数控精密平面磨床进给系统的设计.pdf

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XXXXXXXX毕业设计说明书毕业设计说明书题题目：

数控精密平面磨床进给系统的设计目：

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。

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。

关键词关键词：

平面磨床，数控，纵向进给，横向进给PreciseNumericalControlPlaneGrindingMachineAuthor:

MemgDanTutor:

DengZhaohuiAbstractThispapermakesathoroughexpositionofthedesignedgrindingmachinefromtheaspectsofitsoveralldesign,horizontalandportraitgiveandhardwarecircuitdesign.Thefollowingisabriefintroductionofthecompositionofthispaper.INTRODUCTION:

Itintroducesthebackgroundofthissubjectresearch,thedevelopmentinthisfieldinternalandinternational,andtheassignmentofthisgraduationproject.THEOVERALLDESIGNOFTHENUMERICALCONTROLPLANEGRINDINGMACHINE:

Itgivesabriefintroductiontothedesignofthenumericalcontrolplanegrindingmachine,andprovidesitstechnicalspecification,mainstructureandexplanationofthenumericalcontrolplanegrindingmachine,andshowthedesignoftheoveralltransmissionofthegrindingmachineandthedesignoftheoverallarrangement.THETHEORETICCALCULATION:

Itintroducesthecalculationofthepoweroflathe,theselectionofthemotor,theselectionandcheckoftheballpoleandthetheoreticcalculationofthesizeoftheconegearwheel.CONCEPTUALDESIGN:

Itintroducesthemainpointsandrequirementsofthedesignofthedriveparts,andputsforwardthedesignofthehorizontalandportraitgiveparts.THEDESIGNOFHARDWARECIRCUIT:

Theelectionofthehardwareandtheconnectionofcircuitareexplainedatlength.Inviewoftheflawsofthedesign,itputsforwardsomemeasurestomakeimpovement.Besides,aconclusionofthisgraduationprojectandprospectofthedevelopmentofprecisemachinearegiveninthispart.KeywordKeyword:

planegrindingmachine,numericalcontrol,portraitgive,horizontalgive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1m，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0.025m（在每个溜板上装有标准平尺，通过测量和修正来达到）。

位移误差不超过0.013m（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20Co0.0025Co.采用摩擦驱动,推力可达1360N，运动分辨率达0.005m。

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/HobsonPneumo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0.05m，采用液体静压捣鬼，水平和垂直线度分别为0.2/250mm和0.5/250mm，定位精度为0.3/250mm，数控系统采用Nanopath，分辨率为0.001m。

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。

加工型面精度达0.2m，表面粗糙度aR优于0.01m。

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Nanotech150AG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10.1m，表面粗糙度aR为0.20.01m的加工技术。

超精密磨削的加工精度小于0.1m，表面粗糙度mRa025.0，磨床定位精度的分辨率和重复精度小于0.01m。

现在超精密磨削正从微米、亚微米（10.1m）的加工向纳米级（）m321010加工发展。

用磨具进行磨削和用磨粒进行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4m，使用20nm的超微细磨粒的磨片，所磨削加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#8000的、金刚石砂轮精磨SiC镜面，表面粗糙度可达aR25nm。

日本还用激光在研磨过的人造金刚石上切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）4（100inmm硅片，去除率为min/53m，平面度为6/5。

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ParkerHannifin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1/640000。

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0.01m。

Fanuc公司的超精密车、铣床R0B0nanoUi就采用了面节流式空气静压丝杆螺母副。

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2.12.1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32mm8占地空间：

长2405mm宽1593mm高1786mm机床重量2000kg2.32.3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tF切向磨削力（N）；pa吃刀量（mm）；sV砂轮线速度（m/s）；wV工件纵向进给速度（m/min）；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：

tF282820.860.441.06pwsavv9（3.1）由公式（3.1）得：

tF282820.860.441.06pwsavv0.860.441.06282820.022531.4105N其中pa=0.02为磨床加工的最大磨削量；wV25为磨床工作台最大进给速度；由经验公式9可知：

径向力nF=1000N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1F等于砂轮所受的径向力，由于实际中角很小，所以纵向机构所受的轴向力2F约等于砂轮的切向力。

纵向进给机构轴向所受的合力为：

21）（FmgFF+=9（3.2）由公式（3.2）得：

21）（FmgFF+=tnFmgF+=）（105）500101000（1.0+=N705=.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：

kwVFp11.060/6.9705=当磨削硬脆材料时，在同样的工作条件下，根据以往的经验，nF1000N，nF/tF=20,tF=50N,纵向进给机构轴向所受的合力为：

21）（FmgFF+=9（3.3）由公式（3.3）可得NFmgFFmgFFtn65050）500101000（1.0）（）（21=+=+=+=纵向进给机构的切削功率为：

kwvFp10.060/6.9650=3.2电动机选用综合以上两种磨削方式，选取磨削功率tp0.11kw。

由于机床设计选择的数控系统是西门子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