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1、 湖南大学毕业设计（论文） 第 35 页1 绪论1.1 课题背景及目的随着工业的不断发展，对机械零件加工质量的要求也是越来越高，在加工精度和表面粗糙度的这些主要的技术指标的要求更为严格。尤其是高档汽车发展的需要和芯片产业的不断膨胀和升级，对加工精度和质量不断提出新的要求，也不断促进了机械加工行业的发展。而磨学加工目前还是保证高精度主要方法，在磨床的需求量上也是不断增加，在机床中所在的比例也越来越大。据欧洲机床展览会（EMO）的调查表明：25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术，车削只占23%，转削占22%，其它的占8%；而磨床在企业中占机床的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，
2、钻床占14%1。而在这一大批的磨床中仍有不少是低端产品，很难适应机械行业快速发展的需求。尤其是在国内，这种情况就是更我严重，并且大多数磨床并没有实现数控化。加上我国汽车行业不断升温，芯片行业也开始成长，此外，为了提高产品的性能，一些新材料也涌现出来，难加工的脆硬材料也开始增多，以及一些磨削研究的需要。这一系列的情况都要求我国研究适合国情的高精度磨床1,2。国内外都采用超精密磨削，精密修整，微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究，以求得到亚微米级的尺寸精度。日本见面磨削时代使用的砂轮粒度为40008000，其微粒的平均尺寸为1.54，加工后工件表面粗糙度可达到0.0010.003，日本开发了
3、电解在线修整（ELID）超精密境面磨削技术，使得用超细微超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料的高精度，高效率超精密磨削。做平面研磨运动的双端面精密磨削技术，其加工精度，切除率都比研磨高得多，且可获得很高的平面度。电泳磨削技术也是一种新的超精密级纳米磨削技术。它是在机床无切深进给条件下，利用吸附在磨粒层本身厚度的增加来实现微量进给。在普通机床上应用该技术，不仅可以有效地降低工件表面粗糙度，同时还可以实现微米级的磨削精度。超精密加工技术已在诸如航空、航天、计算机、电子、能源等领域得到了广泛应用。超精密磨学技术是其一个重要铸成部分。目前世界上最先进的超精密磨床当属由Cranfield大学精密工程
4、所(CUPE)研制的QAGM2500，此设备可用于加工大型天文望远镜等大型超精密零件。我国对于超精密磨削技术的研究刚刚起步，其中一个重要原因就是缺乏超精密磨削设备，所以研制超精密磨削设备，特别是大型超精密磨削设备已成为当务之急3-5。1.2 国内外研究现状1.2.1 世界磨床发展不久前举行的美国芝加哥国际制造技术展览会(IMTS)上，我们了解到目前平面磨床的发展趋势和世界机床技术的一些特点。 平面磨床发展趋势 据不完全统计，本届展览会有20多家平磨专业生产厂以平磨实物形式参展，包括了欧、美、日及我国的主要平磨制造厂，有60多台平磨，主要特点是： 从规格上看，以小型平磨为主，在全部平磨展品中，台
5、面宽200mm以下的几乎占50%，小规格机床的运输及布展比较方便；国外平磨不分普通、精密、高精度的精度等级，相对小规格机床，精度容易做得很高；在国际市场上，中、小规格平磨的潜在需求很大。 从控制上看，70%以上的平磨展品为数控型，有单轴、双轴及三轴数控，最多达五轴控制，尤其是400以上的大规格机型，全为数控型。由于技术水平的发展导致功能变化，平磨已从传统的平面磨向成形磨转变，常规控制已难以实现功能的要求。数控平磨已形成一个市场潮流。 从功能上看，50%以上的平磨不仅仅用于水平平面加工，而且转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线等表面磨削加工，如ELB、BLM公司以平磨为基础变化而成的五轴
6、联动磨削中心，可实现非平面型复杂曲面的磨削；Unison、Trutech公司的柔性磨削系统，可实现成形、无心、外圆、工具、轮廓等磨削工艺；还有裕福、Parker公司等的快速抖动磨等，反映出平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。 发展呈现四大变化作为国际制造技术展览会，金切机床历来都是最大的展点，IMTS亦不例外。加工中心、车削中心、磨削中心、数控车、数控铣、数控镗等金切机床，构成了庞大的展品群，这些由传统的切削原理结合现代设计理念和先进的控制技术相融合而成的金切机床，代表了世界机床的发展方向和趋势。 高速、复合、高精度、高刚性仍是金切机床的发展主调，但又有新的变化。复合，已从原来的为复合而
7、复合转为从实用高效考虑为主，如车、铣复合，车、铣、钻的复合，铣床和电火花的复合；从功能上看，复合型机床的针对性很强，针对某类零件考虑；从精度上看，定位精度2m，重复定位精度1m的机床已比比皆是；从主轴转速来看，8.2kW主轴达60000r/min，13kW达42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工60HRC硬度材料的加工中心。 模块化的设计在机床制造中已应用得炉火纯青。横向系列、纵向系列、全系列、跨系列的模块化设计，在展品中体现得淋漓尽致，无论是大隈、牧野等为代表的日本机床，还是Haas、Cincinnati等为代表的美国机床，同样两台展品，外形上看，好象
8、完全一样，但功能则完全不同，所构成的模块很多则是通用的。 全自动的概念已发生变化。传统的全自动机床是用一只气动或液动的机械手实现工件的自动上、下料，但展览上有超过10台以上的加工中心和车削中心，采用真正意义的多关节串联式机器人，来实现工件的上、下料，包括完工零件的堆放。控制的范围加大，组线的灵活性加强，同时辅助配套的机械大大减少。 环保要求越来越高。在展出的展品中，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。另一方面，大量的工业清洗机和切削液处理机系统的展出，亦同时反映现代制造业对环保越来越高的要求。 根本在于设计创新平磨是磨床类机床中发展潜力最大的机床，这是本届展览
9、会给笔者带来的一个全新概念。在完成传统的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、台面、磨头等大件为基础，可以演变成外圆、曲线、工具、无心等磨床，如k.o.lee公司的C1020N2外圆磨床和B6062PC2工具磨的基础就是平磨。我国应在完成平磨规格系列的完善后，跳出传统的平面磨削的思维转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上去进一步发展，形成具有我们自己特色的技术和产品。 模块化设计将是贯穿产品设计全过程的一条主线，无论是机床技术发展的潮流还是市场竞争的要求；无论是降低成本的需要，还是提高产品质量的需要，都要求我们在今后产品的开发设计中，切实做好模块化设计工作。 世界机床工业的发展，根本一点是设计创
10、新理念的发展，美国芝加哥展览会，是世界上第一台虚拟轴机床的展示地，本届展览会上的大量先进机床展品亦无不昭示着一点：传统的金属切削原理，用一种全新的现代设计理念，结合先进的控制技术，正在推动机床技术发生重大变化。1.2.2 我国磨床行业现状为适应市场多变形势的需求，我国磨床行业近年来加强了产品结构调整，使老产品不断更新，并开发了一批适销对路的高效、精密、数控磨床及各类专用磨床新产品，使中国磨床市场迅速活跃起来，表现在磨床的产量、销售量都在迅速增长。同时数控磨床的显着增长优化了磨床的产品结构，在销售总额中的占有率正快速提高。“九五”期间磨床产量的数控化率为6.5%，产值的数控化率为17.1%，而2
11、001年分别为8.8%和21.3%。 数控磨床正在迅速崛起，在磨床市场所占的份额不断增长。随中国经济建设的发展，科学技术和国防事业的发展，国内外市场对数控磨床及数控磨削成套设备的需求就更加迫切。由於国内及国外的数控系统日趋成熟，使磨床制造企业可与国际同步选用数控系统，为数控技术在磨床及磨削成套设备上的应用创造了客观条件。磨床是金属切削机床中的一个大类，以精度高、品种多着称，是能源、交通、冶金、航天、军工等行业精密加工必备的设备之一。当今平磨的发展趋势是转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线表面磨削加工。可以说，平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。在完成传统的平面磨削功能外，以平磨的
12、床身、拖板、台面、磨头等大件为基础，可以演变成外圆、曲线、工具、无心等磨床。我国应在完成平磨规格系列的完善后，跳出传统的平面磨削的思维转到曲线或轮廓等非平面磨削加工的思路上去进一步发展，形成具有我们自己特色的技术和产品。数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造水平和竞争力。我国数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有很大差距，高档数控机床及功能部件大多数依靠进口。我国机床市场现状是，消费第一、进口第一，高端失守，低端混战。在磨床的核心部分数控系统，在国内也有一些公司正在研究，也有一些产品问世，虽然在功能和性能上和国际著名厂家的产品有很大的
13、差距，但在一些要求不是很高的机床上也有使用。相信通过我们的努力一定会在这个领域有新的进步，不断学习，不断探索，不断研究，我国的磨床事业一定会上到一个新的台阶2-6。1.3 课题研究方法本课题主要是通过一系列的设计计算，综合运用所学知识，最终完满的完成设计任务，锻炼自己的能力。为了完成本次设计采用的方法主要是通过所学的知识进行设计、计算以及校核。通过参考有关的书籍，了解磨床的工作原理，以及在设计过程中应当注意的事项，尤其是如何保证设计的磨床有较高的加工精度以及精度保持性。同时综合各类精密机床中运用的一些较好的机构和设计理念，上网和查阅相关的资料，充分的了解磨床的发展状况和发展趋势，尤其是了解一些
14、国内外先进的磨床，这些产品中有许多巧妙的设计可以运用到本次设计中来。除了参考一些资料和书籍外，还通过参观磨床实物充分的了解磨床各个部分的组成、工作原理和一些细节，进一步的了解磨床。主要是在汽车工程学院高效磨削与精密制造技术重点实验室参观杭州机床厂生产的MGK7120。这台磨床是国内精度较高的高精度磨床，有不少的参考价值。此外，我们还参观了常德烟草机械有限责任公司的一台很先进的磨床，是德国一家著名的磨床生产厂家生产的高精度矩形工作台平面磨床，其最小的自动进给也能达到1，在设计上采用了不少的巧妙的方法，在本设计中的中央立柱式横向进给方式就是借鉴了这台磨床的机构。1.4 论文的构成及研究内容1.4.
15、1 论文的构成1 绪论2 数控平面磨床总体布局设计3 磨头垂直进给机构设计4 磨床砂轮修整器（杯形砂轮修整器）的设计5 磨床微机数控系统的硬件电路设计6 总结7 致谢8 参考文献1.4.2 设计研究的内容本课题设计一台精密数控平面磨床MGK7120，用砂轮周边磨削平面，也可以磨削台阶平面。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。设计的主要内容有：1 磨床的总体布局设计；2 磨头垂直进给机构的设计，伺服电机和滚珠丝杠副设计计算，垂直进给机械机构装配图；3 砂轮修整器设计；4 磨床微机数控系统的硬件电路设计；5 翻译指定的英文专业文献；6 撰写毕业设计论文（说明书）。设计基本要求：
16、图纸总工作量折合A0图纸3张以上，毕业设计论文字数不少于1.5万字，参考文献至少15篇以上1.5 设计的主要技术参数主要参考参数：1. 磨床主要规格工作台面尺寸（宽长）：200500（630）2. 加工范围可磨削最大工件尺寸（宽长高）：200500（630）3603. 工作台工作台纵向移动速度（无级）：工作台横向自动进给：连续（无级）：断续（无级）：/工作台一行程4. 磨头磨头垂直快速升降速度：400，垂直自动进给：，最小进给量：0.0001mm，砂轮尺寸（外径宽内径）2002032，砂轮转速5. 工作精度磨削表面粗糙度，加工后表面对基面的平行度为300：0.0022 磨床总体布局设计2.1
17、总体布局方案设计机床总体布局应满足的要求：1) 保证工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置和相对运动2) 保证机床具有所要求的加工精度相适应的刚度和抗振性3) 便于操作、调整、修理机床；便于输送、装卸工件、排除切屑；4) 经济效果好，节省材料，减少机床占地面积等5) 造型美观。7机械制造装备必须满足五个方面的一般功能，分别是：1） 加工精度方面的要求；2） 强度、刚度和抗振性方面的要求；3） 加工稳定性方面的要求；4） 耐用度方面的要求；5） 技术经济方面的要求8。由于MGK7120磨床在实际中已经有应用，本次主要是对其进行改进，故在其结构布局形式上不作变化，仍然采用立式。机床的总体布局关系着机
18、床的性能、质量和整机的合理性。因此磨床的总体布局是按照简单、合理、经济的原则，以确保机床满足以上五个一般功能，同时应该注意的问题有，保证机床的刚度、精度和稳定性，达到结构简单、高效率，维修方便、安全可靠。矩形工作台平面磨床要顺利的完成磨削任务，除了砂轮的转动外，还要完成三个方向的进给运动，即垂直进给，横向进给和纵向进给。而这三个方向的进给形式也有多种选择：（1）工作台完成横向和纵向的进给，而磨头则只完成垂直方向的进给；（2）磨头完成横向和垂直方向的进给，工作台只完成纵向的进给；（3）工作台不移动，横向和纵向的运动都由立柱来完成，垂直方向进给运动由磨头来完成；（4）纵向运动由工作台完成，横向运动
19、由立柱完成，而垂直进给则由磨头来完成，该运动实现形式又叫中央立柱移动式。这几种运动实现形式各有各的特点。第一种形式比较传统，技术比较成熟，并且实现起来比较简单，设计中不存在太大的技术冒险，并且设计可参考的信息较多，设计周期也较短，能很好的实现市场响应。同时这种形式也存在一些不足之处，比如说这种形式的磨床的整体刚性不是太好，因此，这种形式用与本设计的高精度磨床不是太适合。第二种形式虽然在结构上有了一定的改变，但砂轮和电机的转动引起的振动会对磨床的精度有一定的影响，也不是很适合本设计的一种运动实现形式。第三种形式虽然提高了磨床的整体刚性和运动的稳定性，但这种形式的运动件的质量太大，在这种情况下，不
20、仅对能源是一定的浪费，而且响应的速度会大大降低，这样得来一定的精度提高的成本太高，在大多数不是特别高的精度场合是不采用的。而第四种形式则有效的综合了第二种和第三种的特点，有很好的刚度和精度。除此之外，这种运动形式使运动范围限定在较小的空间内完成，有效的减少了占地面积。这一优点在现代加工中有着非常大的意义，不但能很好的减少厂房面积，节约资金，并且有利于机床的布局，对加工物流也是非常重要的。因此，第四种的这种形式有较高的综合效益，也逐渐在各类磨床中采用，并得到了消费者的认可。通过上面的综述，对于本设计中这种精度等级的磨床完全可以采用第四种这种进给运动实现方式。由于该设计要求达到较高的精度等级，因此
21、，各个方向的进给的具体实现都是通过滚珠丝杠传动来实现的。之所以在纵向上放弃传统的液压驱动的主要原因是纵向运动在进行较小的进给时会出现爬行现象，这对于磨削的精度有很大的影响。用伺服电机驱动滚珠丝杠替代了液压驱动后不仅消除了爬行现象，并且去除了液压系统，使得机构更进一步的简化，使得磨床更加紧凑，这种运动实现形式的优点得到了更好的发挥。由于横向和垂直方向的精度要求较高，在这两个方向的实现形式自然要采用伺服电机驱动滚珠丝杠完成。因为滚珠丝杠不仅加工精度很高，能提高传动精度，并且滚珠丝杠的一些巧妙设计很好的消除了回程误差，这对精度的提高也是有很大的意义。所以在一些高精度的机床设计中都采用这种驱动形式，也
22、带动了这方面的厂家不段出现和提高，能广泛的提供这方面的产品以适应各种设计，也有不少的配套产品，这对于设计提供了很好的帮助。采用这种形式的驱动在垂直方向的实现上就出现了问题，因为滚珠丝杠不能进行自锁，这使得垂直方向的定位和精度要求难以得到保证。2.2 设计结果设计结果见图2.1。图2.1总体布局图3 垂直进给机构的设计3.1 磨削力的计算磨削力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力可分解为相互垂直的三个力，即沿砂轮切向的切向磨削力，沿砂轮径向的法向磨削力以及沿砂轮轴向的轴向磨削力。一般磨削中，轴向磨削力较小，通常忽略不计，只考虑砂
23、轮切向的切向摩擦力和砂轮径向的法向磨削力。由于砂轮磨粒具有较大的负前角，法向磨削力通常大于切向磨削力，所以把/称为磨削力比。磨削力比不仅与砂轮的锐利程度有关，且随被磨材料的特性不同而不同，还与磨削方式等有关。而磨削力与砂轮的耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等均有直接关系。图3.1 磨削力的力学模型要进行合理的结构设计，必须得先了解各个方向最大磨削力的大小。在磨削过程中纵向和垂直方向的磨削力较大，对磨削精度的影响也较大，也是各个零件尺寸和结构设计的基础。此外，为了合理的选择伺服电机，首先也得计算出磨削情况下可能的最大磨削力。9,101）磨削普通钢材（以45#为例）：由一个磨削力的经验公式得： （
24、3.1）其中：磨削过程中的最大切向磨削力（N）； 垂直进给量（mm）； 纵向进给量（mm/min）； 砂轮转速（m/s）。 （3.2）由设计的参数要求可知：=0.02 mm，=25 mm/min；由于电机转速为3000r/min，砂轮尺寸(外径宽内径)2002032，因此s不变，=s （3.3）其中：砂轮线速度（m/s）； 电机转速（r/min）； 砂轮外圆直径（mm）。（m/s）=s ，即=31.4m/s，所以（N）（N.m）磨削经验表明法向磨削力跟切向磨削力的大小存在一个比值,的取值范围为322。其具体值的大小与磨削的材料和砂轮的材料有很大的关系。在磨削普通钢材时，磨削比Fn/Ft=1.6
25、1.8，取Fn/Ft=1.8，则法向磨削力 Fn1.8 Ft1.8104.41187.94(N)2）磨削难加工材料（以Al2O3陶瓷为例）： 对难加工材料的单位磨削力经验公式建立如下： =216.843ap0.918vw0.617vs-0.448 216.8430.020.918250.61731.4-0.448 =7.82616(N/mm) =405.592ap1.207vw0.509vs-0.826 405.5920.021.207250.50931.4-0.826 =1.0777553(N/mm)由b=20mm得: Fn= =7.82616*20=156.5232(N) Ft= =1.0
26、777553*20=21.555(N)3.2 垂直进给机构布局设计本节相关参考文献11-17。3.2.1 进给系统应满足的要求进给传动系统用来实现机床的运动和辅助运动，一般由动力源、变速机构、换向机构和执行件等组成，而且应满足以下要求：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，灵敏度高；3. 抗振性好，不会因为摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪声；4. 具有足够宽的调速范围，调速范围是磨床要电机能提供的最高转速和最低转速之比。磨床在调速范围内，要能速度均匀、未定、无爬行，在零速度时，即工作台停止运动时，要求电机有电磁转矩，以维持定位
27、精度，即处于伺服锁住状态。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，使用不同的刀具，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。7. 为了提高进给系统的精度，最好采用传动间隙消除机构，如滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副的特点：摩擦系数小，传动效率高，主要承受轴向载荷，对轴向精度和刚度要求较高；采用双螺母通过调整轴向位置来产生一定的预紧力；进行预拉伸来提高拉压刚度和补偿丝杠的热变形。所以本次设计中，垂直进给机构采用交流伺服电机通过联轴器直接驱动滚珠丝杠，最终通过螺母副完成进给
28、运动。3.2.2 垂直进给机构机构设计在本磨床设计中，垂直进给要求的精度最高，要求最小自动进给达到1。因此在这个方向的附件选择上都有很高的精度和要求。垂直进给机构在结构上是由伺服电机直接驱动丝杠，带动滚珠丝杠的螺母上下移动，进而使与螺母固定连接的磨头做垂直运动，对其精度的控制还外加一个位移的闭环反馈系统，使精度得到保证。垂直进给机构的总体机构图如图3.2所示：图3.2垂直机构装配图3.3 垂直方向滚珠丝杠的设计3.3.1 滚珠丝杠副介绍滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其他直线运动副相比，有下列优点：（1）摩擦损失小、传动效率高 滚珠丝杆副的传动效率高达0.900.96，为传动滑动丝杆副的2-4倍，
29、能以小的扭矩得到大的推力，亦可由直线运动转换为旋转运动（运动可逆）。（2） 运动平稳 滚珠丝杆副为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行，可精密地控制微量进给。（3） 高精度 滚珠丝杆副运动中升温较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杆进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。（4）高耐用性 钢球滚动接触处均经硬化（HRc58-63）处理，并经精密磨削，具有较高抗疲劳性，滚动摩擦耗极微，具有较高的使用寿命和精度保持性。（5） 同步性好 由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的部件或装置，可以获得较好的同步
30、运动。（6） 高可靠性 与其它传动机械、液压传动相比，滚珠丝杆副故障率较低，维修保养也极其简单，只需进行一般的润滑和防尘，在特殊场合可在无润滑状态下进行。（7） 不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动，因此丝杠立式使用时，应增加制动装置。3.3.2 滚珠丝杠副设计计算1)确定滚珠丝杠导程由前面的设计可知，取=52） 滚珠丝杠副载荷及转速计算这里的载荷及转速，是指滚珠丝杠的当量载荷与当量转速。滚珠丝杠副在、转速下，各转速工作时间的百分比%、%、%，所受载荷分别是、。则： （3.1） （3.2）在本设计中，转动的大部时间是快速进给，则，且在本设计中垂直运动时主
31、要是所带的载荷为磨头及其一起运动的部件总的重量2000确定预期额定动载荷按滚珠丝杠副预期工作时间（小时）计算： （3.3）式中：预期工作时间（小时），查表得h；精度系数，由表查得；可靠性系数，查表得=0.44； 负荷系数，查表得；代入式（4.3）=9821.3934(N)3）按精度要求确定允许的滚珠丝杠最小螺纹底径滚珠丝杠的安装方式为两端固定， （3.4）式中：导轨静摩擦力（N），在本设计中为磨头及相关部件的重量N； 滚珠丝杠两轴承支点间距离（）； 行程+安全行程+余程+螺母长度一半+支承长度的一半+磨头支架高度 行程+（24）Ph+4Ph+(46)Ph+(1/201/10)行程 (1.051
32、.1)行程+(1014) Ph (mm)估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（），取=4；4） 确定滚珠丝杠副规格代号根据算出的、及传动方式，选择合适的滚珠丝杠，取公称直径=25，选择丝杠型号为FFZD2505-3。5） 确定预紧滚珠丝杠副预紧力 当选择预紧螺母型式的滚珠丝杠副时需确定预紧力，因最大轴向工作载荷能确定。6） 对预拉伸滚珠丝杠行程补偿值C和预拉伸力Ft的计算滚珠丝杠的热变形将导致长度、定位精度变化，根据公式（3.15），热变形为;ktLu热膨胀系数(11.8106)；t温升(一般取24)，取t2.5；Lu有效行程，LuLk+Ln+2La；Ln螺母长度, Ln110mm；La安全行程，
33、La(12)Ph2510mm；LuLk+Ln+2La270+110+210400mm；所以，ktLu11.81062.540011.7mm为了补偿热变形的影响，行程偏差Ck11.7mm由于滚珠丝杠选择的是两端固定的安装方式，可以采用丝杠预拉伸的方法来进一步补偿热变形，根据公式（3.16）预拉伸力为：Ft各变量意义如上所示，则Ft1.952.521.922338.1(N)7） 向额定静载荷验算式中： 滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷（N），查表得kN； 静态安全系数，取； 最大轴向载荷（N）所以丝杠额定静载荷符合要求。8） 确定滚珠丝杠副支承用轴承规格型号 在精密磨床上通常选用角接触轴承，并把2个
34、以上的轴承组合起来施加预紧力来使用。本次设计为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，采用正面组合的DF型组合形式。轴承特点：采用特殊设计的尼龙成形保持架，增加了钢球数，且接触角为，轴承轴向刚性大，与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比，启动力矩较小。轴承型号的选择：轴承内径需小于丝杠的外径20mm,所以左端轴承内径选择20mm；所以滚珠丝杠选用轴承型号为7004C/DF 其技术参数为 =62500N 轴承校核： 轴承额定动载荷公式： P-最大轴向载荷 -寿命系数 -转速系数 其中： P=mg=2500N = -可靠性为90%的额定寿命，取20000h则 =将P，的值代入，得 C=可用9） 强度验算
35、 （3.5）许用应力，取=147；滚珠丝杠螺纹底径（mm）。所以丝杠强度符合要求。经过上面的设计和验算，设计的滚珠丝杠符合设计的要求。10） 确定滚珠丝杠副的螺母型号及规格代号选择南京工艺装备制造厂的法兰直筒组合双螺母垫片预紧，采用内循环浮动反向器，规格型号为：FFZD25053滚珠丝杠的螺纹底径：d2=21.9 12.2mm滚珠丝杠的额定动载荷：Ca=102008156.3(N)11） 滚珠丝杠副工作图设计：滚珠丝杠副的螺纹长度 -余程 得=24mm-行程+螺母长度=430+113=543mm=543+224=591mm取滚珠丝杠总长度为800mm图3.3 滚珠丝杠副零件图3.4垂直进给驱动
36、伺服电机的选用与校核3.4.1 垂直进给驱动伺服电机的选用在设计垂直进给机构是先预选择传动丝杠的导程为5mm。因此，驱动电机的分辨率一定要在10000/r以上。为达到较高的精度，选择滚珠丝杠作为传动丝杠，但同时引起了另一个问题：滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用语垂直方位传动时，如果部件重量没有平衡，必须防止当传动停止或电动机断电后，因部件自重而产生的逆转动。必须采用防逆转装置14。防逆转转动可以采用超越离合器或不能逆转动的驱动电动机。在本设计中，采用后者。通过查阅相关资料，找到了一种很适合本设计的电机。该电机是松下电器制造的一款伺服电机，其型号为：MGMA032C1H9。该电机不仅带有
37、制动器，并且还自带编码器，其绝对量式的分辨率达到17位，远远的超过了要求的10000/的分辨率，可以很好的达到精度要求。这样的话，不仅很好的解决了制动问题，还简化了设计机构，有着很好的效益。但由于131072不为10000的整数倍，也存在一定的系统误差相对于1可以忽略。3.4.2 伺服电机的较核电机功率计算:电机功率取刚性联轴器的传动效率=0.98 ，轴承效率=0.98 ，滚珠丝杠螺母副的传动效率为=0.8，则 =0.980.980.8=0.76载荷系数k取 k=2 v=400mm/min=0.0067m/s则=35.2w 3.5 联轴器选用 计算转矩： （3.6） 式中：T理论转矩，N.m;
38、 驱动功率，kW;n工作转速，r/min; 动力机系数，查表取1.0；工况系数，查表取1.6；启动系数，查表取1.3；温度系数，查表取1.2；公称转矩，N.m。由电机可知，0.05 kW，n=400r/min,带入得：= 2.9796 (N.m)故选取联轴器LT3型，=31.5 N.m图3.4 联轴器零件图3.6滚珠丝杠副设计使用中应注意的问题：1. 为提高滚珠丝杠副的使用寿命和精度，应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心,以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力。2. 防逆转，滚珠丝杠副传动逆效率高，应考虑在电机停电后，因部件自重而产生的螺旋副的逆传动，防止逆转的方法可采用：停电自锁电机，蜗轮蜗杆机构，离
39、合器等方式。3. 滚珠丝杠副在行程两端应有行程保护装置，以防止越程后滚珠丝杠副受撞击而影响精度、使用寿命甚至损坏。4. 防止热变形，热变形对精度影响螺旋传动的定位精度有着重要的影响。其热源不单是螺旋副的摩擦热，还有其他机械部件工作时产生的热，致使丝杠热膨胀而伸长。为此必须分析热源的各因素，采取控制措施控制热源，还可以采用预拉伸、强制冷却等减小热变形对丝杠伸长的影响。5. 防护与密封，尘埃和杂质等污物进入滚道会防碍滚动体运动流畅，会加速滚动体与滚道的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。6. 合理润滑，减小驱动力矩提高传动效率。接触表面的油膜还有吸振，减小传动噪声和冲洗丝杠上的粉尘等杂物的作用。3.7 立
40、柱的设计在该设计过程中在横向进给形式上采用了中腰立柱移动式，因此，立柱的设计也是一个非常重要的一部分。在磨床中由于立柱不需要承受过大的动载荷和拉应力，在材料的选择上可以考虑铸铁。这样不仅降低了成本，而且铸铁有一定的减振功能，这在精密机床上是一个很好的优点，能对精度的保证有积极的作用。立柱的厚度取15mm，此外，为了提高其刚度和承载能力，立柱的内壁两侧还要设有加强肋，在纵多的加强肋形式中选择蜂窝状的加强肋。这种形式的加强肋承受载荷的能力较强，刚度较好，并且承受力均匀，在高精度的机床中得到广泛的使用。同时由于在横向进给上采用了直线导轨，直线导轨的导轨座要随着立柱一起运动，因此还要设计一个凸缘来安装
41、导轨座。凸缘可以单独加工后在固定在立柱上，也可以和立柱作为一个整体。对于第一种方案的好处就是加工容易，但加工后在进行安装，这样的话和造成一定的累计误差，还有就是固定连接的形式没有作为一个整体的刚性好，这两个因素都使得磨削精度有所降低。而第二种形式则很好的解决了精度的问题，虽然在加工上难度相对较大一些，但精度的保证在磨床设计中更重要一些。于是采用第二中方案，其机构表示如图3.5所示：图3.5立柱零件图3.8直线导轨的设计与选择3.8.1 导轨应满足的要求导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方称为运动导轨，不运动的一方成为支承导轨。运动导轨相对于支承导轨的运动，通常
42、是直线运动或回转运动。导轨的作用是导向和承载。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,下面几个要求尤为突出：1 导向精度高 导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线和它与有关基面之间的相互位置的准确性。无论在空载或切削工件时导轨都应有足够的导向精度，这是对导轨的基本要求。影响导轨精度的主要原因除制造精度外，还有导轨的结构形式、装备质量、导轨及其支承件的刚度和热变形，对于静压导轨还有油膜的刚度等。2 耐磨性好 导轨的耐磨性是指导轨在长期使用过程中保持一定导向精度的能力。因导轨在工作过程中难
43、免磨损，所以应力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。数控机床常采用摩擦因数小的滚动导轨和静压导轨，以降低导轨磨损。3 足够的刚度 导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为减轻或平衡外力的影响，数控机床常采用加大导轨面的尺寸或添加辅助导轨的方法来提高刚度。4 低速运动平稳性 要使导轨的摩擦阻力小，运动轻便，当动导轨作低速运动的或微量进给时，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，以及传动导轨的运动传动系刚度。5 结构简单、工艺性好 导轨要求结构简单，导轨的制造和维修药
44、方便，在使用时便于调整和维护。3.8.2直线导轨的选择为了保证垂直运动的平滑和稳定，在垂直方向选用一个直线导轨，由于在垂直方向的直线导轨主要是起导向的作用，不用承受太大的载荷，于是选用一个在尺寸上比较协调的直线导轨就可以了。因为，在参考的导轨中尺寸合适的型号，其承载能力都大大超过了导轨的实际需要承载的载荷，因此不需要进行强度和刚度的校核。通过比较，最后选择了启尖公司的GGB20AA。4 杯式砂轮修整器的设计4.1砂轮的修整方法和原理磨削时，磨床上相应的机构控制砂轮，使得它与工件表面接触，逐渐切除工件与砂轮相互干涉的部分，形成被切削面。因此砂轮工作表面的磨粒将会逐渐磨钝，砂轮磨钝后磨削力增大。砂轮的磨钝也会使砂轮工作表面丧失正确的几何形状，使加工精度降低，因此，为了使砂轮在使用中能保持正确的形状和锐利性，就需要定期对砂轮进行修整。砂轮修整实质上就是对砂轮进行整形和修锐。对于普通磨料砂轮来说，整形和修锐可以同时进行。而对于超硬磨料砂轮，尤其是结合剂密实型的超硬磨料砂轮，砂轮修整通常分为整形和修锐两个工序。整形是对砂轮进行微量切削