机械(机电)毕业设计——数控平面磨床设计

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摘 要

设计的题目是数控平面磨床设计，主要用于加工磨削平面，使加工面达到要求的粗糙度。

本设计包括机械部分设计和控制部分设计，机械部分设计主要包括：总体设计、砂轮架（磨头）设计、垂直进给机构设计、横向进给（工作台进给）机构设计、纵向进给机构设计。控制部分设计主要包括：硬件电路设计、液压系统控制、单片机控制。

绪论部分对精密加工的作用和地位做了介绍，阐述了精密磨削技术的发展和背景，同时还有介绍其工艺特点及国内外磨削技术的现状。

总体设计跟砂轮架设计做了简要的介绍，主要是对垂直进给机构、横向进给（工作台进给）机构设计、纵向进给机构设计做了详细的说明，对硬件电路也做出了研究。

本设计的特点：所设计的数控平面磨床能通过电磁铁实现自动固定工件，并且能够实现自动磨削。

关键词：精密，数控，平面磨床，垂直进给机构

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Abstract

由于说明书中内容不全，如有需要可以进行联系。另外还有如下毕业设计题目，每个毕业设计均有详细的内容，包括机械图纸（CAD或CAXA绘图），液压与电控设计，任务书，说明书，开题报告，中期检查报告等。如有需要可以加QQ2370231242进行联系，如果未在线可以先发送邮件至2370231242@进行联系。

1.全自动弹簧预压机的设计 2.邮箱分检装置设计 3.自动攻丝机设计

4.晶片光学对中系统设计

5.加工中心自动换刀系统设计 6.自动螺旋式卷纸管机设计 7.自动平卷纸管机设计 8.模锻液压机设计 9.三边封盘式包装机

10.两轴实验型数控铣床系统设计 11.数控车床自动回转刀架设计 12.电路板涂胶机机设计 13.数控平面磨床设计

14.扩4012缸体主轴孔专用组合机床设计

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目 录

第1章 绪论 ………………………………………………….……………………… 1

1.1 课题背景及实际意义………………………….....…..………………………1 1.2 国内外研究状况……………………………………...………………………2 1.2.1 国外数控磨削的发展………………………..……………………..……2 1.2.2 国内数控磨削的发展……………………..………………..……………4 1.3 毕业设计任务与论文组成…………….…………………………….….……5 1.4 本课题的研究方法……………….………………………………..…………6 第2章 数控平面磨床总体设计 ………………………………….…..…..….………7

2.1 磨床简介 ………………...…………………………………..…..…..………7 2.2 主要结构及其说明……………...……………………………………………9 2.3 磨床技术规格……………….…………………..…………………………..10 2.4 磨床总体布局设计………...……………………..…………………………10 2.5 磨床总体传动设计…………...……………………..………………………12 第3章 砂轮架（磨头）设计…………………..………………………………………17

3.1 砂轮架设计 ……………………….……………………..…………………17 3.2 砂轮架的结构特点…………………...…………………..…………………21 第4章 垂直进给机构的设计 ………………………………………………………22

4.1 垂直进给机构的结构和特点……………...…………..……………………22 4.2 确定垂直进给机构方案…………………...…………..……………………23 4.3 滚珠丝杆副介绍………………………...……………..……………………24 4.4 滚珠丝杠的设计计算………..…………….………………..………………27 4.5 垂直进给电机的功率计算…………………...……………..………………28 第5章 横向进给（工作台进给）机构的设计……………………..…………………29

5.1 横向进给机构的结构和特点…………...…………………..………………29 5.2 确定横向进给机构方案………………...…………………..………………30 5.3 液压系统介绍………………………………...………………..……………31 5.4 液压缸的设计计算………………………...……………..…………………32 第6章 纵向进给机构设计…………………………...…………...…………………36

6.1 纵向进给机构的结构和特点…………...……………..……………………36 6.2 确定纵向进给机构方案…………………...…………..……………………37

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6.3 滚珠丝杠的设计计算………………….……………………………………38 6.4 纵向进给电机的功率计算……………………..……..….…………………39 第7章 控制系统设计 ………………………………………………………………40

7.1 控制器的选择…………………………..………………..…….……………40 7.2 流程图…………………………..………………….........…………………..41 7.3 硬件电路的设计……………………..………..…….………………………41 第8章 总结…………………………………..……………...………….……………45 致谢……………………………………………………………...……………………46 参考文献………………………………………………………...……………………47 附 录……………………………………………………………………………….…48

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第1章 绪论

1.1 课题背景及实际意义

现代工业生产中，中、小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通机床已经越来越难以适应现代化生产的要求，而数控机床具有高精度、高效率、一机多用，可以完成复杂型面加工的特点，特别是计算机技术的迅猛发展并广泛应用于数控系统中，数控装置的主要功能几乎全由软件来实现，硬件几乎能通用，从而使其更具加工柔性，功能更加强大。

制造业的竟争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竟争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竟争，将面临知识——技术——产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强。因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竟争和生存、发展的主要手段。计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的数控机床在生产机床中所占比例将越来越多。

数控平面磨床是一种效率高、精度高的数控加工机床，它比普通磨床有很多优势，具体实际应用意义有以下几点：

1.大大提高生产效率。数控平面磨床即可实现加工的自动化效率可比传统平面磨床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。

2.数控平面磨床在机械制造中作用和地位提高。随着磨削技术的发展，数控平面磨床的应用日益扩大，在工业发达国家磨床占机床总数的40%，在轴承制造业中多达60%，因此磨削技术在机械制造业中占重要地位，而数控平面磨床由于磨削精度高、效率高很适应工程材料不断发展的需要。

3.性能稳定可靠。目前数控技术得到了突飞猛进，为数控平面磨床提供了可靠的数控技术保障，因此数控平面磨床的设计有适应和应用新技术的意义。

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1.2 国内外研究状况

平面磨床相对于车床、铣床等采用数控系统较晚，因为它对数控系统的特殊要求。近十几年来，借助CNC技术，磨床上砂轮的连续修整，自动补偿，自动交换砂轮，多工作台，自动传送和装夹工件等操作功能得以实现，数控技术在平面磨床上逐步普及。在近年汉诺威、东京、芝加哥、及国内等大型机床展览会上，CNC磨床在整个磨床展品中已占大多数，如德国BLOHM公司，ELB公司等著名磨床制造厂已经不再生产普通磨床，日本的冈本、日兴等公司也成批生产全功能CNC平磨，在开发高档数控平磨的同时，积极发展中、低档数控平磨。

1.2.1 国外数控磨削的发展

前几年德国ELB公司生产的BRILLIANT系列二坐标CNC成型磨床，其垂直和横向为数控轴，纵向为液压控制，砂轮修整采用安装在工作台上的金刚石滚轮，适用范围较广；SUPER-BRILLIANT系列是三坐标CNC平面和成型磨床，床身用天然花岗岩制成，几何精度极高，导轨用直线滚动导轨，机械驱动无反冲，从而保证工件有较好的表面光洁度；BRILLIANT-FUTURE为以上二个系列的改进产品，床身用人造花岗岩制作，纵向用静压导轨，齿形带传动，垂直和横向导轨为预加荷直线滚动导轨，滚珠丝杠传动，三轴CNC控制AC伺服电机，0.5μm横向与磨头进给用滚珠丝杠副，直流伺服电机驱动，间断式砂轮修整，CRT图形模拟显示。同时还可以配用其他型号的数控系统，以满足不同用户的要求。

目前，随半导体集成度的不断提高，新推出的系统在外型上越来越小，结构上越来越紧凑，功能上增加了远程通讯，远程诊断，多机联网等等；操作界面向WINDOWS系统*近，增加鼠标，摇控器等操作件。FANUC公司今年主要推出18I、16I、20I、21I系统，SIEMENS是840D、810D、802D均为结构紧凑型系统。还有一些厂商如：台湾精密机械研究发展中心开发的PA8000NT系列CNC控制器，就使用了WINDOWS NC操作系统，和NT即时多工处理核心，单节程序处理速度达2000块/秒，单节预读处理数可达1000块，具有AART(预适应调节技术)及参数最佳化学习功能，可使跟随误差趋近于零，软件加工路径滤波器可降低切削过程中，因加速度变化过大所产生的机械共振，从而改善表面粗糙度；配用伺服灵活，具备+、-10V类比伺服界面，同时提供国际标准的SERCOS数字伺服通讯界面；PLC程序设计有梯形图、结构语句、功能块、指令码、流程图等五种语法，便于设计、沟通和维护；具有计算机远程通讯，即时远程维护功能；

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控制轴和主轴最多可扩展到64轴，I/O点可扩展到792/528点，采用奔腾处理器，高速PLC处理速度达到25K。

EY-BRANDLY公司生产的8400CNC、8600CNC数控系列，适用于车床、铣床和磨床，其8400CNC最多可控制6根伺服轴，任2轴可进行圆弧插补，任3轴可进行螺旋线插补，6轴直线插补。8600CNC系列最多能控制17个坐标，包括8个参与插补轴，8个位控制轴及1个主轴，具有图形显示，扩展分支程序，显示加工时间，高速程序校验，刀具寿命监测等功能。

日本FANUC公司开发了OG高速高性能数控系统，其中O-GSG适用于平面磨床，可根据磨削零件不同形状，有四种不同的磨削方法，具有砂轮轴角度倾斜控制功能，荒磨、粗磨、精磨、无火花磨削一整套磨削循环，砂轮滚压修整后位置补偿功能，修整器相对于被修整轮法线方向控制功能，修整滚轮外缘圆弧半径补偿功能，砂轮形状图形显示功能及磨削参数显示等，系统最小设定单位0.1μm，属“紧凑”型数控系统，价格较低。

另外还有如德国ELB公司与大学联合研制的UNICON系统。日本大隈铁工所OSP5000G-G，OSP30-NF等自行开发的平面和成型磨削数控系统，其OSP5000G-G最多可控制9个坐标，其中6个坐标可联动，带12英寸彩显，人机对话编程，自动确定切削系数，可采用软盘输入，纳入FMS系统，最小脉冲当量、移动当量和检测当量均为0.1μm，平磨上还采用了感应同步器全闭环方式。

还有的平磨制造厂虽采用数控主机厂的系统，但自行开发软件，使用之更适合平面和成型磨削，如德国JUNG公司以西门子SINUMERIK 810为基础，采用该公司专用软件，用JUNG KONTUR编程语言对砂轮进行成型修整，并有图形开发了OPL语言辅助操作功能。日本冈本公司在FANUC公司数控系统硬件上，用于磨削加工，等等。

当今直线电机、动平衡等技术、工艺的日益发展应有，又大大提高了机床的工效，适宜的测量技术应用对数控系统的开发利用，增强机床的电气自动控制功能如虎添翼。

1.2.2 国内数控磨削的发展

我国从80年代开始生产数控平面磨床，各开发厂家分别走过了自行研制，与大学及科研单位合作开发至直接引进成熟数控系统的发展道路。例如：杭州机床厂是一家具有五十年历史，专业生产平面磨床的制造厂，它从80年代中期开始生产数控平磨，先后开发生产了MGK7132卧轴矩台高精度平磨，MK7130系列普通数控平磨，MLK7140数控缓进给成型磨，MGK7120、MK7163、MK7150

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卧轴矩台数控平磨，MKY7760立轴数控双端面磨，MKY7660、MKY7650/101卧轴数控双端面磨，以及HZ-K1610，HZ-K2010，HZ-050 CNC，HZ-KD2010、HZ-K3015、HZ-K3020、HZ-K4020等专用数控龙门式平面与导轨磨床。数控系统的开发应用，有与大专院校及科研单位合作研制的单板机系统，也有自行开发

HZ-050CNC数控直线滚动导轨专用磨床，是为上海市科技结合生产重点工业项目第三次科技攻关项目而开发的专用磨床。既具有平面磨削功能又有成型磨削功能，它采用了美国A-B公司生产的8400MP数控系统，机床有7根数控轴，X、Y、Z三根磨头进给轴和U、V、W三根砂轮修整轴由系统直接控制，另一轴Q为卧式砂轮横向进给(磨削平面用)通过SLC可编程控制器加IMC定位模块，由系统I/O口输入8400MP主机，控制其位置，具有在磨削中连续修整砂轮或间隙式砂轮修整补偿进给等自动加工能力。

HZ-KD2010六轴数控龙门式双磨头平面磨床，采用FANUC-0MC数控系统，用四根CNC轴分别控制两个磨头的横向和垂直进给，用一根PMC轴控制周边磨头的砂轮修整器金刚笔进给，另一根PMC轴控制万能磨头的分度旋转。充分利用了系统性能，降低生产成本，提高了机床的性价比。

1.3 毕业设计任务与论文组成

任务内容：要求设计的数控平面磨床能够实现工件的自动夹紧及磨削。 主要参数：最大磨削尺寸700×1600×675 mm ，工作台速度 3-25 m/min，磨头横向进给速度 0.15-3.75 m/min ，磨头垂直给速度 0.05-3.75 m/min ，砂轮线速度 35 m/s ，最大砂轮尺寸 (外径×宽×内径) 500×75×203 mm，最大磨削力150N，磨削精度-5～5

(1) 数控平面磨床总成图 1张 0# (2) 液压缸部装图 1张 1# (3) 液压系统原理图 1张1# (4) 电气控制系统原理图 1张1# (5) 程序流程图及程序 1张1# (6) 零件图 2张2# (7) 撰写15000字毕业设计（论文）一份； (8) 完成不少于2000个单词的外文资料译文一份。

本文由绪论、总体设计、砂轮架（磨头）设计、垂直进给机构设计、横向进

m

。

工作量：本题目主要完成机械结构设计、传动机构设计和电控系统设计。

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给（工作台进给）机构设计、纵向进给机构设计、数控硬件设计、总结和致谢等几个部分组成。

1.4 本课题的研究方法

所设计的数控平面磨床主要包括机械部分，控制部分。机械部分设计主要包括：总体设计、砂轮架（磨头）设计、垂直进给机构设计、横向进给（工作台进给）机构设计、纵向进给机构设计。控制部分设计主要包括：硬件电路设计、液压系统控制、单片机控制。将丝杆由步进电机带动。电机和液压系统中的电磁换向阀由单片机控制，最终实现磨床的自动控制。机械结构简图如图1-1：

图 1-1 机械机构简图

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第2章 数控平面磨床总体设计

2.1 磨床简介

(1) 工件的装夹

在平面磨床上，采用电磁吸盘工作台吸住工件。电磁吸盘工作台的工作原理是当线圈中通过直流电时，芯体被磁化，磁力线经过盖板-工件-盖板-吸盘体而闭合，工件被吸住。电磁吸盘工作台的绝磁层有铅、铜或巴合金等非磁性材料制成、它的作用是使绝大部分磁力线都通过工件。结构如图2-1。

图2-1 电磁吸盘的原理结构图

当磨削键、垫圈、薄壁套等小的零件时，由于工件于工作台接触面积小，吸力弱、容易被磨削力弹出造成事故，所以装夹这类工件时，需要工件四周或左右两端用挡铁围住，以防工件移动。小工件装夹如图2-1。

图2-2 装夹工件

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(2) 磨削的方法

图2-3 平面磨削方法

①横向磨削法

横向磨削法如图2-3a所示。这种磨削法是当工作台每次纵向行程终了时，磨头作一次横向进给。等到工件表面上第一层金属磨削完毕，砂轮按预选磨削深度作一次垂直进给，接着照上述过程逐层磨削，直至把全部余量磨去，使工件达到所需尺寸。粗磨时，应选较大垂直进给量和横向进给量，精磨时则两者均应选较小值。

这种方法适用于磨削宽长工件，也适用于相同小件按序排列集合磨削。

2.2 主结构及其说明

主要结构包含：立柱、砂轮箱托架、砂轮箱、工作台、床身，如图：2-4。

图 2-4 结构简图

(1) 立柱

立柱主要作用在于支撑砂轮箱托架，并起到砂轮箱移动导向作用。立柱采用

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空心结构，不仅能节省材料，且能保证刚度要求。

(2) 砂轮箱托架

砂轮箱托架作用在于托起砂轮，并对砂轮移动起导向作用，提供砂轮移动所需

2.3 磨床术规格

最大磨削尺寸700×1600×675 mm ，工作台速度 3-25 m/min，磨头横向进给速度 0.15-3.75 m/min ，磨头垂直给速度 0.05-3.75 m/min ，砂轮线速度 35 m/s ，最大砂轮尺寸 (外径×宽×内径) 500×75×203 mm，最大磨削力150N，磨削精度-5～5

m

。

2.4 磨床总体布局设计

该磨床的总体设计包括：系统设计(包含数控装置的功能设计、元件和部件设计,程序段格式设计及系统的总体设计)；逻辑设计(包含运算器设计、控制器设计及电路设计)；机床主机的结构设计。本次设计主要对总体结构进行设计。

数控机床的功能设计和普通机床有着很大的差别。对数控机床的结构设计要求可归纳为如下几个方面：

①具有很大的饿切削功率、高的静、动态刚度和良好的抗振性能； ②具有较高大的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；

由于形状相同的截面，当保持相同的截面积时，应减小臂厚，加大截面的轮廓尺寸，所以该机床的立柱、床身等支撑件做成型腔。圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度比方形截面小，所以立柱、床身等承受弯曲载荷的部件做成方形，而象主轴等承受扭转载荷的零件做成圆形。

由于封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多，因此该磨床采用封闭式床身。

由于臂上开孔将使刚度下降，所开孔部部件对刚度要求又很高，就在孔的周边加上凸缘，以使抗弯刚度得到恢复。

b. 隔板和筋条的布置

合理布置支承件的隔板和筋条，可提高构件的静、动刚度，磨床采用叉筋板的支承件，立柱内部就是布置了交叉的筋条。

c. 构件的局部刚度

磨床的导轨和支承件的连接部件，往往是局部刚度最弱的部分，但是联接方

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式对局部刚度影响很大。在本次设计中，由于Z轴导轨较宽，故采用双臂联接形式；X、Y轴导轨较窄，采用单臂联接，但在单臂上增加垂直筋条以提高局部刚度。

②结构布局的设计

三坐标数控磨床设计的主轴中心位于立柱的对称面内，主轴箱的自重不再引起立柱的变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲变形和扭转变形均大为减小，这相当于提高了机床的刚度。另在立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力，以减小立柱的变形。

(2) 提高机床的抗振性的措施

机床在加工时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性就是抵抗这两种振动的能力。

改善和提高抗振性应从以下几个方面着手：

刀架等部件的移动采用支流伺服电机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了运动精度和运动平稳性。

2.5 磨床总体传动设计

(1) 主传动系统的设计要求

数控机床的主传动系统除应满足普通机床的主传动要求外,还提出如下要求: ①具有更大的调速范围,并实现无级调速。

数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，工序集中工件一次装夹，可完成许多工序，所以，为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。

②具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。

数控机床加工精度的提高与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。

③良好的抗震性和热稳定性。

的功能部件，又有专门的工厂集中生产，作为商品出售。主轴可用联轴器联结。

c.主轴轴承 选深沟球轴承。这种轴承即可承受轻微径向载荷，又可承受轴向

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载荷。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常采用多联组配的办法。运转时，轴承的外圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀将使过盈减少，于是，可以补偿一部分径向膨胀。基于上述分析，主轴受到弯矩，又属高速运转，因此主轴轴承必须采用多件组配。本机床支撑采用2个6208轴承。

d.轴承的间隙调整和预紧

主轴轴承的内部间隙，必须能够调整，多数轴承还应在过盈状态下工作，使滚动体和导轨之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧。

轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支撑主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚导体与滚道接触。预紧后，滚导体和滚道都有一定的变形，参加工作的滚动体将增多，各滚动体的受力将更加均匀。这些都有利提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支撑，可以提高抗震性。但是，预紧后发热较多，温升较高；且较大的预紧将使寿命下降，故预紧要适量。

e.承载能力和寿命

主轴轴承通常载荷相对较轻。除了这些特殊重载主轴外轴承的承载能力是没有问题的。主轴轴承的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是由于磨损而降低精度。通常，如轴承精度为P4级，经使用磨损后跳动精度降为P5级，这个轴承就认为应该更换了。虽然还未达到其疲劳寿命，但这种“精度寿命”目前还难以估计。

③主轴组件的技术要求

主轴与轴承相配合的技术要求直径公差和形位公差。

为了得到主轴组件高的回转精度，除保证主轴及其相关零件高的加工精度及采用精密主轴轴承外，还应进行定向装配。

④主轴组件的动态特性

a.平移 主轴作为一个刚体（实际上略有弯曲），在弹性支撑上作平移振动，主轴各点的振动方向一致。

b.摇摆 主轴在弹性支座上摇摆，左右振动方向相反。

c.弯曲 主轴本身作弯曲振动，主轴中间与两端的振动方向相反，有两个节点。这两个节点位于支撑点附近。每个振型都有其固有频率。每个振型固有频率排列的次序，称为阶。上述三个振型的固有频率，以平移振型为最低，弯曲振型为最高，三个振型分别为第一、二、三振型，振型和固有频率合成为模态。可以看出，第一、二阶模态的弹性环节主要是轴承；第三阶则主要是轴承。当轴的刚度提高时，第一、二阶模态的固有频率也随之提高，但第三阶模态提高不多。

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第3章 砂轮架（磨头）设计

3.1 砂轮架设计

(1) 砂轮机构的设计计算 ①砂轮的选用

砂轮采用标准件，根据需要，选用金刚砂砂轮，其尺寸参数为：外径d外=500mm、内径d内=203mm、厚度h=75mm，在加工过程中砂轮参数为：转速

n=1440r/min，移动行程s=700mm， 磨削进给量为0.005mm。

砂轮采用压板固定，另一端与有齿牙的轴套咬合。 ②砂轮轴的设计

其外形及各部分尺寸图如图2-5所示：

图2-5 砂轮轴外形尺寸图

如图2-5，轴的左侧直接与电动机通过联轴器相连，标注尺寸为100mm的轴段，它上面通过键与砂轮轴套相连，轴套上面固定砂轮。

③轴套设计

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其外形及各部分尺寸图如图2-6所示：

图2-6 轴套外形及重要尺寸

(2) 砂轮架设计的基本要求

砂轮架是磨床上用来带动砂轮作高速旋转的关键部件，主要由传动部件和主轴轴承部分组成，主轴与轴承是砂轮架的主要组成部分，因此对砂轮架设计提出的基本要求也是针对主轴轴承部分的。

(4) 主轴轴承系统的刚性

T——扭转切应力（单位为MP）

(6) 主轴刚度校核 ①当量直径

因为是阶梯轴，所以用当量直径法作近似计算当量直径为：

dv

L

Y主轴

Pa2(l a)

3EI （2-11）

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P——载荷（单位为公斤）（150/9.8）

l—— 轴两端的跨距（单位为厘米）（30.5） a—— 悬伸长度（单位为厘米）（5.5）

E—— 材料的弹性模数（单位为公斤/平方厘米）（21.02 10）

5

3.2 砂轮架的结构特点

砂轮架结构简图如图2-7：

图 2-7 砂轮架简图

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第4章 垂直进给机构的设计

4.1 垂直进给机构的结构和特点

垂直进给系统采用了滚珠丝杠副传动，其结构如图4-1：

数控机床进给系统的特点可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应要

快；系统的稳定性要好。 （1） 稳定性

所谓的稳定的系统，即系统在输入量的改 变、启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几 次衰减振荡后，能迅速地稳定在新的或原有的平衡 状态下。它是伺服系统能够进行正常工作的基本条 件。它包含绝对稳定性和相对稳定性。

进给系统的稳定性和系统的惯性、刚度、 阻尼以及系统增益都有关系。适当选择系统的机械 参数（主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等） 和电气参数，并使它们达到最佳区配，是进给 系统的设计的目标之一。 （2）精度

所谓进给系统的精度是指系统的输出量复

线输入量的精确程度，即准确性。它包含动态误差， 即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结 束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差及 干扰误差。

常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和 轮廓跟随精度。精度用误差来表示，定位误差

是工作台由一点到另一点时，指令值与实际 图 4-1 结构简图

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移动距离的最大差值。重复定位误差是指工作台进行一次循环动作之后，回到初始位置的偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标连动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂，采用数字调节

4.2 确定垂直进给机构方案

(1) 进给系统的设计要求

机床的位置调节对进给系统提出很高的要求。其中在静态设计方面有： ①能够克服摩擦力和负载：

a.很小的进给位移量； b.高的静态扭转刚度； c.足够的调速范围；

②进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象； ③在动态设计方面的要求有：

a.具有足够的加速和制动转矩，以便完成启动制动过程； 将丝杆与步进电机直接相连，螺母机构与砂轮箱托架直接相连。

4.3 滚珠丝杆副介绍

滚珠丝杠螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置。它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。

(1) 组成及工作原理：

图 4-2 滚珠丝杠螺母副的结构原理图

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①组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。 ②工作原理：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。

(2) 特点：

①传动效率高：机械效率可高达92%~98%。 ②用锁紧螺母消隙：

图 4-4用锁紧螺母消隙

图4-4为利用两个锁紧螺母调整预紧力的结构。两个工作螺母以平键与外套相联，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。当两个锁紧螺母转动时，正是由于

平键限制了工作螺母的转动，才使得带外螺纹的工作螺母能相对于锁紧螺母轴向

图 4-5 差齿式调整法

两个工作螺母的凸缘上分别切出齿数为Z1、Z2的齿轮，且Z1、Z2相差一个齿，即： Z2-Z1=1，两个齿轮分别与两端相应的内齿圈相啮合，内齿圈紧固在螺母杆较短时，采用单支撑结构。

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图4-6 滚珠丝杠两端支撑形式

图4-6a：一端固定，一端自由：适用于短丝杆及垂直丝杆。

图4-6b：一端固定，一端浮动：一端同时承受轴向力和径向力，另一端径向力，当丝杆受热伸长时，可以通过一端做微量的轴向浮动。

图4-6c：两端固定的支撑形式：通常在它的一端装有碟形弹簧和调整螺母，这样既能对滚珠丝杆施加预紧力，又能在丝杆热变形后保持不变的预紧力。

4.4 滚珠丝杠的设计计算

(1) 丝杠螺母机构的设计 ①丝杠的选择

确定砂轮的垂直进给速度V=0.05mm/s，砂轮垂直方向行程为675mm，则可得出丝杠的长度应大于675mm。

根据以上的应用条件，可以查标准选用丝杠，由于要求传动的精度较高，经对

4.5 垂直进给电机的功率计算

由丝杠的工作情况选择电机，选用110BYG5-03型永磁式步进电机，相数为

5相，步距角为0.36，电压为120~130V，电流为3A，最大静转矩为12000Nmm，空载起动频率为3000Hz，空载运行频率为5000Hz。

根据设计要求：

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