数控精密平面磨床进给系统的设计

XXXXXXXX毕业设计说明书题 目： 数控精密平面磨床进给系统的设计 精密数控平面磨床工作台纵向进给、横向进给机构设计摘要本文对所设计的磨床作了详尽的论述，分别从精密数控平面磨床的总体布局、横向进给、纵向进给和硬件电路设计等几个方面进行了阐述。绪论：介绍该课题研究背景和国内外发展状况，以及此次毕业设计的任务由于某些原因，没有上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等） ，此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要的朋友，请联系我的叩扣:2215891151。数控平面磨床总体设计：简单介绍了此次设计的数控平面磨床，给出该数控平面磨床的技术规格和主要结构及说明，并说明了磨床的总体传动设计和总体布局设计。理论计算：包括机床功率的计算，电动机选用，滚珠丝杆副选用与校核以及锥齿轮尺寸计算。方案设计：详细说明了精密数控平面磨床的传动部件设计和导轨设计的要点和要求，并提出纵向进给机构和横向进给机构的设计方案。硬件电路设计：详细说明了硬件的选用和电路的连接。最后，针对本设计中不够完美的地方的改进想法，以及对本次毕业设计的总结和对我国超精密发展方向进行了展望。关键词：平面磨床，数控，纵向进给，横向进给Precise Numerical Control Plane Grinding MachineAuthor:Memg DanTutor:Deng ZhaohuiAbstractThis paper makes a thorough exposition of the designed grinding machine from the aspects of its overall design,horizontal and portrait give and hardware circuit design.The following is a brief introduction of the composition of this paper.INTRODUCTION: It introduces the background of this subject research ,the development in this field internal and international, and the assignment of this graduation project.THE OVERALL DESIGN OF THE NUMERICAL CONTROL PLANE GRINDING MACHINE: It gives a brief introduction to the design of the numerical control plane grinding machine, and provides its technical specification , main structure and explanation of the numerical control plane grinding machine , and show the design of the overall transmission of the grinding machine and the design of the overall arrangement. THE THEORETIC CALCULATION: It introduces the calculation of the power of lathe , the selection of the motor, the selection and check of the ball pole and the theoretic calculation of the size of the cone gear wheel.CONCEPTUAL DESIGN: It introduces the main points and requirements of the design of the drive parts, and puts forward the design of the horizontal and portrait give parts.THE DESIGN OF HARDWARE CIRCUIT: The election of the hardware and the connection of circuit are explained at length. In view of the flaws of the design, it puts forward some measures to make impovement. Besides, a conclusion of this graduation project and prospect of the development of precise machine are given in this part.Keyword: plane grinding machine , numerical control, portrait give, horizontal give第 1 章 绪论1.1 课题研究背景及目的1.1.1 课题研究背景随着科学技术的迅速发展，国民经济各部门所需求的多品种、多功能、高精度、高品质、高度自动化的技术装备的开发和制造，促进了先进制造技术的发展。同时，随着社会进步，人们对加工精度的要求越来越高，对精密和超精密加工的需求也日益增多，精密加工广泛的应用于制造生产中，对机床精度的要求也进一步提高。磨削是一种重要的精密和超精密加工方法，因此磨削的应用也愈加广泛。磨削加工技术是先进制造技术中的重要领域，是现代机械制造业中实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广的基本工艺技术。精密、超精密加工技术市场是国家尖端技术集中的市场，它既是高代价、高投入的工艺技术，又是高增值、高回报的工艺技术，世界工业先进国家都把它放在国家技术和经济振兴的重要位置 1。当今，在光学和电子零件加工中，都力图提高精度和集成度，不仅是零件加工，而且对作为精密模具、机械零件、测试仪器零件最终加工工序的磨削加工也提出了超精密化的要求。此外，随着新材料的开发，陶瓷等作为结构零件材料在某些特殊场合已经得到了应用，这些新材料均属于难切削材料，其结果不仅提高了磨削的比重，而且还促进了磨床、磨削加工方式和工艺以及其它相关技术的发展。随着以工程陶瓷为主体的非金属材料逐渐成为工程技术重要材料，各国还开发了适应加工这类工程陶瓷的超精密平面磨床。陶瓷材料的特点是硬而脆，其硬度是碳钢的 1O 至 20 倍，而断裂韧性仅为碳钢的几十分之一。陶瓷材科的性能对粗糙度、破损度、平面度等平面参数十分敏感。陶瓷材料的磨削机理与金属材料不同，主要有三个特点：砂轮损耗大，磨削比低 3 磨削力大，磨削效率低 3 由于磨削条件不同，会使加工零件的强度发生变化。根据以上这些特点，各国都致力开发了适合进行纳米磨削的超精密平面磨床，并且进行了脆性材料的可延性磨削技术的研究。随着社会的不断发展，高效是各个生产商不断追求的目标，数控技术得到推崇。当今，磨削加工技术的发展趋势是向着采用超硬磨料磨具，发展高速、高效、高精度磨削新工艺，装备 CNC 数控磨床的方向发展。1.1.2 课题研究目的本次设计目的是设计一台精密数控平面磨床，精度等级为 1 ，用砂轮周边磨削m平面，也可以磨削台阶平面。能用于机械制造业及工具模具制造业，能加工各种难加工材料( 如陶瓷材料 )。1.2 国内外发展状况超精密加工技术是以高精度为目标的技术，它具有单项技术的极限、常规技术的突破、新技术综合三个方面永无止境的追求的特点。实现超精密加工的主要条件应包括以下诸方面的高新技术：超精密加工机床与装、夹具；超精密刀具和磨料，刀具刃磨技术；超精密加工工艺；超精密加工环境控制（包括恒温、隔振、洁净控制等） ；超精密加工的测控技术等。毫无疑问，超精密加工机床技术是最关键的技术，它直接代表了国家制造业的水平 1。大学和研究所保持着对超精密机床研究的持续热情，对高技术进行超前研究，并使得研究型超精密试验机床尽可能采用高技术作产业的先导，对超精密机床产业化和商品化起着推动作用。美国 LLNL 实验室开发了一系列超精密试验研究型机床，1984 年研制成功的大型光学金刚石车床 LODTM 是至今为止精度最高的大型超精密机床 2。该机床可加工直径为 2.1m 质量 4.5t 的工件。采用高压液体静压导轨在 1.07m1.12m 范围内直线度误差小于 0.025 （在每个溜板上装有标准平尺，通过测量和修正来达到） 。位移误差不m超过 0.013 （用氦屏蔽光路的激光干涉仪来测量和反馈控制达到） 。主轴溜板运动偏摆小于 0.001 (通过两路激光干涉仪测量,压电陶瓷修正来实现 ).激光测量系统有单独的花岗岩支架系统,不与机床联结,油喷淋冷却系统可将油温控制在 20 0.0025 .采用C摩擦驱动,推力可达 1360N，运动分辨率达 0.005 。m在商品化实用超精密机床方面，世界上最负盛名的是英国的 Tayler/Hobson-Pneumo 公司。该公司生产 Optoform,Microform 和 Nanoform 三个系列的超精密机床。典型产品 Nanoform250 车床采用空气静压主轴，其径向、轴向刚度分别为 88MN/m 和62MN/m，径向和轴向精度 0.05 ，采用液体静压捣鬼，水平和垂直线度分别为 0.2 m/250mm 和 0.5 /250mm，定位精度为 0.3 /250mm，数控系统采用 Nanopath，分辨率为0.001 。测量系统采用光栅迟或激光干涉仪，分辨率分别为 8.6nm 和 1.25nm。加工m型面精度达 0.2 ，表面粗糙度 优于 0.01 。aR美国洛切斯特大学光学中心（COM） 3开发了 POTICAM 系列的超精密光学加工机床；OPTICAM 超精机床系列设备包括：OPTICAM/SM 平面抛光机床，OPTICAM/AM 非球面加工机床和 OPTICAM/PM 棱镜加工机床。2000 年开始进行“保形光学制造技术”的研究，开发了 Nanotech 150AG 非球加工机床；Q22 磁流变加工机床等。英国的 Granfield 大学的精密工程研究所研究的 OAGM2500 六轴 CNC 超精密磨床 4、Nanocenter250、600 非球面光学零件车窗和大型超精密金刚石镜面磨床，是超精密机床研究的先锋。1超精密磨削及磨粒加工工艺技术当前精密磨削是指被加工零件的加工精度达 10.1 ，表面粗糙度 为 0.20.01maR的加工技术。超精密磨削的加工精度小于 0.1 ，表面粗糙度 ，磨m m025.床定位精度的分辨率和重复精度小于 0.01 。现在超精密磨削正从微米、亚微米（10.1 ）的加工向纳米级 加工发展。用磨具进行磨削和用磨粒进行3210研磨和抛光是实现精密及超精密加工的主要途径。用于超精密镜面磨削的树脂结合剂金刚石砂轮的磨料平均粒径可小至 4 ，使用 20nm 的超微细磨粒的磨片，所磨削加m工的集成电路板的沟槽边沿没有崩角现象；用铸铁结合剂粒度为 的、金刚石砂轮#80精磨 SiC 镜面，表面粗糙度可达 25nm。日本还用激光在研磨过的人造金刚石上切aR割出大量等高性一致的微小切削刃，对硬脆材料进行精密加工，效果很好。对极细粒度的模具而言，砂轮锋锐性的保持是一个大问题。金属基微细超硬磨料砂轮在线电解修整（ELID）技术，很好地解决了这一问题。用 60008000 目粒度的钢结合剂金刚石砂轮和 ELID 技术精磨 硅片，去除率为 ，平面度为 5。)4(10inmmin/536/2超精密机床轴系的研究与发展气浮主轴的最大优点是回转精度高。由于气浮误差均化效应，通常主轴回转运动精度比主轴加工的圆度精度要高出 35 倍。主轴和电机采用一体化结构直接驱动。电动机与株洲的动平衡问题，电动机电磁振动消除、电动机热消除、主轴热伸长补偿以及新型气浮结构设计与制造等都是一直在研究改善的问题。为了提高主轴的径向和轴向刚度，采用半球型气浮主轴如德国 Kugler 公司 EK 系列气浮轴承。为了进一步提高回转精度和刚度，近年来很多人研究控制节流量反馈方法来实现运动的主动控制。最近，用电磁技术和气浮结合的控制方法也在研究之中。但电磁技术的缺点很多，如热效应严重等，还不能达到很高精度。日本学者 6研究了一种用永磁体加压电陶瓷微位移驱动和电容传感器位置测量的方法来改善气浮主轴的精度。主动控制增加了系统的复杂程度和降低了可靠性，目前尚不到使用的程度。但使用永磁体增加止推气垫的刚度的成功实例并不少见，这种气磁轴承和加开真空负压槽的真空吸附加强型气浮轴承相似。这种综合轴承在一定程度上可改善气浮轴承的动态特性，如增大阻尼。3超精密驱动技术的新进展为了获得高的运动精度和运动分辨率，超精密导轨直线运动的驱动对伺服电动机的要求很高，既要求有平稳的超低速运动特性，又要又大的调速范围，好的电磁兼容性。美国 Parker Hannifin 公司的 DM 和 DR 系列直接驱动伺服执行器，输出力矩大，位置控制分辨率高达 1/640 000。主轴驱动电动机可以采用印刷板电动机，它的惯性小，发热量小。精密滚珠丝杆式超精机床目前采用的驱动方法，但丝杆的安装误差、伺杆本身的弯曲、滚珠的跳动及制造上的误差，螺母的预紧程度等都会给导轨运动精度带来影响。通常超精密传动机构应有特殊设计，例如丝杆螺母与气浮平台的联结器应保证轴向和滚转刚度高，而水平、垂直、俯仰和偏转四自由度为无约束的机构，电动机预丝杆的联结器也应采用纯扭矩无反转间隙的联轴器。气浮丝杆和磁浮丝杆可进一步减小滚珠丝杆的跳动误差和因摩擦和反向间隙引入控制系统的非线性环节。俄罗斯研制的气浮/磁浮丝杆 78其电磁丝杆的传动主要指标如下：丝杆直径 62mm，螺距和螺纹齿高 4mm，丝扣宽度 1mm，间隙 =0.1mm，承载能力和静刚度分别为 700N 和 75MN/m 和气浮平台联合使用时驱动装置的分辨率为0.01 。Fanuc 公司的超精密车、铣床 R0B0nano Ui 就采用了面节流式空气静压丝杆m螺母副。超精密加工的意义重大，我国超精密加工技术的发展要赶超世界先进水平，就应优先考虑适度、稳定高精度的战略。最求高精度从理论上是无穷尽的，但根据我国国情，选择适当的投入/精度比，追求适度、稳定高精度，依靠自己的力量开发廉价化的超精加工技术。1.3 毕业设计任务与论文组成1.3.1 毕业设计任务1设计一台精密数控平面磨床，用砂轮周边磨削平面，也可以磨削台阶平面。能用于机械制造业及工具模具制造行业，能加工各种难加工材料；2确定磨床的总体方案3工作台纵向进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杆副设计计算，绘制纵向进给机构的机械结构装配图；绘制相关零件图；4工作台横向进给机构设计，绘制横向进给机构机械结构装配图；5磨床床身立柱的设计（选做） ；6磨床微机数控系统的硬件电路设计；7翻译指定的英文专业文献；8撰写毕业设计论文（说明书） 。1.3.2 论文组成论文由以下几章组成1绪论：介绍课题研究背景和国内外发展状况，以及此次毕业设计的任务。2数控平面磨床总体设计：简单介绍此次设计的数控平面磨床，给出所要设计的数控平面磨床的技术规格和主要结构及说明，并说明了磨床的总体传动设计和总体布局设计。3理论计算：包括机床功率的计算，电动机选用，滚珠丝杆副选用与校核以及锥齿轮尺寸计算。4方案设计：详细说明了精密数控平面磨床的传动部件设计和导轨设计的要点及要求，并提出纵向进给机构和横向进给机构的设计方案。5硬件电路设计：详细说明了硬件的选用和电路的连接。6机床改进：针对本设计中不够完美的地方的改进想法。7结论：包括这次毕业设计的总结，和对精密数控平面磨床的发展方向进行了展望。8致谢9参考文献 第 2 章 数控平面磨床总体设计2.1 磨床简介本次设计是一台精密数控平面磨床，它除了可以磨削平面外，还可以磨削台阶平面，不仅适用于机械加工行业亦适用于模具行业。它采用机电一体化设计原理，通过采用CBN 砂轮，滚珠丝杆副，数控系统等措施保证加工精度。该精密数控平面磨床主要包括磨头及垂直进给系统、工作台纵向及横向驱动系统、床身及防护罩装置、冷却及润滑系统和数控系统五大部分。该机床的磨头为普通平面磨床磨头，垂直进给的高精度由丝杆副和数控系统来保证。该机床的横向驱动系统及纵向进给机构采用滚珠丝杆加交流伺服电机驱动，提高加工精度。纵向进给导轨镶装塑料，以降低摩擦系数，提高耐磨性和抗撕伤能力，并防止低速时出现爬行。该机床的冷却系统包括磨削液冷却、强制过滤等装置。为减少磨削液对砂轮制功功率的损耗，冷却压力为 2Mpa。机床的总体布局分为十字拖板型，拖板上下纵横导轨均为双 V 型滑动导轨，工件摩削平面的形成由工作台的纵向运动和拖板的横向运动而成，磨头仅做垂直上下运动。工作台纵向运动由伺服电机带动，拖板横向运动也有伺服电机驱动。通过一对减速齿轮传动，滚珠丝杆转动而使拖板横向往复运动，磨头垂直导轨为立柱前后导轨形式的贴型滑动导轨，磨头主轴系统为前后各为双联成堆高精度滚动轴承结构。主轴的旋转运动由伺服电机驱动，通过柔性连轴器使主轴运转，磨头的垂直运动是由伺服电机驱动蜗杆、涡轮传动与其向啮合的螺旋齿轮，转动与螺旋齿轮刚性连接的丝杆副的螺母而使与丝杆固定联结的磨头做垂直运动。本级床为高精密数控机床，几何精度、工作精度很高，性能可靠性稳定，垂直进给、横向进给、纵向进给具有数控系统，进给灵敏度、准确度高，磨削自动化程度高，当每次自动磨削循环结束，工作台始终停止在纵向运动的右端2.2 磨床技术规格1工作台面尺寸 200630mm2加工范围：最大磨削尺寸（宽长高） 200630380mm最大工件载重量（包括电磁吸盘） 130KG3工作台：最大纵向行程 750mm最大横向行程 220mmT 型槽数和槽宽 414mm4工作台纵向运动：进给速度 0.325m/min 手动进给手轮每转 180mm5拖板横向运动：连续进给 0.21m/min手动机给手轮每转 5mm手轮每格 0.02mm微进给手轮每大格 0.005mm6磨头垂直运动：砂轮主轴中心线至工作台面之距 160480mm砂轮转速 3000r/min 磨头垂直快速升降速度 400mm/min。磨头垂直自动进给量 0.0010.02mm最小进给量 0.0001mm手动进给旋钮每转（1/10/100） 0.01/0.1/1mm旋钮刻度（1/10/100） 0.0001/0.001/0.01mm快速进给 400mm/min7砂轮尺寸： 外径 200mm宽度 25mm孔 32mm 8占地空间：长 2405mm宽 1593mm高 1786mm机床重量 2000kg2.3 主要结构及说明2.3.1 磨头磨头主轴的转动，由主轴电机通过柔性联轴器驱动具有前后支承均为成对高精密滚动向心推力球轴承而使砂轮转动。2.3.2 垂直进给机构由伺服电机驱动蜗杆，传动与其相啮合的螺旋齿轮，转动与螺旋齿轮刚性联结的丝杆副的螺母，移动丝杆使与其固定联结的磨头体垂直运动。垂直运动具有数控系统基础，进给有自动与手动。1自动快速运动 按住点动式快速上升键，磨头上升，当释放时磨头停止上升，按住点动式快速下降键，磨头下降，当释放时，磨头停止下降，其运动速度为400mm/min。点发进给运动 点按点发进给键，每次进给量为 0.001/mm。自动进给运动 在自动磨削时，分粗磨、精磨和无进给磨削，其进给量为0.00050.02 定量分级任意选择，且具有预置和粗磨、精磨和无进给磨削次数的自动转换，当无进给磨削次数结束，工作台固定的在右端停止，在磨削过程中有数字显示。2手动手动进给由手动脉冲发生器控制器进给量，根据需要任意选择既定的定量分级的进给，其进给量为 0.00010.01/格。根据预先选择的进给量和转动、手动脉冲发生器就可获得所选择的进给量。调整用手动机构，在床身后面，在与伺服电机相联接得蜗杆轴上装有一直齿齿轮，转动相啮合的另一锥齿轮轴，通过蜗杆螺旋齿轮副和垂直丝杆副可获得磨头上下调整已动，在平时，锥齿轮对始终处于非啮合状态的拓开位置。2.3.3 横向进给机构拖板（或工作台）横向进给运动可分为手摇进给、手动微动进给和自动进给。1手摇进给时应将捏手松开，使斜齿轮与手轮空转，然后将手轮向前推，使齿型离合器相接合（此时拉杆以将齿轮副脱开）摇动手柄，经手轮、轴、联轴器，转动滚珠丝杆，使滚珠螺母移动，带动拖板做横向进给运动。2手动微动进给 基本上与手摇进给相同，此时应将捏手拧紧，使斜齿轮与手轮结合在一起，然后使齿型离合器接合，转动蜗杆上的捏手，经蜗杆、斜齿轮啮合传动轴，其余传动与上面相同，微动把手上的最小刻度值为 0.005 毫米。 3自动进给 自动机给的动力为伺服电机，在它的输出轴上装有齿轮，经与它啮合的齿轮而传动轴（此时应将齿型离合器分开）经联轴器使滚珠丝杆转动，滚珠丝母是紧固在拖板上的，因此式拖板做横向自动进给，横向进给量：断续为 0.512 毫米/ 次，连续为 0.21 米/分。2.3.4 纵向进给机构拖板（或工作台）纵向进给运动可分为手摇进给和自动进给。1手摇进给时应将捏手松开，使斜齿轮与手轮空转，然后将手轮向前推，使圆柱齿轮和托板上的齿条相捏合（此时拉杆以将齿轮副脱开）摇动手柄，经手轮带动圆柱齿轮转动，圆柱齿轮和尺条捏合带动拖板做纵向进给运动。2自动进给 自动机给的动力为伺服电机，在它的输出轴上装有齿轮，经与它啮合的齿轮而使滚珠丝杆转动，滚珠丝母是紧固在拖板上的，因此式拖板做纵向自动进给，纵向进给量 0.325m/min。2.4 磨床总体传动设计磨床总体传动图，见图 2.1。 （详见 A33号图）2.5 磨床总体布局设计磨床的总体布局图，见图 2.2。(详见 A32号图)图 2.1 精密数控平面磨床传动系统图图 2.2 精密数控平面磨床总体布局图第 3 章 理论计算3.1 功率计算如下图 3.1 所示：图 3.1 磨削力示意图切向磨削力(N) ；tF吃刀量(mm) ；pa砂轮线速度（m/s） ；sV工件纵向进给速度（m/min） ；w由于本机床既要求能加工普通钢材，又要能加工硬脆陶瓷材料；所以计算切削功率时分为两种情况。（1）当磨削普通钢材时，平面磨削力的公式为： 9 （3.1）tF280.8641.06pwsav由公式（3.1）得： tF280.8641.06pwsav 0.86.41.06253105N其中 =0.02 为磨床加工的最大磨削量；pa25 为磨床工作台最大进给速度；wV由经验公式 9可知：径向力 =1000NnF砂轮所受的的轴向力很小，在这里忽略不计。纵向进给机构所受的垂直力 等于砂轮所受的径向力，由于实际中 角很小，所1 以纵向机构所受的轴向力 约等于砂轮的切向力。2F纵向进给机构轴向所受的合力为：9 (3.2)21)(Fmg由公式（3.2）得： 21)(Ftng105)0(. N75.加工时纵向最大进给速度 V=9.6m/min纵向进给机构的切削功率为： kwFp1.06/.9705当磨削硬脆材料时，在同样的工作条件下，根据以往的经验，1000N， / =20, =50N, nFntFt纵向进给机构轴向所受的合力为：9 21)(Fmg（3.3）由公式(3.3)可得 NFmgtn65050)1(.)2纵向进给机构的切削功率为： kwvFp10.6/.9503.2 电动机选用综合以上两种磨削方式，选取磨削功率 0.11kw。由于机床设计选择的数控系tp统是西门子 SINUMERIK802D 型，所以选择与选择与西门子数控系统相匹配的 IKF6伺服电机。3.3 滚珠丝杆副选用与校核1工作寿命选择查表取 Th=15000h92等效负荷和等效转速等效负荷计算导轨摩擦力：=W9 （3.4）fF由公式（3.4）可得=Wf=0.15000=500N轴向力：1000N切向力：105NFm=500+1000+100=1605N等效转速计算伺服电机最高转速 =3000r/minmaxn丝杆转速 =3000 =2143r/mins5230丝杆导程 ，取Ph6.14mPh12丝杆转速 快速移动 2143r/min一般加工 800r/min精密加工 400r/min调整 50r/min等效转速 min/520104138052143 rnm 3丝杆选择等效轴向动负荷查表得 8.0tf7.af35.1wfhf62.0kf9 （3.5）316mkahtmaenTfFC由公式（3.5）得 3160mhkahtmaenfN96.21515202.780316查表选择插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，型号为 CMD3212-2.5， =25837N， ， ，螺母长度 L=151mm，余程为 45mm9aCoa5680Kc螺纹长度 mLu 9014217支承跨踞 m1丝杆全长 0采用 F-F 式支承，丝杆一般不会受压缩力作用，可不校核压杆稳定性。丝杆弯曲振动临界转速：9 （3.6）2910ccrLdfn查表得 730.42fmDdw38.245.6121Lc 976.09705由公式（3.6）得 in/2143in/5697.02438.491 rrncr 预拉伸量：取温升为 ；C5.3螺纹伸长量： 9 （3.7）1tLu由公式（3.7）得 1tLum.389.056丝杆全长伸长量： 9 1tLl（3.8）由公式（3.8）得1tLlm35.42.06取预拉伸量 ml045.预拉伸力： 9 LuAEtFl（3.9）由公式（3.9）得 LuAEtFlN3160429.010.2438564轴承选择采用成对 接触角推力球轴承为固定端，轴承型号 7304C。其尺寸参数为：60d=20mm，D=52mm，Z=13， =7.144mm。技术参数为：C=29200N =28000NwD0C计算轴承动负荷 C：tahFf（3.10）式中 寿命系数hf转速系数a9 3105hhLf（3.11）由公式（3.11）得 3105hhLf1.3509 3mnf（3.12）由公式（3.12）得 31mnf5.0231把 、 代入，由公式（3.10）得hfa tahFfC4125.03=24947N28000N 满足强度要求 93.4 锥齿轮尺寸计算 10分锥角 983.250arctn11762大端分度圆直径 =303=90mmeemzd1=523=156mm2外锥距 =90/2sin19.983=90.046mm11sineR齿宽系数 =1/3齿宽 b= =(1/3)90.046=30mm Re大端齿顶高 =13=3mm =3eamxh)1(2ah大端齿根高 =（1+0.2-0 ）3=3.6fc1*=（1+0.2-0 ）3=3.6efx)(22全齿高 =（2+0.2）3=6.6emch*齿根角 290.46.3arctnart11 effRrtrct22effh齿顶角 90.1fa 290.2fa顶锥角 7390.832a.67.62a根锥角 2.1ffi307.90.22ff大端齿顶圆直径 90+23cos29.983=95.19711cosaeahd156+23cos60.017=159.00022第 4 章 纵向进给机构设计4.1 传动部件设计 4.1.1 进给传动系设计应满足的基本要求进给运动的传动质量直接关系到机床的加工性能，故对进给运动有如下要求：1具有足够的静刚度和动刚度；2具有良好的快速响应性，做低速进给运动或微量进给时不爬行，运动平稳，灵敏度高；3抗震性好，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪音；4具有足够宽的调速范围，保证实现所要求的进给量（进给范围、数列） ，以适应不同的加工材料，使用不同刀具，满足不同的零件加工要求，能传动较大的扭矩；5进给系统的传动精度和定位精度要高；6结构简单，加工和装配工艺性好。调整维修方便，操纵轻便灵活。 117消除传动间隙，进给系统的传动间隙（多指反向间隙）存在于各传动副和各联结结构中，直接影响机床的加工精度。为尽量消除其影响，应采用消隙传动件和消隙联系结构；8速度稳定性要好，进给部件在低速运动时，不产生“爬行” ，高速运动或负载变化时不发生振动。 124.1.2 传动部件设计1齿传动间隙的消除传动副为齿轮传动时，要消除其传动间隙。齿轮传动间隙的消除有刚性调整法和柔性调整法两类方法。刚性调整法时调整后的齿侧间隙不能自动补偿，如偏心轴套调整法、变齿厚调整法、斜齿轮轴向垫片调整法等。特点是结构简单，传动刚度较高。但要求严格控制齿轮的齿厚及齿距公差，否则将影响运动的灵活性。柔性调整法是指调整后的齿侧间隙可以自动进行补偿，结构比较复杂，传动刚度低些，会影响传动的平稳性。主要有双片直齿轮错齿调整法，薄片斜齿轮轴向压簧调整法，双齿轮弹簧调整法等。纵向进给机构中采用的是锥齿轮对降速传动，由于纵向运动精度要求不高，并且受到的轴向力较大，为了使得运动稳定、结构简单，所以采用传动刚度高的刚性调整法轮轴箱垫片调整法消除锥齿轮间隙。由于横向进给运动精度直接影响加工精度，故精度要求较高，必须消除传动间隙。横向进给机构采用的是一对直齿轮降速，所以才用柔性调整法（双片直齿轮错齿调整法）消除齿侧间隙。2滚珠丝杆螺母副及其支承滚珠丝杆螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置。其具有螺旋槽的丝杆与螺母之间装有中间传动元件滚珠。滚珠丝杆螺母机构由丝杆、螺母、滚珠和反向器等四部分组成。当丝杆转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环反向通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。滚珠丝杆副与滑动丝杆副或其他直线运动相比，有下列特点：摩擦损失小，传动效率高。一般滚珠丝杆副的传动效率达 92%96%，滑动丝杆副的传动效率仅为 20%40%。丝杆螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度。摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳。磨损小，寿命长，精度保持性好。工作寿命长。滚珠丝杆螺母副摩擦表面为高硬度（HRC5862） 、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的 410 倍以上。定位精度和重复定位精度高。由于滚珠丝杆副摩擦小、温升少、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸的补偿热膨胀。因此可达到较高的定位精度和重复定位精度。同步性好。用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。可靠性高。润滑密封装置机构简单，维修方便。不能自锁，有可逆性，即能将螺旋运动转换为直线运动，或将直线运动转换为螺旋运动。因此丝杆立式使用时，应增加制动装置。经济性差成本高。由于结构工艺复杂，故制造成本较高。滚珠丝杆副轴承选用及定位方式纵向进给机构中的滚珠丝杆承受的轴向载荷和径向载荷均较大，因此对丝杆轴承的轴向和径向的精度和刚度要求都较高。由于该磨床为小型数控机床，故采用角接触推力球轴承。横向进给机构中的滚珠丝杆主要承受径向力，因此采用推力轴承和滚子轴承的配合。纵向进给机构和横向进给机构中的滚珠丝杆长度均较长，同时转速也较高，因此滚珠丝杆的支承方式采用两端固定法。滚珠丝杆螺母副间隙消除和预紧滚珠丝杆在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生接触变形，接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杆螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杆反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杆的传动精度。因此，同齿轮的传动副一样，滚珠丝杆螺母副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杆、滚珠和螺母之间没有间隙，提高螺母丝杆副的接触刚度 10。本设计中采用齿差式双螺母结构，可通过调整两个螺母之间的轴向位置，使两螺母的滚珠在承受工作载荷前，分别与丝杆的两个不同的侧面接触，产生一定的预紧力，以达到提高轴向刚度的目的。齿差式调整法：作用螺母法兰外圆上制有外齿轮，齿数常相差 1。这两个外齿轮又与固定在螺母体两侧的两个齿数相同的内齿圈相啮合，调整方法是两个螺母相对其啮合的内齿圈同向都转一个齿。4.2 导轨设计 4.2.1 导轨应满足的要求机床导轨是用来引导机床上运动不见的运动方向，使刀架、溜板和工作台等沿一定的轨迹准确的相对运动，并使机床部件得到准确定位。故导轨是机床的关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。导轨应满足精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好，便于加工、装配、调整和维修、成本低等要求。其中下面为几个基本方面的要求：1. 导向精度 导向精度是指导轨运动轨迹的准确性，足够高的导向精度是保证机床加工精度的前提，因此它是对导轨的最基本要求。影响导向精度的因素很多，如导轨几何精度和接触精度，导轨的结构型式，导轨和支承件的刚度，导轨的油膜厚度和油膜刚度，导轨和支承件的热变形等等。直线运动导轨的几何精度一般包括导轨在竖直平面内的直线度、导轨在水平面内的直线度和导轨面之间的平行度。接触精度指导轨副间磨擦面实际接触面积占理论接触面积的百分比，或用着色法检查2525mm 面积内的接触点数。不同加工方法所生成的导轨表面，检查的标准是不同的。22耐磨性好，导轨原有精度丧失的主要原因就是磨损，沿导轨全长的均匀和不均匀磨损，都会直接影响其导向精度。因此导轨的耐磨性是决定导向精度保持性的关键，也是衡量机床质量的重要指标之一，应尽可能提高导轨的耐磨性。影响导轨的耐磨性的主要因素有：导轨的摩擦性质、材料、热处理及加工的工艺方法、受力情况、润滑和防护等。3. 承载能力大，刚度好 根据导轨承受载荷的性质、方向和大小，合理的选择导轨的截面形状和尺寸，使导轨具有足够的刚度，保证机床的加工精度。4.低速运动平稳 挡动导轨作低速运动或微量进给时，应保证运动始终平稳，不出现爬行现象。影响低速运动平稳性的因素有导轨的结构形式、润滑情况、导轨摩擦面的静、动摩擦系数的差值，以及窗洞导轨运动的传动系刚度。5.结构简单、工艺性好导轨要求结构简单，易于加工 11。4.2.2 导轨的作用及分类导轨按结构方式可分为两类：开式导轨和闭式导轨。开式导轨是指在部件自重和载荷的作用下，运动导轨和支承导轨的工作面始终保持接触、贴合，其特点是结构简单，但不能承受较大的颠覆力矩的作用。闭式导轨当颠覆力矩作用在导轨上时，仅靠自重不能使主导轨面始终接触，借助于压板形成辅助导轨面，导轨才能承受较大的颠覆力矩作用，并保证支承导轨与动导轨的工作面始终保持可靠的接触。根据结构需要横向进给传动和纵向进给传动结构都选择开式导轨。4.2.3 导轨的类型及其选择直线运动导轨的截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆形，并都是凸、凹之分。水平放置的凸形导轨不易积存切屑，但也不易存油，多用于低速工作条件；凹形导轨易存润滑油，可用于高速工作条件，但必须有可靠的防护装置，以免切屑等物落在导轨面上。 矩形导轨：矩形导轨具有承载能力大、刚度高、制造简便、检验和维修方便等优点;但有着侧向间隙，要用镶条调整，导向性差。三角形导轨：三角形导轨面磨损时，动导轨会自动下沉，自动补偿磨损量，不会产生间隙。三角形导轨的顶角 一般在 90120范围内变化， 角越小，导向性越好，但摩擦力也越大。燕尾形导轨：燕尾开导轨可以承受较大的颠覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整方便。但是，刚度较差，加工、检验不方便。圆柱形导轨：圆柱形导轨制造方便，工艺性好，但磨损后较难调整和补偿间隙。主要用于受轴向负荷的导轨，应用较少。4.2.4 导轨设计根据以上要求，纵向导轨采用双三角导轨，双三角导轨不需要镶条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好，但是工艺性差，加工、检验和维修不方便。由于铸铁导轨有良好的抗振性、工艺性和耐磨性，因此采用铸铁导轨。同时为了提高导轨耐磨性和防止撕裂，在导轨副中，动导轨采用铸铁，不淬火，支承导轨采用淬火钢。4.3 机构设计 4.3.1 纵向进给机构设计纵向进给机构图如图 4.1 所示（详见 A0号图纸） 。纵向进给机构运动说明：自动进给时，手轮向外拉，使与手轮相连的锥齿轮和带动滚珠丝杆的锥齿轮分开，为了保证在自动进给时手轮不会因为其上的锥齿轮不小心和大锥齿轮相碰而影响安全操作，在手轮轴上有两条相距为 16.5mm 的沟槽，往后拉动手轮到一定位置时，由安装在箱体上的一个弹簧滚珠将其定位，手轮便不会被轻易推向里而碰到大锥齿轮。同样手动时，把手轮往里推，到一定位置时滚珠就会定在后面的沟槽内，起到限位作用，只是手轮上的锥齿轮和大锥齿轮啮合，摇动手轮，齿轮啮合将运动传给滚珠丝杆，带动工作台作纵向运动。图 4.1 纵向进给机构图4.3.2 横向进给机构设计横向进给机构图详见 A0（8）号图纸横向手动进给时应将捏手松开，使斜齿轮与手轮空转，然后将手轮向前推，使齿型离合器相接合（此时拉杆以将齿轮副脱开）摇动手柄，经手轮、轴、联轴器，转动滚珠丝杆，使滚珠螺母移动，带动拖板做横向进给运动。手动微动进给基本上与手摇进给相同，此时应将捏手拧紧，使斜齿轮与手轮结合在一起，然后使齿型离合器接合，转动蜗杆上的捏手，经蜗杆、斜齿轮啮合传动轴，其余传动与上面相同。横向自动进给的动力为伺服电机，在它的输出轴上装有齿轮，经与它啮合的齿轮而传动轴（此时应将齿型离合器分开）经联轴器使滚珠丝杆转动，滚珠丝母是紧固在拖板上的，因此式拖板做横向自动进给。第 5 章 硬件电路设计数控机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件。数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果.随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更重要的要求，超高速切削、超精密加工技术等的应用，要求数控机床的各个组成部分具有更高的性能指标。当今的数控机床正在不断采用最新技术成就，随着高速化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。本机床采用的是西门子数控系统，西门系数控系统，以较好的稳定性和较优的性能价格比，在我国数控机床行业被广泛应用。802D 数控系统是西门子数控系统中的一款高性能、低价位的数控系统。它可以控制四个数字进给轴和一个主轴，能实现三轴联动。它不仅广泛用于企业中的数控铣床和数控车床，而且对于学校数控技术实验平台的搭建也是较佳的选择。1西门子 802D 数控系统的构成802D 由 PCU（Panel Control Unit） 、一块水平安装或垂直安装的键盘（CNC KEYBOARD） 、一块或两块输入、输出模块（I/O MODULE） 、驱动器（SIMODRIVE 611 universal E） 、1FK6 系列的数字伺服电机（1FK6 FEED MOTORS）和 1PH7 系列的数字主轴电机（1PH7 SPINDLE）组成，外加一个 24V电源。另外，802D 数控系统也有一些选，如电子手轮（ HANDWHEEL） 、机床控制面板（MCP）等。2802D 数控系统的连接802D 系统的各个不见通过现场总线 PROFIBUS 连接。其中 PCU 继承了PROFIBUS 接口、键盘、三个手轮接口以及 PCMCIA 接口（用语数据备份） 。PLC继承于 PCU 中。802D 系统各部件的连接如下：首先确保 24V 直流电源为 PCU 和 I/O 接口提供电源。机床控制面板通过 50 芯扁平电缆直接与 PCU 连接。将 I/O 模块和驱动模块分别通过 PROFIBUS 总线与 PCU 线连；驱动模块为伺服惦记和主轴惦记提供电源，同时伺服电机和主轴电机通过反馈电缆将信号反馈驱动模块，进而通过PROFIBUS 总线反馈给 PCU13。检查系统接线是否正确，可以通过按 MCP 的按件，查看数控系统 PLC 的状态表，如果状态表中的地址发生变化，则说明接线基本正确。802D 型数控系统的组成主要有以下几个部分：面板控制单元和全数控的键盘（OP）这是 SINUMERIX 802D 数控系统（CNC）的主体部分，其中包括有 CNC 的 CPU（称之 PCU） 、面板控制单元和全数控的键盘；I/O 模块 PP72/48 为 PLC 部分，其提供了 72 点数字输入河 48 点数字输出。通过三个连接器河扁平电缆与外界信号连接。与 OP 通过 PRFOBUS 连接。机床控制面板（MCP） 为机床操作控制用，其中包括有机床操作所需要的全部按钮，如果工作墨台选择选钮、倍率开关、NC 启动和进给保持按钮、各轴正、负点动钮、电子手轮、相应机床动作的控制钮等等。通过两根扁平电缆与 PP72/48 I/O 模块相连接。