。 2.1 調(diào)查分析 調(diào)查分析主要包括：（1）對(duì)加工對(duì)象的了解；（2）對(duì)使用要求與制造條件的了解；（3）對(duì)同類及類同設(shè)備的了解。 2.1.1 加工對(duì)象 加工對(duì)象是主軸箱上兩個(gè)同軸軸承孔，主要技術(shù)指標(biāo)如圖2.1所示： 圖2.1 加工零件的主要技術(shù)指標(biāo) 工件材料：孕育鑄鐵。 2.1.2 使用要求與制造條件 本課題所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是主軸箱上兩個(gè)同軸軸承孔的超精密加工。要求所加工的軸承孔的技術(shù)參數(shù)能達(dá)到：（1）圓柱度：0.002mm；（2）圓度：0.002mm；（3）平直度：0.002mm。 磨床的制造運(yùn)

23、用數(shù)控技術(shù)，現(xiàn)代測(cè)試手段，微量進(jìn)給軟件補(bǔ)償技術(shù)，從而使精密機(jī)械設(shè)計(jì)達(dá)到所要求的精度。 2.1.3 同類及類同設(shè)備 （1）寧波市北侖倍力精密機(jī)械有限公司的HM1860型內(nèi)圓磨床 主要技術(shù)參數(shù)： 加工孔徑范圍：Φ3～Φ80mm 最大孔長(zhǎng)：250mm 主軸轉(zhuǎn)速：250-3000轉(zhuǎn)/分 變頻無(wú)級(jí)調(diào)速 主機(jī)電機(jī)：1.5KW,5～200Hz變頻電機(jī) 沖程長(zhǎng)度：0～160mm 沖程速度：80～400次/分 變頻無(wú)極調(diào)速 沖程電機(jī)：0.75KW 主軸及沖程的停機(jī)制動(dòng)：變頻器電子制動(dòng) 油泵電機(jī)：0.12KW 油箱容積：106升 機(jī)床重量：620KG 外形尺寸：1100×1390×1

24、400（長(zhǎng)×寬×高） 電源：380V，50Hz，三相 本機(jī)床特點(diǎn)： 1.較大的加工范圍（Φ3～Φ80mm） 2.瑞士SKF主軸承，使加工工件圓度可達(dá)1μm以內(nèi)，直線度可達(dá)3μm以內(nèi) 3.韓國(guó)產(chǎn)LG雙變頻器，調(diào)速，制動(dòng)易匹配調(diào)整珩磨網(wǎng)紋 4.韓國(guó)產(chǎn)直線滾動(dòng)軸承，保證了高可靠性與穩(wěn)定性 5.法國(guó)施耐德電氣，具有“手動(dòng)”“自動(dòng)”“時(shí)間”等尺寸控制功能 6.國(guó)產(chǎn)機(jī)的價(jià)格，進(jìn)口機(jī)的性能，性價(jià)比最高的臥式珩磨機(jī) （2）廣州眾舜機(jī)械五金有限公司的精密內(nèi)圓磨床TK-614 最大研磨長(zhǎng)度：350mm 最大研磨寬度：150mm 工作臺(tái)面積：365×150mm 工作臺(tái)左右最大行程：382m

25、m 工作臺(tái)前后最大行程：175mm 砂輪軸心至工作臺(tái)面距離（加長(zhǎng)）：400（450）mm 主軸馬達(dá)（V3級(jí)）：1.5HP，1HP×2P 砂輪尺寸（外徑×寬度×孔徑）：180×13×31.75mm 升降手輪進(jìn)刀量：每轉(zhuǎn)一圈1mm（0.04"） 每一刻度：0.005mm（0.0002"） 上下微調(diào)進(jìn)刀量：每轉(zhuǎn)一圈0.02mm（0.001"） 每一刻度：0.001mm（0.00004"） 前后手輪進(jìn)刀量：每轉(zhuǎn)一圈5mm（0.1"） 每一刻度：0.02mm（0.0005"） 前后微調(diào)進(jìn)刀量：每轉(zhuǎn)一圈0.1mm 每一刻度：0.002mm 機(jī)器尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：1340×920

26、×1850mm 機(jī)器重量（約）：620kg 其他類同機(jī)床可參閱有關(guān)資料。 2.2 加工工藝方案 工藝方法對(duì)磨床的結(jié)構(gòu)和性能的影響很大，工藝方法的改變常導(dǎo)致磨床的運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)、布局、結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)效果等方面的一系列變化。 常用的內(nèi)孔加工方法主要有:切入式磨削、單油石磨削、多油石磨削。 2.2.1 切入式磨削 切入式磨削: 將磨頭沿軸向進(jìn)入工件被加工孔。一般數(shù)控加工機(jī)床是采用軸向加工方式，直接切入工件的表面。 采取切入式磨削方式的加工工藝方案如圖2.2所示。砂輪回轉(zhuǎn)，工件安裝在工作臺(tái)上，在加工時(shí)回轉(zhuǎn)。砂輪的徑向進(jìn)給（Fr）靠工作臺(tái)沿X方向位移實(shí)現(xiàn)，上面的孔及上端面加工好后，砂輪通過(guò)在垂直

27、方向上的移動(dòng)，繼續(xù)加工下面的孔及下端面。工件一次安裝，以保證精度。 圖2.2 切入式磨削 2.2.2 單油石磨削 單油石磨削: 將1塊油石沿軸向進(jìn)入工件被加工孔。數(shù)控加工機(jī)床是采用軸向加工方式，油石與工件內(nèi)孔相接觸，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制磨削部件內(nèi)孔表面的質(zhì)量。 采取單油石磨削的加工工藝方案如圖2.3所示。油石并不回轉(zhuǎn)，而是做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，工件安裝在工作臺(tái)上，在加工時(shí)隨工作臺(tái)一起回轉(zhuǎn)。油石的徑向進(jìn)給靠拖板的水平方向位移實(shí)現(xiàn)，以此來(lái)帶動(dòng)工作臺(tái)上的工件，上面的孔及上端面加工好后，油石通過(guò)垂直方向上的移動(dòng)，繼續(xù)加工下面的孔及下端面。工件一次安裝，以保證精度。

28、 圖2.3 單油石磨削 2.2.3 多油石磨削 多油石磨削: 將位置對(duì)稱的4塊油石沿軸向進(jìn)入工件被加工孔。一般數(shù)控加工機(jī)床是用軸向方式加工，油石與工件內(nèi)孔相接觸，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制磨削部件內(nèi)孔表面的質(zhì)量。 采取多油石磨削的加工工藝方案如圖2.4所示。油石回轉(zhuǎn)，工件安裝在工作臺(tái)上，在加工時(shí)工件并不回轉(zhuǎn)。油石的徑向進(jìn)給靠數(shù)控部件參數(shù)的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)往復(fù)振動(dòng)來(lái)進(jìn)行磨削，上面的孔及上端面加工好后，多油石裝置通過(guò)垂直方向上的移動(dòng)，繼續(xù)加工下面的孔及下端面。工件一次安裝，以保證精度。 圖2.4 多油石磨削 2.2.4 加工工藝方案選定 切入式磨削的特點(diǎn)是：排屑和散熱相

29、對(duì)比較容易，磨削液較易進(jìn)入磨削區(qū)，適合加工小、中尺寸類型的零件，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，加工得到的精度和表面粗糙度比較高。 單油石磨削的特點(diǎn)是：排屑和散熱相對(duì)比較容易，磨削液較易進(jìn)入磨削區(qū)，適合加工中尺寸類型的零件，但是控制相對(duì)復(fù)雜，加工得到的精度和表面粗糙度一般，油石較易磨損。 多油石磨削的特點(diǎn)是：內(nèi)圓的加工條件相對(duì)比較苛刻，排屑、散熱困難，磨削液不易進(jìn)入磨削區(qū)，油石易磨損，控制比較復(fù)雜，加工高精度和表面粗糙度的孔比較困難，成本也高，適合加工大尺寸類型的零件。 綜上所述，多油石磨削的散熱比較困難，容易引起熱變形，一般用于加工大尺寸類型的零件，由于本課題所加工的零件屬于中小尺寸，而且要求要求達(dá)到的

30、精度比較苛刻，所以應(yīng)避免排屑和散熱較為困難的工藝，而且應(yīng)該盡可能減少磨具本身由于磨損所帶來(lái)的誤差，所以多油石磨削并不適合本課題。相比另兩個(gè)方案，切入式磨削與單油石磨削。一般單油石磨削的磨削量較大，由于本課題是精密加工，所以磨削量極小，所以并不十分合適。而且單油石磨削的控制相對(duì)比較復(fù)雜，由于控制復(fù)雜，執(zhí)行元件也將增加，精度就更難以保證。所以本課題選擇砂輪切入式磨削，砂輪與工件同向回轉(zhuǎn)的加工方式。 2.3 磨床運(yùn)動(dòng)的確定與分配 磨床的傳動(dòng)系統(tǒng)是由加工工藝來(lái)決定的。確定磨床的運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在滿足工作要求的前提下，盡可能減少運(yùn)動(dòng)數(shù)目，特別是減少要求高的運(yùn)動(dòng)數(shù)目（例如分度運(yùn)動(dòng)等），并盡可能簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)裝置

31、和傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)，盡可能用一個(gè)執(zhí)行件完成多個(gè)運(yùn)動(dòng)。 2.3.1 磨頭的運(yùn)動(dòng)分配 磨頭是加工零件的執(zhí)行元件，其運(yùn)動(dòng)的形式有兩種方案： （1）自身回轉(zhuǎn)； （2）自身的回轉(zhuǎn)和垂直方向上的直線移動(dòng)。 磨頭是與加工零件直接接觸的部件，加工零件的加工要求很大程度上取決于磨頭自身的精度，所以磨頭運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度越小越好，而且應(yīng)該盡可能減免磨頭電動(dòng)機(jī)所散發(fā)的熱量，所以方案（2）并不適合本課題，而方案（1）中電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的熱量可以用散熱片得以解決。綜上所述，本課題選擇方案（1）。 2.3.2 磨頭主軸箱的運(yùn)動(dòng)分配 由于磨頭采用自身回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式，根據(jù)加工工藝方案，所以磨頭主軸箱就負(fù)責(zé)磨頭垂直

32、方向上的直線移動(dòng)。 2.3.3 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)分配 根據(jù)加工工藝方案可知，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主要負(fù)責(zé)工件自身的回轉(zhuǎn)，所以其運(yùn)動(dòng)的形式有兩種方案： （1） 自身的回轉(zhuǎn)； （2） 自身的回轉(zhuǎn)和X方向上的直線移動(dòng)。 兩者的區(qū)別在于是否有X方向（水平方向）上的直線移動(dòng)，由于加工工件就安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，鑒于加工要求，對(duì)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)自身的誤差要求就非常高，所以應(yīng)該減少其運(yùn)動(dòng)數(shù)目以保證其精度，所以采用方案（1）。 2.3.4 拖板的運(yùn)動(dòng)分配 由于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用自身回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式，根據(jù)加工工藝方案，拖板的運(yùn)動(dòng)為X方向的直線移動(dòng)。 2.3.5 運(yùn)動(dòng)分配分析的結(jié)論 確定磨床的運(yùn)動(dòng)分配如下：所有

33、的運(yùn)動(dòng)由磨頭、磨頭主軸箱、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、拖板四個(gè)執(zhí)行件來(lái)完成。 磨頭的運(yùn)動(dòng)是自身的回轉(zhuǎn)，磨頭主軸箱的運(yùn)動(dòng)是垂直方向上的直線移動(dòng)，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是自身的回轉(zhuǎn)，拖板的運(yùn)動(dòng)是X方向（水平方向）上的直線移動(dòng)。 2.4 磨床的總體布局 本項(xiàng)工作的基本要求： （1）保證刀具和工件間的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 （2）足夠的剛性，抗振性。 （3）便于操作、維修、排屑等。 （4）材料消耗低，占地面積小。 （5）造型美觀。 總體布局的具體內(nèi)容： （1）運(yùn)動(dòng)分配時(shí)應(yīng)考慮的結(jié)構(gòu)因素 （2）磨床傳動(dòng)形式的確定 （3）磨床支承結(jié)構(gòu)形式的確定 2.4.1 結(jié)構(gòu)因素 （1）把運(yùn)動(dòng)分配給重量輕的執(zhí)行件

34、 基于這一原則，考慮到磨頭主軸箱的重量，需要對(duì)其進(jìn)行平衡。如果沒(méi)有平衡裝置的話，在其上升階段卻需要相當(dāng)大的拉力才能實(shí)現(xiàn)，這都是影響到加工要求的不良要素。所以在磨頭主軸箱的另一端加以平衡，鋼絲繩的一端與磨頭主軸箱連接，而另一端吊以重物，重物的質(zhì)量與磨頭主軸箱的質(zhì)量相當(dāng)，這樣磨頭主軸箱的質(zhì)量就被平衡，這樣能使得精度等要求的保證。 （2）提高加工精度 提高精度的加工方法有以下兩種：刀具回轉(zhuǎn)、工具回轉(zhuǎn)。 由于本課題所要達(dá)到精度要求極高，另外超精度磨削的磨削量是十分小的，所以本課題采用刀具和工件同時(shí)回轉(zhuǎn)，而且回轉(zhuǎn)方向一致，以此來(lái)提高加工精度和減少磨削量。 （3）減少占地面積 此因素取決

35、于加工工藝方案以及磨床支承結(jié)構(gòu)形式，請(qǐng)參照下文。 2.4.2 磨床傳動(dòng)形式 （1）磨頭的驅(qū)動(dòng) 磨頭的運(yùn)動(dòng)是自身的回轉(zhuǎn)，所以磨頭的驅(qū)動(dòng)有三種可以采用的方案： ① 由內(nèi)置電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)； ② 由內(nèi)置電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶的傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)； ③ 通過(guò)外置電動(dòng)機(jī)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)。 結(jié)合本課題的加工要求，經(jīng)過(guò)研究（詳情請(qǐng)參閱《精密數(shù)控磨床的磨頭設(shè)計(jì)》相關(guān)部分），決定采用第②種方案。 （2）磨頭主軸箱的驅(qū)動(dòng) 由于在立柱上安裝的部件主要保證磨頭主軸箱在垂直方向的上下移動(dòng)、進(jìn)給。故在垂直立柱進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要認(rèn)為有如下兩種可以采用的方案： ① 用步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌來(lái)帶動(dòng)磨頭主軸箱在垂直方向

36、上的移動(dòng)，并且對(duì)于步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠的對(duì)心采用重心驅(qū)動(dòng)原理。 ② 用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)磨頭主軸箱在垂直方向上的移動(dòng)。 結(jié)合本課題的加工要求，經(jīng)過(guò)研究（詳情請(qǐng)參閱《精密數(shù)控磨床的垂直立柱進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)》相關(guān)部分），決定采用第①種方案。 （3）回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng) 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是自身的回轉(zhuǎn)，所以其驅(qū)動(dòng)的方案有以下兩種選擇： ① 通過(guò)外置電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪，通過(guò)帶輪的傳動(dòng)來(lái)使回轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)。 ② 通過(guò)內(nèi)置電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。 結(jié)合本課題的加工要求，經(jīng)過(guò)研究（詳情請(qǐng)參閱《精密數(shù)控磨床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)》相關(guān)部分），決定采用第①種方案。 （4）拖板的驅(qū)動(dòng) 拖板通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制X

37、方向上的移動(dòng)，一般拖板系統(tǒng)的進(jìn)給有以下兩種方案： ① 用步進(jìn)電機(jī)，滾珠絲杠，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌來(lái)驅(qū)動(dòng)拖板實(shí)現(xiàn)粗進(jìn)給，由壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)精進(jìn)給。 ② 用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)拖板來(lái)實(shí)現(xiàn)粗進(jìn)給，由壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)精進(jìn)給。 結(jié)合本課題的加工要求，經(jīng)過(guò)研究（詳情請(qǐng)參閱《精密數(shù)控磨床微量進(jìn)給拖板系統(tǒng)設(shè)計(jì)》相關(guān)部分），決定采用第①種方案。 2.4.3 磨床支承結(jié)構(gòu)形式的確定 機(jī)床支承結(jié)構(gòu)形式如圖2.5所示主要有以下幾種： 圖2.5 機(jī)床支承結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)本課題加工要求，為了避免不必要的精度損失，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)床，所以復(fù)合式、單臂式、龍門(mén)式機(jī)床暫不考慮。而臥式機(jī)床的

38、占地面積相對(duì)較大，所以本課題采用立式機(jī)床。 2.4.4 總體布局的確定 綜上所述，精密數(shù)控磨床總體布局如圖2.6所示：總體上采用立式布局，立柱部分裝有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與無(wú)間隙齒輪相結(jié)合，箱形立柱上裝有滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌，保證磨頭主軸箱的上下運(yùn)動(dòng)，立柱內(nèi)部與外部磨頭主軸箱裝置通過(guò)兩根掛有與磨頭主軸箱同等重量鐵塊的鋼絲，為了與磨頭裝置自重保持平衡、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)嵌在拖板中，砂輪休整器安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，拖板安裝在床身的導(dǎo)軌上，夾緊裝置與測(cè)量裝置安裝在拖板上，工件安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上隨工作臺(tái)回轉(zhuǎn)。 圖2.6 精密數(shù)控磨床的總體布局 3 磨床

39、主要技術(shù)參數(shù)的確定 主要技術(shù)參數(shù)包括： （1）主參數(shù)：指磨床的加工范圍； （2）基本參數(shù)： （a）尺寸參數(shù)——主要結(jié)構(gòu)尺寸； （b）運(yùn)動(dòng)參數(shù)——執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)速度； （c）動(dòng)力參數(shù)——一般指磨床電機(jī)功率。 3.1 加工范圍的確定 加工孔徑范圍：Φ145～Φ200mm 最大孔長(zhǎng)：250mm 3.2 主要結(jié)構(gòu)尺寸 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)臺(tái)面直徑：直徑應(yīng)大于加工零件、刀具和砂輪休整器的和，考慮到其泛用性，所以取800mm。 磨頭直徑：根據(jù)被加工零件的性質(zhì)以及泛用性，取140mm。 磨床總體尺寸定為1885×1670×3002（長(zhǎng)×寬×高） 3.3 運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定

40、3.3.1 磨頭主軸箱進(jìn)給速度 磨頭主軸箱的進(jìn)給速度確定為：100～500mm/min。 3.3.2 拖板進(jìn)給速度 拖板的進(jìn)給速度確定為：150～450mm/min。 3.3.3 工作臺(tái)回轉(zhuǎn)速度 由于工件是固定在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，所以工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)速度即工件的回轉(zhuǎn)速度，為30r/min。 3.3.4 磨頭回轉(zhuǎn)速度 磨頭回轉(zhuǎn)速度即此精密數(shù)控磨床的主軸速度：根據(jù)要求將主軸回轉(zhuǎn)速度定為n=10000r/min。 3.4 動(dòng)力參數(shù)的確定 由于本課題牽涉的動(dòng)力參數(shù)全是有關(guān)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的問(wèn)題，所以只要確定電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率即可。 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率的確定有以下三種方法：

41、（1）實(shí)測(cè)法——選一臺(tái)傳動(dòng)與結(jié)構(gòu)跟所設(shè)計(jì)相近似的機(jī)床，并選擇特定工序或典型工序，用電表測(cè)量其一定時(shí)間t內(nèi)的輸入電功W（千瓦小時(shí)），[電動(dòng)機(jī)功率P=（W/t）×η（Kw）]。 （2）計(jì)算法——按磨削原理公式計(jì)算，也可用估算公式計(jì)算。 （3）統(tǒng)計(jì)分析法 有時(shí)可查手冊(cè)上的經(jīng)驗(yàn)公式。如外圓磨床，根據(jù)砂輪寬度按經(jīng)驗(yàn)公式可算得電機(jī)功率。 如果無(wú)經(jīng)驗(yàn)公式，就需經(jīng)統(tǒng)計(jì)和分析比較同類型的機(jī)床，來(lái)確定電機(jī)功率。 3.4.1 磨頭的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 因?yàn)閮?nèi)圓磨床砂輪主軸的轉(zhuǎn)速很高，又需調(diào)速，所以一般可采用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要有：直流電機(jī)和交流變頻調(diào)速電機(jī)。 直流電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是：調(diào)速范圍寬、低速運(yùn)行平

42、穩(wěn)；負(fù)載特性硬、過(guò)載能力強(qiáng)，在一定的速度范圍內(nèi)可以做到恒力矩輸出，反應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)相應(yīng)特性好。但是，直流伺服電動(dòng)機(jī)體積較大，其電刷易磨損，壽命受到一定限制。 交流變頻電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是：具有獨(dú)特的磁極形狀，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最??；定子外面沒(méi)有機(jī)殼，定于鐵心直接在空氣中冷卻，使電動(dòng)機(jī)溫升能減到最低；具有高的轉(zhuǎn)矩/慣量比，能承受高的加減速；采取集中磁力線結(jié)構(gòu)，在保證高輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，電動(dòng)機(jī)的體積小而重量輕。 現(xiàn)選用高頻交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，在磨頭中內(nèi)置式安裝，以減少振動(dòng)，進(jìn)行精密定位控制（詳情請(qǐng)參閱《精密數(shù)控磨床的磨頭設(shè)計(jì)》相關(guān)部分）。 根據(jù)砂輪的轉(zhuǎn)速，初步得出驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率為4.66kW，最后選型后

43、定為5.5kW（詳情請(qǐng)參閱《精密數(shù)控磨床的磨頭設(shè)計(jì)》相關(guān)部分）。 3.4.2 滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 根據(jù)滾珠絲杠的進(jìn)給性質(zhì)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇方案有兩種：步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：能夠驅(qū)動(dòng)的力矩范圍為中小力矩，一般在20Nm以下，轉(zhuǎn)速最高達(dá)到2000rpm，低速時(shí)有振動(dòng)，但是如果使用細(xì)分型電動(dòng)機(jī)可明顯改善，精度一般較低（但在細(xì)分型驅(qū)動(dòng)時(shí)較高），高速時(shí)力矩下降快，過(guò)載時(shí)會(huì)失步（也可接編碼器防止失步），但只能為開(kāi)環(huán)控制，耐振動(dòng)，運(yùn)行溫度，價(jià)格低，基本可以免維護(hù)。 伺服電機(jī)的特點(diǎn)：能夠驅(qū)動(dòng)的力矩范圍幾乎是全范圍，能夠驅(qū)動(dòng)的速度范圍大，可達(dá)5000rpm，直流伺服電機(jī)更可達(dá)1～2萬(wàn)轉(zhuǎn)

44、/分，運(yùn)行的平滑性好，精度高（具體要看反饋裝置的分辨率），可3～10倍過(guò)載（短時(shí)），力矩特性好，響應(yīng)速度快，耐振動(dòng)性能一般，維護(hù)性較好，價(jià)格較高。 結(jié)合本課題的加工要求，經(jīng)過(guò)研究（詳情請(qǐng)參閱《精密數(shù)控磨床的垂直立柱進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)》相關(guān)部分），決定采用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率由滾珠絲杠所要驅(qū)動(dòng)的力矩來(lái)決定。由于滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算得：T=5.411Nm（詳細(xì)過(guò)程請(qǐng)參閱《精密數(shù)控磨床的垂直立柱進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)》相關(guān)部分）。 由于絲杠的啟動(dòng)力矩計(jì)算得：T0=2.30Nm（詳細(xì)過(guò)程請(qǐng)參閱《精密數(shù)控磨床的垂直立柱進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)》相關(guān)部分）。 根據(jù)選型，由此可將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率定為5.5kW（

45、詳細(xì)過(guò)程請(qǐng)參閱《精密數(shù)控磨床的垂直立柱進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)》相關(guān)部分）。 3.4.3 拖板的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 由于拖板的進(jìn)給量很小，所以可采用的電動(dòng)機(jī)有以下三種：異步電動(dòng)機(jī)；伺服電動(dòng)機(jī)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：高效，節(jié)能，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，噪音低，振動(dòng)小，運(yùn)行安全可靠，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固等特點(diǎn)。 伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：良好的可控性，運(yùn)行穩(wěn)定和快速響應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，它能對(duì)控制信號(hào)能作出快速的響應(yīng)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是：位移或角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的線速度或轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率進(jìn)行調(diào)速，能快速起動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。 結(jié)合本課題的加工要求，經(jīng)過(guò)研究（詳情請(qǐng)參閱

46、《精密數(shù)控磨床微量進(jìn)給拖板系統(tǒng)設(shè)計(jì)》相關(guān)部分），決定采用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率是根據(jù)拖板的進(jìn)給速度得出的，初定為5.5kW（詳情請(qǐng)參閱《精密數(shù)控磨床微量進(jìn)給拖板系統(tǒng)設(shè)計(jì)》相關(guān)部分）。 3.4.4 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 為了滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求，對(duì)伺服電機(jī)有較高的要求： （1）電動(dòng)機(jī)能在調(diào)速范圍內(nèi)都能平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)； （2）電動(dòng)機(jī)應(yīng)有較強(qiáng)的過(guò)載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求； （3）為了滿足快速響應(yīng)的要求，電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)性要求好； （4）電動(dòng)機(jī)應(yīng)能承受頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 常用的伺服執(zhí)行元件主要有直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

47、作為床身零部件的主電機(jī)一般選用伺服電機(jī)。 本課題采用感應(yīng)式交流伺服電機(jī)。與直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，輸出相同功率，交流電機(jī)重量輕，而且交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，適應(yīng)的安裝環(huán)境寬，可以承受高速運(yùn)轉(zhuǎn)。 安裝在床身一側(cè)的主電機(jī)通過(guò)兩對(duì)皮帶輪的傳遞驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。軸的轉(zhuǎn)速約為30r/min，因此所需的功率很小。為了能控制回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，初定電動(dòng)機(jī)的功率為1.8kW（詳細(xì)選型請(qǐng)參閱《精密數(shù)控磨床的床身部件設(shè)計(jì)》）。 3.5 主要部件概述 3.5.1 精密磨頭 采用內(nèi)置式電機(jī)，軸承用B級(jí)滾動(dòng)軸承，應(yīng)用噴霧潤(rùn)滑及底座水冷卻，磨頭在立柱上的移動(dòng)采用直線導(dǎo)軌，砂輪轉(zhuǎn)速n=10000r/min，砂輪

48、直徑Ф140mm 3.5.2 精密回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 工作臺(tái)轉(zhuǎn)速30r/min 采用外置式電機(jī)，軸承用多排密珠軸承。這樣精度高、振動(dòng)小、為消除電機(jī)熱源影響，采用電機(jī)安裝在床身上，用同步帶傳動(dòng)的方式。 3.5.3 導(dǎo)軌支承 水平導(dǎo)軌用滾動(dòng)導(dǎo)軌、立柱導(dǎo)軌采用直線導(dǎo)軌以提高導(dǎo)軌的直線度，對(duì)導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)可采用軟件補(bǔ)償技術(shù)。 3.5.4 滾珠絲杠 步進(jìn)電機(jī)采用BF系列反應(yīng)式（VR）步進(jìn)電機(jī)： ① 90BF3-3 相數(shù)3 步距角3/1.5（°）電壓60/12V 靜態(tài)力矩20000μN(yùn)·m，總長(zhǎng)130，機(jī)殼90mm，軸Ф9mm。 ② 90BF5-1.5 相數(shù)5 步距角1.5/0.75（°

49、） 靜力矩16000μN(yùn)m。 另外有SB系列反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)；43BY4-7.5型永磁式步進(jìn)電機(jī)；43BYG/J450型感應(yīng)式永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 提高步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)精度的方法有： （1）間隙補(bǔ)償：機(jī)械系統(tǒng)的間隙、可以按脈沖當(dāng)量換算成指令脈沖。 （2）螺距補(bǔ)償誤差：絲杠螺距誤差的補(bǔ)償，可以用下列兩種方法實(shí)現(xiàn)：一種是機(jī)械樣板的補(bǔ)償方法；另一種是采取當(dāng)量誤差達(dá)到一個(gè)脈沖當(dāng)量的地方裝擋塊，用位置開(kāi)關(guān)檢測(cè)并發(fā)出補(bǔ)償脈沖的方法。 （3）反饋補(bǔ)償：把檢測(cè)器直接裝在磨床移動(dòng)部件上用檢測(cè)移動(dòng)部件的移動(dòng)量，測(cè)出整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的誤差包括間隙及螺距誤差，另外熱變形誤差、剛變誤差可用軟件補(bǔ)償來(lái)解決。本設(shè)計(jì)

50、采用上海磨床六廠生產(chǎn)的400 5-3 型精密滾珠絲杠FN1B-FN1D。 3.5.5 微量進(jìn)給機(jī)構(gòu) 采用壓電陶瓷、作為微進(jìn)給控制機(jī)構(gòu)，設(shè)克服外負(fù)載150kgf、總位移量約20μm、通入的控制信號(hào)為電壓量、輸入為位移量。 3.5.6 立柱及床身 采用熱變形小、抗震性強(qiáng)的孕育鑄鐵，用平衡塊維持平衡。 3.5.7 測(cè)量系統(tǒng) 傳感器的選用是測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵。根據(jù)傳動(dòng)鏈末端元件的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)正確、合理地選用、安裝傳感器是準(zhǔn)確測(cè)量傳動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)精度的必要條件。根據(jù)工作原理，機(jī)床傳動(dòng)誤差測(cè)量常用傳感器可分為以下幾類： （1）光柵傳感器 光柵傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)處理方式簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)量精度高（

51、國(guó)外著名廠家如德國(guó)Heidenhain、西班牙Fagor等公司制造的光柵傳感器精度可達(dá)1μm/m）；缺點(diǎn)是光柵尺價(jià)格較昂貴，對(duì)工作環(huán)境要求較高，玻璃光柵尺的線脹系數(shù)與機(jī)床不一致，易造成測(cè)量誤差。 （2）激光傳感器 激光傳感器（包括單頻和雙頻激光）具有較高的測(cè)量精度，但測(cè)量成本也較高，對(duì)環(huán)境條件變化（如溫度、氣流、振動(dòng)等）較敏感，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)必須采取措施保證測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性。 （3）磁柵傳感器 磁柵尺可分為線狀（有效測(cè)量長(zhǎng)度3m）和帶狀（有效測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)30m）兩種型式，其優(yōu)點(diǎn)是制造成本較低，安裝使用方便，線脹系數(shù)與機(jī)床相同；缺點(diǎn)是測(cè)量精度低于光柵尺，由于磁信號(hào)強(qiáng)度隨使用時(shí)間而不

52、斷減弱，因此需要重新錄磁，給使用帶來(lái)不便。 （4）感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)是制造成本低，安裝使用方便，對(duì)工作環(huán)境條件要求不高；缺點(diǎn)是信號(hào)處理方式較復(fù)雜，測(cè)量精度受到測(cè)量方法的限制（傳統(tǒng)測(cè)量方法的測(cè)量精度約為2～5μm）。 本課題應(yīng)用單點(diǎn)式，選用一只測(cè)量傳感器，高精度傳感器應(yīng)保證測(cè)量精度為0.1μm （也可采用三點(diǎn)式測(cè)量，選用三只測(cè)量傳感器。可分離系統(tǒng)誤差及測(cè)出內(nèi)徑尺寸； 可用DG8-5A電桿式量?jī)x； 角度測(cè)量：可用孔盤(pán)打256孔，或用圓光柵。） 3.5.8 微機(jī)及數(shù)控技術(shù) 應(yīng)用微機(jī)控制及補(bǔ)償，采用數(shù)控技術(shù)，可編程控制器。 3.5.9 環(huán)境控制 （1）抗震：采用抗震性好的

53、孕育鑄鐵作為主要大件（床身、立柱）材料。 （2）溫度控制：采用恒溫室保證20℃±0.5℃，隔離各部件熱量。 4． 精度分析 4.1 加工精度與加工誤差 加工精度是指零件加工后的實(shí)際幾何參數(shù)（尺寸、形狀和位置）與理想幾何參數(shù)的符合程度。 在機(jī)械加工中，由于工藝系統(tǒng)中各種因素影響，使加工出的零件不可能與理想的要求完全符合。零件加工后的實(shí)際幾何參數(shù)對(duì)理想幾何參數(shù)的偏離程度，稱為加工誤差。其符合程度愈高，加工誤差愈小，即加工精度愈高；偏離程度愈大，加工誤差愈大。由此可見(jiàn)，加工精度和加工誤差是從兩個(gè)不同的角度來(lái)評(píng)定加工零件的幾何參數(shù)。 首先必須明確以下幾點(diǎn)： （1）“理想幾何參數(shù)”的含

54、義：尺寸參數(shù)是指圖紙規(guī)定尺寸的平均值；形狀和位置參數(shù)是指絕對(duì)正確的形狀和位置，如絕對(duì)的圓和絕對(duì)的平行等等。 （2）加工精度是零件圖紙或工藝文件以公差T給定的集合參數(shù)，而加工誤差則是零件加工后的實(shí)際測(cè)得的偏離值△。一般說(shuō)，當(dāng)△＜T時(shí)，就保證了加工精度。 （3）零件三個(gè)方面的幾何參數(shù)，就是加工精度和加工誤差的三方面的內(nèi)容。即，加工精度（誤差）包括尺寸精度（誤差）、形狀精度（誤差）和相互位置精度（誤差）。 從保證機(jī)器使用性能出發(fā)，每個(gè)機(jī)械零件應(yīng)具有足夠的加工精度，但沒(méi)有必要把每個(gè)零件都做得絕對(duì)準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)零件在機(jī)器上的功用，將加工精度規(guī)定在一定范圍內(nèi)是完全允許的。即加工精度的規(guī)定均以相應(yīng)

55、的標(biāo)準(zhǔn)公差數(shù)值標(biāo)注在零件圖上，加工時(shí)只要零件的加工誤差未超過(guò)其公差范圍，就能保證零件的加工精度要求和工作要求。 4.2 原始誤差 零件加工精度主要取決于工件和刀具在切削過(guò)程中相互位置的準(zhǔn)確程度。由于多種因素的影響，由機(jī)床、夾具、刀具和工件構(gòu)成的工藝系統(tǒng)中的各種誤差，在不同的條件下，以不同的方式反映為加工誤差。工藝系統(tǒng)的誤差是“因”，是根源；加工誤差是“果”，是表現(xiàn)。因此，把工藝系統(tǒng)的誤差稱之為原始誤差。 4.3 機(jī)床的幾何誤差 機(jī)床誤差是最基本的原始誤差之一。分析和研究機(jī)床誤差及其對(duì)加工精度的影響，無(wú)論在理論上或是實(shí)際應(yīng)用上都具有重要的意義。 機(jī)床誤差是由機(jī)床的制造誤差、安裝誤差和磨

56、損等引起的。它是保證工件加工精度的基礎(chǔ)。 4.4 研究機(jī)械加工精度的方法 加工誤差的研究方法，通常分為：分析計(jì)算法（又稱因素分析法）和統(tǒng)計(jì)分析法兩種。 分析計(jì)算法，是分別研究各原始誤差對(duì)加工精度的影響。研究某一確定因素時(shí)，一般不考慮其它因素的同時(shí)作用。通過(guò)分析、計(jì)算或?qū)嶒?yàn)、測(cè)試，得出該因素與加工誤差之間的關(guān)系，即找出它們之間的變化規(guī)律。 統(tǒng)計(jì)分析法，是對(duì)某一具體加工條件下加工的一批工件，進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，然后以數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)來(lái)處理、分析誤差的性質(zhì)和變化規(guī)律。 可見(jiàn)，前一種方法主要是分析各項(xiàng)誤差單獨(dú)的變化規(guī)律，后一種方法主要是研究各項(xiàng)誤差綜合的變化規(guī)律，且只適用于大批大量的生產(chǎn)條件。

57、在實(shí)際生產(chǎn)中，這兩種方法往往要結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。一般先用統(tǒng)計(jì)分析法找出誤差的出現(xiàn)規(guī)律，初步推斷產(chǎn)生加工誤差的可能原因，然后，運(yùn)用分析計(jì)算法找出影響加工誤差的關(guān)鍵因素，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 4.5 加工誤差分析 因?yàn)橛绊懠庸ふ`差因素復(fù)雜，且是個(gè)綜合性問(wèn)題。利用統(tǒng)計(jì)法分析的目的是找出影響加工精度的主要因素，驗(yàn)證分析結(jié)果，提出解決問(wèn)題的措施。 工藝設(shè)計(jì)必須保障產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)提出的各項(xiàng)公差要求，不允許隨意放寬任何公差帶。按統(tǒng)計(jì)方法可以得到，當(dāng)公差放大后加工得到的零件中，只有一部分零件超出原設(shè)計(jì)公差要求，需要校直處理。需校直的零件占總零件的比率為校直率。所謂校直率增加是生產(chǎn)的工藝過(guò)程不能滿足原設(shè)計(jì)要求的表現(xiàn)，

58、必須采取相應(yīng)的措施，如增加投產(chǎn)數(shù)量，改變公差帶形成可修復(fù)超差件和修復(fù)工序等等。 解決這類問(wèn)題的方法步驟歸納為： （l）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并作統(tǒng)計(jì)。通過(guò)對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析處理，了解誤差的規(guī)律，判別其方向、大小及其發(fā)生的條件。 （2）繪制必要的統(tǒng)計(jì)圖表，如直方圓、點(diǎn)圖等（必要時(shí)作相關(guān)分析）。初步判別誤差的性質(zhì)。 （3）查找影響誤差的主要因素，將影響因素分類，作因果分析圖分析。 （4）進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)分析。通常用統(tǒng)計(jì)分析方法可以找到解決問(wèn)題的方向。要得到確切的結(jié)果，可能要反復(fù)實(shí)驗(yàn)。 （5）在找出產(chǎn)生誤差的原因后，仍要作試樣件的試驗(yàn)，以驗(yàn)證新工藝措施的可靠性。 4.6 部件加工精度分析與確定 為保

59、證被加工零件達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)，主要環(huán)節(jié)應(yīng)保證的精度如下： 4.6.1 磨頭產(chǎn)生的誤差 磨頭是整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵部件，它不但要有足夠的功率和扭矩，而且更需要有可靠的傳動(dòng)平穩(wěn)性，以保證被加工件的各項(xiàng)技術(shù)要求。 磨頭主軸主要承受軸向力，本身幾乎不產(chǎn)生變形。軸承是磨頭系統(tǒng)中最重要的部件，它的類型、配置、精度和調(diào)整等因素都直接影響主軸系統(tǒng)的工作性能，主軸的旋轉(zhuǎn)精度在很大程度上是由軸承所決定。 在眾多影響主軸回轉(zhuǎn)誤差的因素中，最主要的是：主軸支承軸頸、軸承孔、滾動(dòng)軸承滾道等的圓度誤差；主軸支承軸頸的軸肩、止推滾動(dòng)軸承的滾道與軸線的垂直誤差；以及軸承的間隙等。 機(jī)床主軸是裝夾工件或刀具的基準(zhǔn)，并將運(yùn)

60、動(dòng)和動(dòng)力傳給工件或刀具，主軸回轉(zhuǎn)誤差將直接影響被加工工件的精度。主軸回轉(zhuǎn)誤差不僅對(duì)加工表面的形狀和位置精度影響較大，而且對(duì)加工表面的粗糙度和波度影響亦較大。尤其是在精密加工中，它是決定工件圓度的主要因素。 主軸回轉(zhuǎn)誤差討論的內(nèi)容包括：（1）主軸回轉(zhuǎn)誤差的概念；（2）主軸回轉(zhuǎn)誤差的基本形式及其產(chǎn)生的加工誤差；（3）主軸回轉(zhuǎn)誤差的來(lái)源；（4）減少主軸回轉(zhuǎn)誤差及其對(duì)加工精度影響的措。 正確的理解和掌握主軸回轉(zhuǎn)誤差的概念，是討論其它問(wèn)題的機(jī)床，因此必須首先切實(shí)弄清有關(guān)軸線的概念。即主軸幾何軸線、主軸實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線、主軸理想回轉(zhuǎn)軸線和主軸平均回轉(zhuǎn)軸線等的概念及其相互關(guān)系。 所謂主軸回轉(zhuǎn)誤差是指主軸實(shí)

61、際回轉(zhuǎn)軸線對(duì)其理想回轉(zhuǎn)軸線的漂移量。通常把主軸的回轉(zhuǎn)誤差分解為徑向跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)和角度擺動(dòng)三種基本形式（如圖4.1所示）。 圖4.1 主軸回轉(zhuǎn)誤差 對(duì)于不同的加工，不同形式的主軸回轉(zhuǎn)誤差對(duì)加工精度的影響是不同的。這里應(yīng)注意掌握相同（不同）形式的主軸回轉(zhuǎn)誤差，對(duì)不同機(jī)床和加工表面將產(chǎn)生不同（相同）形式的加工誤差。 當(dāng)主軸采用滑動(dòng)軸承時(shí)，主軸回轉(zhuǎn)精度，主要是受到主軸頸和軸承內(nèi)孔的圓度誤差和波度的影響（如圖4.2）。當(dāng)主軸采用滾動(dòng)軸承時(shí)，主軸回轉(zhuǎn)精度不僅取決于滾動(dòng)軸承本身的精度（包括內(nèi)、外圈滾道的圓度誤差，滾動(dòng)體的形狀、尺寸誤差），而且還與軸承配合件（主軸頸、軸

62、承座孔）的精度密切相關(guān)（如圖4.3）。 圖4.2 圓度誤差和波度誤差 圖4.3 軸承配合件的精度影響 提高主軸回轉(zhuǎn)精度的措施主要有以下三種： （1）提高主軸部件的制造精度 首先應(yīng)提高軸承的回轉(zhuǎn)精度，如選用高精度的滾動(dòng)軸承，或采用高精度動(dòng)壓滑動(dòng)軸承（多油楔）和靜壓軸承等。其次是提高配合表面（如箱體支承孔、主軸軸頸）的加工精度。實(shí)際生產(chǎn)中，常采用定向裝配和分組選配，使誤差相互補(bǔ)償或抵消，以減小軸承誤差對(duì)主軸回轉(zhuǎn)精度的影響。 （2）對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行預(yù)緊 適當(dāng)預(yù)緊可以消除間隙，并產(chǎn)生微量過(guò)盈，提高軸承的接觸剛度，并對(duì)軸承內(nèi)外圈滾道和滾動(dòng)體的誤差起均化作用，從

63、而提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。 （3）使主軸的回轉(zhuǎn)誤差不反映到工件上 直接使工件在加工過(guò)程中的回轉(zhuǎn)精度不依賴于主軸，是保證工件形狀精度的最簡(jiǎn)單而又有效的方法。如在外圓磨床上磨削外圓柱面時(shí)，為避免工件頭架主軸回轉(zhuǎn)誤差的影響，工件由頭架和尾架的兩個(gè)固定頂尖支承，頭架主軸只起傳動(dòng)作用，工件的回轉(zhuǎn)精度完全取決于頂尖和中心孔的形狀精度、同軸度。在鏜床上加工箱體類零件上的孔時(shí)，可采用鏜模加工，刀桿與主軸為浮動(dòng)聯(lián)接，則刀桿的回轉(zhuǎn)精度與機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度無(wú)關(guān)，工件的加工精度僅由刀桿和導(dǎo)套的配合質(zhì)量決定。 再將以上內(nèi)容與加工要求相結(jié)合初步得出以下加工部件應(yīng)保證的精度： 磨頭的旋轉(zhuǎn)精度 0

64、.1～0.2μm 磨頭的軸向跳動(dòng) 0.1～0.2μm 磨頭垂直向移動(dòng)精度 0.1μm 4.6.2 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)產(chǎn)生的誤差 （1）由于測(cè)量工具（或測(cè)量?jī)x器）本身的固有誤差、測(cè)量原理或測(cè)量方法本身理論的缺陷及實(shí)驗(yàn)操作人員本身心理生理?xiàng)l件的制約而帶來(lái)的測(cè)量誤差稱為系統(tǒng)誤差． 系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)是在相同測(cè)量條件下、重復(fù)測(cè)量所得測(cè)量結(jié)果總是偏大或偏小，且誤差數(shù)值一定或按一定規(guī)律變化．減小系統(tǒng)誤差的方法通?？梢愿淖儨y(cè)量工具或測(cè)量方法，還可以對(duì)測(cè)量結(jié)果考慮修正值． （2）隨機(jī)誤差又叫偶然誤差，即使在完全消除系統(tǒng)誤差這種理想情況下，多次重復(fù)測(cè)量同一測(cè)量對(duì)象，仍

65、會(huì)由于各種偶然的、無(wú)法預(yù)測(cè)的不確定因素09/20 11:46 102機(jī)體齒飛面孔雙臥多軸組合機(jī)床及CAD設(shè)計(jì) 09/08 20:02 3kN微型裝載機(jī)設(shè)計(jì) 09/20 15:09 45T旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)液壓缸設(shè)計(jì) 08/30 15:32 5噸卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)計(jì) 10/30 17:12 C620軸撥桿的工藝規(guī)程及鉆2-Φ16孔的鉆床夾具設(shè)計(jì) 09/21 13:39 CA6140車床撥叉零件的機(jī)械加工工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)831003 08/30 15:37 CPU風(fēng)扇后蓋的注塑模具設(shè)計(jì) 09/20 16:19

66、 GDC956160工業(yè)對(duì)輥成型機(jī)設(shè)計(jì) 08/30 15:45 LS型螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì) 10/07 23:43 LS型螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì) 09/20 16:23 P-90B型耙斗式裝載機(jī)設(shè)計(jì) 09/08 20:17 PE10自行車無(wú)級(jí)變速器設(shè)計(jì) 10/07 09:23 話機(jī)機(jī)座下殼模具的設(shè)計(jì)與制造 09/08 20:20 T108噸自卸車拐軸的斷裂原因分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 09/21 13:39 X-Y型數(shù)控銑床工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 09/08 20:25 YD5141SYZ后壓縮式垃圾車的上裝箱體設(shè)計(jì) 10/07 09:20 ZH1115W柴油機(jī)氣缸體三面粗鏜組合機(jī)床總體及左主軸箱設(shè)計(jì) 09/21 15:34 ZXT-06型多臂機(jī)凸輪軸加工工藝及工裝設(shè)計(jì) 10/30 16:04 三孔連桿零件的工藝規(guī)程及鉆Φ35H6孔的夾具設(shè)計(jì) 08/30 17:57 三層貨運(yùn)電梯曳引機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10/29 14:08 上蓋的