毕业设计（论文）智能车刀刃磨机机械结构设计（全套图纸）

1、本科毕业设计论文本科毕业设计论文 题题 目目 智能车刀刃磨机机械结构设计设计 毕业时间 2014.06 毕业 任务书 一、题目 智能车刀刃磨机机械结构设计 二、指导思想和目的要求 工欲善其事，必先利其器。刀具在切削加工中占有举足轻重的地位。首先， 它直接关系到切削加工的效率、质量；其次，在机械加工中，影响到加工成本， 刀具的费用占到了生产费用的 2-5%,所以对整个生产的经济效益有重大的影响。 工业发达国家的经验表明，选用高效合理的刀具，能使生产成本降低 10-20%； 再次，随着我国工业迅猛发展，企业的经营管理模式的改变，企业对人的要求 是技术工人上岗就要立即能上手操作，工人没有数年的工作经

2、验，要想通过手 工刃磨一把刀具则相当困难，得不到合理几何角度的刀具，势必影响到生产质 量和效率。所以刀具的刃磨技术在降低成本、提高加工量中显得尤为重要。针 对这种情况设计一种既经济又便于操作的刃磨机就显得尤为必要。 三、主要技术指标 1.失电制动器选择；砂轮架升降机构设计； 2.毕业设计说明书 1 份；设计图纸 1 套； 3.英文翻译 1 份；机构运动动画 1 套； 四、进度和要求 第 1-2 周：查阅有关车刀刃磨机的相关资料完成开题报告； 第 3-5 周：仔细阅读研究车刀刃磨机相关资料并列出方案； 设计 论文 第 6-7 周：对所选刃磨机进行材料和工艺分析，以及刀具一些参数的设定； 第 10

3、-11 周：对进刃磨机行结构设计，优化刃磨参数与刃磨装置的机械系 统设计； 第 12-13 周：对在刃磨机模块设计进行参数化设计； 第 14-16 周：智能刃磨机的结构设计与优化，完成论文，准备答辩。 五、主要参考书及参考资料 1吴宗泽，罗学升机械设计课程设计手册北京:高等教育出版社， 1992 2任敬心华定安磨削原理西安：西北工业大学出版社，1998 3朱祖根，杭根新磨工与磨削北京：机械工业出版社，1984 4磨工工艺学北京：机械工业出版社，1982 5郑善良磨削基础上海：上海科学科技术出版社，1988 6任敬心，康仁科难加工材料的磨削北京：国防工业出版社，1999 7. 机床设计手册北京：

4、机械工业出版社，1978 8. 李新江机械专业技术基础知识北京：机械工业出版社，1998 9 .磨控学手册北京：机械工业出版社，1984 10.e.保罗.迪加莫机械制造工艺及材料北京：机械工业出版社，1984 11.东北重型机械学院机床夹具设计手册上海：上海科学科技术出版社 1979 12.濮良贵，纪宁刚机械设计北京:高等教育出版社，2001 13.上海纺织工学院哈尔滨工业大学，天津大学机床设计手册上海： 上海科学科技术出版社，1988 摘摘 要要 该论文主要研究了车刀刃磨机的设计以及控制方法。主要论述了车刀几何 参数和刃磨参数之间的关系和求解方法，建立并描述车刀位姿调整的数学模型。 论文论述

5、了车刀刃磨的数学模型，根据模型，求解了车刀的几何参数和刃磨参 数之间的关系。由于车刀刃磨参数决定刃磨时车刀和砂轮间的角度调整。为了 确定车刀刃磨机床参数，首先根据刀具刃磨时活动空间的分析，设计了实现方 案，选取控制系统结构，根据刃磨运动方程控制角度，最终采用单片机对三台 步进电机控制，从而控制机床产生相应的运动，实现车刀的各个面刃磨。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本次设计就是为了解决生产当中企业和工人的实际问题。首先对车刀的刃 磨展开研究，通过调研、分析、类比、论证。最终设计一种智能化、自动化的 刃磨机械，以满足实际生产需要。本次设计的智能车刀刃磨机就是机电一体化 产品，我们

6、方案就是要实现机械设计和控制电的结合，满足设计要求。所以在 机械原理及结构设计的前提，决定利用微控制器单片机，实现对其自动控制， 减轻使用人员的辅助工作，从而达到智能化。车刀刀刃磨技术及控制研究的目 的就是提车刀的刃磨质量，降低制造成本提高生产率;通过对车刀刃磨的控制研 究，实现对车刀的自动刃磨和重磨，减工人的劳动强度，及时满足生产的需求。 本设计主要先了解车刀的角度及几何数，根据这些设计出数控车刀刃磨装置的 结构设计以及利用单片机来控制机构运行实现车刀的刃磨。 关键词：关键词： 刃磨机 位姿调整 卸荷结构 单片机控制 abstract this paper is major to have

7、studied control method as well as the design of the edge mill machine of lathe tool. have discussed mainly the mathematics between the geometry parameter and edge mill parameter of lathe tool that concerns and begs to untie method and establishes and describes the pose adjustment of lathe tool model

8、. the paper mathematics that has discussed the edge mill of lathe tool model, according to model, beg to have untied the relation between edge mill parameter and the geometry parameter of lathe tool. because of the edge mill parameter of lathe tool when deciding edge mill, the angle between lathe to

9、ol and emery wheel is adjusted. to determine the edge mill parameter of lathe tool of machine tool, first according to the edge mill of cutting tool the analysis of campaign space, have designed realization scheme, select to control construction of system , adopt only flat machine eventually accordi

10、ng to edge mill sport equation control angle as 3 walks into generator control, so control machine tool to produce corresponding sport, realize every surface of lathe tool edge mill. adopt only flat machine eventually according to edge mill sport equation control angle as 3 walks into generator cont

11、rol, so control machine tool to produce corresponding sport, realize every surface of lathe tool edge mill. key words: edge mill machine pose adjusts unload lotus structure single-chip microcontrol 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 国内外研究现状.1 1.2 课题研究意义.3 1.3 课题主要研究内容.3 1.4 本章小结.4 第二章第二章 方案设计及论证方案设计及论证.5 2.1 方

12、案提出.5 【方案 1】.5 【方案 2】.6 2.2 方案论证.8 2.3 本章小结.9 第三章第三章 方案实施方案实施.11 3.1 数学模型建立.11 3.1.1 常见车刀 .11 3.1.2 车刀几何角度分析.12 3.1.3 数学模型的建立.13 3.2 机械部分设计.17 3.2.1 刃磨基本条件.17 3.2.2 磨削力计算.21 3.2.3 机械结构设计.24 3.2.4 失电制动器选择.28 3.2.5 砂轮架升降机构设计.30 3.3 关键零部件结构的有限元分析.32 3.3.1 底座零件.33 3.3.2 升降机构.34 3.3.3 进刀停止器.35 3.4 本章小结.3

13、7 第四章第四章 车刀刃磨机机械结构运动仿真车刀刃磨机机械结构运动仿真.38 4.1 机构运动仿真简介.38 4.2 车刀刃磨机结构运动仿真.39 4.3 运动仿真分析.40 第五章第五章 总结总结.50 参考文献参考文献.51 致致 谢谢.52 毕业设计小结毕业设计小结.53 附录附录.54 第一章第一章 绪论绪论 1.1 国内外研究现状 工欲善其事，必先利其器。刀具在切削加工中占有举足轻重的地位。在机 械加工中，刀具的费用虽然仅为生产费用的2-5%,但它却对整个生产的效益有重 大的影响。刀具是实现零件加工成形的主要工具，其性能和质量直接影响机械 加工的加工质量、效率和成本。 工业发达国家的

14、经验表明，选用高效的切削刀具，可以使生产成本降低10- 20%。随着现代化机械加工技术朝着高效率、高精度、高自动化、高柔性化以及 网络化的方向发展，切削刀具也正朝着精密化、复杂化的方向发展。 一般刀具制造和刃磨是采用普通的工具磨床进行加工，小批量的生产采用 万能工具磨床，而大批量的刀具生产则采用专用的工具磨床，比如沟槽磨床、 立铣刀磨床等。然而随着技术的不断发展，这种刀具的生产方式越来越不能适 应现代刀具技术发展的要求。主要表现:(1)一把刀具的生产需要几台机床，多次 装夹，多次定位，不仅工艺装备复杂，而且刀具的精度很难得以保证;(2)普通的 工具磨床的运动控制能力有限，对于一些复杂的刀具只能

15、采用近似的方法加工; (3)万能工具磨床在加工能力和加工范围上，远远超过普通的工具磨床，但是仍 然不能适应现代刀具的多品种、小批量、短周期要求。目前国外的工具磨床生 产厂家均采用数控万能工具磨床和cnc磨削加工技术，这也是普通刀具和复杂 刀具制造刃磨的主要途径和方法。国内车刀刃磨机械主要是在复杂刀具刃磨功 能的基础上带有车刀的刃磨，台湾佳群机电公司是台湾专业cnc专用机床磨刀 机生产厂家， jd-30a型第三代万能磨刀机配有刃磨车刀、钻头、铣刀的功能 和装置。可以针对不同的加工设备和刀具对象，对刀具进行修磨。武汉机床厂 生产的m6245车刀刃磨机， （如图1-1所示）天津市北闸门口仪表机床厂刃

16、磨机 cdm32（如图1-2所示） 。m6245车刀刃磨机主要技术规格： 最大车刀宽度45mm，最大车刀厚度45mm；砂轮架最大往复行程50mm砂 轮架往复速度(无级变速)5-25mm/分，砂轮轴转速2100转/分，当用200mm砂 轮时砂轮线速度22米/秒，砂轮数量可装数量4，常用数量2；刀架纵向最大移动 量550mm刀架横向最大移动量80mm，刀架微调范围20mm，微进给手轮一格移 动量0.01mm，刀架在水平面内旋转角度360，刀架在纵向平面内旋转角度 20刀架在横向平面内旋转角度20，虎钳钳口旋转角度90液压泵流 量*压力2.5升/分*25公斤/厘米，系统工作压力 8-10公斤/厘米，

17、电动机主传动电 动机1.5kw。 天津市北闸门口仪表机床厂刃磨机cdm32技术参数： 夹持刀具的最大截面尺寸 3232mm。 主main worktable1工作台面积340170mm 2上下移动量70mm 3左右移动量70mm 4上下移动刻度盘每格移动量0.02mm 5工作台绕水平轴旋转-30+20 motor of spindle1绕垂直轴旋转15 2输出功率550w 3转速2980r.p.m. vice-wordtable1工作台面积276150mm 2工作台绕水平轴旋转-30+30 main tool holder1前后移动量100mm 2前后移动刻度盘每格移动量0.02mm 3刀夹绕

18、垂直轴旋转 360 机床净重 140kg 图1-1 m6245车刀刃磨机 图1-2 机床厂刃磨机cdm32 1.2 课题研究意义 随着我国工业迅猛发展，企业的经营管理模式的改变，以前的师徒关系以 不是很明显，企业对人的要求是技术工人上岗就要立即能上手操作，作为新的 学徒和刚上岗的技术工人没有数年的工作经验，要想通过手工刃磨一把刀具则 相当困难，得不到合理几何角度的刀具，势必影响到生产质量和效率。所以刀 具的刃磨技术在降低成本、提高加工量中显得尤为重要。针对这种情况设计一 种既经济又便于操作的刃磨机就显得尤为必要。 本次设计就是为了解决生产当中企业和工人的实际问题。首先对车刀的刃 磨展开研究，通

19、过调研、分析、类比、论证。最终设计一种智能化、自动化的 刃磨机械，以满足实际生产需要。车刀刀刃磨技术及控制研究的目的就是提车 刀的刃磨质量，降低制造成本提高生产率;通过对车刀刃磨的控制研究，实现对 车刀的自动刃磨和重磨，减工人的劳动强度，及时满足生产的需求。本设计主 要先了解车刀的角度及几何数，根据这些设计出数控车刀刃磨装置的结构设计 以及利用单片机来控制机构运行实现车刀的刃磨。 1.3 课题主要研究内容 通过本次设计，首先，分析研究车刀几何参数和刃磨参数之间的关系和求 解方法，建立并描述车刀位姿调整的数学模型。根据模型，求解车刀的几何参 数和刃磨参数之间的关系。根据刀具刃磨时活动空间位置，分

20、析刃磨运动控制 角度，设计机械系统和控制系统，实现车刀的各个面刃磨，最终完成车刀刃磨 机床整体设计。通过本次设计，一方面可以满足和解决生产当中的实际基本问 题，另一方面，也可以为我们研究其他刀具的刃磨奠定理论基础，使刃磨机械 最终形成系列化、市场化产品。车刀刀刃磨技术及控制研究的目的就是提车刀 的刃磨质量，降低制造成本提高生产率;通过对车刀刃磨的控制研究，实现对车 刀的自动刃磨和重磨，减工人的劳动强度，及时满足生产的需求。本设计主要 先了解车刀的角度及几何数，根据这些设计出数控车刀刃磨装置的结构设计以 及利用单片机来控制机构运行实现车刀的刃磨。 根据车刀角度及几何参数，设计出车刀刃磨装置，并实

21、现自动化控制。 1.4 本章小结 通过本章的学习了解，我们初步了解了智能车道刃磨机的发展状况，以及 它在机械加工中所占的重要作用。在21世纪现代化高速发展的今天，生产力决 定一切，我们要创造生产力，提高生产效率。机械加工方面我们更应该改善技 术与生产力，对传统的加工刃磨技术进行改善与提高，使加工智能化自动化。 无车刀是一种应用非常普遍的金属切削刀具，用它可以在车床上加工外圆、车 断面和镗孔等。在大多数机加工厂中，车床数控车床得到广泛的应用，车刀应 用的频率更高。由于工具磨床是一个通用的刀具磨床，所以这种重磨方法的缺 点是：机床调整麻烦，刃磨效率低;刃磨由工人手工操作，刃磨精度低。 车刀和其它刀

22、具一样，切削一段时间后就会变钝，此时必须对其重磨方可 使用。否则，该车刀报废，所以车刀的重磨工作量非常大。目前，我国螺旋齿 立铣刀的刃磨大约98%以上是在m6020或其变型、改进型的普通万能工具磨床 上进行或者进行手工磨削。磨削质量除了取决于机床自身的刚性、精度外，还 主要依赖于操作者的技艺和直观感觉。 第二章第二章 方案设计及论证方案设计及论证 2.1 方案提出 【方案方案 1 1】 车刀刃磨实现上也就是针对车刀的主后刀面、副后刀面、前刀面三个面进行 磨削，从而保证六个基本角度。如图所示2-1所示： a主后刀面 a/副后刀面 a 前刀面 kr 主偏角 s刃倾角 o前 角 o后 角 kr副偏角

23、 o副后角 图 2-1 车刀 空间应该有三个自由度才能保证三个面和六个基本角度，而在我们常用的 夹具里，万能虎钳就是最常见的能实现三个自由度的辅助夹具，所以我们可以 借鉴，从而实现刃磨。 工作原理： （1） 后刀面的刃磨 首先把车刀紧固在虎钳1上，将转体5相对于底座6转动（绕y轴线）-车刀 的主偏角kr，使刀刃与纵向进给方向平行，角度值可从刻度盘7读出，再将虎钳 相对于3转动（绕z轴线）-车刀的轴向后角。角度值可从刻度盘2读出，此时， 车刀的整个后刀面都出于切削平面内，当万能虎钳随工作台作纵向往复直线运 动时，即可刃磨出车刀的后刀面。副后刀面刃磨基本相同。 (原理如图2-2所示) (2) 前刀

24、面的刃磨 车刀在虎钳上紧固后，将转体 5 相对于底座 6 转动（绕 y 轴线），-车刀 的主偏角 kr，角度值可从刻度盘 7 读出，将虎钳 1 相对于转体 3 转动（绕 z 轴 线）-车刀的轴向前角，角度值可从刻度盘 2 读出。在将转体 3 相对于转体 5 转动（绕 x 轴线）-刃倾角 s，角度值可从刻度盘 4 读出（如果 s=0，则不 需转动转体 3），这样车刀的整个前刀面（经刃磨后的）都出于水平位置，当 万能虎钳岁工作台作作纵向直线往复运 动，即可刃磨前刀面。 1一虎钳; 2、4、7一刻度盘; 3、5一转体； 6一底座 图2-2 刃磨原理图 【方案方案 2 2】 由于空间需要三个旋转自由度

25、，才能保证三个面和六个基本角度，可以借 鉴机器人的腕关节，实现刃磨。机器人执行机构即机器人本体，其臂部一般采 用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个 数通常即为机器人的自由度数。驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控 制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信 号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如 步进电机、伺服电机等驱动装置。如图 2-3 所示。 1、关节1 2、关节2 3、关节3 图 2-3 驱动装置 利用该种结构，用三台伺服电机进行输入，就可实现空间的三个角度的旋 转输出，这三条传动路线分别如下:

26、电机 1齿轮 z1/z2齿轮 z3/z42实现 x 轴的旋转; 电机 2齿轮 z5/z61实现 z 轴的旋转; 电机 3齿轮 z7/z83实现 y 轴的旋转; 车刀刀具可以装夹在托板上，实现主后刀面、副后刀面、前刀面的刃磨， 角度的调整，可以通过控制伺服电机的旋转，位姿的调整由控制软件按照位姿 调整的数学模型进行控制。从而可以实现刀具的数控化刃磨。 2.2 方案论证 方案一，由上述分析可知万能虎钳调整时需将三个坐标轴都进行调整，但 由于 x、y、z 三轴是连动的。当夹具体绕 x 轴转动时，y 轴方向随着转动， 但 z 轴方向不变。绕 y 轴转动时，x、z 轴方位不变。绕 z 轴旋转时，x、y

27、方位随着变动。因此当夹具绕 x 或 z 轴旋转时，同时会带动其它轴旋转，我们 知道在刃磨刀具的几个刀面时，刃磨的先后顺序不同，刃磨的几何角度也不同， 因此在使用时，调整的几何角度并不是独立的刀具角度，而是对几何角度在空 间进行分析后得到的角度。这样就会在刃磨时，带来计算的麻烦，势必影响到 刃磨的效率，且万能虎钳的调整是通过目测，由工人用手调整，这样刃磨的质 量也很难保证。因此在磨床上利用万能虎钳来进行车刀的刃磨其缺点是很明显 的。 方案二，为了解决万能虎钳三轴转动时，带来的联动调整问题以及计算时 的麻烦，我提出第二种实现方案。由刃磨要求可知，在刃磨时要通过夹具体的 回转使刀具的被刃磨面回转到与

28、磨轮工作面平行的方位。因此，当夹具回转则 需要三个旋转的自由度以保证刃磨时所要求的角度，由以上对万能虎钳的分析 知，该夹具的三个方向的回转自由度并不是独立的，在旋转时角度是很难控制 的，因此为了方便而准确的控制三个方向的自由度，我们将这些自由度的生成 关系独立开来，我们采取第二个实施方案。该结构由三部分组成，一部分有一 个自由度，并且三部分的轴线交于一个平面。三部分的实现由三台步进电机控 制，则三个方向的旋转自由度就可实现，并且是独立的存在，不会有干涉的现 象，再采用丝杠螺母机构来实现两个方向的进给运动，这样在刃磨车刀时，要 使刀具待磨面与磨轮工作面平行，我们只需要分别控制三台电机来实现三个轴

29、 的旋转，三个轴的旋转由数学建模关系控制，就可轻易的实现人为控制，得到 我们所需的角度。 在三个自由度的实现上，有两种方案可以实现，第一种就是三台电机同时 布置在一个机体内，第二种可以使进给方向有两个自由度的旋转，然后再利用 砂轮的旋转，提供第三个自由度，这样也可以实现三个自由度的控制，在整个 设计当中，我们对这两个方案也进行了论证，最后在实现控制上，我们发现， 第一、数学模型的建立，都是以刀具的旋转为研究对象的；第二、考虑到设计 的结构的紧凑性，我们最终考虑采用了第二种方案中的 2，利用三台步进电机 实现对刀具的控制，从而得到要磨的刃磨角度。 图 2-3 方案可以实现三个回转轴线相交于一点，

30、这样三个轴的运动彼此不 会产生诱导运动，三个电机的运动相互独立，这样控制算法上比较简单容易实 现，但在结构上体现的相对复杂，为此，我们在这个基础上对这个方案部分结 构进一步进行改型，从而力求得到比较合理的适合于刀具刃磨的结构。 图 2-4 结构方案 z 轴方向布置一台步进电机，可以实现垂直水平面的旋转运动，平行于水 平面布置一台步进电机可以实现绕 x 轴的旋转运动，水平面内垂直于 x 轴布置 一台步进电机，从而就可实现绕 y 轴的旋转运动。总体结构方案如图 2-4 所示， 为此 在次方案的基础上我们只需进行合理的结构设计和控制的设计，就可实现 我们的设计要求。 2.3 本章小结 我国工具行业，

31、长期处在低水平数量型发展轨道，加上目前正处在国家深 化改革，产业结构调整，客观和主观都造成我国的工具行业难以适应当今飞速 发展的市场变化。我国刀具制造同先进国家的差距进一步拉大。为了降低成本， 提高刃磨质量和效率，尤为重要。车刀的刃磨就是最基础的。 而长期以来车刀的刃磨，主要由车床工人用手工刃磨，凭目测控制刃磨角 度，这种刃磨方式，刃磨的角度不太正确，效率也较低，所以开发高效可靠、 功能强大、成本低廉的经济型数控车刀刃磨机具有现实的经济意义和深远的社 会意义。 第三章第三章 刃磨机设计方案实施刃磨机设计方案实施 3.1 数学模型建立 3.1.1 常见车刀 图 3.1 车刀的种 类 a)外圆车刀

32、 b) 外圆车刀 d)内孔车刀 f)螺纹车刀 e)圆弧车刀 c)切断刀 图3-1 常用车刀 车刀是应用最广的一种单刃刀具。也是学习、分析各类刀具的基础。车刀 用于各种车床上，加工外圆、内孔、端面、螺纹、车槽等。车刀按结构可分为 整体车刀、焊接车刀、机夹车刀、可转位车刀和成型车刀。车刀由刀头和刀杆 两大部分组成。刀杆是刀具上夹持部分组成。刀头直接担负切削工作，它由以 下部分组成。 3.1.2 车刀几何角度分析 图 3-2 车刀几何角度投影 为了表示刀具空间集合形状及位置，需通过刀具几何角度来表示。再表达 刀具几何角度时，仅靠刀头上的几个面是不够的，还需要建立几个坐标平面， 以便与刀具刀头上的各个

33、面组成相应的角度。 刀具切削角度的坐标平面: 刀具的切削角度是刀具在切削运动状态下确定的角度。所以刀具的切削角 度的坐标系应该用合成切削速度来说明。 切削平面 通过切削刃某选定点，切与加工表面的平面。 1 基面 通过切削刃某选定点，垂直于合成切削速度向量的平面。 2 正交平面 通过切削刃某选定点垂直于主切削刃在基面上的投影平面。 3 副切削刃正交平面 垂直与副切削刃在基面上的投影。 4 刀具标注角度 正交平面坐标系 为便于刀具设计者在设计刀具时标注，需要对上述参考 1 平面做一些假设，车削时的假设条件是： a.装刀时，刀尖恰在工件的中心线上； b.刀杆对称面垂直于工件轴线； c.没有进给运动；

34、 d.工件以加工表面的形状是圆柱表面； 根据这些条件，外圆车刀主切削刃某选定点的标注角度参考坐标平面为; 基面 通过切削刃上选定点 m，平面与刀杆底面的平面；切削平面 通过 t p s p 切削刃上选定点 m，与主切削刃相切并垂直于基面的平面 正交平面 通过切削刃上选定点 m，垂直于主切削刃在基面上投影的po 平面。因此正交平面坐标系内的三个坐标平面互相垂直，构成了 1 个空间直角 坐标系，称为正交平面坐标参考系 正交平面坐标系的刀具角度标注 如图所示正交平面参考系中，刀具角度 2 有以下几个。 刀具的前刀面，后刀面及主切削刃的方位，用前角，后角，主偏角， a r o a r k 刃倾角4 个

35、角度就可以确定。其中，于确定了前刀面的方位，和确 s a r s r k o a 定了后刀面的方位，与确定了主切削刃的方位。 r k s 3.1.3 数学模型的建立 车刀刀面方程建立 1、建立坐标系 1.1 车刀坐标系 以外圆车刀的刀尖0为坐标原点，负进给方向为xd 轴方向， 吃刀运动方向为 yd 轴方向， 按右手法则建立车刀坐标系。o-xdydzd，并与车刀“固结”。 1.2机床坐标系 以车刀坐标系的原点0为坐标原点，xd轴方向为x轴方向， yd轴方向为y轴方 向， 按右手法则建立机床坐标系。o-xyz，并与机床“固结”。 2、建立刀面方程式 设车刀的三个刀面为平面， 并设主偏角为kr、，

36、副偏角为kr：， 主后角为a0、 法向主后角为an进给剖面主后af,切深剖面主后角为ap,主前角为0,法向前角为 n,进给剖面前角为f,切深剖面前角为p,刃倾角为s,副后角为o,进给 剖面副后角为p。 2.1主后刀面方程式 过刀尖o做主后刀面的单位法线，如图4-3可知，该单位的法线的方向数 （即na在xd、yd、zd轴上的坐标分量）pa，qa，ra分别为 pa=-cososinkr qa= cosocoskr ra=-sino 于是，主后面的方程式可表示为： xd -cososinkr t xd pa qa ra yd = cosocoskr yd =0 (1) zd -sino zd 2.2

37、 副后刀面方程式 过刀尖o作副后刀面的单位法线 na，由图4-3可知，该单位法线的方 向数(即na在xd、yd、zd轴上的坐标分量pa 、qa、ra： 分别为： 图 3-3 刀具角度投影关系图 pa=-cososinkr qa= cosocoskr ra=-sino 于是，副后刀面方程式为: xd -cososinkr t xd pa qa ra yd = cosocoskr yd =0 (2) zd -sino zd 2.3 前刀面方程式 过刀尖o作前刀面的单位法线 nr，由上图可知， 该单位法线的方向数 (即nr,在xd、yd、zd轴上的坐标分量)pr 、qr、rr： 分别为： pr=si

38、nnsinkr - cosnsins coskr qr=-sinncoskr - cosnsins sinkr rr= cosncoss 于是前刀面的方程式可表示为： xd sinnsinkr - cosnsins coskr xd pr 、qr、rr yd = -sinncoskr - cosnsins sinkr yd =0 (3) zd cosncoss zd 车刀的位姿调整 1、建立砂轮的磨削平面方程 设磨刀砂轮的轴线与机床坐标系。o-xyz 的 x 轴平行 并以砂轮的端平面刃 磨车刀的各表面， 那么砂轮的磨削平面方程可描述为： x 1 0 0 y = 0 z 2、车刀的位姿调整要求：

39、 (1)能实现任意一个被刃磨刀面与砂轮的磨削平 面重合； (2)能实现沿磨刀砂轮轴线方向的进给运动； (3)能保证磨削在砂轮的轮沿附近进行； 图 3-4 主后刀面刃磨 3 3、车刀的姿态调整 姿态调整的理论依据是坐标旋转，任意一个被刃磨 刀面经过坐标旋转 以后应能够与 砂轮的磨削平面重合或 平行、车刀坐标系的起始位置与机床 坐标系重合。考虑到设计的机械结构和刃磨时主要利用砂轮的端面刃磨，为了 提高刃磨效率和提高刃磨质量，所以需确定刃磨的先后顺序。综合考虑上述因 素，我们确定了如下刃磨顺序。 3.1 主后刀面刃磨 要想让主后刀面调整到与机床坐标系的 yoz平面相平行的位 置需要经过 两次旋转变换

40、。第一 次让刀具连同坐标系。让步进电机绕 z轴沿顺时针方 向转kr 。如 图 3 - 4 所 示 ，然后让x向步进电机绕x轴选转一个后角，则主后刀面 就可实现预期的刃磨。 3.2 副后刀面刃磨 副后刀面的刃磨和主后刀面的刃磨基本相似，所不同的就是第一步的旋转 方向有所不同，首先应该逆时针旋转一个副偏角，副后角同样需要 x 方向步进 电机调整。 3.3 前刀面的刃磨 前刀面的刃磨时，首先旋转一个主偏角，然后再旋转一个轴向前角，最后 旋转一个刃倾角。这样需要三次旋转才可实现前刀面的刃磨，电机的旋转顺序 为 z 向步进电机-y 向步进电机-x 向步进电机。 3.2 机械部分设计 3.2.1 刃磨基本

41、条件 车刀的材料 常用车刀材料一般有高速钢(high-speed steel)和硬质合金(horniness metal)两类。 （1）高速钢车刀 高速钢是一种加了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高速工具钢，特点 是较高的热稳定性，且学温度达 500600 摄氏度，与碳素工具钢，合金工具钢 相比，切削速度提高 13 倍，耐用度提高 1040 倍。 （2）硬质合金车刀 硬质合金是以钨的碳化物（wc）钛的碳化物（tic）的粉末为基础，以钴为 粘结剂，用粉末冶金法，经高温烧结而成，硬质合金的红硬性为 w801000 摄 氏度，它的切削速度为高速钢的 410 倍，常温时，硬质合金较脆，怕冲击和 振动，

42、不能制成复杂刀具，用其制成整体式的较少，大多为刀片。 刀具的磨损形式 刀具的磨损按其发生部位主要有以下形式:如图 3-5 所示 1、刀面磨损 磨损主要发生在刀具的后刀面上,后刀面磨损后,形成后角等 于零的小棱面,磨损程度以棱面高度 h后表示。 2、前刀面的磨损 磨损部位主要发生在刀具的前刀面上，在主切削刃的后 方产生一个月牙洼，磨损程度与月牙洼的深度 h前表示。 3、前刀面与后刀面同时磨损 这种磨损是指刀具前刀面的月牙洼与后刀面 上的棱面同时产生 一般，刀具在切削工件的过程中，其后刀面都有磨损，h后的大小直接影响 工件的加工精度、表面的光洁度和生产效率，同时 h后测量方便，故生产实践 中常以

43、h后的大小表示刀具磨损程度。 图 3- 5 刀具磨损形式 砂轮选取 ( 1 )材料选取 砂轮是由磨料加结合剂用制造陶瓷的工艺方法制成的。砂轮的特性由下列 五个因素来决定：磨料、粒度、结合剂、硬度和组织。常用的磨料有氧化物系、 碳化物系、高硬磨料系三类。如表 1-1 所示。 选用原则 刃磨刀具的砂轮应使刃磨后的刀具具有锋利的切削刃和一定的光洁度，并 且刀面无退火烧伤现象。选择砂轮是主要依据刀具材料的性质、磨削性质、图 纸要求等，选择砂轮的磨料、粒度、硬度、结合剂、形状和尺寸。 表 3-1 所示 砂轮材料 具体有一些基本原则： 工件硬度工件越硬，砂轮硬度应选得软些，使磨钝了的磨粒快点脱落，以 便砂

44、轮经常保持有锐利的磨粒在工作，避免工件因磨削温度过高而烧伤。 工件 材料越软，砂轮的硬度应选得硬些，使磨粒脱落得慢些，以便充分发挥磨粒的 切削作用。 砂轮与工件的接触面积大时，应选用软砂轮，使磨粒脱落快些，以 免工件因磨屑堵塞砂轮表面而引起表面烧伤。内圆磨削和端面平磨时，砂轮硬 度应比外圆磨削的砂轮硬度低。磨削薄壁零件及导热性差的工件时，砂轮硬度 也应选得低些。精磨和成型磨精磨和成型磨削时，应选用硬一些的砂轮，以保 持砂轮必要的形状精度。砂轮粒度大砂轮的粒度号越大时，其硬度应选低一些 的，以避免砂轮表面组织被磨屑堵塞。工件材料磨削有色金属、橡胶、树脂等 软材料，应选用较软的砂轮，以免砂轮表面被

45、磨屑堵塞。 表 3 磨 料名称 代号 特 点 适 用 范 国 棕刚玉 gz 有足够的硬度， 韧性大， 抗弯强 度高， 价格便宜 磨削碳素钢、 一般合金钢， 可锻铸铁， 硬青 铜等。 特剐适于墨未淬硬钢和调质钢以及 粗磨工序 白刚玉 gb 比棕刚玉硬而脆， 自锐性好， 磨 削力和磨削热量较小，价格比 棕刚玉高 磨削淬硬钢， 高速钢， 高碳钢， 螺纹， 齿轮， 薄壁薄片零件以及刃磨刀具等 铬刚玉 gg 硬度与白刚玉相近而韧性较好 可磨削合金钢， 高速钢， 锰钢等高强度材 料以及光洁度要求较高的工序。也适于成 型磨削，刃磨刀具等 单晶刚 玉 gd 硬度和韧性都比白刚玉高磨削不锈钢和高钒高速钢等韧性大

46、、 硬度 高的材料 微晶刚 玉 gw 强度高，韧性和自锐性好磨削不锈钢， 轴承钢和特种球墨俦铁等 黑碳化 硅 th硬度比白刚玉高，但脆性大 磨削铸铁， 黄铜、 软青铜以及橡皮， 塑科等 非金属材料 绿碳化 硅 tl 硬度与黑碳化硅相近而脆性更 大 磨削硬质合金、光学玻璃等 金刚石 jr jt 硬度最高，磨削性能好，价格 昂贵 磨削硬质合金、光学玻璃等高硬度材料 根据上述理论对于车刀的刃磨应分别选取砂轮材料 氧化铝砂轮适用于高速钢车刀 碳化硅砂轮适用于硬质合金车刀 （2）砂轮形状及尺寸选取 砂轮形状选择 对于车刀的刃磨主要是氧化铝砂轮和碳化硅砂轮，根据如表 3-2 所示砂轮 结构和设计刃磨机结构

47、安装尺寸和车刀角度刃磨时空间位置，可以对砂轮进行 外形选择。 表 3-2 所示 砂轮类型 砂轮类型断面简图代号直径(mm)厚度(mm)孔径(mm) 平型砂轮 p6-6005-2002-305 双斜边一号砂轮 psx1100-35010-3220-127 单斜边二号砂轮 pdx2150-35010-2525-127 单面凹砂轮 pda30-60025-7510-305 双面凹砂轮 psa200-60025-7525-203 薄片砂轮 pb100-4001-520-32 筒形砂轮 n150-40050-200100-350 杯形砂轮 b50-25040-20013-150 碗形砂轮 bw50-17

48、525-6313-32 碟形砂轮 d100-30013-2513-32 磨量规砂轮 jl150-25010-3232-75 磨针砂轮 jz400-450150-200100-150 表 3-3 所示 砂轮刀具类型 砂轮的粒度、硬度组织和材料的选择不同，都会对被磨工件表层金属的塑 性变形产生影响，进而影响表面粗糙度。砂轮的速度越高，单位时间内通过被 磨表面的磨粒数就越多，因而工件表面的粗糙度值就越小。砂轮粒度和砂轮修 整对表面粗糙度的影响。 通常，用碗形(或杯形)砂轮刃磨刀具的后刀面，在刃磨过程中，由于杯形 砂轮的直径不变，因而更适用于无变速装置的磨床。目前碗形(杯形)砂轮的直 径都较小，砂轮圆

49、周速度低，磨粒易变钝，刀具表面光洁度差，故实际当中为 了提高砂轮圆周速度，选用直径较大的平形砂轮，经适当调整，用来刃磨后刀 面。刃磨前刀面一般用碟形砂轮。在本次设计当中为了提高刃磨效率和简化刃 磨机床结构，采用了平行砂轮进行刀具各个面的刃磨。 3.2.2 磨削力计算 磨削力 f 可分解为互相垂直的三个分力，即沿砂轮径向的法向磨削力 fn， 沿砂轮切向的切向磨削力 ft；以及沿砂轮回转轴线方向的轴向磨削力 f。轴 向分力 f。较小，可不计，如图 3-6 所示。由于砂轮磨粒具有较大的负前角， 所以法向磨削力 fn 大于切向磨削力 ft，通常 fn/ft 在 1.53 范围内。fn 和 砂轮 刀具材

50、料加工情况 磨料粒度硬度结合剂 碳素工具钢 粗 磨 精 磨 棕刚玉 棕刚玉 46#-60# 80#-120# zr1-zr2 zr1-zr2 陶瓷 瓷陶 高速钢及合 金钢 粗 磨 精 磨 精 磨 白刚玉 白刚玉 碳化硅 46#-60# 80#-120# 120#-180# r3-zr1 r3-zr1 zr1-zr2 瓷陶 瓷陶 树脂或橡 胶 硬质合金 粗 磨 精 磨 粗 磨 半精磨 精 磨 碳化硅 碳化硅 人造金刚 石 人造金刚 石 人造金刚 石 60#-80# 100#-150# 80# 150#-180# 180#-280# r1- r3 r2- r3 100-150% 50-75% 50

51、% 瓷陶 瓷陶 金属结合 剂 金属结合 剂 树脂结合 剂 ft 的比值与砂轮锐利程度有关，砂轮钝化，fnft 值增大。另外，fn 与 ft 的 比值也随被磨材料而异，例如，磨削普通钢料时，fn/ft=1.61.8；磨削淬硬 钢时 fn/ft=1.92.6；磨削铸铁时 fn/ft=2.73.2；fn 与 ft 的比值还与磨削 方式有关。 图 3-6 磨削分力 由于在车刀刃磨过程当中，磨削力主要为切向力，而且其非常小，故通常 采用经验公式进行计算，根据公式可得到下列表中数据：如表 3-2 所示 表 3-4 所示 磨削时磨削力 f、摩擦系数 工件材料 vs（m/s ） vw（m/min ） ftc（

52、n）fnc（n） ftc/ fnc 20 钢 31.752.445.785.920.980.61 ggr1531.752.446.8914.100.490.31 w18cr4v31.752.445.9620.110.300.21 钛 31.752.447.1227.890.260.66 铌 31.752.4410.415.361.840.46 钼 31.752.449.4712.900.730.57 钨铬钴合 金 31.752.44 0.15 砂轮的选取 砂轮的圆周速度， 即砂轮外圆表面上任意一点在单位时间内所走过的距离， 若知道砂轮的直径d，当砂轮转一转时，在砂轮外圆表面上上任意一 点所走过

53、的距离等于砂轮圆周长，即 圆周长(毫米)=d，假设砂轮每分钟转 n转， 则砂轮表面上任意一点在每分钟内所走过的距离，即每分钟所走过的距离 （毫米）=d砂轮n砂轮 砂轮=d砂轮n砂轮/601000（m/s） 公式 2 砂轮砂轮圆周速度（m/s） d 砂轮砂轮直径（mm） n砂轮砂轮转速 r/min 砂轮的安全圆周速度，就是砂轮最大的工作线速度，它表示砂轮在回转情 况下的回转强度，即在离心力作用下不致破坏的程度。也就是说，砂轮在等于 或小于安全圆周速度下磨削时，砂轮不会破碎，工作安全，如果大于砂轮的安 全圆周速度时，其离心力会超过结合剂的粘结能力，砂轮便发生破碎。所以， 磨削加工时，为了安全起见，

54、砂轮最大工作线速度不应超过表 2-3 的规定。其 中，粒度为 36。及更粗而硬度为 r。及更软的砂轮，最大工作线速度应低于表 2-3 中规定的 20，橡胶结合剂柔软抛光砂轮，工作线速度不得大于 35m/s， 用于高速磨削的砂轮，其最大工作线速度见表 2-3。在磨削工作中，砂轮的安 全圆周速度已给定，从上述公式可知，根据砂轮直径，能够求出砂轮的转速， 其换算公式为 根据刃磨经验，通常取砂轮圆周速度 砂轮=20m/s，由于在本次设计当中， 砂轮和电机直接固联，砂轮电动机统常采用三相异步电动机，由于固联，所以 最高转速为 3000r/min。根据计算公式 2 d砂轮=601000砂轮/（n砂轮） 代

55、入数据： =60100020/（3000） =127.4mm 根据砂轮参数表：可以选取砂轮为 d=150mm 由上述知碳化硅砂轮适用于硬质合金车刀，进一步选区砂轮的粒度为 60#- 150#，硬度为 r1-r3，氧化铝砂轮适用于高速钢车刀、粒度为 180#-220#，硬度为 r1-r3，结合剂为陶瓷。 硬质合金刀具磨削方式：硬质合金刀具可以成倍的提高切削速度，其耐磨性好， 使用寿命长，但硬质合金硬度高，脆性大，导热系数小，加工中容易产生裂纹， 崩缺现象，实际反复试验，在碳化硅砂轮工作面开一定的数量的沟槽，用于加 工硬质合金，可以得到较好的刃磨表面，砂轮上由于开了槽，磨钝脱落的磨粒、 碎裂的磨粒

56、可纳入槽内，砂轮不易堵塞，易于保持锋利，刀具不易划伤工作表 面，从而改善工作条件。 砂轮电动机的选取： 砂轮电动机通常采用三相异步电动机，其可分为笼式和绕线式两种。笼式 转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应 用，其中 y 系列三相异步电动机，做为一般用途全封闭(或防护式)三相鼠笼型、 自扇冷三相异步电动机,是国内中小型电机的基本系列。y 系列电机具有效率高、 起动转矩大、体积小、重量轻、噪音低、振动小、外形美观、标准化程度高等 优点。 根据实际的转速要求和刃磨时刀具所需的实际扭矩情况，砂轮电动机可以 选则 y 系列当中的电机：参数如下 型号 y801-2 额定功

57、率 0.75 千瓦 同步转速 3000 转/分钟 额定转矩 2.2nm 3.2.3 机械结构设计 由于本次设计当中为了简化设计结构，所以采用三台电机布置在同一个安 装平面的结构形式，这势必要考虑相互之间的连接问题，为了避免由于电机的 重量、刀架和刀具的质量过重对电机轴产生附加径向力，造成电机轴必须承受 弯矩的情况，本次设计当中，有三处采用了空心轴的联结，利用空心轴和轴承 形成卸荷结构，把附加弯矩转化的机体上，从而解决了实际结构存在的问题。 关节 1 采用圆桶型空心轴（如图 3-7 所示） ，用二个圆锥滚子轴承支承，轴 承间隙可调。具有结构简单、刚性好、承载能力强、旋转精度高、并可在轴内 走线的

58、特点。关节 2 采用两端支承的空心轴结构（如图 3-8 所示） ，使电机组的 一部分能插入空心轴里，缩短了电机外露长度，减小整机尺寸，外观形状好。 同时，还具有支承刚度高、结构简单、运动轻巧灵活的特点。关节 3 与其机架 壳体组合成一个整体，整个电机组安装在机架壳体内。关节驱动输出轴设计有 卸荷结构，即：将与之连接的其刀架和部件自重产生的重力矩不作用到驱动输 出轴上去，而是利用二个轴承传到机架壳体上，由机架壳体去承担，驱动轴只 承受扭矩，不承受弯矩。这样的结构刚性好、运动灵活可靠、运动精度高；而 且结构整体性好，并且有模块式特点，部件之间装拆方便，有利于各部件单独 调试和维修。 这个机械部分，

59、通过空心轴减小了安装尺寸，在结构实现了最小化，由于 两个轴的轴心相交于一点，有力于控制算法的实现。 1.地盘 2.关节 1 轴套 3.液动轴承 32917 4.关节 1 轴 5.液动轴承 32912 6.加持机 构 7.连接体 2 8.关节 1 轴 9.液动轴承 32912 10.关节 2 轴套 11. 连接体 1 图 3-7 机械结构图 1 12.关节 3 轴 13. 关节 3 轴套 图 3-8 机械接构图 2 图 3-9 机械接构图 3 这里的机械结构图，只是比较简单的结构图，我们只是作为参考，大致了 解只能刃磨机的结构以及三视图，具体的零部件我们可以参考附件里面的装配 图纸，里面有详细的

60、介绍和描述。 轴承的选取 由于滚动摩擦代替滑动摩擦，起动快，起动阻力矩小，效率高，对于同一 尺寸的轴颈滚动轴承的宽度小，可使机器轴向尺寸小，结构紧凑，运转精度高， 径向游隙比较小并可用预紧完全消除，冷却、润滑装置结构简单、维护保养方 便，不需要用有色金属，对轴的材料和热处理要求不高，所以在刃磨机的空心 轴上选用滚动轴承；根据其空间的安装位置、尺寸，受载荷不同，x 方向选用 深沟球轴承，只能承受径向力；由于 y 方低转速、径向尺寸受限制的装置中， 选用滚针轴承，而 z 方向承载能力较大，选用圆锥滚子轴承。 （ 机械设计手 册第四卷 第二版 2000 ）选用型号如表 3-3： 表 3-5 轴承基本