毕业设计（论文）-星盆边缘数控砂带磨削的控制系统设计

星盆边缘数控砂带磨削的控制系统设计编号题目星盆边缘数控砂带磨削的控制系统设计星盆边缘数控砂带磨削的控制系统设计

目录TOC\o"1-2"\f\h\u29697摘要 星盆边缘数控砂带磨床控制系统设计摘要针对星盆边缘数控砂带磨床控制系统设计的学习，了解到不锈钢磨削加工的特点及存在的问题、砂带磨削的优势以及数控砂带磨床控制系统的设计。关键词：砂带磨削数控系统星盆砂带磨削1.1砂带磨削的国内外现状及发展趋势[1]国外的砂带磨削发展非常迅速，自20世纪60年代以来，特别是静电植砂及涂附磨具技术的出现及发展，欧、美、日等工业发达国家在砂带制造技术和砂带磨床技术上都取得了巨大的成就在砂带制造技术方面，产生了如金刚石、立方氯化硼、陶瓷磨料、复合磨料、堆积磨料等各种砂带，类似的砂带已能用于干磨、高速、大吃刀量等的重磨削领域，及高密零件的磨削加工领域。在砂带磨床方面，有大至磨削宽5米以上的巨型平面磨床，小至牙医用的修齿机等结构形式各异种类。另外，随着自动化技术的发展，砂带磨削技术现已成为这些发达国家获得高额经济效益的一种重要手段，且砂带磨削量已占磨削总加工量一半以上。而国内的砂带磨削技术是在20世纪70年代末才得到真正的发展随着国内改革开放，砂带磨削技术日益引起了个行业、研究单位和企业的重视，加之砂带制造技术的提高及品种的增加，使得砂带磨削设备的研究和生产也得到了较大的打、、发展。高性能砂带磨削技术以其独特的工艺性、广泛的用途、较强的适应性得到了较广泛的推广，但国内砂带磨削技术与国外相比仍存在较大差距，主要体现在一下几方面：砂带寿命短品种规格不齐全、提高加工精度问题、砂带磨削机理的研究差距、砂带磨削的强力高效加工问题、运用现代化技术开发新型砂带磨床的差距。砂带磨削的总趋势正向着强力、高速、高效和精密方向发展。在磨床结构方面，从单一磨头向大型组合形式发展。在加工工艺方面，与特种加工相结合的复合加工方法是砂带磨床很有前途的发展方向之一。此外，自动化在砂带磨削中的应用，尤其是数控砂带磨床及自适应技术的应用使得砂带磨削的加工精度和效率有了很大的提高，已经使得砂带磨削精度进入精密和超精密加工行列。另外，砂带本身也不断发展和完善。1.2砂带磨削的特点[2]砂带磨削经过近三十年的发展，现已成为一项较完整且自成体系的新的加工技术。因其加工效率高、应用范围广、适应性强、使用成本低、操作安全方便等特点而深受用户亲睐。在国外，砂带磨削技术已有了很大的进步，其加工对象和应用领域日趋广泛，它几乎能加工所有的工程材料，从一般日常生活用具到大型宇航器具无所不可应用，并已成为获取显著经济效益的一种重要手段。其作为一种加工技术之所以受到人们日益广泛的重视，得到迅速发展，是因为它具有以下一些重要的特点：1.2.1磨削性能砂带磨削是一种弹性磨削，是一种具有磨削、研磨、抛光多种作用的复合加工工艺。1.2.2砂带的磨粒砂带上的磨粒比砂轮磨粒具有更强的切削能力，所以其磨削效率非常高。砂带磨削效率高表现在它的切除率、磨削比(切除工件重量与与磨料磨损重量之比)和机床功率利用率三个方面都很高。目前已知的砂带磨削对钢材的切除率已达到700mm3/mm·s,甚至超过了车削或铣削等。砂带的磨削比大大超过了砂轮，高达300:1，甚至400:1，而砂轮才30:1。砂带磨床的功率利用率，远在砂带磨削发展初期就已达到80%，领先于其它机床，而今则高达96%，相比之下，砂轮磨床只有52%，铣床57%，车床65%，所以砂带磨削还是一种很好的节能加工技术。1.2.3冷态磨削砂带磨削工件表面质量高。这除了因其具有磨削、研磨和抛光的多重作用外，还因为：相对砂轮磨削而言，砂带磨削有"冷态磨削"之称，即磨削温度低，工件表面不易出现烧伤等现象。1.2.4磨削震动砂带磨削系统震动小且稳定性好。由于砂带本身质量轻，其磨削工艺结构系统的平衡状态易于控制，所有的回转部件(如接触轮、驱动轮、张紧轮等)磨损极小，不会出现象砂轮那样的动不平衡因素。此外，砂带的弹性磨削效应能够大大减轻或吸收磨削时产生的震动和冲击。磨削速度稳定，砂带驱动轮不会象砂轮一样越磨直径越小速度越慢。1.2.5粗糙度砂带磨削工件表面质量高主要表现在表面粗糙度值小，残余应力状态好，以及表面无微观裂纹或金相组织变化等现象。从表面粗糙度来看，砂带磨削目前已可达Ra0.01mm，达到了镜面磨削的效果，而对于粗糙度值在Ra0.1mm以上的情况,则非常容易达到。砂带磨削工件表面残余应力多呈压应力状态，其值一般在-60~-5Kg/mm²，而砂轮磨削则多是张应力，所以砂带磨削非常有利于强化工件表面，提高工件疲劳强度。1.2.6磨削精度砂带磨削精度高。由于砂带制作质量和砂带磨床生产水平的提高，砂带磨削早已跨入精密和超精密加工的行列，最高精度已达到0.1mm以下。1.2.7磨削成本砂带磨削成本低。这主要表现在；砂带磨削设备简单。与砂轮磨床相比，砂带磨床简单得多，这主要是因为砂带质量轻，磨削力小，磨削过程中震动小，对机床的刚性及强度要求都远低于砂轮磨床。砂带磨削操作简便，辅助时间少。不论是手动还是机动砂带磨削，其操作都非常简便。从更换调整砂带到被加工工件的装夹，这一切都可以在很短的时间内完成。砂带磨削比大，机床功率利用率高，切削效率高。这使得切除同等重量或体积的材料所消耗的工具和能源费用减少，占用时间短。1.2.8磨削安全砂带磨削非常安全，噪音和粉尘小，且易于控制，环境效益好。由于砂带本身质量很轻，即使断裂也不会有伤人的危险。砂带磨削不象砂轮那样脱砂严重，特别是干磨时，磨屑构成主要是被加工工件的材料，很容易回收和控制粉尘。由于采用橡胶接触轮，砂带磨削不会象砂轮那样形成对工件的刚性冲击，故加工噪音很小，通常<70dB。由此可见，从环保角度来看砂带磨削也是十分值得推广的。砂带磨削工艺灵活性大、适应性强。这表现在：砂带磨削可以十分方便地用于平面、内、外圆和复杂曲面的磨削。设计一台砂带磨头装置作为功能部件可以装在车床上进行车后磨削，也可以装在刨床上使用，同时还可以设计成各种专用的磨床。利用砂带磨削的这种特性能够很容易地解决一些难加工零件，如超长、超大的轴类和平面零件的精密加工。砂带的基材、磨料、粘结剂均有很大的选择范围，能适应各种用途的需要。砂带的粒度、长度和宽度也有各种规格，并有卷状、环状等多种形式可供选用。对同一种工件，砂带磨削可以采用各种不同的磨削方式和工艺结构进行加工。砂带磨削的应用范围极其广泛砂带优越的磨削性能和灵活的工艺特性决定了它具有极其广泛的应用范围，从日常生活到工业生产的各行各业，砂带磨削几乎遍及所有领域。其应用形式之多样，范围之广泛是其它任何一种加工方法所不能比拟的。具体表现在：砂带磨削几乎能磨削一切工程材料。除了砂轮磨削能加工的材料外，其还可以加工诸如铜、铝等有色金属和木材、皮革、塑料等非金属软材料。特别是砂带磨削的"冷态"磨削效应使之在加工耐热难磨削材料时更显出独特的优势。1.3、砂带的优势[3]砂带磨削能够加工表面质量及精度要求高的各种形状的工件。砂带磨削不但可以加工常见的平面、内外圆表面的工件，还能以极高的效率加工表面质量及精度要求都较高的大型或异型件。例如：大面积板材的抛磨加工。砂轮的宽度最大仅1000mm，而砂带可以做到2500mm以上。目前已知最宽的砂带磨床所使用的砂带宽达4900mm。实际使用中砂带磨削常见的加工宽度为50~2000mm，加工厚度0.4~150mm。其生产率高达1000m2/h。这种宽砂带磨削可广泛用于钢板、不锈钢板、硅钢片、铝板、铜板、刨花板、胶合板、中密度纤维板、皮革、绝缘板、陶瓷板以及宇航器具、舰船和核物理研究装置上使用的各种高精度低粗糙度的大型板材等的表面加工。发动机变速箱体断面等断续平面的精密加工也可以用宽砂带磨削一次成形，并能保证比传统铣、刨加工的表面有更好的密封性。金属带材或线材的连续抛磨加工。由于宽砂带磨削的发展，使薄型带材在整个宽度上都有相同的磨削条件，不至于发生局部受力过大，产生应力变形，故冷扎钢带、铜、铝带及其它合金带材等的表面都适合于用砂带连续抛磨。其加工宽度为600~2100mm，加工厚度0.1~2.2mm，表面粗糙度值Ra3.2~0.1mm，带材运行速度为3~80m/min。行星式砂带磨削为不锈钢或其它材料的成卷线材的抛磨提供了一种十分有效和经济的加工方法。已知的线材抛磨直径在0.8~20mm.连续运行速度6~150m/min.长径比很大的工件内、外圆抛磨。现代工业中的各种大型的、长径比很大的轴类工件的外圆和管类工件的内圆表面的加工利用砂带磨削十分方便。一般可在大型标准设备上增加一个砂带磨削装置便可实现。批量大的则可采用专用的砂带磨床。如大型发电机转子、轧辊、造纸烘缸等工件的外圆和汽缸、石油管道、压力容器等工件的内圆表面加工。复杂异型工件的抛磨。曲面工件的成型磨削，难度较大。然而利用砂带的柔性可方便地加工各种复杂曲面，曲率半径仅为3mm的内圆角，砂带亦可对其进行抛磨。如飞机发动机页片、汽轮机叶片、导航叶片、聚光镜灯碗、反射镜、餐具、手柄、水暖器具等等都可用砂带进行高效率高质量的抛磨加工。砂带磨削设备形式多样，品种繁多。其可在各种通用型砂带磨削设备上进行。通用型砂带磨削设备小的有手提式砂带机、万能砂带机、台式砂带机；大的有外圆砂带磨床、平面砂带磨床、无心砂带磨床和内圆砂带磨床等等。专用的砂带磨床有凸轮轴砂带仿形磨床、工业罐体砂带抛磨机、汽车轮胎钢圈端面砂带抛磨机、摩托车油箱砂带抛磨机、专用不锈钢星盆发丝机等。1.4、砂带磨削的关键技术[1]

根据国内外砂带磨削技术的现状和发展趋势的分析，结合我国在砂带磨削技术上与国外的差距，作者认为砂带磨削的关键技术主要体现在以下五个主要方面。

1.4.1砂带磨削基础研究

砂带磨削具有复合加工的特点，其机理较复杂，蕴含了较多科学基础问题，尽管多年来各国学者对砂带磨削机理做了很深的研究，但是到目前为止各类砂带磨削的材料去除基本机理尽管国内外学者做了较多研究，但目前为止，完整的砂带磨削的材料去除基本理论还没有建立起来。因为表面完整性、亚表面层损伤、零件几何形状以及磨削和抛光加工生产能力等输出参数受很多因素的影响，对某一企业，有可能对研磨抛光加工工艺运用或者控制得很好，但在加工前却几乎无法预测其加工行为。因此，有必要深入展开砂带磨削加工机理及相关工艺的研究。只有通过对磨削机理和磨削工艺的研究,揭示各种磨削过程,磨削现象的本质,找出其变化规律,才能确定最佳的磨削范围,获取最佳的磨削参数。这是我们行业领域一个长期基础研究的基本任务。

1.4.2砂带磨料及制品工艺技术改进和开发砂带是砂带磨削技术发展的关键和重要标志，能否制造高品质的砂带已经作为衡量一个国家砂带磨削技术高低的标准。作为构成砂带三要素的基体、磨料、粘结剂以及由此导致影响磨削性能的十种要素，结合近年来像高分子新材料、新技术、新工艺在涂附磨具中的广泛应用，我国的广大砂带生产企业及相关研究机构应该在如下五个方面加大研究和开发力度，争取获得有自主知识产权的高品质砂带：①新型基体的应用和开发

国外纸基砂带的基体用纸通过在纸浆中加入添加剂，并通过浸渍和表明涂附处理，使纸张到达了砂带的要求；布基砂带中的棉纤维随着化工技术的发展逐渐被聚酯纤维和尼龙纤维所代替，特别是聚酯纤维由于它的断裂强度高、耐热耐水性好、耐磨性优良已经成为重负荷砂带的优良基体，国外最新出现的聚酯超强化薄膜基金刚石砂带、电镀金刚石或CBN的金属基砂带、铜与纤维复合基金刚石砂带等产品，在加工非金属材料（陶瓷和硅晶体等）方面呈现了优异的磨削性能。由于我国国产纸强度、均匀性、耐水性等方面达不到砂带生产要求，因此我们进一步开展在这方面的研究是很有意义的。②合成浆料的应用和开发

随着高分子材料工业的发展，利用人工合成的浆料如丙烯酸乳液与水溶性酚醛树脂浆料、丁苯胶乳液与水溶性酚醛树脂浆料、PVA溶液和聚醋酸乙烯乳液浆料、抗静电浆料等等都被国外较好地应用到了砂带生产的人工合成浆料当中，我国尽管有一些应用，但在工艺上与国外比起来差距也不小。

③粘结剂的应用与开发

高分子粘结剂的应用和发展促进了砂带磨削的发展和进步，特别是强力磨削在干、湿磨条件的性能与砂带所使用的粘结剂密切相关，国产砂带使用寿命短的很大一个因素就是粘结剂问题，因此有必要对砂带使用的粘结剂如水溶性酚醛树脂、水溶性脲醛树脂、水溶性醇醛树脂、水溶性白乳胶、油溶性醇醛酸清漆及环氧树脂等进行在耐水性、耐油性、耐热性等的改性研究和试验，彻底地提高我国的砂带品质。

④磨料的应用与开发

随着砂带磨削的加工对象不断扩展，传统的磨料已经不能满足要求了，近年来随着工艺的改进,锆刚玉磨料和SG(微晶结构烧结陶瓷磨料)等已经成为在砂带磨料里面的重要发展方向。原美国Norton公司（现已属于法国圣哥班集团）最近又推出了SG磨料的第二代产品（TG磨料），它保留了SG的特点，在磨料形状上作了新突破，它有很细的棒状晶态结构，适用于缓进给磨削及加工镍铬铁和钛合金等难加工材料。据报道，TG磨料的材料去除率为锆刚玉的4倍以上，寿命为刚玉的10倍以上。世界各大砂带生产厂商都有自己的锆刚玉磨料和SG磨料的砂带，而国内这方面还出处于试制和起步阶段。我们应该在这方面引起重视并发展具有自主知识产权并与此相关的复合磨料、堆积磨料砂带。

⑤砂带表面涂层的应用与开发

近年国外出现了一种经表面涂层处理过的超涂层砂带，其构成除了基材、磨料、底胶和复胶外，还再涂了一层具有特殊功能的涂层，它使得砂带具有特殊的使用性能，如阻止磨屑与工件的再焊或磨粒的粘结，降低磨削界面剪切力、减少磨料磨损、消除静电吸附、防止砂带填塞、增加磨削表面散热、提高砂带切除率等等。这对磨削不锈钢、钛合金等难磨材料有特殊的优越性。但我国在这类特殊砂带的开发上还基本处于空白，此类砂带国内使用上完全依赖进口。因此，我们应该在这方面引起重视。

另外面对激烈的国内砂带市场竞争，作为国内的砂带生产企业在不断自身加大研发产品力度、提高产品质量及积极开拓市场的同时，还应该积极加强与国内各砂带制造企业以及国外知名砂带制造厂商的交流合作，主要体现在技术能力的研究与合作，新产品开发中技术的获取与运用，技术在价值链中的运用和技术营销等几个方面。

1.4.3砂带磨床的现代设计与制造的技术研究

随着信息与自动化技术的日新月异，传统的砂带磨床的设计及制造技术也在改变，尤其面对全球化、交货期与产品生命周期不断缩短、技术集成（CAD/CAPP/CAM/CAE、PLM、DFX、TQM、AM、CE、ERP等）的主要趋势，这些使得我国的砂带磨床的设计与制造处于一个动荡的技术环境中，具体来说我们需要在以下几方面进行加强和改善:①砂带磨床单元部件研究

开展对高精度、高刚性、高速度、高稳定性的主轴系统和并联砂带机床结构研究，进行高刚度、高稳定性、高耐磨性的支撑部件，精密导轨副，进给反馈系统，磨削变形控制补偿技术，机床的高刚性、高重复定位精度和高分辨率技术及对环境不产生污染的磨削液（冷却剂）或者新的冷却方法及冷却装置等方面的研发。

②砂带磨床的现代设计及制造技术研究

将砂带磨削机理研究和CAD/CAE/CAT技术结合建立砂带磨削基础研究的新理论体系、设计准则和判据，对磨削过程的磨粒与工件的相互作用（力、热等）及工艺参数进行计算机动态测试、仿真及优化；利用有限元方法及测试技术对砂带磨床及其磨削主轴进行动力学、温度场、噪音控制等的分析、仿真、测试及验证，解决高速重载磨削条件下对砂带磨削机床的关键部件、主轴系统和进给系统的优化设计问题；同时开展对砂带磨床的并行设计、可靠性设计、健壮性设计、六西格马设计、绿色设计、虚拟样机设计及PLM技术集成的开发与研究工作，提高我国砂带磨床的设计与制造的品质，缩短其进入市场的周期。

③砂带磨削装备的柔性化及自动化

高速、超高速及精密方向作为砂带磨削技术的主要发展方向，要求机床控制系统和数字伺服驱动系统的控制精度，动态响应特性都很高，因此加强对高精度数控系统和伺服驱动系统的研发，通过对磨削加工过程自动实时监控系统的研究，解决磨削过程中信号识别、信息采集、数据处理、反馈控制等技术，从而实现高效、高精度磨削砂带磨床的自动化。在此基础上进行砂带磨削设备系统化设计与制造，开发CNC砂带磨削机床、砂带磨削机器人、并联机构数控砂带磨床、砂带磨削FMS等，实现我国砂带磨削设备的柔性化及自动化。

1.4.4砂带磨削的高效与精密加工技术研究

砂带磨削目前正沿着强力、高速、高效和精密方向发展。高效强力砂带磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展很快,如德国的Aachen大学、Bremm大学、美国Connecticut大学等,据报道，目前砂带磨削在德国最高线速度接近100m/s。美国EmersonElectric公司生产的砂带磨床1台可以完成5台铣床的工作量，以往用硬质合金端铣刀加工铸铁轴承体，每件加工时间为4.8min，采用强力砂带磨床，加工时间减少到0.8min，一年可节约加工费4.5万美元。我国对高效强力砂带磨削的研究已有多年的历史,如重庆大学在90年代初中期便进行了50—60m/s的高速砂带磨削工艺实验，但这些高速高效强力砂带磨削技术大多只是实验而已,技术还不够成熟。在实际应用中,砂带线速度Vs一般还是15～40m/s。不过近年国内在高效砂带磨削方面已经获得较大突破，重庆大学对汽车和船用柴油机发动机连杆端面、西气东输石油管道焊缝、核电高压容器、高合金热轧钢管等方面的强力砂带磨削研究，研制了多种高效砂带磨削的成套装备，解决了多个涉及国民经济发展相关的工程技术难题。

目前,国外将砂带磨削用于精密、超精密加工,精度已达微米级,表面粗糙度已达到Ra(0.01～0.025)μm，如日本在90年代初就利用电泳吸附现象研制成功超微磨粒砂带，加工如精密陶瓷、石英、硅片等脆性材料的精度可达十几个纳米，并能实现塑性方式磨削。国内砂带磨削正朝着超精密方向发展,如超声砂带磨削技术,这是一项由清华大学开创的具有世界领先水平的新型精密砂带复合加工方法，该法是将超声振动与开式砂带磨削复合的新工艺，应用这种技术对计算机硬盘进行研抛加工，表面粗糙度可达Ra0.01μm，所用砂带是日本的W3氧化铝磨料的聚酯砂带。在石材表面精密加工方面，广东工业大学采用聚酯膜金刚石微粉涂层砂带对石材加工实现了110光度的表面精密加工精度。1.5、砂带磨削的方法简介如下图1所示，砂带磨削有磨外圆、磨平面、无心磨、支撑板支持砂带磨平面以及自由磨削。2、不锈钢的砂带磨削

不锈钢重要有两种，即奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢，当在钢材中增加肯定数量的铬及镍以后，就造成了奥氏体不锈钢。马氏体不锈钢在淬火温度下是纯奥氏体组织，冷却后得到马氏体组织。各类不锈钢中会依据须要增加肯定合金元素比方钼、钨、钛等，以改良其机械物感性能（高抗侵蚀性、比个别钢材高得多的延长率、端面压缩率、冲击值等）。不锈钢的物感性能与普通钢材也不同，其导热性差，线压缩系数大。正是因为不锈钢具备上述的机械物感性能及化学成分，一切它的切削加工就十分艰难，采取普通砂轮磨削时会涌现很多工艺问题[4]。

正如前面介绍，砂带磨削具备优于砂轮磨削的奇特特征，从而能够战胜砂轮磨削不锈钢存在的问题，砂带磨削效力高，加工外表质量好等特征都能在磨削不锈钢时得到表现。3、星盆数控砂带磨床的控制系统[5][6]数控砂带磨床及自适应技术的应用使得砂带磨削的加工精度和效率有了很大的提高，已经使得砂带磨削精度进入精密和超精密加工行列。星盆的磨削加工就是一个很好的应用。3.1星盆磨削的工艺及运动分析磨边机加工工艺低档星盆通常采用一次冲压成型的工艺。中高档星盆的制造工艺通常是将冲压成型的台面和水槽采用电阻焊接的方法组装在一起，然后打磨焊缝并倒角，最后对水槽进行抛光、清洗并安装附件。传统的焊缝打磨方式为人工手砂轮打磨，劳动条件差、工作效率低。星盆具有冲压成型后存在回弹变形，焊缝的几何尺寸精度不高，对打磨后的边缘的表面要求光滑、平顺、一致的特点。针对星盆的特点，如果按照理论尺寸磨削，势必造成表面质量达不到设计要求。在星盆焊缝误差不均匀的情况下，为了使磨削后的焊缝均匀、一致.采用磨头浮动的方法来跟随星盆焊缝误差。加工过程中必须在磨头上施加一定的浮动压力才能保证磨削的顺利进行[7]。磨头的浮动压力由比例阀给定，通过调整气缸内的气压来控制磨削压力。随着砂带的使用砂带上的磨粒逐步钝化，磨削效率和所磨削产品的质
量也逐渐降低。为了保持产品的一致性需要不断增加磨削压力,每磨削一个星盆增加一定磨削浮动压力。当砂带的使用寿命达到使用极限,机床自动回到方便操作者更换砂带的位
置,并提醒操作者更换砂带。砂带的使用寿命通常设定为每根砂带能磨削的工件个数。根砂带能磨削的工件个数通过使用不同粒度的砂带实现粗加工及精加工，粗磨采用40号砂带，精磨采用100号砂带。首先进行粗磨，此时粗磨接触轮落下，精磨砂带