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開 題 報 告
一、 課題介紹
近些年來，隨著機械工業(yè)在我國的迅猛發(fā)展，被稱為工作“母機”的金屬切削機床也有了前所未有的進步。2003年開始，中國就成了全球最大的機床消費國，也是世界上最大的數(shù)控機床進口國。磨床是機械加工后道工序的關鍵設備。車、銑、刨、鏜床等金切機床上難以加工的淬硬材料和難加工材料或達不到精度要求的機械零件都在磨床上加工。隨著科學技術的發(fā)展和社會進步，機械產品的加工精度越來越高，表面粗糙度越來越低， 使得磨床在國民經(jīng)濟各部門的作用越來越大。因而專用于導軌和平面加工的導軌磨床的需求量越來越大。而且， 國內外實踐證明，用磨削方法加工的導軌表面，在工作中能很好形成油膜，耐磨性亦比刮研的導軌面高， 況且磨削加工機床導軌面比刮研的方法生產率要高。盡管近年來國內的導軌磨床有了較大的發(fā)展，但與國外設計、生產的先進的導軌磨床相比尚有很大的差距，特別是在精度和自動化方面，從而導致每年必須進口相當數(shù)量的數(shù)控導軌磨床。由此可見，加大力度設計和研制具有自主知識產權的數(shù)控導軌磨床是必要的也是必須的。下面首先簡單介紹一下國內外數(shù)控導軌磨床的發(fā)展情況。
課題名稱：數(shù)控導軌磨床設計
課題背景：
目前，在國際上德國、日本和瑞典的機床制造水平最高。其中德國、瑞典在制造精度方面處于領先地位，日本則在產量和自動化方面占有優(yōu)勢。在諸多龍門導軌磨床制造廠之中， 以德國瓦德利希·柯堡(Waldrich Coburg)公司水平最高。該公司從70年代開始發(fā)展數(shù)控導軌磨床。近年來在S系列的基礎上， 相繼開發(fā)了SPS系列部分自動華化龍門導軌磨床、SNC系列全自動導軌磨床和SZ系列超級自動化的磨削中心。SPS 系列磨床采用Siemens 810M 數(shù)控系統(tǒng)， 控制萬能磨頭垂直(z軸)和水平(y軸)運動， 以及萬能磨頭在垂直平面內的回轉運動( 軸)； 控制周邊磨頭的垂直( 軸)和水平軸 軸)的運動。SNC系列壘自動導軌磨床采用Siemens 850M或880M 的數(shù)控系統(tǒng)。除少數(shù)監(jiān)督功能外， 自動完成全部磨削加工， 開發(fā)了導軌磨床的專用軟件， 其最多控制軸可達l1軸。SZ系列超級自動他磨削中心，采用Siemens 850或880M 數(shù)控系統(tǒng)， 橫粱固定， 用一個萬能磨頭， 其功率可達l 8．5kW 和22kW。垂直拖板的行程可達l250mm。裝備有砂輪庫， 可自動換砂輪和砂輪罩殼， 具有雙工作臺驅動， 以提高機床的生產效率。除裝卸工件外， 機床自動完成全部磨削加工。包括砂輪的自動修正和補償， 按NC要求進行砂輪的動平衡， 磨頭主軸的自動定位，按NC要求實現(xiàn)機床的磨削自動工作循環(huán)。
盡管近年來國內的導軌磨床有了較大的發(fā)展，但與國外設計、生產的先進的導軌磨床相比尚有很大的差距。主要體現(xiàn)在下列幾個方面：1．裝備方面機床精度，切削效率，自動化程度， 吸塵防護以及操作性能與國外有關資料介紹的還有很大差距。另外， 機床的一些基礎件， 如各種液壓、氣動聞，電子元件等可靠性不好， 從而影響了整機的性能。特別是：機床關鍵零部件，如導軌，箱體件，齒輪副，絲杠，軸等的加工工藝與國外相比還很落后，不能滿足高精密機床的要求。2．加工方面國內生產的導軌磨床的磨削精度， 表面粗糙度， 表面波紋度等與國外先進水平相比尚存在一定差距。特別是：對于導軌磨床這種精密機床來說， 加工工件表面的波紋度越來越引起有關人士的關注。盡管近年來國內許多專家，學者進行了這方面的研究， 但至今還沒有一個統(tǒng)一的評價波紋度的標準及相應的測試手段和測試議器、3．測量方面：與國外先進水平相比， 國內在對用導軌磨床加工好的導軌副的測量技術也是落后的。國外普遍在生產車間直接采用精密測量設備來測量機床導軌，如激光測最儀，電子水平儀， 電子千分尺 三坐標測量機等。而國內對于導軌副的測量還沒有普遍采用自動測量。目前國內數(shù)控導軌磨床的主要生產廠家有：上海重型機床廠、杭州機床集團、長春第一機床廠等。
工作內容和要求：
主要內容:
設計數(shù)控導軌磨床MM5216的總布置圖、周邊磨頭部件圖、關鍵零件圖、電氣控制原理圖。
設計工作量
1. 設計圖量：A0 4張，其中
總布置圖 A0 1張
周邊磨頭部件圖 A0 1張
關鍵零件圖折合 A0 1張
電氣控制原理圖 A01張
2．設計說明書2.5萬字以上
3．英文翻譯5000漢字
4．編程語句100句以上
課題的重點和難點：
結構設計:
導軌磨床整體采用雙柱式龍門框架結構，由床身、工作臺、立柱、橫梁、滑板、磨頭等主要部件組成。床身浮置于地基之上，磨削受熱之后，可以在水平方向內自由伸縮，從而提高了工件在垂直方向的直線度。
其次，工作臺與立柱之間采用分離型結構，以減小工作臺由于熱變形而對立柱、橫梁的影響，提高了磨頭的運動精度。
另外，床身、工作臺為雙V型自定位導軌，使工作臺在運動中受到對稱摩擦力，消除了一V一平導軌由于摩擦不對稱而產生的彎曲和震動，提高了工作臺運動的直線性，工作臺導軌表面貼塑。其特點是摩擦因數(shù)小，耗能低；動靜摩擦因數(shù)接近，低速運動平穩(wěn)性好；阻尼特性好，能吸收振動，抗陣性好，有自身潤滑作用，沒有潤滑油也能正常工作，使用壽命長；結構簡單，維護修理方便，磨損后容易更換，經(jīng)濟性好。工作臺上的一條V型導軌體與其底部用螺釘緊固，另一條V型導軌體2用橫向鍵1與其保持橫向滑動定位，稱為自位導軌，由于這一條V型導軌體是橫向可浮動的，工作臺和床身配合的二個V型導軌中心距能自動修正，補償由導軌副運動摩擦發(fā)熱而引起的中心距變化。工作臺的縱向進給由液壓系統(tǒng)來控制。
MM52160的橫梁固定在立柱上，磨頭的橫向進給由橫梁絲杠帶動水平滑板運動來完成；磨頭的垂直進給則由垂直滑板與水平滑板之間的絲杠螺母副來傳遞運動。磨頭的水平及垂直運動均采用滾動導軌，以消除爬行， 導軌體為淬硬鋼條，提高壽命和精度保持性。周邊磨頭主軸只在水平位置上工作，特點是功率大，精度高，能獲得較高的表面光潔度。主軸軸承結構采用液體靜壓軸承，具有較高的主軸回轉精度。
控制系統(tǒng)設計：
導軌磨床的數(shù)控系統(tǒng)設計是一個很復雜的工程，這里僅對其兩個磨頭的水平和垂直進給控制系統(tǒng)進行簡單原理設計。根據(jù)加工工藝需要，周邊磨頭有五種進給方式：快速移動、慢速移動、周期進給、連續(xù)進給以及微量進給；萬能磨頭有三種進給方式快速移動、慢速移動和微量進給。但周邊磨頭和萬能磨頭不能夠同時工作，因此可以只用一個步進電機，通過電磁離合器來選擇需要控制的磨頭，用單片機控制步進電機，同時通過位移和速度傳感器將磨頭的工作狀態(tài)反饋給單片機，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
周邊和萬能磨頭的主電機選用可變頻調速的三項異步電機，通過變頻器來實現(xiàn)速度變化的調節(jié)。液體靜壓導軌、液體靜壓潤滑軸承及工作臺縱向移動均采用液壓系統(tǒng)來控制。
可能用到的主要知識和技能：
磨削原理及磨削變形對加工精度的影響，零件、材料強度、剛度、穩(wěn)定性的計算，液壓原理及相關計算，機床總體結構設計、機床進給系統(tǒng)設計、機械零部件設計以及機床電氣控制系統(tǒng)設計等。同時，需要有一定的計算機繪圖能力。
需要自學的知識和技能：
單片機原理及接口技術；伺服電機、步進電機的技術參數(shù)及選擇方法；機械精度設計以及導軌磨床常用結構等。
二、 工作計劃
2005.9-2006.2 學習指定的選修課程，查閱文獻資料，翻譯外文資料。
2006.3.20-2006.3.27 畢業(yè)實習，理解課題的關鍵技術，查閱相關資料。
2006.3.28-2006.4.18 總布置圖設計，確定各關鍵參數(shù)。
2006.4.19-2006.5.19 周邊磨頭部件裝配圖設計
2006.5.20-2006.6.10 電氣控制原理圖設計，零件圖設計。
2006.6.11-2006.6.20 撰寫設計說明書，準備答辯，答辯。
三、 參考文獻
1．磨床設計
2．機床設計手冊
3．數(shù)控機床
4．機電一體化設計手冊
5．機電傳動與控制
6．單片機原理及應用
7．步進電機、伺服電機產品說明書
8．液壓傳動與控制
9. 機械零件設計手冊
10．導軌磨床機體結構設計
11. 龍門導軌磨床的結構特點
12. 淺述我國導軌磨床的發(fā)展途徑
本科生畢業(yè)設計（論文）
開題報告
學生姓名：
學 號：
班 級：
專 業(yè)：機械制造及自動化
指導教師：
機械制造自動化技術
38.1簡介
38.2自動化技術
38.3數(shù)字控制技術
38.4數(shù)控編程
38.5自適應控制
38.6物料儲運
38.7工業(yè)機器人
38.8傳感器技術
38.9柔性夾具
38.10基于裝配、拆卸、維修的設計
38.1 簡介
在20世紀50年代之前，大部分制造工藝都是通過車床、銑床、沖床等傳統(tǒng)機床來完成的，這些設備缺乏柔性并且需要具備一定技術的工人來操作。每生產不同的產品，就必須更換設備，并重新安排物料的儲運方式。
一個新的產品或復雜形狀的零部件的開發(fā)需要經(jīng)過操作者無數(shù)次的試驗來確定合適的工藝參數(shù)。更進一步，由于人為因素的影響，制造那些極其相似的零件需進行重復的工作且浪費時間。
這些事實表明此類制造工藝效率低下并且在整個生產成本中勞動力成本占了很大比重。特別是面對國內外的競爭壓力，在提高制造設備效率的同時，必須降低勞動力成本的比重。
生產率也是人們關注的主要焦點之一。生產率是指每個工人每小時的產量，也就是資源的最優(yōu)化利用率，它是工作效率的基本度量標準。與此同時，以勞動力成本為代表的部分成本也開始降低了。
如何才能提高生產率呢？到20世紀40年代時，操作設備的機械化水平已基本上達到了頂峰。機械化是指利用各種機械、液壓、氣動技術或者電氣設備來完成一個工序或操作過程。例如，用一個簡單的手動起子開啟一個瓶子需要浪費很多時間和體力，并會使人感到單調乏味。而利用一個電動開瓶器，僅需要很少時間和力氣，不過這項工作仍然沉悶乏味，過一會兒，它的效率也會下降。
要清楚的是，在上述機械化系統(tǒng)中，操作者依然直接控制各工藝過程，他必須一步一步去檢查機器的工作性能。比如說，加工過程中刀具破損了，熱處理中工件過熱了，磨削中表面粗糙度增高了或者加工中尺寸公差極度變大，在上述情況發(fā)生時，操作者必須及時控制并改變一些相關的工藝參數(shù)。
制造系統(tǒng)效率提高的下一個階段就是自動化。在20世紀40年代中期，自動化一詞被美國汽車工業(yè)界所引用，當時是指機械制造中零部件的自動化傳送。在過去的40多年里，隨著計算機和控制系統(tǒng)技術的發(fā)展，自動化技術在類型和應用范圍上都有了很大的突破。
本章大綱如圖38.1所示。首先，回顧了自動化技術的歷史和淵源，并闡述了自動化技術如何將各種操作和動作集成起來，應用于制造工廠中，以提高工廠的生產效率。其次，通過數(shù)控技術和自適應控制技術介紹了機械系統(tǒng)控制的基本原理。
圖38.1 第38章題綱
制造的實質是指物料處理。也即原料和零件在工廠內各加工階段的運動。文中介紹了各種各樣的物料處理系統(tǒng)是如何發(fā)展而來的，特別是那些用來提高生產率的工業(yè)機器人。另外文中還介紹了一些關于傳感器技術的知識，傳感器是機器、工藝過程、制造系統(tǒng)控制和優(yōu)化色主要組成元素。
柔性夾具和自動化裝配是兩個新的發(fā)展方向。這兩項技術能夠使我們充分利用先進制造技術，特別是柔性制造系統(tǒng)。同時，也使我們更好地利用計算機集成制造系統(tǒng)以及它對制造技術其他方面地影響。
38.2自動化技術
通常對自動化技術的定義是：自動化是使機器按照預定的工作順序動作的工作過程，在此過程中，運用特殊的設備、儀器來控制，很少甚至沒有人的參與。如第38.8節(jié)和第39章描述的那樣，通過應用各種儀表、傳感器、以及其他技術和設備，它們能夠檢測和控制整個工藝過程的各個方面，并能夠對工作過程中的變化作出判斷和控制決定，從而實現(xiàn)全自動化。
自動化并不是一個創(chuàng)造性的概念而是在逐漸演化中形成的。它已經(jīng)在工業(yè)實踐的以下基礎領域成功地實現(xiàn)：
1. 工藝過程。機械加工、鍛造、沖壓、鑄造、以及磨削是廣泛應用自動化的典型例子。
2. 物料傳送。通過無人導向的數(shù)控裝置來實現(xiàn)原材料在各工步間的傳送。
3. 檢驗。自動檢驗零件的質量、尺寸精度和表面粗糙度，其中包括在線檢測和加工完畢之后的檢驗。
4. 裝配。單個零件被自動化裝配后形成部件，然后，部件裝配得到產品。
5. 包裝。自動化產品包裝線。
38.2.1自動化技術的演化
許多金屬加工工藝起源于公元前4000年（見表38.1），但是直到18世紀50年代工業(yè)革命初期，自動化技術才被引入到產品的生產加工過程中，如六角車床、自動螺紋加工車床、以及殼體加工設備等都是在19世紀90年代以至20世紀初才發(fā)展起來的。大批大量生產技術和自動化生產線興起于上世紀20年代。
這些擁有自動化裝置的設備主要用來生產某些特定的產品。在汽車工業(yè)中應用的高效低成本的轎車生產線就是它們的典型代表。
自動化技術的最大突破來自于20世紀50年代初期的機床數(shù)控技術。這次歷史性的發(fā)展給制造自動化技術帶來了許多巨大的成果。其中，包括計算機在自動化技術中得以應用、計算機數(shù)控技術、自適應控制、工業(yè)機器人、以及計算機集成制造系統(tǒng)（包括CAD、CAE、CAM）等。
表38.1制造自動化發(fā)展史
日期
發(fā)展
1500～1600
水力金屬加工機械、貨幣軋機
1600～1700
手搖木頭加工車床、機械式計算器
1700～1800
鏜床、車床、螺紋加工車床、鉆床
1800～1900
仿形車床、六角車床、萬能銑床、高級機械式計算器
1808
用于自動控制紡織機編織花紋的打孔薄鋼片
1863
自動演奏鋼琴
1900～1920
齒輪車床、自動螺紋機床、自動殼體加工機床
1920
機器人一詞首次出現(xiàn)
1920～1940
自動傳輸線、大批量生產
1940
首臺電子計算機
1943
首臺數(shù)字電子計算機
1945
首次提出自動化一詞
1948
晶體管的發(fā)明
1952
首臺數(shù)控機床模型
1954
發(fā)明自動控制程序的編程語言、提出自適應控制原理
1957
數(shù)控機床廣泛應用
1959
集成電路、首次應用成組工藝
1960
工業(yè)機器人
1965
大規(guī)模集成電路
1968
PLC出現(xiàn)
1970
首個集成制造系統(tǒng)、機器人點焊技術應用于汽車車身
20世紀70年代
微處理器、微型機器人、柔性制造系統(tǒng)、成組技術
20世紀80年代
人工智能、智能機器人、智能傳感器、微小制造單元
20世紀90年代
集成制造系統(tǒng)、基于傳感器的智能化機械
無線通訊技術和全球制造網(wǎng)絡、模糊邏輯裝置、神經(jīng)網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)
38.2.2自動化技術的目標
自動化技術的基本目標如下：
A 實現(xiàn)制造各部分的集成化，從而提高產品質量和一致性，使生產周期和勞動量最小化，降低勞動成本。
B 通過優(yōu)化的生產控制來降低制造成本，提高生產率。零件的裝卸進給、機器人的使用、以及生產組織更加高效。
C 提高產品質量
D 降低人為因素干擾、個人情緒影響以及發(fā)生人為錯誤的可能性。
E 減少人工傳遞過程中的工件損壞。
F 保證工人的安全性，特別是在危險工作環(huán)境下的工人。
G 更加高效地安排廠房內的機器設備、物料傳送設備及輔助設備，從而節(jié)約占地面積。
自動化和產品生產數(shù)量 生產數(shù)量是決定產品生產類型和生產自動化水平的重要因素。下面我們首先介紹一些基本的生產術語。
總生產量是指生產零件的總量，包括各種不同的批量。生產批量對生產的經(jīng)濟效益影響很大，具體影響將在第39章詳細講述。生產率是指單位時間內生產的產品數(shù)量――比如每天、每月、每年。表38.2列出了一些典型產品的年生產量的大概范圍。比如說，眾所周知，實驗器材和產品模型的生產數(shù)量是最少的。
表38.2 產品生產類型及近似年產量
生產類型
近似年產量
典型產品代表
試驗設備或模型
1～10
單件小批
10～5000
飛機、特種機械、模具、珠寶鉆石、醫(yī)用矯形裝置、導彈等
成批生產
5000～100000
卡車、農業(yè)機械、噴氣發(fā)動機、柴油機、計算機配件、運動器材
大批大量生產
100000以上
轎車、儀器儀表、緊固件、食品以及飲料瓶等
小批量的產品一般在單件小批生產車間制造（見圖38.2），運用一些通用加工機床或加工中心來完成（見第24章）。這些加工過程具有很大的柔性，就是說在短時間內完成不同零件的加工，并不需要很大程度地改變刀具和設備參數(shù)。但另一方面，它需要具有較高技術水平的工人來操作這些設備且加工效率低下，從而導致單件成本較高（參見圖38.3）。產品的生產需要大量勞動力的參與，這就是所謂的勞動密集型生產方式。
圖38.2 各種制造系統(tǒng)的柔性和生產率情況
（注意圖中重疊的部分，那是由于各組中應用自動化和計算機控制的程度不同所造成的。將在第39章具體介紹。）
圖38.3 三種加工類型的一般特性
單件生產類型通常涉及很小的產品數(shù)量，適合于單件小批生產車間。大部分單件生產類型的產品年產量小于等于50件。小批量生產的年產量范圍在10～100件之間，一般用通用機床或加工中心加工。成批生產一般范圍是1000～5000件，所運用的設備與小批量生產基本相同，但需專門設計夾具來提高生產效率。
大批大量生產的年產量一般都超過100000件，因此需要用一些專用機床和用于物料和零件傳送的自動化設備。雖然這些機床設備以及專用刀具價格昂貴，但對工人的技術水平的要求和勞動力成本都相對較低，其原因就是應用了高性能的自動化設備。但是，這類生產系統(tǒng)是專門為某種特定產品設計的因此缺乏柔性。許多工廠是通過應用組合機床及不同程度的自動化和計算機控制來完成大批大量生產的。
38.2.3自動化技術的應用
從單件小批到大批大量各種生產類型，從毛坯到精密零件等各種產品，自動化技術均得到了廣泛的應用。但在新建或自動化改造某一工廠之前，必須考慮一下幾個問題：
生產產品的類型；
產品生產量和生產效率的要求；
需要實現(xiàn)自動化的工序的特點；
現(xiàn)有工人的技術水平；
自動化系統(tǒng)可能帶來的可靠性以及維修保養(yǎng)方面的問題；
經(jīng)濟性要求；
由于一般情況下自動化生產需要很大的初期成本投入并且要求具有較高的技術和保養(yǎng)方面的知識，因此即使在決定投資一個較低水平的自動化系統(tǒng)之前，也必須仔細研究其必要性。下面所描述的情況就經(jīng)常發(fā)生，某公司雄心勃勃的去搞自動化系統(tǒng)，結果卻發(fā)現(xiàn)其經(jīng)濟效益遠沒有預測的那么大。最后得出一個結論，自動化是不劃算的。在許多情況下工廠所需要的只是局部自動化，而并非全自動化。
一般來說，如果擁有足夠的勞動力且其成本比例合理的話，工人的技術水平越高對自動化的要求越低。也就是說，自動化制造工廠，對工人的技術水平要求較低。在的VIII部分中將會講到，選擇合適程度的自動化系統(tǒng)，涉及到許多重要且復雜的因素。
38.2.4剛性自動化
剛性自動化生產線一般用來生產某種標準化系列化的產品，如發(fā)動機、氣門、齒輪或傳動軸等。雖然產品的大小和工藝參數(shù)（包括主軸轉速、進給量和切削深度）有所變化，但這些機床是專用的，缺乏柔性。它們不能夠被用來生產形狀和大小有明顯差異的產品。設計和制造這些設備需要高昂的投入，因此只有在大批大量的生產中應用才有經(jīng)濟價值。
剛性生產線中應用的機器一般都是基于模塊化結構的原理來設計制造的。一般被稱為組合機床，由動力頭單元和進給傳送機構兩部分組成。
動力頭單元 動力頭是獨立工作的，由框架（也叫床身）、電機、變速箱和傳動軸四部分組成。這些部件的結構和尺寸大小都是標準化系列化的，也正是由于這種與身俱來的模塊化特性，才使它們能夠被簡單的重組而生產不同的零件，可見他們也具有一定的柔性。
組合機床一般由兩個或兩個以上的動力頭組成，他們按直線型、環(huán)型或U型等方式布置在車間內。具體布置形式的選擇受工件的重量和形狀的影響。當一個或多個單元的刀具或機床發(fā)生故障時，機器布置形式對加工的連續(xù)性有很大影響，此時還需要利用緩沖區(qū)來保證加工的連續(xù)進行。
傳送機構和傳送線 傳送裝置的任務是將工件從機器的一個位置搬運到另一個位置（或者從一臺機器到另一臺機器），從而完成各種方式的加工。工件的傳送途徑有以下幾種：（1）工件裝在托盤上，托盤沿著導軌運動。（2）分度回轉工作臺（3）天車
零件在各位置之間的傳輸是靠傳感器或其他設備來控制的，這些機床可以簡單快速地換刀，并且都配備有自動化檢測系統(tǒng)，從而保證了各工序的尺寸公差均在允許的范圍之內（在第38.10節(jié)將會講到，組合機床也能夠應用與自動化裝配線中）。
圖38.5描述了大型發(fā)動機氣缸蓋的流水線布置情況，它就是有一系列組合機床組成的。這個系統(tǒng)每小時可以生產100個氣缸蓋。注意其中列出的各種加工方法：銑、鉆、鉸、鏜、攻絲、珩磨、清洗和檢測等。
38.2.5柔性自動化
由上面的介紹我們可以看到，應用于大批大量生產中的自動化生產線缺乏柔性。而這卻正好是柔性自動化的（或可編程序控制自動化）的優(yōu)點。它通過運用計算機和程序控制實現(xiàn)了很好的柔性。這一點將在38.3和38.4節(jié)的例子中詳細介紹。
柔性自動化的一個重要發(fā)展是它能夠很容易地，隨時地修改程序，從而加工出與前一種產品在形狀和尺寸上差別很大的零件。正是由于這種特性，柔性生產線能夠制造各種復雜形狀的產品。柔性自動化再進一步的發(fā)展是廣泛應用現(xiàn)代計算機，進而出現(xiàn)了具有很高效率和生產率的柔性制造系統(tǒng)。
38.2.6可編程序控制器
在傳統(tǒng)的制造過程中，各種機器以及物料傳送系統(tǒng)的控制一般都是由定時器、計數(shù)器、開關、繼電器和其他一些基于機械、電氣、氣動原理的硬接線設備來完成的。直到1968年，可編程序控制器的出現(xiàn)取代了這些硬接線設備。
美國電氣制造協(xié)會對可編程序控制器（PLC）的定義是：可編程序控制器是一種數(shù)字式電子器件，通過數(shù)字或模擬量的輸入輸出，應用可編程的內部程序存儲器來完成邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)、和算術運算等特殊功能來控制各種加工過程。專用于控制可編程控制器的數(shù)字計算機也屬于可編程控制器的范圍。
由于PLC的應用取代了繼電器控制面板，而且它們的程序只占用很小的空間并可以修改，因此PLC以廣泛地應用于制造系統(tǒng)中。它們的基本功能是實現(xiàn)開關動作、順序動作以及反饋控制。由于具備高速數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信功能，他被應用于各種控制系統(tǒng)中。他們能夠在工業(yè)現(xiàn)場中可靠地完成各種控制任務并提高了整體效率。
隨著數(shù)控技術和設備的發(fā)展，在新的控制系統(tǒng)中，PLC也逐漸被取代，但它們仍然是控制系統(tǒng)基礎的代表。逐漸發(fā)展起來的微型計算機取代了PLC,因為微機更便宜，更易編程和聯(lián)網(wǎng)。伴隨著新的可視化操作系統(tǒng)如WindowsNT和SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集軟件的）出現(xiàn)，微機取代PLC也成為必然。
38.2.7全面生產維護
各種機床、設備及整體系統(tǒng)的管理和維護是影響制造系統(tǒng)生產率的重要因素。于是，全面生產維護和管理的理念也正在迅速發(fā)展起來。
這種理念主要包括對以下各個方面的監(jiān)測分析：
1. 設備損壞和設備故障
2. 生產率的監(jiān)控和提高
3. 預防性或預測性維護
4. 縮短起動時間、空轉時間和工作周期
5. 充分利用機床和設備資源，提高工作效率
6. 降低次品率
團隊合作是完成這項任務的主要組成部分，主要指操作工人、維修工人，工程師以及系統(tǒng)管理層之間的全力配合。
38.3數(shù)控技術
數(shù)控技術是一種應用數(shù)字和字母形式的編碼指令來控制機器部件運動的控制方法。系統(tǒng)自動地將這些代碼轉換為控制信號。這些信號按順序來控制各部件動作，如主軸起停、刀具切換，工件和刀具延特定路徑運動或切削液開關等。
為了能夠更好的理解數(shù)控技術的重要性，讓我們先簡單回顧一下傳統(tǒng)機械加工的工藝過程。首先工人仔細研究工件的零件圖，然后設定工藝參數(shù)（如切削速度、進給量、切削深度、切削液等），確定加工工序，最后裝夾工件及加工。
由于零件形狀和尺寸精度的不同，這就需要具有一定水平的工人來完成上述操作。加工的工藝過程也會因工人技術水平的不同而不同；又因為人為出錯的可能性，導致即使同一個工人加工的零件也不一定完全相同。
同時，產品的生產量也取決于具體的工人和工作時間。由于近幾年來人們對提高產量和降低制造成本的問題越來越關注，因此產品的多樣性已不能被人們所接受。而這些情況在數(shù)控加工中是不存在的。
數(shù)控加工的重要性在下面的例子中將具體闡述。假設需要在某一工件上鉆幾個孔，具體位置如圖38.6所示
若用傳統(tǒng)的方法加工此零件，工人需要參照工件上的某一點來給鉆頭定位，然后再進行加工。假如有100個相同的工件，若用上述方法加工，必然會使工人感到厭煩，因為工人一直在做同樣的動作。另外，工件之間也會有一定的差異。
接著我們再假設在加工過程中，突然改變工作要求，比如其中10個工件的孔的位置有所變化。此時，工件必須重新定位，這就會耗費許多時間并且容易出錯。
但對于數(shù)控系統(tǒng)來說，完成這樣的動作是很容易的，它們能夠重復地、準確地完成加工任務而且通過簡單的程序修改就能加工不同的零件。
在數(shù)控系統(tǒng)中，各種與工藝過程相關的數(shù)據(jù)如位置、速度、進給量及切削液等都能夠儲存到磁性介質中，如磁帶、硬盤。數(shù)控系統(tǒng)的作用就是將這些信息傳遞給執(zhí)行裝置。
根據(jù)不同的輸入信息，繼電器和其他設備獲得相應的驅動信號。于是復雜的加工過程（如曲線加工，模具曲面加工）就很容易實現(xiàn)了。
數(shù)控技術已經(jīng)給制造技術的各方面帶來了重要影響。目前，數(shù)控技術在各中加工中廣泛應用；許多舊的機械設備也完成了數(shù)控化改造。
本科生畢業(yè)設計（論文）
翻譯資料
中文題目： 機械制造自動化技術
英文題目：Automation of Manufacturing
Processes
學生姓名：
學 號：
班 級：
專 業(yè)：機械制造及自動化
指導教師： 王龍山
吉林大學本科畢業(yè)設計說明書
中文摘要
數(shù)控導軌磨床MM52160整體采用雙柱式龍門框架結構，由床身、工作臺、立柱、橫梁、滑板、磨頭等主要部件組成。M52160的主運動是周邊磨頭、萬能磨頭帶動砂輪的旋轉運動。機床的縱向進給由液壓系統(tǒng)驅動工作臺運動來實現(xiàn)，床身、工作臺為雙V型自定位導軌，提高了工作臺運動的直線性。其中一條導軌體是橫向可浮動的，補償了由于導軌副運動摩擦發(fā)熱而引起的導軌中心距的變化。水平和垂直方向的進給均由伺服電機通過滾珠絲杠螺母副驅動執(zhí)行元件（橫滑板和垂直滑板）運動來完成。該機床的控制系統(tǒng)采用主從式模塊化控制結構，微機作為中央控制器，實現(xiàn)對進給系統(tǒng)控制模塊、主運動速度控制模塊、以及輔助系統(tǒng)的集中控制管理。進給系統(tǒng)的控制由PLC來完成。
關鍵詞 數(shù)控導軌磨床 整體結構 控制系統(tǒng)
外文摘要
Title The design of Numerical control guideway grinder
Abstract
Numerical control guideway grinder MM52160 is formed of body section, workbench, upright column, beam, sliding plate and grinding head . The rotational movement of the periphery grinding head and the universal grinding head is the primary motion of this numerical control guideway grinder. The longitudinal feed is realized by the hydraulics system. The workbench is driven by a hydraulics cylinder. There are two V-mode piece of guideway on the workbench ,one of which is relocatable. So the straightness of the longitudinal feed is greatly advanced. And the same time , it can compensate the variation of the guideway’s center distance caused by friction fever. The feed movement on both horizon and vertical direction is completed by sliding plate and ball screw driven by A.C servo-actuator . The control system of this numerical control guideway grinder adopts master-slave mode and modular control structure. As a central control unit, the microcomputer centralized control and supervise the input system control module, the primary motion velocity control module, as well as the subsystem. The input system control module is controlled by a programmable logic controller. The velocity of primary motion is changed by transducer.
Keywords numerical control guideway grinder structure
control system
目 錄
1 引言……………………………………………………………………4
2 機床總體方案及主要參數(shù)確定………………………………………5
2.1 機床總體方案………………………………………………………5
2.2 機床主要參數(shù)確定…………………………………………………7
3 周邊磨頭部件設計……………………………………………………7
3.1 運動和動力參數(shù)計算………………………………………………7
3.2 周邊磨頭主軸部件設計計算………………………………………8
3.3 周邊磨頭垂直滑板設計計算………………………………………18
4 床身工作臺設計………………………………………………………20
4.1 床身工作臺總體尺寸確定…………………………………………20
4.2 床身工作臺導軌設計………………………………………………20
5 控制系統(tǒng)設計…………………………………………………………22
5.1 控制對象的描述……………………………………………………22
5.2 總體控制方案確定…………………………………………………23
5.3 電氣控制系統(tǒng)硬件的選擇…………………………………………24
5.4 控制系統(tǒng)程序設計…………………………………………………26
畢業(yè)設計總結………………………………………………………………33
致謝…………………………………………………………………………34
參考文獻……………………………………………………………………34
附錄 A………………………………………………………………………36
39
1 引言
近些年來，隨著機械工業(yè)在我國的迅猛發(fā)展，被稱為工作“母機”的金屬切削機床也有了前所未有的進步。2003年開始，中國就成了全球最大的機床消費國，也是世界上最大的數(shù)控機床進口國。磨床是機械加工后道工序的關鍵設備。車、銑、刨、鏜床等金切機床上難以加工的淬硬材料和難加工材料或達不到精度要求的機械零件都在磨床上加工。隨著科學技術的發(fā)展和社會進步，機械產品的加工精度越來越高，表面粗糙度越來越低， 使得磨床在國民經(jīng)濟各部門的作用越來越大。因而專用于導軌和平面加工的導軌磨床的需求量越來越大。而且， 國內外實踐證明，用磨削方法加工的導軌表面，在工作中能很好形成油膜，耐磨性亦比刮研的導軌面高， 況且磨削加工機床導軌面比刮研的方法生產率要高。盡管近年來國內的導軌磨床有了較大的發(fā)展，但與國外設計、生產的先進的導軌磨床相比尚有很大的差距，特別是在精度和自動化方面，從而導致每年必須進口相當數(shù)量的數(shù)控導軌磨床。由此可見，加大力度設計和研制具有自主知識產權的數(shù)控導軌磨床是必要的也是必須的。下面首先簡單介紹一下國內外數(shù)控導軌磨床的發(fā)展情況。
目前，在國際上德國、日本和瑞典的機床制造水平最高。其中德國、瑞典在制造精度方面處于領先地位，日本則產量和自動化方面占有優(yōu)勢。在諸多龍門導軌磨床制造廠之中， 以德國瓦德利?！た卤?Waldrich Coburg)公司水平最高。該公司從70年代開始發(fā)展數(shù)控導軌磨床。近年來在S系列的基礎上， 相繼開發(fā)了SPS系列部分自動華化龍門導軌磨床、SNC系列全自動導軌磨床和SZ系列超級自動化的磨削中心。SPS 系列磨床采用Siemens 810M 數(shù)控系統(tǒng)， 控制萬能磨頭垂直(z軸)和水平(y軸)運動， 以及萬能磨頭在垂直平面內的回轉運動( 軸)； 控制周邊磨頭的垂直( 軸)和水平軸 軸)的運動。SNC系列壘自動導軌磨床采用Siemens 850M或880M 的數(shù)控系統(tǒng)。除少數(shù)監(jiān)督功能外， 自動完成全部磨削加工， 開發(fā)了導軌磨床的專用軟件， 其最多控制軸可達l1軸。SZ系列超級自動磨削中心，采用Siemens 850或880M 數(shù)控系統(tǒng)， 橫梁固定， 用一個萬能磨頭， 其功率可達l 8．5kW 和22kW。垂直拖板的行程可達l250mm。裝備有砂輪庫， 可自動換砂輪和砂輪罩殼， 具有雙工作臺驅動， 以提高機床的生產效率。除裝卸工件外， 機床自動完成全部磨削加工。包括砂輪的自動修正和補償， 按NC要求進行砂輪的動平衡， 磨頭主軸的自動定位，按NC要求實現(xiàn)機床的磨削自動工作循環(huán)。
盡管近年來國內的導軌磨床有了較大的發(fā)展，但與國外設計、生產的先進的導軌磨床相比尚有很大的差距。主要體現(xiàn)在下列幾個方面：1．裝備方面機床精度，切削效率，自動化程度， 吸塵防護以及操作性能與國外有關資料介紹的還有很大差距。另外， 機床的一些基礎件， 如各種液壓、氣動、電子元件等可靠性不好， 從而影響了整機的性能。特別是：機床關鍵零部件，如導軌，箱體件，齒輪副，絲杠，軸等的加工工藝與國外相比還很落后，不能滿足高精密機床的要求。2．加工方面國內生產的導軌磨床的磨削精度， 表面粗糙度， 表面波紋度等與國外先進水平相比尚存在一定差距。3．測量方面：與國外先進水平相比， 國內在對用導軌磨床加工好的導軌副的測量技術也是落后的。國外普遍在生產車間直接采用精密測量設備來測量機床導軌，如激光測量儀，電子水平儀， 電子千分尺 三坐標測量機等。而國內對于導軌副的測量還沒有普遍采用自動測量。目前國內數(shù)控導軌磨床的主要生產廠家有：上海重型機床廠、杭州機床集團、長春第一機床廠等。
2 機床總體方案及主要參數(shù)的確定
2．1機床總體方案
數(shù)控導軌磨床M52160整體采用雙柱式龍門框架結構，由床身、工作臺、
立柱、橫梁、滑板、磨頭等主要部件組成。其總體布局如圖1所示。
1.橫梁 2.周邊磨頭橫滑板 3.周邊磨頭垂直滑板 4.周邊磨頭
5.萬能磨頭垂直滑板 6.萬能磨頭 7.萬能磨頭橫滑板 8.立柱
9.床身 10.工作臺
圖2-1 機床總布局圖
M52160的主運動是周邊磨頭、萬能磨頭帶動砂輪的旋轉運動。周邊磨頭砂輪直徑大，磨削功率大，效率高，精度高，適合于磨削水平導軌以及大平面。萬能磨頭可以繞中心回轉90度，能夠磨削不同角度的導軌面。
機床的縱向進給由雙活塞桿液壓缸驅動工作臺運動來實現(xiàn)，橫向進給由伺服電機通過滾珠絲杠螺母絲杠螺母副帶動橫滑板沿橫梁導軌作水平運動來實現(xiàn)。由于兩個磨頭不可以同時工作，因此用同一臺伺服電機來控制兩個磨頭的橫向運動，通過橫向進給箱中的電磁離合器來選通需運動的磨頭。垂直方向的進給由伺服電機、滾珠絲杠螺母副來實現(xiàn)垂直滑板與橫滑板之間的相對運動。磨頭的水平及垂直運動均采用滾動導軌，以消除爬行， 導軌體為淬硬鋼條，提高壽命和精度保持性。
機床床身浮置于地基之上，磨削受熱之后，可以在水平方向內自由伸縮，從而提高了工件在垂直方向的直線度。
其次，工作臺與立柱之間采用分離型結構，以減小床身工作臺由于導軌之間的摩擦及液壓進給系統(tǒng)發(fā)熱變形而對立柱、橫梁造成的影響，提高了磨頭的橫向運動精度。立柱與工作臺均有墊鐵支承，便于調整橫梁與工作臺的精度。
另外，床身、工作臺為雙V型自定位導軌，使工作臺在運動中受到對稱摩擦力，消除了一V一平導軌由于摩擦不對稱而產生的彎曲和震動，提高了工作臺運動的直線性，工作臺導軌表面貼塑，減小了滑動摩擦系數(shù)，從而減小了所需的驅動力和爬行現(xiàn)象，磨損小，壽命長并有良好的抗震性?？梢越档蛯к壊馁|的要求，而且由于液體有吸震性，且剛性好，因而導軌有良好的抗震性及較大的承載能力。此外這種導軌有低速不爬行，運動均勻性好，以及驅動力小等優(yōu)點。工作臺上的一條V型導軌與工作臺作為一體，另一條V型導軌體用橫向鍵與其保持橫向滑動定位，稱為自位導軌，由于這一條V型導軌體是橫向可浮動的，工作臺和床身配合的二個V型導軌中心距能自動調整正，補償由導軌副運動摩擦發(fā)熱而引起的中心距變化。
2．2機床主要參數(shù)確定
根據(jù)導軌磨床的現(xiàn)有標準，參考其它普通導軌磨床的尺寸參數(shù)，數(shù)控導軌磨床M52160的基本參數(shù)確定如下
最大磨削寬度 1600mm
立柱間距 2000mm
最大磨削長度 6000mm
最大磨削高度 1000mm
工件最大重量 9000Kg
工作臺最大行程 6500mm
工作臺速度 5～30m/min
水平方向快速移動速度 2000mm/min
垂直方向快速移動速度 2000mm/min
砂輪尺寸 周邊磨頭 平面砂輪600×100×305
萬能磨頭 平面形400×63×127
杯形400×63×127
碗形400×63×127
加工精度為滿足一般機床的要求， 導軌要達到如下精度：在水平面內的直線度小于0．01mm／lOOOmm， 在垂直平面內的直線度小于0．Olmm／lOOOmm，導軌平行度小于0．O2mm／lOOOmm，導軌表面粗糙度R 0．4。
3 周邊磨頭部件設計
3．1運動參數(shù)和動力參數(shù)設計計算
3.1.1 主軸極限轉速和轉速范圍（周邊磨頭）
由金屬切削加工手冊查得平面磨削砂輪的線速度范圍為v＝20～30m/s,
則主軸的轉速范圍n＝＝637～955r/min
由于其轉速變化范圍不是很大，可采用三相異步電機變頻調速來實現(xiàn)。
3.1.2 最大磨削功率的確定
由機床的實際加工過程可知，在粗磨大平面時機床消耗的功率最大，因此需根據(jù)該工況的工藝參數(shù)來計算主軸的最大功率。根據(jù)金屬切削加工手冊，平面粗磨的切削用量如下:
工作臺速度 v<20m/min
最大切削深度 a＝0.03mm
最大切削寬度 fg＝40mm
則最大金屬切除率＝1000×40×20×0.03＝
由機床設計手冊磨削功率 （為單位磨削功率）
查表得＝
則＝
因此綜合考慮轉速和最大功率選用Y200L-6三相異步電機，額定轉速970r/min, 額定功率18.5Kw，采用變頻器來調速。
3.1.3 最大磨削力和扭矩的確定
粗磨時，砂輪的線速度范圍是=20～25m/s,即砂輪轉速637r/min～796r/min，則切向磨削力 ，徑向磨削力，得
該砂輪最大切向磨削力
最大徑向磨削力＝2.82KN
最大扭矩T＝D/2=264.7N.m
3．2周邊磨頭主軸部件設計計算
3.2.1主軸最小軸徑
由于主軸對彎曲和扭轉變形要求很高，因此不能根據(jù)彎曲和扭轉強度來估算最小軸徑。參考現(xiàn)有導軌磨床以及其他平面磨床的主軸，粗選主軸最小軸徑D＝100
3.2.2主軸支承結構
由于主軸的轉速較高且轉速較大，因此考慮采用液體靜壓軸承支承。液體靜壓軸承的特點是：
1)能始終處于液體潤滑狀態(tài)下工作，摩擦阻力小，功耗小，傳動效率高；
2)正常運轉和啟動時都不會發(fā)生金屬直接接觸．精度保持性好，使用壽命長；
3)在各種速度下，甚至速度度為零時，都具有較大的承載能力；
4)油膜具有補償誤差的作用，能減少軸和軸承制造誤差的影響，軸的回轉精度高；5)油膜剛度大、阻尼性能好，高速運轉時有抑制油膜振蕩作用；
綜合考慮各種因素，選用靜壓軸承的結構形式為周向四油腔、恒壓力供油、小孔節(jié)流。靜壓軸承的具體設計計算如下：
（1） 支撐軸徑的確定
考慮結構需要，軸徑d取110mm。其余參數(shù)參考機械設計手冊中靜壓軸承結構參數(shù)推薦值。
（2） 軸承的長度L
取L＝130
（3） 軸向封油面的長度a及周向封油面的寬度b
a＝b＝0.1d＝11
則油腔長度l＝108
（4） 回油槽寬度c及其深度
c＝0.05d＝5.5
軸承轉速
則＝0.5～2mm。?。?mm
油腔張角
相鄰回油槽之間的夾角
（5） 軸與軸承的配合間隙2h。
D>100mm時，2h。＝（0.0004~0.0006）d=0.044~0.066
取2h。＝0.045
（6） 油腔深度
為保證足夠的承載面積 ，取
（7）軸承的壁厚
保證不形成薄壁零件，考慮油孔空間＝25
（8）軸與軸承的配合間隙2h。的公差 h。
h。，因此取h。＝
（9）軸與軸承的幾何精度誤差（圓度、圓柱度、同軸度）
取D＝0.005
（10）軸承外圓與箱體孔的配合
過盈量0～0.02mm
（11）兩個向心軸承中心跨距l(xiāng)
l＝（4～6）d＝400～600 取l＝400mm
（12）選擇節(jié)流比，液阻比
考慮油溫變化而引起的值的變化，應使油溫為20～50度時＝1.5～3.0，液阻比。
一般情況下，當＝0.71，＝1.71時軸承具有最佳剛度，即＝1.71為最佳節(jié)流比
（13）確定供油壓力
粗選供油壓力為2.5MPa
則油腔壓力＝/＝14.6MPa
（14）計算一個油腔的有效承載面積
（15）計算軸承油膜剛度J
＝
（16）軸向推力軸承的結構尺寸
軸肩半徑：
軸肩的厚度 當d＝50～200mm時，H。＝（0.1～0.2）d＝11～22mm
取H。＝20mm
3.2.3主軸帶傳動的設計計算
為了有效地將電機產生的振動與主軸隔離，在電機與主軸之間采用帶傳動。因為帶傳動有很好的緩沖、減震和吸陣作用。不需要減速因此傳動比選1：1?？紤]傳動的扭矩比較大且轉速較高，選用多楔v帶傳動。多楔帶又稱為復合三角帶，是一種新型的三角膠帶，由于它綜合了普通V帶和平膠帶的優(yōu)點，在機床的傳動中正在獲得越來越廣泛的應用。它與普通V帶相比較，且有下列優(yōu)點：
(1)傳動功率大。由于多楔帶和帶輪的接觸好，各工作面間的裁荷分布均勻，故多楔帶的承裁能力高。
(2) 消除了多根膠帶長短不齊的現(xiàn)象。多楔帶振動小，發(fā)熱少，運轉平穩(wěn)。
(3)伸長率小，使用壽命高。
(4)運轉速度高。由于多楔帶的斷面尺寸小，重量輕，強力層的耐曲撓性能好，適于以較小的帶輪直徑在高速下(達40 m/s)運轉。
多楔帶的具體計算如下，參考機床設計手冊（零件設計）表5.2-26
（1）確定計算功率
查表5.2-5，K＝1.2
（2）選擇多楔v帶型號
根據(jù)和查圖5.2～16，選M型多楔帶。
（3）確定帶輪計算直徑
由表5.2-20選帶輪推薦直徑＝180mm，由傳動比＝1得＝＝180mm
（4）初定中心距A。（中心距過大易振動，過小則壽命低）
，即1801080
考慮到結構需求，初選＝1000mm
（5）求膠帶計算長度L
按表5.2-18選最接近的長度為L＝2583mm
(6) 計算準確中心距
得，
A＝a/4=1008.9mm
帶的中心距是可以調整的，考慮安裝調整和補償初拉力（如帶伸長而松弛后的張緊）的需要，中心距的變動范圍為
(7) 確定多楔帶的齒數(shù)Z
查表5.2-25得，＝1.972Kw；＝1.00；＝1.00
則Z＝11.3，取Z＝12齒。
多楔帶的具體斷面尺寸如下：
齒距t＝9.5 H＝1.67 h＝9.6 h。＝13.05
（8）多楔帶輪的基本尺寸
外徑
寬度 ，取B＝125
帶輪材料為45鋼
（9）多楔帶的張緊裝置
帶經(jīng)過一定時間的運轉后，就會由于塑性變形而松弛，使初拉力F。降低。為了保證傳動能力，應定檢查初拉力的數(shù)值。如發(fā)現(xiàn)不足時，必須重新張緊，才能正常工作。具體張緊裝置如周邊磨頭裝配圖中所示，將安裝有帶輪的電機安裝在基座上，基座用螺栓固定在垂直滑板上，基座上的螺栓孔為長槽，可使基座相對于垂直滑板上下滑動。要調節(jié)帶的張緊力時，松開基板上的各螺栓，旋動調節(jié)螺釘，將電機推到所需的位置，然后擰緊基座與垂直滑板的連接螺栓。
3.2.3主軸端部卸荷帶輪結構設計
由于帶的張緊力對主軸的剛性影響很大，因此在主軸端部設計了卸荷帶輪結構，將帶的拉力直接傳遞到主軸箱體上，而扭矩通過帶輪端蓋螺釘和鍵來傳遞到軸上，從而大大減小了主軸的徑向力，提高了主軸的剛性。由于端蓋螺栓以及鍵傳遞很大的扭矩，因此需校核其強度。
（1）螺栓組聯(lián)接設計計算
采用圓周均布，螺栓數(shù)Z=4，均布直徑d＝180。
螺栓僅受扭矩T＝295Nm，則每個螺栓所受的工作剪力為＝819.4N；
螺栓所需的預緊力
選擇螺栓材料為Q235，性能等級為4.6的螺栓，
查表得 ，S＝1.5
因此螺紋小徑
按粗牙普通螺紋標準，選用螺紋公稱直徑d＝10（小徑＝8.376>7.88mm）
(2) 聯(lián)接平鍵的校核
根據(jù)軸徑查表選擇鍵的尺寸是，普通平鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作表面被壓潰，強度條件為
MPa
可見，聯(lián)接鍵的強度足夠。
3.2.4主軸強度校核
主軸B點的在水平和垂直方向的彎矩分別為:
垂直方向
水平方向
由前面的計算可得扭矩
主軸彎矩與扭矩如圖3-1所示，
圖3-1 主軸彎矩與扭矩圖
合成彎矩
按彎扭合成應力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩及扭矩的截面（即危險截面B）的強度。
則當量彎矩
前以選定軸的材料為40，調質處理，查表得許用彎曲應力
因為＝4.94<,故安全。
精確校核軸的疲勞強度
判斷危險截面時，綜合分析考慮以下三方面的影響：載荷大小、軸徑大小、應力集中程度。從受載情況來看，顯然截面B處的最大，但該處基本沒有應力集中。而用來承受推力的軸肩處，載荷較大并且由于軸徑變化大，應力集中嚴重，因此確定該截面為危險截面。
計算安全系數(shù)：
軸肩截面處的抗彎截面模量為
抗扭截面模量為
作用于該截面的彎矩為 M＝
作用于該截面的扭矩為
截面上的彎曲應力
截面上的扭轉應力
軸的材料為40，調質處理。由表查得，，。
該截面處由于軸肩圓角形成的理論應力集中系數(shù)按 r/d=5/110=0.045,D/d=160/110=1.45,經(jīng)插值后可查得，
又由附圖查得軸材料的敏性系數(shù)為
故有效應力集中系數(shù)為
查表得尺寸系數(shù)為
表面質量系數(shù)為
軸未經(jīng)表面強化處理，即，則按下式計算可得綜合影響系數(shù)值為
故軸肩截面處的計算安全系數(shù)值可按下式計算得
顯然，該軸的疲勞強度足夠。
3.2.5主軸剛度校核
主軸的受力情況如下圖所示，軸承跨距＝400mm；懸伸量a＝176mm
圖3-2 主軸垂直方向受力圖
主軸的變形主要由兩部分組成，主軸自身的受力變形和靜壓軸承油膜的受力變形，主要的精度要求是C點的撓度<0.01mm
1）由主軸變形產生的撓度
P在C點的撓度
（E取200GPa）
2）由油膜變形引起的撓度
假設軸為剛性，則其受力變形情況如圖3-3，
圖3-3 靜壓軸承油膜變形圖
A、B兩點的支反力分別為：
油膜剛度由前面計算可知J＝
則
根據(jù)疊加原理，C點的總變形量<0.01mm
可見，主軸的剛度足夠。
3．3周邊磨頭垂直滑板的設計計算
垂直滑板主要用來完成機床的垂直方向進給運動，為了保證進給精度，直接用伺服電機帶動滾珠絲杠旋轉，螺母固定于橫滑板上，從而使絲杠帶動垂直滑板上下運動。兩滑板之間采用滾動導軌，以消除爬行， 導軌體為淬硬鋼條，提高壽命和精度保持性。
3.3.1滾珠絲杠副的選用
滾珠絲杠副的承載能力用額定動載荷來表示，它的定義、計算和選用方法和滾動軸承基本相同。
滾珠絲杠副的額定動載荷
其中，壽命系數(shù)，查表得＝15000h，則＝3.10
載荷性質系數(shù)＝1.2；
動載荷硬度影響系數(shù) ＝1.56
轉速系數(shù) ＝0.29
最大軸向力（絲杠最大的軸向力主要是垂直滑板的重力。）
因此，
查表，選用W1Ch型外循環(huán)齒差調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副W1Ch6008，名義直徑60mm，螺距8mm。額定動載荷C。＝>C
3.3.2滾珠絲杠的支承方式選擇。
為了提高絲杠剛度，絲杠采用兩端固定式支承，即兩端均用一個雙向止推軸承和一個向心球軸承支承。這種結構方式可使絲杠的熱變形轉化為止推軸承的預緊力。根據(jù)結構的需要，預選向心軸承代號6210，雙向推力軸承52208。
由于該絲杠承受的徑向力很小，軸向力較大，因此只校核推力軸承的壽命。
由前面的計算可知
該推力軸承的最大軸向力A＝N，
載荷系數(shù)按中等沖擊或中等慣性力選取，
當量動載荷
則軸承的壽命
一般情況下，金屬切削機床軸承的預期壽命選取20000～30000h，因此該推力軸承壽命足夠。
3.3.2滾珠絲杠副的自鎖
由于滾珠絲杠副的傳動效率高，無自鎖作用，為了防止垂直滑板在失電情況下由于自重下滑，在滾珠絲杠的末端增加制動裝置，即失電制動器。失電制動器的原理是，當電機得電工作時，電磁鐵線圈通電吸住壓簧，打開摩擦離合器，電機帶動絲杠轉動。當電機失電停止轉動時，電磁鐵線圈亦同時斷電，在彈簧作用下摩擦離合器壓緊，使得滾珠絲杠不能轉動，垂直滑板就不會因自重而下沉了。為了保證制動迅速可靠，需計算所需失電制動器的制動扭矩。
由垂直滑板自重產生的使絲杠回轉的扭矩
傳動效率 （中徑處的螺旋角，當量摩擦角）
因此
考慮到安全以及制動迅速，取制動扭矩
根據(jù)以上計算，選用DHD1—50普通型失電制動器。其制動扭矩為
50N.m，功率27W。
4 床身工作臺設計
4．1床身工作臺總體尺寸確定
床身工作臺總體尺寸的確定，根據(jù)工件的最大長度為6m，確定工作臺長度取6.5m，工作臺行程至少為6m，考慮工作臺在換向與停止過程中的緩沖，床身長度取13m。
4．2床身工作臺導軌設計
4.2.1導軌結構形式選擇
導軌的作用是承受載荷和導向?？紤]到導軌磨床M52160對承載能力和導向精度都要求很高，因此床身工作臺采用雙V浮動表面貼塑導軌，雙V導軌不需要鑲條調整間隙，接觸剛度好，導向性和精度保持性好。兩導軌截面均為V形，對稱布置使得工作臺的受熱變形均勻、對稱，提高了加工平面的平行度和表面精度。工作臺導軌表面貼塑減小了滑動摩擦系數(shù)，從而減小了所需的驅動力和爬行現(xiàn)。導軌工作臺截面如圖4-1所示。
工作臺上的一條V型導軌與工作臺一體，另一條V型導軌體用橫向鍵與其保持橫向滑動定位，稱為自位導軌，如圖4-2所示，由于這一條V型導軌體是橫向可浮動的，工作臺和床身配合的二個V型導軌中心距能自動調整，補償由導軌副運動摩擦發(fā)熱而引起的中心距變化。圖中所示螺釘是為了使裝配容易而設計的，浮動導軌裝配時，先將橫向鍵固定到工作臺上，然后用長螺釘將浮動導軌與鍵連接，該螺釘?shù)念A緊力需用測力扳手控制，以保證工作臺受熱變形后可以在水平方向微量浮動。
工作臺導軌表面粘貼以聚四氟乙烯為基體的塑料軟帶，其特點是摩擦因數(shù)小，耗能低；動靜摩擦因數(shù)接近，低速運動平穩(wěn)性好；阻尼特性好，能吸收振動，抗陣性好，有自身潤滑作用，沒有潤滑油也能正常工作，使用壽命長；結構簡單，維護修理方便，磨損后容易更換，經(jīng)濟性好。但是，剛性較差，需校核導軌的比壓。
為提高導軌耐磨性和防止塑料軟帶撕傷，動導軌和支承導軌應具有不同的硬度。因此，工作臺導軌用普通鑄鐵，不淬火，床身導軌需淬火處理。
圖4-1 導軌工作臺斷面圖
圖4-2 浮動導軌局部視圖
4.2.2導軌的比壓計算
導軌的損壞形式主要是磨損，而導軌的磨損又與導軌的比壓（單位面積上的壓力）有密切關系。因此在初步選定導軌的結構尺寸后，應該核算導軌面的比壓，使其限制在允許的范圍之內。
工作臺導軌主要受加工工件和工作臺的重力。工件的最大重量是9000Kg，估算工作臺的重量為6000Kg。則垂直向下的合力G＝
由于采用雙v導軌，載荷對稱分布，每條導軌受力為G/2＝
每個導軌面所受的正壓力為
導軌面的比壓為
查表得： 鑄鐵導軌的許用比壓為；
聚四氟乙烯貼塑導軌的許用比壓為；
導軌面的比壓小于許用比壓，即導軌截面尺寸合理。
4.2.3浮動導軌導向鍵的校核
由導軌面比壓校核過程中的計算過程可知，浮動導軌承受的摩擦力
根據(jù)導軌截面尺寸確定橫向鍵尺寸為，浮動導軌分兩段，每段由兩個鍵來導向，其中一個用來承受力，另一個主要起限制導軌的轉動自由度。因此，只有兩個鍵同時受力。其強度條件為
（考慮到工作臺換向與停止過程中的沖擊，取載荷系數(shù)K＝2）
可見，橫向鍵的強度是足夠的。
5 控制系統(tǒng)設計
5．1控制對象的描述
數(shù)控導軌磨床的運動控制主要包括三部分，主運動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)。主運動的控制是指周邊磨頭、萬能磨頭的轉速控制。進給系統(tǒng)則包括工作臺的縱向進給、橫滑板和垂直滑板的橫向及垂直進給。輔助系統(tǒng)時指潤滑系統(tǒng)、靜壓軸承供油系統(tǒng)等輔助運動電機的開停控制。其中進給系統(tǒng)的控制最復雜。
根據(jù)加工工藝需要，周邊磨頭有五種進給方式：快速移動、慢速移動、周期進給、連續(xù)進給以及微量進給；萬能磨頭有三種進給方式快速移動、慢速移動和微量進給。但周邊磨頭和萬能磨頭不能夠同時工作，因此可以只用一個伺服電機，通過電磁離合器來選擇需要進給的磨頭。
該導軌磨床的基本工作流程如下
a.開機，靜壓軸承供油系統(tǒng)啟動，液壓潤滑系統(tǒng)啟動。
b.磨頭旋轉。
c.啟動橫梁進給系統(tǒng)（包括橫滑板、垂直滑板進給）。
d.啟動工作臺進給液壓泵。
e.開始執(zhí)行工作循環(huán)。
f.工作循環(huán)完成，磨頭回零點。
g.機床停止。
由以上動作流程可以看出，導軌磨床的進給過程在很大程度上屬于順序動作流程，因此非常適合于應用PLC來控制。
5．2總體控制方案的確定
根據(jù)上述對控制對象的描述和具體的控制要求，該控制系統(tǒng)可采用主從式模塊化控制結構，微機作為中央控制器，實現(xiàn)對進給系統(tǒng)控制模塊、主運動速度控制模塊、以及輔助系統(tǒng)的集中控制管理。主控微機將操作員通過鍵盤輸入的數(shù)據(jù)，通過內部軟件的運算處理，通過串行通信接口RS232C傳送給進給模塊的PLC以及主控系統(tǒng)的變頻器。進給系統(tǒng)運用可編程序控制器（PLC）作為核心控制裝置，實現(xiàn)對設備各種執(zhí)行器件（包括進給伺服電機、各油泵電機以及電磁離合器等）的控制。主控微機還可以直接讀取伺服電機控制器的內部控制數(shù)據(jù)，從而檢測進給系統(tǒng)的工作狀態(tài)；同時它還通過內部軟件程序將檢測數(shù)據(jù)轉化為視頻信息，直觀地顯示在屏幕上。主軸旋轉速度由變頻器來控制，變頻器可與主控微機進行串行通信。
該系統(tǒng)的控制框圖如圖5-1。
圖5-1 控制系統(tǒng)框圖
控制系統(tǒng)內部信息交換
微機發(fā)出：微機向PLC發(fā)出各種控制數(shù)據(jù)，如工作磨頭序號、橫滑板和垂直滑板運動位移以及運動速度以及磨頭工作循環(huán)所需的其他數(shù)據(jù)。
微機向變頻器發(fā)出頻率控制信號。
微機接收：伺服驅動器的內部狀態(tài)，即進給系統(tǒng)的運動狀態(tài)。
PLC 發(fā)出：伺服驅動器的控制信號，其它各輔助運動控制的信號。
PLC 接收：微機控制信號，各執(zhí)行元件狀態(tài)信號，及伺服運動系統(tǒng)到位信號。
5．3電氣控制系統(tǒng)硬件的選擇
5.3.1伺服電機及伺服驅動器的選擇
橫梁伺服電機與垂直滑板伺服電機均選用和利時交流伺服電機，具體型號為130MB100B-2CE6E，該電機的技術參數(shù)在表5-1中列出。
根據(jù)伺服電機的要求，伺服驅動器選擇森創(chuàng)GS0150G，該系列伺服驅動器以美國TI公司最新的數(shù)字處理芯片（DSP）作為核心控制芯片，采用了先進的全數(shù)字電機控制算法，完全以軟件方式實現(xiàn)了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應能力，可配合多種規(guī)格的伺服電機，適應于各種需要快速響應的精密轉速控制與定位控制的應用系統(tǒng)。
在本控制系統(tǒng)中主要用到以下幾個控制引腳
7腳：輸入公共端
23腳：伺服使能端
27腳：脈沖指令信號輸入－
12腳：脈沖指令信號輸入＋
28腳：方向/脈沖指令信號輸入－
13腳：方向/脈沖指令信號輸入＋
表5-1 130MB100B-2CE6E型伺服電機技術參數(shù)
額定輸出功率
W
額定轉矩
N.m
最大轉據(jù)
N.m
額定轉速
rpm
最高轉速
rpm
1500
7.5
18
2000
2500
電機轉子慣量
Kg.cm2
轉矩系數(shù)
N.m/A
額定相電流
A
瞬間最大相電流A
適配驅動器
13.1
1.35
6.7
16.0
GS0150G
電樞繞組相電阻
電樞繞組相電感
mH
機械時間常數(shù)
ms
電氣時間常數(shù)
ms
重量
Kg
1.24
9.52
7.24
11.5
5.3.2 PLC的選擇
根據(jù)市場情況，OMRON公司的PLC產品指令功能強大，處理復雜控制的功能強;編程語言梯形圖和指令助記符并重，編程簡單，易掌握；特殊功能模塊和智能模塊品種多，使用方便；網(wǎng)絡配置簡單，實用，價格低。因此決定選用歐姆龍品牌PLC。
CQM1H系列PLC是OMRON公司新近推出的中型PLC，該系列PLC為模塊式結構，最多可插11個模塊，I/O可達512點，能夠滿足該系統(tǒng)的輸入輸出需求。CQM1H系列PLC自帶RS232c串行通信接口，可與計算機進行串行通信。CQM1H系列PLC擁有脈沖I/O擴展模塊，可以輸出5－20kHZ的高速脈沖，能夠滿足伺服控制器速度控制端口的高頻脈沖信號需求。
PLC及其擴展模塊的具體選擇
CPU模塊：CQM1H—CPU51
I/O模塊: 輸入模塊 CQM1—ID212 16點
輸出模塊 CQM1—OC221（2塊） 8點
高速脈沖I/O模塊
表5-2 PLC輸入輸出點明細
輸入點
元件名稱及代號
輸出點
元件名稱及代號
00000
啟動按鈕SB1
10000
伺服驅動器1 23口
00001
急停按鈕SB2
10001
伺服驅動器1 28口
00002
工作臺行程開關SQ11
10002
伺服驅動器2 23口
00003
工作臺行程開關SQ12
10003
伺服驅動器2 28口
00004
工作臺限位開關SQ13
10004
伺服驅動器3 23口
00005
工作臺限位開關SQ14
10005
伺服驅動器3 28口
00006
左橫滑板限位開關SQ21
10006
00007
右橫滑板限位開關SQ22
10007
00008
橫滑板防碰撞限位開關SQ23
10100
周邊磨頭電機繼電器KM1
00009
左垂直滑板限位開關SQ31
10101
萬能磨頭電機繼電器KM2
00010
左垂直滑板限位開關SQ32
10102
絲杠電磁離合器KM3
00011
右垂直滑板限位開關SQ33
10103
絲杠電磁離合器KM4
00012
右垂直滑板限位開關SQ34
10104
靜壓軸承供油泵電機
00013
伺服電機完成信號開關KM11
10105
潤滑系統(tǒng)油泵電機
00014
伺服電機完成信號開關KM12
10106
工作臺驅動液壓泵電機
00015
伺服電機完成信號開關KM13
10107
報警燈、鈴
5．4控制系統(tǒng)程序設計
梯形圖編程是PLC程序設計的主要形式，梯形圖直觀、形象、易于接受。該程序段主要完成磨床從開機到完成加工以及回到零位過程中的順序動作控制。下面簡單介紹梯形圖各程序斷的含義。
1）機床開機，首先啟動液壓潤滑系統(tǒng)油泵和靜壓軸承供油油泵，在這兩者未工作時其他任何部件都不可以相對運動。
圖5-2 PLC控制梯形圖(1)
2）液壓系統(tǒng)啟動的同時，計算機與PLC之間進行數(shù)據(jù)通信。待液壓系統(tǒng)完全啟動以及數(shù)據(jù)通信完成之后，根據(jù)通信數(shù)據(jù)，接通所需工作磨頭的離合器，橫滑板開始進給。兩個磨頭的離合器與繼電器均通過軟件來實現(xiàn)互鎖。
圖5-3 PLC控制梯形圖(2)
3）橫滑板到位之后，伺服驅動器發(fā)出到位信號到PLC的輸入端，然后垂直滑板開始進給。垂直滑板的控制方法與橫滑板基本相同。
圖5-4 PLC控制梯形圖(3)
4）垂直滑板到位之后，工作臺開始進給，進入工作循環(huán)，工作循環(huán)的控制由子程序完成，這里并不涉及。
圖5-5 PLC控制梯形圖(4)
5）當機床完成每次工作循環(huán)之后，自動回到零點。其回位過程正好與進給相反。具體順序如下：
垂直滑板回位；
橫滑板回位；
主軸電機停轉；
延時，待主軸完全停止轉動之后，液壓系統(tǒng)斷電。
該過程的控制程序如圖5-6
圖5-6 PLC控制梯形圖(5)
根據(jù)梯形圖編寫的指令程序如表5-2所示：
表5-2 PLC指令語句表
序號
指令
說明
序號
指令
說明
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
LD NOT 00004
AND NOT 00006
AND NOT 00009
AND NOT 00012
OUT 01600
LD 00000
OR 10105
AND NOT 00001
AND 01600
OUT 10104
OUT 10105
LD 10105
AND NOT TIM001
TIM 001
#0030
LD 00000
RXD
080
085
#0005
LD AR08
AND NOT 08001
AND 08000
OUT 10100
OUT 10102
LD AR08
AND NOT 08000
AND 08001
OUT 10101
OUT NOT 10103
LD AR08
AND NOT TIM001
TIM 001
#0030
LD TIM001
AND NOT 00013
AND 01600
AND NOT 00001
OUT 10000
OUT 10001
PULS
000
開機
啟動潤滑系統(tǒng)
啟動靜壓軸承供油泵
數(shù)據(jù)通信
判斷、
并啟動工作
磨頭，
接通橫梁
電磁離合器
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
AND NOT 000
IR081
LD 00013
OR 01601
AND 01600
AND NOT 00001
OUT 01601
LD 01601
AND NOT 00014
AND 08000
AND NOT 08001
OUT 10002
OUT 10003
PULS
000
000
IR082
LD 01601
AND NOT 00015
AND 08001
AND NOT 08000
OUT 10004
OUT 10005
PULS
000
000
IR082
LD 00014
OR 00015
OR 10106
AND NOT 00002
OUT 10106
LD 00002
AND TIM001
TIM 001
#0030
LD TIM001
AND NOT 00014
AND 08000
AND NOT 08001
AND 25314
OUT 10003
橫滑板進給
垂直
滑板
進給
開始工作循環(huán)
完成
延時
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
OUT 10002
PULS
000
000
IR082
LD TIM001
AND NOT 00015
AND 08001
AND NOT 08000
AND 25314
OUT 10005
OUT 10004
PULS
000
000
IR082
LD 00014
OR 00015
OR 10000
AND NOT 00013
AND 25314
OUT 10001
垂直滑板
回位
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
OUT 10000
PULS
000
000
IR081
LD NOT 00013
OR 10100
OUT 10100
OUT 10101
OUT 10102
OUT 10103
LD 00013
AND NOT TIM001
TIM 001
#0060
LD TIM001
OUT 01602
LD NOT 01602
OUT 10104
OUT 10105
END
橫滑板
回位
主軸停轉
延時
潤滑與靜壓
軸承泵停
畢業(yè)設計總結
通過本次畢業(yè)設計，使自己的綜合能力有了很大的提高 。首先，了解了導軌磨床的國內外發(fā)展狀況以及國內外的差距，對導軌磨床的工作原理、機械結構及控制系統(tǒng)等各方面基本掌握，通過對機床總體布局、周邊磨頭以及電氣控制系統(tǒng)的設計，具備了一定的設計導軌磨床的技能和經(jīng)驗。在導軌磨床機械結構的設計過程中，進一步掌握了普通機械結構在實踐中的應用，并熟悉了以前并未涉及過的靜壓軸承、浮動導軌、貼塑導軌等精密機械結構。通過對控制系統(tǒng)的設計，鞏固了設計機械裝備電氣傳動控制系統(tǒng)的方法、步驟，進一步提高了分析控制系統(tǒng)問題的能力。其次，通過本次畢業(yè)設計，發(fā)現(xiàn)了自己在以前學習過程中存在的許多遺留問題，特別是在工廠調研的過程中，發(fā)現(xiàn)了書本知識與工廠實踐之間的巨大差距，真正理解了工廠實踐在機械專業(yè)知識學習中的重要性。畢業(yè)設計正是將自己本科四年學到的知識進行總結并且綜合應用于設計實踐中，從而使自己對機械這個領域有了更進一步的綜合認識，大大提高了自己的綜合能力。另外，對于那些以前從未接觸過的知識，通過查找資料或者請教老師和同學，最終得以解決，提高了自己的自學能力。最后，通過畢業(yè)設計的鍛煉，必將為自己將來學習和工作奠定堅實的基礎。
致 謝
真誠地感謝王龍山老師在整個畢業(yè)設計過程的悉心指導。同時，我也非常感謝機制系的張富老師和李國發(fā)老師，為我的畢業(yè)設計提供了許多中肯的意見。另外，還要感謝長春第一機床廠的楊總，在我們實習、調研的過程中給予了大力的支持和幫助，并為我們提供了大量有價值的設計資料。
參 考 文 獻
1 機床設計手冊.機械工業(yè)出版社.1986.
2 譚慶昌、趙洪志、曾平.機械設計.吉林科學技術出版社.2002.5.
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5 馮辛安.機械制造裝備設計.機械工業(yè)出版社.2002.3.
6 于駿一、鄒青.機械制造技術基礎.機械工業(yè)出版社.2004.1.
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15 森創(chuàng)全數(shù)字交流伺服驅動器操作手冊.
16 歐姆龍CQM1H PLC操作手冊.
17 寇尊權.機械設計課程設計.吉林科學技術出版社.1999.9
18甘永力，陳曉華.機械