机械毕业设计（论文）-M2120内圆磨床的改造设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： M2120 内圆磨床的改造设计内圆磨床的改造设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） M2120 内圆 磨床的改造设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用， 表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、 集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 92 学 号： 0923098 II 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 M2120 内圆磨床的改造设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 本课题来源于与无锡开源机床集团有限公司合作改造项目。 磨床是金属切削行业的一个重要分支，随着工业的发展，对机械 零件的加工精度及表面粗糙度的要求日益提高，磨削加工显得更加 重要，当前的磨削技术已无法满足要求，所以要提高磨削技术的水平 以达到现代工业磨削加工所要求的的精度和效率。尤其在汽车、电力、 船舶、冶金、军工、航空航天等行业。数控内圆磨床对被加工零件的 适应性很强，具有较高的生产率、加工精度和稳定的加工质量。为了 提高加工精度、尺寸精度，本次设计针对数控内圆磨床进给部件进行 改造设计。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 在了解 M2120 磨床的基础上，设定改造方案。完成改造后的磨床 的磨头部件改造设计，绘制磨头装配图； II 完成 M2120 内圆磨床的非标准零件图设计，绘制三张零件图； 完成设计说明书一份，有方案拟定，必要的分析、计算。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 92 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 本次设计主要针对数控磨床做部分改造，以适应加工产品时可以简单加工、精确定 位、保证尺寸，提高加工效率，减轻工人劳动强度。 此次改造对机床的导轨和驱动等进给部件做一定的修改，以适应产品的需要，保证 在生产中的精度及效率。 液压驱动对重复定位及尺寸的精度很难保证，使得在生产中很难提高效率。改用伺 服电机驱动进给部件，可以保证机床的重复定位，使产品的精度不会因为操作者的原因 而无法得到保证。 导轨是数控控制精度的一个方面，数控方式对导轨要求是具有高灵敏度，低摩擦阻 力，高寿命等，所以对导轨的要求也比较高。一般的磨床采用的是滚动导轨，精度较低， 摩擦阻力大，寿命不高，所以本次设计导轨采用的是滚动导轨 丝杠是控制精度的另一个方面，以前沿用的滑动丝杠传动效率低、导程精度低，不 能满足高精度、高效率的要求，因此该用滚珠丝杠，滚珠丝杠传动系统是以滚珠为媒介 的滚动螺旋传动的体系，它的传动效率高，是传统滚珠丝杠的 24 倍，运动平稳性好， 精度高，较高的耐用性，可靠性高，无间隙，刚性好。 对于生产时产品的尺寸能进行补偿，保证产品一致性。另外对于产品的变更能及时 进行调整，以适应不同的产品，尽量降低加工成本。 关键词：关键词：内圆磨床；数控；伺服 IV Abstract The design focuses on CNC grinding machines to do part of the transformation to adapt to the processed products can be simple processing, precise positioning to ensure that the size, improve processing efficiency, reduce labor intensity. The transformation of feed components on the the machine rails and drive to do some modifications to accommodate the needs of the product to ensure accuracy and efficiency in production. The hydraulic drive to repeat the positioning and dimensions of precision is difficult to ensure, so that is difficult to improve efficiency in production. Switch to servo motor drive feed parts can guarantee repeat positioning of the machine, the accuracy of the product will not be because of the operators reasons can not be guaranteed. Rails to one aspect of the numerical control precision CNC pair of guide rails requirements having a high sensitivity and low frictional resistance, high life, etc., and so on rails requirements are relatively high. The grinder is rolling guide, low accuracy, friction, life is not high, so the design rail is rolling guide The screw is another aspect of the control accuracy, sliding screw previously used transmission efficiency is low, the lead accuracy is low, can not meet the requirements of high precision, high efficiency, so that the ball screw, ball screw drive system is based on a ball media rolling screw drive system, the transmission efficiency is high, the traditional ball screw 2 to 4 times and good, smooth motion, high accuracy, high durability, high reliability, no gap, good rigidity. To compensate for the size of the product in the production to ensure product consistency. In addition to the change of the product can be adjusted in a timely manner, in order to adapt to the type of product and to minimize processing costs. Keywords: Internal grinder; CNC; Servo V 目目 录录 摘 要 .III AbstractIV 目 录.V 1 绪论 .1 1.1 本课题的研究内容和意义1 1.2 国内外的发展概况1 1.3 本课题应达到的要求1 2 总设计方案 .2 2.1 主要规格与参数.2 2.2 总设计方案分析与选定.3 2.2.1 机床设计改造的基本要求3 2.2.2 机床设计改造的研究方法3 2.2.3 机床设计的方案分析4 2.3 主要结构与性能.8 2.3.1 床身8 2.3.2 进给箱.8 2.3.3 磨架.8 2.3.4 床头.8 2.3.5 砂轮修整器.8 2.3.6 砂轮轴.8 3 传动系统 .9 3.1 工件传动.9 3.2 砂轮传动.9 3.3 进给传动.9 3.4 机床所用滚动轴承明细表.9 3.5 传动带明细表.10 3.6 丝杠副明细表.10 4 X 轴进给伺服系统的设计与计算.11 4.1 进给伺服系统的控制方式的选择.11 4.2 伺服系统机械传动结构设计特点.12 4.3 伺服电动机的选择计算.12 4.3.1 选择伺服电机的三个指标及其计算12 4.3.2 电动机转子惯量与负载惯量匹配12 4.3.3 空载加速转矩13 4.3.4 电动机的选择13 4.4 滚珠丝杠副.14 4.4.1 滚珠丝杠特点14 4.4.2 滚珠丝杠的消隙和预加载荷14 4.4.3 滚珠丝杠的支承14 4.4.4 滚珠丝杠的选择计算14 4.4.5 选择丝杠轴承.16 4.5 半闭环进给系统的精度.16 4.5.1 伺服刚度16 R k 4.5.2 滚珠丝杠的螺母的接触强度17 VI 4.5.3 丝杠的拉压强度.17 4.5.4 轴承的轴向刚度.17 4.5.5 综合刚度.17 4.5.6 定位精度.17 4.6 导轨的选择.18 4.7 涨紧套.18 4.7.1 涨套的联接特点.18 4.7.2 涨套的选用计算18 5 电气系统 20 5.1 概述20 5.2 机床夹紧动作20 5.3 工件夹紧20 5.4 维护检查20 6 冷却系统 .21 7 润滑系统 .22 7.1 润滑油的选择22 7.2 注意事项22 7.3 使用和维修22 7.4 其他润滑22 8 结论与展望 23 8.1 结论23 8.2 不足之处与未来展望23 致 谢 .24 参考文献 .25 附 录 .26 M2120 内圆磨床的改造设计 1 1 绪论绪论 1.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义 磨削技术及磨床技术在机械制造行业占有极其重要的位置，磨削技术发展很快，在 机械加工中起着非常重要的作用。随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密 铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。 1.2 国内外的发展概况国内外的发展概况 由于内圆磨床应用十分广泛，近年来，磨削技术得到了飞速发展，各种磨削新技术、 新工艺和新成品层出不穷。国际上有不少著名制造商，如日本的 OKAMMOTO、MITSUI 三井，德国的 BLOHM、ELB、ABA，瑞士的 MAGERLE，意大利的 FAVRATO 等。在 发展数控内圆磨床生产数量的同时，还要努力提高数控磨床的质量和精度。由于 CBN 砂 轮的使用，强力磨削突破传统磨削的限制，生产倍率成倍提高，目前磨削线速度已高达 120m/s，大吃深缓进给的强力磨削也得到了广泛应用。现代高精度磨削技术的发展，磨削 尺寸精度达到 0.10.3m，表面粗糙度达到 0.20.05m，磨削表面变质层的残留应力均 很小，明显提高了加工零件的质量。数控是内圆磨床发展的重要方面。在相当长的时期 里，国外磨床的数控化率远远低于车床和铣床。在近十年来，由于数控技术的发展，适 用于磨床的数控系统也有了较大发展，数控系统的性价比大大提高。目前国内高速磨削 应用面不广，磨削速度一般不超过 60m/s，与国外相差较大，磨削效率也相对较差，大吃 深缓进给的强力磨削方法在我国生产中应用不多。随着我国机械制造业迅猛发展，国内 对数控机床的要求也越来越高，自主研发了高精度机床，在控制技术方面与国外差距还 很大， ，主要采用 PLC 控制为主。国内各机床厂和机床研究所对数控磨床及磨削技术的发 展投入很大，取得了一些初步进展，如 CIMT 展出的上海机床厂的 MKY7875、云南 MIGHTY 公司的 SGS-618II、威海机床厂的 MJ7116 等。 1.3 本课题本课题应达到的要求应达到的要求 本次设计主要针对数控磨床做部分改造，以适应加工产品时，可以简单加工、精确 定位、保证尺寸、提高加工效率、减轻工人劳动强度。此次改造对机床的导轨和驱动等 进给部件做一定修改，以适应生产中精度和效率。需要采用伺服电机做驱动元件实现自 动控制，把原来滑动丝杠螺母副，把回转运动转变为直线运动，并且采用滚动导轨，以 提高精度。 无锡太湖学院学士学位论文 2 2 总设计方案总设计方案 2.1 主要规格与参数主要规格与参数 1. 磨孔直径 50200mm 2. 磨孔最大深度 当磨孔直径 5080mm 120mm 80160mm 160200mm 3. 工件最大旋径 在罩内 400mm 在罩外 120mm 4工作台最大行程 600mm 5床头箱最大回转角度 30 6. 床头箱主轴中心至床身底面距离 1200mm 7.床头箱最大横向移动量 200mm 8.工件转速 （无级调整） 低速 120320r/min 高速 220650r/min 9.工作台运动速度 修整速度 0.21m/min 磨削速度 1.56m/min 最高速度 7m/min 10.砂轮进给 刻度盘刻度 每格 0.001；0.01；0.1三种 每转 0.1；10；100三种 11.砂轮最大横向移动量 与装配图参数一致 12.砂轮转速 110000，8000，6000，4800，4000r/min 13.冷却泵流量25L/min 14.工件电动机 功率 1.5KW 15.砂轮电动机功率 4KW 16.冷却电动机功率 0.09KW 17.进给伺服电动机型号：HC-SF152(B) 功率比例：25.6KW/s 额定转速：2650r/min 额定转矩：7.16Nm 进给速度：12m/min 18.静变器容量 2.2KVA 19.引接电源3相380V 50HZ（或60HZ） 20.机床外形尺寸 3100*1464*1470mm 21.机床重量3350Kg M2120 内圆磨床的改造设计 3 2.2 总设计方案分析与选定总设计方案分析与选定 2.2.1 机床设计改造的基本要求机床设计改造的基本要求 设计改造机床时应力求达到重量轻、体积小。质量好、效率高、成本低使用维修方 便。要达到上述要求，设计人员应考虑机床的技术、经济指标，如加工范围。加工精度、 粗糙度、生产率、工艺性、成本，采用新技术和“三化”程度等。各项技术、经济指标 之间的相互联系和相互影响的，因此在设计时必须全面的加以考虑，根据具体要求确定 若干指标为重点，处理好相互之间的关系。设计改造机床，除了考虑上述各项指标外， 机床的“三化”是不容忽视的问题。 2.2.2 机床设计改造的研究方法机床设计改造的研究方法 机床为了加工不同形状的和技术要求的工件的需求，因此品种很多，类型不一，但 不论设计哪一类机床，归纳起来大致有一个基本相似的步骤。 （1）工件的工艺分析：设计机床前，首先对工件进行必要的分析，了解工件的尺寸、 材料、技术要求、批量，确定加工方法、余量、定位基准、装夹方法等。 （2）调查研究：通过三个途径（访问用户和承制单位，参阅技术资料）的调查研究和 分析，为拟定初步设计方案打下基础。 访问使用单位，主要了解操作人员对机床的要求，现有的工件加工方法，同类机 床的使用情况和存在问题，使用单位的自然条件、设备条件、生产经验等。访问承制单 位，主要了解制造部分的设备条件、技术能力及原有生产经验。参阅有关技术材料，包 括国内外有关技术文献，同类机床的技术蓝图及总结。 （3）工作图设计：包括确定机床的布局，技术参数和工作循环等，绘制机械部件装配 图，零件图，编制设计说明书，标准件、外购件。通用件明细表等。 （4）现场服务：参加制造、装配、试磨和鉴定总结工作，进一步修改图纸，上述设计 过程的各项工作，是不可分割的，是相互穿插同时进行的。 2.2.3 机床设计的方案分析机床设计的方案分析 图2.1 磨架总图 无锡太湖学院学士学位论文 4 一一.进给部件驱动方式的选择进给部件驱动方式的选择 A 液压驱动 液压进给驱动系统定位由一下几部分组成：机械部分、位置检测部分件、液压传动 部分件和PLC，如图A所示。 其中PLC控制系统是整个驱动系统的核心。PLC依据自身程序及行程开关控制液压系 统油路走向及液压缸的运动来驱动进给。 图2.2 液压驱动方式 液压驱动方式传动功率大，低速、平稳，有过载保护能力，传动布置灵活，但是进 给精度不高，效率相对较低。 B 机械传动 机械传动通过齿轮传动（如图B）将转速通过丝杠、螺母转换成直线运动，一般需求 较高的制造精度和安装精度。 图2.3 机械传动方式 齿轮传动传动比精确，结构紧凑，工作可靠，使用寿命长，但是加工、安装、 调整的精度要求高，否则会严重影响加工精度。 M2120 内圆磨床的改造设计 5 C 伺服电机驱动 伺服进给系统组成（如图C） 图2.4 伺服驱动方式 进给伺服系统的要求：1稳定性；2精度高；3快速响应性；4调速范围大；5 低速大转矩输出 进给伺服系统的性能主要取决于组成系统的机电两部分的匹配，即机电参数 配合的协调性。 进给伺服系统的控制方式分为：开环控制，半闭环控制，闭环控制。 （1）开环控制 图2.5 开环控制方式 开环控制系统图如图（1） 1）工作台位移量的控制：数控装置发出进给脉冲，经驱动电路放大，驱动电 路，步进电动机收到伺服驱动电路的脉冲信号，开始运转，转换为步进电动机的角 位移量，再经过减速齿轮、滚珠丝杠螺母、螺母移通过机械部件将转动转换为工作 台直线运动位移量。 2）工作台进给速度的控制：进给脉冲频率经驱动后，就转化为步进电动机定 子绕组中电流的通断电变化的频率进而决定了步进电动机的转速，步进电动机的转 速再经过减速齿轮、滚珠丝杠螺母体现为工作台的进给速度。 3）改变步进电动机输入脉冲信号的的循环顺序，即可改变步进电动机定子绕 组的电流通断循环的顺序，从而实现电动机正反转，相应工作台的运动方向也会改 变。 在管理中采用开环控制具有作用时间点、控制成本低等优点，在外界干扰较小 的情况下，有一定的控制作用。但是这种控制无反馈机制，无法发现和纠正计划和 实施中与预定目标的偏差，缺乏抗干扰能力，不能进行误差修正。 在控制X、Z 轴的进给运动时，没有位置检测元件、速度检测元件，无法给予 无锡太湖学院学士学位论文 6 进给运动位置修正，控制精度不高，影响系统工作精度，从而影响到工件的磨削精 度。 （2）半闭环控制 图2.6 半闭环驱动方式 半闭环控制系统图如图（2）所示，半闭环系统与开环系统不同，它所采用的是伺服 电机，伺服电机半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置， 通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角，间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的 比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充 位移，直到差值消除为止的控制系统。由于半闭环控制系统将移动部件的传动丝杠螺母 不包括在环内，所以传动丝杠螺母机构的误差仍会影响移动部件的位移精度，由于半闭 环控制系统调试维修方便，稳定性好，目前应用比较广泛。半闭环控制系统的伺服机构 所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多中小型数控机床所采用。 （3）闭环控制 图2.7 闭环驱动方式 闭环控制是一种自动控制系统，其中包括功率放大和反馈，使输出变量的值响应输 入变量的值。数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若工作台 没有移动，即没有位置反馈信号时，指令值使伺服驱动电动机转动，经过齿轮、滚珠丝 杠螺母副等传动元件带动机床工作台移动。装在机床工作台上的位置测量元件，测出工 作台的实际位移量后，后反馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后 的差值进行控制。若两者存在差值，经放大器后放大，再控制伺服驱动电动机转动，直 至差值为零时，工作台才停止移动。 M2120 内圆磨床的改造设计 7 在理论上，如果不考虑外部因素，全闭环控制比半闭环控制可能会提高基础的定位 精度。但如果不能很好的解决机床发热、环境污染、温升、振动、安装等因素，会出现 全闭环不如半闭环的现象。短时间内可能会有效果，但时间一长，灰尘、温度变化对光 栅尺的影响，将严重影响测量反馈数据，从而失去作用。同时光栅尺出现问题后，会产 生报警，造成机床不能工作。 综上所述：本次设计中采用了半闭环控制进给驱动。 二二.丝杠的的选择丝杠的的选择 滚珠丝杆是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产 品。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是 滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动 作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 本次设计采用滚珠丝杠。 三三.导轨的选择导轨的选择 滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以 下几方面的优点：1）定位精度高直线滚动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直线滚动导轨的机床 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直线滚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滑动导轨面 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，故能使直线滚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。 本次设计采用滚动导轨。 2.3 主要结构与性能主要结构与性能 2.3.1 床身床身 床身采用整体铸件，床身上用直线滚动导轨，采用集中润滑滑动导轨面，在工作时 必须供油润滑。工作台的移动主要由 Z 轴伺服系统（Z 轴伺服电机，涨紧套联轴器，滚珠 丝杠，组合轴承，一对角接触球轴承螺母，螺母座，轴承座等件组成）驱动工作台往复 运动。 2.3.2 进给箱进给箱 进给是由底座、滑板、直线滚动导轨、磨头座、X轴伺服系统（X轴伺服电机，涨紧 套联轴器，滚珠丝杠，角接触球轴承，螺母座）零件组成，X轴伺服系统驱动进给箱运动。 无锡太湖学院学士学位论文 8 2.3.3 磨架磨架 主要有底座、滑板、磨具座三大件组成，底座固定在工作的T型槽中，根据工件长度 调整其纵向位置。磨具装夹在磨具座中，由电动机通过一对皮带轮传动。 2.3.4 床头床头 传动工件主轴由交流双速电机经一对皮带轮传至工件主轴。皮带的松紧借助皮带压 紧调整，主轴前后支承都是成对的有预加载荷的高精度向心轴承，皮带轮端面可外接压 力油缸或气压缸，用于工件的自动加紧或松开。 床头箱连同底座安装在床身上，磨削锥孔时，他们都能在水平面内绕各自的垂直轴 线回转。松开床头箱与底座之间的三个紧固螺钉就能转动床头箱粗调回转角度。回转角 度的精调在底座和工作台之间进行，调整时先松开工作台左端的压板和底座前端回转中 心处的螺钉，然后转动底座左端的方头螺钉即可。 2.3.5 砂轮修整器砂轮修整器 砂轮修整器固定在床身后端，磨具由X轴伺服电机驱动，快速靠近修整器，修整器固 定不动。 2.3.6 砂轮轴砂轮轴 砂轮轴前后轴承均为高精度的向心推力球轴承，前轴承由螺帽紧固，后轴承靠弹簧 自行消除前后两对轴承的间隙。 调换不同类别的砂轮轴按规定，相应调换皮带轮，以得到规定的砂轮线速度。磨具 旋向从砂轮轴皮带轮端面观测，砂轮轴按照顺时针方向旋转。 M2120 内圆磨床的改造设计 9 3 传动系统传动系统 3.1 工件传动工件传动 工件电机安装在床头箱背部，由交流变频器提供电源，电动机经过一对皮带轮降速 后驱动主轴，主轴转速可在120650r/min范围内作无级调速。 3.2 砂轮传动砂轮传动 安装在进给滑板上的电动机，经一对皮带轮传递至砂轮轴，皮带的松紧可通过移动 电动机的底板来进行调节。 3.3 进给传动进给传动 采用伺服电机经涨紧套直接驱动滚珠丝杠带动工作台或进给滑板运动。 图3.1 磨床进给部件 1 工件电机 2.压紧轮 3.活塞 4.回转板 5.工作台 6 Z轴伺服电机 7.床身 8.丝杠 9.滑板 10.X轴伺服电机 11 砂轮轴 12 修整器 13 主轴 3.4 机床所用滚动轴承明细表机床所用滚动轴承明细表 表3-1 滚动轴承明细表 序号型号名称数量安装部位 16204深沟球轴承2床头前压紧轮 26205深沟球轴承2床头后压紧轮 36208深沟球轴承4床头第一、二传动轴前轴承 46209深沟球轴承2床头第一、二传动轴后轴承 56203深沟球轴承2砂轮修整器 67206C角接触球轴承4进给机构 7ZARN2557N组合轴承1床身 无锡太湖学院学士学位论文 10 87206C角接触球轴承1床身 938205推力球轴承1床头第一传动轴后支承 1032214E圆柱滚子轴承2床头主轴 1132120圆柱滚子轴承1床头主轴 12K303517滚针轴承2夹具气缸 3.5 传动带明细表传动带明细表 表3-2 传动带明细表 名称型号规格数量安装部位 三角带A16002床头箱部位 3.6 丝杠副明细表丝杠副明细表 表3-3 丝杠副明细表 名称主参数数量安装部位 滚珠丝杠GQ40X6-P31X轴伺服电机 滚珠丝杠GQ50X101Z轴伺服电机 M2120 内圆磨床的改造设计 11 4 X 轴进给伺服系统的设计与计算轴进给伺服系统的设计与计算 4.1 进给伺服系统的控制方式的选择进给伺服系统的控制方式的选择 磨床是精密机床，对于普通内圆磨床 M2120 的进给系统进行数控改造，选取半闭环 控制。 半闭环控制的进给系统见下图 图 4.1 半闭环控制的近给系统 1.检测装置； 2.伺服电机； 3 滚珠丝杠； 4.运动部件 图（a）中，伺服电机 2 经减速器 3（齿轮式或同步齿带穿动） 、滚珠丝杠 4 带动运动 部件 5。检测装置 1 与电动机相连，并发出检测反馈信号。 图（b）与图（a）的差别仅在于检测装置 1 安装在丝杠 4 的端部，但由此减速器 3 的 传动误差可由半闭环伺服系统予以校正。 图（c）无减速器，只有伺服电动机与直联丝杠，构造最简单。 图（a）和图（b）的优点是可以把反馈装置（如旋转变压器、测速发电机、脉冲编码 器等）装在伺服电动机内，成为一个部件。图（b）的优点是齿轮等传动副 3 处于半闭环 之内，其传动误差可由反馈校正。 本机床采用图（b）所示的半闭环控制的进给系统。 反馈装置有两种： （1）用旋转变压器作为位置反馈，用测速发电机作为速度反馈； （2）用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。 无锡太湖学院学士学位论文 12 本机床采用第二种反馈装置。 4.2 伺服系统机械传动结构设计特点伺服系统机械传动结构设计特点 为确保伺服系统的定位精度和工作稳定性，在机械传动结构设计要求无间隙、低 摩擦、低惯量、高精度、高谐振以及高的阻尼比。为达到这些要求，设计中应尽量采 用低摩擦传动副，如滚动导轨、静压导轨、滚珠丝杠等，通过选用最佳降速比来降低 惯量，采用预紧的办法来提高传动刚度，采用消隙方法减少反向死区误差等，其中最 重要的是提高传动刚度和降低惯量。 4.3 伺服电动机的选择计算伺服电动机的选择计算 4.3.1 选择伺服电机的三个指标及其计算选择伺服电机的三个指标及其计算 (1) 最大切削负载转矩下不得超过电动机的额定转矩，折算到电动机轴的最大切削负 载 为， l T iTT PF T ff h l ) 2 ( 21 max 式中丝杠上最大的轴向载荷，等于轴向进给力加导轨的摩擦力 max F)(N 丝杠导程（m） h P 滚珠丝杠的机械效率 1、2、3 级=0.9，4 级以下=0.9 因滚珠丝杠螺母预加载荷引起的附加摩擦转矩 1f T 滚珠丝杠轴承的摩擦转矩 2f T 传动比i 最大载荷，丝杠导程=6mm=0.006m。查看丝杠样本，丝杠螺母NF100 max h P 副的摩擦系数=0.9，摩擦力。查轴承样本，单个 7206C 型的轴承摩擦力矩mNTf/3 . 0 1 为，故一对轴承为。丝杠与伺服电机直联，故 =1。则最大切削负mN /350mNTf/7 . 0 2 i 载转矩为 mNTl/1 . 11)7 . 03 . 0 9 . 02 006 . 0 100 ( 4.3.2 电动机转子惯量与负载惯量匹配电动机转子惯量与负载惯量匹配 惯量 J 由两部分组成：电动机伺服转子惯量和负载惯量，+。 M J L JJ M J L J 负载惯量为磨架部分、工件的质量、滚珠丝杠、联轴器的惯量折合到电动机上的当 量值。 M2120 内圆磨床的改造设计 13 匹配条件：0.251 M L J J max （1）磨架部分总重量 400Kg，则磨架部分惯量为 222222 1 65 . 3 000365 . 0 ) 2 006 . 0 (400) 2 () 2 ()(cmkgmkg P m n nP m v mJ hh （2）丝杠直径 d=40mm=0.04m ,l=0.65m,则丝杠惯量为 22 43 4 2 47.1200127 . 0 32 65 . 0 04 . 0 108 . 7 32 cmkgmkgldJ (3) 涨紧套联轴器惯量 2 3 00584 . 0 mkgJ 则负载惯量为 2 321 4 . 16mkgJJJJL 电动机惯量应符合4，即 M J L J M J L J 16.465.6 M J 根据以上计算，可初选伺服电动机。选用交流伺服电动机为三菱公司生产的，型号 为。它的额定转矩为，大于最大负载转矩，它的转子惯)(152 BSFHC mN 16 . 7 mN 1 . 1 量，大于负载惯量，满足匹配条件。 2 20cmkgJM 2 4 . 16cmkg 4.3.3 空载加速转矩空载加速转矩 空载加速转矩，这个输出转矩发生在阶跃指令加速时，要求的加速时mNT 216 max 间为 st mkgcmkgJJJ T n Jt a ML a 053 . 0 6 . 2160 30002 00364 . 0 00364 . 0 4 . 3620 4 . 16 60 2 22 max max 的时间常数，说明这种电机具有足够)(152 BSFHC smstm02 . 0 20 ma tt)43( 的加速能力。 4.3.4 电动机的选择电动机的选择 选择电动机 HC-SD152（B）的主要性能参数 最高转速3000r/min 额定转速2000r/min 无锡太湖学院学士学位论文 14 顺势容许旋转速度3450r/min 额定转矩 mN 16 . 7 最大转矩 mN 6 . 21 功率比率 sKw/ 6 . 25 惯性矩 JmN 16 . 7 2 GDmN 16 . 7 重量 kg9 4.4 滚珠丝杠副滚珠丝杠副 4.4.1 滚珠丝杠特点滚珠丝杠特点 滚珠丝杠式数控机床伺服驱动的重要部件之一。它的优点有： （1）传动效率高，一般可达 95%以上； （2）运动平稳，摩擦力小，灵敏度高，低速无爬行； （3）可以预紧，消除丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度； （4）定位精度和重复定位精度高； （5）使用寿命长； （6）同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时， 可获得较好的同步性； （7）使用可靠，润滑简单，维修方便； （8）不自锁，可逆向传动； 4.4.2 滚珠丝杠的消隙和预加载荷滚珠丝杠的消隙和预加载荷 消除间隙和预加载荷有多种方法。在机床上采用的是双螺母法。 预紧应根据以下原则：滚注丝杠副的预加载荷 F，应不低于丝杠最大轴向载荷的 1/3。 4.4.3 滚珠丝杠的支承滚珠丝杠的支承 滚珠丝杠常用的支撑方式有： （1） 一端轴向固定一段自由，常用于短丝杠和竖直安装的的丝杠； （2） 一端固定一端简支，常用于较长的卧式安装的丝杠； （3） 两端固定，常用于长丝杠或高转速要求、高精度、高刚度的场合。 本机床采用的是(1)方式。 4.4.4 滚珠丝杠的选择计算滚珠丝杠的选择计算 由设计要求知：伺服电机的最高转速 h max 1000 P v n M2120 内圆磨床的改造设计 15 6 2000 1210001000 max n v Ph 根据机床的脉冲当量常取为 a=0.001mm 每脉冲。则电动机每转应发出的脉冲数为 个60001 001 . 0 6 i a P b h 位置反馈器本机床用的脉冲编码。脉冲编码器现有的产品为每转 2000，2500，5000 脉冲等树种。如取每转 2000 脉冲，则编码器后应有一个倍频器，倍频数为 2。 速度反馈装置也用脉冲编码器，在变频器后加一个频率电压（F/V）转换器。其转 化比例为没脉冲/分，输出电压（V） 。 7 10 g U 图 4.2 位置反馈 1.频率/电压/(F/V)转换器 2.倍频器 3.脉冲编码器 4.伺服电动机 5.联轴器 6.砂轮箱 7.滚珠丝杠 滚珠丝杠的直径，滚珠的列数和圈数，应按当量动载荷选择。 由设计条件可知：砂轮转速 ，主电动机功率，则切向磨削力smv/35KWP4 N v P F s z 5 . 116 35 410201020 取法向磨削力与切向磨削力之比为 r F z F3/ zr FF 因此，NFF zr 350304 . 0 f N FFmgfF zr 100 %80/ )65.113501500(04 . 0 %80/ )( max NfmgF60 min N FF Fm 7 . 86 2 2 minmax 丝杠平均速度min/300rnav 丝杠平均寿命取为 1500h， 1 a f5 . 1 w f 无锡太湖学院学士学位论文 16 则)10(270 10 60 6 6 h hn L av 因此当量动载荷 Cm 为 N f fLF C a wm m 840 1 15270 7 . 86 3 3 查滚珠丝杠样本，选择内循环 FFZD4006X6-P3 丝杠。额定动载荷。KNCa5 .16 ，符合要求。丝杠直径 40mm，导程 6mm，浮动反向器内循环。每个螺母滚珠有 ma CC 5 列，双螺母垫片式预紧。预加载荷为，即 4125N，远大于最大载荷的 1/3。丝杠副4/ a C 精度为 2 级。刚度为。mN/1017 4.4.5 选择丝杠轴承选择丝杠轴承 丝杠采用一端轴向固定，一端自由方式。固定端采用一对角接触球轴承，背对背组 配，型号为 7206C。 轴承寿命： h n L h h FF C F C L av p mo p 10422 30060 10 6 . 187 60 10 )10( 6 . 187) 7 . 862900 17100 ()()( 66 63 该丝杠能满足要求。 4.5 半闭环进给系统的精度半闭环进给系统的精度 4.5.1 伺服刚度伺服刚度 R k M vets R R KKKK k )1 ( 0 通常取，取 s K 1 25-8 s 1 20 sKs 转矩系数ANmKt/6 . 0 为伺服电机反电动势系数， e KradvsKe/62 . 0 速度环的开环增益，即取 sv KK）（4-2 0 40 0 v K 电枢直流电阻3 . 0 M R 则radmNkR/ 8 . 1016 3 . 0 )401 (62 . 0 6 . 020 M2120 内圆磨床的改造设计 17 mN mN iP kk h RR /1114 /101114 ) 006 . 0 1 2 ( 8 . 1016) 2 ( 6 22 4.5.2 滚珠丝杠的螺母的接触强度滚珠丝杠的螺母的接触强度 根据样本手册，mNKN/1017 4.5.3 丝杠的拉压强度丝杠的拉压强度 丝杠的拉压强度 3 1 min 10 l AE Ks 其中 )( 4 )2 . 1( 2 2 0 mm Dwd A 杨氏弹性模量Emin/101 . 2 5 N 螺母座至固定端最大距离 1 l 则 mNKs/26710 9 . 0 105 . 2 4 )42 . 140( 6 52 min 4.5.4 轴承的轴向刚度轴承的轴向刚度 9 . 19 . 08 . 01 . 0 43.14 8 SinZlaFa ad dFa Ka 因无轴承样本，现取mNKa/500 4.5.5 综合刚度综合刚度 mN KKKK K NsR /131 1017/1500/1267/11114/1 1 /1/1/1/1 1 min 4.5.6 定位精度定位精度 m K Ff 4 . 2 131 314 这个误差，加上丝杠任意 300mm 的导程公差，丝杠轴承的轴向跳m8 动，为，满足定位精度m4m3 . 94 . 248 222 的要求。mm300/012 . 0 无锡太湖学院学士学位论文 18 4.6 导轨的选择导轨的选择 导轨运动性质可分为主运动导轨、进给运动导轨和移置导轨。主运动导轨的动导轨 和支承 轨之间，相对运动速度较高。进给运动导轨的动导轨与支承导轨之间相对运动速度 较低。移置导轨只用于调整部件之间的相对位置，移置后固定，在加工中没有相对运动。 按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。 按受力状况可分为开式导轨和闭式导轨。 按磨床设计要求选择滚动导轨。选用直线滚动导轨副。 4.7 涨紧套涨紧套 4.7.1 涨套的联接特点涨套的联接特点 （1）定心性好 （2）可调性好 （3）装卸维修方便 （4）轴孔不用加工键槽，无应力集中源，承载能力的疲劳强度高 （5）轴孔和孔径的精度及配合精度要求不高 （6）具有过载安全保护作用 （7）涨套已标准化，类型较多，选用计算方便 4.7.2 涨套的选用计算涨套的选用计算 选择涨套时应满足结构和承载能力的要求。 承载能力应满足： （1）传递转矩时：； t TT （2）承受轴向力时：； tx FF （3）传递转矩和轴向力联合作用时：; tx F d T FF 2 2 ) 200 ( （4）承受径向力时： f r p dl F P 1000 式中 传递转矩（）TmKN 一个涨紧套的额定转矩（） t TmKN 承受的轴向力（） x FKN 一个涨紧套的额定轴向力（） t FKN 一个涨紧套与结合面上的压强（） f p a MP 涨套内径（）dmm 涨套内环宽度（）tmm M2120 内圆磨床的改造设计 19 查有关涨紧套样本，现选择型号为的涨套串联，其用于联接电动机伸出50024WZt 端与滚珠丝杠副的一轴端。 无锡太湖学院学士学位论文 20 5 电气系统电气系统 5.1 概述概述 本机床使用电源为：三相交流电 380V，50HZ（60HZ） ，机床总容量 7.09KW，满载 电流 15.7A，机床电源开关的断流脱扣电流 200A，机床内电源引线为 2.5，建议用户 2 mm 使用 50A 熔断器和 4的电源线引入机床。本机床控制电压，照明及信号灯由单独的 2 mm 变压器供电电压分别为交流 110V，24V，6V。 5.2 机床夹紧动作机床夹紧动作 本机床夹紧动作由气动系统采用三件套（分水滤气器、减压阀，油雾器）组成一空 气过滤组合，对气源处接来的高压气体进行充分过滤、润滑，减压，再通过一残压释放 阀通向电磁换向阀 YV1，控制工件夹紧、松开动作（根据用户特殊要求而设定） 。 5.3 工件夹紧工件夹紧 工件夹紧，松开动作由电磁换向阀 YV1 控制，YV1 断电夹紧，通电是断开。 5.4 维护检查维护检查 1.要定期检查空气过滤器，油雾器的标准树脂杯及油雾器的滴油窗上是否有裂纹，伤 痕或其他缺陷，若有上述现象，应更换新的杯子和滴油窗或使用金属杯。若污浊，应更 换新的杯子和滴油窗。 2要定期确认空气过滤器，油雾器的标准树脂杯及油雾器的滴油窗是否被污浊。若 污浊，应更换新的杯子和滴油窗。洗净可使用家庭用的中性洗涤剂，用其他洗涤剂会损 坏。 3.空气过滤器内的冷凝水位超过上限水位时应该排放，以免冷凝水流入两侧，造成元 件动作不良。 4油雾器应使用透平油 1 号（气添加剂）ZS0VG32，使用除此以外的油会造成元件 损坏或动作不良。