基于笛卡尔坐标系数控磨齿机砂轮修整装置设计本科毕业设计(编辑修改稿)

基于笛卡尔坐标系数控磨齿机砂轮修整装置设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

图 33 步进电机的升 /降速曲线图 在步进电机速度控制中，最方便的是按运行步数 (脉冲数 )控制运行的速度 (脉冲频率 )。 在确定了突变速度和加速度 (或加速时间 )后，就可以得出速度与运行位移的关系表，进而计算出步数和运行时间的关系表，这样在程序中就可以采用查表法来方便地进行步进电机的加减速控制。 步进电机的选用 合理地选用步进电机是相当重要的，通常希望步进电机的输出转矩大，起动频率和运动频率高，步距误差小，性能价格比高。 但增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须根据实际的工作情况全面考虑。 首先，应考虑系统的精度和速度的要求。 为了提高精度，希望脉冲当量小。 但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。 故应兼顾精度的要求来选定系统的脉冲当量。 在脉冲当量确定以后，又可以此为依据来选择步进电机的步距角和传动机构的传动比。 步进电机的步距角从理论砂锅上说是固定的，但实际上还是有误差的。 另外，负载转矩也将引起步进电动机的定位误差。 我们应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。 步进电动机有两条重要的特性曲线，即反映起动频率与负载转矩之间关系的 曲线和反映转矩与连续运行频率之间关系曲线。 这两条曲线是选用步进电机的重要依南京工业大学本科 毕业设计 (论文 ) 17 据。 一般将放映起动频率与负载转矩之间关系的曲线称为启动距频特性，将反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线称为工作矩频特性。 已知负载转矩，可以在起动矩频特性曲线中查出起动频率。 这是起动频率的极限值，实际使用时，只要起动频率小于或等于这一极限值，步进电动机就可以直接带负载起动。 若已知步进电动机的连续运行频率 f，就可以从工作矩频特性曲线中查出转矩 Tdm,这也是转矩的极限值，有时称其为失转矩。 也就是说，若步进电动机以频率 f 运行，它所拖动的负 载转矩必须小于 Tdm，否则就会导致失步。 数控机床的运行可分为两种情况：快速进给和切削进给。 在这两种情况下，对转矩和进给速度由不同的要求。 我们选用步进电动机时，应注意使在两种情况下都能满足要求。 表 31给出了一些常用的反应式步进电动机和混合式步进电动机的型号和简单的性能指标。 表 31 项目 型号 相数 步距角 /（ 0） 电压 /V 相 电 流/A 最 大 静矩 / 空载起频率 /Hz 运 行 频率 /Hz 75BF001 3 75BF003 3 90BF001 4 90BF006 5 110BF003 3 110BF004 3 130BF001 5 150BF002 5 150BF003 5 根据本次砂轮修整器的设计要求，选取 110BF004 系列步进电机作为驱动电机。 假若要求进给驱动装置有如下性能：在切削进给时的转矩为 Te，最大切削进给速度 ve。 在快速进给时的转矩为 Tk,最大快进速度为 vk。 根据上面的性能指标，我们可按下面的步骤检查步进电动机能否满足要求。 首先，依据下式，将进给速度值转变成电动机的工作频率： F=1000v/600δ(Hz) （ 31） 式中 v——进给速度（ m/min） 南京工业大学本科 毕业设计 (论文 ) 18 δ——脉冲当量（ mm） f ——步进电动机工作频率。 在上式中，若将最大切削进给速度 ve 代入可求得在切削进给时的最大工作频率fe；若将最大快速进给速度 vk代入，就可求得在快速进给时的最大工作频率 fk。 然后，根据 fe和 fk在工作矩频特性曲线上找到与其对应的失步转矩值 Tdme和 Tdmk,若有 TeTdme 和 TkTdmk，就表明电动机是能满足要求的，否则就是不能满足要求的。 步进电动机的控制系统 步进电动机由于采用脉冲方式工作，且各相需按一定规律分配脉冲，因此，在步进电动机控制系统中，需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑。 而脉冲的多少需要根据控制对象的运动轨迹计算得到，因此还需要插补运算器数控机床所用的功率步进电机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率，所以还要求有功率驱动部分。 为了保证步进电机不失步的起停，要求控制系统具有升降速控制环节。 除了上述各环节之外，还有和键盘、纸带阅读机显示器等输入、输出设备接口电路及其他附属环节。 在闭环控制系统中，还有检测元件的接口电路。 在早期的数控系统中，上述各环节都是由硬件 完成的。 但目前的机床数控系统，由于都采用了小型和微型计算机控制，上述很多控制环节，如升降速控制、脉冲分配、脉冲产生、插补运算等都可以由计算机完成，使步进电机控制系统的硬件电路较以前大为简化。 . 谐波减速器的选用 谐波传动是利用柔轮的变形与刚轮相啮合而实现的传动。 谐波传动的传动比大、结构简单、体积小、重量轻。 由于同时啮合的齿数多，所以它的承载能力大，传动精度高。 已被广泛地应用于许多工业领域，国内外应用谐波传动技术来解决工程机械和起重运输机械的动力驱动和运动传输的实例很多，例如：推土机中的驱动机构，桥式 起重机的卷扬机构，旋臂自行式起重机的旋转机构等。 由于谐波传动是依靠其柔轮的变形来实现运动和动力的传递，输出轴力矩较人。 当输入受到某种激扰作用时，会引起减速器传动系统的振动响应，给驱动运动精度要求较高南京工业大学本科 毕业设计 (论文 ) 19 的执行机构带来问题，影响其传动性能。 因此，对谐波齿轮减速器的模态特性进行分析，研究此类传动的动力学特性是十分必要的。 根据总体方案对减速器的技术要求，决定采用谐波减速器。 这样的减速器传动精度高、减速比大，谐波传动的间隙小，传动平稳，谐波齿轮传动的阻尼性能为 ～，而一般齿轮传动约为 ～。 外界扰动通过谐波齿轮传动能得到很快的衰减，对系统的稳定性有利。 谐波齿轮传动的结构采用双波椭圆波发生器，刚轮、定轮和柔轮采用复合结构，由刚轮输出。 减速器结构示意图见图 34。 定轮 柔轮波发生器组件刚轮 图 34 谐波 减速器结构示意图 进给机构的设计 数控车床靠步进电机带动滚珠丝杠传动，由于滚珠丝杠可以有过盈量，传动无间隙，精度主要靠机床本身和程序保证。 在加工过程中可以自动测量，并能自动补偿刀具磨损及其他原因产生的误差。 所以加工质量好，精度稳定。 还可以用编程的方法车出形状复杂，普通车床难以加工的零件。 适合精度高，批量大， 形状复杂的零件。 但小批量生产也很好用。 它的维修费用较普通车床高。 微量进给机构 通常把每次进给量 S≤2μm的周期进给速度和速度 V≤10㎜ /min的低速进给称为微量进给。 南京工业大学本科 毕业设计 (论文 ) 20 微量进给分手动和自动两类。 手动微量进给机构主要用于中小型机床起进给、点动或微量补偿作用，以及某些大型机床的手动微调。 自动微量进给机构采用各种驱动元件使进给循环自动进行。 对微量进给机构的基本要求 （ 1）灵敏度高 能实现所需的最小进给量 Smin为了保证灵敏度较高，微量进给机构应具有高刚度。 根据灵敏度要求确定微量进给机构的刚度计算条件。 （ 2）平稳性好 在低速进给是速度均匀，不出现爬行。 因此，对于低速进给还应不出现爬行的条件确定传动系统刚度的计算条件。 （ 3）精度高 多数微量进给机构执行部件的定位精度直接决定工件的加工精度，因此应按所需加工精度确定进给精度和重复定位精度要求。 （ 4）结构简单，调整方便，操纵轻便灵活 微量进给机构设计 根据设计的要求，砂轮修整时进给量不宜太大一般控制在 5μm～ 10μm, 为了保证进给的准确，从而达到较好的修整精度和表面质量，通过比较各种微量进给方式，最终选择滚珠丝杠传动。 进给机构及结构如图 35所示： 图 35 进给机构示意图 南京工业大学本科 毕业设计 (论文 ) 21 一、 滚珠丝杠传动的特点及应用 滚珠丝杠是数控机床进给传动系统的关键环节。 滚珠丝杠静动摩擦系数接近、传动效率高，因此受到了普遍采用。 同时，滚珠丝杠直接影响着进给传动系统的灵敏度、定位精度、是否爬行等。 作为传动滑动丝杠的进一步延伸发展，滚珠丝杠载荷。 具有高效率、温升少、高精度、高速度、高刚性、可逆性、长寿命、低能耗、同步性、高灵敏度、无间隙、维护简单等优 点。 滚珠丝杠传动的应用：丝杠传动的适用于进给行程小的场合，如磨齿机的手动横进给、手动补偿、微量调整。 螺母移动的适合进给行程大并要求快速进给的场合。 在设计滚珠丝杠还应考虑如下 —些问题： a)临界压缩载荷应大于轴向最大受压载荷，确保丝杠的稳定性； b)丝杠的最高转速应小于临界转速，防止发生共振； c)滚珠丝杠还应受 d0nmax限制，一般 d0nmax≤70000mmr／ min； d)滚珠丝杠应具有足够的刚度。 二、 微量进给计算 在数控系统设计中，一般根据加工力学特性初选步进电机，再根据加工进度要求确定系统得脉冲当量 δp,即一个脉冲所产生的工作台直线位移量。 脉冲当量 δp和步进电机的步距角 θs之间存在下列关系： 360sppshi （ 32） 式中 hsp —丝杠导程（㎜） i —步进电机输出轴至丝杠的传动比 θs—步进电机步距角，单位为度 当相对于某一点的直线位移 X㎜以及所需的脉冲次数 N即可得出脉冲当量： p xN  （ 33） 通常砂轮修整的修整量取 5～ 10μm，这里取进给量为 5μm，步进角 176。 ，脉冲次数为 480 次，假设丝杠导程 10 ㎜，假设脉冲当量 ㎜ /脉冲。 则可推算出谐波减速器的建速为 20。 南京工业大学本科 毕业设计 (论文 ) 22 第四章 修整器的设计 砂轮修整器的误差分析 砂轮修整前后砂轮半径误差 首先分析修整后砂轮半径的误差。 为分析问题方便起见，先假定砂轮修整时砂轮修整滚轮与砂轮之间仅在水平面内有 X和 Y两个方向的相对运动，即按两轴圆弧插补的方式在过砂轮轴线截面内做曲线运动，砂轮修整滚轮轴线与砂轮轴线保持平行，建立如图 41所示的坐标系。 图 41滚轮轴线与砂轮轴线坐标系 设要求修整后的砂轮最小半径为 r1，砂轮修整滚轮的半径为 r2，砂轮截面 曲线是半径为 r3=2mm的半圆，则如图 41所示，对砂轮截面曲线上的任意一点 B 南京工业大学本科 毕业设计 (论文 ) 23 (XB ， YB， ZB )，要求修整后点 B处的砂轮半径为 r1＋ XB，而实际修整后点 B处的砂轮半径为 r1＋ XB＋ δRB,按图 41的坐标系，有： B点和修整轮中心不在同一点，而 δZ指的是修整轮中心与砂轮中心的高度差 XB 2＋ YB2 = r32 ， ZB=0 (41) (r1＋ XB＋ r2)2＋ δZ2=(r1＋ XB＋ δRB＋ r2)2 (42) 设： R = r1＋ XB＋ r2 (43) 代入式 (42) 后有： R2＋ δZ2=( R＋ δRB)2 (44) R2＋ δZ2= R2＋ 2RδRB＋ δRB2 (45) δ RB2 ＋ 2Rδ RB－ δ Z 2 = 0 ( 4 6) 式 (46)是关于 δRB的二次方程，故有： 221 2 4 42 zRB RR     (47) 22zRB R  (48) 因为三角形的斜边必大于直角边，因此： r1＋ XB＋ δRB＋ r2 ＞ r1＋ XB＋ r2 (49) 所以： δRB＞ 0(410) 上面式 (48)中必须取正号，故： 22R B zRR   (411) 222( 1 )zRB RR R    (412) 由麦克劳林公式： f(x) = f(0) ＋ f1(0)x＋ f2(0)x2! ＋ … ＋ f(n－ 1) (0)xn－ 1/(n－ 1)。 ＋ fn(θx)xn/n。 , 0＜ θ＜ 1 (413) 取前两项作近似计算，有： f(x)≈f(0) ＋ f1(0)x (414) 设： 南京工业大学本科 毕业设计 (论文 ) 24 f ( x ) = 1 X (4 1 5 ) 则： f(0) = 1 (416) f 1 ( 0 ) = 0 . 5 ( 4 1 7 ) 故： 112XX   (418) 22112 zX R   (419) 代人上面式 (412)中，有： 2(1 1)2zRB R     (420) 22zRB R  (421) 由式 (421)可知： δRB近似地与 δz的平方成正比，与 R = r1＋ XB＋ r2成反比。 是砂。