精密平面磨床微进给及微位移工作台设计.doc

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： 精密平面磨床微进给及精密平面磨床微进给及 微位移工作台设计微位移工作台设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 0923150 学生姓名： 邱文浩 指导教师： 范圣耀 （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 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 精密平面磨 床微进给及微位移工作台设计 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 93 学 号： 0923150 作者姓名： 邱文浩 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 精密平面磨床微进给及微位移工作台设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 结合自己实习经验观察，国内数控平面磨床尚未普及，生产效 率的提升空间很大。 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： 设计一台精密数控平面磨床，用砂轮周边磨削平面，也可 以磨削台阶平面、能用于机械制造业及工具磨具制造业，能加工各 种难加工材料（如陶瓷材料） ； 磨床总体设计方案确定，绘制机床总体布局图； 砂轮修整器设计计算； 垂直进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杠副设计计算， 绘制垂直进给机械结构的装配图 ； 结合数控技术的微位移工作台的设计。 ii 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 邱文浩 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 随着科学技术的发展和高新技术产业的需要，精密平面磨床已然在当代制造产业中 占据了非常重要的地位。本文在收集了大量资料和吸取了前辈们的经验的情况下，设计 了一台以广州机械制造厂的 mgb6120 为原型、以微进给机构和微位移系统来提升加工精 度的精密平面磨床工作。在此基础上，完成了该磨床的总体设计计算，并进行了数据对 比优化选择，取得以下研究成果： (1) 设计一台精密数控平面磨床，用砂轮周边磨削平面和台阶平面，用于机械制造业 及工具模具制造业，且能加工各种难加工材料。 (2) 确定了该精密平面磨床工作台的各个部件及其功能分配，完成了该平面磨床的传 动选择以及总体布局设计。 (3) 利用滚珠丝杆为主要器件，结合梯形螺纹丝杆压杆来检测其稳定性；通过压电、 电致伸缩器件在微位移系统中的压电耦合效应和砂轮修整器特性提高了该工作台的加工 精度。 (4) 将 840d 数控技术作用于平面磨床工作台并选择西门子 ifk6 交流伺服电机作为进 给机构和微位移系统的电力源，完成了精密平面磨床微进给及微位移工作台的设计。 关键词：关键词：精密；微位移；微进给；砂轮器；数控 iv abstract with the development of science and technology and the need of high-technique industry, precision surface grinder has played a very important role in modern manufacturing industry. under the circumstance of collecting a great number of materials and absorbing predecessors experience, this article designs a precision surface grindering machine which is the prototype of mgb6120 in guangzhou machine tool. in addition, it improves precision by a micro feed mechanism and a micro displacement system. in that case, it finish the calculation of the overall design of the grinding machine. whats more, it makes the optimization of comparative data and obtains the following results： (1) it designs a precision nc grinding machine and grinds surface with grinding wheel. it is used in mechanical manufacturing industry and model manufacturing industry. it also processes various materials which are very difficult. (2) it confirms each component and function allocation of precision surface grinder worktable. it also finishes the transmission selection and overall layout. (3) it regards ball screw rod as main device and is combined with the trapezoidal thread screw rod to test its stability. piezoelectric coupling effect and grinding wheel dressing device features, which improve the machining accuracy of the workbench through the piezoelectric and electrostrictive devices in the micro displacement system. (4) it uses 802d in nc plane grinder worktable and chooses siemens ifk6 ac servo motor as the power source for the feeding mechanism and micro displacement system. it also completes the design of precision surface grinder micro-feed and micro displacement worktable. key words: precision, micrometric displacement, micro-feeding, grinding wheel. cnc (computerized numerical control) v 目目 录录 摘 要.iii abstractiv 目 录 v 1 绪论.1 1.1 本课题的研究背景和意义.1 1.2 国内外精密平面磨床的发展概况.1 1.2.1 国外精密加工数控车床技术发展概况1 1.2.2 国内精密加工数控车床技术发展概况3 1.3 本课题的设计任务说明5 1.3.1 毕业设计任务与论文组成5 1.3.2 本课题的研究方法5 2 精密平面磨床的总体设计.6 2.1 引言.6 2.2 磨床技术规格.6 2.3 磨床总体布局设计.7 2.4 磨床的传动设计.7 2.5 磨床主要组成部件及其功能.8 2.6 进给机构的分类及使用方法.8 2.7 本章小结.9 3 砂轮的特性和修整.10 3.1 砂轮的特性.10 3.2 砂轮修整器.11 3.2.1 砂轮修整器的设计11 3.2.2 修整器摆角的设计14 3.3 砂轮修整的展望.15 3.4 本章小结.15 4 微位移系统.17 4.1 引言.17 4.2 微位移技术的分类.17 4.3 微位移系统的广泛实用性.19 4.3.1 微位移器件在磨床中所需要具备的条件20 4.3.2 微位移行程的提高20 4.4 压电、电致伸缩器件在微位移系统结构中的优点.20 4.4.1 压电与电致伸缩效应机电偶合效应20 4.5 微位移系统的结构设计.21 4.5.1 微位移工作台的组成21 4.5.2 微位移工作台工作原理21 vi 4.5.3 板弹簧的设计与用途22 4.5.4 预紧力与系统分辨率22 4.6 本章小结23 5 微进给机构系统的设计.24 5.1 微进给机构的结构和特点.24 5.2 确定微进给机构设计方案.25 5.2.1 对微量自动进给机构的基本要求：26 5.3 滚珠丝杆副的优点.26 5.3.1 滚珠丝杆的设计计算26 5.3.2 梯形螺纹丝杆压杆稳定性校核28 5.4 垂直微进给电机的功率计算.28 5.5 本章小结.29 6 数控硬件电路设计.30 6.1 引言.30 6.2 840d 数控系统说明30 6.3 840d 数控系统组成30 6.4 840d 数控系统的连接30 6.5 本章小结.32 结论和展望.33 致 谢.34 参考文献.35 精密平面磨床微进给及微位移工作台设计 1 1 绪论绪论 1.1 本课题的研究背景和意义本课题的研究背景和意义 二十一世纪，随着科学技术的飞速发展，现代制造工业正以全新的面貌展现在世人 面前。其中，精密加工技术的发展显而易见。精密加工技术及磨床在机械制造业中占有 极其重要的位置。 1 根据先进技术的实用性和先进性而论，精密加工技术追求加工上的精度和表面质量 极限；制造自动化包括了产品设计、制造和管理的自动化，它不仅是快速市场需求的快 速响应，而且是提高生产效率，改善劳动条件的重要手段。两者有着密切关系，许多精 密加工需要自动化技术得以达到预期指标，而制造自动化基本赖于精密加工才能准确可 靠的实现。两者的全局性和决定性奠定了它们是先进制造技术的支柱。 众多国家都十分重视先进制造技术的水平和发展，精密加工技术显然已经是一个国 家进行产品革新、扩大生产和提高国际经济竞争能力。从先进制造技术的技术实质性而 论，精密加工技术追求加工上的精度和表面质量极限；制造自动化包括了产品设计、制 造和管理的自动化，它不仅是快速市场需求的快速响应，而且是提高生产效率，改善劳 动条件的重要手段。两者有着密切关系，许多精密加工需要自动化技术得以达到预期指 标，而制造自动化基本赖于精密加工才能准确可靠的实现。两者的全局性和决定性奠定 了它们是先进制造技术的支柱。微进给机构的研究与设计，便是精先进制造技术的集中 体现之一。 微进给机构一般指行程范围为毫米级：位移分辨率及定位精度达到纳米级的位移机 构。微进给机构通常由微位移器和精密导轨两部分组成，其技术研究不仅关系到超精密 磨床研制，更是精密机械、微电子、生物工程等多种学科赖以发展的基础。因此开展微 进给机构工作台的研究与设计是非常有必要且具有更广阔的应用前景。 1.2 国内外精密平面磨床的发展概况国内外精密平面磨床的发展概况 国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的 研究，以获得亚微米级的尺寸精度。 1.2.1 国外精密加工数控车床技术发展概况国外精密加工数控车床技术发展概况 发展精密加工磨床是发展精密加工技术的十分重要的内容，歌发达国家都发展了很 多种精密机床。精密加工磨床也向着高精度、多功能和高效专用方向发展。 美国是开展精密加工技术研究最早的国家， 20 实际 30 年代开始，在制造技术上处 于世界领先地位，但在 50 年代以后，对制造技术没有给予足够的重视，在经济竞争上感 受到巨大的威胁，经过认真总结，80 年代后，在重要的、高速增长的技术市场上失利的 一个重要原因就是没有把自己先进的技术应用到制造产业上。如今，美国国家工程科学 院的国家研究理事会经过反复研究，提出不能像前些年那样把制造归属于设计的地位上， 而是要把注意力重新放在制造技术上。美国利用自己已有的成熟单元技术，只用两周的 时间便组装成了一台小型的超精密加工车床（bodtm 型） ，用刀尖半径为的单nm105 无锡太湖学院学士学位论文 2 晶金刚石刀具，实现切削厚度为的加工。尽管如此，最近美国政府还是继续把微米级nm1 和纳米级的加工技术作为国家的关键技术之一，这足以说明美国对这一技术的重视。 2 德国 jung 公司是国际上知名较高的平面磨床生产厂商，在 40 余年的生产过程中， 该公司的平面和成型磨床以精度高、使用寿命长而著称。jung 公司的主要平面磨床产品 均采用立柱升降式，外形小巧，磨削精度高。工作台纵向运动一般都设二套运动装置， 往复运动由液压驱动，缓进给成型磨削采用机电传动。其中水平较高的是 jf520cnc b 型 四坐标数控平面和成型磨床。 3 该机采用高精度连续轨迹控制以图形辅助操作，控制系统是以西门子 sinumerik810 为基础，配用 jung 公司开发的专用软，一反传统结构，首次采用了龙 门式框架结构，可以满足大尺寸工件和新型工程材料的精密磨削加工需要。图 1.1 和图 1.2 分别为大型磨床和手动数控磨床。 图 1.1 大型龙门磨床 图 1.2 手动数控磨床 英国是较早从事精密加工技术研究的国家之一。从 1979 年起，开发用于制造 x 射线 精密平面磨床微进给及微位移工作台设计 3 望远镜的金属反射镜的立式超精密金刚石刀具车床。该机床为保证精密加工，采用了许 多新技术。例如采用封装合成花岗岩作为机床基础（总重） ，永久磁铁型 dc 力矩马t48 达驱动的 x 轴和 z 轴，径向和轴向的回转精度为，空气轴支承的旋转工作台，分m1 . 0 辨率为的 hp5501 型微光干涉仪，由 hp9826 型计算机等构成的 x 轴，z 轴工件m015 . 0 尺寸及形状精度的测量补偿系统，压电式刀具微进给装置，16 位 cnc 控制系统等。要求 反射镜的精度在范围内的表面凹凸达到以下，整个镜面的形状精度以下。nm30mm6m1 英国在 80 年代初就已开始实施纳米计划，成立了纳米技术战略委员会。cranfield 理工学 院是世界上第二个能制造出用于大型超精密加工机床的高刚度气浮精密轴承和mkn /2 主轴系数的单位。 3 日本在第二次世界大战后，为了迅速恢复经济，大力开发制造技术，其中精密加工 技术尤为突出，先进技术的引进和开发使得机械制造业的水平有了很大的提高，并且在 其他大型工业产业中起到了巨大的作用。在短短的 40 年中，从一个战败国发展成为世界 上的经济强国。 1.2.2 国内精密加工数控车床技术发展概况国内精密加工数控车床技术发展概况 我国对精密加工技术的研究起步并不晚。图1.3为国内某一生产车间。基本发展过 2 程与日本有着类似之处。1965年前后研制出镜面外圆磨床，加工圆度优于，表面m03 . 0 粗糙度以下。70年代后期制成了st186高精度磁盘车床。进入80年代，研制了mra 01 . 0 回转精度达的精密轴系，单晶金刚石刀切削的超精密车床和超精铣床，最高分辨m025 . 0 率为的cnc数控超精密车床等产品。最近哈尔滨工业大学研制成功hcm-1亚微米m01 . 0 超精密加工车床，起技术性能如表1-4示。 图 1.3 技术人员在讲解磨床 无锡太湖学院学士学位论文 4 表 1-4 国内外典型超精密车床性能指标 型号（生产厂家）型号（生产厂家） hcm-1 （中国哈工大）（中国哈工大） m-18ag （美国（美国 moore special tool co.) 径向跳动m075 . 0 轴向跳动m05 . 0 径向刚度mn /200 轴向刚度mn /160 z 向（主轴）直线度mmm 100/2 . 0mmm 230/5 . 0 x 向（刀架）直线度mmm 100/2 . 0mmm 230/5 . 0 x、z 向垂直度（） 11 主轴 重复定位精度m1（全程）mm 4 . 255 . 0 形面精度m圆度：0.1平面度：0.3 加工工件精度 表面粗糙度mra0.00420.0075(p-v 值) 位置反馈系统分辨率m25 温控精度 c 004 . 0 006 . 0 隔振系统固有频率hz22 加工范围mm 320356 80 年代，我国开始生产数控平面磨床，各开发厂家分别做过了自行研制，与大学及 科研单位合作开发至直接引进成熟数控系统的发展道路。例如：广东机械厂是一家具有 8 五十年历史，专业生产平面磨床的制造厂，它从 80 年代中期开始生产数控平磨，先后开 发生产了 mgb7132 卧轴矩台高精度平磨，mg7130 系列普通数控平磨，mlk7140 数控 缓进给成型磨，mgb7120、ml7163、ml7150 卧轴距台数控平磨，mkl7760 立轴数控 双端面磨，mky7660、mky7650/101 卧轴数控双端面磨，以及 hz-k1610，hz- k2010，hz-050 cnc，hz-kd2010、hz-k3015、hz-k3020、hz-k4020 等专用数控龙门 式平面与导轨磨床。数控系统的开发应用，有与大专院校及科研单位合作研制的单板机 系统，也有自行开发的以单片机为主机的简易控制系统，及采用数控主机厂生产的成熟 数控系统等。 我国在磨削过程建模与模拟、声发射过程监测与识别、工件表面烧伤及残余应力预 报、磨削加工误差在线检测、评价与补偿等方面都有许多成果，并已开发出了新型磨削 机器人。我国人造磨料生产虽然起步较晚，但发展很快，在世界上已有相当份额。 9 精密平面磨床微进给及微位移工作台设计 5 近几年来国外精密磨床技术发展迅速，例如对硬脆材料磨削机理及工艺的研究，利 用于磨削热量同时进行工件热处理，以及不使用磨削液的无污染磨削等方面，我国均有 一定差距。为此，我们一方面要积极开展引进国外先进磨削技术的研究工作；同时在国 内应结合生产，系统地开展和推广各种先进与实用的精密磨削技术。只有这样，才能使 我国的精密磨床技术尽快赶上国外先进水平，并能做到有所发展与创新。 1.3 本课题的设计任务说明本课题的设计任务说明 1.3.1 毕业设计任务与论文组成毕业设计任务与论文组成 课题名称：精密平面磨床微进给机构工作台设计 任务目的与要求： (1) 设计一台精密数控平面磨床，用砂轮周边磨削平面，也可以磨削台阶平面，能用 于机械制造业及工具模具制造业，能加工各种难加工材料(如陶瓷材料)； (2) 磨床总体设计方案确定，绘制机床总体布局图； (3) 砂轮修整器设计计算，绘制磨头修整器装配图； (4) 垂直进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杆副设计计算，绘制垂直进给机械结构 的装配图； (5) 磨床微机数控系统的硬件电路设计； (6) 翻译指定的英文专业文献； (7) 撰写毕业设计论文（说明书） 。 1.3.2 本课题的研究方法本课题的研究方法 此毕业设计以广东机械厂的 mgb6120 为原型，分析它的结构特点，然后对它进行改 进。 mgb6120 的纵向进给由油泵电机驱动，通过液压筒推动工作台作纵向往复运动。液压 筒导致工作台在低速进给时产生“爬行” ，大大地降低了工件表面的磨削质量。我们在设计 中用伺服电机代替油泵电机，不仅很好的解决了这个问题，而且还简化了机床的结构。 为了提高mgb6120的几何、工作精度，我们采用机电一体化设计原理，进给机构用似服 电机-滚珠丝杠副驱动。西门子sinumerik840d数控系统是西门子数控系统中的一款高 性能、低价位的数控系统。它可以控制四个数字进给轴和一个主轴，能实现三轴联动。 就本机床而言，它控制三个似服电机和一个主轴电机。使用西门子sinumerik840d型数 控系统极大提高了mgb6120的进给灵敏度和准确度、可靠性和自动化程度。 无锡太湖学院学士学位论文 6 2 精密平面磨床的总体设计精密平面磨床的总体设计 2.1 引言引言 本次设计的是一台精密数控平面磨床，通过采用金刚石砂轮和滚珠丝杆副，并依据 机电一体化设计原理通过数控系统等措施来保证加工精度。本机床为高精度机床。几何 精度、工作精度都很高，性能可靠稳定，垂直进给具有数控系统。进给灵敏度、准确度 高，磨削自动化程度较高，当每次磨削循环结束后，工作台停止在纵向运动的右端。 该精密数控平面磨床主要包括磨头及垂直进给系统、工作台纵向及横向驱动系统、 床身及防护罩装置、冷却及润滑系统和数控系统五大部分。工作台的纵向运动和托板的 横向运动都由西门子伺服电机驱动，经过齿轮减速，通过滚珠丝杆副做往复运动；磨头 垂直导轨为立柱前后双导轨形式的贴塑滑动导轨；磨头主轴系统前后各位双联成对高精 度滚动轴承结构，主轴的旋转由电机驱动通过弹性联轴器使主轴运转；磨头的垂直运动 是由交流伺服电机驱动蜗杆，传动与其相啮合的涡轮，转动与涡轮刚性连接的丝杆副的 螺母而使与丝杆固定连接的磨头作垂直运动。 本机床总布局为十字托版型，托板上下的横纵导轨均为双 v 型滑动导轨。工件磨削 平面的形成由工作台的纵向运动和托板的横向运动而形成，磨头仅作垂直上下运动。机 床用砂轮周边磨削平面，还可以磨削台阶平面。能用于机械制造业及工具模具制造业， 能加工各种难加工材料（如陶瓷材料） 。 为了适应磨削各种加工表面，工件形状及生产批量要求，磨床的种类很多，其中主 要类型有以下几种： (1) 外圆磨床（包括外能外圆磨床、外圆磨床、无心外圆磨床等） (2) 内圆磨床（包括普通内圆磨床、无心内圆磨床等） (3) 平面磨床（包括卧轴距台平面磨床、立轴矩台平面磨床、卧轴圆台平面磨床、立 轴圆台平面磨床等） (4) 工具磨床（包括工具曲线磨床、钻头沟槽磨床、丝锥沟槽磨床等） (5) 刀具刃磨磨床（包括万能工具磨床、拉刀刃磨床、滚刀刃磨床等） 2.2 磨床技术规格磨床技术规格 (1) 主要规格 工作台面（长宽）；mm200630 (2) 加工范围 最大磨削工件尺寸（长宽高）；mm360200630 (3) 工作台 工作台纵向移动速度（无级）：；min/2503 . 0 m 工作台横向自动进给速度： 连续（无级）：；min/11 . 0m 断续（无级）：工作行程；/125 . 0mm (4) 磨头 a) 砂轮轴中心线至工作台面距离：； mm480160 b) 磨头垂直自动进给量：；mm02 . 0 001 . 0 c) 最小进给量：；mm0001 . 0 精密平面磨床微进给及微位移工作台设计 7 d) 磨头垂直快速升降速度：；min/400mm e) 砂轮尺寸（外径宽度内径）砂轮：；3220200 f) 砂轮转速：；min/3000r (5) 工作精度 a) 磨削表面粗糙度：；mra03 . 0 b) 加工后表面对基面的平行度：。 mm002 . 0 2.3 磨床总体布局设计磨床总体布局设计 图 2.1 磨床总体外观图 2.4 磨床的传动设计磨床的传动设计 电机电机作为机床的动力来源，它的位置需要根据机床设计来确定，它将直接与 ifk6 伺服电机连接，推动主轴电机转动，不将电机与工作台直接连接，可以有效的减少 工作状态下的运动振幅，从而更好的提高了机床的加工精度。图 2.2 则为磨床传动的局部 传动设计图. 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 2.2 磨床局部传动设计图 2.5 磨床主要组成部件及其功能磨床主要组成部件及其功能 (1) 床身 用于支承和连接磨床各个部件。为提高机床刚度，磨床床身一般为箱型结 构，内部装有液压传动装置，上部有纵向和横向两组导轨以安装工作台和砂轮架。 (2) 工作台 有上下两层组成，上下工作台可相对于下工作台偏转一定角度，以便磨 削锥面；下工作台下装有活塞，可通过液压机构使工作台往复运动。 (3) 磨头 磨头的转动，由主轴电机通过柔性联轴器驱动，前后支撑均为成对的高精 度滚动向心推力球轴承。 (4) 砂轮架 其上安装砂轮，由单独电动机带动作高速旋转。砂轮架安装在床身的横 向导轨上，可通过手动或液压传动实现横向运动。 (5) 砂轮修整器 砂轮修整器是安装在磨头上面的，用来修整平心个砂轮，它用三只 螺钉经垫铁紧固在磨头体的上端。 (6) 头架 用于安装工件，其主轴由电动机经变速机构带动作旋转运动，以实现周向 进给；主轴前端可安装卡盘或顶尖。 (7) 尾架 尾架安装在工作台右端，尾架套筒内装有顶尖，可与顶尖一起支承工件。 它在工作台上的位置可根据工件长度任意调整。 2.6 进给机构的分类及使用方法进给机构的分类及使用方法 (1) 垂直进给机构分为数控控制进给和手动进给： a) 数控控制进给 又称自动进给，由伺服电机驱动蜗杆，传动与其相啮合的螺旋齿 轮，转动与螺旋齿轮刚性连接的丝杆副的螺母，移动丝杆使其与其固定连接的磨头架垂 直运动。 b) 手动进给 在床身后，与伺服电机相连接的蜗杆轴上装有一直吃锥齿轮，转动相 啮合的另一锥齿轮轴，通过蜗杆螺旋齿轮副可获得磨头上下调整移动，在平时，锥齿轮 精密平面磨床微进给及微位移工作台设计 9 对始终处于非啮合的脱开位置。 (2) 横向进给机构分为手摇进给、手微进给和自动进给： a) 手摇进给 将捏手松开，使斜齿轮与手轮空转，然后将手轮向前推，使齿形离合 器向结合（此时拉杆已将齿轮与齿轮脱开）摇动手柄，经手轮，轴联轴器转动滚珠丝杆 使滚珠螺母移动，带动了脱班横向进给运动。 b) 手动微进给 基本上与手摇进给相同，此时应将捏手拧紧，使挟持轮与收敛内结 合在一起，然后使齿形离合器结合，转动蜗杆上的捏手（图中未示出）经蜗杆，斜齿轮 啮合传动轴，其余传动与 a 同。 c) 自动进给 自动进给的动力为油马达，在它的输出轴上装有齿轮 12，经与它啮合 的齿轮 11 然后转动轴 4， （此时应将齿形离合器 5 分开）经联周期 5 使滚珠丝杆转动，滚 珠螺母是紧固在拖板上的，因此使拖板作横向进给。 2.7 本章小结本章小结 设计了磨床的基本构架，分析并选择了工作台设计中不可或缺的部件，参照科学合 理的设计理念，对设计模型有大概的认识。砂轮架的设计在工作台整体中有着非常重要 的作用，在了解砂轮架的特性和工作台配置以及加工条件下，合理选择砂轮架是工作台 设计成功的重要原因。 无锡太湖学院学士学位论文 10 3 砂轮的特性和砂轮的特性和修整修整 3.1 砂轮的特性砂轮的特性 砂轮是由磨料家结合剂用制造陶瓷的工艺方法制成的。制造砂轮时，用不同的配方 和不同的投料密度来控制砂轮的硬度和组织。磨料、粒度、结合剂、硬度和组织这五个 因素决定了砂轮的特性。 砂轮架的设计应满足下列四点基本要求： (1) 主轴的回转精度要求高且稳定； (2) 主轴轴承系统的刚性好； (3) 振动小，发热低，不漏油； (4) 制造装配简单，调整维修方便。 砂轮架旋转精度是指主轴前端的径向跳动和轴向穿动，它直接影响工件表面的光度 和表面质量。一般平面磨床砂轮架（磨头）的径向、轴向跳动允差：。mm010. 0005 . 0 高精度的小于。而通过提高轴承的精度，提高主轴的加工精度，选择合适的轴向mm005 . 0 止推等方式来提高砂轮架的旋转精度。 由于砂轮主轴做高速旋转，所以振动和发热对砂轮架正常工作影响较大。振动会使 工件表面光洁度降低，产生波形缺陷；而且会使磨床精度很快尚失。砂轮架发热会使砂 轮主轴膨胀，伸长，位移。前后轴承发热不均匀时，影响砂轮的正常工作以致发生“包 轴”现象。可以采用以下措施来减小振动和发热：静平衡砂轮、对传动砂轮的电机进行 动平衡、避免在主轴上装不对称零件、选用粘度比较低的润滑油。 砂轮架在设计磨床中的结构特点： (1) 磨头在该磨床上经常做上下移动，因此要求体较小，重量轻，结构简易，但是相 对于转动精度要求就要更高，故此采用高精度的滚动轴承。本磨床使用西门子 iph7 型主 轴电机，然后通过弹性联轴器把主轴电机和主轴连接起来，而主轴加上工出锥度，方便 定位砂轮。 主轴前后端为背靠背的向心推力球轴承（396110） ，轴承的接触角线向外扩散，加大 了支承宽度，较为稳定，刚性好。前端固定，后端游动，装配方便。当主轴做高速转动 时，内圈的轴向伸长量比外圈大，背对背排列不会因此增加轴承的负荷，从而保证了轴 承的正常的运转。 轴承前端一对轴承的内圈，由迷宫式螺母和轴肩固定，外圈由迷宫式螺母和轴体壳 台阶固定，轴承后端一对轴承的内圈，由螺母和轴肩固定，外圈轴承盖和轴体壳台阶固 定。这样做的轴向定位精度高，并可以补偿主轴的若身长。 (2) 滚动轴承的密封采用迷宫式密封装置，工作性可靠，但结构较复杂，使用时要在 间隙中填满润滑脂。轴承采用锂基润滑脂润滑。轴承的预紧措施采用修磨垫片法和调整 不同长度的外壳套、内壳套，使轴承内、外圈移动行程预紧。 精密平面磨床微进给及微位移工作台设计 11 3.2 砂轮修整器砂轮修整器 3.2.1 砂轮修整器的设计砂轮修整器的设计 精密零件的磨削加工中，圆弧形面的磨削尤其是轴承外环内滚道和内环外滚道的磨 削是一个技术难点，而砂轮的修整对磨削精度起着重要作用。传统的砂轮修整是通过砂 轮修整笔进行手工修整（图3.1为手动往复式砂轮修整器），或者采用成型修整器(如滚轮) 进行修整。 图3.1 手动往复式砂轮修整器 设要求修整后的砂轮最小半径为 ，砂轮修整滚轮的半径为 ，砂轮截面曲线是半 1 r 2 r 径为的半圆，则如图3.2所示，对修整截面上任一点； mm2r3 10 bb zy ,xb b 图3.2 砂轮轴线坐标系 根据计算要求，砂轮在修整后点b处的砂轮半径应为，而实际修整后点b处的 b x 1 r 砂轮半径为，按图3.2的坐标系，有： rbb x 1 r 无锡太湖学院学士学位论文 12 b点和修整轮中心不在同一点，而指的是修整轮中心与砂轮中心的高度差： z ； 0z,ryx b 2 3 2 b 2 b (3.1) ； (3.2) 2 2rbb1 2 z 2 2b1 rxrrxr 设： ； 2b1 rxrr 代入式(3.2) 后有： ； 2 rb 2 z 2 rr ； 2 rbrb 2 2 z 2 r2rr ； 0r2 2 zrb 2 rb 由式(3.3)可以连列出的二次方程： rb ； 2 4r4r21 2 z 2 rb ； (3.4) r z 2 2 rb 在任意三角形中，斜边总是大于另外一条边，因此： ； 2b12rbb1 rxrrxr 所以： ； 0rb 上式(3.4)必须取正号，所以： ； rr 2 z 2 rb ； 1 r rr 2 2 z 2 rb 由麦克劳林公式： /n!xxf!1n/x0f!x0fx0f0fxf nn1n1n221 ； 10 为前两式做近似值计算，有： ； x0f0fxf 1 设： ； x1xf 则： ； 10f ； 0.50f 1 故： ； 2 x 1x1 ； 2 2 z r2 1x1 精密平面磨床微进给及微位移工作台设计 13 代人上面式(3.12)，有： ； 1 2 1r 2 z rb ； (3.5) r2 2 z rb 根据(3.5)可知：与的平方值成正比，与成反比。 砂轮与砂轮修 rb z 2b1 rxrr 整器两者中心距的水平间距。砂轮修整滚轮的半径可视为常数，放入联立式mm35r2 (3.1)、(3.3)和(3.5)可以得出作为、 和的函数，即对应着不同的、 和 rb 1 r b y z 1 r b y 值，有不同的值。 z rb 在使用磨床的过程中，在利用外圆进行磨削时，砂轮半径可在 到的mm160mm200 范围内变化，所以取进行计算，另外，将其与作对比，再分别取mm160r1mm190r1 、，；参照以上数据可以得出下表3-3。mm1 z mm2mm2mm、1.414、0yb 表3-3 修整后砂轮半径的误差值 rb z 1 r b y b xr rb 022270.00222 1.4131.413226.4130.00221190 20 0 2250.00222 20 45 169.330.00289 021970.00254 1.4131.413196.4140.00255 20 0 1950,00256 1 160 20 45 148.120.00337 022270.00881 1.4131.413226.4140.00883 20 0 2250.00890 190 20 45 169.330.01181 021970.01015 1.4131.413196.4140.01018 20 0 1950,01020 2 160 20 45 148.120.0130 根据计算数据和表 3-3 可知： 在实际应用半径范围内，两轴插补修整时，安装高度误差所引起的修整后砂轮半径 无锡太湖学院学士学位论文 14 误差并不大。即在这种情况下，砂轮半径取最小值，即、时，mm2 z mm160r10 b x 的最大值也仅。即通过砂轮修整器的修整，可以有效的减少因安装高度误差 rb mm01 . 0 所引起的修整后砂轮半径的误差。 图 3.4 为砂轮修整器零件图，砂轮修整的关键在于得到较高的修整精度，较好的表面 质量。修整精度的高低决定磨削工件的尺寸精度和表面质量；较好的表面质量能保证对 磨粒有较强的控制，磨削时有足够的排除碎屑空间。 图 3.4 砂轮修整器零件图 3.2.2 修整器摆角的设计修整器摆角的设计 当砂轮位置固定时，为了保证修整刀具能够充分的工作，同时保证砂轮修整的精度 要求，并且修整完毕修整刀具能够充分的脱离砂轮而不刮伤砂轮。因此圆弧修整的摆角 ，端面修整摆角和。如图3.5： 70 0 25 0 20 精密平面磨床微进给及微位移工作台设计 15 图3.5 修整器运动示意图 其中 1：端面修整 cbd 2：圆弧修整 ab 3：端面返回 dbc 4：圆弧返回 ba 3.3 砂轮修整的展望砂轮修整的展望 得到较高的修整精度，较好的表面质量以及较高的修整精度是砂轮修整器的主要功 能。然而，砂轮在刚刚开始使用的时候和磨损之后很难得到修整，如果想要达到指定的 修整精度，则面临着严峻的挑战。 11 新的修整工具、修整技术的发展应该趋于搞效率、高精度及高度自动化，因此，赋 予了砂轮修整技术研究者新的使命： (1) 研究并开拓新的检查检测系统。应用计算机对修整过程进行控制，开发检测、处 理、质量评价、控制一体化的修整系统，实现金属基金刚石砂轮磨削的智能化修整。 (2) 以节约成本为宗旨展开砂轮修整的研究。开发修整低成本、高效率、高适应性、 高工业化应用程度的金属基金刚石砂轮的修整技术为基本原则。 (3) 对成形砂轮的修整技术展开研究。伴随着各种复杂外形加工零件的加工越来越多 和各种高性能材料在各领域的广泛应用，对成形砂轮修整提出了更高的要求。因此，在 成形砂轮修整器的基础上做出改进也是对修整技术的一个关键提升。 3.4 本章小结本章小结 砂轮和砂轮修器整需要的零部件很多，在这里只能列出重要的部件来进行设计，并 且通过计算说明砂轮修整器可以有效减少因安装高度误差所引起的修整后砂轮半径的误 无锡太湖学院学士学位论文 16 差对磨床及加工工件的精度影响甚微。在不增加加工误差的情况下，增强砂轮的实用寿 命，并因此提高加工工件的加工精度，可见砂轮修整器在该工作台中的重要功能。 精密平面磨床微进给及微位移工作台设计 17 4 微位移系统微位移系统 4.1 引言引言 美国和日本在微位移技术领域的研究水平处于世界领先地位。1985 年美国 llnl 国 家实验室研制成为用于大型光学金刚石车床的快速微动伺服刀架 fts。该系统前端可装金 刚石刀具，整个移动部件由前后两个弹性薄膜支承，内部装有两个差动式电容微位移传 感器检测刀头位移量。该系统最大位移，分辨率为。m27 . 1 m5 . 2 n 日本理化院研制成用于曲面磨削的工作台，工作台由三支压电陶瓷制动器做驱动元 件，可加工球面及非球曲面，加工半径为的球面反射镜，半径误差为。此60mc i s0.16m 外日本 osaka 大学研制的微进给刀架的分辨率可达，最大行程为，响应频m005 . 0 m7 . 3 率为。在国内，哈工大研制的车削用微进给刀架，采用压电陶瓷制动器做驱动元件，khz2 支承刀头部分为一对弹性膜，其受力状态可简化为双固定端梁在中间加载，结构简单、 紧凑、体积小、易于控制、使用方便，其最大行程为，定位分辨率。m10nm2 12 此外，中国长沙国防科技大，广东工学院等院校也都在进行这方面的研究，已经取 得显著的进展。压电陶瓷制动器，虽然具有分辨率高，刚度高和响应快等优点，但其行 程小使其应用受到限制，而日本 kobe 大学采用步行机构制成大行程高分辨率的微位移进 给机构，使得这一问题得到了解决。 近年来，随着微电子技术，宇航、生物工程等学科的发展，对精密机械的精度要求 越来越高，要求精密机械和检测设备具有亚微米甚至纳米精度。在精密加工和测量中， 为实现刀具或工件的精确、微小位移，进一步提高分辨率，必须采用微进给系统。 高精密的微进给系统是精密加工中的关键装置，它除了具有微量控制切削厚度的功 能外，还可用来进行机床导轨直线度补偿，主轴回转误差补偿及非对称表面和非球面的 加工等。微位移技术精密机械和一起实现高精度的关键技术之一。近年来，微位移技术 得到迅速发展，广泛应用于宇航、机械、微电子领域，成为现代机械工业的基础。 4.2 微位移技术的分类微位移技术的分类 微位移技术包括微位移机构、检测装置和控制系统三部分组成，如图 4.1 所示。微位 移机构是具有高灵敏度高精度的机构。 图 4.1 微位移技术的组成 无锡太湖学院学士学位论文 18 微位移工作台控制技术的结构图如图 4.2 所示。 图 4.2 微位移工作台控制结构框图 微位移机构由微位移驱动器和微动工作台组成。根据微位移驱动器和微动工作台导 轨行程可以分成以下五类： 13 (1) 柔性支承，压电晶体或电致伸缩微位移器驱动； (2) 气浮导轨，伺服电动机或直线电动机驱动； (3) 滑动导轨，机械式或压电式驱动； (4) 滚动导轨，压电晶体或电致伸缩微位移器驱动； (5) 平行弹性导轨，电磁、电压或压电式驱动。 根据行程微位移机构的机理，微位移器可以分为机械式和机电式两类。其类别如图 4.3 所示。 精密平面磨床微进给及微位移工作台设计 19 图 4.3 微位移器的分类 4.3 微位移系统的广泛实用性微位移系统的广泛实用性 微位移系统在精密机械和仪器中主要用于提高运动的灵敏度和精度。随着科学技术 的不断进步，对设备的精度要求也越来越高，微位移技术则越来越广泛。根据当前实际 应用的范围，可以分为以下三个方面： (1) 精度补偿：精密工作台是高精度仪器和设备的核心，它的性能的优劣直接影响整 机的精度。而在当今社会制造业生产中，效率问题成为衡量设备先进性的重要指标之一， 因此，先进的设备和仪器中的运动部件，向高速度，高精度发展，以提高设备的工作效 率。但是，高速度带来的运动惯量较大，对高精度有一定的影响。为解决高速度和高精 度的矛盾，通常采用粗、精结合的方法来实现。 (2) 微进给机构：在精密加工中，为了提高加工质量，往往采用微量进给运动，例如， 超光滑表面的精加工，要求每次进给量为微米级，这是一般机械所难于达到的，用微位 移机构很容易实现。 (3) 微调：微调是精密机械中常遇到的难题，实现高精度、准确可靠的微调，是保证 机构调整到正确位置的关键，特别是在车床运作时的动态实时调整，难度相当大，而微 位移系统真是解决这类问题的关键。 无锡太湖学院学士学位论文 20 4.3.1 微位移器件在磨床中所需要具备的条件微位移器件在磨床中所需要具备的条件 位移的压电器件，应满足下列要求： (1) 压电灵敏度高，即单位电压变形大。 (2) 行程大，电压-变形曲线重复性好。 (3) 体积小，稳定性好、不易