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氣缸體專用平面磨床設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1 磨床的類型與用途
1.1.1 磨床的類型及其特點(diǎn)
用磨料磨具（砂輪、砂帶、油石和研磨料等）為工具進(jìn)行切削加工的機(jī)床，統(tǒng)稱為磨床（英文為Grinding machine），它們是因精加工和硬表面的需要而發(fā)展起來(lái)的[1]。
磨床種類很多，主要有：平面磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床、工具磨床和用來(lái)磨削特定表面和工件的專門(mén)化磨床，如花鍵軸磨床、凸輪軸磨床、曲軸磨床等[2]。
對(duì)平面磨床來(lái)說(shuō)，又可分為普通平面磨床、萬(wàn)能平面磨床、無(wú)心平面磨床、 寬砂輪平面磨床、端面平面磨床等。
以上均為使用砂輪作切削工具的磨床。此外，還有以柔性砂帶為切削工具的砂帶磨床，以油石和研磨劑為切削工具的精磨磨床等。
磨床與其他機(jī)床相比，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）磨床的磨具（砂輪）相對(duì)于工件做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（一般砂輪圓周線速度在35m/s左右，目前已向200m/s以上發(fā)展）；
（2）它能加工表面硬度很高的金屬和非金屬材料的工件；
（3）它能使工件表面獲得很高的精度和光潔度；
（4）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和自動(dòng)線，進(jìn)行高效率生產(chǎn)；
（5）磨床通常是由電動(dòng)機(jī)—油泵—發(fā)動(dòng)部件、通過(guò)機(jī)械、電氣、液壓傳動(dòng)-傳動(dòng)部件帶動(dòng)工件和砂輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)-工件等部分組成[1]。
1.1.2 磨床的用途
磨床可以加工各種表面，如內(nèi)、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開(kāi)線齒廓面、螺旋面以及各種成形表面。磨床可進(jìn)行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以進(jìn)行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進(jìn)行切斷等，工藝范圍十分廣泛。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械零件的精度和表面質(zhì)量要求越來(lái)越高，各種高硬度材料的應(yīng)用日益增多。精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，使得有可能將毛坯直接磨成成品。高速磨削和強(qiáng)力磨削，進(jìn)一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范圍日益擴(kuò)大。它在金屬切削機(jī)床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中，磨床在機(jī)床總數(shù)中的比例已達(dá)（30-40）%。
據(jù)1997年歐洲機(jī)床展覽會(huì)(EMO)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)，車(chē)削只占23%， 鉆削占22%，其它占8%；而磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá)42%，車(chē)床占23%，銑床占22%，鉆床占14%[3]。由此可見(jiàn)，在精密加工當(dāng)中，有許多零部件是通過(guò)精密磨削來(lái)達(dá)到其要求的，而精密磨削加工要在相應(yīng)的精密磨床上進(jìn)行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。但是要實(shí)現(xiàn)精密磨削加工，所用的磨床就應(yīng)該滿足以下幾個(gè)基本要求：
（1）高幾何精度。 精密磨床應(yīng)有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度和導(dǎo)軌的直線度以保證工件的幾何形狀精度。主軸軸承可采用液體靜壓軸承、短三塊瓦或長(zhǎng)三塊瓦油膜軸承，整體度油楔式動(dòng)壓軸承及動(dòng)靜壓組合軸承等。當(dāng)前采用動(dòng)壓軸承和動(dòng)靜壓軸承較多。主軸的徑向圓跳動(dòng)一般應(yīng)小于1um，軸向圓跳動(dòng)應(yīng)限制在（2-3）um以內(nèi)。
（2）低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導(dǎo)程要求（10-15）mm/min，因此工作臺(tái)必須低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，要求無(wú)爬行和無(wú)沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。
（3）減少振動(dòng)。 精密磨削時(shí)如果產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響。故對(duì)于精密磨床，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮減少振動(dòng)。
（4）減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會(huì)達(dá)到總誤差的50％，故機(jī)床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)精密磨削的主要障礙。
1.1.3 平面磨削和端面平面磨床
（1）平面磨削
在平面磨削過(guò)程中，工件是安裝在兩頂尖的中心之間，砂輪旋轉(zhuǎn)是引起切削旋轉(zhuǎn)的主要來(lái)源和原因。基本的平面磨削方法有兩種，即橫磨法磨外圓和縱磨法磨外圓，如圖1－1和圖1－2所示。
事實(shí)上，平面磨削可以通過(guò)其他以下幾種方法來(lái)實(shí)施。
1）傳遞方法：在這種方法中，磨削砂輪和工件旋轉(zhuǎn)以及徑向進(jìn)給都應(yīng)滿足所有的整個(gè)長(zhǎng)度，切削的深度是由磨削砂輪到工件的縱向進(jìn)給來(lái)調(diào)整的。
2）沖壓切削方法：在這種方法中，磨削是通過(guò)砂輪的縱向進(jìn)給和無(wú)軸向進(jìn)給來(lái)完成的，正如我們所看到的，只有在表面成為圓柱的寬度比磨削輪磨損寬度短時(shí)，這種方法才能完成。
圖1.1 橫磨法磨外圓
圖1.2 縱磨法磨外圓
3）整塊深度切削方法：除了在磨削過(guò)程中，要進(jìn)行間隙調(diào)整外，這種方法與傳遞方法很相似，同時(shí)這種方法具有代表性，除了磨削短而粗的軸。
（2）端面平面磨床及其特點(diǎn)
端面平面磨床是平面磨床的一種變形機(jī)床，它宜于大批量磨削帶肩的軸類工件，有較高的生產(chǎn)率。它的特點(diǎn)如下：
1）這種磨床的布局形成和運(yùn)動(dòng)聯(lián)系與平面磨床相似，只是砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度（通常10°，15°，26.23°，30°，45°），如圖1－3所示，數(shù)控端面平面磨床MKS1632A的砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜30°。為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向切入，一次磨削工件外圓和端面。
2）由于它適用于大批量生產(chǎn)，所以具有自動(dòng)磨削循環(huán)，完成快速進(jìn)給（長(zhǎng)切入）-粗磨-精磨-無(wú)花磨削。由定程裝置或自動(dòng)測(cè)量控制工件尺寸。
3）裝有砂輪成型修整器，按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪，為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全，一般具有軸向?qū)Φ堆b置。
圖1.3 砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度
1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)
隨著機(jī)械產(chǎn)品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應(yīng)用增多，磨削加工技術(shù)正朝著超硬度磨料磨具、開(kāi)發(fā)精密及超精密磨削（從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動(dòng)化磨床等方向發(fā)展[4]，如用于超精密磨削的樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4μm、磨削精度高達(dá)0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達(dá)400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際生產(chǎn)中常用的砂輪線速度為（40－60）m/s；從精度上看，定位精度＜2μm，重復(fù)定位精度≤±1μm的機(jī)床已越來(lái)越多；從主軸轉(zhuǎn)速來(lái)看，8.2kw主軸達(dá)60000r/min，13kw達(dá)42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。
北京第二機(jī)床廠引進(jìn)日本豐田工機(jī)公司先進(jìn)技術(shù)并與之合作生產(chǎn)的GA（P）62－63數(shù)控外圓/數(shù)控端面平面磨床，砂輪架采用原裝進(jìn)口，砂輪線速度可達(dá)60m/s，砂輪架主軸采用高剛性動(dòng)靜壓軸承提高旋轉(zhuǎn)精度，采用日本豐田工機(jī)公司GC32－ECNC磨床專用數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)二軸（X和Z）到四軸（X、Z、U和W）控制。
此外，對(duì)磨床的環(huán)保要求越來(lái)越高，絕大部分的機(jī)床產(chǎn)品都采用全封閉的罩殼，絕對(duì)沒(méi)有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機(jī)和切削液處理機(jī)系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)環(huán)保越來(lái)越高的要求。
1.3 本課題的設(shè)計(jì)目的和意義
設(shè)計(jì)目的：發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體對(duì)其平面度要求十分嚴(yán)格，用專用磨床加工可確保其加工質(zhì)量。
設(shè)計(jì)意義：氣缸體作為重要的工藝要求精密的零部件，其外表面的粗糙度一直是制約產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)瓶頸問(wèn)題，如何能使氣缸體的表面粗糙度和平面度達(dá)到技術(shù)要求，因此設(shè)計(jì)一臺(tái)用于氣缸體表面加工用的專用磨床。
第2章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 基本參數(shù)和設(shè)計(jì)內(nèi)容
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，本氣缸體專用平面磨床的設(shè)計(jì)基本參數(shù)如下。
電動(dòng)機(jī)功率：2.8kW
主軸轉(zhuǎn)速：2800rpm
磨頭行程：垂直方向260mm，縱向840mm
磨削頭砂輪直徑：250mm
該磨床的總體設(shè)計(jì)包括如下主要內(nèi)容:
（1） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
包含數(shù)控裝置的功能設(shè)計(jì)、元件和部件設(shè)計(jì),程序段格式設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。
（2） 邏輯設(shè)計(jì)
包含運(yùn)算器設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì)。
（3） 機(jī)床主機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
本次設(shè)計(jì)主要對(duì)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.2 磨床總體設(shè)計(jì)
（1）加工零件的工藝分析（表面形狀，尺寸，材料，技術(shù)條件，批量，加工余量等）；
（2）調(diào)查研究和比較國(guó)內(nèi)外同類機(jī)床，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，進(jìn)行改革創(chuàng)新；
（3）圖紙?jiān)O(shè)計(jì)（總圖，部件裝配圖，零件圖，工藝卡，目錄，標(biāo)準(zhǔn)件，外購(gòu)件目錄，鑄件，鍛件目錄，說(shuō)明書(shū)，裝箱單，合格證）；
（4）制造，裝配，調(diào)試；
（5）小批量生產(chǎn)，設(shè)計(jì)改進(jìn)。
2.3 總體設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
（1）保證機(jī)床滿足加工精度要求，剛性、穩(wěn)定性好；
（2）傳動(dòng)系統(tǒng)力求簡(jiǎn)短；
（3）操作調(diào)整方便；
（4）安全保護(hù)，冷卻液供給，回收，廢渣的排除。
第3章 磨床總體布局設(shè)計(jì)
3.1 加工零件
發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體對(duì)其平面度要求十分嚴(yán)格，用專用磨床加工可確保起加工質(zhì)量。氣缸體材料為45#、40cr、球墨鑄鐵等；
3.2 初步估計(jì)組成部分
磨床的主要組成包括：a.床身；b.工作臺(tái)面；c頭架；d尾架；e砂輪架；f 修整器；g 測(cè)量裝置；h 砂輪進(jìn)給電機(jī)；I 修整器進(jìn)給電機(jī)；j 電器框；k工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)；l 工件旋轉(zhuǎn)電機(jī)；m 潤(rùn)滑冷卻裝置；n數(shù)控裝置。
3.3 總體布局初步設(shè)計(jì)
確定初步設(shè)計(jì)方案如下。
（1）T型床身；
（2）工作臺(tái)移動(dòng)；
（3）工作臺(tái)型面采用傾斜10°的型面；
（4）砂輪架主軸與床身導(dǎo)軌傾斜30°角；
（5）頭尾架中心線平行；
（6）采用成型砂輪修整器（金剛石滾輪），采用MARPPOS公司軸向，徑向測(cè)量?jī)x；
（7）數(shù)控系統(tǒng)的四坐標(biāo)軸
X軸：砂輪架進(jìn)給 Y軸：修整器進(jìn)給
Z軸：工作臺(tái)移動(dòng) W軸：工件旋轉(zhuǎn)
各軸采用交流伺服電機(jī)，通過(guò)精密無(wú)間隙彈性連軸器直接與滾珠絲桿相連；
（8）液壓油箱單獨(dú)（減小熱變形，簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，便于維修）；
（9）電器框與機(jī)床采用空中走線；
（10）機(jī)床前防護(hù)罩采用全封閉結(jié)構(gòu)。
3.4 縱向與橫向尺寸的確定
（1）縱向尺寸
①工件最大長(zhǎng)度 ；
②頭架長(zhǎng)度 ；
③尾架長(zhǎng)度 ；
④上臺(tái)面長(zhǎng)度 ；
⑤下臺(tái)面長(zhǎng)度 ；
⑥床身長(zhǎng)度 ；
⑦后床身長(zhǎng)度 （考慮砂輪架和修整器大小按經(jīng)驗(yàn)給定）；
⑧整個(gè)床身寬度 （視覺(jué)效果）；
⑨砂輪架中心與機(jī)床床身對(duì)稱線相距
圖3.1 磨床縱向尺寸
（2）橫向尺寸
1）畫(huà)出橫向尺寸床身的V型導(dǎo)軌作為橫向尺寸的基準(zhǔn)，畫(huà)出床身的平面導(dǎo)軌作為高度尺寸的基準(zhǔn)線，根據(jù)確定的工作臺(tái)參數(shù)，導(dǎo)軌參數(shù)B1’，B2’中心畫(huà)出左視圖。
2）確定上、下工作臺(tái)厚度和寬度
（a）厚度：用類比法
上工作臺(tái) 中心 ?。?.1）
下工作臺(tái) 中心 （3.2）
為工作臺(tái)導(dǎo)軌的中心距，工作臺(tái)導(dǎo)軌選用8075250
取 =0.3250=75mm
=0.38250=95mm
（b）寬度
（3.3）
∵ ∴
∵ ∴
3）確定頭，尾架頂尖中心位置
頂尖中心安排在V型導(dǎo)軌的中心線上，這樣有利于磨削最小直徑工件的，砂輪架趨近于工作臺(tái)不致相碰。缺點(diǎn)是使導(dǎo)軌的承載壓力較大，故常適當(dāng)加寬V型導(dǎo)軌的寬度。
4）確定頭尾架頂尖中心至床身底面的高度H1
左右[1]
根據(jù)工人身高，經(jīng)驗(yàn)。類比取
5）工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心位置B9
6）確定機(jī)床總高H
所以H取2000mm。
3.5 砂輪架相關(guān)尺寸設(shè)計(jì)
（1）砂輪架導(dǎo)軌（V—平導(dǎo)軌）10090400[1]
考慮到砂輪的大小及重量與砂輪架的穩(wěn)定性，取L`中心=500mm，從而可定出砂輪架的寬度約為600mm，導(dǎo)軌為0.15MPa 的卸荷導(dǎo)軌。
圖3.2 砂輪架的導(dǎo)軌
（2）砂輪架橫向行程長(zhǎng)度
（3.4）
式中為砂輪架快速進(jìn)退的行程，一般取。此處取。
（3.5）
安全系數(shù)取0.1足夠。
（取373）
（3）砂輪架高度和長(zhǎng)度
砂輪架箱體導(dǎo)軌的高度h3，砂輪底板滑臺(tái)高度h4，砂輪中心距砂輪底面高度h5，與后床身頂面至平導(dǎo)軌的高度h0，為避免上、下工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)與箱體相碰，安裝在后床身上的墊板頂面需低于上下工作臺(tái)的頂面，同時(shí)考慮橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)穿過(guò)床身的位置等，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)
① 取
②砂輪架中心距后床身頂面
③砂輪架底座安裝修整器，內(nèi)有傳動(dòng)絲桿
取
④后床身進(jìn)給導(dǎo)軌內(nèi)裝絲桿
取
圖3.3 砂輪架的高度和寬度
⑤砂輪架底板長(zhǎng)度：
∴ 取=900mm
⑥砂輪架導(dǎo)軌長(zhǎng)度
∴取
（4）砂輪架主軸電機(jī)的選擇
①用類比法，砂輪架主軸電機(jī)的功率取15kw；
②計(jì)算法 （3.6）
取
3.6 頭架相關(guān)尺寸的確定
①長(zhǎng)×寬×高：440400411mm[1]
②主軸錐孔：莫氏5#錐孔
③中心高： （3.7）
通過(guò)以上計(jì)算頭架中心高取180mm。
④主軸轉(zhuǎn)速 （3.8）
取
⑤交流伺服電機(jī)選擇
用類比法，交流伺服電機(jī)選擇IFT5076-DA(D1 18N-M)電機(jī)。
砂輪磨削工件需要的功率
（3.9）
交流伺服電機(jī)通過(guò)20/38的雙楔齒輪帶傳遞給工件，即
∴合格
⑥主軸不旋轉(zhuǎn)，主軸靠撥盤(pán)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)
3.7 尾架相關(guān)尺寸的確定
①5#莫氏錐孔
②中心高180mm，臺(tái)面傾斜10°
③直線滾動(dòng)導(dǎo)軌
④液壓油缸，頂緊力
3.8 工作臺(tái)
要求上、下臺(tái)面便于調(diào)整頭尾架，便于安裝滾珠螺母。傾斜10°以便于頭尾架定位，冷卻液回流；及使頭尾架不等高時(shí)修刮側(cè)面。
3.9 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)
交流伺服電機(jī)-聯(lián)軸器-滾珠絲桿-砂輪架
壓力卸荷導(dǎo)軌 壓力油0.15Mpa 卸去壓力
V—平導(dǎo)軌
砂輪架行程
3.10 砂輪修整器
伺服電機(jī)-絲桿-修整器
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌
主軸直徑D=50mm，采用液體動(dòng)壓軸承(16r/min 6.3Mpa)
修整速度=
修整器直徑 故
修整器行程為160mm
3.11 液壓系統(tǒng)
①修整器；②尾架；③量?jī)x（兩個(gè)）；④潤(rùn)滑油；⑤床身導(dǎo)軌；⑥砂輪架卸荷導(dǎo)軌；⑦絲桿；⑧直線滾動(dòng)導(dǎo)軌；⑨間歇。
3.12 電氣部分
SIMENS 810G，控制五坐標(biāo)軸，砂輪架主軸。
3.13 機(jī)床保護(hù)系統(tǒng)
①靜壓供油系統(tǒng) 壓力繼電器 壓差發(fā)訊器
液壓控制器 電路延時(shí)
②尾架伸縮油缸靜壓供油系統(tǒng)：設(shè)置自動(dòng)循環(huán)電路，可手動(dòng)，也可用于腳踏。當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于互鎖裝置，使起無(wú)效。
③油箱液壓控制
④數(shù)控系統(tǒng)（在各坐標(biāo)軸）自診斷與保護(hù)功能
如：電池電壓低 程序錯(cuò)誤
⑤各坐標(biāo)軸由行程開(kāi)關(guān)控制最大位移量
⑥安全防護(hù)罩（砂輪罩，機(jī)床前罩）全封閉式
⑦導(dǎo)軌面保護(hù)
Ⅰ 工作臺(tái)導(dǎo)軌：不銹鋼可伸縮防護(hù)罩
Ⅱ 砂輪架導(dǎo)軌：㈠前部：翻板式護(hù)罩+橡皮（防水）；㈡后罩：鋼罩。
Ⅲ 修整器導(dǎo)軌：折疊式
第4章 部件設(shè)計(jì)（砂輪架）
4.1 砂輪架設(shè)計(jì)的基本要求
砂輪架是磨床上用來(lái)帶動(dòng)砂輪作高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，主要由傳動(dòng)部件和主軸軸承部分組成，主軸與軸承是砂輪架的主要組成部分，因此對(duì)砂輪架設(shè)計(jì)提出的基本要求也是針對(duì)主軸軸承部分的。
砂輪架設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)基本要求[1]：
1.主軸旋轉(zhuǎn)精度高，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定；
2.主軸軸承系統(tǒng)剛性好；
3.振動(dòng)小，發(fā)熱低，不漏油；
4.裝配制造簡(jiǎn)單，調(diào)整維修方便。
4.2 主軸旋轉(zhuǎn)精度及其提高措施
1.砂輪架旋轉(zhuǎn)精度是指主軸前端的徑向跳動(dòng)和軸向躥動(dòng)大小，它直接影響工件的表面粗糙度和表面缺陷。一般端面平面磨床砂輪架允許的徑向和軸向跳動(dòng)允許誤差取5μm~10μm。
2.提高主軸旋轉(zhuǎn)精度的措施
（1）選擇合適的主軸軸承：動(dòng)靜壓軸承；
（2）提高主軸的加工精度；
（3）正確選擇主軸軸向止推方式：液體靜壓推力軸承。
4.3 主軸軸承系統(tǒng)的剛性
主軸軸承系統(tǒng)的剛性是指在磨削力或傳動(dòng)力作用下，主軸軸承抵抗變形的能力。通常以主軸前端的撓度來(lái)度量。過(guò)低的剛性會(huì)降低磨削生產(chǎn)率、加工精度和工件表面的粗糙度，引起直波形和螺旋線缺陷。
4.4 砂輪架主軸初步設(shè)計(jì)
1. 砂輪架主軸的強(qiáng)度校核
進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況采取相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對(duì)砂輪架主軸來(lái)說(shuō)，由于采用了卸荷皮帶輪裝置，砂輪架主軸主要承受扭矩，應(yīng)該按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，且在選取許用應(yīng)力時(shí)應(yīng)該選取較小值。砂輪架主軸材料采用42MnVB，并進(jìn)行淬火，故選取許用應(yīng)力為40MP。
軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為
（4.1）
——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（單位為MP）
—— 軸所受扭矩（單位為）
—— 軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)（單位為）
—— 軸傳遞的功率（單位為KW）
—— 軸的轉(zhuǎn)速（單位為r/mm）
—— 計(jì)算界面處的直徑（單位為mm）
—— 許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（單位為r/mm）
由上式可得軸的直徑為
（4.2）
mm
由上述計(jì)算可以得知砂輪架最小直徑為31.02mm，考慮到砂輪架的剛度等因素，取主軸的最小直徑為60mm。砂輪架主軸的尺寸如圖4－1所示。
圖4.1 砂輪架主軸尺寸示意圖
4.5 主軸剛度校核
1.當(dāng)量直徑
因?yàn)槭请A梯軸，所以用當(dāng)量直徑法作近似計(jì)算當(dāng)量直徑為：
（4.3）
L=140+640+20+32+10=932mm
= 89.36mm
2.允許撓度
允許撓度[y]=0.0002L < 0.0002*660=0.132mm
3、計(jì)算主軸前端撓度值
[1] （4.4）
——載荷（單位為公斤）（150/9.8）
—— 軸兩端的跨距（單位為厘米）（66.00）
—— 懸伸長(zhǎng)度（單位為厘米）（13.2）
—— 材料的彈性模數(shù)（單位為公斤/平方厘米）（21.02）
—— 截面慣性矩（平方厘米）
= 0.001cm = 0.01mm
又因?yàn)閇y]=0.135，0.01<0.135，即< [y]，由上述校核可以得知，主軸剛度符合要求。
一般存在一個(gè)使主軸前端撓度最小，即剛性最好的支承跨距L。由經(jīng)驗(yàn)得知，L為（3~6）D時(shí)，主軸前端撓度最小，D=120mm，L為360~720mm，取L為640mm。
4.6 動(dòng)靜壓軸承
靜壓軸承是利用外部油源產(chǎn)生承載能力的油膜軸承，動(dòng)靜壓混合軸承是一種既綜合了液體動(dòng)壓和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩著缺點(diǎn)的新型多油楔油膜軸承。它利用靜壓軸承的節(jié)流原理，使壓力油腔中產(chǎn)生足夠大的靜壓軸承載力，從而克服了液體動(dòng)壓軸承啟動(dòng)和停止時(shí)出現(xiàn)的干摩擦造成主軸與軸承磨損現(xiàn)象，提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持性；軸承油腔大多采用淺腔結(jié)構(gòu)，在主軸啟動(dòng)后，依靠淺腔階梯效應(yīng)形成的動(dòng)壓承載力和靜壓承載力疊加，大大地提高了主軸承載能力，而多腔對(duì)置結(jié)構(gòu)又極大地增加了主軸剛度；高壓油膜的均化作用和良好的抗振性能，保證了主軸具有很高旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。
它的優(yōu)點(diǎn)如下：
1.速度和載荷范圍廣，應(yīng)用范圍廣。動(dòng)靜壓軸承在零件轉(zhuǎn)速到很高的范圍內(nèi)的各種相對(duì)速度下都能承載，而且載荷范圍大，其承載能力取決于供油壓力，軸承軸頸結(jié)構(gòu)和相對(duì)大??；
2.油膜剛度高，阻尼大，抗振性好;
3.摩擦阻力，磨損小.由于總有一層油膜將相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面隔開(kāi)，因此摩擦阻力小，磨損小，能長(zhǎng)期保持很高的運(yùn)動(dòng)精度，壽命長(zhǎng).且對(duì)軸承軸頸材料要求也較低;
4.主軸回轉(zhuǎn)精度高.動(dòng)靜壓軸承中靜壓油膜具有良好的糾正軸和軸向跳動(dòng);
5.安全性好.在萬(wàn)一供油受阻或切斷時(shí)，可利用軸承中動(dòng)壓效應(yīng)來(lái)承載;
6.承載能力高.由于動(dòng)壓效應(yīng)，使軸承轉(zhuǎn)速越高承載能力越大，同時(shí)軸承還能承受方向不斷變化的動(dòng)載及瞬時(shí)過(guò)載;
7.穩(wěn)定性好.
8.使用較經(jīng)濟(jì).由于動(dòng)靜壓軸承高速下主要靠動(dòng)壓承載，故這時(shí)供油壓力可相對(duì)較小，軸承可設(shè)計(jì)成較小軸頸，軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造精度和材料要求不高。
動(dòng)靜壓軸承需要一套供油系統(tǒng)，潤(rùn)滑油要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格過(guò)濾以保持清潔。目前廣泛應(yīng)用的是定壓供油系統(tǒng)。一定壓力的壓力油，經(jīng)節(jié)流器流入兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)體間的油腔，通過(guò)油腔壓力來(lái)平衡外載荷。在定壓供油系統(tǒng)中，節(jié)流器是關(guān)鍵部分，它起著限制流入油腔流量的阻尼作用，使油腔壓力僅隨外載荷的變化而變化。靜壓軸承常用的固定節(jié)流器有毛細(xì)管和小孔節(jié)流器兩種。本次設(shè)計(jì)選用毛細(xì)管節(jié)流器。
動(dòng)靜壓軸承廣泛用于高速精密設(shè)備中.目前，在改造舊精密磨削設(shè)備方面，用得較多的是北京中航設(shè)備改造廠的WMB型表面節(jié)流液體動(dòng)靜壓混合軸承。
砂輪架主軸的軸向定位采用軸向止推靜壓軸承。軸向止推軸承由兩個(gè)相對(duì)的環(huán)形油腔構(gòu)成。軸上具有臺(tái)肩以形成承載面。軸承的間隙通過(guò)修磨調(diào)整墊圈的厚度來(lái)保證。
4.7 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)
為了提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度，皮帶輪不直接裝在主軸上，而是裝在單獨(dú)的支架上，并用花鍵套帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，即采用卸荷皮帶輪的方案，如圖4－2所示。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是減少了主軸的變形，同時(shí)還提高了承載能力。
圖4.2 卸荷皮帶輪
1.電動(dòng)機(jī)的選擇
= （2.35~8.82）+3.8 = 12.62kw
通過(guò)以上計(jì)算，取=15kw，選擇Y100L—4型電動(dòng)機(jī)
2.皮帶設(shè)計(jì)
因?yàn)槎嘈◣Ъ嬗蠽帶和平帶的優(yōu)點(diǎn)，外輪廓尺寸小，比V型帶傳動(dòng)平穩(wěn)，所以皮帶采用多楔帶[5]。多楔帶以平帶為基體，內(nèi)表面有等距離縱向楔型的環(huán)形帶傳動(dòng)。工作面為楔側(cè)面，有橡膠和聚氨酯兩種[5]。
1）皮帶材料的選用
皮帶材料選用聚氨酯。
2）設(shè)計(jì)計(jì)算
已知小帶輪轉(zhuǎn)速，即 =1500r/min，傳動(dòng)比i=2.5；
（1）計(jì)算功率
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8.7查得，工作情況系數(shù)為1.1，故
（4.5）
（2）由和選擇帶型
由于=16.5kw，=1500r/min，查表后可知，取帶型為L(zhǎng)型。
（3）確定帶輪基準(zhǔn)直徑
由《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表4—43，取主動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑=80mm。
，由此得。
（4）驗(yàn)算帶速
（4.6）
= 6.28 m/s < 30 m/s，所以帶速合格。
（5）初定軸向間距
由公式（4－5）
0.7（+）< < 2（+）， （4.7）
可知196< < 560，取=400。
（6）所需基準(zhǔn)帶長(zhǎng)
（4.8）
=1248.82mm
由《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表4—5，取相近的基準(zhǔn)帶長(zhǎng)= 1250 mm[6]。
（7）實(shí)際軸向間距
（4.9）
= 401.18mm
所以皮帶的實(shí)際軸向間距?。?01mm。
（8）多楔帶每楔的基本額定功率
由《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》表4—40，可以查得＝0.34kw。
（9）小帶輪的包角
（4.10）
＝162.85°
（10）多楔帶楔數(shù)的確定
（4.11）
其中
查表得，
，代入的計(jì)算公式中，得＝0.849kw。
又已知＝0.955，＝1.00，得：
由此可以確定，取Z＝15。
3.帶輪設(shè)計(jì)
1）帶輪設(shè)計(jì)的要求：
（1）質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)工藝性好，無(wú)過(guò)大的鑄造應(yīng)力；
（2）質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)速高時(shí)要經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡校證；
（3）槽輪工作面要經(jīng)過(guò)精細(xì)加工，以減少帶的磨損；
（4）輪槽的尺寸和角度應(yīng)有一定的精度，以使載荷分布均勻。
2）帶輪的材料選用
帶輪的材料選用HT200。
3）帶輪的結(jié)構(gòu)
（1）小帶輪直徑（d為軸的直徑），所以采用實(shí)心式。
（2）大帶輪< 300，所以采用腹板式結(jié)構(gòu)。
4）小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
圖4.3 小帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
（4.12）
其中——帶輪的外徑，
——軸的直徑，
——基準(zhǔn)線上槽深。
（4.13）
，圓整后得＝165mm
（4.14）
， （4.15）
其中——多楔帶的楔數(shù)，
——多楔帶的槽間距，
——第一槽對(duì)稱面到端面的距離。
5）大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
圖4.4 大帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
4.花鍵套的選用
由軸端直徑Φ60選用內(nèi)花鍵套：8×62H7×78H10×12H11GB1144-87，如圖
圖4.5 內(nèi)花鍵套的結(jié)構(gòu)尺寸
第5章 床身與導(dǎo)軌
本章進(jìn)行磨床床身與導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。
5.1 床身設(shè)計(jì)
5.1.1 床身結(jié)構(gòu)的基本要求
機(jī)床的床身是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支承件,一般用來(lái)放置導(dǎo)軌等重要部件。為了滿足數(shù)控機(jī)床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動(dòng)化的要求，與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床應(yīng)有更高的靜、動(dòng)剛度，更好的抗振性。數(shù)控機(jī)床床身主要在下面四個(gè)方面提出了更高的要求。
1.很高的精度和精度保持性
在床身上有很多安裝部件的加工面和運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面,這些面本身的精度和相互位置精度要求都很高,而且要能長(zhǎng)時(shí)間保持.另外,機(jī)床在切削加工時(shí),所有動(dòng)、靜載荷最后往往都傳到床身上，所以，床身上的受力很復(fù)雜。為此，為保證零部件之間的相互位置或相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度，處滿足幾何尺寸位置等精度要求外，還要滿足靜、動(dòng)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性和工藝等方面的技術(shù)要求。
2. 應(yīng)具有足夠的靜、動(dòng)剛度
靜剛度包括：床身的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施，最后達(dá)到有較高的剛度—質(zhì)量比。
動(dòng)剛度直接反映機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性，為了保證機(jī)床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動(dòng)及自激振動(dòng)的能力，可以通過(guò)適當(dāng)增加阻尼，提高固有頻率等措施避免共振及因薄臂振動(dòng)而產(chǎn)身的噪聲。
3. 較好的熱穩(wěn)定性
控機(jī)床來(lái)說(shuō)，尤其是高精度數(shù)控機(jī)床，熱穩(wěn)定性已成為一個(gè)突出的問(wèn)題，必須在設(shè)計(jì)上要作到使整機(jī)的熱變形較小，或使熱變形對(duì)加工精度的影響較小。
4.高的強(qiáng)度和耐磨性
通常床身在抵抗外負(fù)載荷而不超過(guò)允許的變形情況下，都具有足夠的強(qiáng)度。但是，對(duì)于外負(fù)載荷比較大而變形要求不大的部位，仍有注意其強(qiáng)度的情況。至于床身與運(yùn)動(dòng)部件相接觸的部位，即導(dǎo)軌處，要求有良好的耐磨性。
5.1.2 床身的結(jié)構(gòu)
該次設(shè)計(jì)的數(shù)控磨床的Z向運(yùn)動(dòng)是垂直與工作臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng).這種結(jié)構(gòu)的床身有固定立柱和移動(dòng)立柱兩種方式由于后者加工制造不方便,加上本次設(shè)計(jì)的數(shù)控磨床屬于中型機(jī)床,故采用固定立柱式。
5.1.3 床身的截面形狀
為了在較小質(zhì)量下獲得高的靜剛度和適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率，該機(jī)床的床身采用帶有對(duì)角筋的箱體結(jié)構(gòu)。對(duì)角筋截面可明顯床身的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設(shè)計(jì)成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。
5.1.4 鋼板焊接結(jié)構(gòu)
該機(jī)床的床身采用鋼板直接焊接而成。焊接結(jié)構(gòu)床身的突出優(yōu)點(diǎn)是制造周期短。一般比鑄鐵快1.7～3.5倍。省去了制作木摸和鑄造工序，不易出廢品。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，便于產(chǎn)品更新、改進(jìn)結(jié)構(gòu)。焊接件能達(dá)到與鑄件相同，甚至更好的結(jié)構(gòu)特性，可提高抗彎截面慣性矩，減小質(zhì)量。采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)能夠按剛度要求布置筋板的形式，充分發(fā)揮臂板和筋板的承載和抗變形作用。另外，焊接床身采用鋼板，其彈性摸量E為MPa，而鑄鐵的彈性摸量E為MPa，兩者幾乎相差一倍。因此采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)床身有利于提高固有頻率。
5.1.5 箱體封沙結(jié)構(gòu)
床身封沙結(jié)構(gòu)是利用筋板隔成封閉箱體結(jié)構(gòu)。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的床身，在床身內(nèi)腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，當(dāng)振動(dòng)時(shí)，利用相當(dāng)摩擦來(lái)耗散振動(dòng)能量。利用沙粒良好的吸振性能，可以提高機(jī)構(gòu)件的阻尼比。提高床身結(jié)構(gòu)的靜剛度，有剛度和質(zhì)量關(guān)系式K=(為系統(tǒng)無(wú)阻尼振動(dòng)時(shí)的固有頻率)可以看出增加質(zhì)m可以提高靜剛度.封沙結(jié)構(gòu)降低了床身的重心,有利于床身機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性,可提高床身的抗彎和抗扭剛度。
5.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
5.2.1 對(duì)導(dǎo)軌的要求
對(duì)導(dǎo)軌的要求,納起來(lái)有下列幾點(diǎn):
1. 要有一定的導(dǎo)向精度 2.要有良好的耐磨性
3.要有足夠的剛度 4.要減少熱變形影響
5.要使運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn) 6.要有一定的工藝性
5.2.2 滑動(dòng)導(dǎo)軌
導(dǎo)軌按照接觸面的摩擦情況而言.可分為:滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等三大類型。該次設(shè)計(jì)的數(shù)控磨床采用滑動(dòng)導(dǎo)軌。
滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造方便，承載面積大，接觸剛度好，抗振性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)?；瑒?dòng)導(dǎo)軌一般用于定位精度要求不高的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，本次設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，因?yàn)橛辛朔答佅到y(tǒng)，導(dǎo)軌的定位精度，由于誤差進(jìn)行補(bǔ)償而不受影響，故采用滑動(dòng)導(dǎo)軌。
5.2.3 貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌
滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，接觸剛度大的優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動(dòng)靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。因此，采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。
本次設(shè)計(jì)采用的塑料導(dǎo)軌是聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶。
1. 聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的特點(diǎn)
摩擦性好:鑄鐵淬火導(dǎo)軌副的靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)相差較大,幾乎是相差一倍.而金屬聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)基本不變。這種良好的摩擦性能可防止低速爬行，是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)并獲得較高的定位精度。
耐磨性好：處摩擦系數(shù)低外，聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶材質(zhì)中含有青二硫化鉬和石墨，因此，本身即具有潤(rùn)滑作用，對(duì)潤(rùn)滑油的供油量要求不高，采用間歇式供油即可。此外，塑料質(zhì)地較軟，即便是嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不至損傷金屬導(dǎo)軌面和軟帶本身，可延長(zhǎng)導(dǎo)軌副的使用壽命。
減振性好：塑料有很好的阻尼性，其減振消聲的性能對(duì)提高摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有很大的意義。
工藝性好：可降低對(duì)粘貼塑料的金屬導(dǎo)軌基體的硬度和表面質(zhì)量要求，而且塑料易于加工，使導(dǎo)軌副接觸面獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量。
此外，還有化學(xué)穩(wěn)定性好，維修方便，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。
2. 導(dǎo)軌軟帶使用工藝
首先將導(dǎo)軌粘貼面加工至表面粗糙度Ra3.2～1.6，有時(shí)為了起定位作用，導(dǎo)軌粘貼面加工成0.5mm到1mm深的凹槽.用汽油或金屬清洗或丙酮清洗導(dǎo)軌粘貼面后,用膠粘劑粘合導(dǎo)軌軟帶,加壓初固化1～2h后再合攏到配對(duì)的固定導(dǎo)軌上施加一定的壓力,并在室溫固化24h,取下清除余膠,即可開(kāi)油槽和進(jìn)行精加工,由于這類導(dǎo)軌用粘貼方法,習(xí)慣上稱為“貼塑導(dǎo)軌”。
5.2.4 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)
該機(jī)床的X方向和Z方向?qū)к壘捎镁匦螌?dǎo)軌，以為這種導(dǎo)軌制造維修方便，承載能力大，新導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，使用一段時(shí)間后可通過(guò)鑲條調(diào)節(jié)，以滿足導(dǎo)向精度。Y方向采用V形導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌導(dǎo)向精度高，導(dǎo)軌磨損后靠自重下沉自動(dòng)補(bǔ)償。下導(dǎo)軌采用凹型的，可以便于存油，頂角采用90。
5.2.5 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
該磨床作用在運(yùn)動(dòng)件上的推力平行與運(yùn)動(dòng)件的軸線。為了運(yùn)動(dòng)件不被卡死，且保證運(yùn)動(dòng)靈活，矩形導(dǎo)軌需h/L<2,V形導(dǎo)軌需h/L<1. 其中h和L分別為推力F到軸線的距離和導(dǎo)軌的寬度。該次設(shè)計(jì)中，矩形導(dǎo)軌，h=75mm，L=470mm，
h/L=0.16＜2 滿足要求。V 形導(dǎo)軌，h=115mm，L=440mm，
h/L=0.26＜1，滿足要求。
5.2.6 導(dǎo)軌的材料
塑料導(dǎo)軌用在導(dǎo)軌副的動(dòng)導(dǎo)軌上,與其相配的導(dǎo)軌采用鑄鐵,組成鑄鐵－塑料導(dǎo)軌副.鑄鐵采用耐磨鑄鐵,牌號(hào)是HT3054,表面淬火硬度為HRC45～55,淬火層深度規(guī)定經(jīng)摩削后保留1.0～1.5mm.
第6章 主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
6.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床的主傳動(dòng)要求外,還提出如下要求:
1.具有更大的調(diào)速范圍,并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。
數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。對(duì)于自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床，工序集中工件一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。
2.具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。
數(shù)控機(jī)床加工精度的提高與主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動(dòng)件的精度與剛度，采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。
3.良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。
數(shù)控機(jī)床一般即要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動(dòng)部件不平穩(wěn)以及切削過(guò)程中的自振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件，使加工無(wú)法進(jìn)行。因此主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動(dòng)的能力抗震性。抗震性用動(dòng)剛度或動(dòng)柔度來(lái)衡量。例如主軸組件的動(dòng)剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度，阻尼比及固有頻率等參數(shù)。
機(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之間的相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低傳動(dòng)效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過(guò)保持合適的配合精度，并進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑保持熱平衡等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。
6.2 主傳動(dòng)變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
該平面磨床需要自動(dòng)變速，且在切削階梯軸的不同直徑，切削曲線旋轉(zhuǎn)面和端面時(shí)，需隨切削直徑的變化而自動(dòng)變速，以維持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無(wú)級(jí)變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又利于提高切削效率。無(wú)級(jí)調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，該次設(shè)計(jì)的數(shù)控磨床采用交流調(diào)速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無(wú)級(jí)調(diào)速。電機(jī)通過(guò)一級(jí)高速帶帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，完成切削運(yùn)動(dòng)。
6.3 選擇主軸電機(jī)
1. 主軸轉(zhuǎn)速范圍
該數(shù)控磨床的磨頭選擇為圓頭錐磨頭和碟形磨頭。
當(dāng)選用碟形磨頭時(shí)，
切削速度v=（25～30）m/s 刀具直徑D=（75～120）mm
主軸轉(zhuǎn)速：
n1===3980r/min
n2===8913r/min
當(dāng)選用圓頭錐磨頭時(shí)，
切削速度v=（10～12.5）m/s 刀具直徑D=（16～35）mm
主軸轉(zhuǎn)速：n1===5457r/min
n1===14920r/min
所以主軸轉(zhuǎn)速范圍n=（3980～14920）r/min
2.傳動(dòng)比i
主軸與電動(dòng)機(jī)通過(guò)一級(jí)高速帶傳動(dòng),傳動(dòng)比i=0.5
3.電機(jī)轉(zhuǎn)速 no=in=(1990～7460)r/min
所以選電機(jī)的轉(zhuǎn)速no=2000r/min
4.切削功率pc
工作臺(tái)單行程的磨削深度進(jìn)給量
S===0.08mm/行程
v—工件的運(yùn)動(dòng)速度 v=5m/min
K=1.0 (尺寸精度為0.03mm,加工余量h=0.35mm)
K=1.0 (工件材料為淬火鋼,磨頭直徑D≤500mm)
==120mm
—工件磨削表面的實(shí)際總面積(36000mm)
L—工作臺(tái)的行程長(zhǎng)度(300mm)
根據(jù)上述數(shù)據(jù),查《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)》可得:
切削功率pc=6.15kw
5. 主傳動(dòng)功率 ===7.2kw
—主傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率(0.75～0.85)
6.電機(jī)額定功率 P=/K=7.2/1.1=6.5kw
K—工況系數(shù) 取1.1 查表得額定功率P=7.0kw
7.結(jié)果：
交流
主軸
電機(jī)
型號(hào)
連續(xù)
負(fù)載
P/kw
間隙負(fù)載(60%)
/kw
短時(shí)
負(fù)載
(30min)/kw
額定轉(zhuǎn)速
r/min
最大轉(zhuǎn)速 r/min
額定轉(zhuǎn)矩M
N.m
慣性矩J
Kg/m
晶體管PWM變頻器型號(hào)
1HP6
103-
4CG4
7.0
8.6
8.8
2000
9000
33
0.017
6SC6503
-4AA02
1HP6系列交流主軸電機(jī)是四籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī),這類電動(dòng)機(jī)與SIMODRIVE6500晶體管PWM變頻器配套開(kāi)發(fā),電動(dòng)機(jī)的損耗和噪音都明顯減低。主軸電機(jī)有安裝在非驅(qū)動(dòng)端的風(fēng)扇電獨(dú)冷卻，由于單獨(dú)冷卻的結(jié)果，電動(dòng)機(jī)即使在靜止時(shí)。也能提供全轉(zhuǎn)矩，標(biāo)準(zhǔn)型的電動(dòng)機(jī)的冷卻空氣是從驅(qū)動(dòng)端流向非驅(qū)動(dòng)端。由SIMODRIBVE6500晶體管PWM變頻器與1HP6交流主軸電機(jī)組成的交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提供一個(gè)適合與不受限制的四象限操作，帶有反饋制動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
6.4 高速帶的設(shè)計(jì)計(jì)算
主軸電機(jī)與主軸之間采用高速帶直接聯(lián)接。
1.選擇帶型
由于要求傳動(dòng)可靠,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),并有一定的壽命,所以都采用重量輕、厚度薄而均勻、曲撓性好的環(huán)形平帶作為高速帶。根據(jù)和n選擇A型帶(3槽)。
2.小帶輪直徑 +2=75+2×4=83mm
取標(biāo)準(zhǔn),=90mm
3.帶速
==71.8m/s
==19.2m/s
4.大帶輪直徑
==180mm
5.中心距
得 189≤a≤540
取a=255mm
6.帶長(zhǎng)
L==
=932mm
7.小帶輪包角 =
=> 合格
8.撓曲次數(shù)
==150<200合格
所以選高速帶的種類為薄型綿綸片復(fù)合平帶。
9．帶厚 ～＝（2.25～3）
取標(biāo)準(zhǔn)，帶厚為3mm
10．帶寬b
傳遞功率Ｐ＝7.0kw
工況系數(shù) 拉力計(jì)算系
包角修正系數(shù) 傳動(dòng)布置系數(shù)
傳動(dòng)比系數(shù) 帶的質(zhì)量
帶的許用拉應(yīng)力
帶的離心拉應(yīng)力＝
所以＝
取b＝26mm
11．作用在軸上的力
帶的預(yù)緊力推薦值為＝
帶的截面積Ａ＝b＝40×2.5＝90
＝
第7章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
7.1 確定硬件電路的總體方案
數(shù)控系統(tǒng)基本組成：任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都是有硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來(lái)有以下四部分組成：主控制器 即中央處理單元CPU；總線 包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）；存儲(chǔ)器 包括可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)可讀存儲(chǔ)器；接口 即I/O輸入/輸出接口電路。
其中CPU是系統(tǒng)的核心，其作用是發(fā)布命令以及協(xié)調(diào)各部分電路。存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)軟件以及運(yùn)行過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)。I/O接口電路是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁。總線則是連接CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口電路的紐帶，是各部分進(jìn)行通信的線路。
除此以外，還需要根據(jù)系統(tǒng)的要求配備一些外圍設(shè)備和信號(hào)變換器。上圖所示的數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。信號(hào)交換電路包括A/D交換、D/A轉(zhuǎn)換等。
7.2 主控制器CPU的選擇
在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下三要素：
時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)（控制數(shù)據(jù)處理速度）；可擴(kuò)展存儲(chǔ)器（ROM/RAM）的容量；指令系統(tǒng)功能是否強(qiáng)（即變成的靈活性）。
I/O擴(kuò)展的能力：
開(kāi)發(fā)手段（包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件電路）。
除此以外，還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合，選擇對(duì)象以及對(duì)各種參數(shù)要求選擇CPU。在一般數(shù)控系統(tǒng)中，最常用MCS-51系統(tǒng)單片機(jī)作為主控制器。本次設(shè)計(jì)將選用8031單片機(jī)。
從上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU、一塊RAM、一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微型機(jī)算計(jì)系統(tǒng)。
7.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
1、程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片采用EPROM芯片。其型號(hào)分別為2716、2732、2764、2756等，其容量分別為2K、4K、16K、32K。在選擇芯片時(shí)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。即8031所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM所要求的時(shí)間。此外，還需考慮最大讀出速度，工作溫度及存儲(chǔ)器的容量。在滿足要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。本控制電路中選用2732存儲(chǔ)芯片，74LS373地址鎖存器。
2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
由于8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，需擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本控制電路選用6264靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
3、譯碼電路
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過(guò)總線與單片機(jī)相聯(lián)。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故需進(jìn)行片選控制，選用74LS138譯碼器。
7.4 I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可供用戶使用的只是一部分。因此，不可避免的要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。
本電路擴(kuò)展了兩個(gè)可變成并行接口芯片8255A。8255A是一個(gè)適用于諸多微機(jī)系列的可編程通用8位輸入/輸出接口芯片?？赏ㄟ^(guò)編程來(lái)改變它的工作方式。通用性強(qiáng)、靈活多變、便于和各種外設(shè)連接。
鍵盤(pán)、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用行列式鍵盤(pán)，即I/O口的線組成行列結(jié)構(gòu)。按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。顯示器為L(zhǎng)ED。鍵盤(pán)和顯示器共用8255A的PA口進(jìn)行控制。在進(jìn)行鍵盤(pán)巡回掃描時(shí)，必須先關(guān)顯示。當(dāng)然有關(guān)鍵盤(pán)和顯示器的工作必須經(jīng)過(guò)軟件協(xié)調(diào)才能達(dá)到預(yù)期的效果。
7.5 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
單片機(jī)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)8255A轉(zhuǎn)向定時(shí)器8253，用來(lái)改變其輸出的脈沖寬度。8253發(fā)出的信號(hào)由電平轉(zhuǎn)換電路變換成雙級(jí)性脈寬調(diào)制信號(hào)，再由有源濾波電路平滑成連續(xù)的電壓信號(hào)，這個(gè)環(huán)節(jié)的作用類似于D/A轉(zhuǎn)換，然后將此電壓信號(hào)送到速度調(diào)節(jié)器，而后再由電流調(diào)節(jié)器送出電流指令值到內(nèi)含PWM調(diào)制電路的PWM功率接口。其中電流反饋和速度反饋均采用模擬電路。
7.6 主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
主軸電機(jī)采用交流電機(jī)，并采用單片機(jī)控制變頻器的閉環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)。
單片機(jī)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的兩級(jí)監(jiān)控管理，協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，并進(jìn)行復(fù)雜的控制決策。控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出至變頻器，變頻器根據(jù)接收到的信號(hào)產(chǎn)生變壓變頻的電源信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量控制模塊可方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)、停止及加減速等功能。A/D模塊接收整流濾波處理后的速度反饋信號(hào)。構(gòu)成調(diào)節(jié)閉環(huán)，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。因此，實(shí)現(xiàn)了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全和運(yùn)行可靠的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。
7.7 越界報(bào)警
為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。一旦某一方向越界，應(yīng)立即停止工作臺(tái)移動(dòng)。為了報(bào)警，可以設(shè)置發(fā)光二級(jí)管。工作時(shí)綠燈亮；有越界信號(hào)時(shí)，紅燈亮，指示工作臺(tái)越過(guò)極限位置。
結(jié) 論
畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的一個(gè)考察,它兼顧了四年中所學(xué)的基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí),因此不同于以前的課程設(shè)計(jì),畢業(yè)設(shè)計(jì)是課程設(shè)計(jì)一個(gè)質(zhì)的飛越.認(rèn)識(shí)到這點(diǎn),我對(duì)待畢業(yè)設(shè)計(jì)的態(tài)度也不敢懶散,一直抱以認(rèn)真謹(jǐn)慎的學(xué)習(xí)態(tài)度.
在接到畢業(yè)設(shè)計(jì)課題后首先要做的就是搜集各方面的資料，以前的課程設(shè)計(jì)都是老師給出的，不用自己去煩惱。但是畢業(yè)設(shè)計(jì)就不同了，它是一個(gè)綜合設(shè)計(jì)，很多資料、數(shù)據(jù)都需要自己通過(guò)各種途徑搜集得到。
在本次設(shè)計(jì)中，要用到許多基礎(chǔ)理論，由于有些知識(shí)已經(jīng)遺忘，這使我們要重新溫習(xí)知識(shí)，因此設(shè)計(jì)之前就對(duì)大學(xué)里面所涉及到的有關(guān)該課題的課程認(rèn)真的復(fù)習(xí)了一遍，開(kāi)始對(duì)本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)有了大致的了解，并也有了設(shè)計(jì)的感覺(jué)。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)的需要，要查閱并收集大量關(guān)于機(jī)械制造方面的文獻(xiàn)，進(jìn)而對(duì)這些文獻(xiàn)進(jìn)行分析和總結(jié)，這些都提高了我們對(duì)于專業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)本次設(shè)計(jì)還使我更深切地感受到了團(tuán)隊(duì)的力量，在與同學(xué)們的討論中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)解決問(wèn)題，這些使我們相互之間的溝通協(xié)調(diào)能力得到了提高，團(tuán)隊(duì)合作精神也得到了增強(qiáng)?？梢哉f(shuō)，畢業(yè)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了我們大學(xué)四年所學(xué)的大部分知識(shí)，也檢驗(yàn)了我們的綜合素質(zhì)和實(shí)際能力。同時(shí)也跨出了我的工程師之路的第一步。
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致 謝
為期三個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，我也順利的完成了我的課題設(shè)計(jì)，在此之際我要衷心的感謝在設(shè)計(jì)過(guò)程中一直幫助我支持我的老師。
我要感謝指導(dǎo)老師老師在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)我的影響很大，設(shè)計(jì)過(guò)程中的很多個(gè)難點(diǎn)都是在老師的悉心指導(dǎo)下才克服的，還有老師親切和善也是我在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中感受最深的。也因?yàn)?/div>
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