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湖 南 科 技 大 學
瀟湘學院畢業(yè)設計（論文）
題目
臥軸矩MK7120型精密數控平面磨床砂輪架及其垂直進給機構及砂輪修整器設計
作者
周佳偉
學院
瀟湘學院
專業(yè)
機械設計制造及其自動化
學號
1053010516
指導教師
鄧朝暉
二〇一四 年 六 月 一 日
湖 南 科 技 大 學
瀟湘學院畢業(yè)設計（論文）任務書
機電工程 系 機電 教研室
教研室主任: （簽名） 2014 年 2 月 27 日
學生姓名: 周佳偉 學號: 1053010516 專業(yè): 機械設計制造及其自動化
1 設計（論文）題目及專題： 臥軸矩MK7120型精密數控平面磨床砂輪架及其垂直進給機構及砂輪修整器設計
2 學生設計（論文）時間：自 2014 年 2 月 25日開始至 2014 年6 月 4 日止
3 設計（論文）所用資源和參考資料：
1）CAD制圖軟件
2）機械設計手冊
3）相關參考文獻
4 設計（論文）應完成的主要內容：
1) 磨床的總體布局設計；
2) 砂輪架設計計算，繪制砂輪架機械結構裝配圖；
3）砂輪架垂直進給機構的設計，伺服電機和滾珠絲杠副設計計算，繪制垂直進給機構結構裝配圖；
4）砂輪修整器設計，繪制機械結構裝配圖；
5）磨床數控系統(tǒng)設計和選用；
6）撰寫畢業(yè)設計說明書。
5 提交設計（論文）形式（設計說明與圖紙或論文等）及要求：
提交畢業(yè)論文說明書；
總工作量折合A0圖紙2.5張以上。
6 發(fā)題時間： 2014 年 2 月 27 日
指導教師： （簽名）
學 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學
瀟湘學院畢業(yè)設計（論文）指導人評語
[主要對學生畢業(yè)設計（論文）的工作態(tài)度，研究內容與方法，工作量，文獻應用，創(chuàng)新性，實用性，科學性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價]
指導人： （簽名）
年 月 日
指導人評定成績：
湖 南 科 技 大 學
瀟湘學院畢業(yè)設計（論文）評閱人評語
[主要對學生畢業(yè)設計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內容與方法，實用性與科學性，結論和存在的不足等進行綜合評價]
評閱人： （簽名）
年 月 日
評閱人評定成績：
湖 南 科 技 大 學
瀟湘學院畢業(yè)設計（論文）答辯記錄
日期：
學生： 學號： 班級：
題目：
提交畢業(yè)設計（論文）答辯委員會下列材料：
1 設計（論文）說明書 共 頁
2 設計（論文）圖 紙 共 頁
3 指導人、評閱人評語 共 頁
畢業(yè)設計（論文）答辯委員會評語：
[主要對學生畢業(yè)設計（論文）的研究思路，設計（論文）質量，文本圖紙規(guī)范程度和對設計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價]
答辯委員會主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
摘 要
隨著數控磨床的發(fā)展，磨床在加工機床中占有的比例越來越大。磨削技術也逐漸在制造業(yè)中占據了及其重要的位置。本文由緒論、磨床總體布局設計、砂輪架、砂輪架垂直進給機構的設計、伺服電機和滾珠絲杠副設計計算、砂輪修整器、數控系統(tǒng)的選用、總結和致謝幾個部分組成。目的是設計一臺精密數控平面磨床，用于機械制造業(yè)及模具制造行業(yè)，能加工各種難加工材料。緒論部分闡述了磨床的背景和國內外的發(fā)展現狀，通過查找資料、討論和計算確定磨床的總體布局設計；參考大量資料后，確定了砂輪架的主軸和電機的設計；在指導老師的幫助下，參觀工廠實物確定砂輪修整器為制動式砂輪研磨修整法；最后做了控制電路的設計。最后，通過總結對設計做了一個回顧，并對高精密數控平面磨床做了展望。
關鍵詞：磨床；砂輪架；垂直進給機構；砂輪修整器
Summary
With the development of CNC grinding machine, grinding machine tool occupies in the proportion is growing. Grinding technology is gradually occupied in manufacturing and its important position. This design by the introduction, grinders overall layout,wheel frame,wheel frame vertical feed mechanism design,servo motor and ball screw design calculations, selection of Dresser,CNC system,consisting of a summary and thank several parts.Purpose is to design a precision CNC surface grinder, used in machinery manufacturing and mold manufacturing industry, can process a variety of difficult materials. Introduction section explains the background grinder development status at home and abroad, through to find information, discussions and calculations to determine the overall layout design grinder; reference lot of information to determine the grinding wheel spindle and motor frame design; In the instructor's help,visit the factory to determine the kind of braking style dresser grinding wheel dressing method;finally made the design of the control circuit.Finally, a summary of the design to make are view, and high-precision CNC surface grinder put forward.
Keywords: Grinder; wheel frame; vertical feed mechanism; Dresser
vi
湖南科技大學瀟湘學院本科生畢業(yè)設計（論文）
目 錄
第一章 緒論…………………………………………………………………..…...............1
1.1 課題背景目的………………………………………………………………….… 1
1.2 國內外發(fā)展概況………………………………...……………………..………….2
1.2.1 國內外發(fā)展現狀………………………………………………….……2
1.2.2 國內外發(fā)展趨勢………………………………………………….……3
1.3 課題的研究方法…………………………………………………………….…….4
1.4 設計任務與論文構成……………………………………………………….…….5
1.4.1 論文的構成…………………………………………………………….5
1.4.2 設計研究的內容………………………………………………….……5
1.5 設計的主要技術參數……………………………………………………………………....6
第二章 總體設計 …………………………………………………….………......….....7
2.1 總體布局的設計 …………………………………….…………………………...7
2.2 運動形式的設計 ………………………………………………………...........….8
第三章 砂輪架的設計 ……………………………………………………………… ..9
3.1 主軸的設計及校核… ………………………………………………………………….…. .9
3.1.1 主軸的設計 ……………………………………..…..…..…..…..…..…..…..….9
3.1.2 主軸的剛度校核………………………………..…..…..…..…..…..…..…..… 11
3.2 軸承的設計 ……………………………………....…………………………………..…...14
3.3 主軸電機的選擇 …… ………………………………………………………….. 15
3.4 聯(lián)軸器的選擇........………………………………………………………………..15第四章 垂直進給機構的設計 ………………………...…….…………………........17
4.1 磨削力的計算 ........................................................................................................17
4.2 垂直進給機構布局設計 ........................................................................................20
4.2.1 進給系統(tǒng)應滿足的要求 .........................................................................20
4.3 垂直進給驅動伺服電機的選擇 ............................................................................21
viii
湖南科技大學瀟湘學院本科生畢業(yè)設計（論文）
4.4 垂直方向滾珠絲杠的設計 ......................................................................................21
4.4.1 滾珠絲杠的計算 ............................................................................................21
4.2.2 滾珠絲杠副設計使用中應注意的問題 .....................................................25
4.5 直線導軌的設計與選擇 ..........................................................................................26
4.5.1 導軌應滿足的要求 .....................................................................................26
4.5.2 直線導軌的選擇 .........................................................................................26
第五章 制動式砂輪修整器的設計 .………………………………….…..............27
5.1 砂輪的修整方法和原理……………….....................................................................27
5.2 制動式砂輪修整的結構特點與修整原理 ................................................................27
5.3 制動式砂輪修整切入式的修銳效果 ........................................................................27
5.4 主軸功率的計算 ........................................................................................................28
5.5 砂輪電機的選擇 ......................................................................................................28
5.6 聯(lián)軸器的選取 ..........................................................................................................29
5.8 軸承的設計 ..............................................................................................................30
5.9 制動式砂輪修整器結構設計 .................................................................................31第六章 數控系統(tǒng)的設計 .............................................................................................32
6.1 數控系統(tǒng)的概述 ....................................................................................................32
6.2 數控系統(tǒng)的選擇……………………………………………………………….....32
第七章 結論 ....................................................................................................................34參考文獻 ...........................................................................................................................35
致謝 ..................................................................................................................................36
第一章 緒論
1.1 課題背景
隨著科學技術的發(fā)展，電子計算機、原子能、激光、宇航和國防等技術部門對零件的加工精度和表面質量要求越來越高。尤其是高檔汽車發(fā)展的需要和芯片產業(yè)的不斷膨脹和升級，對加工精度和質量不斷提出新的要求，也不斷促進了機械加工行業(yè)的發(fā)展。精密加工技術的研究及應用水平已成為衡量一個國家的機械制造業(yè)乃至整個制造業(yè)水平的重要依據。各國，特別是工業(yè)發(fā)達國家對精密加工技術極其重視，投入了大量的資金對其進行研究，以保證其尖端技術產品處于國際領先地位，提高其產品在國際中的競爭力。
此外，現代機械工業(yè)之所以致力于提高零件加工精度，其主要原因還在于：
1. 提高零件的加工精度，可提高產品的性能和質量，提高產品的穩(wěn)定性和可靠性。英國Rolls-Royce公司的 資料表明，將飛機發(fā)動機轉子的加工精度由60um提高到12um，加工表面粗糙度由Ra0.5um減少到Ra0.2um，則發(fā)動機的壓縮效率將從89％提高到94％。20世紀80年代初，前蘇聯(lián)從日本引進了四臺精密數控銑床，用于加工螺旋槳曲面，使其潛艇的水下航行噪音大幅度下降，即使使用精密的聲納探測裝置也很難發(fā)現潛艇的行蹤，此事震驚了西方的國防部門。
2. 提高零件的加工精度可促進產品的小型化。傳動齒輪的齒形及齒距誤差影響了其傳遞扭矩的能力。若將該誤差從目前的3—6um降低到1um，則齒輪箱單位重量所能傳遞的扭矩將提高一倍，從而可使目前的齒輪箱尺寸大大縮小。IBM公司開發(fā)的磁盤，其記憶密度由1957年的300bit/cm提高到1982年的254萬bit/cm，提高了近一萬倍，這在很大程度上應歸功于磁盤基片加工精度的提高和表面粗糙度的減小。
3. 提高零件的加工精度可增強零件的互換性，提高裝配率，促進自動化裝配應用，推進自動化生產。自動化裝配是提高裝配生產率和裝配質量的重要手段。自動化裝配的前提使零件必須完全互換，這就要求嚴格控制零件的加工公差，從而導致零件的加工精度要求極高，精密加工成為可能[1]。
精密機床是實現精密加工的首要基礎條件，隨著加工精度要求的提高和精密加工技術的發(fā)展，機床的精度不斷提高，精密機床獲得了迅速的發(fā)展。
二戰(zhàn)后，為了滿足國防工業(yè)和尖端技術發(fā)展的需要，美國首先發(fā)展了金剛石刀具精密切削技術，并為此發(fā)展了空氣軸承的高性能精密車床。50年來，美國在這方面投入了大量的財力、人力和物力，并研究開發(fā)了超精密切削機床。超精密機床是綜合性新技術的 結晶，它綜合應用多項近代新技術于精密機床，使精密機床產生質的飛躍。近年來，精密和超精密技術在民用產品中亦得到廣泛的應用，如加工計算機磁盤，復印機的硒鼓，錄像機磁鼓，激光打印機的多棱鏡等。
我國精密和超精密機床的生產和研制起步比較晚，和國外的差距較大。由于涉及到許多保密技術，從國外引進超精密機床受到限制，我們必須加大力度研制性能更優(yōu)越的超精密機床，為國防工業(yè)、尖端技術的發(fā)展創(chuàng)造條件。
據歐洲機床展覽會（EMO）的調查表明：25%的企業(yè)認為磨削是他們應用的最主要的加工技術，車削只占23%，轉削占22%，其它的占8%；由此可見，在精密加工當中，有許多零部件是通過精密磨削來達到其要求的，而精密磨削加工需要在相應的精密磨床上進行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。而磨床在企業(yè)中占機床的比例高達42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%[2]。而在這一大批的磨床中仍有不少是低端產品，很難適應機械行業(yè)快速發(fā)展的需求。尤其是在國內，這種情況就是更加嚴重，并且大多數磨床并沒有實現數控化。加上我國汽車行業(yè)不斷升溫，芯片行業(yè)也開始成長，此外，為了提高產品的性能，一些新材料也涌現出來，難加工的脆硬材料也開始增多，以及一些磨削研究的需要。這一系列的情況都要求我國研究適合國情的高精度磨床。
1.2國內外數控平磨發(fā)展概況
充分的了解國內外在磨床領域的發(fā)展狀況能對本次設計有很大的幫助，不僅能加深對本次設計的興趣，并且在其中也能接觸到大量的各種磨床，有許多磨床的結構和原理在本次設計中是很有參考價值的,它們對本次設計有很大的啟發(fā)。
1.2.1國內數控平磨發(fā)展狀況
目前有四個國際機床展覽會，其中一個就是在中國，因此可以看出中國在機床行業(yè)的地位也是不可忽略的。雖然我國的工業(yè)起步較晚，各類基礎技術和知識都不是很成熟，制約了我國磨床產業(yè)的發(fā)展。必須承認我國在磨床領域與德國、日本和歐洲等國家有很大的差距，尤其是一些核心技術有待我們去研究。我國現在的磨床生產主要還是放在學習階段，不斷的引進先進的磨床設備進行消化吸收開發(fā)自己的產品。但這也并失為一個較好的方法，日本成功的經驗也使我們看到了希望。要發(fā)展磨床不單單是只發(fā)展磨床就可以的，它是一個復雜的機電產品，能很好的代表國家在機電行業(yè)的發(fā)展水平，尤其是數控技術的出現更是要求國家綜合科技實力的提高。
我國從80年代開始生產數控平面磨床，各開發(fā)廠家分別走過了自行研制，與大學及科研單位合作開發(fā)至直接引進成熟數控系統(tǒng)的發(fā)展道路。例如：杭州機床廠是一家具有五十年歷史，專業(yè)生產平面磨床的制造廠，它從80年代中期開始生產數控平磨，先后開發(fā)生產出各種型號的平面磨床,同時國內也涌現出了一些很有實力的磨床廠家，比如說有：天津津醫(yī)數控磨床有限公司，西安第三機床廠、廣西桂北磨床廠、南通機床股份有限公司還有浙江的榮德機械有限公司。尤其是杭州機床廠擁有相當的實力，一直是磨床領域的領軍廠家，它通過不斷的引進國外先進磨床進行消化，在制造方面有了自己的一些獨到之處，尤其是該公司較高的性價比很受國內的歡迎。尤其是在今年北京的國際機床展覽會上展出的一臺MGK7350型數控高精度臥軸圓臺平面磨床，該磨床采用了中腰立柱移動作橫向進給，床身機構剛性好，磨削工作平穩(wěn)，在機構上有了很好的創(chuàng)新，緊跟國際趨勢。此外，這臺磨床的加工表面粗糙度達到了Ra0.08，這是一個較高的精度等級了。
其實在國內的磨床最高水平還是在臺灣，由于臺灣跟國外一些先進廠家接觸較早也較多，因此，已掌握了相當部分的核心技術，自己的產品也很有自己的特色，也受到國際上的歡迎，產品也大量出口。臺灣的主要廠家有：福裕公司、建德（KENT）公司及縱程公司。尤其是福裕公司成立1978年，是臺灣最大的高精度平面磨床生產廠，在國際上也是較為著名的平磨生產廠，該公司出口的磨床在臺灣全部磨床出口的一半，尤其是“Chevalier”品牌在歐美等地有較高知名度。該公司設計的磨床外形美觀，色彩搭配很好，令人賞心悅目，很受大陸市場歡迎，最近在上海設廠就地生產，這對我國磨床發(fā)展和合作無疑是一個很好的機會和平臺。
在磨床的核心部分——數控系統(tǒng)，在國內也有一些公司正在研究，也有一些產品問世，雖然在功能和性能上和國際著名廠家的產品有很大的差距，但在一些要求不是很高的機床上也有使用。相信通過我們的努力一定會在這個領域有新的進步，不斷學習，不斷探索，不斷研究，我國的磨床事業(yè)一定會上到一個新的臺階。
1.2.2國外數控平磨發(fā)展趨勢
數控平面磨床由于對數控系統(tǒng)的特殊要求而相對于數控車床、銑床等的發(fā)展較晚。近十幾年來，借助CNC技術，磨床上砂輪的連續(xù)修整，自動補償，自動交換砂輪，多工作臺，自動傳送和裝夾工件等操作功能得以實現，數控技術在平面磨床上逐步普及。
前幾年德國ELB公司生產的BRILLIANT系列二坐標CNC成型磨床，其垂直和橫向為數控軸，縱向為液壓控制，砂輪修整采用安裝在工作臺上的金剛石滾輪，適用范圍較廣；同時ELB公司開發(fā)了具有當代最新技術的磨床產品，即以機電一體化和計算機技術為基礎的CAM-MASTER系列柔性磨加工單元，CAD-MASTER系列和COMPACT-MASTER系列磨削加工中心，控制軸最多可達到24軸. 英國JONES&SHIPMAN公司與美國A-B公司開發(fā)了A-B8600數控系統(tǒng)用于FORMAT5型數控平磨，由CNC控制液壓閥，驅動縱向可調速運動，橫向與砂輪架進給用滾珠絲杠副，直流伺服電機驅動，間斷式砂輪修整，CRT圖形模擬顯示。美國ALLEY-BRANDLY公司生產的8400CNC、8600CNC數控系列，適用于車床、銑床和磨床，其8400CNC最多可控制6根伺服軸，任2軸可進行圓弧插補，任3軸可進行螺旋線插補，6軸直線插補。8600CNC系列最多能控制17個坐標，包括8個參與插補軸，8個位控制軸及1個主軸，具有圖形顯示，擴展分支程序，顯示加工時間，高速程序校驗，刀具壽命監(jiān)測等功能. 日本FANUC公司開發(fā)了OG高速高性能數控系統(tǒng)，其中O-GSG適用于平面磨床，可根據磨削零件不同形狀，有四種不同的磨削方法，具有砂輪軸角度傾斜控制功能，荒磨、粗磨、精磨、無火花磨削一整套磨削循環(huán)，砂輪滾壓修整后位置補償功能，修整器相對于被修整輪法線方向控制功能，修整滾輪外緣圓弧半徑補償功能，砂輪形狀圖形顯示功能及磨削參數顯示等，系統(tǒng)最小設定單位0.1μm，屬“緊湊”型數控系統(tǒng)，價格較低。
在近年漢諾威、東京、芝加哥及國內等大型機床展覽會上，CNC磨床在整個磨床展品中已占大多數，如德國BLOHM公司，ELB公司等著名磨床制造廠已經不再生產普通磨床，日本的岡本、日興等公司也成批生產全功能CNC平磨，在開發(fā)高檔數控平磨的同時，積極發(fā)展中、低檔數控平磨。不久前在美國芝加哥舉行的國際制造技術展覽會（IMTS）上有20多家平磨專業(yè)生產廠的60多臺平面磨床以平磨實物形式參展，包括了歐、美、日及我國的主要平磨制造廠。此次參展的平面磨床有著很大的特點，由此也可以得出今后平面磨床的發(fā)展趨勢。
主要特點有：
1. 從規(guī)格上看，以小型平磨為主，小規(guī)格機床的運輸及布展比較方便；國外平磨不分普通、精密、高精度的精度等級，相對小規(guī)格機床，精度容易做得很高；在國際市場上，中、小規(guī)格平磨的潛在需求很大。
2. 從控制上看，由于技術水平的發(fā)展導致功能變化，平磨已從傳統(tǒng)的平面磨向成形磨轉變，常規(guī)控制已難以實現功能的要求。數控平磨已形成一個市場潮流。
3. 從功能上看，平磨不僅僅用于水平平面加工，而且轉向成形、臺階、切入、快速抖動、三維空間曲線等表面磨削加工，如ELB、BLM公司以平磨為基礎變化而成的五軸聯(lián)動磨削中心，可實現非平面型復雜曲面的磨削；Unison、Trutech公司的柔性磨削系統(tǒng)，可實現成形、無心、外圓、工具、輪廓等磨削工藝；還有裕福、Parker公司等的快速抖動磨等，反映出平磨是磨床類機床中演變潛力最大的一種機型[3]。
未來平磨發(fā)展的根本在于設計創(chuàng)新：平磨是磨床類機床中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮臋C床，在完成傳統(tǒng)的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、臺面、砂輪架等大件為基礎，可以演變成外圓、曲線、工具、無心等磨床。我國應在完成平磨規(guī)格系列的完善后，跳出傳統(tǒng)的平面磨削的思維轉到曲線或輪廓等非平面磨削加工的思路上去進一步發(fā)展，形成具有我們自己特色的技術和產品。
模塊化設計將是貫穿產品設計全過程的一條主線，無論是機床技術發(fā)展的潮流還是市場競爭的要求；無論是降低成本的需要，還是提高產品質量的需要，都要求我們在今后產品的開發(fā)設計中，切實做好模塊化設計工作。
世界機床工業(yè)的發(fā)展，根本一點是設計創(chuàng)新理念的發(fā)展，根據傳統(tǒng)的金屬切削原理，用一種全新的現代設計理念，結合先進的控制技術，正在推動機床技術發(fā)生重大變化。
1.3 課題研究方法
本課題主要是通過一系列的設計，使大學四年學習的知識能有一個綜合的復習和運用，也能提高自己在設計方面的能力。為了完成本次設計采用的方法主要是通過所學的知識進行設計、計算以及校核。通過參考有關的書籍，了解磨床的工作原理，以及在設計過程中應當注意的事項，尤其是如何保證設計的磨床有較高的精度以及精度保持性。在參考一系列的書籍是也可以綜合各類精密機床中運用的一些較好的機構和設計理念。上網和查閱相關的資料，充分的了解磨床的發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢，尤其是了解一些國外先進的磨床廠家生產的磨床，這些產品中有許多巧妙的設計可以運用到本次設計中來。
除了參考一些資料和書籍外，還可以參觀磨床實物充分的了解磨床各個部分的組成和一些細節(jié)，能進一步的了解磨床。主要是在學校實驗室參觀的那臺磨床——杭州機床廠生產的MGK7125。
1.4 論文的構成及研究內容
合理的組織設計的機構不僅在設計中能使得設計結構清晰，在設計中事半功倍，并且在以后的后續(xù)工作中也方便進行修改，不會沒有混亂，也便于閱讀者能很好的了解論文的內容。
1.4.1論文的構成
本論文主要包括了最前面的目錄，然后就介紹在國內外與MGK7125相關的發(fā)展狀況和趨勢。在設計的過程中，先進行了總體設計和布局，為后面的設計理清思路。接下來是詳細設計，主要包括了砂輪架的設計，砂輪架垂直進給機構的設計，伺服電機和滾珠絲杠副設計計算，砂輪修整器的設計，最后是數控系統(tǒng)的選取。在砂輪架的具體設計中又包括了主軸的設計，軸承的選用以及主軸驅動電機的選用，砂輪修整器的設計則主要包括了聯(lián)軸器和電機的設計計算。在論文的最后還有在這次設計中的一些總結和展望，在本設計中對有過幫助的老師和同學表示感謝的言辭。在最后就是在設計中的主要參考文獻。
1.4.2 設計研究的內容
本設計要求設計一臺精密數控平面磨床MGK7125，用砂輪周邊磨削平面，也可以磨削臺階平面。能用于機械制造業(yè)及工具模具制造行業(yè)，能加工各類難加工材料。主要的設計內容有：
（1） 確定磨床的總體布局方案；
（2） 砂輪架（砂輪架）設計計算，繪制砂輪架機械機構裝配圖；
（3） 砂輪架垂直進給機構的設計，伺服電機和滾珠絲杠副設計計算；
（4） 砂輪修整器的設計；
（5） 數控系統(tǒng)的選??；
通過本次設計能夠很好的綜合大學所學的知識，提高本人運用參考資料的能力、繪圖能力、獨立設計能力以及團隊合作能力，對自己有一個全方位的提高。
1.5 設計的主要技術參數
1. 磨床主要規(guī)格
工作臺面尺寸（寬長）：200500（630）
2. 加工范圍
可磨削最大工件尺寸（寬長高）：200500（630）360
3. 工作臺
工作臺縱向移動速度（無級）：
工作臺橫向自動進給：連續(xù)（無級）：
斷續(xù)（無級）：/工作臺一行程
4. 砂輪架
砂輪架垂直快速升降速度：，垂直自動進給：，最小進給量：，砂輪尺寸（外徑寬內徑）Φ20020Φ32，砂輪轉速
5. 加工指標
磨削表面粗糙度，加工后表面對基面的平行度為300：0.002.
第二章 總體設計
本畢業(yè)設計的任務是完成一臺精密數控平面磨床，主要是完成該磨床的機械和電氣部分的設計，對于數控部分則選用著名公司的成熟產品。為了很好的組織和完成以后的設計工作，總體設計起到的很好的引導作用，是設計過程中必不可少的一部分。
2.1 總體布局的設計
很好的進行總體布局設計并不是一件多余的事情，這不但能很好的節(jié)余有限的車間空間，并且有很好的美學效果，在商業(yè)競爭中也是一個較強的競爭點。此外，合理的利用人機工程使得產品更為舒適，更受到歡迎。
磨床的幾個大的部件有：砂輪架,立柱,前床身,后床身,工作臺,數控系統(tǒng)面板,電控柜,油箱,潤滑液回收箱等。在布局的過程中不僅要考慮到緊湊，還要考慮到美觀以及操作者操作起來方便。其主要部件的布置情況如圖2.1所示[4]：
圖2.1 磨床總體布局圖
2.2 運動形式的設計
精密數控平面磨床要順利的完成磨削過程，除了砂輪的轉動外，還要完成三個方向的進給運動，即垂直進給，橫向進給和縱向進給。而這三個方向的進給形式也有多種選擇：（1）工作臺完成橫向和縱向的進給，而砂輪架則只完成垂直方向的進給；（2）砂輪架完成橫向和垂直方向的進給，工作臺只完成縱向的進給；（3）工作臺不移動，橫向和縱向的運動都由立柱來完成，垂直方向進給運動由砂輪架來完成；（4）縱向運動由工作 臺完成，橫向運動由立柱完成，而垂直進給則由砂輪架來完成，該運動實現形式又叫中 腰立柱移動式。這幾中運動實現形式各有各的長處和不足。第一種形式比較傳統(tǒng)，技術比較成熟，并且實現起來比較簡單，設計中不存在太大的技術冒險，并且設計可參考的信息較多，設計周期也較短，能很好的實現市場響應設計。同時這種形式也存在一些不足之處，比如說這種形式的磨床的整體剛性不是太好，因而對零件的加工精度有一定程度的影響。因此，這種形式用與本設計的高精度磨床不是太適合。第二種形式雖然在結構上 有了一定的改變，但砂輪和電機的轉動引起的振動會對磨床的精度有一定的影響，也不是很適合本設計的一種運動實現形式。第三種形式雖然提高了磨床的整體剛性和運動的穩(wěn)定性，但這種形式的運動件的質量太大，在這種情況下，不僅對能源是一定的浪費，而且響應的速度會大大降低，這樣得來一定的精度提高的成本太高，在大多數不是特別高的精度場合不是常采用。而第四種形式則有效的綜合了第二種和第三中的特點，使其優(yōu)點得到了更好的發(fā)揮，雖然在精度上沒有第三種那樣高，但運用在本設計中已經是足夠了。除此之外，這種運動形式使運動范圍限定在較小的空間內完成，有效的減少了占地面積。這一優(yōu)點在現代加工中有著非常大的意義，不但能很好的減少廠房面積，節(jié)約資金，并且有利于機床的布局，對加工物流也是非常重要的。因此，第四種的這種形式有較高的綜合效益，也逐漸在各類磨床中采用，并得到了消費者的認可。在本設計中，基于老師的要求，進行第一種形式的設計。
由于該設計要求達到較高的精度等級，因此，各個方向的進給的具體實現都是通過滾珠絲杠傳動來實現的。之所以在縱向上放棄傳統(tǒng)的液壓驅動的主要原因是縱向運動在進行較小的進給時會出現爬行現象，這對于磨削的精度有很大的影響。用伺服電機驅動滾珠絲杠替代了液壓驅動后不僅消除了爬行現象，并且去除了液壓系統(tǒng)，使得機構更進一步的簡化，使得磨床更加緊湊，這種運動實現形式的優(yōu)點得到了更好的發(fā)揮。由于橫向和垂直方向的精度要求較高，在這兩個方向的實現形式自然要采用伺服電機驅動滾珠絲杠完成。因為滾珠絲杠不僅加工精度很高，能提高傳動精度，并且滾珠絲杠的一些巧妙設計很好的消除了回程誤差，這對精度的提高也是有很大的意義。所以在一些高精度的機床設計中都采用這種驅動形式，也帶動了這方面的廠家不斷出現和提高，能廣泛的提供這方面的產品以適應各種設計，也有不少的配套產品，這對于設計提供了很好的幫助。
第三章 砂輪架的設計
砂輪架的設計在磨床的設計中是非常重要的一部分，尤其是砂輪架的旋轉平穩(wěn)性，主軸的剛性以及主軸驅動電機的動平衡都會對磨削的精度有很大影響。因此合理的砂輪架設計對達到磨削精度有很大的意義，尤其是主軸的設計和合理電機的選擇，具體的設計過程如下：
3.1 主軸的設計及校核
主軸是磨床中非常重要的零件，它對磨削的精度。求量和平穩(wěn)性都有較大的影響，因此要對他的強度剛度等一系列的質量和平穩(wěn)性都有較大的影響，因此要對它的剛度有較高的要求。
3.1.1 主軸的設計
1. 磨削力的計算
要進行合理的結構設計，必須得先了解各個方向最大磨削力的大小。在磨削過程中縱向和垂直方向的磨削力較大，對磨削精度的影響也較大，也是各個零件尺寸和結構設計的基礎。此外，為了合理的選擇主軸電機，首先也得計算出磨削情況下可能的最大磨削力。
（1）由一個平面磨削力的經驗計算公式得[5]：
（3.1）
其中：——磨削過程中的最大切向磨削力（N）；
——垂直方向的進給量（mm）；
——縱向進給量（mm/min）；
——砂輪轉速（m/s）。
（3.2）
由設計的參數要求可知：=0.02，=25；由于電機轉速為3000r/min，砂輪尺寸(外徑╳寬╳內徑)φ200╳20╳φ32，因此s不變，=s
（3.3）
其中：——砂輪線速度（m/s）；
——電機轉速（r/min）；
——砂輪外圓直徑（mm）。
=s ，即=31.4，所以
（N.m）
磨削經驗表明法向磨削力跟切向磨削力的大小存在一個比值（）,磨削普通鋼料時的取值范圍為1.6~1.8，磨削陶瓷時的取值范圍為3~22。綜合考慮各方面的因素，磨削普通鋼料時取=1.6，磨削陶瓷時取=20。則磨削普通鋼料時的法向磨削力的最大值為：
（2）由陶瓷磨削力的經驗計算公式（該公式應用了最小二乘法線性回歸求出的各種陶瓷的單位磨削力的經驗公式）[6]得：
對于陶瓷：
=8.20148N/mm
=1.05372566N/mm
=164.0296 N =21.0745 N
對于陶瓷：
=7.82616N/mm
=1.0777553N/mm
=156.5232 N =21.555 N
所以，綜上所述得：
104.41N
（N.m）
2. 主軸的設計
由以上計算結果可知該磨床設計的主軸轉速為3000r/min,砂輪線速度為s （m/s），由此可計算出磨削的最大功率為：
（3.4）
kw
考慮到傳動效率和安全系數等因素，可以先暫定電機的額定功率為4000W來進行下面的設計。
根據一個關于軸直徑大小的估算公式：
（3.5）
式中：——設計軸的直徑（mm）；
——一個參考系數，跟材料有關，可查表得
——傳動的最大功率（），取4進行設計；
——主軸的轉速（r/min）。
=13.21
考慮到一定的安全系數和剛度的要求取=20。
3.1.2 主軸的剛度校核
一般來說，如主軸的剛度達到設計要求則其強度一般來說都是滿足要求的，故磨床主軸只進行彎曲剛度和扭轉剛度的校核。
1. 主軸的彎曲剛度校核
由于主軸是階梯軸，不便于計算，為了簡化計算，可以把階梯軸看成是當量直徑的光軸，然后在按照材料力學計算公式計算，以下主軸的設計和校核主要參考文獻[7]。主軸機構如圖3.1所示
圖3.1主軸結構尺寸圖
當量直徑（mm）的計算公式為
（3.6）
式中：——階梯軸第i段的長度（mm）；
——階梯軸第i段的直徑（mm）；
——階梯軸的計算長度（mm）；
——階梯軸計算長度內的軸段數。
將各段的長度和直徑代如（3.15）中
通過簡化后的主軸模型為[8]
圖3.2主軸受力模型圖
如圖所示，位移y對磨削精度的影響最大，其它的位移影響相對很小，因此只需校核y是否符合要求就可以了。
（3.7）
根據資料得：剛度要求較嚴的軸y=0.00028655〈0.067，因此按彎曲剛度校核是符合要求的，那彎曲強度也自然符合要求了，且該變形為彈性變形，經過無火花磨削后不會對精度有大的影響。
2. 主軸扭轉剛度校核
從該主軸的機構上看，該軸的扭轉角度主要由中間一段和兩軸承段的扭轉引起的，為了簡化計算，可以以這三段的情況替代整根軸的情況，并且相差也不是太大。
軸的扭轉變形用每米長的扭轉角（）來表示，對于階梯軸
（3.8）
式中：——軸第i段所受的扭矩（N.mm）；
——軸的材料的剪切彈性模量（MPa），對