毕业设计数控磨床.docx

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毕业设计数控磨床

第1章绪论1

1.1磨床的类型及其特点1

1.2磨床的现状及其发展趋势2

第2章磨床总体布局5

2.1磨床总体设计5

2.2总体设计注意事项5

2.3磨床总体布局设计6

第3章部件设计（砂轮架）15

3.1砂轮架设计的基本要求16

3.2族转精度及其提髙措施16

3.3轴承系统的刚性16

3.4架主轴初步设计16

3.5刚度校核17

3.6压轴承18

3.7装置设计19

第4章数控系统设计25

4.1概述26

4.2硬件电路总体方案26

第5章液压系统设计33

6.1概述33

6.2液压传动设计33

结论36

致37

参考文献38

摘要

设计为MKSl632A数控髙速端面外圆磨床及其砂轮架设计，通过查阅国外磨床相关资料，首先确定磨床总体布局中各部件（如砂轮架、头架和尾架等）尺寸，其次检验主轴前端扰度，确保主轴刚度。

设计中砂轮架采用静动压轴承以提高旅转精度，增强抗振性，延长轴承的使用寿命，传动系统采用皮带和花键副带动主轴旅转，减少主轴变形，使载荷分布均匀。

本设计中的控制部分采用通用的可编程接口芯片8255AO

本次设计我负责的部件是砂轮架，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。

首先是根据砂轮架主轴的要求进行轴的设计，然后再选取轴承,设计皮带和皮带轮等等。

在这个过程中，轴的挠度校核、皮带和皮带轮的设计等用到了大量的计算。

关键词：

数控外圆磨床砂轮架

第1章绪论

1.1磨床的类型及其特点

用磨料磨具（砂轮、砂带、油石和研磨料等）为工具进行切削加工的机床,统称为磨床，它们是因精加工和硬表面的需要而发展起来的⑴。

磨床种类很多，主要有：

外圆磨床、圆磨床、平面磨床、工具磨床和用来磨削特定表面和工件的专门化磨床，如花键轴磨床、凸轮轴磨床、曲轴磨床等⑵

O

对外圆磨床来说，又可分为普通外圆磨床、万能外圆磨床、无心外圆磨床、宽砂轮外圆磨床、端面外圆磨床等

以上均为使用砂轮作切削工具的磨床。

此外，还有以柔性砂带为切削工具的砂带磨床，以油石和研磨剂为切削工具的精磨磨床等。

磨床与其他机床相比，具有以下几个特点：

1、磨床的磨具（砂轮）相对于工件做高速族转运动（一般砂轮圆周线速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上发展）；

2、它能加工表面硬度很高的金属和非金属材料的工件；

3、它能使工件表面获得很髙的精度和光洁度；

4、易于实现自动化和自动线，进行髙效率生产；

5、磨床通常是电动机油泵发动部件，通过机械，电气，液压传动--

-传动部件带动工件和砂轮相对运动-一工件部分组成⑴。

1.2磨床的用途

磨床可以加工各种表面，如、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。

磨床可进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以进行各种髙硬、超硬材料的加工，还可以刃磨刀具和进行切断等，工艺围十分广泛。

随着科学技术的发展，对机械零件的精度和表面质量要求越来越高，各种高硬度材料的应用日益增多。

精密铸造和精密锻造工艺的发展，使得有可能将毛坯直接磨成成品。

高速磨削和强力磨削，进一步提髙了磨削效率。

因此，磨床的使用围日益扩大。

它在金属切削机床所占的比重不断上升。

目前在工业发达的国家中，磨床在机床总数中的比例已达30%——40%O

磨床整体布局

2.1磨床总体设计

1.加工零件的工艺分析（表面形状，尺寸，材料，技术条件，批量，加工余量等）；

2.调查研究比较国，外同类机床，经验总结，进行改革创新；

3.图纸设计（总图，部件装配图，零件图，工艺卡，目录，标准件，外购

件目录，铸件，锻件目录，说明书，装箱单，合格证）；

4.制造，装配，调试；

5.小批量生产，设计改进；

2.2、总体设计注意事项

1•保证机床满足加工精度要求，刚性，稳定性好；

2.传动系统力求简短；

3.操作调整方便；

4.安全保护，冷却液供给，回收，废渣的排除。

2.3磨床总体布局设计

加工零件

带轴肩的多台阶轴，精度IT7以下，Ral.6—-RaO.4,材料45#,40cr,球墨铸铁等；

初步估计组成部分

a.床身；b.工作台面；C头架；d尾架；e砂轮架；f修整器；g测量装置;h砂轮进给电机；I修整器进绐电机；j电器框；k工作台进给电机；1工件旋转电机；m润滑冷却装置；n数控装置；

总体布局初步设计

图2-1E5数控框

纵向与横向尺寸的确定

1•纵向尺寸

①工件最大长度

Zl=75Omm；

②头架长度

人=440〃〃”；

③尾架长度

I3=320Znm；

④上台面长度

∕4=∕i+∕2+∕3+1∞+（20-40）=164Omm；

⑤下台面长度

∕5=74+∕4×（15%~20%）=2000〃伽：

⑥床身长度

Ie=∕5+∕1+400=3150mm；

⑦后床身长度

II=1600〃"”（考虑砂轮架和修整器大小按经验给定）;

⑧整个床身宽度

L=1650〃〃”（视觉效果）;

⑨砂轮架中心与机床床身对称线相距

/

头架

.L2-

尾架

∖

\

VzZ

<

•Ll

L⅛⅛00-

L7

15

IA

图2-2磨床纵向尺寸

2•横向尺寸

1）画出横向尺寸床身的V型导轨作为横向尺寸的基准，画出床身的平面导轨作为高度尺寸的基准线，根据确定的工作台参数，导轨参数BI',B2'中心画出左视图

2）确定上，下工作台厚度和宽度

（1）厚度：

用类比法

上工作台Λ2=（0.25-0.35）/'中心

（2-1）

下工作台Λ1=（0.3~0.4）Z,中心

（2-2）

厂为工作台导轨的中心距，工作台导轨选用80×75×250

取Λ1,=0.3×250=75mm

h2,=0.38×250=95mm

（2）宽度

6：

作台“+耳+比

（3-3）

B=（I∕2）B+（12~30）=（1/2）x75+20=58〃伽

TB4≥B（I.*.B4=JOmni

B7=（1∕2）B∣'+（12~30）=（1/2）x75+20=60〃伽

/B5≥B-I.*.B5=70〃〃”

B].行、=250+70+70=390〃〃"

3）确定头，尾架顶尖中心位置

顶尖中心安排在V型导轨的中心线上，这样有利于磨削最小直径工件的，砂轮架趋近于工作台不致相碰。

缺点是使导轨的承载压力较大，故常适当加宽V型导轨的宽度。

4）确定头尾架顶尖中心至床身底面的高度Hl

0=IOOO~IlOO左右①

根据工人身高，经验。

类比取HI=Io95mm

H2=H1-（Λ1+Zz2+H/CoSa）=739.6加加

5）工作台回转中心位置B9

B9=（l∕2）Z,=（l∕2）*250=125≡?

6）确定机床总髙H

=739.6+170+411+633.45

=1954〃?

〃？

所以H取2000InmO2.3.5砂轮架相关尺寸设计

（1）砂轮架导轨（V—平导轨）100x90x40011

考虑到砂轮的大小及重量与砂轮架的稳定性，取L'中心=500mm,从而可定出砂轮架

的宽度约为60Omnb导轨为0.15Mpa的卸荷导轨。

图3-3砂轮架的导轨

（2）砂轮架横向行程长度&

/横=⅞jf+¾⅛+（0.1~0.2）×$快速

（3-4）

式中S快速为砂轮架快速进退的行程,一般取60~150叽此处取IIlMo

%杆=（¾max/2+Q］件max/2）—（£）Wmin/2+DI.ITmin/2）

（3-5）

=（750/2+320/2）-（550/2+20/2）

=25Omnl

安全系数取0.1足够

∕w=250+lll×0.1+lll=372.1（L取373）

（3）砂轮架髙度和长度

砂轮架箱体导轨的高度h3,砂轮底板滑台高度h4,砂轮中心距砂轮底面高度h5,与后床身顶面至平导轨的高度hθ,为避免上，下工作台运动时与箱体相碰，安装在后床身上的垫板顶面需低于上下工作台的顶面，同时考虑横向进给机构穿过床身的位置等，根据经验

1力6=110~1SOmm取Ii6=130mnι

2砂轮架中心距后床身顶面

∕ι7=Hi-H2+H6=∖095-740+130=485〃〃”

3砂轮架底座安装修整器，有传动丝杆

取h4=120mιn

4后床身进给导轨装丝杆

取Ii3=190mm

∕⅞=∕ι7-⅛-∕ι4=485-120-190=175

ID

L

Co-C

L9

I

卜-C

%

LIO

图3-4砂轮架的高度和宽度

5砂轮架底板长度厶：

"（1∙5~2）/中心

=（1.5~2）*500

=75O~l∞O

取I9=90Omm

6砂轮架导轨长度7io≥∕9+Q+（50-80）

=9∞+373+80

=1353〃〃”

取∕10=1305〃〃”

（4）砂轮架主轴电机的选择

1用类比法，砂轮架主轴电机的功率取15kw；

2计算法

（3-6）

=（Pf*Vδt）÷2÷3.8

=（2.35^8.82）+3.8

=15

KW

2.3.6头架相关尺寸的确定

1长，宽，髙：

440χ400χ411mπ√

2主轴锥孔：

莫氏5#锥孔

3中心高：

H=DmJ2+K

（3-7）

=320/2+（20~35）

=180~195〃"”

通过以上计算头架中心高取18Omm

4主轴转速匕=（1/80~l∕160）V⅛*60=45~22.5加/s

（3-8）

取Vy=40m/S

XnUU=716〃min>300

%n=22"min<3°

5交流伺服电机选择

用类比法，交流伺服电机选择IFT5O76-DA（D118N-M）电机

砂轮磨削工件需要的功率

FZ（最人磨削力）×r1-ftmax=150*32O=24N.m∕S

（3-9）

交流伺服电机通过20/38的双楔齿轮带传递给工件，即

=18×38∕20=34.2Mm∕5>Z4.・.合格

6主轴不旋转，主轴靠拨盘带动旋转

2.3.7尾架相关尺寸的确定

15#莫氏锥孔

2中心高180mm,台面倾斜10°

3直线滚动导轨

4液压油缸，顶紧力12~15煤

2.3.8工作台

要求上，下台面便于调整头尾架，便于安装滚珠螺母。

倾斜IO0以便于头

尾架定位，冷却液回流；及使头尾架不等髙时修刮侧面

2.3.9横向进给机构

交流伺服电机一一联轴器一一滚珠丝杆一一砂轮架

压力卸荷导轨压力油0.15MPa卸去60%~75%压力

V—平导轨100*90*500

砂轮架行程々=373〃〃“

2.3.10砂轮修整器

伺服电机丝杆修整器

直线滚动导轨

主轴直径D=50mm,采用液体动压轴承（16r∕min6.3Mpa）

修整速度二（1/3~1/5）$

修整器直径070~0120故$=12~19加/S

修整器行程为16Omm

2.3.11液压系统

①修整器；②尾架；③量仪（两个）；④润滑油；⑤床身导轨；⑥砂轮架卸荷导轨；⑦丝杆；⑧直线滚动导轨；⑨间歌

2.3.12电气部分

SlMENS810G控制五坐标轴砂轮架主轴

2.3.13机床保护系统

1静压供油系统压力继电器压差发讯器

液压控制器电路延时

2尾架伸缩油缸静压供油系统：

设置自动循环电路，可手动，也可用于脚踏。

当工件旋转时，由于互锁装置，使起无效。

3油箱液压控制

4数控系统（在各坐标轴）自诊断与保护功能

如：

电池电压低程序错误

5各坐标轴由行程开关控制最大位移量

6安全防护罩（砂轮罩，机床前罩）全封闭式

7导轨面保护

I工作台导轨：

不锈钢可伸缩防护罩

H砂轮架导轨：

㈠前部：

翻板式护罩+橡皮（防水）；㈡后罩：

钢罩。

In修整器导轨：

折叠式

第3章部件设计（砂轮架）

3.1砂轮架设计的基本要求

砂轮架是磨床上用来带动砂轮作髙速旋转的关键部件，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。

砂轮架设计应满足以下几点基本要求⑴：

1.主轴旋转精度高，旋转稳定；

2.主轴轴承系统刚性好；

3•振动小，发热低，不漏油；

4.装配制造简单，调整维修方便。

3.2主轴旋转精度及其提高措施

1•砂轮架旋转精度是指主轴前端的径向跳动和轴向蹿动大小，它直接影响工件的表面粗糙度和表面缺陷。

一般端面外圆磨床砂轮架允许的径向和轴向跳动允许误差取5μm''10μm0

2•提髙主轴旋转精度的措施

（1）选择合适的主轴轴承：

动静压轴承；

（2）提髙主轴的加工精度；

（3）正确选择主轴轴向止推方式：

液体静压推力轴承。

3.3主轴轴承系统的刚性

主轴轴承系统的刚性是指在磨削力或传动力作用下，主轴轴承抵抗变形的能力。

通常以主轴前端的挠度来度量。

过低的刚性会降低磨削生产率、加工精度和工件表面的粗糙度，引起直波形和螺旋线缺陷。

3.4砂轮架主轴初步设计

1.砂轮架主轴的强度校核

进行轴的强度校核时，应根据轴的具体受载及应力情况采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。

对砂轮架主轴来说，由于采用了卸荷皮带轮装置，砂轮架主轴主要承受扭矩，应该按照扭转强度计算，且在选取许用应力时应该选取较小值。

砂轮架主轴材料采用42MnvB,并进行淬火，故选取许用应力为40MPO

轴的扭转强度条件为

（4-1）

ττ——扭转切应力（单位为MP）

T——轴所受扭矩（单位为N∙mm）

Wr——轴的扭转截面系数（单位为加〃F）

P——轴传递的功率（单位为KW）

Ii——轴的转速（单位为r∕mm）

d——计算界面处的直径（单位为mm）

[τr]许用扭转应力（单位为r∕mm）

由上式可得轴的直径为

（4-2）

∣9.55×106

VO.2[rr]

=31.02mm

由上述计算可以得知砂轮架最小直径为31.02mm,考虑到砂轮架的刚度等因素,取主轴的最小直径为60mmo砂轮架主轴的尺寸如图4-1所示。

图3-1砂轮架主轴尺寸示意图

3.5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:

（4-3）

L二140+640+20+32+10二932π≡

J

932

14064020IOO

^+T^+T^+lθ8τ

=89.36mm

2.允许挠度

允许挠度[y]=0.0002L<0.0002*660=0.132πun

3、计算主轴前端挠度值

u:

^Pa2（l+a）

∙w'3E/—

（4-4）

P一一载荷（单位为公斤）（150/9.8）

I——轴两端的跨距（单位为厘米）（66.00）

"——悬伸长度（单位为厘米）（13.2）

E——材料的弹性模数（单位为公斤/平方厘米）（21.02x105）

I——截面惯性矩（平方厘米）

_150x13.22x79.2

讪_3×9.8×21.02×IO5×307.985

=0.OOlClll=0.OlmnI

又因为[y]=0.135,0.0K0.135,即笃:

轴＜[y],由上述校核可以得知，主轴刚度符合要求。

一般存在一个使主轴前端挠度最小，即刚性最好的支承跨距Lo由经验得知，L为（3~~6）D时，主轴前端挠度最小，D=120mm,L为360^720mm,取L为64OmmO

3.6动静压轴承

静压轴承是利用外部油源产生承载能力的油膜轴承，动静压混合轴承是一种既综合了液体动压和静压轴承的优点，又克服了两着缺点的新型多油楔油膜轴承。

它利用静压轴承的节流原理，使压力油腔中产生足够大的静压轴承载力,从而克服了液体动压轴承启动和停止时出现的干摩擦造成主轴与轴承磨损现象,提高了主轴和轴承的使用寿命及精度保持性；轴承油腔大多采用浅腔结构，在主轴启动后，依靠浅腔阶梯效应形成的动压承载力和静压承载力叠加，大提高了主轴承载能力，而多腔对置结构又极增加了主轴刚度；高压油膜的均化作用和良好的抗振性能，保证了主轴具有很高旋转精度和运转平稳性。

它的优点如下：

1.速度和载荷围广，应用围广。

动静压轴承在零件转速到很高的围的各种相对速度下都能承载，而且载荷围大，其承载能力取决于供油压力，轴承轴颈结构和相对大小；

2.油膜刚度高，阻尼大，抗振性好；

3•摩擦阻力，磨损小.由于总有一层油膜将相对运动表面隔开，因此摩擦阻力小，磨损小，能长期保持很高的运动精度，寿命长.且对轴承轴颈材料要求也较低；

4.主轴回转精度高•动静压轴承中静压油膜具有良好的纠正轴和轴向跳动；

5.安全性好.在万一供油受阻或切断时，可利用轴承中动压效应来承载；

6•承载能力髙.由于动压效应，使轴承转速越髙承载能力越大，同时轴承还能承受方向不断变化的动载及瞬时过载；

7.稳定性好.

8.使用较经济.由于动静压轴承高速下主要靠动压承载，故这时供油压力可相对较小，轴承可设计成较小轴颈，轴承结构简单，制造精度和材料要求不髙。

动静压轴承需要一套供油系统，润滑油要经过严格过滤以保持清洁。

目前广泛应用的是定压供油系统。

一定压力的压力油，经节流器流入两相对运动体间的油腔，通过油腔压力来平衡外载荷。

在定压供油系统中，节流器是关键部分，它起着限制流入油腔流量的阻尼作用，使油腔压力仅随外载荷的变化而变化。

静压轴承常用的固定节流器有毛细管和小孔节流器两种。

本次设计选用毛细管节流器。

动静压轴承广泛用于高速精密设备中.目前，在改造旧精密磨削设备方面，用得较多的是中航设备改造厂的WMB型表面节流液体动静压混合轴承。

砂轮架主轴的轴向定位采用轴向止推静压轴承。

轴向止推轴承由两个相对的环形油腔构成。

轴上具有台肩以形成承载面。

轴承的间隙通过修磨调整垫圈的厚度来保证。

3.7传动装置设计

为了提髙主轴的旋转精度，皮带轮不直接装在主轴上，而是装在单独的支

架上，并用花键套带动主轴旅转，即采用卸荷皮带轮的方案，如图4-2所示。

这个方案的优点是，减少了主轴的变形，同时还提髙了承载能力。

图3-2卸荷皮带轮

1.电动机的选择

N电=WN•空

=⅛+3,8

102

（2∙35~~8.82）+3.8=12.62kw

通过以上计算，取N电=15kw,选择YIOOL-4型电动机

2.皮带设计

因为多楔带兼有V带和平带的优点，外轮廓尺寸小，比V型带传动平稳，所以皮带采用多楔带⑸。

多楔带以平带为基体，表面有等距离纵向楔型的环形带传动。

工作面为楔侧面，有橡胶和聚氨酯两种⑸。

1）皮带材料的选用

皮带材料选用聚氨酯。

2）设计计算

已知小带轮转速，即w1=1500r/Inin,传动比i=2.5；

（1）计算功率

由《机械设计》表&7查得，工作情况系数KA为1.1,故

Ea=K∕=15xl.1=16.5JU，

（4-5）

（2）由Ea和卩选择带型

由于Pa=I6.5kw,Ml=I500r∕min,查表后可知,取带型为L型。

（3）确定带轮基准直径

由《金属切削机床设计简明手册》表4—43,取主动轮基准直径£>产8Omn1。

i=—≈2,由此得D2=-D1=20Omm°

n1Dr

■■

（4）验算带速

n2

v_RDz-

60x1000

λ,×80×1500WCCZ==6.2SIri/S

60×10∞

（4-6）

V=6.28m/s<30m∕s,所以带速合格。

（5）初定轴向间距

由公式（4—5）

0.7（D1+D2）<如<2（D1+D2）,

（4-7）

可知196<α0<560,取α0=400o

（6）所需基准带长

（4-8）

=2×400÷∣（80÷200）÷β^i

=1248.82mm

由《金属切削机床设计简明手册》表4一5,取相近的基准带长乙=1250

（7）

实际轴向间距

（4-9）

=401.18mm

所以皮带的实际轴向间距取6/=40InInlO

（8）多楔带每楔的基本额定功率片

由《金属切削机床设计简明手册》表4一40,可以查得Pl=0.34kw0

（9）小带轮的包角

a=180°-（/上Q比57.3

a

（4-10）

=162.85°

（10）多楔带楔数的确定

ZNKAP

（R+ΔP）KdK/

（4-11）

其中∆P=^Λ（1--

Ki

查表得心=4.6x10」，

^=I.14,代入ΔP的计算公式中，得ΔP=0.849kw0

又已知Ka=O・955,Kl=l.QO9得:

1.1x15

（0.340+0.849）×0.955X1.00

由此可以确定，取Z=15o

3.带轮设计

1）带轮设计的要求:

（1）质量小，结构工艺性好，无过大的铸造应力；

（2）质量分布均匀，转速髙时要经过动平衡校证；

（3）槽轮工作面要经过精细加工，以减少带的磨损；

（4）轮槽的尺寸和角度应有一定的精度，以使载荷分布均匀。

2）带轮的材料选用

带轮的材料选用HT200o

3）带轮的结构

（1）小带轮直径Dl≤（2.5-3）√（d为轴的直径），所以采用实心式。

（2）大带轮0=2O（K300,所以采用腹板式结构o

4）小带轮的结构尺寸

da=d+2h

（3-12）

其中心一一带轮的外径，

d——轴的直径，

h——基准线上槽深。

dn=J+2/7=80+2×3=S6nιιn

a

（4-13）

G=（1.8~2）41=1.9x86=163.4加〃？

，圆整后得心=165mm

L=（1.5-2）da=1.6×86=137.6

（4-14）

B=（Z-I）P+2^

（4-15）

其中Z—一多楔带的楔数,

P——多楔带的槽间距,g——第一槽对称面到端面的距离O

B=（Z-I）P+2g=（15—1）×4.9+2×10=88.6/UnI

5）

大带轮的结构尺寸

图3-4大带轮的结构尺寸

da=d+2h=200+2x3=206mm

dh=（1.8-2）CIa=1.9×206=391AmmL=（1.5-2）da=1.6X206=329.6/JIm

第4章数控系统设计

4.1概述

任何一个数控系统都是由硬件和软件两部分构成，硬件是组成系统的基础,软件是系统的灵魂。

有了硬件和软件和配合才能有效的完成系统