数控磨床床身机结构设计

题目数控磨床床身结构设计摘要数控磨床作为一种重要的机械零件加工设备广泛应用于尺寸精度和表面质量要求较高的各种平面加工。磨削技术及磨床在机械制造行业中占有极其重要的地位，磨削技术的发展很快，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。磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有内圆磨床、外圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。在整个磨床的各个组成部分中,床身是磨床的重要基础部件，床身起着支撑和连接工作台、砂轮架、立柱等关键零部件的作用,并与整机性能有着密切关系。目前,国内的普通磨床基本依靠经验进行设计,设计的理论依据不足,使得磨床床身结构存在形式单一、结构复杂、耗材多、成本高等问题,因此进行床身轻量化设计研究十分必要。关键词：数控磨床、磨削技术、床身ABSTRACTCNCgrindingmachineisakindofimportantmechanicalpartsprocessingequipmentwidelyusedinvariousplanemachiningprecisionandsurfacequalityrequirementshigher.Grindingtechnologyandthemachineoccupiesanextremelyimportantpositioninthemachinerymanufacturingindustry,thedevelopmentofgrindingtechnologysoon,playsaveryimportantroleinmachining.Withtheincreasingnumberofhighprecision,highhardnessandmechanicalparts,aswellasthedevelopmentofprecisioncastingandforgingprocess,performance,varietiesandproductionareinthecontinuousimprovementofthegrindingmachine.Allkindsofmetalcuttingmachinetoolgrinderisakindofmostvarieties,themaintypesofinternalgrinder,cylindricalgrinder,surfacegrinder,centerlessgrinder,grindingmachineetc..Inthevariouspartsofthegrinder,lathebedisanimportantbasiccomponentsofgrinder,lathebedplaysasupportingandconnectingtable,thegrindingwheelrack,columnandotherkeypartsofthefunction,andhasacloserelationwiththeperformance.Atpresent,thedomesticordinarygrinderbasicallyrelyonexperiencetocarryonthedesign,thetheoreticalbasisfordesigndeficiencies,formsingle,complexstructure,muchmaterialconsumption,highcostmakesthestructureofgrinderbed,soitisnecessarytostudythelightweightbodydesign.Keywords：CNCgrinder,grinding,Grinderbed目录第一章概论 11.1数控机床的发展与产生 11.2何为数控机床 11.3数控机床的应用范围 21.4数控机床的基本组成 21.5数控机床的分类 31.6数控机床的特点 31.7数控机床的工作原理 5第二章磨床概述 62.1磨削概论 62.2磨床的类型与用途 62.2.1磨床的类型及其特点 62.2.2磨床的用途 72.2.3外圆磨削和端面外圆磨削 72.3磨床现状及其发展趋势 9第三章数控磨床总体结构设计 103.1磨床结构布局设计 103.1.1加工零件 103.1.2初步估计组成部分 103.2总体布局设计 103.2.1结构布局设计 103.2.2磨床支承结构形式的确定 113.2.3总体布局的确定 11第四章数控磨床床身结构的设计 134.1床身结构的基本要求 134.2床身的结构 134.3床身基本尺寸的确定 144.4提高机床床身的结构刚度的设计 164.5提高机床的抗振性的措施 174.6床身的铸造结构 174.6.1床身的铸造 174.7链接元件 17结束语 19致谢 20参考文献 21三江学院2014届本科生毕业设计（论文）PAGE22概论1.1数控机床的发展与产生1948年，美国空军委托美国的帕森斯公司，对飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备进行研制。因为样板形状复杂多样，精度要求很高，一般加工设备难以适应，因此提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司由美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室协助，开始数控机床研究，并于1952年成功试制出第一台由大型立式仿形铣床改装成的三坐标数控铣床，很快便投入正式生产，于1957年正式开始使用。当时的数控装置采用电子管元件，其体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊要求的公司用来加工复杂型面的零件；1959年，发展为晶体管元件与印刷电路板，使数控装置进入了第二代，它体积缩小，成本也有所下降；1960年以后，相对简单和经济的点位控制的数控钻床和直线控制的数控铣床发展迅速，使数控机床在机械制造领域逐渐得到推广。到1965年，出现了第三代集成电路数控装置，不仅体积更小，功率消耗少，并且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的进一步提高。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称CNC）,使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年，成功研制出使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称MNC），这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低3/4，可靠性也得到极大的提高。80年代初，随着计算机软件和硬件技术的发展，出现了可以进行人机对话的自动编程数控装置；数控装置愈趋小型化发展，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有了自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。我国是从1958年开始研发数控技术的，一直到60年代中期处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出的实验样机，开发也是从电子管开始。1965年国内开始研制晶体管数控技术。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结构简单、方便使用、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代我国数控机床有了全新的发展。90年代以后主要是向高档数控机床发展。经过几十年的发展，现在的数控机床早已实现了计算机控制并在工业领域得到广泛应用，在模具制造行业的应用最为普及。针对车削、铣削、磨削、钻削和刨削等金属切削加工工艺及电加工、激光加工等特种加工工艺的需求，开发了各种类型的数控加工机床。1.2何为数控机床数控机床是一种综合应用了微电子技术、自动控制、计算机技术、精密测量和机床结构等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床，是一种典型的机电一体化产品。它是机械加工自动化的核心设备。1.3数控机床的应用范围数控机床在加工下面这些零件中更能显示出它的优越性：批量小（200件以下）而又多次生产的零件；在加工过程中必须进行多种加工的零件；几何形状复杂的零件；切削余量大的零件；必须控制公差（即公差范围小）的零件；工艺设计经常变化的零件；加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；需要全部检测的零件。1.4数控机床的基本组成数控机床一般由输人输出设备、数控装置(CNC)、伺服单元、驱动装置(或称执行机构)、可编程控制器及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。(1)输入和输出装置。是机床数控系统和操作人员进行信息交流、实现人机对话的交互设备。输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存人数控装置内。目前，数控机床的输入装置有键盘、磁盘驱动器、光电阅读机等，其相应的程序载体为磁盘、穿孔纸带。输出装置是显示器，有CRT显示器或彩色液晶显示器两种。输出装置的作用是：数控系统通过显示器为操作人员提供必要的信息。显示的信息可以是正在编辑的程序、坐标值以及报警信号等。(2)数控装置(CNC装置)。是计算机数控系统的核心，是由硬件和软件两部分组成的。它接收的是输入装置送来的脉冲信号，信号经过数控装置的系统软件或逻辑电路的编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各个部分，使其进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是各坐标轴(即作进给运动的各执行部件)的进给速度、进给方向和位移量指令(送到伺服驱动系统驱动执行部件作进给运动)，还有主轴的变速、换向和启停信号，选择和交换刀具的刀具指令信号，控制冷却液、润滑油启停。控制工件和机床部件松开、夹紧，控制分度工作台转位的辅助指令信号等。数控装置主要包括微处理器(CPU)、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统他组成部分联系的接口等。(3)可编程逻辑控制器(PIC)。数控机床通过CNC和PLC共同完成控制功能，其中，CNC主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、刀具运动的位置伺服控制等。而PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作。它接收CNC的控制代码M(辅助功能)、s(主轴转速)、T(选刀、换刀)等开关量动作信息，对开关量动作信息进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作。它还接收机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作(如手动操作机床)，另一方面将一部分指令送往数控装置，用于加工过程的控制。(4)伺服单元。伺服单元接收来自数控装置的速度和位移指令。这些指令经伺服单元变换和放大后，通过驱动装置转变成机床进给运动的速度、方向和位移。因此，伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。伺服单元分为主轴单元和进给单元等，伺服单元就其系统而言又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分。(5)驱动装置。驱动装置把经过伺服单元放大的指令信号变为机械运动，通过机械连接部件驱动机床工作台，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。目前常用的驱动装置有直流伺服电机和交流伺服电机，交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机。伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，计算机数控装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，伺服驱动装置包括主轴驱动单元(主要控制主轴的速度)、进给驱动单元(主要控制进给系统的速度和位置)。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床的功能主要取决于数控装置，而数控机床的性能主要取决于伺服驱动系统。(6)机床本体。即数控机床的机械部件，包括主运动部件、进给运动执行部件(工作台、拖板及其传动部件)和支承部件(床身、立柱等)，还包括具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的辅助装置。加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件，数控机床机械部件的组成与普通机床相似。由于数控机床高速度、高精度、大切削用量和连续加工的要求，其机械部件在精度、刚度、抗振性等方面要求更高。此外，为保证数控机床功能的充分发挥。还有一些辅助系统，如冷却系统、润滑系统、液压(或气动)系统、排屑系统、防护系统等。1.5数控机床的分类数控机床的种类很多，主要分类如下：按工艺用途分类。按工艺用途，数控机床可分类如下：普通数控机床，这种分类方式与普通机床分类方法一样，铣床、数控车床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。加工中心机床，数控加工中心是在普通数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置而构成的数控机床，它可在一次装夹后进行多种工序加工。按运动方式分类。按运动方式，数控机床可分类如下：点位控制数控机床。数控系统只控制刀具从要有数控钻床、数控坐标铣床、数控冲剪床等。直线控制数控机床：数控系统除了控制点与点之间的准确位置以外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也要进行控制。这类机床主要有简易数控车床、数控钻、铣床等。轮廓控制数控机床：数控系统能对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的运动轨迹能满足加工的要求。这类机床主要有数控车床、数控铣床等。按伺服系统的控制方式分类。按伺服系统的控制方式，数控机床可分类如下：开环控制系统的数控机床、闭环控制系统的数控机床、半闭环控制系统的数控机床。1.6数控机床的特点(1)加工对象改型的适应性强利用数控机床加工改型零件，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工。它不同于传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和量具，更不需要重新调整机床。因此，数控机床可以快速地从加工一种零件转变为加工另一种零件，这就为单件、小批量以及试制新产品提供了极大的便利。它不仅缩短了生产准备周期，而且节省了大量工艺装备费用。(2)加工精度高数控机床是以数字形式给出指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量(即每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量)一般达到了0.001mm也就是1μm。而进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到比较高的加工精度和质量稳定性。这是由数控机床结构设计采用了必要的措施以及具有机电结合的特点决定的。首先是在结构上引入了滚珠丝杠螺母机构、各种消除间隙结构等，使机械传动的误差尽可能小；其次是采用了软件精度补偿技术，使机械误差进一步减小；第三是用程序控制加工，减少了人为因素对加工精度的影响。这些措施不仅保证了较高的加工精度，同时还保持了较高的质量稳定性。在采用点位控制系统的钻孔加工中，由于不需要使用钻模板与钻套，钻模板的坐标误差造成的影响也不复存在。又由于加工中排除切屑的条件得以改善，可以进行有效地冷却，被加工孔的精度及表面质量都有所提高。对于复杂零件的轮廓加工，在编制程序时已考虑到对进给速度的控制，可以做到在曲率变化时，刀具沿轮廓的切向进给速度基本不变，被加工表面就可获得较高的精度和表面质量。(3)生产效率高零件加工所需要的时间包括在线加工时间与辅助时间两部分。数控机床能够有效地减少这两部分时间，因而加工生产率比一般机床高得多。数控机床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了在线加工时间。数控机床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，由于选用了很高的空行程运动速度，因而消耗在快进、快退和定位的时间要比一般机床少得多。数控机床在更换被加工零件时几乎不需要重新调整机床，而零件又都安装在简单的定位夹紧装置中，可以节省用于停机进行零件安装调整的时间。数控机床的加工精度比较稳定，一般只做首件检验或工序间关键尺寸的抽样检验，因而可以减少停机检验的时间。在使用带有刀库和自动换刀装置的数控加工中心时，在一台机床上实现了多道工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产效率的提高就更为明显。(4)自动化程度高数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成、不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。(5)良好的经济效益使用数控机床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的。但在单件、小批生产情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率等，因此能够获得良好的经济效益。(6)有利于生产管理的现代化用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。数控机床在应用中也有不利的一面，如提高了起始阶段的投资，对设备维护的要求较高，对操作人员的技术水平要求较高等。1.7数控机床的工作原理数控机床是用数字信息进行控制的机床。凡是用代码化的数字信息将刀具移动轨迹信息记录在程序介质上，然后送人数控系统经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床。数控加工的基本过程。在数控机床加工工件前，要分析零件图，拟定零件加工工艺方案，明确加工工艺参数，然后按编程规则编制数控加工程序。当加工零件的几何信息和工艺信息转换为数字化信息后，可以用不同方法输入到机床的数控系统中，经检查无误即可启动机床，运行数控加工程序数控装置会自动完成数控加工程序发出的各种控制指令。如果不出现故障，直到加工程序运行结束，零件加工完毕为止。数控加工的控制过程与计算机控制打印机的打印过程，特别是与计算机控制绘图机的绘图过程非常相似。数字控制是相对于模拟控制而言的。数字控制系统或计算机数字控制系统用字长来表示不同精度信息，可进行复杂的算术运算、逻辑运算和信息处理，通过改变软件(而非电路或机械机构)实现信息处理方式和过程的转换，具有很好的柔性功能。CNC系统方便、可靠、精度高，广泛应用于机械运动的轨迹、检测和辅助运动控制等各方面，其中，轨迹控制是机床和工业机器人的主要控制内容。第二章磨床概述2.1磨削概论利用高速旋转的砂轮等磨具加工工件表面的切削加工。磨削用于加工各种工件的内外圆柱面、圆锥面和平面,以及螺纹、齿轮和花键等特殊、复杂的成形表面。由于磨粒的硬度很高,磨具具有自锐性,磨削可以用于加工各种材料，包括淬硬钢、高强度合金钢、硬质合金、玻璃、陶瓷和大理石等高硬度金属和非金属材料。磨削速度是指砂轮线速度,一般为30～35米/秒,超过45米/秒时称为高速磨削。磨削通常用于半精加工和精加工,精度可达IT8～5甚至更高，表面粗糙度一般磨削为Ra1.25～0.16微米，精密磨削为Ra0.16～0.04微米，超精密磨削为Ra0.04～0.01微米,镜面磨削可达Ra0.01微米以下。磨削的比功率（或称比能耗，即切除单位体积工件材料所消耗的能量）比一般切削大，金属切除率比一般切削小，故在磨削之前工件通常都先经过其他切削方法去除大部分加工余量，仅留0.1～1毫米或更小的磨削余量。随着缓进给磨削、高速磨削等高效率磨削的发展，已能从毛坯直接把零件磨削成形。也有用磨削作为荒加工的，如磨除铸件的浇冒口、锻件的飞边和钢锭的外皮等。2.2磨床的类型与用途2.2.1磨床的类型及其特点用磨料磨具（砂轮、砂带、油石和研磨料等）为工具进行切削加工的机床，统称为磨床（英文为Grindingmachine），它们是因精加工和硬表面的需要而发展起来的。磨床种类很多，主要有：外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床和用来磨削特定表面和工件的专门化磨床，如花键轴磨床、凸轮轴磨床、曲轴磨床等。对外圆磨床来说，又可分为普通外圆磨床、万能外圆磨床、无心外圆磨床、宽砂轮外圆磨床、端面外圆磨床等以上均为使用砂轮作切削工具的磨床。此外，还有以柔性砂带为切削工具的砂带磨床，以油石和研磨剂为切削工具的精磨磨床等。磨床与其他机床相比，具有以下几个特点：1、磨床的磨具（砂轮）相对于工件做高速旋转运动（一般砂轮圆周线速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上发展）；2、它能加工表面硬度很高的金属和非金属材料的工件；3、它能使工件表面获得很高的精度和光洁度；4、易于实现自动化和自动线，进行高效率生产；5、磨床通常是电动机油泵发动部件，通过机械，电气，液压传动传动部件带动工件和砂轮相对运动工件部分组成。2.2.2磨床的用途磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床可进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以进行各种高硬、超硬材料的加工，还可以刃磨刀具和进行切断等，工艺范围十分广泛。随着科学技术的发展，对机械零件的精度和表面质量要求越来越高，各种高硬度材料的应用日益增多。精密铸造和精密锻造工艺的发展，使得有可能将毛坯直接磨成成品。高速磨削和强力磨削，进一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范围日益扩大。它在金属切削机床所占的比重不断上升。目前在工业发达的国家中，磨床在机床总数中的比例已达30%40%。据1997年欧洲机床展览会(EMO)的调查数据表明，25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术，车削只占23%，钻削占22%，其它占8%；而磨床在企业中占机床的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻床占14%。由此可见，在精密加工当中，有许多零部件是通过精密磨削来达到其要求的，而精密磨削加工会要在相应的精密磨床上进行，因此精密磨床在精密加工中占有举足轻重的作用。但是要实现精密磨削加工，则所用的磨床就应该满足以下几个基本要求：1.高几何精度。精密磨床应有高的几何精度，主要有砂轮主轴的回转精度和导轨的直线度以保证工件的几何形状精度。主轴轴承可采用液体静压轴承、短三块瓦或长三块瓦油膜轴承，整体度油楔式动压轴承及动静压组合轴承等。当前采用动压轴承和动静压轴承较多。主轴的径向圆跳动一般应小于1um，轴向圆跳动应限制在2—3um以内。2.低速进给运动的稳定性。由于砂轮的修整导程要求10—15mm/min，因此工作台必须低速进给运动，要求无爬行和无冲击现象并能平稳工作。3.减少振动。精密磨削时如果产生振动，会对加工质量产生严重不良影响。故对于精密磨床，在结构上应考虑减少振动。4.减少热变形。精密磨削中热变形引起的加工误差会达到总误差50％，故机床和工艺系统的热变形已经成为实现精密磨削的主要障碍。2.2.3外圆磨削和端面外圆磨削1.外圆磨削在外圆磨削过程中，工件是安装在两顶尖的中心之间，砂轮旋转是引起切削旋转的主要来源和原因。基本得外圆磨削方法有两种，即横磨法磨外圆和纵磨法磨外圆，如图2－1和图2－2所示。事实上，外圆磨削可以通过其他以下几种方法来实施：（1）传递方法：在这种方法中，磨削砂轮和工件旋转以及径向进给都应满足所有的整个长度，切削的深度是由磨削砂轮到工件的纵向进给来调整的。（2）冲压切削方法：在这种方法中，磨削是通过砂轮的纵向进给和无轴向进给来完成的，正如我们所看到的，只有在表面成为圆柱的宽度比磨削轮磨损宽度短时，这种方法才能完成。图2－1横磨法磨外圆图2－2纵磨法磨外圆（3）整块深度切削方法：除了在磨削过程中，要进行间隙调整外，这种方法与传递方法很相似，同时这种方法具有代表性，可以磨削短而粗的轴。2.端面外圆磨床及其特点端面外圆磨床是外圆磨床的一种变形机床，它宜于大批量磨削带肩的轴类工件，有较高的生产率。它的特点如下：（1）这种磨床的布局形成和运动联系与外圆磨床相似，只是砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜一角度（通常10°，15°，23°，26°，30°，45°），如图2－3所示，数控端面外圆磨床MKS1632A的砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜30°。为避免砂轮架与工件或尾架相碰，砂轮安装在砂轮架的右边，从斜向切入，一次磨削工件外圆和端面。（2）由于它适用于大批量生产，所以具有自动磨削循环，完成快速进给（长切入）粗磨精磨—无花磨削。由定程装置或自动测量控制工件尺寸。（3）装有砂轮成型修整器，按样板修整出磨削工件外圆和端面的成型砂轮，为保证端面尺寸稳定及操作安全，一般具有轴向对刀装置。图2－3砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜一角度2.3磨床的现状及其发展趋势随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高以及新型材料的应用增多，磨削加工技术正朝着超硬度磨料磨具、开发精密及超精密磨削（从微米、亚微米磨削向纳米磨削发展）和研制高精度、高刚度、多轴的自动化磨床等方向发展，如用于超精密磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均半径可小至4μm、磨削精度高达0.025μm；使用电主轴单元可使砂轮线速度高达400m/s，但这样的线速度一般仅用于实验室，实际生产中常用的砂轮线速度为40－60m/s；从精度上看，定位精度＜2μm，重复定位精度≤±1μm的机床已越来越多；从主轴转速来看，8.2kw主轴达60000r/min，13kw达42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工60HRC硬度材料的加工中心。北京第二机床厂引进日本丰田工机公司先进技术并与之合作生产的GA（P）62－63数控外圆/数控端面外圆磨床，砂轮架采用原装进口，砂轮线速度可达60m/s，砂轮架主轴采用高刚性动静压轴承提高旋转精度，采用日本丰田工机公司GC32－ECNC磨床专用数控系统可实现二轴（X和Z）到四轴（X、Z、U和W）控制。此外，对磨床的环保要求越来越高，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。大量的工业清洗机和切削液处理机系统反映现代制造业对环保越来越高的要求。第三章数控磨床总体结构设计3.1磨床结构布局设计3.1.1加工零件带轴肩的多台阶轴，精度IT7以下，Ra1.6Ra0.4，材料45#，40cr，球墨铸铁等；3.1.2初步估计组成部分a.床身；b.工作台面；c头架；d尾架；e砂轮架；f修整器；g测量装置；h砂轮进给电机；I修整器进给电机；j电器框；k工作台进给电机；l工件旋转电机；m润滑冷却装置；n数控装置；3.2总体布局设计本项工作的基本要求：（1）保证刀具和工件间的相对位置和相对运动。（2）足够的刚性，抗振性。（3）便于操作、维修、排屑等。（4）材料消耗低，占地面积小。（5）造型美观。总体布局的具体内容：（1）运动分配时应考虑的结构因素（2）磨床传动形式的确定（3）磨床支承结构形式的确定3.2.1结构布局的设计数控磨床床身设计的主轴中心位于立柱的对称面内，主轴箱的自重不再引起立柱的变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲变形和扭转变形均大为减小，这相当于提高了机床的刚度。另在立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力，以减小立柱的变形。如图3-1：3-1立柱装配示意图3.2.2磨床支承结构形式的确定机床支承结构形式如图3-2所示主要有以下几种：图3-2机床支承结构形式根据本课题加工要求，为了避免不必要的精度损失，力求结构简单的机床，所以复合式、单臂式、龙门式机床暂不考虑。而卧式机床的占地面积相对较大，所以本课题采用立式机床。3.2.3总体布局的确定综上所述，数控磨床总体布局如图3-3所示：总体上采用立式布局，立柱部分装有步进电动机，电动机与无间隙齿轮相结合，箱形立柱上装有滚珠丝杠、直线导轨，保证磨头主轴箱的上下运动，立柱内部与外部磨头主轴箱装置通过两根挂有与磨头主轴箱同等重量铁块的钢丝，为了与磨头装置自重保持平衡、回转工作台嵌在拖板中，砂轮休整器安装在回转工作台上，拖板安装在床身的导轨上，夹紧装置与测量装置安装在拖板上，工件安装在回转工作台上随工作台回转。图3-3数控磨床的总体布局第四章数控磨床床身结构设计该磨床的床身总体设计包括:底座设计(包含底座支撑设计、工、台位置设计及床身的总体设计);立柱设计(包含拧紧设计设计、工作台位置设计)机床床身主体的结构设计。本次设计主要对总体结构进行设计。4.1床身结构的基本要求机床的床身是整个机床的基础支承件,一般用来放置导轨等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。数控机床床身主要在下面四个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装部件的加工面和运动部件的导轨面,这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高,而且要能长时间保持。另外,机床在切削加工时,所有动、静载荷最后往往都传到床身上，所以，床身上的受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，处满足几何尺寸位置等精度要求外，还要满足静、动刚度、抗振性、热稳定性和工艺等方面的技术要求。2.应具有足够的静、动刚度静刚度包括：床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度—质量比。动刚度直接反映机床的运动特性，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当增加阻尼，提高固有频率等措施避免共振及因薄臂振动而产身的噪声。3.较好的热稳定性数控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已成为一个突出的问题，必须在设计上要作到使整机的热变形较小，或使热变形对加工精度的影响较小。4.高的强度和耐磨性通常床身在抵抗外负载荷而不超过允许的变形情况下，都具有足够的强度。但是，对于外负载荷比较大而变形要求不大的部位，仍有注意其强度的情况。4.2床身的结构该次设计的数控磨床的Z向运动是垂直与工作台的上下运动。这种结构的床身有固定立柱和移动立柱两种方式由于后者加工制造不方便,加上本次设计的数控磨床属于中型机床,结合第三章所述，故采用固定立柱式。根据以上所述床身设计基本如下：1.T型床身；2.工作台移动；3.工作台型面采用倾斜10°的型面；4.砂轮架主轴与床身导轨倾斜30°角；5.头尾架中心线平行；6.采用成型砂轮修整器（金刚石滚轮），采用MARPPOS公司轴向，径向测量仪，配用该公司E5数控框（如图4－1所示）来控制轴向尺寸，径向尺寸，测量仪布置在横梁上；图4－1E5数控框7.数控系统的四坐标轴X轴：砂轮架进给Y轴：修整器进给Z轴：工作台移动W轴：工件旋转各轴采用交流伺服电机，通过精密无间隙弹性连轴器直接与滚珠丝杆相连；8.液压油箱单独（减小热变形，简化机床结构，易实现标准化，通用化，便于维修）；9.电器框与机床采用空中走线；10.机床前防护罩采用全封闭结构；4.3床身基本尺寸的确定图4－2磨床纵向尺寸1.纵向尺寸①工件最大长度；②头架长度；③尾架长度；④上台面长度；⑤下台面长度；⑥床身长度；⑦后床身长度（考虑砂轮架和修整器大小按经验给定）；⑧整个床身宽度（视觉效果）；⑨砂轮架中心与机床床身对称线相距2.横向尺寸1）画出横向尺寸床身的V型导轨作为横向尺寸的基准，画出床身的平面导轨作为高度尺寸的基准线，根据确定的工作台参数，导轨参数B1，B2中心画出左视图2）确定上，下工作台厚度和宽度（1）厚度：用类比法上工作台中心（3－1）下工作台中心（3－2）为工作台导轨的中心距，工作台导轨选用8075250取=0.3250=75mm=0.38250=95mm（2）宽度（3－3）∵∴∵∴3）确定头，尾架顶尖中心位置顶尖中心安排在V型导轨的中心线上，这样有利于磨削最小直径工件的，砂轮架趋近于工作台不致相碰。缺点是使导轨的承载压力较大，故常适当加宽V型导轨的宽度。4）确定头尾架顶尖中心至床身底面的高度H1左右根据工人身高，经验。类比取5）工作台回转中心位置B96）确定机床总高H所以H取2000mm。4.4提高机床床身的结构刚度的设计机床床身的刚度是指切削力和其它力作用下,抵抗变形的能力。该磨床床身要求具有高的静刚度和动刚度。机床在切削过程当中，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重；承受的动态力有切屑力、驱动力、加减速器时引起的惯性力、摩擦阻力等。组成机床的结构部件在这些力作用下将产生变形，从而导致工件的加工误差。为了使机床达到高大结构刚度，获得符合要求的工件，进行如下结构设计：构件的结构形式的选择：(1)选择截面的形状和尺寸由于形状相同的截面，当保持相同的截面积时，应减小臂厚，加大截面的轮廓尺寸，所以该机床的立柱、床身等支撑件做成型腔。由于封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多，因此该磨床采用封闭式床身。由于臂上开孔将使刚度下降，所开孔部部件对刚度要求又很高，就在孔的周边加上凸缘，以使抗弯刚度得到恢复。(2)隔板和筋条的布置合理布置支承件的隔板和，可提高构件的静、动刚度，磨床立柱在内部设置了隔板，提高立柱的刚性磨床的导轨和支承件的连接部件，往往是局部刚度最弱的部分，但是联接方式对局部刚度影响很大。在本次设计中，采用螺钉连接，在连接边上采用凸缘设计，提高连接部分的刚性恢复能力。(3)采用铸造结构的构件：机床的床身、立柱等支承件，采用铸件组成，具有成型方便，持久保证精度的显著特点。采用铸件而不采用钢板和型钢的原因：①铸铁件吸振性能大大优于碳钢件，因为铸铁的内阻尼比碳钢平均高出3.2倍。②一般来说铸铁件的内应力比焊接件的内应力要小，经过时效处理的铸铁件的残余应力就更小了，所以铸铁件的床身、立柱等大件能长期保持良好的精度。③耐磨性与消震性好。由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所以耐磨性好。同样，由于石墨的存在，灰口铸铁的消震性优于钢。④工艺性能好。由于灰口铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故熔点比较低，流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件。另外，由于石墨使切削加工时易于形成断屑，所以灰口铸铁的可切削加工性优于钢。4.5提高机床的抗振性的措施机床在加工时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性就是抵抗这两种振动的能力。改善和提高抗振性应从床身设计的以下几个方面着手：(1)减少机床的内部振源采用平衡装置和降低往复运动件的重量，可以在立柱的后面装上配重块，与前面的部件重量和运动时产生的力产生一个平衡的作用，以减小可能的激振力，装在机床上的电机需隔振安装。(2)提高静态刚度提高静态刚度可以提高构件或系统的谐振频率，从而避免发生共振。但为了提高情态刚度而引起的构件质量的增加，会使共振频率发生骗移，这是不利的。因此，在结构设计时应强调提高单位质量的个刚度。(3)增加构件和结构的阻尼该磨床床身选择铸件，铸件的内阻尼高，床身选择铸件组成可以提高阻尼性。以减少振动。4.6床身的铸造结构该机床的床身采用铸件直接铸造而成。铸造结构床身的突出优点是加工方便。一般比焊接简便。4.6.1床身的铸造1.采