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湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設計（論文）
題 目
托板內(nèi)存式MK7120型精密數(shù)控平面磨床 砂輪架及垂直進給機構和立柱設計
作者
赫榮玉
學院
機電工程學院
專業(yè)
機械設計制造及其自動化
學號
1103010124
指導教師
鄧朝暉
2015年5 月 25日
湖 南 科 技 大 學
畢業(yè)設計（論文）任務書
機電工程 院 機械設計制造及其自動化 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日
學生姓名: 赫榮玉 學號: 1103010124 專業(yè): 機械設計制造及其自動化
1 設計（論文）題目及專題： 托板內(nèi)存式MK7120型精密數(shù)控平面磨床砂輪架及垂直進給機構和立柱設計
2 學生設計（論文）時間：自 2015 年 3 月 10 日開始至 2015 年 5 月 29 日止
3 設計（論文）所用資源和參考資料：
[1]關慧貞、馮辛安.機械制造裝備設計.北京：機械工業(yè)出版社，2009.11
[2]毛謙德、李振清.著袖珍機械設計師手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1994.09
[3]文懷心、夏田.數(shù)控機床系統(tǒng)設計[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005
4 設計（論文）應完成的主要內(nèi)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，垂直進給機械 機構裝配圖；繪制相關零件圖；
（4）磨床立柱設計，繪制立柱零件圖；
（5）磨床數(shù)控系統(tǒng)設計和選用；
（6）翻譯指定的英文專業(yè)文獻；
（7）撰寫畢業(yè)設計論文（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：
圖紙總工作量折合A0圖紙3張以上，畢業(yè)設計論文字數(shù)不少于1.5萬字，參考文獻至少15篇以上。
6 發(fā)題時間： 2015 年 1 月 20 日
指導教師： （簽名）
學 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學
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(nèi)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
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(nèi)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
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
本文設計了一臺托板內(nèi)存式精密數(shù)控平面磨床，用于機械制造業(yè)及模具制造業(yè)平面和臺階面的精密磨削加工。主要包括磨床總體布局、砂輪架、垂直進給機構、立柱和硬件電路等設計。磨床采用托板內(nèi)存式，前后床身為整體式結構，龍門立柱內(nèi)設計有內(nèi)存式結構的拖板砂輪架，通過砂輪架實現(xiàn)磨床的垂直進給運動和橫向進給運動，磨床剛性好，磨床縱向進給運動由工作臺工件實現(xiàn)；砂輪架設計包括砂輪架主軸設計計算及其剛度校核及其結構設計；垂直進給機構設計包括滾珠絲杠副設計計算、選型、校核和其他零件的設計計算及選型，垂直進給機構伺服電機驅動滾珠絲杠做旋轉運動，通過滾珠絲杠副螺母座帶動與其連接的立柱箱體上下運動，實現(xiàn)了內(nèi)存式砂輪架的垂直進給運動；磨床硬件電路采用西門子802D數(shù)控系統(tǒng)，由CPU、磨床控制面板、個人計算機、調試電纜、輸入/輸出模塊、驅動器和總線組成。該磨床各機構通過設計計算及校核調試，已經(jīng)滿足既定技術參數(shù)要求和功能要求。通過上述的設計，最終完成了托板內(nèi)存式MK7120型精密數(shù)控平面磨床砂輪架及垂直進給機構和立柱設計任務。
關鍵詞：數(shù)控平面磨床、托板內(nèi)存式、砂輪架、垂直進給機構、立柱
ABSTRACT
In this paper, a plate memory type precision numerical control surface grinder is designed that should be used for the precision grinding of plane and step surface in machinery manufacturing and mold manufacturing. The main content of the design includes the design of overall layout, grinding wheel rack, vertical feed mechanism, column and hardware circuit .The grinder adopts plate memory type, and the before and after the lathe bed is the overall structure. There is a plate grinding wheel rack of memory structure within the longmen column. The vertical feed movement and transverse feed movement of the grinder are achieved by the grinding wheel rack, while longitudinal feed movement by the workbench. The grinder has good rigidity. The design of the grinding wheel rack mainly includes calculation and the rigidity check and the structure design of the spindle. The design of the vertical feed mechanism includes design calculation and selection and checking of the ball screw vice and the design calculation and selection of other components. The servo motor of vertical feed mechanism drives ball screw to do rotary motion, so the ball screw vice nut drives the connected column body go up and down, thus realizing vertical feed movement of the memory type grinding wheel rack. The grinder hardware circuit uses the Siemens 802D CNC system, including the CPU, grinder control panel, the personal computer, debugging, cable, input/output module, drive and a bus. Through the design calculation and checking debugging, the grinder institutions have already met the established technical parameter requirements and functional requirements. Through the above design, the assigned designing including the grinding wheel rack and vertical feed mechanism and column of the plate memory type MK7120 precision numerical control surface grinder is completed.
Keywords: numerical control surface grinder, plate memory type, grinding wheel rack, vertical feed mechanism, column
湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）
目 錄
第一章 緒 論 1
1.1 課題背景及目的 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3 課題研究方法 3
1.4 論文的構成及研究內(nèi)容 4
1.4.1 論文的構成 4
1.4.2 設計研究的內(nèi)容 4
1.5 設計的主要技術參數(shù) 4
第二章 磨床總體布局設計 6
2.1總體布局方案設計 6
2.1.1 機床總體布局應滿足的要求 6
2.1.2 機械制造裝備應滿足的一般功能 6
2.1.3 總體布局方案選擇 6
2.2 總體布局設計 7
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 垂直進給機構布局設計 17
4.2 磨削力的計算 17
4.3 滾珠絲杠副設計 19
4.3.1 滾珠絲杠副設計使用中應注意的問題 19
4.3.2 滾珠絲杠副設計步驟 20
4.4 滾珠絲杠副驅動電機的選擇 28
4.4.1驅動電機功率計算 28
4.4.2驅動電機轉矩計算 28
4.4.3驅動電機負載轉動慣量計算 29
4.4.4電機的選擇 30
4.5聯(lián)軸器的選擇 30
4.5.1 計算轉矩 30
4.5.2 型號選擇 31
4.5.3 聯(lián)軸器的校核 31
第五章 磨床立柱的設計 32
5.1 磨床立柱簡介 32
5.2 立柱的受力情況 32
5.3 立柱工作過程概述 32
5.4 立柱的設計 33
第六章 硬件電路的設計 34
6.1 數(shù)控電路的介紹 34
6.2 西門子802D數(shù)控系統(tǒng)的組成 34
6.3 802D數(shù)控系統(tǒng)的連接 34
6.4 數(shù)控系統(tǒng)接線圖 35
第七章 結論 36
參考文獻 37
致謝 38
附錄A：磨床總體布局
附錄B：磨床垂直進給機構裝配圖
附錄C：磨床砂輪架裝配圖
附錄D：磨床立柱零件圖
附錄F：砂輪架主軸零件圖
附錄G：數(shù)控系統(tǒng)電路接線圖
第一章 緒 論
1.1 課題背景及目的
數(shù)控磨床是通過磨具磨削加工工件表面的機床。使用高速旋轉的砂輪進行加工磨削是一大部分磨床的特點，而砂帶磨床、珩磨機和研磨機等小部分進行加工時是使用油石、砂帶等其他磨具和游離磨料的。數(shù)控磨床的范疇包括數(shù)控平面磨床、數(shù)控內(nèi)外圓磨床、數(shù)控立式萬能磨床、數(shù)控成形磨床等 [1]。
電子信息技術快速發(fā)展是當今社會的主流，所以世界磨床行業(yè)也進入數(shù)字化制造技術時代，即機電一體化時代，其代表作品之一就是數(shù)控磨床。
我國數(shù)控磨床起源于上世紀80年代，相對其他國家起步較晚。但是，這并沒有阻礙我國數(shù)控磨床的快速發(fā)展，經(jīng)過了多年發(fā)展，已經(jīng)由成長期邁入成熟期。數(shù)控磨床是制造業(yè)的加工母機，它在航天工業(yè)、汽車制造業(yè)、兵器制造業(yè)等行業(yè)都有廣泛應用。我國正處于工業(yè)化中期，發(fā)展極其迅猛的鋼鐵、機械、化工等行業(yè)都依賴于磨床的制造發(fā)展，由此可見未來的磨床市場尤其是數(shù)控磨床市場前景廣闊。
行業(yè)規(guī)模的擴大驅動著國產(chǎn)中高檔數(shù)控磨床的進步，全面提升了數(shù)控磨床的整體水平。伴隨著產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控磨床仍存在問題，表現(xiàn)在：1、數(shù)控化水平較低。不到30%的生產(chǎn)值數(shù)控化率使得高檔數(shù)控磨床配套部件只能依靠進口；2、功能部件生產(chǎn)發(fā)展緩慢；3、產(chǎn)品結構水平偏低[2]。
所以本次設計研究有以下目的及意義：(1)了解數(shù)控平面磨床的結構、特點及功能部件；(2)提高數(shù)控磨床結構性能；(3)培養(yǎng)學生的自主設計能力。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
從1997年歐洲機床展覽會的調查數(shù)據(jù)可以看出，磨削是應用的最主要的加工技術這一觀點得到了四分之一的企業(yè)的贊同，高于車、鉆等其他加工技術。相應地，在企業(yè)中磨床占機床的比例高達42%，同樣遠高于車、銑、鉆床等占有比例。由此可見，在精密加工中，有許多零部件要達到其要求是通過精密磨削來實現(xiàn)的，而精密磨削加工離不開精密磨床，因此在精密加工中，精密磨床占有非常重要的作用。
我國開始生產(chǎn)液壓傳動的平面磨床約在50年代初。磨頭移動式臥軸矩臺平面磨床372B首先在上海機床廠被制造出來以后, 各大機床廠也相繼制造了平面磨床。平面磨床的型式有拖板移動式、立柱移動式和磨頭移動式和龍門式等型式。
平面磨床的類型及結構特點如表1.1所示。
表1.1 平面磨床的類型及結構特點
系號
結構形式
精度及性能
貫標情況
備注
1
拖板移動
好
容易達到
結構限制，做不了大規(guī)格機床
2
立柱移動
好
容易達到
產(chǎn)量相對較小
3
龍門式
最好
完全貫標
產(chǎn)量逐年增加
4
磨頭移動
較好
不易達到
市場產(chǎn)量最大
國內(nèi)生產(chǎn)的磨頭移動式平面磨床一般都是普通級精度, 規(guī)格較少，但是磨頭移動式平面磨床具有很多優(yōu)點，比如工藝簡單,加工裝配方便，使用廣泛等。M7120A、M7130平面磨床是國內(nèi)生產(chǎn)量最大的平面磨床，就是這種型式。國外工業(yè)發(fā)達國家的公司，例如美國Thompson公司、西德Abe公司、意大利Favretto公司都生產(chǎn)磨頭移動式平面磨床。由于國外公司在平面磨床系列設計方面的有成果，其磨床的工作精度相當于我國精密級平面磨床的精度，這是值得我們學習和重視的。如今意大利生產(chǎn)磨頭移動式平面磨床的公司最多。由于從國外進口，國內(nèi)很多地方都已經(jīng)有了這些意大利公司的產(chǎn)品。因為機床規(guī)格能滿足各類用戶的需求,他們普遍反映有較好的質量與性能。意大利Favretto公司的平面磨床系列更新設計的概況可能對我們在平面磨床的設計制造方面有所啟示。
70年代臥軸矩臺平面磨床的結構特點為：總體布局有二種，一種是磨頭拖板在立柱的側面。制造工藝及裝配簡單使得這種型式使用最為廣泛，缺點是顛覆力矩較大，這就導致磨頭垂直進給靈敏較差, 較難達到微量進給；另外一種是磨頭拖板在立柱的中間。這種型式與前一種相反，它消除了拖板磨頭對立柱的顛履力矩，從而磨頭垂直進給靈敏度較好。
這些系列平面磨床的前后床身鑄造成一體,后床身上面安裝立柱，后床身對稱加寬處內(nèi)部作為冷卻液池，前床身中間安裝液壓部件, 底部作為油池貯油，這樣使床身有足夠的剛度以保持機床精度穩(wěn)定。床身較長的機床都安裝散熱器的目的是為了降低油溫和減少熱變形。
立柱是磨頭隨拖板做垂直運動的支撐，在負載情況下應保證精度穩(wěn)定。立柱結構分為單立柱和雙立柱二種。單立柱的立柱加工工藝復雜，裝配方便。雙立柱的立柱加工方便，裝配復雜。拖板是一個相當復雜的鑄件,其上有兩組相互垂直的導軌。矩形導軌與立柱導軌相互配合, 能沿著立柱導軌作垂直上下移動。拖板內(nèi)安裝橫進給機構及作橫向移動的油缸。橫向燕尾形導軌與磨頭體殼導軌相配合, 使磨頭能沿著拖板燕尾形導軌作橫向移動。
工作臺底部有矩形及三角形導軌。工作臺頂面為安裝電磁吸盤和夾具的基準面。工作臺移動由安裝在床身上的油缸帶動。與國內(nèi)的設計不同的是，工作臺寬度是最大磨削寬度減去砂輪寬度，而國內(nèi)的磨床是工作臺寬度與最大磨削寬度相同。
橫進給機構安裝在拖板上部，垂直進給機構安裝在床身前端面左面。轉動手輪通過蝸桿斜齒輪傳到絲焊螺母使磨頭上下移動。快速升降運動是通過在手輪軸中間加一套蝸桿斜齒輪接上快速電機來實現(xiàn)。液壓油缸推桿帶動棘輪棘爪可實現(xiàn)自動垂直進給,手動微量垂直進給是用手柄通過凸輪推動棘輪棘爪實現(xiàn)。
80年代臥軸矩臺平面磨床的結構特點為：機床外形整齊, 線條美觀。立柱在床身左側, 拖板和磨頭側掛在立柱側面, 沿著立柱的垂直導軌上下移動。磨頭可沿著拖板燕尾形導軌作橫向移動。工作臺安裝在床身導軌上, 由二只柱塞式油缸拖動作縱向運動。在床身安裝有電磁工作臺的控制器，冷卻水箱和磁性過濾裝置則在床身右端。機床的操作手輪、手鈕都安裝在正前方，操作很方便。
拖板是磨頭移動式平面磨床的主要鑄件。其上有二組導軌, 一組作為磨頭垂直移動用, 另一組作為磨頭橫向移動用, 這二組導軌相互垂直。
床身為箱形結構的鑄件，矩形導軌和三角形導軌頂面上鑄有油坑，油坑里可安裝耐磨塑料的油環(huán),油環(huán)端面高出導軌面約0.5mm, 當工作臺導軌在其端面上擦過時,使油環(huán)旋轉并把潤滑油涂到導軌面上。
立柱為一個有著矩形導軌的箱形結構。其特點是立柱的導軌把拖板的導軌包圍住，這樣大大增加了立柱的剛性。立柱與拖板結合處的導軌位于立柱中心的一側,位于同一側的還有使拖板上下移動的絲桿。這樣的好處是，當磨頭在拖板燕尾導軌上作橫向移動時, 其重心始終在立柱導軌跨距間來回移動,立柱剛性好提高了橫向移動的精度[3]。
1.3 課題研究方法
擬采取的研究方法（或技術路線）：
1.在指導教師的安排下到湘潭三峰數(shù)控機床有限公司進行參觀認識實習，對精密數(shù)控平面磨床的結構有初步認識；
2.收集、查閱各種文獻資料，了解數(shù)控平面磨床的整體布局及進給系統(tǒng)，進行精密數(shù)控磨床整體布局的設計；
3.運動形式設計后，進行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，垂直進給機構結構裝配圖，繪制相關零件圖；
4.查閱手冊，翻譯、參考英文文獻進行設計計算，用Auto CAD軟件繪制進給系統(tǒng)的裝配圖、零件圖及數(shù)控系統(tǒng)的硬件連線圖；
5.設計中遇到的疑點、難點問題通過廣泛查閱文獻資料或與組內(nèi)同學相互討論以及實地考察來解決。
1.4 論文的構成及研究內(nèi)容
1.4.1 論文的構成
1. 緒論
2．數(shù)控平面磨床總體布局設計
3．砂輪架設計
4. 垂直進給機構設計
5．磨床立柱的設計
6．硬件電路設計
7．總結
8．參考文獻
9．致謝
10.附錄
1.4.2 設計研究的內(nèi)容
本課題設計一臺精密數(shù)控平面磨床MK7120，用砂輪周邊磨削平面，也可以磨削臺階平面。用于機械制造業(yè)及工具模具制造行業(yè)，能加工各種難加工材料。
設計的主要內(nèi)容有：
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，垂直進給機械機構裝配圖；繪制相關零件圖；
3．磨床立柱設計，繪制立柱零件圖；
4．磨床數(shù)控系統(tǒng)設計和選用；
5．翻譯指定的英文專業(yè)文獻；
6．撰寫畢業(yè)設計論文（說明書）。
設計基本要求：圖紙總工作量折合A0圖紙3張以上，畢業(yè)設計論文字數(shù)不少于1.5萬字，參考文獻至少15篇以上
1.5 設計的主要技術參數(shù)
主要參考參數(shù)：
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：400，垂直自動進給：，最小進給量：0.0001mm，砂輪尺寸（外徑寬內(nèi)徑）Φ20020Φ32，砂輪轉速
5. 加工指標
磨削表面粗糙度Ra=0.03，加工后表面對基面的平行度為300：0.002
第二章 磨床總體布局設計
2.1總體布局方案設計
2.1.1 機床總體布局應滿足的要求
1) 工藝范圍；
2) 加工精度；
3) 柔性；
4) 開放性；
5) 噪聲；
6) 生產(chǎn)率和自動化；
7) 成本；
8) 生產(chǎn)周期；
9) 可靠性；
10) 磨床宜人性；
11) 符合綠色工程要求[4]。
2.1.2 機械制造裝備應滿足的一般功能
1) 滿足加工精度方面的要求；
2) 滿足強度、剛度和抗振性方面的要求；
3) 滿足加工穩(wěn)定性方面的要求；
4) 滿足耐用度方面的要求；
5) 滿足技術經(jīng)濟方面的要求[5]。
2.1.3 總體布局方案選擇
機床的總體布局首先應滿足以上五個一般功能?？傮w布局設計是一項全局性的工作，它關乎機床的性能、質量、工藝等，關系到產(chǎn)品市場競爭力的高低。磨床的總體布局的設計要遵循經(jīng)濟、合理、的設計原則，同時要保證機床的剛度、精度和穩(wěn)定性。托板內(nèi)存式平面磨床要完成既定的磨削要求，需要完成主運動（砂輪的轉動）和進給運動（垂直進給、橫向進給和縱向進給），進給運動的實現(xiàn)方式是多種多樣的：
（1） 工作臺完成橫向進給運動和縱向進給運動，而砂輪架只完成垂直方向的進給運動；
（2） 橫向進給運動由立柱完成，縱向進給運動由工作臺完成，而垂直進給運動則由砂輪架來完成，這種進給運動的實現(xiàn)方式叫立柱移動式；
（3） 橫向進給運動和縱向進給運動由立柱來完成，垂直進給運動由砂輪架來完成；
（4） 工作臺完成縱向的進給運動，砂輪架完成橫向進給運動和垂直方向的進給運動，這種進給運動實現(xiàn)形式叫托板內(nèi)存式。
這幾種運動實現(xiàn)形式各有各的特點。第一種運動形式比較傳統(tǒng)，使用廣泛，運動形式較簡單，設計起來比較方便，設計的周期比較短，能滿足用戶的需求，市場相應較好。但是，整體剛性不太好是這種形式的磨床所存在的問題，剛性在一定程度上會影響磨床的精度，所以這種形式不滿足磨床高精度的要求。第二種形式雖然在結構上有了改變，使運動范圍限定在較小的空間內(nèi)完成，有效的減少了占地面積。第三種形式的磨床的整體剛性和運動的穩(wěn)定性很好，但運動件的質量太大是這種形式的不足之處，這樣會使機床響應的速度大大降低，而且也是對能源的一種浪費，所以也不滿足高精度、精密磨床的要求。而第四種形式在結構上有了改變，有很好的剛度和精度。這種運動形式結構較緊湊，工藝簡單、裝配方便，在較小的空間內(nèi)即可完成既定的工作范圍。這種形式還有利于機床的布局，對加工物流也有利。所以，第四種托板內(nèi)存式這種形式的磨床創(chuàng)新性好、綜合效益也很好。通過幾種方案優(yōu)缺點的對比，要設計高精密、高精度數(shù)控磨床可以采用托板內(nèi)存式這種進給運動實現(xiàn)方式。
由于本次設計要滿足高精度的設計要求，所以采用滾珠絲杠傳動來實現(xiàn)各個方向的進給運動。因為滾珠絲杠具有傳動精度高、運動效率高、剛性好的特點。滾珠絲杠還可以在一定程度上消除回程誤差，這是有利于精度的提高的。因此要設計高精度磨床，滾珠絲杠這種驅動方式是很好的?？v向運動在進行較小的進給時會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，所以在縱向上放棄了傳統(tǒng)的液壓驅動，這樣可以提高磨削的精度，另外去除了液壓系統(tǒng)可以使磨床機構得到簡化，使得磨床更加緊湊，非常好的發(fā)揮了這種運動實現(xiàn)形式的優(yōu)點。由于橫向和垂直方向的精度要求較高，所以采用伺服電機驅動滾珠絲杠的驅動方式來完成在這兩個方向的進給運動。
2.2 總體布局設計
總體布局設計是一項全局性的工作，它決定了磨床的產(chǎn)品的機構、性能、成本以及工藝，關系到產(chǎn)品的市場競爭力和技術水平層次的高低。
MK7120型高精密數(shù)控平面磨床的幾個大的部件有：砂輪架、立柱、床身、工作臺、數(shù)控系統(tǒng)面板、電控柜、油箱、潤滑液回收箱等。在設計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方便等問題。本次設計主要特點是將立柱設計成為了固定的形式，其總體布局圖如圖2.1所示。
圖2.1 總體布局圖
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，尤其是磨頭的旋轉平穩(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。因此合理地設計砂輪架對達到磨削精度有很大的意義，尤其是主軸的設計和電機的合理選擇，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
（1）由一個平面磨削力的經(jīng)驗計算公式得：
（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(shù)要求可知：=0.02mm，=25m/min；由于電機轉速為3000r/min，砂輪尺寸(外徑╳寬╳內(nèi)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)。
m/s
=s ，即=31.4 m/s
所以 Nm
磨削經(jīng)驗表明，法向磨削力跟切向磨削力的大小存在一個比值（）的關系,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=1.8，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：
N
（2）由陶瓷磨削力的經(jīng)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(jīng)驗公式）得：
對于陶瓷：
=8.20148 N/mm
=1.05372566 N/mm
=164.0296 N =21.0745 N
對于陶瓷：
=7.82616 N/mm
=1.0777553 N/mm
=156.5232 N =21.555 N
綜上所述得：
104.41 N N
故 Nm
了解各個方向最大磨削力的大小是進行合理的結構設計的前提條件，也是各個零件尺寸和結構設計的基礎。在磨削過程中對磨削精度的影響也較大是縱向和垂直方向的磨削力。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[6]。
2.主軸的設計
由于該磨床主軸轉速為3000 r/min ，由以上計算可知砂輪線速度為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(shù)等因素，可以先暫定電機的額定功率為4kw來進行下面的設計。
根據(jù)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(shù)，跟材料有關，可查表得=115；
——傳動的最大功率（kW），取4kw進行設計；
——主軸的轉速（r/min）。
=12.66 mm
考慮到一定的安全系數(shù)和剛度的要求，取=20 mm。
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。
主軸結構尺寸如圖3.1所示。
圖3.1 主軸結構尺寸圖
當量直徑[單位為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(nèi)的軸段數(shù)。
將各段的長度和直徑代入得
0.000914834
故 mm
通過簡化后的主軸受力模型如圖3.2所示。
圖3.2 主軸受力模型圖
如圖3.2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。
剛度要求較嚴的軸mm rad
由于，，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，且該變形為彈性變形，經(jīng)過無火花磨削后不會對精度有大的影響。
2. 主軸扭轉剛度校核計算
軸的扭轉變形用每米長的扭轉角來表示。圓軸扭轉角，計算公式為：
對于階梯軸 （3.7）
式中：——階梯軸受扭矩作用的長度（mm），=554 mm；
——軸的材料的剪切彈性模量（MPa），對于鋼材,取=8.1 MPa；
——軸第i段所受的扭矩（ Nm）；
——軸第i段的長度（mm）；
——第i段軸截面的極慣性矩（mm4）,對于圓軸，；
——階梯軸受扭矩作用的軸段數(shù)。
由于
0.000914834
所以，
對于精密的傳動軸取=0.25~0.5，，因此主軸扭轉剛度符合要求，扭轉強度自然也是符合要求的。
綜上所述，該主軸經(jīng)彎曲剛度校核和扭轉剛度校核均達到要求，因此該主軸設計在力學上是合理的。
3.2 軸承的設計
在工程實際中，一般來說主軸的前后軸頸與其主電機功率有關。在實際過程中磨床的主軸結構通常為前后軸頸相等，中間較粗。
主電機功率在3.7～5.5kW時，主軸前軸頸直徑在55～70mm?？紤]到該型號磨床實際受到的磨削力和降低成本的要求，故主軸前后軸頸直徑均取40mm。
主軸的最小直徑為20mm，通過軸的設計，在軸承所在段軸徑大小為40mm。因此，軸承的型號應在內(nèi)徑為40mm的軸承中來選擇。因為磨削過程中會有一定的軸向力，因此要選用能承受一定軸向力的軸承。又因為該磨床要求有較高的轉速和精度，所以軸承的配置方式要采用速度型配置，前后端都采用兩個角接觸球軸承，這種軸承既可以承受徑向載荷，又可以承受軸向載荷。接觸角常見的有α=15和α=25兩種。前者為7000C系列；后者為7000AC系列。該種軸承的鎖口在外圈上，一般內(nèi)外圈不能分離，可承受徑向和軸向的聯(lián)合載荷以及一個方向的軸向載荷。承受軸向載荷的能力由接觸角決定，接觸角越大，則承受軸向載荷的能力高。該種軸承能限制軸或外殼在一個方向的軸向位移?？刹捎枚鄠€組合的形式來提高剛度和承載能力，比如背靠背或面對面的成對安裝形式。由于主軸轉速較高，受彎時軸承上希望產(chǎn)生一個盡量大的支反力矩以抵抗彎曲變形。角剛度是表征軸承支反力矩與主軸彎曲變形傾角之比的物理量。主軸高速運轉時，由于軸承的外圈裝在殼體內(nèi)，散熱條件比內(nèi)圈好，所以，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結果將使過盈增加。但是，如果采用背靠背組配就會使得軸向膨脹過盈減少。因此，背靠背的過盈的增加比面對面少。綜上所述，在主軸設計上應選擇角接觸球軸承背靠背組合形式。
為了保證砂輪在磨削過程中的軸向精度不受熱變形大的影響，在軸承配置上采用兩端固定的形式。又因為軸向力不是太大，選擇3600型角接觸球軸承，軸徑為40mm，于是選擇7208C。
根據(jù)一個關于軸承基本額定動載荷大小的估算公式：
（3.8）
查表得：3.42、0.223、1.5、1.2、1
因為7208C的額定動載荷為36.4 kN，額定靜載荷為25.2 kN。所以7208C符合要求。因此，所選用的軸承在力學方面滿足使用要求。
3.3 主軸電機的選擇
由前面計算得：磨削的最大功率為3279.9W。經(jīng)過查表得：角接觸球軸承的傳動效率為0.98，聯(lián)軸器的傳動效率為0.97。率98WN觸球軸承大口徑朝外的配置形式。又因為軸向力不是太大，所以所需主軸電機的額定功率為：
W
因此把額定功率為4.5kW的電機作為主軸的驅動電機是合適的。經(jīng)查閱有關資料最終選擇FANUC公司生產(chǎn)的交流主軸電機，該電機的型號為FANUC αis22/4000。
3.4 聯(lián)軸器的選擇
綜合考慮平面磨床的實際工作情況后，選擇彈性套柱銷聯(lián)軸器是由于彈性套柱銷聯(lián)軸器的特點：具有定量補償兩軸相對偏移和一般減振、緩沖、電絕緣性能。外形尺寸較小，重量較輕，承載能力較大，要求安裝精度較高。其用于正反轉變化較多、啟動較頻繁的高中速軸的傳動；工作溫度在-20～C。因此彈性套柱銷聯(lián)軸器符合實際要求。
根據(jù)彈性套柱銷聯(lián)軸器計算轉矩公式：
（3.9）
式中：——理論轉矩，Nm；
——驅動功率，kW；
n——工作轉速，r/min；
——動力機系數(shù)；
——工況系數(shù)；
——啟動系數(shù)；
——溫度系數(shù)；
——公稱轉矩，Nm。
查表得：=1.0,=1.5,=1.0,=1.2
得 =95501.01.51.01.2=19.34 Nm
查表得型號為LT3的聯(lián)軸器的公稱轉矩=31.5 Nm，故符合實際工作要求，因此選擇LT3型的彈性套柱銷聯(lián)軸器。
第四章 垂直進給機構的設計
4.1 垂直進給機構布局設計
垂直進給機構在結構上是由伺服電機直接驅動絲杠，從而帶動滾珠絲杠的螺母上下移動，進而帶動磨頭上下移動，對其精度的控制還外加一個位移的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，使精度得到保證。
本垂直進給機構是被安裝在立柱上，伴隨著橫向進給一起完成整個磨削的過程.。垂直進給機構布局圖如圖4.1所示。
圖4.1 垂直進給機構布局圖
4.2 磨削力的計算
由于工件與砂輪接觸后會引起彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結合劑與工件表面之間的摩擦作用，這樣就產(chǎn)生了磨削力。影響磨削力的因素有砂輪的耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等。磨削力可分解為相互垂直的三個力，即沿砂輪軸向的軸向磨削力，沿砂輪切向的切向磨削力以及沿砂輪徑向的法向磨削力。在一般的磨削過程中，軸向磨削力較小，通常忽略不計，只考慮砂輪切向的切向摩擦力和砂輪徑向的法向磨削力。由于砂輪磨粒具有較大的負前角，法向磨削力通常大于切向磨削力，所以把/稱為磨削力比。磨削力比受多種因素的影響，比如砂輪的銳利程度、被磨材料的特性、磨削方式等，這些因素都會在一定程度上影響磨削力比。
圖4.2 磨削力的力學模型
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，為了合理的選擇伺服電機，首先也得計算出磨削情況下可能的最大磨削力[7]。
1）磨削普通鋼材（以45為例）：
由一個磨削力的經(jīng)驗公式得：
（4.1）
其中：——磨削過程中的最大切向磨削力（N）；
——垂直進給量（mm），取最大進給量 =0.02 mm；
——縱向進給量（mm/min），取最大轉速 =25 mm/min；
——砂輪轉速（m/s）。
（4.2）
由于電機轉速為3000r/min，砂輪尺寸(外徑╳寬╳內(nèi)徑)φ200╳20╳φ32，因此s不變，=s
（4.3）
其中：——砂輪線速度（m/s）；
——電機轉速（r/min）；
——砂輪外圓直徑（mm）。
m/s
=s ，即=31.4 m/s
所以根據(jù)角正回歸法建立起來的公式可得
1 N
在磨削普通鋼材時，磨削比/=1.6~1.8，取/=1.8
則法向磨削力 ＝1.8＝1.8×104.41＝187.9 N
4.3 滾珠絲杠副設計
4.3.1 滾珠絲杠副設計使用中應注意的問題
1． 為了能夠延長滾珠絲杠的使用壽命，提高傳動效率，減小驅動轉矩，必須采用合理的潤滑。要注入潤滑脂，接觸表面的油膜的作用是沖洗粉塵、吸振、減小傳動噪聲等。如需再采用其他合適的潤滑方式，在螺母上還有油孔，用戶可旋入油嘴。
2． 為便于絲杠加工，絲杠的外徑應該小于絲杠上最大外圓處的直徑。
3． 在設計水平放置并細長的絲杠時，應充分考慮減少甚至防止自重彎曲變形的措施。因為影響導程累積誤差的因素之一是因自重使軸線產(chǎn)生彎曲變形，甚至使螺母受載不均。
4． 精密螺旋傳動的定位精度在很大程度上受熱變形的影響。因此要想采取好的措施控制熱源首先必須分析熱源的各個因素。螺旋副的摩擦熱則是其中一大熱源，而絲杠熱膨脹而伸長主要由其他機械部件工作時產(chǎn)生的熱導致，因此，要想減少熱變形對絲杠的伸長的影響，我們可以采用強制冷卻，預拉伸等方法。
5． 為預防越程后滾珠絲通過采取杠副受撞擊，離合器而影響使用壽命，精度甚至損壞，可以安裝行程保護裝置于滾珠絲杠副的行程兩端。
6． 防護與密封。需要防塵措施以避免滾動螺旋副喪失精度以及加速滾動體與滾道的磨損，因為妨礙滾動體運動流暢的主要原因是塵埃和雜質進入滾道。博特牌滾珠絲杠副已安裝防塵圈于螺母兩端，此外，用戶還需要安裝防護裝置于絲杠處以防止絲杠外露。
7． 將合力通過絲杠軸心作用在螺母上，可以提高滾珠絲杠副的使用壽命和精度，避免傾覆力，保證滾珠受力均勻。
8． 當在水平位置采用外循環(huán)滾珠絲杠副時，最好是在絲杠軸線上面插管放置。
9． 提高傳動剛度應采用適應于數(shù)控磨床的大接觸軸承。
10． 當使用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副時，為了保證裝配螺母的順利安裝，必須使絲杠螺紋底徑大于該端所有外圓尺寸，并且在絲杠螺紋兩端中至少有一端的滾珠螺紋是通牙。
11． 正確選擇預緊力，嚴禁自行拆卸滾珠絲杠副的各個部件，以免影響其精度。為了防止運轉不流暢或滾珠堵塞，嚴禁拆卸和敲擊導珠管。
12． 螺旋副的逆?zhèn)鲃樱ㄓ戎冈诖怪狈较蛏蟼鲃訒r）是在電機停電后由于部件自重而產(chǎn)生的，它將導致滾珠絲杠副傳動逆效率高，通過采取離合器，蝸輪蝸桿機構，停電自鎖的電機的等方法可以防止其發(fā)生。
4.3.2 滾珠絲杠副設計步驟
滾珠絲杠的設計流程如圖4.3所示。
1. 確定滾珠絲杠副的導程
滾珠絲杠的導程為：
（4.4）
—滾珠絲杠導程mm；
—電機最大轉速r/min，?。?000r/min；
—絲杠副最大移動速度m/min，?。?00mm/min；
—傳動比，因電機直接與絲杠相連，＝1；
所以 mm
將滾珠絲杠的導程優(yōu)化取整為=6 mm
2. 滾珠絲杠副當量載荷計算
這里的載荷及轉速，是指滾珠絲杠的當量載荷與當量轉速。滾珠絲杠副在、、……轉速下，各轉速工作時間的百分比%、%、%……%，所受載荷分別是、、……。則：
（4.5）
（4.6）
在本次設計中，轉動的大部分時間是快速進給，則
r/min
在本設計中垂直運動時主要是所帶的載荷為磨頭及其一起運動的部件，總的重量估算為2200，N，N
所以 N
圖4.3 滾珠絲杠設計流程圖
3.確定滾珠絲杠副額定動載荷
按滾珠絲杠副預期工作時間（小時）計算：
（4.7）
式中：
—預期工作時間（小時），查表得h；
—精度系數(shù)，由表查得；
—負荷系數(shù)，查表得1.0-1.2 ，取=1.1；
—可靠性系數(shù)，查表得取97%，得=0.44
代入式（4.7）
N
4.按精度要求確定滾珠絲杠最小螺紋底徑
由于 （為彈性模量，取2.1N/）
所以 （4.8）
式中：—導軌靜摩擦力（N），在本設計中為磨頭及相關部件的重量=2200 N；
—滾珠絲杠兩軸承支點間距離（）；
行程+安全行程+余程+螺母長度一半+支承長度的一半+磨頭支架高度
行程+（2~4）+4+(4~6)+(1/20~1/10)行程
(1.05~1.1)行程+(10~14)
1.1450+126=567mm；
—估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量（），由()×重復定位精度與()×定位精度中的較小值來確定。定位精度與重復定位精度分別為±0.012mm和±0.04mm，故
＝×8=2μm，＝×24=4.8μm，取＝2μm
代入式（4.8）
=30.8 mm
5.確定滾珠絲杠副規(guī)格代號
根據(jù)算出的、、及傳動方式，選擇合適的滾珠絲杠。選擇南京工藝裝備制造廠生產(chǎn)的4006—5型滾珠絲杠螺母，采用內(nèi)循環(huán)浮動反向器，法蘭直筒組合，雙螺母墊片預緊。
滾珠絲杠的螺紋底徑：=38.9 >30.8 mm
滾珠絲杠的額定動載荷：=23500>20922.29 N
滾珠絲杠類型；基本導程：6mm；滾珠直徑：3.969mm；循環(huán)總圈數(shù)：3；最小螺紋底徑：35.9mm；滾珠絲杠外徑：38.9mm；公稱直徑：40mm；
額定動載荷：23.5kN；額定靜載荷：73kN；剛度：1658 kN/μm。
6.滾珠絲杠副預緊力
預緊就是在滾珠絲杠副內(nèi)預先施加軸向載荷。預緊的目的是：消除滾珠絲杠副的軸向間隙，提高滾珠絲杠副的軸向接觸剛度，并且在外加軸向載荷小于3倍預緊力的情況下，軸向剛性是常數(shù)。所以，預緊力為：
（4.9）
—滾珠絲杠所受的最大軸向力
所以，N
7.預拉伸滾珠補償值C
滾珠絲杠的熱變形將導致長度、定位精度變化，熱變形為;
＝×× （4.10）
—熱膨脹系數(shù)(11.8×10－6)；
—溫升(一般取2～4℃)，?。?.5℃；
—有效行程，＝++2；
—螺母長度，＝128mm；
—安全行程，＝(1～2)＝2×6＝12mm；
＝++2＝450+128+2×12＝602mm；
所以 ＝××＝11.8×10－6×2.5×602＝17.8mm
為了補償熱變形的影響，行程偏差＝＝17.8mm
8.預拉伸力的計算
由于滾珠絲杠選擇的是兩端固定的安裝方式，可以采用絲杠預拉伸的方法來進一步補償熱變形，滾珠絲杠預拉伸力為：
＝ （4.11）
各變量意義如上所示，則＝ ＝1.95×2.5×35.92＝6282.9 N
9.額定載荷驗算
（4.12）
式中： ——滾珠絲杠副的基本軸向額定靜載荷（N），查表得=84.9kN；
——靜態(tài)安全系數(shù)，??；
——最大軸向載荷（N）
=22200=4400N < =73N
所以絲杠額定靜載荷符合要求。
10.確定滾珠絲杠副支承用軸承型號
在精密磨床上通常選用角接觸軸承，并把2個以上的軸承組合起來施加預緊力來使用。本次設計為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，采用正面組合的TN型組合形式。
軸承型號的選擇：滾珠絲杠選用軸承型號為7602030TN
其技術參數(shù)為 N =39000N
軸承校核：
軸承額定動載荷公式： （4.13）
------最大軸向載荷
------壽命