【正文】 過程中自動更換砂輪，因而刀具制造精度高，適用于復(fù)雜形狀型面刀具的精密磨削。Michael Deekel公司研發(fā)的S20Eturbo磨削中心自帶砂輪庫，并且砂輪庫由獨(dú)立的伺服軸控制，完全實現(xiàn)砂輪的自動更換，可以實現(xiàn)高效率的自動化生產(chǎn)；采用生產(chǎn)、修磨一體化設(shè)計磨削軟件，實現(xiàn)對程序的編輯、修改、編譯、檢查等；還集成了砂輪的自動測量、修整和刀具測量系統(tǒng)的全自動校準(zhǔn)等輔助功第 3 頁 共 47 頁能。適用于各種標(biāo)準(zhǔn)刀具、復(fù)雜刀具(非標(biāo)準(zhǔn))的生產(chǎn)和修磨。S20E磨削中心，還可以集成全自動拾取式上料系統(tǒng)，容納多達(dá)16支自由尺寸的各種刀具。第三代產(chǎn)品是生產(chǎn)刀具的自動化工廠、自動化生產(chǎn)線和柔性制造單元，它代表刀具刃磨機(jī)床的最專業(yè)、最前沿的制造生產(chǎn)技術(shù)。它由一組只需完成單一加工工序的24軸簡易型CNC工具磨床組成，機(jī)床問由傳輸線和機(jī)械手連接，用于磨削刀具的外圓、溝槽、刃背和端面，適用于刀具的大批量生產(chǎn)。采用數(shù)控工具磨床對刀具進(jìn)行磨削加工必須依靠刀具磨削加工技術(shù)和編程技術(shù)，而各種復(fù)雜形狀刀具的磨削加工技術(shù)和編程軟件，目前在國外也屬于專利技術(shù)或保密技術(shù)。正因為如此，目前世界上也只有少數(shù)廠商能夠生產(chǎn)高性能的數(shù)控工具磨床。在國內(nèi)，數(shù)控工具磨床的發(fā)展基本上還停留在對普通工具磨床或原有的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造來滿足特定刀具的制造刃磨的水平上。國內(nèi)的數(shù)控工具磨床基本上靠進(jìn)口，價格昂貴，并且這些數(shù)控機(jī)床經(jīng)過相當(dāng)長時間的使用后，其主機(jī)性能基本完好，仍可使用，而其數(shù)控系統(tǒng)則已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)，屬于已淘汰產(chǎn)品。最近幾年國內(nèi)也有一些廠家研制開發(fā)了數(shù)控工具磨床，但由于采用的是主機(jī)自行制造、數(shù)控系統(tǒng)靠引進(jìn)，這種數(shù)控工具磨床產(chǎn)品不但成本很高，而且由于通用的CNC系統(tǒng)沒有集成刀具磨削加工技術(shù)和編程軟件，難以實現(xiàn)刀具(特別是復(fù)雜刀具)的磨削加工。但總的來說我國在近幾年來，在數(shù)控工具磨床上不斷地努力，也取得了一定的發(fā)展，逐步縮小與世界先進(jìn)水平的差距。如在第九屆中國國際機(jī)床展覽會(CIMT2005)上，中國武漢機(jī)床廠還展出了MK6030五軸數(shù)控工具磨床，可用于生產(chǎn)和修磨各種金屬切削刀具，以上所述的刀具刃磨機(jī)床均是萬能型的，其實刀具刃磨機(jī)床發(fā)展過程中還有另一重要分支，那就是專用刀具刃磨機(jī)床。專用刀具刃磨機(jī)床是為特定刀具批量化生產(chǎn)而設(shè)計制造，如，滾刀刃磨床、拉刀刃磨床、鉆頭刃磨床、鋸片刃磨床等。這些機(jī)床通用性雖然沒有萬能型刀具刃磨機(jī)床好，但它具有效率高、適用于大批量生產(chǎn)、能有效降低刀具制造生產(chǎn)成本等特點(diǎn)，適用于專業(yè)刀具生產(chǎn)廠特定刀具的大批量生產(chǎn)，也是刀具刃磨機(jī)床的重要組成部分和發(fā)展方向。未來數(shù)控工具磨床的主要研究發(fā)展方向還有如下幾個方向：1)高速磨削是世界上正大力研究并逐漸推廣的一種先進(jìn)的機(jī)械加工方法，與普通磨削相比，其效率可提高1～3倍，工件表面光潔度可提高1～3小級，砂輪耐用度可提高1倍左右。隨著電主軸技術(shù)、直線電機(jī)技術(shù)、大導(dǎo)程高速精密滾珠絲杠副和新型高精度導(dǎo)軌的發(fā)展，高速和超高速數(shù)控工具磨床也是未來發(fā)展的一個重要方向。2)產(chǎn)品的小型化和加工過程的微細(xì)化是全球加工制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，微細(xì)切削第 4頁 共 47 頁加工在模具、汽車、電子、生物、醫(yī)療、航空航天等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，是切削加工技術(shù)的一個發(fā)展方向。高精密微細(xì)刀具的生產(chǎn)制造是微細(xì)切削加工技術(shù)得以發(fā)展的重要保證。因此，研發(fā)刃磨微細(xì)刀具的數(shù)控工具磨床也是未來數(shù)控工具磨床的發(fā)展方向。3)砂輪是工具磨床制造生產(chǎn)和修磨刀具的“刀具”，是工具磨床的關(guān)鍵部分。砂輪的設(shè)計，其截面形狀的優(yōu)化、粘結(jié)劑的結(jié)合強(qiáng)度及其適用性、砂輪基體的材料、砂輪的制造技術(shù)，以及全自動的砂輪修整、檢測控制技術(shù)也是未來工具磨床發(fā)展的一個重要方向。4)利用計算機(jī)技術(shù)及模擬技術(shù)，開發(fā)能對刀具刃磨過程、排屑過程、磨削力變化、磨削區(qū)溫度、磨削精度和磨削表面質(zhì)量進(jìn)行仿真的數(shù)控工具磨床軟件，也是未來數(shù)控工具磨床很好的一個發(fā)展方向。 本設(shè)計為縱向進(jìn)給運(yùn)動的設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容主要包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動部件慣量計算，空載起動及切削力矩機(jī)計算，確定伺服電機(jī)等。設(shè)計時要求電機(jī)與絲杠采用柔性連接，電機(jī)選用伺服電機(jī)對電機(jī)的大小選擇進(jìn)行驗證，對滾珠絲杠直徑及支承形式選擇進(jìn)行強(qiáng)度較核。設(shè)計與生產(chǎn)實際相結(jié)合，既要滿足理論要求，又要滿足生產(chǎn)現(xiàn)實實際。設(shè)計應(yīng)遵循先易后難、先局部后全局的規(guī)律，確定設(shè)計步驟時，應(yīng)把整個數(shù)控工具磨床Z向進(jìn)給傳動系統(tǒng)分成若干個子系統(tǒng)進(jìn)行，待各系統(tǒng)基本合理后再互聯(lián)完成全系統(tǒng)工作。設(shè)計的產(chǎn)品應(yīng)高效經(jīng)濟(jì)。本課題所設(shè)計的進(jìn)給系統(tǒng)是針對經(jīng)濟(jì)型中檔數(shù)控車床的，該系統(tǒng)設(shè)計成功一旦應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中，將給中小規(guī)模的加工廠輸入新的血液。顯著提高生產(chǎn)力水平，減輕勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。第 5頁 共 47 頁2. Z向進(jìn)給傳動系統(tǒng)總體方案的確定 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的組成及其原理數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵組成部分。一般由控制電路、電器驅(qū)動部件和執(zhí)行部件組成。進(jìn)給傳動部件一般認(rèn)為是從電機(jī)到工作臺之間的傳動鏈。進(jìn)給傳動部件的動態(tài)特性的好壞直接影響到一臺機(jī)床的工作性能和加工精度。進(jìn)給傳動部件的振動會影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度。另外，機(jī)械傳動部件的設(shè)計好壞對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的伺服性能的影響也很大?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床日益向著高速、高效率、高精度方向發(fā)展。對機(jī)床進(jìn)給傳動部件的設(shè)計要求也越來越高。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，與普通機(jī)床不同。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給指令，來自數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)進(jìn)給電動機(jī)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行部件如刀架、工作臺、主軸箱等按程序的規(guī)定運(yùn)動。進(jìn)給傳動系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了數(shù)控系統(tǒng)的性能，決定了數(shù)控機(jī)床的檔次，因此，在數(shù)控技術(shù)發(fā)展的歷程中，進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的研制和發(fā)展總是放在首要的位置。數(shù)控系統(tǒng)所發(fā)出的控制指令，是通過進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動機(jī)械執(zhí)行部件，最終實現(xiàn)機(jī)床精確的進(jìn)給運(yùn)動的。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)是一種位置隨動與定位系統(tǒng)，它的作用是快速、準(zhǔn)確地執(zhí)行由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的運(yùn)動命令，精確地控制機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的坐標(biāo)運(yùn)動。它的性能決定了數(shù)控機(jī)床的許多性能，如最高移動速度、輪廓跟隨精度、定位精度等。 :這類數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動不帶檢測裝置，也無反饋電路，轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電動機(jī)各定子繞組依此通電／斷電的電流脈沖信號，驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動，再經(jīng)機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)(齒輪箱，絲杠等)帶動工作臺移動。這種方式控制簡單，價格比較低廉，被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中。第 6頁 共 47 頁 開環(huán)控制系統(tǒng) :位置檢測元件被安裝在電動機(jī)軸端或絲杠軸端，通過角位移的測量間接計算出機(jī)床工作臺的實際運(yùn)行位置(直線位移)，并將其與CNC裝置計算出的指令位置(或位移)相比較，用差值進(jìn)行控制，其控制框圖如圖4所示。由于閉環(huán)的環(huán)路內(nèi)不包括絲杠、螺母副及機(jī)床工作臺這些大慣性環(huán)節(jié)，由這些環(huán)節(jié)造成的誤差不能由環(huán)路所矯正，其控制精度不如閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)，但其調(diào)試方便，可以獲得比較穩(wěn)定的控制特性，因此在實際應(yīng)用中，這種方式被廣泛采用。用的最多。 : 位置檢測裝置安裝在機(jī)床工作臺上，用以檢測機(jī)床工作臺的實際運(yùn)行位置(直線位移)，并將其與CNC裝置計算出的指令位置(或位移)相比較，用差值進(jìn)行控制。這類控制方式的位置控制精度很高，但由于它將絲杠、螺母副及機(jī)床工作臺這些大慣性環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內(nèi)，調(diào)試時，其系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)試比較麻煩。高檔精密機(jī)床使用。 數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床組成機(jī)床本體的各機(jī)械部件組成。 閉環(huán)控制系統(tǒng)消除傳動系統(tǒng)中的傳動間隙，提高傳動剛度，減少運(yùn)動件的摩擦阻力，減小運(yùn)動第 7頁 共 47 頁慣量，系統(tǒng)要有適當(dāng)阻尼，提高系統(tǒng)傳動件傳動精度。根據(jù)需求，并且考慮到經(jīng)濟(jì)的效益，故選擇半閉環(huán)控制系統(tǒng)。早期的數(shù)控機(jī)床采用電液伺服驅(qū)動的較多，而現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床基本上都采用全電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)。它可分為步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)三類。步進(jìn)電動機(jī)：步進(jìn)電動機(jī)是一種將脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移(或線位移)的電磁裝置，是一種特殊的電動機(jī)。一般電動機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進(jìn)電動機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入肘步進(jìn)電動機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進(jìn)電動機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴(yán)格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。在電動機(jī)定子上有A、B、C三對磁極，磁極上繞有線圈，分別稱之為A相、B相和C相，而轉(zhuǎn)子則是一個帶齒的鐵心，這種步進(jìn)電動機(jī)稱之為三相步進(jìn)電動機(jī)。如果在線圈中通以直流電，就會產(chǎn)生磁場，當(dāng)A、B、C三個磁極的線圈依次輪流通電，則A、B、C三對磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。直流伺服電動機(jī)具有：①穩(wěn)定性好；②轉(zhuǎn)向取決于控制電壓的極性，控制電壓為零時，轉(zhuǎn)子慣性很小，能立即停止； ③響應(yīng)迅速，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性都是線性的，而且不存在“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；④控制功率低，損耗??；⑤轉(zhuǎn)矩大；⑥機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性都是線性的，而且不存在“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象等特點(diǎn)。交流伺服電動機(jī)：輸出或輸入為交流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱為交流電機(jī)，它實際上就是兩相異步電動機(jī)，所以有時也叫兩相伺服電動機(jī)。交流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性是非線性的，電容移相控制時非線性更為嚴(yán)重，而且斜率隨控制電壓的變化而變化，這會給系統(tǒng)的穩(wěn)定和校正帶來困難。機(jī)械特性很軟，低速段更軟，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化對轉(zhuǎn)速影響很大，而且機(jī)械特性軟會使阻尼系數(shù)減小，時間常數(shù)增大。從而降低了系統(tǒng)品質(zhì)。若交流伺服電動機(jī)設(shè)計參數(shù)選擇不當(dāng)，或制造工藝不良，在單相狀態(tài)下會產(chǎn)生“自轉(zhuǎn)”而失控，而且其電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻相當(dāng)大，所以損耗大，效率低，電動機(jī)的利用程度差。除此之外交流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，適宜于不易檢修的場合使用。伺服電機(jī)是根據(jù)負(fù)載條件來選取的。加在電機(jī)軸上的負(fù)載主要有兩種:負(fù)載扭矩和負(fù)載慣量，其中負(fù)載扭矩包括切削扭矩和摩擦扭矩。負(fù)載扭矩應(yīng)小于所選擇電機(jī)的額定第 8頁 共 47 頁扭矩，負(fù)載扭矩與加速扭矩之和應(yīng)等于所選擇電機(jī)的最大扭矩。加速扭矩應(yīng)考慮負(fù)載慣量和電機(jī)慣量的匹配，同時還應(yīng)考慮連續(xù)過載時間在所選電機(jī)的允許范圍內(nèi)，負(fù)載快速運(yùn)動時所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)在電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速之內(nèi)。這樣可使電機(jī)在機(jī)床的伺服系統(tǒng)中工作性能得以充分發(fā)揮。從上述三種電動機(jī)的比較可知，步進(jìn)電動機(jī)是自動控制系統(tǒng)中具有很高的優(yōu)越性。所以在刀具刃磨中心Z軸的進(jìn)給系統(tǒng)中使用步進(jìn)電動機(jī)。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動裝置的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，將直接影響工件的加工精度。為此，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)必須滿足:（1）傳動精度高；（2）摩擦阻力??；（3）運(yùn)動部件慣量小。 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)的基本傳動方式常用的有三種：滾珠絲杠螺母副和靜壓絲杠螺母副和滑動絲杠螺母副。 其特點(diǎn)是：摩擦系數(shù)小，；平穩(wěn)性高；反向間隙??；但是，靜壓絲杠螺母副應(yīng)有一套供油系統(tǒng)，而且對有的清潔度要求高，如果在運(yùn)動中供油忽然中斷，將造成不良后果。 結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，在一定條件下能自鎖，廣泛用于一般的機(jī)床進(jìn)給，調(diào)整和定位機(jī)構(gòu)。 一．概述在數(shù)控機(jī)床上，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置一般采用滾珠絲杠螺母副。其特點(diǎn)是：傳動效率高，一般為η=～；傳動靈敏，摩擦力小，不易產(chǎn)生爬行；使用壽命長；具有可逆性，不僅可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，亦可將直線運(yùn)第 9頁 共 47 頁動變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；軸向運(yùn)動精度高，施加預(yù)緊力后，可消除軸向間隙，反向時無空行程；珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。因此，在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用，是目前中、小型數(shù)控機(jī)床的常見的傳動方式。二．滾珠絲杠副的工作原理：滾珠絲杠螺母副工作原理，如圖所示。圖中絲杠和螺母上都加工有圓弧形的螺旋槽，當(dāng)它們對合起來就形成了螺旋滾道。在滾道內(nèi)裝有滾珠，當(dāng)絲杠與螺母相對運(yùn)動時，滾珠沿螺旋槽向前滾動，在絲杠上滾過數(shù)圈以后通過回程引導(dǎo)裝置，逐個地又滾回到絲杠與螺母之間，構(gòu)成一個閉合的回路。 三．常用的循環(huán)方式有兩種：（1）外循環(huán)滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后，通過螺母外表面上的螺旋槽或插管返回絲杠間重新進(jìn)入循環(huán)。）所示為插管式，它用彎管作為返回管道，這種形式結(jié)構(gòu)工藝性好，但由于管道突出于螺母體外，徑向尺寸較大。）所示為螺旋槽式，它是在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切，形成返回通道，這種形式的結(jié)構(gòu)比插管式結(jié)構(gòu)徑向尺寸小，但制造較復(fù)雜。（2）內(nèi)循環(huán) 這種循環(huán)靠螺母上安裝的反向器接通相鄰滾道,使?jié)L珠成單圈環(huán), ,滾珠從螺紋滾道進(jìn)入反向器,借助反向器迫使?jié)L珠越過絲杠牙頂進(jìn)入相鄰滾道,實現(xiàn)循環(huán)。一般一個螺母上裝有2～4個反向器，反向器沿螺母圓周等分分布。其優(yōu)點(diǎn)是徑向尺寸緊湊，剛性好，因其返回滾道較短，摩擦損失小。缺點(diǎn)是反向器加工困難。第 10頁 共 47 頁 外循環(huán)滾珠絲杠 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠四．滾珠絲杠螺母副軸向間隙的調(diào)整滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動精度和絲杠的剛度，必須消除軸向間隙。消除間隙的方法常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，利用兩個螺母的相對軸向位移，使兩個滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側(cè)面上。用這種方法預(yù)緊消除軸向間隙時，應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過大，預(yù)緊力過大會使空載力矩增加，從而降低傳動效率，縮短使用壽命。此外還要消除絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙。常用的螺母絲杠消除間隙方法有：墊片調(diào)隙式。，調(diào)整墊片厚度使左右兩螺母不能相對旋轉(zhuǎn)，只產(chǎn)生軸向位移，即可消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，調(diào)整時需要卸下調(diào)整墊圈修磨，滾道有磨損時不能隨時消除間隙和進(jìn)行預(yù)緊。第 11頁 共 47 頁 墊片調(diào)隙式 螺紋調(diào)隙式螺紋調(diào)隙式。，滾珠絲杠左右兩螺母副以平鍵與外套相聯(lián)，用平鍵限制螺母在螺母座內(nèi)的轉(zhuǎn)動。調(diào)整時，只要擰動圓螺母1即可消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊