外圆数控磨床工作台结构设计说明书

外圆数控磨床工作台结构设计说明书内容摘要：

要有昂贵的工艺装备的零件。 零件 数控机床节省了大量的工艺装备费用，使综合费用下降。 、不允许报废的关键零件。 推广数控机床的最大障碍是设备的初始投资大。 由于系统本身的复杂性，又增加了维修费用。 如果缺少完善的售后服务，往往不能及时排除设备故障，将会在一定程度上影响机床的利用率，这些因素都会增加综合生产费用。 考虑到以上所述的种种原因，在决定选用数控机床加工时，需要进行反复对比和仔细的经济分析，以发挥数控机床的经济效益。 6 设计参数和方案确定 机床主要技术参数 机床的主要技术 参数包括机床的主参数和基本参数，基本参数包括尺寸参数、运动参数及动力参数。 机床主参数反映机床规格大小和工作范围，有些机床还规定有第二主参数。 机床的尺寸参数是指机床的主要结构的尺寸参数，通常包括以下尺寸。 1）与被加工零件有关的尺寸，如磨床头架上最大加工直径。 2）标准化工具或夹具的安装尺寸。 运动参数是指机床执行件，如主轴、工作台和刀架的运动速度。 动力参数包括电动机的功率、液压缸的牵引力、液压马达或步进电机的额定转矩等。 MK1332 数控外圆磨床设计参数 工作台最大纵向移动量 1100mm 工作台最大回转角度 +3176。 、 4176。 工作台最大移动速度 10m/min 工件最大回转直径 φ 320mm 工件最大重量 150kg 工作台重量 850kg 尾架重量 200kg 最大切削受力 1000N 最大磨削长度 1000mm 中心高 180mm 最 大砂轮线速度 60m/s 7 MK1332 数控外圆磨床 加工产品的主要精度 外圆的粗糙度 aR ≤ 纵截面内直径的一致性 圆度 设计方案的确定 由于工作台最大移动速度 10m/min，由此数据确定是由开环伺服系统还是由半闭环伺服系统进行控制。 如采用开环伺服系统进行控制、机床结构简单、成本低、工 作比较稳定、调试方便，但精度不高；如采用半闭环伺服系统进行控制，可获得稳定的控制特性，还可以获得比较满意的精度和速度。 通过市场调研和本次设计的实际情况，数控磨床工作台结构设计对加工精度的影响至关重要，而磨床加工精度一般都比较高，故本次设计采用半闭环伺服系统进行控制。 工作台有两种驱动形式：液压驱动和滚珠丝杠驱动。 液压驱动形式由于使用工作压力高的油性介质，因此机构输出力大，机械结构更紧凑，动作平稳可靠，易于调节和噪声较小，但要配置液压泵和油箱，当油液渗漏时会污染环境，易产生爬行现象；而滚珠丝杠驱动可提高系统的 灵敏度、定位精度和防止爬行，降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。 因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠螺母副 [ 2]。 它是直线运动与回转运动相互转化的新型传动装置。 它可以消除反向间隙并施加预紧，有助于提高定位精度和刚度。 结合已知条件则选用滚珠丝杠驱动。 而上工作台还应能够进行回转，以实现磨锥的需要。 上工作台 1 上置有头架 2和尾架 4 长度为 L 且被磨削面为圆柱面的工件 3 装夹在头尾架之间。 在点 A 上以 R 为半径对该工件施以力 P 时，工作台则能相对轴心 O回转 [4][8]。 如图 3— 1 所示。 8 1 上工作台 2头架 3工件 4尾架 图 3— 1 工作台回转机理 MK1332 数控外圆磨床主要用于圆柱类零件、圆锥面和凸轮轴颈的磨削。 工作台导轨采用“ V— 平”导轨，“ V— 平”导轨导向精度高，加工装配也较方便。 “ V— 平”导轨贴塑，可降低摩擦系数也可提高使用寿命。 通过同步齿形带将伺服电动机和滚珠丝杠联接，传动精度高，作用在轴和轴承上的载荷小。 滚珠丝杠的支承采用两端固定，可使丝杠具有最大的刚度。 该数控外圆磨床采用两轴数控系统，即砂轮进给、工作台移动两轴数控，尾架采用液压系统控制，砂轮自动修整和砂轮修整后的自动补偿，本机床 具有足够的刚性和抗震性。 9 第 2 章 数控机床的组成和分类 数控机床的组成 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主机组成（如图 2— 1 所示）。 机床主机是数控机床的主体，包括床身、箱体、导轨、主轴、工作台、进给机构等机械部件。 图 2— 1 数控机床的组成 数控机床主机的结构有下面几个特点： 1）由于采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置，简化了数控机床的机械传动结构，传动链较短； 2）数控机床的机械结构具有较高的动态特性，动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形 性能，适应连续自动化加工； 3）较多地采用高效传动件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨、静压导轨等。 此外，为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些配套部件（如冷却、派屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置）和附属设备（程编机和对刀仪等等）。 数控机床的分类 [3] 目前，数控机床品种齐全，规格繁多，可从不同角度和按照多种原则进行分类。 10 按工艺用途分类 这类机床和传统的通用机床品种一样，有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。 加工中心 是带有自动换刀装置，在一次装卡后可以进行多种工序加工的数控机床。 如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。 如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控火焰切割机床等。 按控制运动方式分类 点位控制又称点到点控制 .这类数控机床的数控装置只要求精确地控制一个坐标点到另一个坐标点的定位精度 ,而不管从一点到另一点是按照什么轨迹运动 .在移动过程中不进行任何加工 .这类数控机床主要有数 控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床和数控测量机等。 直线切削控制又称平行切控制。 这类数控机床不仅要求具有准确的定位功能，而且还要保证从一点到另一点之间移动的轨迹是一条直线。 其路线和移动速度是可以控制的。 这类数控机床包括：数控车床、数控镗铣床、加工中心等。 轮廓控制又称为连续轨迹控制。 这类数控机床的数控装置能同时控制两个或两个以上坐标轴，并且具有插补功能。 对位移和速度进行严格的不间断控制，即可以加工曲线或者曲面零件，如凸轮及叶片等。 轮廓控制数控机床有两坐标 及两坐标以上的数控铣床，可加工曲面的数控车床、加工中心等。 11 按伺服系统的类型分类 根据有无检测反馈元件及其检测装置，机床的伺服系统可分为开环伺服、闭环伺服和半闭环伺服。 这类数控机床没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号的流程是单向的，其精度主要取决于驱动器件和电机（如步进电机）的性能。 工作台的移动速度和位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的。 它适用于精度、速度要求不高的场合。 这类机床数控装置中插补器发出的指令信号与工作台末端测得的实 际位置反馈信号进行比较。 根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直至差值在误差 允许 的范围内为止。 采用闭环控制的数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响，从而得到很高的加工精度。 但是，由于很多机械传动环节（尤其是惯量较大的工作台）包括在闭环控制的环路内，各部件的摩擦特性、刚性及间隙等都是非线性量，直接影响伺服系统的调节参数，故闭环系统的设计和调整都有较大的难度，设计和调整的不好，很容易造成系统的不稳定。 所以，闭环控制数控机床主要用于一些精度要求高和速度高的精密大型数控机床，如镗铣床 、超精车床、超精磨床等。 大多数数控机床采用半闭环控制系统，它的检测元件装在电机或丝杠的端头。 这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节，因此，可获得稳定的控制特性。 由于采用高分辨率的测量元件（如脉冲编码器），又可以获得比较满意的精度和速度。 半闭环系统的控制精度介于开环与闭环之间。 按照功能水平分类 按照功能水平分类，可将数控机床分为高、中、低档三类。 12 分辨率为 10181。 m，进给速度为 8m/min~15m/min 为低档；分辨率为 1181。 m，进给 速度为 15m/min~24m/min 为中档；分辨率为 ，进给速度为 15m/min~100m/min 为高档。 低档数控机床最多联动轴数为 2 轴 ~3 轴，中、高档则为 3 轴 ~5轴以上。 低档数控机床一般只有简单的数码管显示或简单的 CRT 字符显示。 而中档的有较齐全的 CRT 显示，不仅有字符，而且还有图形、人机对话、自诊断等功能。 高档的还有三维动态图形显示。 低档数控机床无通信功能。 中档数控机床有 RS232 或 DNC 接口。 CPU 低档数控 机床一般采用 8 位 CPU，中、高档的已经由 16 位 CPU发展的 32 位、 64 位 CPU，并具有精简指令集的 RISC 中央处理单元。 此外，进给伺服水平以及 PC 功能也是衡量数控档次的标准。 13 第 3 章 进给系统设计 数控机床的进给系统与普通机床不同。 数控机床的进给指令，来自数控系统，经进给电动机和驱动机构，使执行部件如刀架、工作台、主轴箱等按程序的规定运动。 半闭环控制系统原理（如图 3— 1 所示）为数控装置 1 发出的指令脉冲经伺服系统 伺服电动机 3 带动执行部件（工作台） 4，按程序运动。 反馈信号发生器 5 发出反馈信号并 送至 伺服系统与数控装置发来的指令相比较，检查指令是否被正确的执行。 半闭环系统的反馈装置装在伺服电动机或丝杠上不能纠正丝杠的误差以及受载后丝杠、轴承等的变形，因而精度比全闭环要低一些。 1数控装置 2伺服系统 3伺服电动机 4执行部件 5反馈信号发生器 图 3— 1 半闭环控制系统原理图 工作台机构传动设计 工作台机构传动系统采用半闭环控制系统，伺服电动机通过同步齿形带与丝杠联接。 丝杠的最高转速 maxN 的确定，其与使 用要求，如机床工作台的工作进给速度和快进速度相关。 工作台要求的最高速度 maxv  10m/min。 伺服电动机通过带轮与丝杠联接，转速可由下式计算： 14 maxmax 1000spvn h (r/min) 式中 maxv —— 工作台快进速度（ m/min）； sph —— 丝杠导程（ mm）。 丝杠的导程通常是标准值，从经济上考虑，应根据厂家提供的产品样本中选取 [20]。 由文献 [20]选取丝杠的导程为 5mm，则由 m a xm a x 1000 1 0 0 0 1 0 20205spvn h   （ r/min） 丝杠的最高转速 max 2020dn  r/min。 要求定位精度为 ，丝杠的“任意 300mm 行程内的行程变动量 300v ”取为定位精度的 1/3～1/2，即 ～。 1 级精度的滚珠丝杠 300v =，故应取一级精度。 根据精度要求 ，脉冲当量可定为 a=，电动机每转发出的脉冲数 b 应为 5 1 5 0 0 00 .0 0 1sphbia    式中 i —— 传动比。 脉冲编码器有每转 20 2500、 5000 脉冲等数种。 选取每转 5000脉冲的编码器。 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠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。 15 工作原理与特点 滚珠丝杠螺母副在丝杠和螺母上都有半圆弧行的 螺旋槽，当将它们套状在一起时便构成了滚珠的螺旋滚道。 螺母上有滚珠回路管道，在螺母上的进出口将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成了封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠。 当丝杠旋转时，滚珠在滚道内部既自转有沿滚道循环转动。 因此迫使螺母（或丝杠）轴向移动。 由于滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦，它有以下特点： ，摩擦损失小 由文献 [21]中知道滚珠丝杠螺母副的传动效率为： tantan( )   式中  —— 螺旋线升角（ ）；  —— 摩擦角（非常小，滚珠丝杠约为 10 左右）。 ，可消除丝杠和螺母螺纹间隙 适当预紧后的滚珠丝杠副，可消除螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区，反向定位精度高。 ，无爬行现象，传动精度高 滚珠丝杠副基本是滚动摩擦，摩擦阻力小， 摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关。 即丝杠和螺母 都可作为从动件。 ，使用寿命长。 其加工精度要求高，表面粗糙度值要求低，一般都要求磨削成型，故制造成本高。