端面磨床X向進給機構設計

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基于摩擦傳動的高分辨率和大沖程的微量進給機械系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院劉海濤，盧澤生 摘要 在摩擦傳動原理的基礎上,設計了一種通過壓電陶瓷結合螺桿軸和氣體靜壓引導的方式驅動的長沖程和高分辨率的微量進給系統(tǒng)。設計用來使加載裝置可以靈活的起落。利用有限元方法對柔性連接裝置對它的靜態(tài)特性進行分析。對這種微量進給系統(tǒng)的傳輸特性進行了詳細的分析。 關鍵詞： 摩擦傳動 壓電傳動裝置 柔性鉸鏈 有限元 1.簡介 光學在航空、航天、國防等領域中已得到廣泛應用的行業(yè)。然而,生產的大型光學鏡面面臨著巨大的困難,效率較低、成本較高、增加在工藝設備的要求等。為了獲得更高的精度，高微位移分辨率超-先進精密機床有待進一步深入,以補償加工誤差。因此,微量進給機制的設計已成為其關鍵技術之一。壓電陶瓷是一種近年來發(fā)展起來的新型的微量進給機制。它所擁有的優(yōu)勢,比如體積小、功率大、分辨率高和高頻率響應,恒溫,不反彈，無粘性。因此它廣泛使用在微量進給機制。如今,摩擦傳動機制逐步被獲得和使用。 2．微量進給機制的結構和工作原理 微量進給機制是由三個部分組成:摩擦傳動裝置、滾珠螺桿及靜態(tài)壓力空氣軸承引導的方式。采用壓電陶瓷微量進給機制阻滯,這些摩擦傳動扭曲向上套筒和驅動器 滾珠絲杠,從而帶動空氣軸承引導地實現(xiàn)了微量進給運動。 結構如圖1所示。 1， 軸承支架，2.活塞，3、活塞缸，4.精壓力空氣軸承導軌，5.滾珠絲杠，6. 壓電陶瓷底座，7.壓電陶瓷底座 圖一：進給機構的結構 按照圖2所示的進給系統(tǒng)工作原理是,套筒連接著球摩擦傳動螺桿、四個模塊是放置的兩側對稱的軸套。每一塊由相應的壓電陶瓷用于驅動,這種機制由于是由壓電陶瓷驅動，適用于夾持產生夾力。進給機制的運作,壓電陶瓷適用于夾持在同一陣營的摩擦傳動驅動都工作在特定塊整齊,從而使摩擦傳動套筒連續(xù)的傳動。 圖1:(b)進給系統(tǒng)圖片 圖2:進料機構的運行原理 3．結合設計的可調機制 擰緊調節(jié)機制是一個需要在摩擦傳動機構，它必須有足夠的 預緊力。典型的方法是鋼板彈簧預緊預緊機制，螺旋預緊 機制，氣壓預緊機制等。該擰緊機制本文設計的 靈活的平行四桿機構。這是由壓電陶瓷droved供應預緊力。該 預緊力可以改變控制的壓電陶瓷輸入電壓。 如圖3所示，利用有限元軟件分析的靜態(tài)特性。當驅動力的 壓電陶瓷是在最大500N的，靈活安排四桿機構剛度，有限元分析 軟件，是K =24.15N/μm，以及最大應力彈性鉸鏈是= 32.7Mpa。如果沒有靈活失真 四桿機構（即當摩擦傳動板塊跟硬性），輸出力的壓電 陶瓷將完全轉化為預緊通過靈活的四桿機構的力量。 4．驅動特性分析的機制 學習和掌握輻射源驅動特性的機制以便采取適當?shù)拇胧愿纳普w性能，并提供了設計控制系統(tǒng)設計的基礎。 4.1驅動力矩 當系統(tǒng)啟動時，有一個初步的轉動慣量作為零件的質量存在問題的結果。為了研究驅動力矩，選擇摩擦傳動套筒為主體的影響。根據該理論認為，動力學傳動裝置的能量是一樣的火車前和轉換后，各部分的轉動慣量，轉化為摩擦套。正因為如此，我們可以得到轉換后的轉動慣量。 圖三:計劃的靜態(tài)特性分析結合的機制 P:導程，m R：套筒半徑，m Ms：滾珠螺桿質量，kg Mt：套筒質量，kg 通過以上分析,我們得到的等效轉動慣量的摩擦的袖子?，F(xiàn)在我們選擇摩擦的袖子一樣對象來討論這個驅動力矩(動力),是需要裝置時開始及其影響因素。下列方程裝置時開始工作： J：等效轉動慣量，kg。m2 R：摩擦套筒半徑，m ：套筒摩擦角加速度，rad/s2 M：驅動力矩，n。m F：驅動力（摩擦片與套筒之間的摩擦力），n 當系統(tǒng)啟動時，一個適宜的驅動器偏轉組應該被應用于摩擦套，以使該套可以有一定的角加速度。該驅動器偏轉組所產生的壓電輸出力陶瓷。由式2我們可以得到的等效轉動慣量的系統(tǒng)，半徑套的摩擦和驅動器對壓電陶瓷（爆發(fā)摩擦塊之間的摩擦和摩擦套），是影響力機制啟動的因素，所以我們應該考慮各因素，以確保機制正常啟動。 4.2驅動剛性 剛性的驅動是其中的重要驅動進給機構的特征之一?，F(xiàn)在我們將分析駕駛進給機構的剛度詳細的證明。不靈活的進給機構的級聯(lián)連接剛度的飼料的每一個片段的機制,這種機制有計算公式如下: K：進刀機構總體硬度 Ky：壓電陶瓷剛度 Kf：接觸剛度之間的接觸摩擦表面的摩擦剛性塊體和壓電陶瓷套筒 Ks：導螺桿軸向剛度 Ks'：從軸向剛度改變導螺桿的扭轉剛度 Kn：螺母剛度 Kb：軸向載荷 Kh：軸承座機軸承架螺母的剛度 Kd：螺母連接塊軸向剛度 這是部分的分析和計算的剛性。 4.2.1壓電陶瓷剛度 本文用壓電陶瓷微定位是打印的WTYD0808055陶瓷生產的中國電子科技集團公司先研究所。通過它的剛度測量實驗15.15N /μm,如圖4 4.2.2接觸表面的接觸剛度、摩擦塊之間的套筒 兩個物體互相接觸將在以前的某些行動切向相對滑移過渡切向外部力量，這被稱為預位移。力和位移之間的比例關系，實際上反映了一個剛性的特點。相應的剛性現(xiàn)在是： K：常數(shù) N：正壓力 R：對摩擦半徑的理想化的球體表面 很明顯的,特殊摩擦方程出發(fā),得到了齒輪傳動系統(tǒng)、鉀是由實驗,r是常量,唯一的影響 動人的剛性因素常壓N .很明顯,更大的N、較大的接觸剛度K。 圖4:剛度曲線的壓電陶瓷 4.2.3 軸向剛度的改變,從扭轉剛度的導螺桿 傳動鏈方面的需要進行改造時統(tǒng)一計算它的剛性。因此，扭轉剛性必須轉換成下面的公式軸向剛度： 是螺旋上升的鉛角，（°）; D是絲桿直徑，mm; F是絲桿軸向力,N; M是絲桿輸入時刻，N·mm; 是在絲桿和螺母之間的摩擦角，（°）; 是對絲杠扭轉剛度，Nmm/rad; 是絲杠扭轉，rad P是絲桿長度，mm; G是絲桿剪切彈性模量，Mpa; 是截面慣性矩，mm L是兩個推力軸承的距離，mm 螺母連接的剛性塊軸向可以得到的有限元分析。螺母支架的剛度和軸承塊是非常大的，可以予以辭退。其他部分可以得到剛性通過查找表和計算。總之，通過演繹著驅動進給機構的剛性方程，我們已經找到了影響因素每一次駕駛駕駛部分，它提供了有關駕駛特性研究的基礎上進一步造成剛性。 5.進刀機構的實驗研究 5.1實驗系統(tǒng)的基礎 如圖5所示，該實驗系統(tǒng)是由送料機構，計算機，壓電陶瓷驅動器其電源供應器及電感測微儀。 圖5:基礎的實驗系統(tǒng) 本文采用一種基于平均控制曲線模型建立開環(huán)控制模型。首先,實驗曲線測量壓電陶瓷控制電壓之間的關系和滑動運輸距離。利用Matlab軟件以適應線,以三次代數(shù)多項式擬合線,線擬合誤差,是一樣的顯示在圖6,由此我們得到相應的關系表達式的控制電壓和距離和因此控制距離的進給機制。 圖6:適合以三次代數(shù)多項式 控制電壓和距離的關系式公式7所示 x是輸出的距離,μm; u控制電壓,V。 5.2實驗研究系統(tǒng)分辨率 如圖7,壓電陶瓷具有一定的伸長。就在這個時候,距離工作表微0.15μm。 然后一步拉伸逐漸在此基礎上,保持1.5在每一時刻。采樣時間是控寄存器。這分辨率曲線可以獲得實踐的距離,通過測量微進給機構使用的電感測微儀。 圖7:距離分辨率曲線的進給機制 6．結論 微進給機構一步用長征、高分辨率的設計,并在此基礎上從以下結論分析得出: 1.結合機理的基礎上,設計了壓電陶瓷靈活的鐵鉸鏈和分析了它靜態(tài)特性,采用有限元分析軟件; 2.分析了起動轉矩的微進給機構的等效轉動慣量計算;分析了駕駛剛度特性的微進給機構,發(fā)現(xiàn)其影響因素; 3. 微進給機構可以達到300mm，分辨率小于0.05μm少。 參考文獻 1.Seugng-Bok Choi, Sang-Soo Han. Position Control System Using ER Clutch and Piezoactuator. Pro. of SPIE, 2003, 5056: 424~431 2．Suzuki H, Kodera S, Mabkawa S, et al. Study on Precision Grinding of Micro a Spherical Surface. JSPE, 1998, 64(4):619~623. 3.Arrasmith S. R, Kozhinova I A, Gregg L L et al. Details of The polishing Spot in Magnetorheological Finishing(MRF).Proceedings of SPIE-the International Society for OpticalEngineering,2001,Vol.3782:92~100. 4.Atherton P D, Xu Y, McConnell M. New X-Y Stage for Precision Positioning and Scanning. SPIE, 1996, 2865:15~20. 5.Liu Yung -Tien, Toshiro Higuchi, Fung Rong-Fong. A Novel Precision Positioning Table Utilizing Impact Force of Spring-Mounted Piezoelectric Actuator. Precision Engineering, 2003, 27:14221 6.Lobontiu N, Goldfarb M, Garcia E. A Piezoelectric Drive Inchworm Locomotion Device. Mechanism and Machine Theory, 2001, 36: 425~443. 7.A. A. Elmustafa, Max G. Lagally. Flexural-hinge Guided Motion Nanopositioner Stage for Precision Machining: Finite Element Simulations. Precision Engineering, 2001, 25: 77~81 8.Jaehwa Jeong, Young-Man Choi, Jun-Hee Lee. Design and Control of Dual Servo Actuator for Near Field Optical Recording System. Pro. of SPIE, 2005, 6048: 1~8 9.Kim Jeong-Du, Nam Soo-Ryong. Development of a Micro-depth Control System for an Ultra-precision Lathe Using a Piezoelectric Actuator. International Journal of Machine Tools and Manufacture. Volume:37,Issue:4, April, 1997, pp.495~509 10.Li Sheng-yi, Luo Bing, Dai Yi-fan, Peng Li. Design and Experiment of The Ultra Precision Twist-roller Friction Drive. ICAMT'99.1999. 附表4： 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文）任務書 所在學院 機電學院 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 08機自（本） 學生姓名 吳鵬飛 學號 08141010425 指導教師 謝建平 題 目 端面磨床X軸進給系統(tǒng)設計 一、畢業(yè)設計（論文）工作內容與基本要求：（目標、任務、途徑、方法，應掌握的原始資料（數(shù)據）、參考資料（文獻）以及設計技術要求、注意事項等）（紙張不夠可加頁） （一）設計基本參數(shù) 1、 砂輪主軸轉速1200r/min 2、 產品主軸轉速100r/min 3、 磨削進給速度：0.002mm/min(精磨)；0.02mm/min(粗磨) 4、 加工材料：氧化鋯（ZrO2） 5、 產品磨削面積：3500平方毫米（吸盤直徑125毫米），產品規(guī)格：直徑2.5毫米，長度10.5毫米。 6、 砂輪：端面金剛石砂輪（精磨、粗磨兩種） 7、 磨削精度：產品長度10.5±0.005 8、 操作基本要求：產品經人工裝上吸盤后，設備自動完成磨削并停機，等待下一次磨削。 （二）課題設計途徑與方法： 1、了解氧化鋯及其用途，常用的加工方法。（了解加工對象） 2、了解常用主軸的性能特點及加工方法、熱處理方法（加工工藝方法）。 3、了解端面磨削基本結構。（總體構思與布局） 4、軸承種類與形式、特點及計算。 5、絲桿種類與形式、特點及計算。 6、受力分析、與計算。 7、設計繪圖。 8、設計研討會，改進設計。 9、編號設計計算書，工藝文件等。（計算） 10、綜述、參考索引、編制。 二、畢業(yè)論文進度計劃 畢業(yè)設計（論文）時間： 2011年6月25日至 2012年3 月 15 日 計 劃 答 辯 時 間： 2012 年 4 月15 日 三、專業(yè)（教研室）審批意見： 審批人（簽字）： 工作任務與工作量要求：原則上查閱文獻資料不少于12篇，其中外文資料不少于2篇；文獻綜述不少于3000字；文獻翻譯不少于2000字；畢業(yè)論文1篇不少于8000字，理工科類論文或設計說明書不少于6000字（同時提交有關圖紙和附件），外語類專業(yè)論文不少于相當6000漢字。 提交相關圖紙、實驗報告、調研報告、譯文等其它形式的成果。畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范及有關要求，請查閱《寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文）指導手冊》。 備注：學生一人一題，指導教師對每一名學生下達一份《畢業(yè)設計（論文）任務書》。 分 類 號 密 級 寧xxx學院 畢業(yè)設計(論文) 端面磨床X向進給機構設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 誠 信 承 諾 我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《端面磨床X向進給機構設計》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。 承諾人（簽名）： 年 月 日 摘 要 眾所周知，制造業(yè)是國民經濟的基礎產業(yè)和支柱產業(yè)，是推動國家技術進步的力量。我國制造業(yè)較落后，想要改變此現(xiàn)狀就必須提高制造業(yè)裝備水平，特別是機床的數(shù)控化率。數(shù)控機床是屬于高新技術集成的機電一體化機械加工設備，受到世界各工業(yè)發(fā)達國家的高度重視。因此，磨床機電一體化設計成為熱點。 本文設計了端面磨床X向進給運動的設計，主要完成了：整體結構設計，X向的結構設計計算、滾珠絲杠、直線導軌的選擇及其強度分析；以步進電機為進給驅動的驅動系統(tǒng)及其傳動機構的分析設計計算。 關鍵詞：磨床，端面磨床，進給運動，直線導軌 23 Abstract As everyone knows, the manufacturing industry is the fundamental industry of national economy and pillar industry, is to promote the national technology progress power. Manufacturing industry of our country is more backward, want to change this situation, we must improve the manufacturing level of equipment, especially machine tool NC rate. CNC machine tool is a high-tech integrated mechanical and electrical integration of mechanical processing equipment, has developed industrial countries attach great importance to. Therefore, the grinder design of electromechanical integration has become a hot. This paper introduces the design of end face grinder X to feed movement design, mainly to complete the design of the overall structure,: X to structural design calculation, the ball screw, linear guide the selection and strength analysis; the stepping motor as drive driving system and driving mechanism analysis and design calculation. Key Words: Grinder, surface grinder, feed motion, linear guide 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 5 1.1 磨床加工范圍 5 1.2 磨床發(fā)展歷程 5 1.3磨床的分類 6 1.4安全防護 7 1.5 端面磨床 8 第2章 端面磨床課題設計任務及要求 8 2.1 端面磨床的設計任務要求 8 2.2 課題設計途徑與方法 9 第3章 端面磨床總體設計方案 9 3.1 端面磨床總體設計 9 3.2 總體設計注意事項 10 3.3 端面磨床總體布局設計 10 3.3.1 加工零件 10 3.3.2 初步估計組成部分 10 3.3.3 總體布局初步設計 10 第4章 端面磨床X進給機構設計 11 4.1 絲杠傳動系統(tǒng)的設計計算 11 4.1滾珠絲杠優(yōu)點 11 4.2絲杠選型 11 4.2.1滾珠絲杠副導程的確定 11 4.2.2滾珠絲杠副的傳動效率 11 4.3聯(lián)軸器選取 12 4.4導軌的選型 12 4.5滑動導軌的特點 15 4.6 滑動導軌的設計 16 總 結 19 致 謝 20 參考文獻 21 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文） 第1章 緒論 磨床(grinder,grinding machine)是利用磨具對工件表面進行磨削加工的機床。 大多數(shù)的磨床是使用高速旋轉的砂輪進行磨削加工，少數(shù)的是使用油石、砂帶等其他磨具和游離磨料進行加工，如珩磨機、超精加工機床、砂帶磨床、研磨機和拋光機等。 1.1 磨床加工范圍 磨床能加工硬度較高的材料，如淬硬鋼、硬質合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花崗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能進行高效率的磨削，如強力磨削等。 1.2 磨床發(fā)展歷程 十八世紀30年代，為了適應鐘表、自行車、縫紉機和槍械等零件淬硬后的加工，英國、德國和美國分別研制出使用天然磨料砂輪的磨床。這些磨床是在當時現(xiàn)成的機床如車床、刨床等上面加裝磨頭改制而成的，它們結構簡單，剛度低，磨削時易產生振動，要求操作工人要有很高的技藝才能磨出精密的工件。 1876年在巴黎博覽會展出的美國布朗-夏普公司制造的萬能外圓磨床，是首次具有現(xiàn)代磨床基本特征的機械。它的工件頭架和尾座安裝在往復移動的工作臺上，箱形床身提高了機床剛度，并帶有內圓磨削附件。1883年，這家公司制成磨頭裝在立柱上、工作臺作往復移動的平面磨床。 1900年前后，人造磨料的發(fā)展和液壓傳動的應用，對磨床的發(fā)展有很大的推動作用。隨著近代工業(yè)特別是汽車工業(yè)的發(fā)展，各種不同類型的磨床相繼問世。例如20世紀初，先后研制出加工氣缸體的行星內圓磨床、曲軸磨床、凸輪軸磨床和帶電磁吸盤的活塞環(huán)磨床等。 自動測量裝置于1908年開始應用到磨床上。到了1920年前后，無心磨床、雙端面磨床、軋輥磨床、導軌磨床，珩磨機和超精加工機床等相繼制成使用；50年代又出現(xiàn)了可作鏡面磨削的高精度外圓磨床；60年代末又出現(xiàn)了砂輪線速度達60～80米/秒的高速磨床和大切深、緩進給磨削平面磨床；70年代，采用微處理機的數(shù)字控制和適應控制等技術在磨床上得到了廣泛的應用。 1.3磨床的分類 隨著高精度、高硬度機械零件數(shù)量的增加，以及精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，磨床的性能、品種和產量都在不斷的提高和增長。 (1)外圓磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圓柱形和圓錐形外表面的磨床。 (2)內圓磨床：是普通型的基型系列，主要用于磨削圓柱形和圓錐形內表面的磨床。此外，還有兼具內外圓磨的磨床。 (3)座標磨床：具有精密座標定位裝置的內圓磨床。 (4)無心磨床：工件采用無心夾持，一般支承在導輪和托架之間，由導輪驅動工件旋轉，主要用于磨削圓柱形表面的磨床。例如軸承軸支等。 (5)平面磨床：主要用于磨削工件平面的磨床。 a.手搖磨床適用于較小尺寸及較高精度工件加工，可加工包括弧面、平面、槽等的各種異形工件。 b.大水磨適用于較大工件的加工，加工精度不高，與手搖磨床相區(qū)別。 (6)砂帶磨床：用快速運動的砂帶進行磨削的磨床。 (7)珩磨機：用于珩磨工件各種表面的磨床。 (8)研磨機：用于研磨工件平面或圓柱形內，外表面的磨床。 (9)導軌磨床：主要用于磨削機床導軌面的磨床。 (10)工具磨床：用于磨削工具的磨床。 (11)多用磨床：用于磨削圓柱、圓錐形內、外表面或平面，并能用隨動裝置及附件磨削多種工件的磨床。 (12)專用磨床：從事對某類零件進行磨削的專用機床。按其加工對象又可分為：花鍵軸磨床、曲軸磨床、凸輪磨床、齒輪磨床、螺紋磨床、曲線磨床等。 1.4安全防護 磨削加工應用較為廣泛，是機器零件精密加工的主要方法之一。但是，由于磨床砂輪的轉速很高，砂輪又比較硬、脆、經不起較重的撞擊，偶然的操作不當，撞碎砂輪會造成非常嚴重的后果。因此，磨削加工的安全技術工作顯得特別重要，必須采取可靠的安全防護裝置，操作要精神集中，保證萬無一失。此外，磨削時砂輪的工件上飛濺出的微細砂屑及金屬屑，會傷害工人的眼睛，工人若大量地吸入這種塵末則對身體有害，也應采取適當?shù)姆雷o措施。磨削加工時應注意如下的一些安全技術問題。 開車前應認真地對機床進行全面檢查，包括對操縱機構、電氣設備及磁力吸盤等卡具的檢查。檢查后再經潤滑，潤滑后進行試車，確認一切良好，方可使用。 裝卡工件時要注意卡正、卡緊，在磨削過程中工件松脫會造成工件飛出傷人或撞碎砂輪等嚴重后果。 開始工作時，應用手調方式，使砂輪慢些與工件靠近，開始進給量要小，不許用力過猛，防止碰撞砂輪。需要用擋鐵控制工作臺往復運動時，要根據工件磨削長度， 準確調好，將擋鐵緊牢。 更換砂輪時，必須先進行外觀檢查，是否有外傷，再用木錘或木棒敲擊，要求聲音清脆確無裂紋。安裝砂輪時必須按規(guī)定的方法和要求裝配，靜平衡調試后進行安裝，試車，一切正常后，方可使用。 工人在工作中要戴好防護眼鏡，修整砂輪時要平衡地進行，防止撞擊。測量工件、調整或擦拭機床都要在停機后進行。用磁力吸盤時，要將盤面、工件擦凈、靠緊、吸牢，必要時可加擋鐵，防止工件移位或飛出。要注意裝好砂輪防護罩或機床擋板，站位要側過高速旋轉砂輪的正面。 1.5 端面磨床 端面磨床是高精度端面加工設備，有著高強度機械構造和穩(wěn)定的精度。 應用領域：液壓氣動元件、液壓馬達部件、汽車轉向泵零部件、制冷壓縮機零部件、油泵油嘴零部件、發(fā)動機零部件、高精密軸承、密封件、活塞環(huán)、量刃具、模具、儀表、硬質合金刀片、陶瓷閥芯、磁性材料等產品的雙面研磨加工。 機床特點：高精度精密軸承，保證機床剛性及精度。 氣動控制，實現(xiàn)輕壓、重壓、輕壓三階段壓力任意調整和自動轉換?！び|摸屏控制界面，方便、快捷。高效率、高精度的金剛石磨盤研磨，備有修整環(huán)。 端面磨床及其特點： 端面磨床是外圓磨床的一種變形機床，它宜于大批量磨削軸類端面工件，有較高的生產率。它的特點如下 （1）這種磨床的布局形成和運動聯(lián)系與外圓磨床相似，為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向切入，一次磨削工件外圓和端面。 （2）由于它適用于大批量生產，所以具有自動磨削循環(huán)，完成快速進給（長切入）---粗磨---精磨—無花磨削。由定程裝置或自動測量控制工件尺寸。 （3）裝有砂輪成型修整器，按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪，為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全，一般具有軸向對刀裝置。 第2章 端面磨床課題設計任務及要求 2.1 端面磨床的設計任務要求 （一）設計基本參數(shù) 砂輪主軸轉速1200r/min 產品主軸轉速100r/min 磨削進給速度：0.002mm/min(精磨)；0.02mm/min(粗磨) 加工材料：氧化鋯（ZrO2） 產品磨削面積：3500平方毫米（吸盤直徑125毫米），產品規(guī)格：直徑2.5毫米，長度10.5毫米。 砂輪：端面金剛石砂輪（精磨、粗磨兩種） 磨削精度：產品長度10.5±0.005 操作基本要求：產品經人工裝上吸盤后，設備自動完成磨削并停機，等待下一次磨削。 2.2 課題設計途徑與方法 1、了解氧化鋯及其用途，常用的加工方法。（了解加工對象：陶瓷插芯） 2、了解常用主軸的性能特點、種類、及加工方法、熱處理方法（加工工藝方法）。 3、了解金剛石砂輪的特點與加工性能。 4、了解端面磨削基本結構。（總體構思與布局） 5、軸承種類與形式、選用、特點及計算。 6、受力分析、與計算。 7、設計繪圖。 8、設計研討會，改進設計。 9、編號設計計算書，工藝文件等。（計算） 10、綜述、參考索引、編制。 第3章 端面磨床總體設計方案 3.1 端面磨床總體設計 1.加工零件的工藝分析（表面形狀，尺寸，材料，技術條件，批量，加工余量等）； 2.調查研究 比較國內，外同類機床，經驗總結，進行改革創(chuàng)新； 3.圖紙設計（總圖，部件裝配圖，零件圖，工藝卡，目錄，標準件，外購件目錄，鑄件，鍛件目錄，說明書，裝箱單，合格證）； 4.制造，裝配，調試； 5.小批量生產，設計改進； 3.2 總體設計注意事項 1.保證機床滿足加工精度要求，剛性，穩(wěn)定性好； 2.傳動系統(tǒng)力求簡短； 3.操作調整方便； 4.安全保護，冷卻液供給，回收，廢渣的排除。 3.3 端面磨床總體布局設計 3.3.1 加工零件 氧化鋯（ZrO2）等； 3.3.2 初步估計組成部分 a.床身；b.工作臺面；c頭架；d尾架；e砂輪架；f 修整器；g 測量裝置；h 砂輪進給電機；I 修整器進給電機；j 電器框；k工作臺進給電機；l 工件旋轉電機；m 潤滑冷卻裝置；n數(shù)控裝置； 3.3.3 總體布局初步設計 1.T型床身； 2.工作臺移動； 3.工作臺型面； 4.砂輪架主軸與床身導軌傾斜0°角； 5.頭尾架中心線平行； 6.采用成型砂輪修整器（金剛石滾輪） 7.數(shù)控系統(tǒng)的四坐標軸 X軸：砂輪架進給 Y軸：修整器進給 Z軸：工作臺移動 W軸：工件旋轉 各軸采用交流伺服電機，通過精密無間隙彈性連軸器直接與滾珠絲桿相連； 8.液壓油箱單獨（減小熱變形，簡化機床結構，易實現(xiàn)標準化，通用化，便于維修）； 9.電器框與機床采用空中走線； 10.機床前防護罩采用全封閉結構； 第4章 端面磨床X進給機構設計 根據任務書要求主要完成端面磨床的X向進給機構的設計。 端面磨床X向進給機構主要是完成砂輪主軸向工件方向的一個來回往返運動的,根據機電一體化設計,系統(tǒng)滑軌采用線性導軌的方式進行. 4.1 絲杠傳動系統(tǒng)的設計計算 4.1滾珠絲杠優(yōu)點 絲杠螺母機構又稱螺旋傳動機構。它主要用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。有以傳遞能量為主的(如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；也有以傳遞運動為主的如機床工作臺的進給絲杠)；還有調整零件之問相對位置的螺旋傳動機構等。 絲杠螺母機構有滑動摩擦機構和滾動摩擦機構之分。滑動絲杠螺母機構結構簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動效率低(30％～40％)。滾珠絲杠螺母機構雖然結構復雜、制造成本高，不能自鎖，但其最大優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高(92％～98％)，精度高，系統(tǒng)剛度好，運動具有可逆性，使用壽命長，因此在機電一體化系統(tǒng)中得到大量廣泛應用。本節(jié)主要介紹滾珠絲杠螺母機構。 4.2絲杠選型 4.2.1滾珠絲杠副導程的確定 根據機床傳動要求，負載大小和傳動效率等因素綜合考慮確定。一般選擇時，先按機床傳動要求確定，其公式為：Ph≥vmax/nmax(10) 式中：vmax—機床工作臺最快進給速度，mm/min；nmax—驅動電機最高轉速，r/min。在滿足控制系統(tǒng)分辨率要求的前提下，Ph應取較大的數(shù)值。 一般常見的滾珠絲杠副導程取為5mm 4.2.2滾珠絲杠副的傳動效率 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 見《機電綜合設計指導》公式（2-15）P15 式中：為絲杠螺旋升角，為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)＝0.003～0.004, 其摩擦角約等于。 所以， 4.3聯(lián)軸器選取 彈性套柱銷聯(lián)軸器結構比較簡單，制造容易，不用潤滑，不需要與金屬硫化粘結，更換彈性套方便，不用移動半聯(lián)軸器，具有一定補償兩軸相對偏移和減震緩沖性能。彈性套工作是受壓縮變形，由于彈性套的厚度較薄，體積小，彈性變形有限，所以，彈性套柱銷聯(lián)軸器雖可補償軸線位移和彈性。彈性套柱銷聯(lián)軸器是依靠柱銷組的鎖緊力而產生于接觸面的摩擦力矩，并壓縮橡膠彈性套來傳遞轉矩。適用于安裝底座剛性好、對中精度較高、沖擊載荷不大、對減震要求不高的中小功率軸系傳動。根據選出的電機和絲杠的參數(shù)，選出下面的彈性套柱銷聯(lián)軸. 4.4導軌的選型 機床制造者最關心的莫過于機床的精度，剛性和使用壽命。對導軌系統(tǒng)的研究途徑是很不夠的，至少在機床制造技術方面沒有把它放在重要的位置上，在機床樣本，宣傳廣告上，最具有吸引力的技術參數(shù)是：主軸轉速、進給速度、換刀時間和快速進給速度。當然，這些參數(shù)對機床的性能是很重要的。但導軌為機床功能的實現(xiàn)奠定了可靠的基礎。 各種類型的機床工作部件，都是利用控制軸在指定的導軌上運動，機床設計者根據機床的類型和用途選用各種不同形式的導軌系統(tǒng)，用得較為廣泛的有下列三種；即平面導軌、直線滾動導軌和循環(huán)滾柱與平面導軌的組合所構成的滾動體導軌。當然系統(tǒng)遠不止上述三種形式，還有其它形式的導軌。 導軌的功能:盡管導軌系統(tǒng)的形式是多種多樣的，但工作性質都是相同的，機床工作部件在指定導軌系統(tǒng)上移動，尤如火車沿著鐵軌在指定的方向上行駛。無論是機床導軌還是鐵路上的鐵軌，都是體現(xiàn)如下三種基本功能： (1)為承載體的運動導向 (2)為承載體提供光滑的運動表面 (3)把火車的運動或機床的切削所產生的力傳到地基或床身上，減少由此產生的沖擊對乘客和被動加工零件的影響。 沿導軌系統(tǒng)的運動，大多數(shù)為直線運動，也有少數(shù)為弧線運動。本文討論的重點是直線導軌系統(tǒng)。當然，直線導軌的很多技術可以直接應用弧形導軌。 導軌為什么被稱為“系統(tǒng)”呢？這是因為導軌系統(tǒng)的工作包含著若干元件的同時工作，最基本的元件為一個運動元件和一個固定元件。運動元件的形式有多種多樣，以后將予以詳細介紹，固定元件一般為道軌式，它是導軌精度的保證，如果導軌彎曲變形，運動元件或滑動元件便失去精確的導向。機床制造廠都在盡最大的努力，確保導軌安裝的精確性。導軌被加工前。導軌和工作部件都已經過時效處理。以消除內應力。為了保證導軌的精度和延長使用壽命，刮研是一種常用的工藝方法。 鑲鋼導軌:機床上最常用的導軌形式是鑲鋼導軌，它的使用已有很長的歷史。鑲鋼導軌是導軌系統(tǒng)的固定元件，其截面為矩形。它可水平裝在機床的床身上，也可以與床身鑄成一體，分別被稱為鑲鋼式或整體式。鑲鋼式導軌是由鋼制成的，經淬硬和磨削。硬度在洛氏硬度60度以上、把鑲鋼導軌用螺釘或粘結劑（環(huán)氧樹脂）貼在機床床身或經刮研的立柱配合表面上，確保導軌獲得最佳的平面度。這種形式，維修更換方便、簡單，很受維修工人的歡迎。 整體導軌或鑄造導軌，即鋼導軌與底座鑄成一體，加工后再經精磨到要求的尺寸和光潔度。導軌必須經過火焰淬火提高表面硬度，以提高導軌的耐磨性。床身一般為球墨鑄鐵，當然球墨鑄鐵的硬度比不上鋼，整體導軌可以重新修理和淬硬，但更換它幾乎是不可能的。為了實現(xiàn)上述的目的，機床制造者過去的通常做法是：鋼導軌的邊緣設計有鉤形的“耳朵”，在澆鑄底座前，把鋼導軌置于底座的鑄模內，再把鐵水澆入鑄模內，這樣便把鋼導軌與底座鑄成一體。 滑動導軌:傳統(tǒng)導軌的發(fā)展，首先表現(xiàn)在滑動元件和導軌形式上，滑動導軌的特點是導軌和滑動件之間使用了介質，形式的不同在于選擇不同的介質。 液壓被廣泛用于許多導軌系統(tǒng)。靜壓導軌是其中的一種，液壓油在壓力作用下，進入滑動元件的溝槽，在導軌和滑動元件之間形成油膜，把導軌和移動元件隔開，這樣大大減少移動元件的摩擦力。靜壓導軌對大負荷是極其有效的，對偏心負荷有補償作用。例如：一個大型的砂型箱在加工時，正好走到機床行程的末端，負載導軌能夠增大油壓，使導軌準確地保持著水平負載的狀態(tài)。有的臥式鏜銑床使用這種技術補償深孔加工時主軸轉速的下降。利用油作為介質的另一種導軌形式是動壓導軌，動壓導軌與靜壓導軌的不同點是：油不是在壓力下起作用的，它利用油的粘度來避免移動元件和導軌之間的直接接觸，優(yōu)點是節(jié)省液壓油泵。 直線導軌 ◎直線導軌又稱線軌、滑軌、線性導軌、線性滑軌，用于直線往復運動場合，擁有比直線軸承更高的額定負載， 同時可以承擔一定的扭矩，可在高負載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動. 直線運動導軌的作用是用來支撐和引導運動部件，按給定的方向做往復直線運動。依按摩擦性質而定，直線運動導軌可以分為滑動摩擦導軌、滾動摩擦導軌、彈性摩擦導軌、流體摩擦導軌等種類?！蛑本€軸承主要用在自動化機械上比較多,像德國進口的機床,紙碗機,激光焊接機等等,當然直線軸承和直線軸是配套用的.像直線導軌主要是用在精度要求比較高的機械結構上, 直線導軌的移動元件和固定元件之間不用中間介質，而用滾動鋼球。因為滾動鋼球適應于高速運動、摩擦系數(shù)小、靈敏度高，滿足運動部件的工作要求，如機床的刀架，拖板等。直線導軌系統(tǒng)的固定元件(導軌)的基本功能如同軸承環(huán)，安裝鋼球的支架，形狀為“v”字形。支架包裹著導軌的頂部和兩側面。為了支撐機床的工作部件，一套直線導軌至少有四個支架。用于支撐大型的工作部件，支架的數(shù)量可以多于四個。 機床的工作部件移動時，鋼球就在支架溝槽中循環(huán)流動，把支架的磨損量分攤到各個鋼球上，從而延長直線導軌的使用壽命。為了消除支架與導軌之間的間隙，預加負載能提高導軌系統(tǒng)的穩(wěn)定性，預加負荷的獲得．是在導軌和支架之間安裝超尺寸的鋼球。鋼球直徑公差為±20微米，以0.5微米為增量，將鋼球篩選分類，分別裝到導軌上，預加負載的大小，取決于作用在鋼球上的作用力。如果作用在鋼球上的作用力太大，鋼球經受預加負荷時間過長，導致支架運動阻力增大。這里就有一個平衡作用問題；為了提高系統(tǒng)的靈敏度，減少運動阻力，相應地要減少預加負荷，而為了提高運動精度和精度的保持性，要求有足夠的預加負數(shù)，這是矛盾的兩方面。 工作時間過長，鋼球開始磨損，作用在鋼球上的預加負載開始減弱，導致機床工作部件運動精度的降低。如果要保持初始精度，必須更換導軌支架，甚至更換導軌。如果導軌系統(tǒng)已有預加負載作用。系統(tǒng)精度已喪失，唯一的方法是更換滾動元件。 導軌系統(tǒng)的設計，力求固定元件和移動元件之間有最大的接觸面積，這不但能提高系統(tǒng)的承載能力，而且系統(tǒng)能承受間歇切削或重力切削產生的沖擊力，把作用力廣泛擴散，擴大承受力的面積。為了實現(xiàn)這一點，導軌系統(tǒng)的溝槽形狀有多種多樣，具有代表性的有兩種，一種稱為哥待式(尖拱式)，形狀是半圓的延伸，接觸點為頂點；另一種為圓弧形，同樣能起相同的作用。無論哪一種結構形式，目的只有一個，力求更多的滾動鋼球半徑與導軌接觸(固定元件)。決定系統(tǒng)性能特點的因素是：滾動元件怎樣與導軌接觸，這是問題的關鍵。 4.5滑動導軌的特點 滑動導軌的優(yōu)點是結構簡單、制造方便和抗振性良好；缺點是磨損快。 為了提高耐磨性，國內外主要采用鑲鋼滑動導軌和塑料滑動導軌。 滑動導軌常用材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等。 1．鑄鐵 鑄鐵有良好的耐磨性、抗振性和工藝性。常用鑄鐵的種類有： （1）灰鑄鐵 一般選擇HT200，用于手工刮研、中等精度和運動速度較低的導軌，硬度在HB180以上； （2）孕育鑄鐵 把硅鋁孕育劑加入鐵水而得，耐磨性高于灰鑄鐵； （3）合金鑄鐵 包括：含磷量高于0.3％的高磷鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵一倍以上；磷銅鈦鑄鐵和釩鈦鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵二倍以上；各種稀土合金鑄鐵，有很高的耐磨性和機械性能； 鑄鐵導軌的熱處理方法，通常有接觸電阻淬火和中高頻感應淬火。接觸電阻淬火，淬硬層為0.15~0.2mm。硬度可達HRC55。中高頻感應淬火， 淬硬層為2~3mm，硬度可達HRC48~55，耐磨性可提高二倍，但在導軌全長上依次淬火易產生變形，全長上同時淬火需要相應的設備。 2．鋼 鑲鋼導軌的耐磨性較鑄鐵可提高五倍以上。常用的鋼有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整體淬硬處理，硬度為52~58HRC；20Cr、20CrMnTi、15等滲碳淬火，滲碳淬硬至56~62HRC；38C rMoAlA等采用氮化處理。 3．有色金屬 常用的有色金屬有黃銅HPb59-l，錫青銅ZCuSn6Pb3Zn6，鋁青銅ZQAl9-2和鋅合金ZZn-Al10-5，超硬鋁LC4、鑄鋁ZL106等，其中以鋁青銅較好。 4．塑料 鑲裝塑料導軌具有耐磨性好(但略低于鋁青銅)，抗振性能好，工作溫度適應范圍廣(-200~+260℃)，抗撕傷能力強，動、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運動的臨界速度，加工性和化學穩(wěn)定件好，工藝簡單，成本低等優(yōu)點。目前在各類機床的動導軌及圖形發(fā)生器工作臺的導軌上都有應用。塑料導軌多與不淬火的鑄鐵導軌搭配。 導軌的使用壽命取決于導軌的結構、材料、制造質量、熱處理方法、以及使用與維護。提高導軌的耐磨性，使其在較長時期內保持一定的導向精度，就能延長設備的使用壽命。常用的提高導軌耐磨性的方法有：采用鑲裝導軌、提高導軌的精度與改善表面粗糙度、采用卸荷裝置減小導軌單位面積上的壓力(即比壓)等。 4.6 滑動導軌的設計 一．作用力合作用點位置，作用力方向和作用點的位置唏噓合理安置。一邊導軌傾斜的力矩盡量小。否則會使導軌中的摩擦力增大，磨加劇，從而降低導軌的靈活性和導向精度。嚴重時甚至還可能卡死，不能正常工作。 1. 作用在運動件上的推力有三種情況： 1.推力通過運動件在軸線 2.推力作用點在運動件的軸線上。但推力的方向與軸線成一夾角 3.推力平行于運動件的軸線上 對于第一種情況，導軌鎮(zhèn)南關的摩擦力只受到載荷及運動件本身重量的影響，推力不會產生附加摩擦力。猶豫結構上的限制，實際的結構中往往出項第二第三中情況。為了保證導軌的靈活性，要對導軌進行驗算，在已知的條件先，確定各部分的集合尺寸。 推力F與運動件軸線組成夾角a,如圖所示 推力F的作用將使運動件產生傾斜，從而使運動件與承導體的倆點處壓緊， 設正壓力分別為 .，相應摩擦力，，作用間的距離為L，軸向阻力為 根據靜力平衡條件,運動件的直徑較小時，上式中含有d的各項可以略去?？? 解得： 欲推動運動件，則必須使 若要保證不卡死的條件是： 由此，可得到當推力F與運動件有一夾角a時，運動件正常工作的條件是 為當量摩擦系數(shù) 在燕尾形和三角形導軌中: --滑動摩擦系數(shù) --眼尾輪廓角與三角底角 二．選與運動件軸線與軸線相距h，圖中為軸向阻力和為反作用力，為當量摩擦系數(shù)，根據靜力平衡條件 解得： 推動運動件則必須： 保證運動件不卡死條件 即： 為了保證運動靈活，可取值 當取f=0.25時，則有： 對圓柱形導軌： 對矩形導軌： 對燕尾形或三角形導軌： 在本設計的導軌中：h=200mm L=360 因此： 符合相關要求. 總 結 本次設計的是X向進給機械部分設計，完成了尺寸計算及結構設計，并對其進行一系列的校核，各項性能指標完全滿足要求，說明設計的結構是合理的。然后選擇軸承和電機。由于專業(yè)知識的限制，無法對復雜的數(shù)控系統(tǒng)進行設計，但是，通過選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)，進行選購即可。 機床是促進國民經濟發(fā)展的巨大源動力，它給機械制造業(yè)帶來了高倍率的效益增長和現(xiàn)代化的生產方式。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，高品質，高可靠性，高性價比的CNC系統(tǒng)具有豐富的功能，為數(shù)控技術的發(fā)展提供了充足的物質技術條件。同時，也給數(shù)控機床的機械結構提出了更高的要求。因此，研究一臺數(shù)控車床對現(xiàn)代加工具有重要的意義。 端面磨床具有結構簡單、價格便宜、故障率低、維修簡單方便、效率高、操作編程簡單等諸多優(yōu)點，所以端面磨床在很多加工行業(yè)都會成為應用的主體，隨著數(shù)控技術和機床行業(yè)的發(fā)展，端面磨床將有著廣闊的發(fā)展前景。 致 謝 眨眼間，四年的大學生活就在本論文的完成之際即將宣告結束。四年的不斷學習，不僅是為了今天的畢業(yè)設計，也是為今后走上工作崗位作了準備。 在設計成過程中，感謝很多人的幫助和指點，首先我要感謝我的母校的辛勤培育，感謝院系各位老師四年來的諄諄教誨，感謝他們四年來默默的栽培我。 本次設計是在我的導師XX教授的親切關懷和悉心指導下完成的。嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，李老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持，在此，謹向XX教師表示衷心的感謝和崇高的敬意！。 此外，在畢業(yè)設計過程中，也得到了其他老師和同學的幫助，設計任務一直在很好的氛圍中進行，在這里，也向他們表示真誠的感謝！ 再次向設計中所有提供過幫助的人表示感謝！ 參考文獻 [1]文懷興、夏田主編，《數(shù)控機床系統(tǒng)設計》[M]，北京：化學工業(yè)出版社2010 [2] 黃英、肖平陽等主編，《畫法幾何及機械制圖》[M]，北京：高等教育出版社，2006.12 [3] 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