【文章內(nèi)容簡介】 ........................................................................................................................................... 25 M2120 內(nèi)圓磨床的改造設(shè)計(jì) 1 1 緒論 本課題的研究內(nèi)容 和 意義 磨削技術(shù)及磨床技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)占有極其重要的位置，磨削技術(shù)發(fā)展很快，在機(jī)械加工中起著非常重要的作用。隨著高精度、 高硬度機(jī)械零件數(shù)量的增加，以及精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，磨床的性能、品種和產(chǎn)量都在不斷的提高和增長。 國內(nèi)外的發(fā)展概況 由于內(nèi)圓磨床應(yīng)用十分廣泛，近年來，磨削技術(shù)得到了飛速發(fā)展，各種磨削新技術(shù)、新工藝和新成品層出不窮。國際上有不少著名制造商，如日本的 OKAMMOTO、 MITSUI三井，德國的 BLOHM、 ELB、 ABA，瑞士的 MAGERLE，意大利的 FAVRATO 等。在發(fā)展數(shù)控內(nèi)圓磨床生產(chǎn)數(shù)量的同時(shí)，還要努力提高數(shù)控磨床的質(zhì)量和精度。由于 CBN 砂輪的使用，強(qiáng)力磨削突破傳統(tǒng)磨削的限制，生產(chǎn)倍率成倍提高 ，目前磨削線速度已高達(dá)120m/s，大吃深緩進(jìn)給的強(qiáng)力磨削也得到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代高精度磨削技術(shù)的發(fā)展，磨削尺寸精度達(dá)到 ～ ，表面粗糙度達(dá)到 ～ ，磨削表面變質(zhì)層的殘留應(yīng)力均很小，明顯提高了加工零件的質(zhì)量。數(shù)控是內(nèi)圓磨床發(fā)展的重要方面。在相當(dāng)長的時(shí)期里，國外磨床的數(shù)控化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于車床和銑床。在近十年來，由于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，適用于磨床的數(shù)控系統(tǒng)也有了較大發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性價(jià)比大大提高。 目前國內(nèi)高速磨削應(yīng)用面不廣，磨削速度一般不超過 60m/s，與國外相差較大，磨削效率也相對(duì)較差，大吃深 緩進(jìn)給的強(qiáng)力磨削方法在我國生產(chǎn)中應(yīng)用不多。隨著我國機(jī)械制造業(yè)迅猛發(fā)展，國內(nèi)對(duì)數(shù)控機(jī)床的要求也越來越高，自主研發(fā)了高精度機(jī)床，在控制技術(shù)方面與國外差距還很大，主要采用 PLC 控制為主。國內(nèi)各機(jī)床廠和機(jī)床研究所對(duì)數(shù)控磨床及磨削技術(shù)的發(fā)展投入很大，取得了一些初步進(jìn)展，如 CIMT 展出的上海機(jī)床廠的 MKY787云南 MIGHTY 公司的SGS618II、威海機(jī)床廠的 MJ7116 等。 本課題應(yīng) 達(dá)到的要求 本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)數(shù)控磨床做部分改造，以適應(yīng)加工產(chǎn)品時(shí)，可以簡單加工、精確定位、保證尺寸、提高加工效率、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。此次改造對(duì)機(jī)床的導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)等進(jìn)給部件做一定修改，以適應(yīng)生產(chǎn)中精度和效率。需要采用伺服電機(jī)做驅(qū)動(dòng)元件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，把原來滑動(dòng)絲杠螺母副，把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，并且采用滾動(dòng)導(dǎo)軌，以提高精度。 岳 陽 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 2 2 總設(shè)計(jì)方案 主要規(guī)格與參數(shù) 1. 磨孔直徑 50～ 200mm 2. 磨孔最大深度 當(dāng)磨孔直徑 50～ 80mm 120mm 80～ 160mm 160～ 200mm 3. 工件最大旋徑 在罩內(nèi) 400mm 在罩外 120mm 4．工作臺(tái)最大行程 600mm 5． 床頭箱最大回轉(zhuǎn)角度 30176。 6. 床頭箱主軸中心至床身底面距離 1200mm 200mm （無級(jí)調(diào)整） 低速 120～ 320r/min 高速 220～ 650r/min 修整速度 ～ 1m/min 磨削速度 ～ 6m/min 最高速度 7m/min 輪進(jìn)給 刻度盤刻度 每格 ； ； 每轉(zhuǎn) ； 10； 100三種 與裝配圖參數(shù)一致 110000， 8000， 6000， 4800， 4000r/min 25L/min 功率 功率 4KW 功率 型號(hào)： HCSF152(B) 功率比例： 額定轉(zhuǎn)速： 2650r/min 額定轉(zhuǎn)矩： m 進(jìn)給速度： 12m/min 3相 380V 50HZ（ 或 60HZ） 3100*1464*1470mm 3350Kg M2120 內(nèi)圓磨床的改造設(shè)計(jì) 3 總設(shè)計(jì)方案分析與選定 設(shè)計(jì)改造機(jī)床時(shí)應(yīng)力求達(dá)到重量輕、體積小。質(zhì)量好、效率高、成本低使用維修方便。要達(dá)到上述要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮機(jī)床的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如加工范圍。加工精度、粗糙度、生產(chǎn)率、工藝性、成本，采用新技術(shù)和“三化”程度等。各項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間的相互聯(lián)系和相互影響的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須全面的加以考慮，根據(jù)具體要求確定若干指標(biāo)為重點(diǎn) ，處理好相互之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)改造機(jī)床，除了考慮上述各項(xiàng)指標(biāo)外，機(jī)床的“三化”是不容忽視的問題。 機(jī)床為了加工不同形狀的和技術(shù)要求的工件的需求，因此品種很多，類型不一，但不論設(shè)計(jì)哪一類機(jī)床，歸納起來大致有一個(gè)基本相似的步驟。 （ 1） 工件的工藝分析：設(shè)計(jì)機(jī)床前，首先對(duì)工件進(jìn)行必要的分析，了解工件的尺寸、材料、技術(shù)要求、批量，確定加工方法、余量、定位基準(zhǔn)、裝夾方法等。 （ 2）調(diào)查研究：通過三個(gè)途徑（訪問用戶和承制單位，參閱技術(shù)資料）的調(diào)查研究和分析，為擬定初步設(shè)計(jì)方案打下基礎(chǔ) 。 訪問使用單位，主要了解操作人員對(duì)機(jī)床的要求，現(xiàn)有的工件加工方法，同類機(jī)床的使用情況和存在問題，使用單位的自然條件、設(shè)備條件、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)等。訪問承制單位，主要了解制造部分的設(shè)備條件、技術(shù)能力及原有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。參閱有關(guān)技術(shù)材料，包括國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，同類機(jī)床的技術(shù)藍(lán)圖及總結(jié)。 （ 3）工作圖設(shè)計(jì)：包括確定機(jī)床的布局，技術(shù)參數(shù)和工作循環(huán)等，繪制機(jī)械部件裝配圖，零件圖，編制設(shè)計(jì)說明書，標(biāo)準(zhǔn)件、外購件。通用件明細(xì)表等。 （ 4）現(xiàn)場服務(wù)：參加制造、裝配、試磨和鑒定總結(jié)工作，進(jìn)一步修改圖紙，上述設(shè)計(jì)過程的各項(xiàng)工 作，是不可分割的，是相互穿插同時(shí)進(jìn)行的。 圖 磨架總圖 岳 陽 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 4 一 .進(jìn)給部件驅(qū)動(dòng)方式的選擇 A 液壓驅(qū)動(dòng) 液壓進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定位由一下幾部分組成：機(jī)械部分、位置檢測部分件、液壓傳動(dòng)部分件和 PLC，如圖 A所示。 其中 PLC控制系統(tǒng)是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心。 PLC依據(jù)自身程序及行程開關(guān)控制液壓系統(tǒng)油路走向及液壓缸的運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)進(jìn)給。 圖 液壓驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)方式傳動(dòng)功率大，低速、平穩(wěn)，有過載保護(hù)能力，傳動(dòng)布置靈活，但是進(jìn)給精度不高，效率相對(duì)較低。 B 機(jī)械傳動(dòng) 機(jī)械傳動(dòng)通過齒輪傳動(dòng)（如圖 B）將轉(zhuǎn)速通過絲杠、螺母轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，一般需求較高的制造精度和安裝精度。 圖 機(jī)械傳動(dòng)方式 齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比精確，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，使用壽命長，但是加工、安裝、調(diào)整的精度要求高，否則會(huì)嚴(yán)重影響加工精度。 M2120 內(nèi)圓磨床的改造設(shè)計(jì) 5 C 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 伺服進(jìn)給系統(tǒng)組成（如圖 C） 圖 伺服驅(qū)動(dòng)方式 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求： 1穩(wěn)定性； 2精度高； 3快速響應(yīng)性； 4調(diào)速范圍大； 5低速大轉(zhuǎn)矩輸出 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能主要取決于組成系統(tǒng)的機(jī)電兩部分的匹配，即機(jī)電參數(shù)配合的 協(xié)調(diào)性。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制方式分為：開環(huán)控制，半閉環(huán)控制，閉環(huán)控制。 （ 1）開環(huán)控制 圖 開環(huán)控制方式 開環(huán)控制系統(tǒng)圖如圖 （ 1） 1） 工作臺(tái)位移量的控制：數(shù)控裝置發(fā)出進(jìn)給脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大，驅(qū)動(dòng)電路，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)收到伺服驅(qū)動(dòng)電路的脈沖信號(hào)，開始運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量，再經(jīng)過減速齒輪、滾珠絲杠螺母、螺母移通過機(jī)械部件將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)位移量。 2） 工作臺(tái)進(jìn)給速度的控制：進(jìn)給脈沖頻率經(jīng)驅(qū)動(dòng)后，就轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組中電流的通斷電變化的頻率進(jìn)而決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速再經(jīng)過減速齒輪、滾珠絲杠螺母體現(xiàn)為工作臺(tái)的進(jìn)給速度。 3） 改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸入脈沖信號(hào)的的循環(huán)順序，即可改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流通斷循環(huán)的順序，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，相應(yīng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)改變。 在管理中采用開環(huán)控制具有作用時(shí)間點(diǎn)、控制成本低等優(yōu)點(diǎn)，在外界干擾較小的情況下，有一定的控制作用。但是這種控制無反饋機(jī)制，無法發(fā)現(xiàn)和糾正計(jì)劃和實(shí)施中與預(yù)定目標(biāo)的偏差，缺乏抗干擾能力，不能進(jìn)行誤差修正。 在控制 X、 Z 軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，沒有位置檢測元件、速度檢測元件，無法給予進(jìn)給運(yùn)動(dòng)位置修正，控制精度不高，影 響系統(tǒng)工作精度，從而影響到工件的磨削精岳 陽 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 6 度。 （ 2） 半閉環(huán)控制 圖 半閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方式 半閉環(huán)控制系統(tǒng)圖如圖（ 2）所示，半閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)不同，它所采用的是伺服電機(jī)，伺服電機(jī) 半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)中裝有角位移檢測裝置，通過檢測伺服機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠轉(zhuǎn)角，間接檢測移動(dòng)部件的位移，然后反饋到 數(shù)控裝置 的比較器中，與輸入原指令位移值進(jìn)行比較，用比較后的差值進(jìn)行 控制，使移動(dòng)部件補(bǔ)充位移，直到差值消除為止的控制系統(tǒng)。由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)將移動(dòng)部件的傳動(dòng)絲杠螺母不包括在環(huán)內(nèi)，所以傳動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的誤差仍會(huì)影響移動(dòng)部件的位移精度，由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)試維修方便，穩(wěn)定性好，目前應(yīng)用比較廣泛。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的精度、速度和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，為大多中小型數(shù)控機(jī)床所采用。 （ 3） 閉環(huán)控制 圖 閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方式 閉環(huán)控制是一種 自動(dòng)控制系統(tǒng)，其中包括功率放大和反饋，使輸出變量的值響應(yīng)輸入變量的值。數(shù)控裝置發(fā)出指令脈沖后，當(dāng)指令值送到位置比較電路 時(shí)，此時(shí)若工作臺(tái)沒有移動(dòng)，即沒有位置反饋信號(hào)時(shí)，指令值使伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過齒輪、滾珠絲杠螺母副等傳動(dòng)元件帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。裝在機(jī)床工作臺(tái)上的位置測量元件，測出工作臺(tái)的實(shí)際位移量后，后反饋到數(shù)控裝置的比較器中與指令信號(hào)進(jìn)行比較，并用比較后的差值進(jìn)行控制。若兩者存在差值，經(jīng)放大器后放大，再控制伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至差值為零時(shí)，工作臺(tái)才停止移動(dòng)。 在理論上，如果不考慮外部因素，全閉環(huán)控制比半閉環(huán)控制可能會(huì)提高基礎(chǔ)的定位精M2120 內(nèi)圓磨床的改造設(shè)計(jì) 7 度。但如果不能很好的解決機(jī)床發(fā)熱、環(huán)境污染、溫升、振動(dòng)、安裝等因素，會(huì)出現(xiàn)全 閉環(huán)不如半閉環(huán)的現(xiàn)象。短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)有效果，但時(shí)間一長，灰塵、溫度變化對(duì)光柵尺的影響，將嚴(yán)重影響測量反饋數(shù)據(jù)，從而失去作用。同時(shí)光柵尺出現(xiàn)問題后，會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，造成機(jī)床不能工作。 綜上所述 ：本次設(shè)計(jì)中采用了半閉環(huán)控制進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 。 二 .絲杠的的選擇 滾珠絲桿是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)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 。 本次設(shè)計(jì)采用滾珠絲杠。 三 .導(dǎo)軌的選擇 滾動(dòng)導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床中有廣泛的應(yīng)用。相對(duì)普通機(jī)床所用的滑動(dòng)導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)： 1）定位精度高直線滾動(dòng)導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動(dòng)導(dǎo)軌的 1/50。由于動(dòng)摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運(yùn)動(dòng)靈活，可使驅(qū)動(dòng)扭矩減少 90%，因此，可將機(jī)床定位精度設(shè)定到超微米級(jí)。 2） 降低機(jī)床造價(jià)并大幅度節(jié)約電力采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的機(jī)床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進(jìn)行起動(dòng)、停止的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可使所需的動(dòng)力源及動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)小型化，減輕了重量，使機(jī)床所需電力降低 90%，具有大幅度節(jié)能的效果。 3） 可提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度直線滾動(dòng)導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)床的工作效率 20～ 30%。 4) 可長期維持機(jī)床的高精度對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌面的