【文章內容簡介】 執(zhí)行元件，其運動的形式有兩種方案 ： （ 1）自身回轉； （ 2）自身的回轉和垂直方向上的直線移動。 磨頭是與加工零件直接接觸的部件，加工零件的加工要求很大程度上取決于磨頭自身的精度，所以磨頭運動的復雜程度越小越好，而且應該盡可能減免磨頭電動機所散發(fā)的熱量，所以方案（ 2）并不適合本課題，而方案（ 1）中電動機所產生的熱量可以用散熱片得以解決。綜上所述，本課題選擇方案（ 1）。 磨頭主軸箱的運動分配 由于磨頭采用自身回轉的運動方式，根據(jù)加工工藝方案，所以磨頭主畢業(yè)設計（論文） 精密數(shù)控磨床的總體設計 18 軸箱就負責磨頭垂直方向上的直線移動。 回轉工作臺的運動分配 根據(jù)加工工藝方案可知，回轉工作臺主要負責工件自身的回轉，所以其運動的形式有兩種方案： （ 1） 自身的回轉； （ 2） 自身的回轉和 X 方向上的直線移動。 兩者的區(qū)別在于是否有 X 方向（水平方向）上的直線移動，由于加工工件就安裝在回轉工作臺上，鑒于加工要求，對回轉工作臺自身的誤差要求就非常高，所以應該減少其運動數(shù)目以保證其精度，所以采用方案（ 1）。 拖板的運動分配 由于回轉工作臺采用自身回轉的運動方式，根據(jù)加工工藝方案，拖板的運動為 X 方向的直線移動。 運動分配分析的結論 確定磨床的運動分配如下：所有 的運動由磨頭、 磨頭主軸箱、回轉工作臺、拖板四個執(zhí)行件來完成。 磨頭的運動是自身的回轉，磨頭主軸箱的運動是垂直方向上的直線移動，回轉工作臺的運動是自身的回轉，拖板的運動是 X 方向（水平方向）上的直線移動。 磨床的總體布局 本項工作的基本要求： （ 1）保證刀具和工件間的相對位置和相對運動。 （ 2）足夠的剛性，抗振性。 畢業(yè)設計（論文） 精密數(shù)控磨床的總體設計 19 （ 3）便于操作、維修、排屑等。 （ 4）材料消耗低，占地面積小。 （ 5）造型美觀。 總體布局的具體內容： （ 1）運動分配時應考慮的結構因素 （ 2）磨床傳動形式的確定 （ 3）磨床支承結構形式的確 定 結構因素 （ 1）把運動分配給重量輕的執(zhí)行件 基于這一原則，考慮到磨頭主軸箱的重量，需要對其進行平衡。如果沒有平衡裝置的話，在其上升階段卻需要相當大的拉力才能實現(xiàn)，這都是影響到加工要求的不良要素。所以在磨頭主軸箱的另一端加以平衡，鋼絲繩的一端與磨頭主軸箱連接，而另一端吊以重物，重物的質量與磨頭主軸箱的質量相當，這樣磨頭主軸箱的質量就被平衡，這樣能使得精度等要求的保證。 （ 2）提高加工精度 提高精度的加工方法有以下兩種：刀具回轉、工具回轉。 由于本課題所要達到精度要求極高，另外超精度磨削的磨削量 是十分小的，所以本課題采用刀具和工件同時回轉，而且回轉方向一致，以此來提高加工精度和減少磨削量。 （ 3）減少占地面積 此因素取決于加工工藝方案以及磨床支承結構形式，請參照下文。 畢業(yè)設計（論文） 精密數(shù)控磨床的總體設計 20 磨床傳動形式 （ 1）磨頭的驅動 磨頭的運動是自身的回轉，所以磨頭的驅動有三種可以采用的 方案 ： ① 由內置電動機直接驅動； ② 由內置電動機通過皮帶的傳動來驅動； ③ 通過外置電動機來直接驅動。 結合本課題的加工要求，經過研究（詳情請參閱《精密數(shù)控磨床的磨頭設計》相關部分），決定采用第 ② 種方案。 （ 2）磨頭 主軸箱的驅動 由于在立柱上安裝的部件主要保證磨頭主軸箱在垂直方向的上下移動、進給。故在垂直立柱進給系統(tǒng)設計中主要認為有如下兩種可以采用 的方案 ： ① 用步進電機、滾珠絲杠、直線導軌來帶動磨頭主軸箱在垂直方向上的移動，并且對于步進電機與滾珠絲杠的對心采用重心驅動原理。 ② 用直線電機直接驅動來帶動磨頭主軸箱在垂直方向上的移動。 結合本課題的加工要求，經過研究（詳情請參閱《 精密數(shù)控磨床的垂直立柱進給系統(tǒng)設計 》相關部分），決定采用第 ① 種方案。 （ 3）回轉工作臺的驅動 回轉工作臺的運動是自身的回轉，所以其驅動的方案有 以下兩種選擇： ① 通過外置電機驅動帶輪，通過帶輪的傳動來使回轉工作臺旋轉。 ② 通過內置電動機直接驅動回轉工作臺的旋轉。 畢業(yè)設計（論文） 精密數(shù)控磨床的總體設計 21 結合本課題的加工要求，經過研究（詳情請參閱《精密數(shù)控磨床的回轉工作臺設計》相關部分），決定采用第 ① 種方案。 （ 4）拖板的驅動 拖板通過步進電機來控制 X 方向上的移動， 一般拖板系統(tǒng)的進給有以下兩種方案： ① 用步進電機，滾珠絲杠，滾動直線導軌來驅動拖板實現(xiàn)粗進給，由壓電陶瓷實現(xiàn)精進給。 ② 用直線電動機驅動拖板來實現(xiàn)粗進給，由壓電陶瓷實現(xiàn)精進給。 結合本課題的加工要求，經過研究（詳情請參閱 《精密數(shù)控磨床微量進給拖板系統(tǒng)設計》相關部分），決定采用第 ① 種方案。 磨床支承結構形式的確定 機床支承結構形式如圖 所示主要有以下幾種： 畢業(yè)設計（論文） 精密數(shù)控磨床的總體設計 22 圖 機床支承結構形式 根據(jù)本課題加工要求，為了避免不必要的精度損失，力求結構簡單的畢業(yè)設計（論文） 精密數(shù)控磨床的總體設計 23 機床，所以復合式、單臂式、龍門式機床暫不考慮。而臥式機床的占地面積相對較大，所以本課題采用立式機床。 總體布局的確定 綜上所述，精密數(shù)控磨床總體布局如圖 所示：總體上采用立式布局，立柱部分裝有步進電動機，電動機與無間隙齒輪相結合 ，箱形立柱上裝有滾珠絲杠、直線導軌，保證磨頭主軸箱的上下運動，立柱內部與外部磨頭主軸箱裝置通過兩根掛有與磨頭主軸箱同等重量鐵塊的鋼絲，為了與磨頭裝置自重保持平衡、回轉工作臺嵌在拖板中，砂輪休整器安裝在回轉工作臺上，拖板安裝在床身的導軌上，夾緊裝置與測量裝置安裝在拖板上，工件安裝在回轉工作臺上隨工作臺回轉。 畢業(yè)設計（論文） 精密數(shù)控磨床的總體設計 24 圖 精密數(shù)控磨床的總體布局 3 磨床主要技術參數(shù)的確定 主要技術參數(shù)包括： （ 1）主參數(shù)：指磨床的加工范圍； （ 2）基本參數(shù)： （ a）尺寸參數(shù) —— 主要結構尺寸； （ b）運動參數(shù) —— 執(zhí)行件的運動速度； （ c）動力參數(shù) —— 一般指磨床電機功率。 畢業(yè)設計（論文） 精密數(shù)控磨床的總體設計 25 加工范圍的確定 加工孔徑范圍：Φ 145～ Φ 200mm 最大孔長： 250mm 主要結構尺寸 回轉工作臺臺面直徑：直徑應大于加工零件、刀具和砂輪休整器的和，考慮到其泛用性，所以取 800mm。 磨頭直徑：根據(jù)被加工零件的性質以及泛用性，取 140mm。 磨床總體尺寸定為 1885179。 1670179。 3002（長179。寬179。高） 運動參數(shù)的確定 磨頭主軸箱進給速度 磨頭主軸箱的進給速度確定為： 100～ 500mm/min。 拖板進給速度 拖板的進給速度確定為： 150～ 450mm/min。 工作臺回轉速度 由于工件是固定在回轉工作臺上，所以工作臺的回轉速度即工件的回轉速度，為 30r/min。 磨頭回轉速度 磨頭回轉速度即此精密數(shù)控磨床的主軸速度：根據(jù)要求將主軸回轉速度定為 n=10000r/min。 動力參數(shù)的確定 由于本課題牽涉的動力參數(shù)全是有關電動機驅動功率的問題，所以只要確定電動機的驅動功率即可。 畢業(yè)設計（論文） 精密數(shù)控磨床的總體設計 26 驅動電動機功率的確定有以下三種方法： （ 1）實測法 —— 選一臺傳動與結構跟所設計相近似的機床，并選擇特定工序或典型工序，用電表測量其一定時間 t 內的輸入電功 W（千瓦小時），[電動機功率 P=（ W/t） 179。η（ Kw） ]。 （ 2）計算法 —— 按磨削原理公式計算，也可用估算公式計算。 （ 3）統(tǒng)計分析法 有時可查手冊上的經驗公式。如外圓磨床，根據(jù)砂輪寬度按經驗公式可算得電機功率。 如果無經驗公式，就需經統(tǒng)計和分析比較同類型的機床，來確定電機功率。 磨頭的驅動電動機 因為內圓磨床砂輪主軸的轉速很高，又需調速， 所以一般可采用的驅動電動機主要有：直流電機和交流變頻調速電機。 直流電動機的主要特點是：調速范圍寬、低速運行平穩(wěn)；負載特性硬、過載能力強，在一定的速度范圍內可以做到恒力矩輸出，反應速度快，動態(tài)相應特性好。但是，直流伺服電動機體積較大，其電刷易磨損，壽命受到一定限制。 交流變頻電動機的主要特點是：具有獨特的磁極形狀，使轉矩波動最小；定子外面沒有機殼，定于鐵心直接在空氣中冷卻，使電動機溫升能減到最低；具有高的轉矩 /慣量比，能承受高的加減速；采取集中磁力線結構，在保證高輸出轉矩的情況下，電動機的體積小而重量輕。 現(xiàn)選用高頻交流調速電動機，在磨頭中內置式安裝，以減少振動，進畢業(yè)設計（論文） 精密數(shù)控磨床的總體設計 27 行精密定位控制 （詳情請參閱《精密數(shù)控磨床的磨頭設計》相關部分） 。 根據(jù)砂輪的轉速，初步得出驅動電動機的功率為 ，最后選型后定為 （詳情請參閱《精密數(shù)控磨床的磨頭設計》相關部分） 。 滾珠絲杠的驅動電動機 根據(jù) 滾珠絲杠的進給性質，驅動電動機的選擇方案有兩種： 步進電機與伺服電機。 步進電機的特點：能夠驅動的力矩范圍為中小力矩，一般在 20Nm 以下，轉速最高達到 2021rpm，低速時有振動，但是如果使用細分型電動機可明顯改善，精 度 一般較低 （但在 細分型驅動時較高 ）， 高速時力矩下降快 ， 過載時會失步 （ 也可接編碼器防止失步 ），但只能 為開環(huán)控制，耐振動 ， 運行溫度 ， 價格低 ， 基本可以免維護 。 伺服電機的特點：能夠驅動的力 矩范圍 幾乎是 全范圍 ，能夠驅動的 速度范圍 大 ，可達 5000rpm， 直流伺服電機更可達 1～ 2 萬轉 /分 ， 運行 的 平滑 性好，精度高 （具體要看反饋裝置的分辨率） ， 可 3～ 10 倍過載（短時 ），力矩特性好 ， 響應速度 快， 耐振動 性能 一般 ， 維護性較好 ， 價格 較 高 。 結合本課題的加工要求，經過研究（詳情請參閱《 精密數(shù)控磨床的垂直立柱進給系統(tǒng)設計 》相關部分）， 決定采用反應式步進電動機。 驅動電動機的功率由滾珠絲杠所要驅動的力矩來決定。 由于滾珠絲杠驅動力矩計算得： T=（詳細過程請參閱《 精密數(shù)控磨床的垂直立柱進給系統(tǒng)設計 》相關部分）。 由于絲杠的啟動力矩計算得： T0=（詳細過程請參閱《 精密數(shù)控磨床的垂直立柱進給系統(tǒng)設計 》相關部分）。 畢業(yè)設計（論文） 精密數(shù)控磨床的總體設計 28 根據(jù)選型，由此可將驅動電動機的功率定為 （詳細過程請參閱《 精密數(shù)控磨床的垂直立柱進給系統(tǒng)設計 》相關部分）。 拖板的驅動電動機 由于拖板的進給量很小，所以可采用的電動機有以下三種：異步電動機； 伺服電動機；步進電動機 異步電動機的特點是：高效，節(jié)