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Electric lifting device is a lifting device for lifting heavy objects by screw drive. The motor is composed of a motor, a belt drive, a turbine vortex rod drive, a screw, a nut, a lifting rod, etc. This design first, based on the structure and the principle of electric lifting device of high analysis, this analysis based on put forward the overall structure scheme of and then, the design and verification of main technical parameters of the main parts is discussed; then, through the three-dimensional design software Pro / E design the electric lifting device and motion simulation is carried out. Finally, draw the electric lifting device assembly and major parts of the map. Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance. Key words：Brush seal；Finite element method；Deformation,；Leakage 26 北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目　錄 摘 要 I Abstract II 第一章 緒 論 1 1.1 研究的背景及意義 1 1.2 冰刀刃磨技術(shù)概述 2 1.2.1冰刀的手工刃磨 2 1.3 國內(nèi)外研究狀況 3 1.4 主要內(nèi)容 4 第二章 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 5 2.1 冰刀刃磨機(jī)的主要指標(biāo) 5 2.2 冰刀刃磨機(jī)的基本要求 5 2.3 冰刀刃磨機(jī)總體布局 5 2.4 主要部件的設(shè)計(jì)和選擇 6 2.4.1 進(jìn)給軸的行程和尺寸 6 2.4.2 絲杠的選取 7 2.4.3砂輪架的設(shè)計(jì) 7 2.5磨削力的計(jì)算 8 2.6絲桿螺母副的選擇 10 2.6.1選擇計(jì)算 10 2.6.2校核計(jì)算 12 2.7導(dǎo)軌副的選擇 13 2.7.1靜安全系數(shù)計(jì)算 13 2.7.2根據(jù)額定靜載荷初選導(dǎo)軌 13 2.7.3導(dǎo)軌校核計(jì)算 14 2.8本章小結(jié) 15 第三章 刃磨部件設(shè)計(jì) 16 3.1 數(shù)控刃磨的特點(diǎn) 16 3.2 影響冰刀刃磨質(zhì)量的因素 16 3.3 磨料的選擇 18 3.4 砂輪的選擇 18 3.5 冰刀與砂輪位置關(guān)系 19 3.6 砂輪的修整 19 3.6.1砂輪的磨損機(jī)理 19 3.6.2砂輪的參數(shù) 19 3.6.3砂輪修整方法 20 3.7 本章小結(jié) 20 第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 4.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 21 4.2 刃磨的運(yùn)動(dòng)控制分析 21 4.2.1砂輪的控制運(yùn)動(dòng) 21 4.2.2刃磨的控制流程 22 4.3 砂輪恒線速度的控制 22 4.4本章小結(jié) 23 總 結(jié) 24 參考文獻(xiàn) 25 致 謝 26 第一章 緒 論 1.1 研究的背景及意義 滑冰運(yùn)動(dòng)起源于荷蘭。13世紀(jì)中葉,荷蘭出現(xiàn)鐵制冰刀。冰刀是冰上運(yùn)動(dòng)鞋下面的塊刀片，它是冰上運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。如圖 1.1和 1.2 所示，冰刀的刀刃線一般是由幾段半徑（8～10 米）很大的圓弧線組成，刀刃一般厚 2 毫米。 圖 1.1 冰刀外形示意圖 到了17世紀(jì),溜冰逐漸發(fā)展成為一種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。冰刀是冰上運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。今天,運(yùn)動(dòng)員和滑冰運(yùn)動(dòng)愛好者取得了越來越好的成績.冰刀的質(zhì)量是一個(gè)決定性的因素。然而,冰刀使用一段時(shí)間后,其刃口會(huì)變鈍,這時(shí)需要對(duì)其重新刃磨,使其恢復(fù)原來的形狀。因此.冰刀的正確刃磨對(duì)于保障冰刀的滑行質(zhì)量和提高運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)成績起著至關(guān)重要的作用。 冰刀的刃磨分為手工刃磨和數(shù)控刃磨。從刃磨質(zhì)量上說，數(shù)控刃磨的加工質(zhì)量要比手工刃磨的要高得多。目前，國外已經(jīng)有商品化的數(shù)控冰刀刃磨機(jī)，而國內(nèi)目前在冰刀刃磨機(jī)領(lǐng)域的研究和開發(fā)則比較落后,只有少數(shù)廠家能生產(chǎn)簡易磨刀架和磨刀機(jī)。產(chǎn)品技術(shù)含量低,自動(dòng)化程度不高,冰刀的刃磨質(zhì)量完全取決于操作者的熟練程度,嚴(yán)重影響冰刀刃磨的效率和質(zhì)量,商品化的手工冰刀刃磨機(jī)則尚屬空白,更談不上全自動(dòng)的數(shù)控冰刀刃磨機(jī)了,這對(duì)我國冰上運(yùn)動(dòng)的發(fā)展是一個(gè)極大的制約。因此,開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)數(shù)控冰刀刃磨機(jī)勢(shì)在必行。 圖 1.2 兩段圓弧的冰刀刀刃線 本文目的是解決我國冰刀刃磨行業(yè)的共性技術(shù)問題，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控冰刀刃磨機(jī)，使冰刀由手工刃磨過渡到全自動(dòng)刃磨，在冰刀刃磨技術(shù)上產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，提高冰刀刃磨的質(zhì)量和效率，促進(jìn)滑冰運(yùn)動(dòng)的體育器材技術(shù)升級(jí)，提升我國滑冰運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)成績。 本文的開展，對(duì)提高我國滑冰運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練科學(xué)化水平和綜合實(shí)力，促進(jìn)我國體育器材新產(chǎn)品的開發(fā)及科技成果的轉(zhuǎn)化，營造體育科技產(chǎn)業(yè)化環(huán)境，提高冰刀刃磨技術(shù)，促進(jìn)體育產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，提高運(yùn)動(dòng)員備戰(zhàn)奧運(yùn)會(huì)的運(yùn)動(dòng)成績都將具有非常重要的意義。 本文研究的數(shù)控技術(shù)及其在冰刀刃磨領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)于提高我國體育裝備水平和實(shí)力、提冰上項(xiàng)目競爭能力、促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)率的發(fā)展等方面都具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 1.2 冰刀刃磨技術(shù)概述 冰刀在冰面上滑行產(chǎn)生磨損，其磨損量小，冰刀的刃磨加工是一種磨削量小，精度要求高的加工方式。 目前，冰刀的刃磨方法主要有兩種，手工刃磨和數(shù)控刃磨 1.2.1冰刀的手工刃磨 手工刃磨是使用多級(jí)目數(shù)的精細(xì)磨料對(duì)工件表面進(jìn)行多次的磨削加工。先將較粗的磨料混合豬油和煤油，在利用附著體（如鑄鐵）對(duì)零件表面給予一定的壓力，進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過多級(jí)的刃磨，達(dá)到表面要求。如圖1.3 圖1.3手工刃磨冰刀方法 但是手工刃磨存在一些嚴(yán)重的問題，主要有 （1）手工刃磨時(shí)的作用力不易控制，在刃磨的過程中容易出現(xiàn)各種問題，如圖1.4所示，當(dāng)手壓磨具作用力過大，就會(huì)出現(xiàn)切屑向刀刃處堆積形成卷刃；若刃磨冰刀用力不均還將造成偏刃和脊刃，如圖 1.5 所示。 （2）用油石在冰刀側(cè)面刃磨冰刀的卷刃時(shí)，手控制油石的平穩(wěn)度不夠，易產(chǎn)生偏斜，用力程度也難以控制到最佳狀態(tài)，常出現(xiàn)油石在刃側(cè)面滑掉，直接傷及刀刃造成局部鈍刀，如圖 1.6 所示； （3）現(xiàn)階段用的油石磨料粒度受限制，無法加工出最低粗糙度的冰刀鋒刃； （4）油石不易修平，平面度差的油石難以保證被刃磨冰刀表面的幾何形狀； （5）手工刃磨，冰刀的輪廓曲線難以與設(shè)計(jì)值吻合，這將影響冰刀的滑行質(zhì)量； （6）手工刃磨精度不高、生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。 圖 1.4冰刀的卷刃 圖 1.5 冰刀的偏刃和脊刃 圖 1.6 冰刀的局部鈍刀 1.2.2 冰刀的數(shù)控刃磨技術(shù) 冰刀的數(shù)控刃磨，是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用到冰刀刃磨當(dāng)中去。與手工冰刀刃磨相比，數(shù)控冰刀刃磨具有質(zhì)的飛躍，使得冰刀的刃磨加工質(zhì)量更穩(wěn)定，效率更高，更可靠。數(shù)控冰刀刃磨機(jī)，從本質(zhì)意義上講和一臺(tái)普通的數(shù)控磨床沒有什么區(qū)別，產(chǎn)品加工都要經(jīng)過數(shù)控編程、刀補(bǔ)、插補(bǔ)、最后控制運(yùn)動(dòng)軸加工的過程。所不同的是，冰刀數(shù)控刃磨機(jī)床是一個(gè)非常專業(yè)化的數(shù)控機(jī)床。冰刀本身的結(jié)構(gòu)小巧，刃磨機(jī)是在體育項(xiàng)目中使用，要求能夠經(jīng)常隨運(yùn)動(dòng)隊(duì)攜帶，這決定了冰刀的數(shù)控刃磨機(jī)應(yīng)該是便攜式的——體積小、重量輕利用數(shù)控的編程技術(shù)可以編出任何平面的冰刀刀刃線。數(shù)控系統(tǒng)可控制 X、Y、Z軸實(shí)現(xiàn)冰刀的測量、刃磨、砂輪修整。利用工藝卡編程，可控制機(jī)床對(duì)冰刀進(jìn)行粗、精、拋光 3 級(jí)刃磨。粗磨完成主要的輪廓加工，精磨、拋光磨主要是提高精度和表面光潔度。利用以上數(shù)控技術(shù)，數(shù)控冰刀刃磨機(jī)床具有很強(qiáng)的靈活性，能適應(yīng)任何一把冰刀的刃磨。 手工冰刀刃磨的精度主要取決于操作人的經(jīng)驗(yàn)程度。而冰刀的數(shù)控刃磨其精度則取決于控制系統(tǒng)的質(zhì)量和機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)精度。 1.3 國內(nèi)外研究狀況 有關(guān)刃磨冰刀的機(jī)器，在國外已有手工和數(shù)控兩種商品化的產(chǎn)品 例如美國的 WISSOTA 公司就是生產(chǎn)手工冰刀刃磨機(jī)的著名廠家，圖 1.7是該公司手工冰刀刃磨機(jī)產(chǎn)品。Cag One 公司也提供一系列手工和數(shù)控冰刀刃磨機(jī)，其產(chǎn)品如圖 1.8 所示。 圖 1.7 WISSOTA 公司的手工冰刀刃磨機(jī) 圖 1.8 Cag One 公司冰刀刃磨機(jī) 我國在冰刀刃磨機(jī)領(lǐng)域的研究和開發(fā)則比較落后，只有少數(shù)廠家能生產(chǎn)簡易磨刀架和磨刀機(jī)，如圖 1.9 所示 圖 1.9 國產(chǎn)手工冰刀磨刀機(jī) 我國手工冰刀磨刀機(jī)產(chǎn)品技術(shù)含量低，自動(dòng)化程度不高，冰刀的刃磨質(zhì)量完全取決于作者的熟練程度，嚴(yán)重影響冰刀刃磨的效率和質(zhì)量，商品化的手工冰刀刃磨機(jī)則尚屬空白，更談不上全自動(dòng)的數(shù)控冰刀刃磨機(jī)了，這對(duì)我國冰上運(yùn)動(dòng)的發(fā)展是一個(gè)極大的制約。因此，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)數(shù)控冰刀刃磨機(jī)勢(shì)在必行。 1.4 主要內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：； （1）查找相關(guān)資料，了解國內(nèi)、外相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)； （2）對(duì)冰刀的結(jié)構(gòu)特性展開研究，針對(duì)冰刀的結(jié)構(gòu)特性要確定最佳刃磨機(jī)理及方案，構(gòu)思機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)方案； （3）確定各傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； （4）對(duì)主要零部件（主軸部件等）的機(jī)構(gòu)選型及參數(shù)計(jì)算； （5）繪制裝配圖、部件零件圖。 設(shè)計(jì)要求： （1）學(xué)生要按時(shí)、獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)，每周向指導(dǎo)教師匯報(bào)設(shè)計(jì)進(jìn)展情況，并保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。不允許數(shù)據(jù)造假、網(wǎng)上下載和拼湊； （2）完成冰刀刃磨裝置設(shè)計(jì)工作，并能夠提出至少兩種以上可行性方案；能夠根據(jù)使用要求，根據(jù)機(jī)械原理及機(jī)械設(shè)計(jì)基本知識(shí)，完成刃磨方案設(shè)計(jì)、裝配關(guān)系的確立。 第二章 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 本文研究的數(shù)控冰刀刃磨機(jī)是集機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備。其中，機(jī)械部分是冰刀刃磨機(jī)的重要組成部分。機(jī)械部分的布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝夾技術(shù)將對(duì)加工精度、系統(tǒng)可靠性和設(shè)備的便攜性具有十分重要的意義。 2.1 冰刀刃磨機(jī)的主要指標(biāo) 冰刀的數(shù)控刃磨有其行業(yè)特點(diǎn)。首先，由于每個(gè)冰刀的磨損程度不同，其輪廓形狀位置是未知的。其次，冰刀數(shù)控刃磨屬于成形加工，不但要將刀刃磨出來，還必須將冰刀輪廓形狀修復(fù)成規(guī)定的形狀。再次，冰刀的刀刃面要求有較低的粗糙度。最后，刃磨冰刀時(shí)，在保證質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量考慮冰刀的使用壽命，每把冰刀的刃磨量設(shè)定要合理。綜合上述冰刀刃磨的特點(diǎn)后，確定冰刀刃磨機(jī)的主要指標(biāo)為： （1）能夠按特定參數(shù)和仿形自動(dòng)刃磨 300～450mm，拱高 10mm 的速滑、短道速滑冰刀的任意弧度。通過 X 、Y、Z 三個(gè)軸的伺服電機(jī)控制三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和刃磨運(yùn)動(dòng)。 （2）冰刀刃磨過程分粗磨、精磨、拋光三級(jí)刃磨，磨輪驅(qū)動(dòng)為變頻、低噪、小功率電機(jī)。冰刀刃平面粗糙度達(dá)到 Ra0.05～0.025，90°邊刃角直接打磨。一次刃磨時(shí)間為 3～5 分鐘。 （3）采用弧度采集器、線陣 CCD 與 A/D 轉(zhuǎn)換卡、單片機(jī)進(jìn)行接口通訊，能檢測冰刀弧度、刀刃磨損量；接收、運(yùn)算采樣數(shù)據(jù)；顯示刃磨過程圖形、進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比和按弧度檢測數(shù)據(jù)分級(jí)刃磨。 2.2 冰刀刃磨機(jī)的基本要求 （1）該設(shè)備是用于運(yùn)動(dòng)員刃磨冰刀，設(shè)備應(yīng)簡單、可靠、易操作、精度高； （2）為了保障冰刀的形狀精度，機(jī)械夾持部分應(yīng)具有良好的剛性和精度； （3）設(shè)備的布局、功能應(yīng)適應(yīng)不同種類冰刀刃磨的要求。 2.3 冰刀刃磨機(jī)總體布局 刃磨機(jī)的總體布局是設(shè)計(jì)刃磨機(jī)時(shí)影響全局性的決策部署。在總體布局確定后，才能確定部件之間的相對(duì)位置及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，進(jìn)一步具體設(shè)計(jì)刃磨機(jī)?？傮w布局的影響因素是多方面的，其中，工件的表面形成方法，即冰刀與砂輪怎么做相對(duì)運(yùn)動(dòng)來加工刀刃是設(shè)計(jì)刃磨機(jī)時(shí)首先要決定的。表面形成的方法確定后，刃磨機(jī)的布局、傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)及外形等就可初步?jīng)Q定。為了減少或消除刃磨機(jī)的振動(dòng)及熱變形，應(yīng)特別注意主軸變速箱、電動(dòng)機(jī)等的布局。此外，被加工工件的尺寸、重量和技術(shù)要求與刃磨機(jī)的布局有密切關(guān)系?？傮w布局還必須考慮人的因素，能夠滿足操作要求，必須有利于減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，以提高工作效率，并應(yīng)注意留出必要的維修空間。 數(shù)控冰刀刃磨機(jī)機(jī)械部分的總體布局如圖 2.1 所示，此冰刀刃磨機(jī)采用立式設(shè)計(jì)，主要由 X 向進(jìn)給裝置、Y 向進(jìn)給裝置、Z 向進(jìn)給裝置、夾具、砂輪裝置五部分組成。由于冰刀的長度在300~450mm之間，Y向運(yùn)動(dòng)行程為60mm，Z 向運(yùn)動(dòng)行程只要 20mm，所以整個(gè)機(jī)床的尺寸可以設(shè)計(jì)成：長 850mm，寬300mm，高 565mm。 冰刀的刃磨過程主要有 X 向冰刀磨削運(yùn)動(dòng)，Y 向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和 Z 向調(diào)節(jié)砂輪運(yùn)動(dòng)，通過這三個(gè)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)任意弧度冰刀的刃磨。本文研究的數(shù)控冰刀刃磨機(jī)體積、質(zhì)量較小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，所以可將電機(jī)與絲杠直接相連。如圖 2.2所示，冰刀固定在夾具 11 上； X 軸電機(jī) 9 帶動(dòng)絲杠 2 旋轉(zhuǎn)，使滑板 8 沿 X方向移動(dòng)，從而帶動(dòng)冰刀實(shí)現(xiàn) X 方向的運(yùn)動(dòng)，行程為 550mm，磨削刀刃表面和 90°邊刃角；同理，Y 軸電機(jī) 5 帶動(dòng)絲杠 6 旋轉(zhuǎn)，使滑板 3 沿 Y 方向移動(dòng)，從而帶動(dòng)冰刀實(shí)現(xiàn) Y 方向的運(yùn)動(dòng)，行程為 60mm，磨削冰刀的拱高，X 軸和 Y軸的聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)砂輪的磨削運(yùn)動(dòng)；手輪 13（為了減輕重量，用手輪代替 Z 向電機(jī)）帶動(dòng)絲杠 12 旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)砂輪 16 的上升下降即 Z 方向的運(yùn)動(dòng)。砂輪安裝在砂輪架15上，由砂輪電機(jī) 14 帶動(dòng)砂輪 16 轉(zhuǎn)動(dòng)。 1—X 軸支撐架 2—X 軸絲杠 3—Y 軸滑板 4—底座 5—Y 軸電機(jī) 6—Y 軸絲杠 7—X 軸導(dǎo)軌 8—X 軸滑板 9—X 軸電機(jī) 10—夾具導(dǎo)軌 11—夾具 12—Z 軸絲杠 13—手輪 14—砂輪電機(jī) 15—砂輪架 16—砂輪 圖 2.1 數(shù)控冰刀刃磨機(jī)的總體布局 2.4 主要部件的設(shè)計(jì)和選擇 對(duì)主要部件的設(shè)計(jì)和選擇要能滿足冰刀刃磨機(jī)的精度、剛度等性能上的要求。 2.4.1 進(jìn)給軸的行程和尺寸 冰刀的長度為 300～450mm，工作臺(tái)的實(shí)際加工行程就是所加工冰刀的長度，即工作臺(tái)的實(shí)際加工行程為 300～450mm。但在加工開始和結(jié)束時(shí)，工作臺(tái)要有一段加速行程和減速行程，所以將 X 軸的總行程設(shè)定為 550mm；再加上工作臺(tái)本身的長度（500mm）和裝夾尺寸，得出 X 軸的總尺寸為828mm。 圖 2.2 冰刀加工尺寸示意圖 刀刃可加工厚度不超過 30mm，如圖 2.2 所示，要給工作臺(tái)留出一段加、減速行程，所以 Y 軸的行程為 60mm；再加上工作臺(tái)本身的寬度（200mm）和裝夾尺寸，得出 Y 軸的總尺寸為 318mm。冰刀厚 2mm，砂輪厚 8mm；加上刀具的加、減速行程，Z 軸的行程設(shè)定為 20mm。由于工作臺(tái)本身的高度（220mm）度、砂輪架的高度（110mm）和裝夾尺寸，所以將 Z 軸的總尺寸設(shè)定為 400mm。 2.4.2 絲杠的選取 在本設(shè)計(jì)中，采用滾珠絲杠，梯形螺紋。絲杠的剛度與直徑大小直接相關(guān)，直徑大、剛度好，但直徑太大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也大，考慮到刃磨機(jī)屬于小型加工設(shè)備，取滾珠絲杠的直徑為20mm，所以選擇公稱直徑20mm，公稱導(dǎo)程6mm，絲杠外徑 20.3mm 的滾珠絲杠副。 根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸的行程，確定絲杠的有效螺紋長度分別為 X 軸 600mm，Y 軸90mm，Z 軸 48mm。 2.4.3砂輪架的設(shè)計(jì) 砂輪架（磨具、磨頭）是磨床上用來帶動(dòng)砂輪作高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，圖2.3 是冰刀刃磨機(jī)的砂輪架結(jié)構(gòu)。經(jīng)過靜平衡的砂輪緊固在主軸上，主軸支撐在軸承上。整個(gè)砂輪架與 Z 軸絲杠相連，實(shí)現(xiàn) Z 方向的運(yùn)動(dòng)。 1—端蓋 2—軸承 3—砂輪 4—支撐架 5—主軸 圖 2.3 砂輪架結(jié)構(gòu) 其中，主軸與軸承是砂輪架的關(guān)鍵部分，主軸軸承系統(tǒng)剛性好，會(huì)提高磨削生產(chǎn)率、加工精度和工件表面光潔度。磨床的砂輪主軸多數(shù)采用兩點(diǎn)支承，主軸剛度的計(jì)算簡圖見圖 2.4，根據(jù)材料力學(xué)， 式中 I主軸支撐之間那一段的當(dāng)量慣性矩，主軸支撐之間那一段的當(dāng)量外徑和孔徑。當(dāng) d / D ≤ 0.5時(shí)，孔對(duì)剛度的影響可以忽略，則，這里 D = 20mm。主軸的剛度為 在本設(shè)計(jì)中，我們選擇單列向心球軸承，其簡化后的支點(diǎn)在軸承中部；通常，主軸前端的懸伸長度 a 由構(gòu)造決定，根據(jù)冰刀刃磨機(jī)的整體尺寸，取a = 20mm；一般情況下 I= (3 ~ 5)a，大型磨床取下限，中小型磨床取上限，故取 I= 60mm。將各個(gè)參數(shù)帶入式（3.2）中，得主軸剛度K = 1.15 × N /mm，其中 E = 200GPa。 圖 2.4 受彎主軸計(jì)算簡圖 2.5磨削力的計(jì)算 磨削力是工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和接合劑與工件表面之間的摩擦作用。磨削力可以分為相互垂直的切向磨削力，沿砂輪徑向的法向磨削力，以及沿砂輪軸向的軸向磨削力。一般磨削中，軸向磨削力 較小，可以忽略不計(jì)。由于砂輪磨粒具有較大的負(fù)前角，所以法向磨削力大于切向磨削力 ，通常情況下/ 在 1.5～3 范圍內(nèi)（稱/ 為磨削比），需要指出的一點(diǎn)，磨削比不但與砂輪的銳利程度有關(guān)，而且隨被加工材料特性的不同而不同。磨削普通鋼料時(shí)， / ＝1.5～3。 磨粒開始接觸工件后，即刻受到工件的抗力作用，圖 2.5 所示為磨粒以平均磨粒切深 切入工件表面時(shí)的受力情況。在不考慮摩擦作用的情況下，切削力 垂直作用于磨粒錐面上。其分布范圍如圖2.5c 中的虛線范圍。從圖2.5a 可以看出，作用力分解為法向推力和側(cè)向推力。兩側(cè)推力相互抵消而法向推力則疊加起來使整個(gè)磨粒所受的法向磨削力明顯增大，所以無論是滑擦、耕犁或切削狀態(tài)下磨粒所受法向磨削力都大于切向磨削力。 圖2.5 磨粒上的作用力 根據(jù)圖 2.5，在 X ? X截面內(nèi)作用在磨粒上的切削力 可按下式求得： 式中， －單位磨削力（N/2mm ）； －接觸面積； －磨粒半頂錐角； －切削力方向與x方向的夾角。 分布如圖 2.5c 中虛線范圍所示，設(shè)圖中磨粒是具有一定錐角的圓錐，中心線指向砂輪的半徑，且圓錐母線長度為ρ ，則接觸面積 將式代入得 因?yàn)? 將式（3.5）代入（3.6）則得 因此，可求得作用于整個(gè)磨粒上的磨削力如下： 于是可得到磨削力的計(jì)算式 ， 為動(dòng)態(tài)有效磨刃數(shù)， 為砂輪表面上的單位長度靜態(tài)有效刃數(shù)， 為砂輪與工件的接觸弧長度， 為磨削寬度； 當(dāng)時(shí)，將 ，代入式中， 可得 : ， 當(dāng)時(shí)，將代入式中， 可得 : 2.6絲桿螺母副的選擇 2.6.1選擇計(jì)算 絲杠螺母副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。 表 5-1絲杠螺母副支承 支承方式 簡圖 特點(diǎn) 一端固定一端自由 結(jié)構(gòu)簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。 一端固定一端游動(dòng) 需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉(zhuǎn)速較高的場合，在受力較大時(shí)還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承。 兩端固定 只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會(huì)受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的場合。 （1）導(dǎo)程確定 電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動(dòng)比i=1, 選擇電機(jī)Y系列異步電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為 取Ph=4mm （2）確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 基本公式 最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故 （3）確定絲桿的等效負(fù)載 工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，） （4）選擇滾珠絲桿型號(hào) 計(jì)算得出Ca=Car=17.3KN, 則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN 公稱直徑Ph=6mm 則選擇GD型絲杠螺母副，絲桿的型號(hào)為GD2004-3 公稱直徑d0=20mm 絲桿外徑d1=19.3mm 鋼球直徑dw=2.381mm 絲桿底徑d2=17.1mm 圈數(shù)=3圈 Ca=11560N Coa=5243N 剛度kc=347N/μm 2.6.2校核計(jì)算 （1）臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負(fù)荷按下列計(jì)算： 式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受壓長度（m） K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3 Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N） f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1 I=絲桿最小截面慣性距（m4） 式中do--------是絲桿公稱直徑（mm） dw------------滾珠直徑（mm）， 絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺(tái)最大行程+螺母長度+兩端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撐距離LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm 代入上式計(jì)算得出Fca=5.8X108N 可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。 （2）臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速： 式中：A------絲桿最小截面：A= -------絲杠內(nèi)徑，單位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為 =148/2+300+(620-488)/2=440mm ----------安全系數(shù)，可取=0.8 fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時(shí)取18.9 經(jīng)過計(jì)算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。 2.7導(dǎo)軌副的選擇 2.7.1靜安全系數(shù)計(jì)算 根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌： 因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 2.7.2根據(jù)額定靜載荷初選導(dǎo)軌 選擇漢江機(jī)床廠HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)為:HJG-D25 基本參數(shù)如下: 額定載荷/N 靜態(tài)力矩/N*M 滑座重量 導(dǎo)軌重量 導(dǎo)軌長度 動(dòng)載荷 靜載荷 L (mm) 17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 1000 滑座個(gè)數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復(fù)次數(shù) M 4 0.6 4 導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N 依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln： 額定行程長度壽命: 2.7.3導(dǎo)軌校核計(jì)算 導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命: 導(dǎo)軌的工作壽命足夠. 導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)： ：靜安全系數(shù)；：基本靜額定負(fù)載；：工作載荷 導(dǎo)軌壽命計(jì)算： 2.8本章小結(jié) 本章首先介紹了冰刀刃磨機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)；接著在深入分析了冰刀刃磨運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)及刃磨過程中對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)的不同要求的基礎(chǔ)上，確定了冰刀刃磨機(jī)機(jī)械部分的總體布局；并對(duì)主要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選則，包括進(jìn)給軸的行程和尺寸、絲杠的選取和砂輪架的設(shè)計(jì)；計(jì)算了磨削力的大小；最后確定出刃磨機(jī)的整體尺寸為：長 850mm，寬 400mm，高 440mm。 第三章 刃磨部件設(shè)計(jì) 為了保障冰刀刃磨的質(zhì)量、效率和可靠性，就必須對(duì)冰刀刃磨工藝進(jìn)行研究。本章結(jié)合冰刀數(shù)控刃磨的特點(diǎn)，從砂輪磨料的選取，刃磨量的確定，砂輪轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度和砂輪的結(jié)構(gòu)、位置、修整等對(duì)冰刀刃磨工藝方面展開了深入的研究，并介紹了自動(dòng)生成刃磨工藝卡的方法。 3.1 數(shù)控刃磨的特點(diǎn) 與冰刀的手工刃磨相比，冰刀的數(shù)控刃磨在控制過程、加工工藝、加工設(shè)備都有手工刃磨具有明顯的不同。本節(jié)主要從加工工藝方面，來說明冰刀數(shù)控刃磨加工的特點(diǎn)如下： （1）手工刃磨是人工搓動(dòng)砂輪或條砂輪，數(shù)控加工時(shí)，主軸帶動(dòng)砂輪做高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達(dá)到 8000r/min，加工線速度達(dá)到 30～60m/min。 （2）加工進(jìn)給時(shí)，手工加工是斷續(xù)的，一段一段的推。冰刀的數(shù)控進(jìn)給加工是均勻的、連續(xù)的、穩(wěn)定的、可靠的，速度一般高于手工加工的速度。 （3）手工加工靠操作員的手感，分級(jí)加工不明顯，加工過程由人工來控制。數(shù)控加工分級(jí)加工非常明顯，每一級(jí)的加工量和加工次數(shù)都很精確具體；由程序控制加工過程，所以數(shù)控加工穩(wěn)定性強(qiáng)，可靠性高。 （4）手工加工產(chǎn)熱低，數(shù)控加工產(chǎn)熱相對(duì)較大。 （5）手工加工速度慢，效率低，加工時(shí)間長，精度低。數(shù)控加工速度快，效率高，完成一把刀的加工時(shí)間只要 3～5 分鐘，加工精度高。 3.2 影響冰刀刃磨質(zhì)量的因素 1）磨料 數(shù)控刃磨加工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的熱量和壓力，加工材料也刃磨材料微觀分子將十分活躍，出產(chǎn)生復(fù)雜物理作用，機(jī)械作用，化學(xué)作用。這些作用都會(huì)明顯地影響加工的效果和質(zhì)量，只有在正確選取能與工件材料相匹配的刃磨材料時(shí)，才會(huì)得到好的刃磨質(zhì)量。在本章下一小中，會(huì)專門介紹本文冰刀磨料選擇的方法和選擇結(jié)果。 2）單次磨削量 機(jī)床控制砂輪對(duì)冰刀進(jìn)行加工時(shí)，在單次的加工過程中，砂輪對(duì)冰刀的縱向的刃磨量為單次刃磨量。單從精度角度而言，單次刃磨量越小，得到冰刀的刃磨精度會(huì)越高，但這樣刃磨效率會(huì)很低，所以，單次刃磨量要根據(jù)刃磨精度，刃磨效率和刃磨級(jí)別三重因素來綜合確定。不同的刃磨級(jí)別，單次刃磨量是會(huì)不相同的。在本文冰刀刃磨過程中，粗磨時(shí)，單次刃磨為 10～20 微米；精磨時(shí)，單次刃磨量為5～10 微米；拋光磨時(shí)，只進(jìn)行表面拋光處理，基本上不設(shè)定加工量。 3）主軸轉(zhuǎn)速 在一定范圍內(nèi)，提高主軸的轉(zhuǎn)速會(huì)提高冰刀的刃磨質(zhì)量，但高到一定值時(shí)，其刃磨質(zhì)量卻會(huì)下降。是因?yàn)椋谝欢ǖ娜心チ繒r(shí)，主軸轉(zhuǎn)速越大，產(chǎn)生的熱就越大，磨料的微粒活性增大，離心的作用力也越大，起切削作用的微粒刃磨砂粒就容易被摔落，所以刃磨的質(zhì)量會(huì)下降，如圖 3.1 所示，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)箭頭方向分別表示主軸速度增大，刃磨精度增高的方向。同樣，主軸的轉(zhuǎn)速根據(jù)不同的刃磨級(jí)別會(huì)不同。一般而言刃磨級(jí)別越高轉(zhuǎn)速會(huì)越大。在本文冰刀刃磨過程中，粗磨時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為 8000～10000r/min；精磨時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為 10000～12000r/min；拋光磨時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為 12000～18000r/min。 圖 3.1 主軸轉(zhuǎn)速和加工精度的關(guān)系 4）砂輪進(jìn)給速度 在一定單次刃磨量和主軸轉(zhuǎn)速情況下，提高進(jìn)給速度會(huì)使冰刀的刃磨質(zhì)量下降，圖 3.2，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)箭頭方向分別表示進(jìn)給速度增大，刃磨精度增高的方向原因是，當(dāng)進(jìn)給速度低時(shí)，冰刀同一微表面積得到的刃磨時(shí)間就越長，磨削質(zhì)量就越好。但是考慮到刃磨效率和產(chǎn)熱因素，進(jìn)給速度不能太低。因?yàn)椋绻M(jìn)給速度太低，一方面會(huì)降低加工效率；另一方面，會(huì)使摩擦熱聚積，工件溫度升高，造成工件燒結(jié)。因此，應(yīng)該根據(jù)不同的刃磨級(jí)別，確定相應(yīng)的進(jìn)給速度。級(jí)別高時(shí)，刃磨量較小，進(jìn)給速度可以適當(dāng)加大。在本文的冰刀刃磨過程中，粗磨時(shí)，進(jìn)給速度為400mm/min；精磨時(shí)，進(jìn)給速度為 600mm/min；拋光磨時(shí)，進(jìn)給速度為 800mm/min。 圖 3.2 砂輪的進(jìn)給速度和加工精度的關(guān)系 5）磨粒尺寸 在本文中，冰刀的刃磨分三級(jí)，磨粒尺寸也相應(yīng)分為三級(jí)，粗磨的磨粒尺寸大，精磨、拋光磨的磨粒尺寸小。在每一級(jí)的刃磨中，只要能達(dá)到所在級(jí)別的刃磨質(zhì)量要求的前提下，可以盡量選擇偏粗的磨粒，這樣可以提高刃磨的效率。所以本文對(duì)冰刀磨粒的選擇為：粗磨時(shí)，選擇粒度號(hào)數(shù)為 40～80 的砂粒，磨粒的顆粒數(shù)一般選擇在 200～400/cm2；精磨時(shí)，選擇粒度號(hào)數(shù)為 100～200 的砂粒，磨粒的顆粒數(shù)一般選擇在 400～600/cm2；拋光磨時(shí)，選擇粒度號(hào)數(shù)為 200～W20 的砂粒，磨粒的顆粒數(shù)一般選擇在 600～800/cm2。 6）砂輪補(bǔ)償技術(shù) 砂輪補(bǔ)償技術(shù)是保證冰刀刃磨質(zhì)量的重要因素。砂輪使用久了，會(huì)產(chǎn)生磨損，半徑會(huì)縮小，表面平整下降，圓度也會(huì)下降。這些因素會(huì)對(duì)精度要求較高的冰刀刃磨質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。這時(shí)，需要對(duì)砂輪進(jìn)行修整和半徑補(bǔ)償。在本章后續(xù)章節(jié)中會(huì)專門介紹冰刀刃磨機(jī)砂輪的修整和補(bǔ)償方法。 7）刃磨機(jī)設(shè)備 任何數(shù)控機(jī)床本身具備一定的精度等級(jí)，例如普通精度的數(shù)控機(jī)床位移精度一般為 0.01～0.001mm，精密級(jí)數(shù)控機(jī)床位移精度可高達(dá) 0.1μm。機(jī)床重要組成元件如絲杠、導(dǎo)軌、電機(jī)、以及機(jī)床的剛度和裝夾技術(shù)會(huì)對(duì)機(jī)床精度產(chǎn)生重要的影響，從而對(duì)工件的加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。 3.3 磨料的選擇 冰刀數(shù)控刃磨加工和一般的手工刃磨加工相比，最明顯的特點(diǎn)是其加工速度快，產(chǎn)生熱量大，壓力高。加工材料微觀分子將十分活躍，產(chǎn)生復(fù)雜物理作用，機(jī)械作用，化學(xué)作用。這些作用都會(huì)明顯地影響加工的效果和質(zhì)量，其中對(duì)磨料的選擇起決定意義的作用是加工材料和被加工材料的物理作用和化學(xué)作用。在一定工藝方法前提下，只有在選定好與被加工材料能相匹配的刃磨材料，才能得到理想的數(shù)控加工效果。本小節(jié)的研究目的就是：研究加工材料和被加工材料的刃磨作用機(jī)理，選定好適合冰刀加工的刃磨材料。 工業(yè)中，常用的磨料材料有四種：剛玉，碳化硅，立方氮化硼，金剛石。剛玉與金屬材料的刃磨時(shí)，粘附作用很明顯，不適合做本項(xiàng)目的磨料；刃磨產(chǎn)生熱量時(shí)，碳化硅在容易和鋼鐵材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以也不適合做本項(xiàng)目的磨料；金剛石雖然硬度大，也不粘附鋼鐵材料，也不和鋼鐵材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但在刃磨的高溫下，金剛石容易和空氣中的氧的親和性大，而本文的刃磨不使用刃磨液，所以金剛石也不適合做冰刀的磨料。本文最終選擇的磨料是立方氮化硼， 3.4 砂輪的選擇 砂輪的結(jié)構(gòu)有利于簡化加工工藝。冰刀刃磨分粗磨、精磨、拋光磨三級(jí)刃磨，對(duì)應(yīng)有粗磨、精磨、拋光磨三級(jí)砂輪。當(dāng)從一種級(jí)別刃磨向另一種級(jí)別轉(zhuǎn)換時(shí)，就要更換砂輪。冰刀是小型工件，加工冰刀的砂輪也是小型砂輪（本文所選擇是直徑40mm，厚 8mm 的砂輪），所以設(shè)計(jì)砂輪時(shí)，可以將三塊不同級(jí)別的砂輪合并成一塊，更換砂輪時(shí)，Y 軸帶動(dòng)砂輪在 Y 軸進(jìn)給一段位移，就可以轉(zhuǎn)換砂輪 。 3.5 冰刀與砂輪位置關(guān)系 冰刀與砂輪的位置關(guān)系也會(huì)對(duì)冰刀刀刃的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。冰刀手工刃磨冰刀時(shí)，人工控制砂輪刃磨冰刀，很難保證砂輪面和冰刀刀刃面始終平齊，很容易把刀刃面磨得不平整，產(chǎn)生偏刃。在冰刀的數(shù)控刃磨時(shí)同樣要注意這個(gè)問題。冰刀與砂輪的位置關(guān)系需要保證兩點(diǎn)。 （1）冰刀要能落在砂輪的加工范圍內(nèi)，如圖 3.3（a）所示。 （2）砂輪的軸線 n1 與冰刀面的法線 n2（與冰刀面垂直的豎線）必須平行，否 則就會(huì)產(chǎn)生偏刃，如圖 3.3（b），（c），（d）所示。 圖3.3 砂輪與冰刀的位置關(guān)系 3.6 砂輪的修整 3.6.1砂輪的磨損機(jī)理 在磨削過程中，用于磨削力和磨削溫度的作用。砂輪工作表面上的磨粒會(huì)逐漸的磨鈍。磨鈍后的砂輪，將影響被磨工件的表面質(zhì)量和幾何精度，常引起振動(dòng)、噪音、粗糙度增大、產(chǎn)生裂紋、燒傷和殘余應(yīng)力等。因此，砂輪和其它切削工具一樣需要定期“刃磨”，也就是需要定期修整。磨料磨具的固有特性和被加工材料的物理化學(xué)作用是影響磨削質(zhì)量好壞的重要因素。砂輪的磨削加工過程中，砂輪的磨損形式主要有機(jī)械磨損、化學(xué)磨損和粘附磨損三種。砂輪的修整在磨削中占有重要的地位，是充分發(fā)揮磨料磨具優(yōu)異性能的必要條件。 3.6.2砂輪的參數(shù) 由于砂輪在磨削過程中的熱變形和磨損作用，在砂輪停止加工后和加工中尺寸會(huì)有所變化，如圖 3.4 所示。因此在每次磨削前先要將砂輪修整一次，獲得一個(gè)比較準(zhǔn)確的半徑初始值。當(dāng)砂輪半徑小于設(shè)定最小值時(shí)系統(tǒng)要給出提示信息。砂輪數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的砂輪文件中，可以隨時(shí)調(diào)出編輯。對(duì)冰刀刃磨加工，采用普通砂輪，精度要求比較高，所以每磨削一定圈數(shù)要進(jìn)行砂輪修整。對(duì)砂輪的磨削和修整是通過設(shè)定砂輪和工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。冰刀砂輪的最主要的兩個(gè)參數(shù)是寬度和半徑，因?yàn)樯拜喌膶挾葲Q定 Y 軸的移動(dòng)幅度，半徑對(duì)砂輪恒線速度的控制和加工精度具有重要意義。 圖 3.4 磨損砂輪的表面形狀（放大效果） 3.6.3砂輪修整方法 本系統(tǒng)是根據(jù)計(jì)數(shù)器設(shè)定或手工測量來控制修整砂輪，砂輪的修整主要有兩方面的內(nèi)容：修形，修銳。 （1）修形 修形又包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：修砂輪圓度與修砂輪圓柱表面的平整度。砂輪使用久了，其外表面就會(huì)出現(xiàn)如圖 3.4 所示的缺陷，而且砂輪的圓整度也會(huì)發(fā)生微小的變化，如圖 3.5所示。修形就是修整砂輪的外圓面和砂輪的圓整度。修形時(shí)，用金剛石筆將砂輪的外圓半徑磨掉一層，如圖 3.5所示。使砂輪重新恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形，然后量出砂輪新的半徑，再將新的半徑值補(bǔ)償?shù)娇刂葡到y(tǒng)中去。 （2）修銳 砂輪使用一段時(shí)間后，起切削作用的小磨粒會(huì)折斷或者被磨平，或者磨粒之間的空間被切削物所填滿，造成磨粒的磨削功能下降。這時(shí)需要用油石刃磨砂輪，一方面將砂粒之間的微小填充物清洗出來，一方面將微小的磨粒打銳。 圖3.5 砂輪的修形示意圖 3.7 本章小結(jié) 本章結(jié)合了數(shù)控刃磨的特點(diǎn)，研究了影響冰刀刃磨質(zhì)量的各種因素，確定了各種因素的工藝取值范圍，在此基礎(chǔ)上，介紹了自動(dòng)生成冰刀刃磨加工工藝卡的方法。設(shè)計(jì)了冰刀的砂輪結(jié)構(gòu)，介紹了砂輪的修整方法。 第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 正確的刃磨工藝是保證刃磨質(zhì)量的必要前提，而穩(wěn)定可靠的刃磨控制過程又是刃磨工藝得以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)保證。冰刀刃磨的控制過程分為三個(gè)刃磨級(jí)別的控制過程，而每一級(jí)別控制過程中又由多次單次加工循環(huán)組成。每單次加工過程中有許多細(xì)節(jié)控制步驟，對(duì)這些細(xì)節(jié)步驟的控制和把握會(huì)對(duì)冰刀的最后刃磨質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。加工過程中，還要采取方法控制砂輪具有恒定的加工線速度。 4.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 冰刀刃磨機(jī)的控制系統(tǒng)以通用 PC 機(jī)作為基本的硬件平臺(tái)，通過打印機(jī)接口外接自行設(shè)計(jì)的板卡，把冰刀刃磨機(jī)作為通用 PC 機(jī)的一個(gè)外設(shè)，實(shí)現(xiàn) PC 直接數(shù)控，從而將冰刀刃磨機(jī)集成為便攜式的數(shù)控產(chǎn)品。采用通用 PC 機(jī)通過打印機(jī)接口與刃磨機(jī)聯(lián)接， PC 機(jī)可以根據(jù)需要與機(jī)器本身分開，也可聯(lián)機(jī)共同工作，為該設(shè)備的便攜式提供了靈活的組成方式，可以把機(jī)床想打印機(jī)一樣的方面的連接在任何一臺(tái)普通的通用 PC 機(jī)上。同時(shí)，以通用 PC 機(jī)作為基本的硬件平臺(tái)也可省略專用控制器的接線和板卡設(shè)計(jì)，簡化了控制系統(tǒng)的自身的結(jié)構(gòu)。 4.2 刃磨的運(yùn)動(dòng)控制分析 冰刀的刀刃線形狀比較簡單，主要由幾段相切的圓弧線組成。冰刀加工時(shí)，由三個(gè)移動(dòng)軸控制工作臺(tái)對(duì)冰刀進(jìn)行加工。其運(yùn)動(dòng)可以分解為：旋轉(zhuǎn)主軸帶動(dòng)砂輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；Z、X 軸：兩軸聯(lián)動(dòng)，完成對(duì)冰刀刀刃輪廓線的刃磨；X、Y、Z 軸：三軸聯(lián)動(dòng)，帶動(dòng)砂輪走螺旋線的軌跡運(yùn)動(dòng)。 4.2.1砂輪的控制運(yùn)動(dòng) 本文的砂輪是安裝在工作臺(tái)上，所以砂輪的運(yùn)動(dòng)方式有三種：（1）隨主軸做主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（2）隨 X 軸和 Z 軸聯(lián)動(dòng)完成對(duì)冰刀刀刃輪廓線的刃磨。（3）隨 Y 軸做來回的往復(fù)移動(dòng)。以下重點(diǎn)對(duì)砂輪的第三種運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析說明。如圖 4.1 所以，方框表示砂輪刃磨圓柱面的展開，方框里的線條表示加工點(diǎn)在砂輪面上留下的刃磨軌跡。圖(a)，砂輪不擺動(dòng)，砂輪磨削面上的所有實(shí)際起磨削作用的有效磨削點(diǎn)將集中于一條線上。砂輪厚 8mm，冰刀刃厚 2mm，這樣很快就會(huì)將砂輪磨出一條槽，大大浪費(fèi)了砂輪的使用效率。而圖(b)時(shí)，砂輪在做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)沿機(jī)床的Y 方向軸上做來回的往復(fù)擺動(dòng)，這樣砂輪的整個(gè)外圓柱面就將參與冰刀的刃磨加工，將砂輪從(a)中的一條線的徑向磨損均勻分散到一個(gè)圓柱面上的徑向磨損，大大提高砂輪的使用效率和使用壽命，節(jié)省成本，還能方便對(duì)以后的砂輪修整。 圖 4.1 磨削點(diǎn)在砂輪面上的運(yùn)動(dòng)軌跡 4.2.2刃磨的控制流程 由工藝可知，冰刀的刃磨分粗磨、精磨、拋光磨三級(jí)。每級(jí)刃磨中，都需要多次刃磨過程來完成，加工起始時(shí)，刃磨機(jī)的測量部分給出冰刀的刃磨量，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出每級(jí)刃磨的刃磨量和每級(jí)刃磨的刃磨次數(shù)，并以工藝卡的形式在人機(jī)界面中操作員顯示出來。操作員可以適當(dāng)?shù)男薷膫€(gè)別的加工參數(shù)。在任何一級(jí)刃磨中，砂輪每完成單次加工過程，控制系統(tǒng)都會(huì)做出判斷是否進(jìn)入下一級(jí)的加工，或者是否完成加工。 本文數(shù)控伺服系統(tǒng)中，有四個(gè)伺服軸：主軸、X 軸、Y 軸和 Z 軸。主軸帶動(dòng)砂輪作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于工件質(zhì)量和體積都較小，機(jī)械慣量、機(jī)械常數(shù)也較小，所以其機(jī)械滯后比較小，在實(shí)際加工中形成輪廓曲線時(shí)只要有小的滯后誤差。而且，砂輪直接由主軸電機(jī)帶動(dòng)，不經(jīng)過其它傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)誤差很小。X 軸、Y 軸和 Z 軸，主要是帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)臺(tái)刀架上下左右運(yùn)動(dòng)，由于是便攜式的機(jī)床，運(yùn)動(dòng)臺(tái)重量輕、機(jī)械慣量小，響應(yīng)較快。故對(duì) X 軸、Y 軸和 Z 軸也采用半閉環(huán)控制方式。 4.3 砂輪恒線速度的控制 為了保證工件表面的刃磨質(zhì)量，必須要求砂輪保持表面的線速度恒定。如刃磨工藝中所知，為了保持砂輪的切削力和表面光潔平整性，一段時(shí)間后就得對(duì)砂輪進(jìn)行修整。這樣砂輪的半徑就會(huì)不斷減小，如果轉(zhuǎn)速是恒定的，所以砂輪的線速度就會(huì)隨之減小。這時(shí)，為了保證砂輪的加工線速度恒定，就得隨著砂輪的半徑的改變而改變砂輪的轉(zhuǎn)速。本文采取的是三相交流伺服電機(jī)，本文采取如下方法實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪的恒線速度旋轉(zhuǎn)。如圖 4.2 所示：采取 CNC-PLC 模擬量單元的數(shù)據(jù)及信號(hào)處理環(huán)節(jié)，而在執(zhí)行環(huán)節(jié)中，用變頻器來實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的控制。同時(shí)設(shè)計(jì)合理的信號(hào)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，主要包括程序，PLC 程序，變頻參數(shù)設(shè)置等，以滿足控制方式的要求。 圖 4.2 砂輪恒線速度控制 在數(shù)控環(huán)節(jié)完成對(duì)當(dāng)前砂輪直徑值的數(shù)值運(yùn)算后，通過數(shù)控單元與 PLC 單于的數(shù)據(jù)交換，把砂輪直徑送入 PLC 數(shù)據(jù)位，由 PLC 通過模擬量輸出單元送出 0-+10V的控制電壓，控制變頻器的運(yùn)行，達(dá)到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的目的。實(shí)現(xiàn) 砂輪恒速度的控制。 NC 與 PLC 的信號(hào)傳遞采用指令，模擬量單元作為一個(gè) PLC 的擴(kuò)展單元插在 PLC插槽中，直接接受 PLC 程序的數(shù)據(jù)傳送指令，并實(shí)現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換輸出。對(duì)交流變頻器參數(shù)必須加以設(shè)定。根據(jù)砂輪轉(zhuǎn)速，計(jì)算出合理的基本頻率和最高頻率，使 0 至 10V的模擬電壓輸入與之相適應(yīng)。 4.4本章小結(jié) 本章在數(shù)控硬件體系的基礎(chǔ)上，仔細(xì)分析了冰刀刃磨加工的控制過程，提出了砂輪的特殊運(yùn)動(dòng)方法，機(jī)理和過程，采取了半閉環(huán)的伺服位置控制方案，研究了砂輪保持恒定線數(shù)度的控制方法。 總 結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)中所學(xué)知識(shí)的回顧，是對(duì)以往所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，鍛煉了我們的獨(dú)立思考能力、獨(dú)立解決工程實(shí)際問題的能力、畫圖能力，更是從課本中的理論知識(shí)到生產(chǎn)實(shí)際的轉(zhuǎn)變。 在這之前，雖然經(jīng)過四年的學(xué)習(xí)學(xué)到了很多知識(shí)，但是還沒有機(jī)會(huì)來運(yùn)用和掌握這些東西。通過這次實(shí)踐，我對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)過程都有了全面的了解，設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖方面的能力都得到了全面的訓(xùn)練和提高，也使我對(duì)機(jī)械產(chǎn)生了更加濃厚的興趣，更堅(jiān)定了我從事機(jī)械行業(yè)的信心。設(shè)計(jì)初期，我去圖書館的網(wǎng)站內(nèi)下載了許多相關(guān)的文獻(xiàn)資料，對(duì)冰刀刃磨裝置有所了解，然后開始準(zhǔn)備我的開題報(bào)告、任務(wù)書和文獻(xiàn)綜述。在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，我也遇到了很多困難，經(jīng)過多次的數(shù)據(jù)修改才把總體方案給確定下來，開始畫圖等工作。設(shè)計(jì)期間得到了我的指導(dǎo)老師的幫助，我覺得從與老師的溝通過程中，我能學(xué)到很多東西，老師可以從另外一個(gè)角度來啟發(fā)我，給了我很多幫助、鼓勵(lì)和指導(dǎo)。通過這段時(shí)間的設(shè)計(jì)，我已基本按照設(shè)計(jì)要求完成玉米收獲機(jī)的設(shè)計(jì)，但是由于本人知識(shí)水平有限，又沒有實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中定存在不足之處，敬請(qǐng)老師同學(xué)批評(píng)指正，提出寶貴意見，以便及時(shí)糾正。當(dāng)然，我知道整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)還沒有結(jié)束，因?yàn)檫€需要答辯，還要有答辯老師的提問與意見，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)才能最終畫上句號(hào)。因此，我還需要繼續(xù)努力，認(rèn)真準(zhǔn)備答辯，仔細(xì)檢查我的論文，更好的完善，為我的大學(xué)畫上一個(gè)圓滿的句號(hào)。 參考文獻(xiàn) [1] 邱宣懷. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 第4版. 北京：高等教育出版社，1997 [2] 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Of DSMC, 1993 致 謝 四年大學(xué)生活即將結(jié)束，畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科教育的一個(gè)重要的關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)，能順利地完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)離不開各位老師和同學(xué)的幫助。 首先應(yīng)該感謝我的指導(dǎo)老師，在我們畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，他工作認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度讓我十分敬佩。此外，他對(duì)待學(xué)生和藹可親，不厭其煩的為學(xué)生解決設(shè)計(jì)中遇到的困難，指導(dǎo)我們?nèi)绾卫砬逅悸?，順利的進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，給予我精心的指導(dǎo)與幫助，為我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)付出了辛勤的勞動(dòng)，傾注了大量時(shí)間和精力。沒有老師的幫助就沒有今天的設(shè)計(jì)成果，在此向他表示誠摯的敬意和衷心的感謝。 通過這次設(shè)計(jì)使我意識(shí)到遇到問題首先應(yīng)該獨(dú)立思考問題并解決問題，同時(shí)在此過程中還讓我明白了一些做人的道理。在此表示真誠的感謝，同時(shí)也感謝在設(shè)計(jì)過程中幫助過我的老師和同學(xué)。 最后，感謝我的同窗好友，四年來我們朝夕相處，共同進(jìn)步，感謝你們?cè)诖髮W(xué)四年里給予我的所有關(guān)心和幫助。