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摘 要
設(shè)計的題目是數(shù)控平面磨床設(shè)計，主要用于加工磨削平面，使加工面達(dá)到要求的粗糙度。
本設(shè)計包括機械部分設(shè)計和控制部分設(shè)計，機械部分設(shè)計主要包括：總體設(shè)計、砂輪架（磨頭）設(shè)計、垂直進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計、橫向進(jìn)給（工作臺進(jìn)給）機構(gòu)設(shè)計、縱向進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計?？刂撇糠衷O(shè)計主要包括：硬件電路設(shè)計、液壓系統(tǒng)控制、單片機控制。
緒論部分對精密加工的作用和地位做了介紹，闡述了精密磨削技術(shù)的發(fā)展和背景，同時還有介紹其工藝特點及國內(nèi)外磨削技術(shù)的現(xiàn)狀。
總體設(shè)計跟砂輪架設(shè)計做了簡要的介紹，主要是對垂直進(jìn)給機構(gòu)、橫向進(jìn)給（工作臺進(jìn)給）機構(gòu)設(shè)計、縱向進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計做了詳細(xì)的說明，對硬件電路也做出了研究。
本設(shè)計的特點：所設(shè)計的數(shù)控平面磨床能通過電磁鐵實現(xiàn)自動固定工件，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動磨削。
關(guān)鍵詞：精密，數(shù)控，平面磨床，垂直進(jìn)給機構(gòu)
Abstract
Project topic is the design of CNC surface grinding machine for the processing of grinding surface, so that processing of the required surface roughness.
The design includes the design and control of some mechanical design, mechanical design including: design, wheel frame (grinding) design, vertical feed mechanism design, horizontal feed (table feed) mechanism design, vertical feed mechanism design. Control part of the design including: hardware design, hydraulic system control, microprocessor control.
The preface introduces the background of flat surface grinding, its characteristics and its present situation of development at home and abroad. At the same time, the trend development of flat surface grinding is introduced.
There is a simple introduce for the general layout design and the design of grinding head. And the mostly introduce are the design of vertical feed ,the tiny displacement workbench structure and the designing for numerical (NC) system.
The design features: CNC surface grinding machine designed for automatic fixed workpiece through the electromagnet, and can automatically grinding.
Keywords: precision, Numerical Control, plane grind, grinding head.
目 錄
第1章 緒論 ………………………………………………….……………………… 1
1.1 課題背景及實際意義………………………….....…..………………………1
1.2 國內(nèi)外研究狀況……………………………………...………………………2
1.2.1 國外數(shù)控磨削的發(fā)展………………………..……………………..……2
1.2.2 國內(nèi)數(shù)控磨削的發(fā)展……………………..………………..……………4
1.3 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)與論文組成…………….…………………………….….……5
1.4 本課題的研究方法……………….………………………………..…………6
第2章 數(shù)控平面磨床總體設(shè)計 ………………………………….…..…..….………7
2.1 磨床簡介 ………………...…………………………………..…..…..………7
2.2 主要結(jié)構(gòu)及其說明……………...……………………………………………9
2.3 磨床技術(shù)規(guī)格……………….…………………..…………………………..10
2.4 磨床總體布局設(shè)計………...……………………..…………………………10
2.5 磨床總體傳動設(shè)計…………...……………………..………………………12
第3章 砂輪架（磨頭）設(shè)計…………………..………………………………………17
3.1 砂輪架設(shè)計 ……………………….……………………..…………………17
3.2 砂輪架的結(jié)構(gòu)特點…………………...…………………..…………………21
第4章 垂直進(jìn)給機構(gòu)的設(shè)計 ………………………………………………………22
4.1 垂直進(jìn)給機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點……………...…………..……………………22
4.2 確定垂直進(jìn)給機構(gòu)方案…………………...…………..……………………23
4.3 滾珠絲桿副介紹………………………...……………..……………………24
4.4 滾珠絲杠的設(shè)計計算………..…………….………………..………………27
4.5 垂直進(jìn)給電機的功率計算…………………...……………..………………28
第5章 橫向進(jìn)給（工作臺進(jìn)給）機構(gòu)的設(shè)計……………………..…………………29
5.1 橫向進(jìn)給機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點…………...…………………..………………29
5.2 確定橫向進(jìn)給機構(gòu)方案………………...…………………..………………30
5.3 液壓系統(tǒng)介紹………………………………...………………..……………31
5.4 液壓缸的設(shè)計計算………………………...……………..…………………32
第6章 縱向進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計…………………………...…………...…………………36
6.1 縱向進(jìn)給機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點…………...……………..……………………36
6.2 確定縱向進(jìn)給機構(gòu)方案…………………...…………..……………………37
6.3 滾珠絲杠的設(shè)計計算………………….……………………………………38
6.4 縱向進(jìn)給電機的功率計算……………………..……..….…………………39
第7章 控制系統(tǒng)設(shè)計 ………………………………………………………………40
7.1 控制器的選擇…………………………..………………..…….……………40
7.2 流程圖…………………………..………………….........…………………..41
7.3 硬件電路的設(shè)計……………………..………..…….………………………41
第8章 總結(jié)…………………………………..……………...………….……………45
致謝……………………………………………………………...……………………46
參考文獻(xiàn)………………………………………………………...……………………47
附 錄……………………………………………………………………………….…48
IV
第1章 緒論
1.1 課題背景及實際意義
現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，中、小批量零件的生產(chǎn)占產(chǎn)品數(shù)量的比例越來越高，零件的復(fù)雜性和精度要求迅速提高，傳統(tǒng)的普通機床已經(jīng)越來越難以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，而數(shù)控機床具有高精度、高效率、一機多用，可以完成復(fù)雜型面加工的特點，特別是計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展并廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控裝置的主要功能幾乎全由軟件來實現(xiàn)，硬件幾乎能通用，從而使其更具加工柔性，功能更加強大。
制造業(yè)的竟?fàn)幰褟脑缙诮档蛣趧恿Τ杀?、產(chǎn)品成本，提高企業(yè)整體效率和質(zhì)量的竟?fàn)?，發(fā)展到全面滿足顧客要求、積極開發(fā)新產(chǎn)品的竟?fàn)?，將面臨知識——技術(shù)——產(chǎn)品的更新周期越來越短，產(chǎn)品批量越來越小，而對質(zhì)量、性能的要求更高，同時社會對環(huán)境保護(hù)、綠色制造的意識不斷加強。因此敏捷先進(jìn)的制造技術(shù)將成為企業(yè)贏得竟?fàn)幒蜕?、發(fā)展的主要手段。計算機信息技術(shù)和制造自動化技術(shù)的結(jié)合越來越緊密，作為自動化柔性生產(chǎn)重要基礎(chǔ)的數(shù)控機床在生產(chǎn)機床中所占比例將越來越多。
數(shù)控平面磨床是一種效率高、精度高的數(shù)控加工機床，它比普通磨床有很多優(yōu)勢，具體實際應(yīng)用意義有以下幾點：
1.大大提高生產(chǎn)效率。數(shù)控平面磨床即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)平面磨床提高3至5倍。對復(fù)雜零件而言難度越高功效提高越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。
2.數(shù)控平面磨床在機械制造中作用和地位提高。隨著磨削技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控平面磨床的應(yīng)用日益擴大，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家磨床占機床總數(shù)的40%，在軸承制造業(yè)中多達(dá)60%，因此磨削技術(shù)在機械制造業(yè)中占重要地位，而數(shù)控平面磨床由于磨削精度高、效率高很適應(yīng)工程材料不斷發(fā)展的需要。
3.性能穩(wěn)定可靠。目前數(shù)控技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)，為數(shù)控平面磨床提供了可靠的數(shù)控技術(shù)保障，因此數(shù)控平面磨床的設(shè)計有適應(yīng)和應(yīng)用新技術(shù)的意義。
1.2 國內(nèi)外研究狀況
平面磨床相對于車床、銑床等采用數(shù)控系統(tǒng)較晚，因為它對數(shù)控系統(tǒng)的特殊要求。近十幾年來，借助CNC技術(shù)，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(xiàn)，數(shù)控技術(shù)在平面磨床上逐步普及。在近年漢諾威、東京、芝加哥、及國內(nèi)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(shù)，如德國BLOHM公司，ELB公司等著名磨床制造廠已經(jīng)不再生產(chǎn)普通磨床，日本的岡本、日興等公司也成批生產(chǎn)全功能CNC平磨，在開發(fā)高檔數(shù)控平磨的同時，積極發(fā)展中、低檔數(shù)控平磨。
1.2.1 國外數(shù)控磨削的發(fā)展
前幾年德國ELB公司生產(chǎn)的BRILLIANT系列二坐標(biāo)CNC成型磨床，其垂直和橫向為數(shù)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；SUPER-BRILLIANT系列是三坐標(biāo)CNC平面和成型磨床，床身用天然花崗巖制成，幾何精度極高，導(dǎo)軌用直線滾動導(dǎo)軌，機械驅(qū)動無反沖，從而保證工件有較好的表面光潔度；BRILLIANT-FUTURE為以上二個系列的改進(jìn)產(chǎn)品，床身用人造花崗巖制作，縱向用靜壓導(dǎo)軌，齒形帶傳動，垂直和橫向?qū)к墳轭A(yù)加荷直線滾動導(dǎo)軌，滾珠絲杠傳動，三軸CNC控制AC伺服電機，0.5μm的測量分辯率。同時ELB公司開發(fā)了具有當(dāng)代最新技術(shù)的磨床產(chǎn)品，即以機電一體化和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)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(dá)到24軸，另外由于全面推行模塊化設(shè)計，使專用磨床制造周期縮短，ELB公司還開發(fā)了多種高效專用磨床，如SFVG100/2專用磨床，具有可傾斜磨頭，連續(xù)修整，緩進(jìn)給，斜切入磨削功能，用十一根CNC控制軸，如同一臺磨加工中心。英國JONES%26amp;SHIPMAN公司與美國A-B公司開發(fā)了A-B8600數(shù)控系統(tǒng)用于FORMAT5型數(shù)控平磨，由CNC控制液壓閥，驅(qū)動縱向可調(diào)速運動，橫向與磨頭進(jìn)給用滾珠絲杠副，直流伺服電機驅(qū)動，間斷式砂輪修整，CRT圖形模擬顯示。同時還可以配用其他型號的數(shù)控系統(tǒng)，以滿足不同用戶的要求。
目前，隨半導(dǎo)體集成度的不斷提高，新推出的系統(tǒng)在外型上越來越小，結(jié)構(gòu)上越來越緊湊，功能上增加了遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷，多機聯(lián)網(wǎng)等等；操作界面向WINDOWS系統(tǒng)*近，增加鼠標(biāo)，搖控器等操作件。FANUC公司今年主要推出18I、16I、20I、21I系統(tǒng)，SIEMENS是840D、810D、802D均為結(jié)構(gòu)緊湊型系統(tǒng)。還有一些廠商如：臺灣精密機械研究發(fā)展中心開發(fā)的PA8000NT系列CNC控制器，就使用了WINDOWS NC操作系統(tǒng)，和NT即時多工處理核心，單節(jié)程序處理速度達(dá)2000塊/秒，單節(jié)預(yù)讀處理數(shù)可達(dá)1000塊，具有AART(預(yù)適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù))及參數(shù)最佳化學(xué)習(xí)功能，可使跟隨誤差趨近于零，軟件加工路徑濾波器可降低切削過程中，因加速度變化過大所產(chǎn)生的機械共振，從而改善表面粗糙度；配用伺服靈活，具備+、-10V類比伺服界面，同時提供國際標(biāo)準(zhǔn)的SERCOS數(shù)字伺服通訊界面；PLC程序設(shè)計有梯形圖、結(jié)構(gòu)語句、功能塊、指令碼、流程圖等五種語法，便于設(shè)計、溝通和維護(hù)；具有計算機遠(yuǎn)程通訊，即時遠(yuǎn)程維護(hù)功能；控制軸和主軸最多可擴展到64軸，I/O點可擴展到792/528點，采用奔騰處理器，高速PLC處理速度達(dá)到25K。
世界上除有名的SIEMENS、FANUC等數(shù)控系統(tǒng)專業(yè)廠已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)了許多適用于平面或成型磨削的系統(tǒng)外，一些平磨生產(chǎn)廠本身也積極開發(fā)了適用于其磨床的數(shù)控系統(tǒng)。主要有：
西門子公司的SINUMERIK 840D系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有二十多根伺服軸，坐標(biāo)連續(xù)行程控制，手動數(shù)據(jù)輸入或通過外部計算機輸入，遠(yuǎn)程診斷，可隨砂輪直徑減小而變化行程，砂輪修整量自動補償，滾珠絲杠間隙誤差補償?shù)取?
西門子3G系統(tǒng)是專為磨削加工而開發(fā)的，裝有用來人機對話的操作提示裝置，在軸線傾斜時，也可進(jìn)行直線和圓弧插補，在磨削中經(jīng)常出現(xiàn)的運行循環(huán)，如主軸擺動，用外部信號中斷執(zhí)行程序，砂輪切入，砂輪修整等專用準(zhǔn)備功能，編制固定循環(huán)程序。其不僅能使用外部測量裝置(開關(guān)信號)，還能當(dāng)連接上一個合適的測量頭時能直接去控制裝置與最終尺寸進(jìn)行比較。
美國ALLEY-BRANDLY公司生產(chǎn)的8400CNC、8600CNC數(shù)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(jìn)行圓弧插補，任3軸可進(jìn)行螺旋線插補，6軸直線插補。8600CNC系列最多能控制17個坐標(biāo)，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(shù)控系統(tǒng)，其中O-GSG適用于平面磨床，可根據(jù)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(shù)顯示等，系統(tǒng)最小設(shè)定單位0.1μm，屬“緊湊”型數(shù)控系統(tǒng)，價格較低。
另外還有如德國ELB公司與大學(xué)聯(lián)合研制的UNICON系統(tǒng)。日本大隈鐵工所OSP5000G-G，OSP30-NF等自行開發(fā)的平面和成型磨削數(shù)控系統(tǒng)，其OSP5000G-G最多可控制9個坐標(biāo)，其中6個坐標(biāo)可聯(lián)動，帶12英寸彩顯，人機對話編程，自動確定切削系數(shù)，可采用軟盤輸入，納入FMS系統(tǒng)，最小脈沖當(dāng)量、移動當(dāng)量和檢測當(dāng)量均為0.1μm，平磨上還采用了感應(yīng)同步器全閉環(huán)方式。
還有的平磨制造廠雖采用數(shù)控主機廠的系統(tǒng)，但自行開發(fā)軟件，使用之更適合平面和成型磨削，如德國JUNG公司以西門子SINUMERIK 810為基礎(chǔ)，采用該公司專用軟件，用JUNG KONTUR編程語言對砂輪進(jìn)行成型修整，并有圖形輔助操作功能。日本岡本公司在FANUC公司數(shù)控系統(tǒng)硬件上，開發(fā)了OPL語言用于磨削加工，等等。
當(dāng)今直線電機、動平衡等技術(shù)、工藝的日益發(fā)展應(yīng)有，又大大提高了機床的工效，適宜的測量技術(shù)應(yīng)用對數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)利用，增強機床的電氣自動控制功能如虎添翼。
1.2.2 國內(nèi)數(shù)控磨削的發(fā)展
我國從80年代開始生產(chǎn)數(shù)控平面磨床，各開發(fā)廠家分別走過了自行研制，與大學(xué)及科研單位合作開發(fā)至直接引進(jìn)成熟數(shù)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(chǎn)平面磨床的制造廠，它從80年代中期開始生產(chǎn)數(shù)控平磨，先后開發(fā)生產(chǎn)了MGK7132臥軸矩臺高精度平磨，MK7130系列普通數(shù)控平磨，MLK7140數(shù)控緩進(jìn)給成型磨，MGK7120、MK7163、MK7150臥軸矩臺數(shù)控平磨，MKY7760立軸數(shù)控雙端面磨，MKY7660、MKY7650/101臥軸數(shù)控雙端面磨，以及HZ-K1610，HZ-K2010，HZ-050 CNC，HZ-KD2010、HZ-K3015、HZ-K3020、HZ-K4020等專用數(shù)控龍門式平面與導(dǎo)軌磨床。數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，有與大專院校及科研單位合作研制的單板機系統(tǒng)，也有自行開發(fā)的以單片機為主機的簡易控制系統(tǒng)，及采用數(shù)控主機廠生產(chǎn)的成熟數(shù)控系統(tǒng)等。
其生產(chǎn)的MGK7120高精度平磨，采用了日本FANUC公司的POWER MATE-D雙軸數(shù)控系統(tǒng)，控制磨頭進(jìn)給，最小進(jìn)給量0.1μm，具有自動完成磨削循環(huán)功能。
MKY7650/101全自動數(shù)控雙端面磨床是與意大利VIOTTO公司技術(shù)合作產(chǎn)品，采用西門子SIMATIC S5-115U可編程控制器控制，CRT顯示，機床的左、右磨頭由二軸直流伺服電機驅(qū)動，機床能進(jìn)行手動調(diào)整和自動磨削循環(huán)選擇。配有意大利馬爾波斯E9型測量系統(tǒng)，二個測量頭，一個測量砂輪，將砂輪磨損量反饋給控制系統(tǒng)，進(jìn)行砂輪補償；另一個測量頭測量磨削后的工件，并將測量結(jié)果輸入控制系統(tǒng)，由伺服電機進(jìn)行補償進(jìn)給；左、右磨頭用VIOTTO光柵作位置測量控制，實現(xiàn)了整機從工件上料到磨削完畢的全閉環(huán)和全自動加工。
HZ-050CNC數(shù)控直線滾動導(dǎo)軌專用磨床，是為上海市科技結(jié)合生產(chǎn)重點工業(yè)項目第三次科技攻關(guān)項目而開發(fā)的專用磨床。既具有平面磨削功能又有成型磨削功能，它采用了美國A-B公司生產(chǎn)的8400MP數(shù)控系統(tǒng)，機床有7根數(shù)控軸，X、Y、Z三根磨頭進(jìn)給軸和U、V、W三根砂輪修整軸由系統(tǒng)直接控制，另一軸Q為臥式砂輪橫向進(jìn)給(磨削平面用)通過SLC可編程控制器加IMC定位模塊，由系統(tǒng)I/O口輸入8400MP主機，控制其位置，具有在磨削中連續(xù)修整砂輪或間隙式砂輪修整補償進(jìn)給等自動加工能力。
HZ-KD2010六軸數(shù)控龍門式雙磨頭平面磨床，采用FANUC-0MC數(shù)控系統(tǒng)，用四根CNC軸分別控制兩個磨頭的橫向和垂直進(jìn)給，用一根PMC軸控制周邊磨頭的砂輪修整器金剛筆進(jìn)給，另一根PMC軸控制萬能磨頭的分度旋轉(zhuǎn)。充分利用了系統(tǒng)性能，降低生產(chǎn)成本，提高了機床的性價比。
1.3 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)與論文組成
任務(wù)內(nèi)容：要求設(shè)計的數(shù)控平面磨床能夠?qū)崿F(xiàn)工件的自動夾緊及磨削。
主要參數(shù)：最大磨削尺寸700×1600×675 ?mm?，工作臺速度??3-25 m/min，磨頭橫向進(jìn)給速度??0.15-3.75 m/min?，磨頭垂直給速度? 0.05-3.75 m/min?，砂輪線速度?35 m/s??，最大砂輪尺寸 (外徑×寬×內(nèi)徑)?500×75×203 ?mm，最大磨削力150N，磨削精度-5～5 。
工作量：本題目主要完成機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動機構(gòu)設(shè)計和電控系統(tǒng)設(shè)計。
(1) 數(shù)控平面磨床總成圖 1張 0#
(2) 液壓缸部裝圖 1張 1#
(3) 液壓系統(tǒng)原理圖 1張1#
(4) 電氣控制系統(tǒng)原理圖 1張1#
(5) 程序流程圖及程序 1張1#
(6) 零件圖 2張2#
(7) 撰寫15000字畢業(yè)設(shè)計（論文）一份；
(8) 完成不少于2000個單詞的外文資料譯文一份。
本文由緒論、總體設(shè)計、砂輪架（磨頭）設(shè)計、垂直進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計、橫向進(jìn)給（工作臺進(jìn)給）機構(gòu)設(shè)計、縱向進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計、數(shù)控硬件設(shè)計、總結(jié)和致謝等幾個部分組成。
1.4 本課題的研究方法
所設(shè)計的數(shù)控平面磨床主要包括機械部分，控制部分。機械部分設(shè)計主要包括：總體設(shè)計、砂輪架（磨頭）設(shè)計、垂直進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計、橫向進(jìn)給（工作臺進(jìn)給）機構(gòu)設(shè)計、縱向進(jìn)給機構(gòu)設(shè)計?？刂撇糠衷O(shè)計主要包括：硬件電路設(shè)計、液壓系統(tǒng)控制、單片機控制。將絲桿由步進(jìn)電機帶動。電機和液壓系統(tǒng)中的電磁換向閥由單片機控制，最終實現(xiàn)磨床的自動控制。機械結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-1：
圖 1-1 機械機構(gòu)簡圖
第2章 數(shù)控平面磨床總體設(shè)計
2.1 磨床簡介
(1) 工件的裝夾
在平面磨床上，采用電磁吸盤工作臺吸住工件。電磁吸盤工作臺的工作原理是當(dāng)線圈中通過直流電時，芯體被磁化，磁力線經(jīng)過蓋板-工件-蓋板-吸盤體而閉合，工件被吸住。電磁吸盤工作臺的絕磁層有鉛、銅或巴合金等非磁性材料制成、它的作用是使絕大部分磁力線都通過工件。結(jié)構(gòu)如圖2-1。
圖2-1 電磁吸盤的原理結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)磨削鍵、墊圈、薄壁套等小的零件時，由于工件于工作臺接觸面積小，吸力弱、容易被磨削力彈出造成事故，所以裝夾這類工件時，需要工件四周或左右兩端用擋鐵圍住，以防工件移動。小工件裝夾如圖2-1。
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圖2-2 裝夾工件
(2) 磨削的方法
圖2-3?? 平面磨削方法
①橫向磨削法
橫向磨削法如圖2-3a所示。這種磨削法是當(dāng)工作臺每次縱向行程終了時，磨頭作一次橫向進(jìn)給。等到工件表面上第一層金屬磨削完畢，砂輪按預(yù)選磨削深度作一次垂直進(jìn)給，接著照上述過程逐層磨削，直至把全部余量磨去，使工件達(dá)到所需尺寸。粗磨時，應(yīng)選較大垂直進(jìn)給量和橫向進(jìn)給量，精磨時則兩者均應(yīng)選較小值。
這種方法適用于磨削寬長工件，也適用于相同小件按序排列集合磨削。
②深度磨削法
深度磨削法如圖2-3b所示。這種磨削法的縱向進(jìn)給量較小，砂輪只作兩次垂直進(jìn)給，第一次垂直進(jìn)給量等于全部粗磨余量，當(dāng)工作臺縱向行程終了時．將砂輪橫向移動3／4～4／5的砂輪寬度，直到將工件整個表面的粗磨余量磨完為止。第二次垂直進(jìn)給量等于精磨余量。其磨削過程與橫向磨削法相同。
這種方法由于垂直進(jìn)給次數(shù)少，生產(chǎn)率較高，且加工質(zhì)量也有保證。但磨削抗力大，僅適用在動力大、剛性好的磨床上磨較大的工件。
③階梯磨削法
如圖2-3c所示，階梯磨削法是按工件余量的大小，將砂輪修整成階梯形，使其在一次垂直進(jìn)給中磨去全部余量。用于粗磨的各階梯寬度和磨削深度都應(yīng)相同，而其精磨階梯的寬度則應(yīng)大于砂輪寬度的1／2，磨削深度等于精磨余量(0.03～0.05mm)。磨削時橫向進(jìn)給量應(yīng)小些。
由于磨削用量分配在各段階梯的輪面上，各段輪面的磨粒受力均勻，磨損也均勻，能較多地發(fā)揮砂輪的磨削性能。但砂輪修整工作較為麻煩．應(yīng)用上受到一定限制。
2.2 主要結(jié)構(gòu)及其說明
主要結(jié)構(gòu)包含：立柱、砂輪箱托架、砂輪箱、工作臺、床身，如圖：2-4。
圖 2-4 結(jié)構(gòu)簡圖
(1) 立柱
立柱主要作用在于支撐砂輪箱托架，并起到砂輪箱移動導(dǎo)向作用。立柱采用空心結(jié)構(gòu)，不僅能節(jié)省材料，且能保證剛度要求。
(2) 砂輪箱托架
砂輪箱托架作用在于托起砂輪，并對砂輪移動起導(dǎo)向作用，提供砂輪移動所需步進(jìn)電機的安裝平臺。
(3) 砂輪箱
砂輪箱里面安裝砂輪，以及砂輪主軸，異步電機，防護(hù)罩等裝置。它的作用是直接加工磨削工件。
(4) 工作臺
工作臺上面可以固定安裝電磁吸盤，并起到回收冷卻液并回流至水箱的作用。
(5) 床身
床身支撐工作臺，并為工作臺的移動起導(dǎo)向作用，為液壓缸提供安裝平臺。
2.3 磨床技術(shù)規(guī)格
最大磨削尺寸700×1600×675 ?mm?，工作臺速度??3-25 m/min，磨頭橫向進(jìn)給速度??0.15-3.75 m/min?，磨頭垂直給速度? 0.05-3.75 m/min?，砂輪線速度?35 m/s??，最大砂輪尺寸 (外徑×寬×內(nèi)徑)?500×75×203 ?mm，最大磨削力150N，磨削精度-5～5 。
2.4 磨床總體布局設(shè)計
該磨床的總體設(shè)計包括：系統(tǒng)設(shè)計(包含數(shù)控裝置的功能設(shè)計、元件和部件設(shè)計,程序段格式設(shè)計及系統(tǒng)的總體設(shè)計)；邏輯設(shè)計(包含運算器設(shè)計、控制器設(shè)計及電路設(shè)計)；機床主機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。本次設(shè)計主要對總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。
數(shù)控機床的功能設(shè)計和普通機床有著很大的差別。對數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求可歸納為如下幾個方面：
①具有很大的餓切削功率、高的靜、動態(tài)剛度和良好的抗振性能；
②具有較高大的幾何精度、傳動精度、定位精度和熱穩(wěn)定性；
③具有實現(xiàn)輔助操作自動化的結(jié)構(gòu)部件。
(1) 提高機床的結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計
機床的剛度是指切削力和其它力作用下抵抗變形的能力，該磨床要求具有高的靜剛度和動剛度。機床在切削過程當(dāng)中，承受的靜態(tài)力有運動部件和被加工零件的自重；承受的動態(tài)力有砌學(xué)力、驅(qū)動力、加減速器時引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機床的結(jié)構(gòu)部件在這些力作用下將產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致工件的加工誤差。為了使機床達(dá)到高大結(jié)構(gòu)剛度，獲得符合要求的工件，進(jìn)行如下結(jié)構(gòu)設(shè)計：
①構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式的選擇
a. 選擇截面的形狀和尺寸
由于形狀相同的截面，當(dāng)保持相同的截面積時，應(yīng)減小臂厚，加大截面的輪廓尺寸，所以該機床的立柱、床身等支撐件做成型腔。圓形截面的抗扭剛度比方形截面的大，抗彎剛度比方形截面小，所以立柱、床身等承受彎曲載荷的部件做成方形，而象主軸等承受扭轉(zhuǎn)載荷的零件做成圓形。
由于封閉式截面的剛度比不封閉式截面的剛度大很多，因此該磨床采用封閉式床身。
由于臂上開孔將使剛度下降，所開孔部部件對剛度要求又很高，就在孔的周邊加上凸緣，以使抗彎剛度得到恢復(fù)。
b. 隔板和筋條的布置
合理布置支承件的隔板和筋條，可提高構(gòu)件的靜、動剛度，磨床采用叉筋板的支承件，立柱內(nèi)部就是布置了交叉的筋條。
c. 構(gòu)件的局部剛度
磨床的導(dǎo)軌和支承件的連接部件，往往是局部剛度最弱的部分，但是聯(lián)接方式對局部剛度影響很大。在本次設(shè)計中，由于Z軸導(dǎo)軌較寬，故采用雙臂聯(lián)接形式；X、Y軸導(dǎo)軌較窄，采用單臂聯(lián)接，但在單臂上增加垂直筋條以提高局部剛度。
②結(jié)構(gòu)布局的設(shè)計
三坐標(biāo)數(shù)控磨床設(shè)計的主軸中心位于立柱的對稱面內(nèi)，主軸箱的自重不再引起立柱的變形，相同的切削力所引起的立柱的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形均大為減小，這相當(dāng)于提高了機床的剛度。另在立柱上方安裝兩組定滑輪來平衡重力，以減小立柱的變形。
(2) 提高機床的抗振性的措施
機床在加工時可能產(chǎn)生兩種形態(tài)的振動：強迫振動和自激振動。機床的抗振性就是抵抗這兩種振動的能力。
改善和提高抗振性應(yīng)從以下幾個方面著手：
①減少機床的內(nèi)部振源
機床高速旋轉(zhuǎn)主軸、帶輪均應(yīng)進(jìn)行平衡；裝配在一起的旋轉(zhuǎn)部件，應(yīng)該保證同軸，并且消除傳動間隙，采用平衡裝置和降低往復(fù)運動件的重量，以減小可能的激振力，裝在機床上的電機需隔振安裝。
②提高靜態(tài)剛度
提高靜態(tài)剛度可以提高構(gòu)件或系統(tǒng)的諧振頻率，從而避免發(fā)生共振。但為了提高情態(tài)剛度而引起的構(gòu)件質(zhì)量的增加，會使共振頻率發(fā)生騙移，這是不利的。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)強調(diào)提高單位質(zhì)量的個剛度。
③增加構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的阻尼
該磨床對滾動軸承適當(dāng)預(yù)緊以增大阻尼，將型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零部件臂中，可以提高阻尼性。以減少振動。
(3) 提高機床靈敏度
該三坐標(biāo)數(shù)控磨床通過數(shù)字信息來控制刀具與工件的相對運動，它要求在相當(dāng)大的進(jìn)給速度范圍內(nèi)都能達(dá)到較高的精度，因而運動部件應(yīng)具有較高的靈敏度。導(dǎo)軌部分采用貼塑滑動導(dǎo)軌，以減少摩擦力使其在低速時無爬行現(xiàn)象。工作臺、刀架等部件的移動采用支流伺服電機驅(qū)動，經(jīng)滾珠絲杠傳動，減少了進(jìn)給系統(tǒng)所需要的驅(qū)動扭矩，提高了運動精度和運動平穩(wěn)性。
2.5 磨床總體傳動設(shè)計
(1) 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求
數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機床的主傳動要求外,還提出如下要求:
①具有更大的調(diào)速范圍,并實現(xiàn)無級調(diào)速。
數(shù)控機床就要為了保證加工時能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量，必須具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的調(diào)速范圍。對于自動換刀的數(shù)控機床，工序集中工件一次裝夾，可完成許多工序，所以，為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運動的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴大。
②具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。
數(shù)控機床加工精度的提高與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的精度與剛度，采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。
③良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。
數(shù)控機床一般即要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運動部件不平穩(wěn)以及切削過程中的自振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時甚至破壞刀具或零件，使加工無法進(jìn)行。因此主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力抗震性?？拐鹦杂脛觿偠然騽尤岫葋砗饬?。例如主軸組件的動剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度，阻尼比及固有頻率等參數(shù)。
機床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之間的相對位置精度和運動精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低傳動效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合精度，并進(jìn)行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。
(2) 主軸組件設(shè)計
①對主軸組件的性能要求
主軸組件是機床主要部件之一。它的性能對整機的性能有很大的影響。主軸直接承受切削力，轉(zhuǎn)速又很大，所以對主軸組件的主要性能特提出如下要求：
a.旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷低速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸安裝工件或刀具部件的定心表面（如該次設(shè)計的數(shù)控磨床主軸軸端的定心短錐采用7：24錐孔）的徑向和軸向跳動。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體、孔等的制造，裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。
b.剛度 主要反映機床或部件抵抗外載荷的能力。影響剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號、數(shù)量、預(yù)緊和配置形式，前后支撐的跨距和主軸的前懸伸，傳動件的布置方式等。數(shù)控機床即要完成粗加工，又要完成精加工，因此對其主軸組件的剛度應(yīng)提出更高的要求。
c.溫升 將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，對高精度機床應(yīng)研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控溫等。
d.可靠性 數(shù)控機床是高度自動化的機床，所以必須保證工作可靠性，可喜的地方是這方面的研究正在發(fā)展。
e.精度保持性 對數(shù)控機床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。
以上這些要求，有的還是矛盾的。例如高剛度與高速，高速與低升溫，高速與高精度等。這就要具體問題具體分析，例如設(shè)計高效數(shù)控機床的主軸組件時，主軸應(yīng)滿足高速和高剛度的要求；設(shè)計高精度機床時，主軸應(yīng)滿足高剛度低溫升的要求。
②主軸組件的組成和軸承選型
a.主軸組件 包括主軸、軸承、傳動件和相應(yīng)的緊固件。主軸組件的構(gòu)造，主要是支撐部分的構(gòu)造。主軸端部是標(biāo)準(zhǔn)的；傳動件如聯(lián)軸器與一般機械零件相同。因此，研究主軸組件，主要是研究主軸的支撐部分。
b.主軸的傳動件 可以位于前后支撐之間，也可位于后支撐之后的主軸后懸伸端。目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實現(xiàn)分離傳動和模塊化設(shè)計。主軸組件（稱為主軸單元）還可以作成獨立的功能部件，又有專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。主軸可用聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。
c.主軸軸承 選深溝球軸承。這種軸承即可承受輕微徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常采用多聯(lián)組配的辦法。運轉(zhuǎn)時，軸承的外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸承的過盈加大。軸向膨脹將使過盈減少，于是，可以補償一部分徑向膨脹?；谏鲜龇治?，主軸受到彎矩，又屬高速運轉(zhuǎn)，因此主軸軸承必須采用多件組配。本機床支撐采用2個6208軸承。
d.軸承的間隙調(diào)整和預(yù)緊
主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整，多數(shù)軸承還應(yīng)在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動體和導(dǎo)軌之間有一定的預(yù)變形，這就是軸承的預(yù)緊。
軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無間隙，滾動體從各個方向支撐主軸，有利于提高運動精度。滾動體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，因而預(yù)緊前只有部分滾導(dǎo)體與滾道接觸。預(yù)緊后，滾導(dǎo)體和滾道都有一定的變形，參加工作的滾動體將增多，各滾動體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動，則由于各個方面都有滾動體支撐，可以提高抗震性。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高；且較大的預(yù)緊將使壽命下降，故預(yù)緊要適量。
e.承載能力和壽命
主軸軸承通常載荷相對較輕。除了這些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒有問題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為級，經(jīng)使用磨損后跳動精度降為級，這個軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。雖然還未達(dá)到其疲勞壽命，但這種“精度壽命”目前還難以估計。
③主軸組件的技術(shù)要求
主軸與軸承相配合的技術(shù)要求直徑公差和形位公差。
為了得到主軸組件高的回轉(zhuǎn)精度，除保證主軸及其相關(guān)零件高的加工精度及采用精密主軸軸承外，還應(yīng)進(jìn)行定向裝配。
④主軸組件的動態(tài)特性
a.平移 主軸作為一個剛體（實際上略有彎曲），在彈性支撐上作平移振動，主軸各點的振動方向一致。
b.搖擺 主軸在彈性支座上搖擺，左右振動方向相反。
c.彎曲 主軸本身作彎曲振動，主軸中間與兩端的振動方向相反，有兩個節(jié)點。這兩個節(jié)點位于支撐點附近。每個振型都有其固有頻率。每個振型固有頻率排列的次序，稱為階。上述三個振型的固有頻率，以平移振型為最低，彎曲振型為最高，三個振型分別為第一、二、三振型，振型和固有頻率合成為模態(tài)?？梢钥闯?，第一、二階模態(tài)的彈性環(huán)節(jié)主要是軸承；第三階則主要是軸承。當(dāng)軸的剛度提高時，第一、二階模態(tài)的固有頻率也隨之提高，但第三階模態(tài)提高不多。
主軸是一個連續(xù)體，又無窮個模態(tài)。例如還有主軸的扭矩振動、縱向振動等。但是，這些模態(tài)的固有頻率較高，工作是不可能發(fā)生共振，所以，只需研究最低幾階模態(tài)，可用有限元法或傳遞矩陣法，借助計算機計算。
通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電動機高速主軸，電動機轉(zhuǎn)子是一個集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動態(tài)特性，可采取下列措施。
首先使主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。通常使固有頻率高于激振頻率的30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上（軸承）的剛體振動的第一階（平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。
其次增大比尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動。這時主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對主軸組件的抗震性影響很大。如果要求得到很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過大的預(yù)緊反而使阻尼減小，故選擇預(yù)緊時還因考慮阻尼因素。
最后采用消振裝置。
⑤主軸軸承的潤滑
滾動軸承在接觸區(qū)的壓強很高，在這么高的壓強下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接觸而不是一條線或一個點的接觸：潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動體與滾道的接觸區(qū)，形成一個厚度的油膜，把兩者隔開，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動軸承所需的潤滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤滑，還有用油氣潤滑的。
a.脂潤滑
滾動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適、清潔、密封良好，不是灰塵、油、切削液等進(jìn)入，壽命是很長的。一次沖填可用到大修，不許補充，也不要加脂孔。
脂潤滑可選用鋰基脂，如SKFLGLT2號（常用于球軸承）。
b.油氣潤滑
如果dmn值較大時，還需對軸承進(jìn)行冷卻。如果用油兼作潤滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會增加。最好用油潤滑，用空氣冷卻。油霧潤滑需能達(dá)到這個目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤滑。在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并不霧化，用后可回收，不污染環(huán)境。油用于潤滑。
(3) 選擇主軸電機
①主軸轉(zhuǎn)速設(shè)計
該數(shù)控磨床的磨頭選擇為圓柱頭磨頭。
設(shè)計切削速度=35m/s 刀具直徑D=500mm
=(m/s) （2-1）
式中：---砂輪外圓線速度，m/s
---砂輪直徑，mm
---砂輪轉(zhuǎn)速，r/s
由（2-1）導(dǎo)出：===22.293r/s=1337.6r/min (2-2)
主軸轉(zhuǎn)速：
==1337.6r/min (2-3)
②電機轉(zhuǎn)速
==1337.6r/min (2-4)
查機械設(shè)計手冊，所以選電機的轉(zhuǎn)速no=1440r/min
③電機功率選擇
= = （2-5）
式中： P---砂輪電機實際輸出功率,Km
---電機到砂輪的傳動效率;
---砂輪線速度， m/s
==0.99×=0.97 （2-6）
由（2-5）得： P===5.41Kw (2-7)
查機械設(shè)計手冊，選定電機功率為5.5Kw
綜上所述，選擇三相異步電機Y132S-4
第3章 砂輪架（磨頭）設(shè)計
3.1 砂輪架設(shè)計
(1) 砂輪機構(gòu)的設(shè)計計算
①砂輪的選用
砂輪采用標(biāo)準(zhǔn)件，根據(jù)需要，選用金剛砂砂輪，其尺寸參數(shù)為：外徑=500mm、內(nèi)徑=203mm、厚度h=75mm，在加工過程中砂輪參數(shù)為：轉(zhuǎn)速n=1440r/min，移動行程s=700mm， 磨削進(jìn)給量為0.005mm。
砂輪采用壓板固定，另一端與有齒牙的軸套咬合。
②砂輪軸的設(shè)計
其外形及各部分尺寸圖如圖2-5所示：
圖2-5 砂輪軸外形尺寸圖
如圖2-5，軸的左側(cè)直接與電動機通過聯(lián)軸器相連，標(biāo)注尺寸為100mm的軸段，它上面通過鍵與砂輪軸套相連，軸套上面固定砂輪。
③軸套設(shè)計
其外形及各部分尺寸圖如圖2-6所示：
圖2-6 軸套外形及重要尺寸
(2) 砂輪架設(shè)計的基本要求
砂輪架是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，主要由傳動部件和主軸軸承部分組成，主軸與軸承是砂輪架的主要組成部分，因此對砂輪架設(shè)計提出的基本要求也是針對主軸軸承部分的。
砂輪架設(shè)計應(yīng)滿足以下幾點基本要求：
a.主軸旋轉(zhuǎn)精度高，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定；
b.主軸軸承系統(tǒng)剛性好；
c.振動小，發(fā)熱低，不漏油；
d.裝配制造簡單，調(diào)整維修方便。
(3) 主軸旋轉(zhuǎn)精度及其提高措施
①砂輪架旋轉(zhuǎn)精度是指主軸前端的徑向跳動和軸向躥動大小，它直接影響工件的表面粗糙度和表面缺陷。一般平面磨床砂輪架允許的徑向和軸向跳動允許誤差取-5μm~~5μm。
②提高主軸旋轉(zhuǎn)精度的措施
a.選擇合適的主軸軸承；
b.提高主軸的加工精度；
c.正確選擇主軸軸向止推方式。
(4) 主軸軸承系統(tǒng)的剛性
主軸軸承系統(tǒng)的剛性是指在磨削力或傳動力作用下，主軸軸承抵抗變形的能力。通常以主軸前端的撓度來度量。過低的剛性會降低磨削生產(chǎn)率、加工精度和工件表面的粗糙度，引起直波形和螺旋線缺陷。
(5) 砂輪架主軸初步設(shè)計
進(jìn)行軸的強度校核時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況采取相應(yīng)的計算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對砂輪架主軸來說，砂輪架主軸主要承受扭矩，應(yīng)該按照扭轉(zhuǎn)強度計算，且在選取許用應(yīng)力時應(yīng)該選取較小值。砂輪架主軸材料采用42MnVB，并進(jìn)行淬火，故選取許用應(yīng)力為40MP。
軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為:
（2-8）
——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（單位為MP）
—— 軸所受扭矩（單位為）
—— 軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)（單位為）
—— 軸傳遞的功率（單位為KW）
—— 軸的轉(zhuǎn)速（單位為r/mm）
—— 計算界面處的直徑（單位為mm）
—— 許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（單位為r/mm）
由上式可得軸的直徑為
=
=13mm (2-9)
由上述計算可以得知砂輪架最小直徑為13mm，考慮到砂輪架的剛度等因素，取主軸的最小直徑為20mm。砂輪架主軸的尺寸如圖2-5所示。
(6) 主軸剛度校核
①當(dāng)量直徑
因為是階梯軸，所以用當(dāng)量直徑法作近似計算當(dāng)量直徑為：
L=75+56+44+100+30=305mm
d=
=34.56mm （2-10）
②允許撓度
允許撓度[y]=0.0002L < 0.0002×305=0.061mm
③計算主軸前端撓度值
（2-11）
——載荷（單位為公斤）（150/9.8）
—— 軸兩端的跨距（單位為厘米）（30.5）
—— 懸伸長度（單位為厘米）（5.5）
—— 材料的彈性模數(shù)（單位為公斤/平方厘米）（21.02）
—— 截面慣性矩（平方厘米）
= 0.001cm = 0.01mm （2-12）
又因為[y]=0.135，0.01<0.135，即< [y]，由上述校核可以得知，主軸剛度符合要求。
一般存在一個使主軸前端撓度最小，即剛性最好的支承跨距L。由經(jīng)驗得知，L為（3~~6）D時，主軸前端撓度最小，D=120mm，L為150~~300mm，取L為320mm。
3.2 砂輪架的結(jié)構(gòu)特點
砂輪架結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-7：
圖 2-7 砂輪架簡圖
第4章 垂直進(jìn)給機構(gòu)的設(shè)計
4.1 垂直進(jìn)給機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點
垂直進(jìn)給系統(tǒng)采用了滾珠絲杠副傳動，其結(jié)構(gòu)如圖4-1：
數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)的特點可歸納為：定位精度要高；跟蹤指令信號的響應(yīng)要快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好。
（1） 穩(wěn)定性
所謂的穩(wěn)定的系統(tǒng)，即系統(tǒng)在輸入量的改
變、啟動狀態(tài)或外界干擾作用下，其輸出量經(jīng)過幾
次衰減振蕩后，能迅速地穩(wěn)定在新的或原有的平衡
狀態(tài)下。它是伺服系統(tǒng)能夠進(jìn)行正常工作的基本條
件。它包含絕對穩(wěn)定性和相對穩(wěn)定性。
進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的慣性、剛度、
阻尼以及系統(tǒng)增益都有關(guān)系。適當(dāng)選擇系統(tǒng)的機械
參數(shù)（主要有阻尼、剛度、諧振頻率和失動量等）
和電氣參數(shù)，并使它們達(dá)到最佳區(qū)配，是進(jìn)給
系統(tǒng)的設(shè)計的目標(biāo)之一。
（2）精度
所謂進(jìn)給系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)
線輸入量的精確程度，即準(zhǔn)確性。它包含動態(tài)誤差，
即瞬態(tài)過程出現(xiàn)的偏差；穩(wěn)態(tài)誤差，即瞬態(tài)過程結(jié)
束后，系統(tǒng)存在的偏差；靜態(tài)誤差，即元件誤差及
干擾誤差。
常用的精度指標(biāo)有定位精度、重復(fù)定位精度和
輪廓跟隨精度。精度用誤差來表示，定位誤差
是工作臺由一點到另一點時，指令值與實際 圖 4-1 結(jié)構(gòu)簡圖
移動距離的最大差值。重復(fù)定位誤差是指工作臺進(jìn)行一次循環(huán)動作之后，回到初始位置的偏差值。輪廓跟隨誤差是指多坐標(biāo)連動時，實際運動軌跡與給定運動軌跡之間的最大偏差值。影響精度的參數(shù)很多，關(guān)系也很復(fù)雜，采用數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)可以提高驅(qū)動系統(tǒng)的精度。
（3）快速響應(yīng)特性
所謂的快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時間，傳動裝置的加速能力。它直接影響機床的加工精度和生產(chǎn)率。系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，則加工效率越高，軌跡跟隨精度越高。但響應(yīng)速度過快會造成系統(tǒng)的超調(diào)，甚至?xí)鹣到y(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，應(yīng)適當(dāng)選擇快速響應(yīng)特性。
4.2 確定垂直進(jìn)給機構(gòu)方案
(1) 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計要求
機床的位置調(diào)節(jié)對進(jìn)給系統(tǒng)提出很高的要求。其中在靜態(tài)設(shè)計方面有：
①能夠克服摩擦力和負(fù)載：
a.很小的進(jìn)給位移量；
b.高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度；
c.足夠的調(diào)速范圍；
②進(jìn)給速度均勻，在速度很低時無爬行現(xiàn)象；
③在動態(tài)設(shè)計方面的要求有：
a.具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩，以便完成啟動制動過程；
b.具有良好的動態(tài)傳遞性能以保證在獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量；
c.負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能的小；
④機械傳動部件的設(shè)計要求有：
a.被加速的運動部件具有小的慣量；
b.高的剛度；
c.良好的阻尼；
d.傳動部件在拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼特性和間隙方面盡可能小的非線性；
為了滿足以上要求，本設(shè)計采用滾珠絲桿副進(jìn)給系統(tǒng)。將絲桿與步進(jìn)電機直接相連，螺母機構(gòu)與砂輪箱托架直接相連。
4.3 滾珠絲桿副介紹
滾珠絲杠螺母副是數(shù)控機床中回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動常用的傳動裝置。它以滾珠的滾動代替絲桿螺母副中的滑動，摩擦力小，具有良好的性能。
(1) 組成及工作原理：
圖 4-2 滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)原理圖
①組成：主要由絲桿、螺母、滾珠和滾道（回珠器）、螺母座等組成。
②工作原理：在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動，并經(jīng)回珠管作周而復(fù)始的循環(huán)運動?；刂楣軆啥诉€起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。
(2) 特點：
①傳動效率高：機械效率可高達(dá)92%~98%。
②摩擦力小：主要是用滾珠的滾動代替了普通絲桿螺母副的滑動。
③軸向間隙可消除：也是由于滾珠的作用，提高了系統(tǒng)的剛性。經(jīng)預(yù)緊后可消除間隙。
④使用壽命長、制造成本高：主要采用優(yōu)質(zhì)合金材料，表面經(jīng)熱處理后獲得高的硬度。
(3) 滾珠絲桿螺母副的消隙
①雙螺母墊片調(diào)隙：
圖 4-3雙螺母墊片調(diào)隙
修磨墊片厚度消隙滾珠絲桿螺母副采用雙螺母結(jié)構(gòu)（類似于齒輪副中的雙薄片齒輪結(jié)構(gòu)）。通過改變墊片的厚度使螺母產(chǎn)生軸向位移，從而使兩個螺母分別與絲桿的兩側(cè)面貼合。當(dāng)工作臺反向時，由于消除了側(cè)隙，工作臺會跟隨CNC的運動指令反向而不會出現(xiàn)滯后。
②用鎖緊螺母消隙：
圖 4-4用鎖緊螺母消隙
圖4-4為利用兩個鎖緊螺母調(diào)整預(yù)緊力的結(jié)構(gòu)。兩個工作螺母以平鍵與外套相聯(lián)，其中右邊的一個螺母外伸部分有螺紋。當(dāng)兩個鎖緊螺母轉(zhuǎn)動時，正是由于平鍵限制了工作螺母的轉(zhuǎn)動，才使得帶外螺紋的工作螺母能相對于鎖緊螺母軸向移動。間隙調(diào)整好后，對擰兩鎖緊螺母即可。結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，應(yīng)用較廣。
③雙螺母齒差調(diào)隙：
圖 4-5 差齒式調(diào)整法
??兩個工作