机械毕业设计-平面双面研磨机构的设计

好文档全套图纸加QQ 695132052西安文理学院机械电子工程系本科毕业设计（论文）题 目 平面双面研磨机构的设计 专业班级 机械设计制造及其自动化（2）班 学 号 学生姓名 指导教师 设计所在单位 西安文理学院 2011年 5月西安文理学院本科毕业设计（论文）任务书题 目双面平面研磨机构设计学生姓名学 号专业班级机械设计制造及其自动化（2）班指导教师职 称助教 副教授教 研 室机械毕业设计（论文）任务与要求1 了解现代精密加工的原理及应用，学习研磨加工理论，设计双面平面研磨机构并论证其合理性；2 设计参数：研磨件为圆柱体，直径50mm，高30mm，每次研磨数量4个，研磨精度Ra0.002；3 开题报告一份；4 根据确定的方案进行结构设计，用计算机或手工绘制装配图、主要零件图；5 利用三维软件进行三维实体建模；6 文献综述一份（另翻译英文资料一份）；7 撰写设计说明书一本。毕业设计（论文）工作进程起止时间工作内容2011.1.10-2011.2.262011.2.27-2011.3.202011.3.21-2011.4.32011.4.4-2011.4.242011.4.25-2011.5.20分析任务书，了解所选课题，制定开题报告。选择相应期刊及论文资料，研究学习平面研磨的研磨轨迹规划及研磨机理，并学习其系统方案和主要结构传动方式。设计该系统合理的结构方案，并论证其合理性。学习Pro/E软件的相关知识。根据确定的方案进行结构设计，用计算机绘制装配图、主要零件图。利用三维软件进行三维实体建模分析。完成毕业设计论文的撰写、整理工作。开始日期 完成日期 教研室主任（签字） 系主任（签字） 西安文理学院本科毕业设计（论文）开题报告题 目双面平面研磨机构设计学生姓名刘静学 号08102070239专业名称 机械设计制造及其自动化指导教师边培莹 吕荣生开题时间2011.2.28班 级机械（2）班一、选题目的和意义：随着机械行业的发展，越来越多地采用不锈钢，耐热钢，钛合金，以及陶瓷等各种难加工材料来制造零件，这对机械零件的加工精度和表面质量提出了更高的要求。研磨技术作为机械加工技术中的重要技术之一，在机械加工中应用越来越广泛。我们通常所说的研磨技术其工作原理就是利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工，在加工时将被磨材料放于平整的研磨盘上，研磨盘逆时钟转动，修正轮带动工件自转，重力加压或其它方式对工件施压，工件与研磨盘作相对运转磨擦，来达到研磨抛光目的。通常来讲，产生磨削作用的磨料颗粒有两种来源，一种来自于不断外加（常称为游离磨料）；另一种方法是将磨料颗粒固定在研磨盘中（常称为固着磨料），本项目将设计双面平面研磨机构，它不仅解决了传统研磨存在加工效率低、加工成本高、加工精度和加工质量不稳定等缺点，提高了研磨技术水平，保证研磨加工精度和加工质量，而且还显著降低加工成本，提高加工效率，使研磨技术进一步实用化。二、本课题在国内外的研究状况及发展趋势：当今时代，平面抛光机研磨技术已成为一种新技术发展的新潜能，新开发的研磨技术无论是从应用，成本，效率以及工作运输当中，都得到了很大的改善。该技术已经广泛应用到汽车、家电、IT电子信息高技术领域和军用、民用工业。双面平面研磨机是在超精密磨削的基础上发展起来的一种磨削方法，主要用于加工两平行面。由于研磨加工正向更高的加工精度发展,而且加工质量也正在不断提高,因此，以后研磨几乎可以加工任何固态材料。一般来讲，研磨轨迹主要有4种：（1）直线研磨运动轨迹。此种方法适用于台阶的狭长平面工件研磨，可获得较高的几何精度，但不易获得较小的表面粗糙度。（2）摆动式直线研磨运动轨迹。可以获得较好的平直度。（3）螺旋形研磨运动轨迹。主要用于圆片形或圆柱形工件端平面研磨，能获得较高的平面度和较小的表面粗糙度。（4）“8”字形研磨运动轨迹。适用于平板类工件的修整和小平面工件的研磨，能使相互研磨的平面介质均匀接触，并且研具均匀地磨损。目前,国内外研磨加工主要还是采用散粒磨料在慢速研磨机上研磨。其特点是加工精度高、加工设备简单、投资少,但是加工精度不稳定、加工成本高、效率低。正是由于散粒磨料研磨存在一些不足,所以许多学者在研究改进这种研磨加工技术。随着人们对产品性能的要求日益提高，研磨加工以其加工精度和加工质量高而越来越受到了人们的关注。因此,超精密研磨、抛光等技术的研究,今后将更引人注目。三、主要研究内容：1、查阅相关资料，了解国内外研磨机构的发展现状；2、分析双面平面研磨机构的工作原理及其实现方法；3、进行总体方案设计，结合实际确定可行性方案；4、分析和拟定运动轨迹方案，初步确定各主要部件的具体结构；5、计算运动系统主要参数，校核主要部件参数；6、画出装配图及其主要零部件图；7、画三维图：用Pro/E三维软件进行三维实体建模、仿真；8、初步撰写毕业论文；总结，修改并确定毕业论文。指导教师意见及建议： 签字： 年 月 日教研室审核意见： 签字： 年 月 日注：此表前三项由学生填写后，交指导教师签署意见，经教研室审批后，才能开题。西安文理学院本科毕业设计（论文）中期检查表题 目双面平面研磨机构设计学生姓名刘静学 号08102070239专业名称机械设计制造及其自动化指导教师边培莹 吕荣生检查时间2011.4.14班 级机械（2）班毕 业 设 计（论文） 进 展 情 况1、基本了解双面平面研磨机构的工作原理及其实现方法；2、确定了总体方案设计，以及传动方案；3、了解并掌握不同研磨方式的运动轨迹，选择最佳轨迹路径实现研磨精度要求，确定了各主要部件的具体结构；4、完成了传动系统的设计计算，包括电机的选择，轴的设计，齿轮的设计，工件夹具的设计以及研磨盘的设计；5、初步确定了论文的提纲和核心。6、下一步的主要任务是完善结构图的绘制与毕业论文的撰写。指 导 教 师 意 见 “中期检查”主要检查毕业设计进度，主要检查以下内容：a. 学生是否清楚自己的工作内容和技术路线b. 能否按进度完成设计任务c. 能否与指导教师保持正常的师生指导关系签字： 年 月 日教研室意见签字： 年 月 日、平面双面研磨机构的设计摘要：双面平面研磨是在传统研磨机构的基础上，通过改变研磨平面的数目从而来提高研磨精度和效率的一种研磨方式。其加工原理就是利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行精整加工，从而来实现加工精度的要求。本文通过对平面研磨机构多种运动方式的分析，以及研磨精度要求，并结合现有研磨机，从而设计出一种新型的行星式双面平面研磨机构，并对其运动轨迹做了具体研究。这种研磨方式不仅解决了传统研磨存在加工效率低、加工成本高、加工精度和加工质量不稳定等缺点，提高了研磨技术水平，保证研磨加工精度和加工质量，而且还可以实现在一定范围内不同直径圆柱工件的研磨，提高了加工效率，降低了加工成本，使研磨技术进一步实用化。关键词：双面研磨;结构设计;轨迹曲线Design of Plane Double-sided Grinding InstitutionsAbstract：Double-sided plane grinding is the traditional grinding institutions, and on the basis of the number of by changing the grinding plane to improve the grinding efficiency and precision of a kind of grinding way. Its processing principle is to use the coating or pressure with embedded in the research on the abrasive particles with and workpiece, through research in the relative movement under certain pressure of machining surface finish machining, thus to realize the machining accuracy of requirements.This thesis through to plane grinding institutions of various sports mode analysis, and grinding accuracy requirement, and combine existing grinding machine, thus designed a new planet type double plane grinding mechanism, and to its trajectory made specific research. This kind of grinding way not only solves existing traditional grinding machining efficiency is low, the processing cost, high machining accuracy and processing quality unstable shortcomings, improves grinding technology level and guarantee of grinding accuracy and processing quality, but also can realize within the scope of certain and different cylinder workpiece, improves the grinding machining efficiency and reduce the processing cost, make grinding technology further practional utilization.Key words：Double-sided Grinding ;Structure Design ;Path Curves值得下载好文档目录第一章 绪论11.1 选题的目的与意义11.2 研磨技术国内外的研究状况及发展趋势11.3常用研磨机21.3.1圆盘式研磨机21.3.2转轴式研磨机21.3.3磁力研磨机31.3.4专用研磨机31.4 本课题主要研究内容和设计任务3第二章 平面研磨轨迹分析与设计42.1平面研磨的运动条件及工作原理42.1.1研磨运动条件42.1.2圆柱研磨机理42.2平面研磨轨迹的分析52.2.1 研磨轨迹均匀性的研究方法52.2.2单面研磨抛光52.2.3双面研磨132.3采用节圆方式对行星式研磨轨迹具体分析152.3.1节圆及运动类型152.3.2轨迹分析172.3.3计算实例20第三章 行星式平面研磨机构传动系统的设计213.1行星轮系的设计213.1.1行星轮系的类型选择213.1.2齿轮有关参数的具体计算223.2研磨盘的设计243.3电机的选择253.3.1确定主电机的调速范围253.3.2计算上磨盘的驱动电机调速范围26第四章 行星式研磨机构的三维实体设计284.1研磨机构的零件实体图284.1.1行星轮的实体图的绘制284.1.2轴、键的实体图绘制314.1.3太阳轮的实体图的绘制324.1.4上下磨盘实体图的绘制334.1.4螺栓实体图的绘制334.2研磨机构的实体装配图34结束语36致谢37参考文献38附录40附录1：工件装夹部分爆炸图40附录2：装配体爆炸图41附录3：行星轮工程图42附录4：太阳轮工程图42附录5：装配体工程图42附录6：外文翻译43值得下载好文档第一章 绪论1.1 选题的目的与意义随着机械行业的发展，越来越多地采用不锈钢，耐热钢，钛合金，以及陶瓷等各种难加工材料来制造零件，这对机械零件的加工精度和表面质量提出了更高的要求。研磨技术作为机械加工技术中的重要技术之一，在机械加工中应用越来越广泛。我们通常所说的研磨技术其工作原理就是利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工，在加工时将被磨材料放于平整的研磨盘上，研磨盘逆时钟转动，修正轮带动工件自转，重力加压或其它方式对工件施压，工件与研磨盘作相对运转磨擦，来达到研磨抛光目的。通常来讲，产生磨削作用的磨料颗粒有两种来源，一种来自于不断外加（常称为游离磨料）；另一种方法是将磨料颗粒固定在研磨盘中（常称为固着磨料），本项目将设计双面平面研磨机构，它不仅解决了传统研磨存在加工效率低、加工成本高、加工精度和加工质量不稳定等缺点，提高了研磨技术水平，保证研磨加工精度和加工质量，而且还显著降低加工成本，提高加工效率，使研磨技术进一步实用化。1.2 研磨技术国内外的研究状况及发展趋势当今时代，平面抛光机研磨技术已成为一种新技术发展的新潜能，新开发的研磨技术无论是从应用，成本，效率以及工作运输当中，都得到了很大的改善。该技术已经广泛应用到汽车、家电、IT电子信息高技术领域和军用、民用工业。双面平面研磨机是在超精密磨削的基础上发展起来的一种磨削方法，主要用于加工两平行面。由于研磨加工正向更高的加工精度发展,而且加工质量也正在不断提高,因此，以后研磨几乎可以加工任何固态材料。一般来讲，研磨轨迹1主要有4种：（1）直线研磨运动轨迹。此种方法适用于台阶的狭长平面工件研磨，可获得较高的几何精度，但不易获得较小的表面粗糙度。（2）摆动式直线研磨运动轨迹。可以获得较好的平直度。（3）螺旋形研磨运动轨迹。主要用于圆片形或圆柱形工件端平面研磨，能获得较高的平面度和较小的表面粗糙度。（4）“8”字形研磨运动轨迹。适用于平板类工件的修整和小平面工件的研磨，能使相互研磨的平面介质均匀接触，并且研具均匀地磨损。目前,国内外研磨加工主要还是采用散粒磨料在慢速研磨机上研磨。其特点是加工精度高、加工设备简单、投资少,但是加工精度不稳定、加工成本高、效率低。正是由于散粒磨料研磨存在一些不足,所以许多学者在研究改进这种研磨加工1技术。随着人们对产品性能的要求日益提高，研磨加工以其加工精度和加工质量高而越来越受到了人们的关注。因此,超精密研磨、抛光等技术的研究,今后将更引人注目。1.3常用研磨机研磨是一种重要的精密、超精密加工技术，几乎适合于各种材料的加工，研磨加工可以得到很高的尺寸精度和形状精度，甚至可以达到加工精度的极限，早期的一些研磨机研磨装置简单，不需要大量复杂的机械并且不苛求设备的精度条件。作为超精加工的一种方法，研磨机主要用于研磨工件中的高精度平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、螺纹面和其他型面。其主要类型有圆盘式研磨机、转轴式研磨机、磁力研磨机和各种专用研磨机。1.3.1圆盘式研磨机 图1.1 圆盘式研磨机这种研磨机分单盘和双盘两种，以双盘研磨机应用最为普通。在双盘研磨机图1.1 2上，多个工件同时放入位于上、下研磨盘之间的保持架内，保持架和工件由偏心或行星机构带动作平面平行运动。下研磨盘旋转，与之平行的上研磨盘可以不转，或与下研磨盘反向旋转，并可上下移动以压紧工件（压力可调）。此外，上研磨盘还可随摇臂绕立柱转动一角度，以便装卸工件。双盘研磨机主要用于加工两平行面、一个平面(需增加压紧工件的附件)、外圆柱面和球面（采用带V形槽的研磨盘）等。加工外圆柱面时,因工件既要滑动又要滚动，须合理选择保持架孔槽型式和排列角度。单盘研磨机只有一个下研磨盘，用于研磨工件的下平面，可使形状和尺寸各异的工件同盘加工，研磨精度较高。有些研磨机还带有能在研磨过程中自动校正研磨盘的机构。 1.3.2转轴式研磨机 由正、反向旋转的主轴带动工件或研具（可调式研磨环或研磨棒）旋转，结构比较简单，用于研磨内、外圆柱面。 如图21.2所示:图1.2 转轴式研磨机1.3.3磁力研磨机 磁力研磨机是通过采用磁场力量传导至不锈钢磨针使工件作高频率旋转运动；可对精密工件内孔、死角、细小夹缝起到明显较好的抛光研磨去除毛刺的效果。 1.3.4专用研磨机 依被研磨工件的不同，有中心孔研磨机、钢球研磨机和齿轮研磨机等。 此外，还有一种采用类似无心磨削原理的无心研磨机，用于研磨圆柱形工件。1.4 本课题主要研究内容和设计任务本设计通过对不同类型的研磨机的功能、运动特点的简单分析，讨论不同平面研磨机构工作原理及运动方式，并绘制出其运动轨迹图，对不同轨迹的曲线进行对比总结，从而选择一种最佳方案来实现平面研磨，在此基础上设计了一种行星式平面双面研磨机构，以达到研磨轨迹和精度要求，最后设计出该机构的传动系统部分。第二章 平面研磨轨迹分析与设计2.1平面研磨的运动条件及工作原理2.1.1研磨运动条件 研磨是利用磨具通过磨料作用于工件表面，进行微量加工的过程 。研磨工件表面的尺寸精度、形位精度、研磨工具的寿命及研磨效率等，在很大程度上取决于研磨运动。为使工件表面研磨均匀，从运动学角度归纳出如下的平面研磨最佳运动学条件2：(1)工件相对研具作平面运动，应保证工件被研磨表面上各点相对研具均有相同或相近的研磨轨迹；(2)研磨运动是由工件与研具之间的相对运动实现的，工件表面上各点的研磨运动速度应尽可能相同；(3)研磨运动方向应不断变化，研磨纹路交错多变，以利于工件加工表面粗糙度的降低，但应尽量避免工件被研磨表面上各点相对研具的研磨轨迹曲率变化过大；(4)研具或抛光盘工作表面的形状精度会反映到工件表面上，所以工件的运动轨迹应遍及整个研具表面并且分布均匀，以利于研具的均匀磨损；(5)工件相对研具在被研磨材料的去除方向上具有运动自由度，这样可以避免因研磨机械的导向精度不高而引起误差。2.1.2圆柱研磨机理研磨，是利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工。圆柱面的研磨加工过程就是利用游离磨粒对圆柱两平面进行刮削和挤压去除材料的过程，达到减小圆柱高度，提高平面度和降低表面粗糙度的目的。这些去除作用要通过柱面与研磨盘的相对运动在磨粒的作用下来完成。磨料是研磨加工的主要介质。整个研磨过程根据磨料的变化可分为三个阶段。第一阶段：游离磨料的破碎阶段。精研初期较大的磨粒首先参与切削，这时磨料多呈带棱角的多面体，切削能力强。在压力的作用下，尺寸大的磨粒被破碎使更多的磨粒得以参加切削，这时圆柱体一方面消耗尺寸及上工序的残留表面，这个阶段磨削效率较高，尺寸消耗快，圆柱表面粗糙。但该阶段时间很短。第二阶段：磨粒细化和镶嵌阶段。由于压力的作用上下研磨盘和圆柱体相互作用不断地辗压磨粒，使粗磨粒逐渐破碎为细磨粒且大小趋于一致，这时磨削效率达到最高，时间也最长。随着磨料的不断细化，各种要素也处于相对稳定阶段，在这个阶段钢球的几何精度得以改善并基本达到相应的要求，表面质量逐渐提高，粗糙度下降。这个阶段是钢球的稳定加工阶段。第三阶段：磨粒钝化和研光阶段。在这个阶段磨料绝大部分细化为O3m以下的微细磨粒，磨粒的形状也由原来锐利的几何体变为无锐棱的圆滑球体，磨削速度大大降低。钝化了的磨粒微粉对圆柱面只能进行更微量的研磨，研磨量大约02O3mh。此阶段圆柱表面粗糙度值进一步降低，最终达到标准要求。2.2平面研磨轨迹的分析平面研磨轨迹即加工过程中磨粒与工件的相对运动轨迹3包含两个方面：一是磨粒相对工件的运动轨迹二是工件相对工具盘的运动轨迹。相应轨迹均匀性的意义分别体现在：保证工件表面各点有相同的材料去除概率，保证工具盘均匀磨损。两个方面都与研磨抛光质量关系密切。下面我们主要从磨粒相对工件的运动轨迹角度对平面研磨轨迹来进行研究。重点来阐述单面、双面平面研磨轨迹。其中单面研磨包括双轴式、直线式、轨道式、计算机控制小工具式等形式，而双面则以行星式研磨为主，通过研磨轨迹的角度来分析上述不同研磨形式的优缺点。2.2.1 研磨轨迹均匀性的研究方法研磨轨迹取决于加工设备和运动参数。运动分析是研磨轨迹均匀性研究的基础，已有研究通常作如下假设：(1) 工件、磨粒、研磨盘均为刚体；(2)工件被加工表面、研磨盘工作面均为理想平面：(3) 磨粒固定在研磨盘工作面上；(4) 所有磨粒粒径都相同；(5) 磨粒不破碎、不脱落；(6)忽略工件、研磨盘转动误差。在上述假设的基础上，进行运动分析，计算研具相对工件的运动轨迹并用计算机离散化，将工件表面划分成一定数量的小正方形区域，统计一定时间内各区域内轨迹点数量2，或通过轨迹密度，评价工件研磨均匀性3。反之，计算工件相对研具的运动轨迹 2.2.2单面研磨抛光单面研磨抛光设备主要有双轴式、直线式、摇摆式、计算机控制小工具四种类型，其中前三者是用大工具盘加工小工件。2.2.2.1双轴式双轴式平面研磨设备结构如图2.1所示，加工过程中工件和研磨盘分别绕各自中心轴旋转。根据工件轴心与研磨盘轴心的距离在加工过程中是否发生变化，又可分为定偏心和不定偏心两类。图2.1单面研磨抛光机原理图(1) 定偏心式定偏心研磨加工中，工件中心与研磨盘中心之间的距离始终不变，如图2.2所示。研磨盘上任意一颗磨粒P(距研磨盘中心O为,起始转角为),相对于工件的运动轨迹方程4如下： （式2.1）式中： 工件转速； 研磨盘转速；偏心距，即工件、研磨盘的中心距离。一颗磨粒P在工件上的运动轨迹如图2.3所示。一般认为当工件转速与研磨盘转速相等，即时，被加工表面材料去除均匀性最好。原因是，根据Preston方程RR=kPV，工件被加工表面上一点的材料去除率RR与加工载荷P和相对速度成正比。当时，工件与研磨盘的相对速度大小相等(可由式2.1计算)，在工件上各点加工载荷相同的条件下，可认为材料去除均匀。然而，在实际生产中，定偏心式研磨抛光的工件材料去除均匀性较差(一般只用于加工直径不大于200mm 的小尺寸工件)。从运动轨迹的角度5对此进行的解释，认为当时工件材料去除均匀性并非最好，而是越靠近工件中心材料去除率越低。图2.2定偏心平面研磨运动关系图2.3定偏心研磨轨迹( ）(2)不定偏心式为改善定偏心式设备的研磨轨迹均匀性，引入工件的平移运动，使工件中心与研磨盘中心的相对距离随时间变化，构成不定偏心式研磨设备(如图2.4所示)。研磨盘上任意一颗磨粒P相对于工件的运动轨迹方程可由式2.1改写为6: （式2.2） 式中：工件移动速度磨粒P在工件上的运动轨迹如图2.5所示：图2.4不定偏心平面研磨运动关系图2.5不定偏心研磨轨迹不定偏心式设备的研磨轨迹均匀性明显好于定偏心式设备，更有利于工件面形精度的提高，适合于加工大尺寸(直径大于200mm)的工件。2.2.2.2直线式如图2.2所示，研磨盘某直径上固定两点A、B，其相对速度差定义为可见，研磨盘尺寸足够大时，增加偏心距e，与工件接触的研磨盘上径向各点的线速度差越小，两点与工件相对速度的差越小工件被加工表面材料去除更加均匀。工件尺寸一定时，偏心距增加至一定值即可近似认为研磨盘不是在作回转运动而是直线运动。此时，双轴式研磨设备即成为直线式研磨设备(如图2.6所示)。实际上，直线式研磨使用的不是研磨盘，而是具有柔性的砂带(磨粒涂覆在履带上)，工件做单纯的回转运动或在做回转运动的同时，附加一个垂直于砂带运动方向横向运动或是绕固定点的摆动。假设研磨带上任意一磨粒P则P点相对于工件的相对运动轨迹方程如下7： （式2.3）式中： P到工件中心距离； 研磨带线速度； 工件旋转角速度。P点在工件上的运动轨迹如图2.7所示。图2.6 直线式研磨机原理图图2.7 直线式研磨轨迹此种研磨机构运动形式简单，如将研磨带加长可以形成批量生产，生产效率高。因此此种研磨机构是今后生产应用中的主流机床。2.2.2.3摇摆式研磨摇摆式研磨设备可以是定偏心双轴式或直线式设备的改进形式，工件除回转运动外还附加一个绕固定点的摆动。典型的摇摆式设备的研磨盘以一定转速旋转，工件夹头装在摇臂上，借着摇臂的往复摆动而产生扇形摇摆。同时夹头本身自转。如图2.8所示。摇摆式设备的运动轨迹方程如式2.4所示8：图2.8 摇臂式研磨机构示意图 （式2.4）式中：摇臂摇动的角速度；工件转速； 研磨盘转速； 研磨头圆心与摇臂固定点之间的距离；和工件等大小的研磨头的半径；研磨盘的半径； 研磨盘圆心与摇臂固定点之间的距离； 工件上一点P到工件中心之间的距离。P点在工件上不同转速比下的运动轨迹如图2.9、2.10所示。研磨轨迹在加工面上的均匀程度与工件和抛光盘之间的转速比()有着密切的关系，其大致趋势为：当转速比越不规则或越接近除不尽时，研磨轨迹的分布越致密。其中，又以接近整除且除不尽的转速比，得到的研磨轨迹最致密；不管所选取的转速比为何值，轨迹都一定会通过加工面的中心，而且随着轨迹致密程度的提升，轨迹在加工面中心呈集中的趋势，使工件加工面中心处有凹陷的现象9 。图2.9 当时，研磨轨迹图图2.10 当时，研磨轨迹图2.2.2.4计算机控制小工具式双轴式、直线式、摇摆式研磨设备有一个共同的特点：工件的被加工面是随时被研磨盘所覆盖着的，属于大研磨盘小工件加工方式，其优点是工件加工时不至于有未加工到的死角，研磨加工状态稳定；缺点是随着工件尺寸的增加，则设备的尺寸也需大幅增加，巨大的工作台不仅耗资甚巨，主轴的精度和研磨盘、抛光垫的面形精度也将因面积的增大而受到考验。计算机控制小工具式研磨恰可克服上述问题，如图2.11所示，工件面积远大于研磨盘面积，工件可以固定不动。也可以回转运动或平移运动，小研磨盘在计算机控制下按一定的路径历经整个工件表面。研磨轨迹的均匀性对工件面形精度尤为重要。图2.11 新型加工方式典型的研磨轨迹有两种形式，一种是传统往复式，如图2.12所示。所加工出来的工件轨迹重复性强，研磨条纹易深化，不易获得良好的粗糙度。因此，此种加工方式主要用于粗研磨。图2.12 传统往复式加工另一种是分形轨迹。实际上，理想的平面研磨轨迹应具有如下特征:(1)轨迹线必须是自回避的(或称非自交的)，否则会出现局部去除过多；(2)轨迹线必须均匀分布满整个平面。不允许有不规则的空洞存在；(3)在XY方向上经过的次数要尽可能接近；(4)轨迹线应尽可能简单、控制上易于实现。理论上讲，分形维数为1的曲线是不可能规则地铺满平面的，必然存在交叉点或空隙，而分形维数为2的Peano曲线(或称Hilbert曲线)具有这样的优势。分形曲线中的能够满足上述要求。假设分形维数用D表示，满足条件1D2的分形曲线是，即便满足自相似的特征。里面也存在很不规则的空洞或间隙。如海岸线，其分形维数满足条件IDI3，分布的范围虽然长度方向很长，但径向范围很小。总之，分形曲线的分形维数越是趋近2，它在二维平面上的分布范围越均匀。Peano曲线的D=2，能够通过某个正方形的所有点(也就是能够充满整个平面)。实际研磨加工时，研磨工具依分形轨迹行进，工件则固定于底盘上以一转速转动。对方形、圆弧形、倒角形Peano曲线的研磨轨迹9 (如图2.13、2.14、2.15所示)进行了探讨，认为分形轨迹比定偏心和不定偏心轨迹更有利于获得更高的平面度，特别是工件面积增大时，这一结果更加明显。(a)分形轨迹 (b)研磨轨迹图2.13 方形分形轨迹及研磨轨迹(a)分形轨迹 (b)研磨轨迹图2.14 圆弧分形轨迹及研磨轨迹(a)分形轨迹 (b)研磨轨迹图2.15 方形分形轨迹及研磨轨迹2.2.3双面研磨行星式平面研磨运动机构是最常见的用于双面研磨的机构，如图2.16所示，被加工件放在行星轮孔内，行星轮除绕太阳轮中心公转外，还绕自己中心旋转。行星轮的自转使由于工件中心与研磨盘中心之间的距离随时间周期性变化，故该行星室研磨机构也是一种不定偏心式研磨方式。表2.1中列出了各运动构件的绝对角速度和相对角速度。表2.1 行星式研磨中各运动构件的绝对运动与相对运动假设为研磨盘上的任意一颗磨粒，L为与之间的距离，则在磨粒P工件上的轨迹方程10为: （式2.5）则P在工件上的研磨轨迹如图2.17所示。对于特定的行星式研磨设备，可调节的研磨运动参量是研磨盘的转速和太阳轮的转速 。有文献认为：(1) 通过改变研磨盘的转速和太阳轮的转速之比可以改变研磨盘与工件之间相对运动的轨迹，使轨迹弯曲程度变的平缓，降低磨具的异形磨损，提高工作效率；(2)当取太阳轮转速与研磨盘转速之比很大，且为负时，可以使研磨过程中，工件表面的平均相对速度的分布均匀性得到改善，从而改善了材料去除率的均匀性，提高了工件的表面质量。但是，会降低工件表面相对研磨盘运动的平均速度，从而降低了材料的去除率。图2.16 行星式平面研磨机运动原理图1太阳轮2行星轮3研磨盘4假想系杆5齿圈6工件7负载图2.17 行星式研磨轨迹2.3采用节圆方式对行星式研磨轨迹具体分析前面我们对行星式研磨原理及轨迹做了简单介绍，下面我们将对其进行如下具体分析：2.3.1节圆及运动类型图2.16是行星式平面研磨机运动原理图，图中齿圈5固定不动, 则该系统具有两个独立的自由度. 其一是太阳轮的回转, 其角速度为，太阳轮带动行星轮绕其中心回转, 其绝对角速度 （式2.6）式中: 、 分别为太阳轮、行星轮的齿数, 行星轮同时绕太阳轮的中心公转(即假想系杆4 的回转) , 其绝对角速度 （式2.7）其二是研磨盘的独立运动, 设研磨盘的回转角速度为，方向如图2.16 所示. 为了下面讨论行星轮(或工件) 与研磨盘之间的相对运动关系, 选假想系杆4 作为参照坐标, 即置身于系杆之上, 观测研磨盘与行星轮的回转运动, 设其角速度分别为于是有 （式2.8）上述操作将复杂的研磨运动转化为在定中心距条件下的两个绕定轴的回转运动.由运动学原理可知: 在这两个回转运动之间可以确定一对相互纯滚动的圆称为节圆(瞬心轨迹圆)，它们在中心距上的切点P称为节点(瞬心) ; 此外, 这两个回转运动的角速度之比称为速比： （式2.9）式中： 分别为研磨盘与行星轮的节圆半径，将式2.6式2.8代入式2.9可得： （式2.10）由式2.10可知,当给定时, 只与太阳轮与研磨盘的回转角速度的比值有关,又由中心距与节圆半径的关系,便可求得节圆半径的表达式: （式2.11）上面已经将具有两个自由度的行星式平面研磨运动归结为两个回转运动, 若定义I 为正表示与异向回转, I 为负表示与同向回转,由式2.10、2.11可知, 如果改变太阳轮与研磨盘的回转角速度的比值, 将直接引起节圆半径的变化, 并由此演化出各种复杂的运动形式10（1）A型 ，节点P处于连线之间，运动简图如图2.18（a）所示：（2）B型 ，由于I的取值不同, 还可将此类分为如下两类:节点P处于连线之间，运动简图如图所示:型 ，且,节点P处在的延长线上，运动简图如图2.18（b）所示；型 ，且,节点P处在的延长线上，运动简图如图2.18（c）所示；（3）C型 ，节点P处于连线之间，运动简图如图2.18（a）所示；图2.18运动类型简图2.3.2轨迹分析平面研抛轨迹曲线直接影响研抛的质量与效率, 是深入认识研抛过程机理的基础问题, 一直受到工程界的关注. 可以把研抛过程的轨迹曲线分为两类11: 工件上一定点相对于研磨盘的运动轨迹，以及研磨盘上一定点相对于工件的运动轨迹, 由于后者直接关联着研磨表面的形貌特征、纹理分布, 因而研究较多, 其实前者对于揭示平面研抛的机理将发挥重要作用, 也是将要讨论的重点之一. 从几何学的角度来看, 上述两类轨迹曲线均属泛摆线类型, 只要讨论其中一类, 另一类也就迎刃而解了.下面就以为例讨论其形成过程与几何特征.如图2-19所示, 从 的发生原理可知, 此时研磨盘的节圆(母圆) 静止不动, 行星轮的节圆 (滚圆) 在其上作纯滚动, 行星轮上定点所在的圆称为发生圆, 半径为, 初始相角为于是在研磨盘坐标系中, 曲线的方程可写为图2.19轨迹曲线的发生原理图 （式2.12）式中: 为圆矢量函数12 , 表达式为 （式2.13）其中分别为沿轴的单位矢量， 将圆矢量函数的表达式代入式(1.12)式 , 尚可求得的坐标表达式: （式2.14）当中心距一定,发生点的位置已知时, 速比的变化将引起运动类型的变化, 上式将描述出各种不同类型的摆线, 具体可见表2-2.由表1可见, 对两种运动类型而言, 轨迹曲线必为上述2类6组摆线之一，而对于类运动形式, 将代入式(2.12)可得： （式2.15）上式表示半径为的圆方程, 式右边的第二项为常矢量, 表示圆心所在的位置， 偏心量为、方位由确定, 表明此时的轨迹曲线蜕变为偏心圆, 如图2.19所示：现在可以将表2.2 所给出的各类泛摆线13的几何性质作一个归纳：表2.2运动类型与轨迹类型（1）当为有理数时, 各种泛摆线为周期性函数, 由式(2.12)可以看出,周期为其中分别为行星轮公转、自转的周数.（2）当一定时, 仅仅改变就可以使轨迹曲线呈现出十分复杂的情形, 可按工程的需求择优选取. 另外, 当一定时, 的变化, 不影响的形状, 只影响其周相的初始位置.（3）轨迹曲线上任一点的法线必过该瞬时的节点,如图2.19所示, 为曲线在点的法线, 这是内、外泛摆线的共同性质.（4）普通内、外摆线在母圆上的点必为奇点(尖点) ; 长幅内、外摆线在行星轮公转一周内存在有自交点; 短幅内、外摆线存在有拐点(曲率为零的点) , 呈现出凸凹相连的形状特征.至于研磨盘上一定点相对于工件的轨迹, 尽管其发生方法与有所不同, 但其基本原理是一致的, 只要将设定在行星轮之上, 令母圆为, 滚圆为确定研磨盘上一定点所在发生圆半径、相位角将式2.12置于坐标系之中, 式中的改变为,便可给出曲线的方程. 并且与表1所给的分类以及轨迹曲线的性质均相同.还需讨论的是在研磨过程中, 两类轨迹之间的相互关系. 图2-21表示了滚圆在母圆上纯滚动发生曲线的某瞬时, 滚圆、母圆及发生点的相对位置关系. 将这一位置作为发生曲线的初始位置, 令静止不动为母圆, 在其上纯滚动为滚圆, 处于研磨盘上的点为发生点, 为发生圆半径, 为初始相角, 于是点随滚圆滚动时, 在该瞬时的工件上, 即该瞬时的坐标系中将发生出曲线. 由上面讨论的几何性质(c) 可知, 必为的公法线, 表明这两条曲线在发生点处相切. 重复这一操作, 便可确定曲线上任一点处所对应的曲线, 形成了的线族, 显然, 必为这一线族的包络线. 这里所给出的曲线的内在联系将有助于深化对平面研磨过程的认识.2.3.3计算实例设太阳轮与行星轮之间的中心距, 齿数,发生圆半径, 初始相位角, 由前面的公式可计算得到速比取不同值时, 工件上定点相对于研磨盘的轨迹曲线,图2.20为部分轨迹14曲线图.图2.20轨迹曲线图由计算结果可以看出, 的取值不同, 将改变轨迹曲线的类型、形状及位置, 显示出轨迹变化的复杂性, 这正是平面研磨抛光可以获得较高精度的主要原因.经分析可得，在单面研磨中，双轴式、直线式、摇摆式研磨设备有一个共同的特点：工件的被加工面是随时被研磨盘所覆盖着的，属于大研磨盘小工件加工方式，其优点是工件加工时不至于有未加工到的死角，研磨加工状态稳定；缺点是随着工件尺寸的增加，则设备的尺寸也需大幅增加，主轴的精度和研磨盘、抛光垫的面形精度也将因面积的增大而使得设计比较复杂。具体来讲，双轴式不定偏心设备的研磨轨迹均匀性较好，但适合于加工大尺寸()的工件；直线式研磨机构运动形式简单，但其研磨盘尺寸形状较大，不便于加工；由于摇摆式研磨轨迹在加工面上的均匀程度与工件和抛光盘之间的转速比()有着密切的关系，因此如何控制好转速比()就成了研磨轨迹曲线的关键。计算机控制小工具式研磨虽然解决了上述问题，其分形轨迹比定偏心和不定偏心轨迹更有利于获得更高的平面度，但是设备复杂，花费高，投资大。 而行星式研磨恰可克服以上问题，不仅设备简单，操作方便，而且可以通过改变研磨盘的转速和太阳轮的转速之比来改变研磨盘与工件之间相对运动的轨迹，形状及位置,使轨迹弯曲程度变的平缓,降低磨具的异形磨损，提高工作效率；且当取太阳轮转速与研磨盘转速之比很大，且为负时，可以使研磨过程中，工件表面的平均相对速度的分布均匀性得到改善，显示出轨迹变化的复杂性，从而改善了材料去除率的均匀性，提高了工件的表面质量。经以上对各种研磨轨迹的分析与论证，综合考虑，本次设计最终选择行星式研磨即往复螺旋线式轨迹对工件进行研磨加工。第三章 行星式平面研磨机构传动系统的设计通过前面对不同研磨方式轨迹分析的结果，为了达到研磨精度的要并考虑到设计简单方便易行、双面研磨、往复式螺旋线轨迹、及设计任务要求的研磨件参数，最终研磨机构选择行星式研磨方式来进行该研磨盘的设计。3.1行星轮系的设计 3.1.1行星轮系的类型选择选择轮系的类型时，首先要考虑能否满足传动比的要求下图3.1是本次设计的传动简图：图3.1 传动简图由于此行星轮系的实用传动比范围是15经计算分析，初选传动比，根据研磨所要求的研磨工件数目为4，则行星轮数，采用标准直齿圆柱齿轮传动（1）确定各轮齿数由传动比条件得 (式3.1) (式3.2)由安装条件知 (式3.3)即 (式3.4) (式3.5)取 ，则故取由同轴条件得 (式3.6)检查传动比误差 ，由于误差很小，可以采用。邻接条件该齿轮传动比应满足，计算结果合适3.1.2齿轮有关参数的具体计算如图3.2所示，根据行星轮均载分布情况图3.2 运动原理简图研磨盘直径（内径）约为中心距3倍，设中心距,由公式16得，.取，重新确定中心距（轮1与轮2），由图3-1可得，轮2和轮3为内啮合，为满足啮合条件，所以轮3的分度圆直径为：，即下研磨盘内径为927.因为行星轮个数为4，且均布分载，即 两轮分度圆的直径分别为：太阳轮1 行星轮2 两轮的齿顶圆直径分别为：两轮的齿根圆直径分别为：取压力角直齿传动，由于研磨工件的最小高度为30，又考虑到有上研磨盘力的作用，取行星轮和太阳轮的齿轮厚度均为50，则有，经上述计算可得出齿轮有关设计参数具体如下表3.1：表3.1齿轮的设计参数太阳轮1行星轮2下磨盘轮33.2研磨盘的设计附注：文中未注单位均为()由于此设计可以实现直径范围在的圆柱工件的研磨，而且考虑到简单夹具的设计空间，按照研磨工件的最大直径，初设上研磨盘17的直径为750，厚度为35，开槽宽为80，下研磨盘的直径为1000，厚度50.根据上述计算草绘出其传动简图，如图3.3所示：图3.3 设计简图1.太阳轮2.行星轮3.下磨盘4.太阳轮轴5.上磨盘6.工件7.可调螺钉根据齿轮的具体参数,综合计算出上、下磨盘的具体尺寸，其设计草图如下3.4和3.5所示：图3.4 上研磨盘简图图3.5下研磨盘简图根据下磨盘的结构，设计出安装在太阳轮上的轴，其基本尺寸如下图3.6所示：图3.6 太阳轴3.3电机的选择3.3.1确定主电机的调速范围研磨机主要采用调速电机驱动，配置大功率减速系统，上下研磨盘的转动由变频电机带动。查有关资料选择型号为的主电机（驱动太阳轮），其同步转速为，额定功率为，驱动上、下研磨盘的电机型号均选为，其同步转速为，额定功率为。由于研磨速度一般较低，通常采用变频调速的方式使研磨速度在一定范围内。其中下研磨盘的转速为， 中心轮转速为，3.3.2计算上磨盘的驱动电机调速范围图3.7 研磨机构速度示意图由图3.7可得：（1）假设下研磨盘以的速度顺时针方向旋转，上研磨盘以的速度逆时针方向旋转，它们在图3-7上研磨盘外缘的线速度为（2）行星轮的公转速度为，与下研磨盘同向。（3）行星轮的相对自转速度为，与下研磨盘反向，而与上研磨盘同向。由以上可知根据公式15，则行星轮的最大公转速度为（）行星轮的最小公转速度为（）所以行星轮的公转速度为设行星轮的自转速度为，则有15其最大自转速度为，（）其最小自转速度为，（）因此行星轮的自转速度为为了使研磨机构平稳运动，则上研磨盘的转速应该和行星轮的自转速度近似相等，综合考虑得出上研磨盘的转速范围为。第四章 行星式研磨机构的三维实体设计4.1研磨机构的零件实体图 根据前面一章节草图及有关设计参数绘制研磨机构传动实体图4.1.1行星轮的实体图的绘制具体过程如下：首先根据前一章节的齿轮的设计参数按照齿轮的一般画法画出行星轮，见图4.1；而工件是放在行星轮上的，其最大直径为，由于此次设计要实现不同直径圆柱面（在一定范围内）的研磨，考虑到工件的装夹，在行星轮上开一个直径为，深为的槽，如图4.2；参照机床主轴三爪卡盘的设计，在槽的侧面通过拉伸的方式绘制如图4.3所示的圆柱孔，其长度为22.5；生成实体图如4.4；再采用阵列的方式实现三角对称形式，最后采用螺旋扫描的命令完成内螺纹（螺纹长度为20）的绘制，如图4.5；为了减轻齿轮重量再用拉伸切除命令，绘制如4.6、4.7所示草图，最终的实体图如4.8所示，行星轮的设计完成。图4.1 行星齿轮图4.2 拉伸切除图4.3圆柱孔草绘图图4.4 拉伸切除图4.5螺旋扫描-内螺纹图4.6拉伸切除孔图4.7拉伸切除图4.8 行星轮4.1.2轴、键的实体图绘制先根据上一章节轴的基本尺寸绘制图如4.9所示，由于需在轴上设置的键，轴的的直径为70，根据轴的尺寸选择键的型号为：键 其草图如4.10；选用拉伸切除命令完成键槽的绘制，如图4.11，轴的设计完成。图4.9 轴图4.10键的草绘图图4.11太阳轴根据上