磨床机可行性报告.docx

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磨床机可行性报告三叉轴万向节全自动外圆磨床数控系统的研究项目可行性报告及经费概算一、项目可行性报告

（一）立项的背景和意义随着科学技术的不断发展,磨削加工技术作为一种先进的制造技术在国民生产、生活中占有重要地位。

随着对机械零件加工精度及其表面粗糙度的要求日益提高，磨削加工技术得到发展，自动化成为磨削技术发展的重要方向之一。

目前磨削自动化在数控机床（CNC）技术日趋成熟和普及基础上,正在进一步向数控化和智能化方向发展。

磨削是一个复杂的多变量影响过程,对其信息的智能化处理和决策,是实现自动化和最优化的重要基础[1]。

随着磨削加工技术的发展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例。

磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床，是金属切割行业的一个重要分支。

据欧洲机床展览会（EMO）的调查数据表明，25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术，车削只占23%，钻削占22%，其它占8%；而磨床在企业中占机床的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻床占14%[2]。

我国从1949～2009年，开发生产的通用磨床有1800多种，专用磨床有几百种，磨床的拥有量占金属切削机床总拥有量15%左右[3]。

磨削加工的高效化、直接驱动、在线测量与控制磨削过程、量仪在线监控是磨床行业的发展趋势。

由于磨床的工艺要求复杂，磨床的种类繁多，常见的磨床种类就包括外圆磨床、平面磨床、内圆磨床、工具（刀具）磨床、无心磨床、非圆磨削机床、轧辊磨床、复合磨削加工单元、立式磨床等。

其中，外圆磨床主要用于磨削圆柱体和圆锥形的外表面，数控多轴联动外圆磨床是外圆磨床中的一种。

1864年世界第一台外圆磨床被制造出来，1964年又研制出了世界第一台数控（NC）外圆磨床。

四十几年来，世界数控磨床的技术与数量在迅速发展[4]。

万向节是实现变角度动力传递的机件，用于需要改变传动轴线方向的位置，它是汽车驱动系统的万向传动装置的“关节”部件。

万向节在机械工程和汽车工业的发展中起到了极其重要的作用。

随着对万向节工作效率、强度、耐久性以及噪声性的不断改进,万向节成为一种重要的工程部件。

三叉轴万向节是一种适用于轴角较小的车用准等速万向节，其结构如图1。

图1三叉轴万向节的结构示意图三叉轴万向节经过锻造、成形后，其加工过程的最后一道环节就是磨削。

由于三叉轴万向节需要与轴承套圈配合才能使用，其制造工艺对三个叉轴的外圆磨削精度的要求很高[5]；另外，磨削效率、磨削过程的自动化、制造成本都是其制造过程中必须考虑的重要因素。

与普通外圆磨床相比，数控外圆磨床有以下优势：

（1）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；

（2）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；（3）机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3～5倍）；（4）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；（5）批量化生产，产品质量容易控制[6]。

传统三叉轴万向节外圆磨床还处在半自动化的阶段，需要手动分三次将三个叉轴分别放入磨削区域，效率低下，砂轮容易误伤操作人员。

三叉轴万向节全自动外圆磨床数控系统，重点研究送料机械手、三叉轴外圆磨削装置、下料机械手、控制单元、控制界面，同时研究磨削的控制过程，对送料机械臂、叉轴外圆磨削装置、下料机械臂、控制单元、控制界面进行接合，实现三叉轴万向节叉轴外圆磨削的全自动化。

经项目查新，目前只有日本和泉金属工业株式会社在外圆磨床高精度磨削技术的基础上，研制出专用的卡盘型三叉轴外圆磨床；而在国内，磨床数控系统大多依赖进口，专用的三叉轴全自动外圆磨床技术更是落后。

在国内，类似三叉轴全自动外圆磨床的申请专利有很多[7-9]，但是真正把该装置做成实物并投入生产的几乎没有。

因此，本项目的研究意义在于研制开发具有自主知识产权、三叉轴万向节全自动外圆磨床数控系统，解决国内三叉轴外圆磨床自动化水平低、操作工人劳动强度大、工作效率低和产品质量不易控制等问题；通过对叉轴外圆磨削装置和上、下料机构的设计，解决三叉轴万向节的三个叉轴的转动给进磨削问题，实现三叉轴万向节的自动给进和自动磨削;研究成果在机械加工自动化领域有广阔的应用前景。

（2）国内外研究现状和发展趋势三叉轴万向节全自动外圆磨床数控系统需要研究送料机械手、三叉轴外圆磨削装置、下料机械手、控制单元、控制界面，以及需要研究系统的配套和调试。

以下内容将对外圆磨削技术、上下料机械手、三叉轴外圆磨削装置的主轴单元制造技术和进给单元制造技术的发展趋势进行介绍。

2.1磨削技术国内外研究现状和发展趋势磨削加工是一种古老而自然的制造技术,应用范围遍布世界各地,然而数千年来磨削速度一直处于低速水平。

高速切削的概念源于德国切削物理学家Carl.J.Salomon博士1929年所提出的假设,即在高速区当切削速度的“死谷”区域,继续提高切削速度将会使切削温度明显下降,单位切削力也随之降低[9]。

20世纪后,为了获得高加工效率,世界发达国家开始尝试高速磨削技术。

在高速、超高速精密磨削加工技术领域,德国及欧洲领先,日本后来居上,美国则在奋起直追。

欧洲,高速磨削技术的发展起步早。

最初高速磨削基础研究是在20世纪60年代末期,实验室磨削速度已达210-230m/s。

意大利的法米尔（Famir）公司在1973年9月西德汉诺威国际机床展览会上,展出了砂轮圆周速度120m/s的RFT-C120/50R型轴承套圈外沟的高速磨床。

德国的GuehringAutomation公司于1992年成功制造出砂轮线速度为140-160m/s的CBN（立方氮化硼）磨床,线速度达180m/s的样机[11]。

1967年,美国的61m/s磨床投入市场,1969年生产出80m/s的高速无心磨床。

1970年,本迪克斯公司曾生产了91m/s切入式高速磨床。

1971年,美国CarnegieMellon大学制造了一种可用于外圆磨削的无中心孔的钢质轮,在其周边上镶有砂瓦,工作速度达到125m/s。

1993年,美国的EdgetekMachine公司首次推出的超高速磨床,采用单层CBN砂轮,圆周速度达到了203m/s,用以加工淬硬的锯齿等,可以达到很高的金属切除率[12]。

日本高速磨削技术在近20年来发展迅速。

1976年,在凸轮磨床上开始应用CBN砂轮进行40m/s的高速磨削。

1985年前后,在凸轮和曲轴磨床上,磨削速度达到了80m/s。

1990年后,开始开发160m/s以上的超高速磨床。

1993年前后,使用单颗粒金刚石进行了250m/s的超高速磨削试验研究。

目前,实用的磨削速度已达到了200m/s。

400m/s的超高速平面磨床也已研制出来。

日本的丰田工机、三菱重工、冈本机床制作所等公司均能生产应用CBN砂轮的超高速磨床。

Shiniz等人,为了获得超高磨削速度,利用改造的磨床,将两根主轴并列在一起:

一根作为砂轮轴,另一根作为工件主轴,并使其在磨削点切向速度相反,取得了相对磨削速度为υs+υw的结果，因此,砂轮和工件间的磨削线速度实际接近1000m/s[13]。

高速磨削技术在国内也引起了高度重视。

我国高速磨削起步较晚,自1958年,我国开始推广高速磨削技术。

1976年,东北大学与阜新第一机床厂合作,研制了F1101型60m/s高速半自动活塞专用外圆磨床。

20世纪90年代至现在,东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究,并首先研制成功了我国第一台圆周速度200m/s、额定功率55kw的超高速试验磨床,最高速度达250m/s[2]。

从2002年开始,湖南大学开始针对一台250m/s超高速磨床主轴系统进行高速超高速研究,并在国内首次进行了磁浮轴承设计[14]。

2.2工业机械手技术国内外研究现状和发展趋势机械手是按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

手部是夹持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，有夹持式、托持式、吸附式等[15-17];运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势;控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。

机械手研究始于20世纪中期，计算机和自动化技术的发展为机器人的开发奠定了基础。

机械手首先是从美国开始研制的。

美国于1947年开发了遥控机械手，用于在有害环境下保护人身安全；1948年，美国又开发了机械式的主从机械手；1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人；1962年，美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”是机器人最早的实用机型；90年代初，由布鲁塞尔皇家军事学院Y.bando教授领导的综合技术部开发的电子气动机械手，能在人不易进入的危险区域进行地形侦查；2011年，美国哈弗大学研究院GeorgeM.Whitesides和同事共同研制出一种形状似海星的柔性气动机械手臂，可活捉老鼠或握住生鸡蛋[18-19]。

我国与1972年开始研制自己的工业机械手。

进入80年代后，我国机械手技术得到了政府的重视与支持。

工业机械手经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展，但进口机械手占了绝大多数。

目前我国机械手技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面,不能生产高精密、高速与高效的关键部件。

近年来，国内较先进的机器人（机械手）研究机构或单位有:

哈尔滨工业大学、中科院沈阳自动化研究所、北京自动化研究所、清华大学、国防科技大学和北京航空航天大学等。

2006年，哈尔滨工业大学研制“863”重点项目—“小型智能飞行机器人系统；沈阳自动化研究所的水下载人机器人项目（2001年-2005年）主要用于海洋科考、海底资源探测，其研究成果代表了我国在这一技术领域的发展水平；在2010年，合肥研究院智能所和先进制造所在国家“863”重点项目“地震废墟搜救机器人”的支持下完成了单兵操作搜救仿人手，在研发过程中解决了传物简单轻巧的两节可伸缩机械臂和三指灵巧手的设计问题；2011年山东科技大学研制出油田钻柱操作机械手，主要用于钻井时的钻杆、钻铤等的装、卸工作[20]。

2.3磨床主轴单元国内外研究现状和发展趋势主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架几个部分，它影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速高效磨削、精密超精密磨削起着关键的作用。

提高砂轮线速度主要是提高砂轮主轴的转速，特别是在砂轮直径受到限制的场合（如内圆磨削）。

因而，适应于高精度、高速及超高速磨床的主轴单元是磨床的关键部件。

国外主轴单元技术的发展很快，有些公司专门提供各种功能的主轴单元部件，这种主轴单元部件可以方便地配置到加工中心、超高速切削机床上。

近年来高速和超高速磨床越来越多地用电主轴作为其主轴单元部件，如美国福特公司和Ingersoll公司推出的加工中心，其主轴单元就是用的电主轴，其功率为65kw，最高转速达150000r/min，电机的响应时间很短。

目前，国内主轴单元的速度大约在10000r/min以下，且其精度、刚性及稳定性有待于考验和提高,同时缺乏高速、高精度、大功率的主轴单元（电主轴）。

需要进一步研究的重点如下:

①大功率、高转速和高精度的驱动系统的研究与开发;②高刚性、高精度、高转速重负荷的轴承或支承件的研究与开发;③高速、高刚性、高精度的砂轮主轴和工件头架主轴的制造技术[21]。

2.4磨床进给单元国内外研究现状和发展趋势数控机床普遍采用旋转电机（交直流伺服电机）与滚动丝杠组合的轴向进给方案。

但随着高速高精度加工的发展，国外都普遍采用了直线伺服电机直接驱动技术，高动态性能的直线电机结合数字控制技术，可达到较高的调整质量，也可满足上述要求，如德国西门子公司就在1997年国际牵引电气设备混合委员会会议作了直线电机120m/min高速进给的表演，而该公司的直线电机的最大进给速度可达200m/min其最大推力可达6600N，最大位移距离为504mm。

又如日本三井精机公司生产的高速工具磨床，主轴上下移动（行程25mm）采用直线电机后，可达400m/min，是原来的2倍，加工效率提高3-4倍。

我国国产数控进给系统（特别是高速、高精度进给系统）与国外相比还有很大的差距，其快速进给的速度一般为24m/min[22]。

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5-10.（3）项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点3.1项目主要研究开发内容本项目以三叉轴万向节全自动外圆磨床数控系统为研究对象，通过系统控制单元对机械手、三叉轴外圆磨削装置的主轴单元和进给单元、磨床支承单元构件这几个部分控制，实现三叉轴万向节在该外圆磨床数控系统上的全自动磨削，主要研究内容为：

（1）确定机械手的方案并对其进行设计。

根据本系统中机械手的特点，确定其总体设计方案，设计机械手的气动伺服系统、执行机构和控制部分。

（2）磨床系统主轴单元制造技术。

研究决定高速主轴单元性能的因素，包括设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等多项相关技术。

（3）磨床系统进给单元制造技术。

参照三叉轴万向节形状的特点，以实现三个叉轴的外圆磨削为目的，确定进给磨削单元的结构设计。

（4）系统控制单元对整套集成系统的控制。

拟采用可编制程序控制器（PLC）对系统进行控制。

3.2项目技术关键

（1）结构合理、经济并能满足工作需要的机械手的设计。

（2）磨床系统进给单元的研究：

三叉轴万向节进给的路径、磨削加工范围和磨削完成时间。

（3）机械手、主轴单元和进给单元系统各部分规格的配套，并选择合适的结构参数。

3.3项目主要创新点1.与三叉轴万向节形状和磨削运动路径相匹配的机械手的设计。

2.与整个全自动磨床系统相匹配的控制系统的软硬件设计。

3.与传统的半自动三叉轴万向节外圆磨床相比，能系统实现三叉轴磨削的全自动化、节约劳动成本和时间，保障操作人员的工作安全。

（4）项目预期目标（主要技术经济指标、社会效益、技术应用和产业化前景以及获取自主知识产权的情况）4.1主要技术指标以下是该系统的各主要技术指标。

项目参数磨削加工范围外径Φ16mm～Φ25mm宽度10mm-25mm加工余量Φ0.3mmMAX电源动力源AC400V±10%、50Hz、总功率16KW控制电压AC100V、50Hz、DC24V相数3相床头主轴转速0-3000r.p.m选用交流永磁伺服电机控制轴方向移动量50mm半径方向移动量25mm工件夹持方式采用油缸连杆方式加紧，单支承主轴角度调整±2°上下料方式龙门式上下料双机械手双工位方式电机型号10Nm伺服电机直线行程1700mm加紧方式120°等分，三爪气动夹紧4.2主要经济指标预计本项目研制的产品，第一年产量100套，每套成本8万元，每套售价20万元，销售额2000万元，利润128万元，利税100万元。

以后产品根据市场情况逐年增加。

项目的间接效益非常巨大，随着本项目的普遍实施，将大量普及专用的三叉轴万向节全自动外圆磨床，节约了劳动成本，提高了生产的效率，有效地保障操作工人的工作环境。

4.3知识产权申请情况国内尚无自主研发和生产的三叉轴万向节全自动外圆磨床数控系统的。

对该课题进行完全自主的深入研究，相关的关键技术、创新发明都将通过申请专利加以保护，申请专利2-3项，其中实用专利2项。

4.4应用前景2010年，世界28个主要机床生产国家和地区产值达663亿美元，较2009年增长了21%。

其中，中国机床占全球机床产值的31%。

中国为世界机床第一大生产国，日本居第二位，德国位列第三，之后依次是意大利、韩国、中国台湾、瑞士和美国。

无论从国家产业政策与宏观经济形势层面上看，还是从主要用户行业需求层面上看，数控机床市场均看好。

数控外圆磨床主要用于汽车、军工、机械工业等行业不同零件的外圆柱面，轴肩面的批量精加工，要求可靠，稳定，耐用，高效，自动化。

目前我国金切机床拥有量的构成中，车床占42%以上，磨床仅占2%左右，而美，德，日等发达国家则是各占17-20%左右，随着我国工业化进程的逐步实现，磨床的构成比也必将逐步上升。

从产量来看，目前外圆磨床占我国磨床总产量的比例大约为30%左右，而数控外圆磨床仅占数控机床产量的6%左右，反映了数控磨床具有的市场潜力。

因此，研究三叉轴万向节全自动外圆磨床数控系统将产生巨大的经济效益和社会效益。

加之我们拥有自主知识产权，产品的应用市场前景非常光明。

（五）项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解5.1研究方案三叉轴万向节全自动外圆磨床数控系统的框图如图2所示：

输料道上料机械手三销轴磨削装置下料机械手出料道图2磨削系统总框架具体研究方案如下：

5.1.1上下料机械手技术的研究设计气动机械手的原则是:

充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，满足定位精度要求及抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。

机械手技术研究可以分为以下阶段：

（1）研究机械手的驱动方式及其各自优劣机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手。

液压式机械手的驱动主要由夹紧缸、伸缩缸、升降缸、回转缸组成，其特点是：

结构紧凑，动作平稳，耐冲击，乃振动，防爆性好，输出力和力矩大；但是液压原件要求较高的密封性，否则易造成污染，而且运动精度比电动驱动低。

液压驱动一般使用与大型重负荷码垛机器人。

气动式机械手的驱动通常由各种气缸、气阀和气马达组成。

目前，先进的气压驱动常采用可编程逻辑控制技术来实现气动自动化。

其特点是：

动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便；但同时进行速度精确控制较难，由于气压不能太高，故大多用于中低负荷的机械系统中。

电动式机械手是目前使用最多的一种驱动方法，其特点是电源方便，响应快，驱动力大，信号检测、处理方便，并可采用多种灵活的控制方式，一般采用步进电机或伺服电机；但是其造价高，控制也较为复杂。

机械式机械手节省能源，可做动作单一，不能满足复杂制品的要求。

综合各机械手驱动方式的优缺点，针对本系统的实施对象（三叉轴万向节），并考虑产品的成本，本项目选择的机械手驱动方式为气动式。

气动机械手能够快速准确地上下料，有一定的承载能力和灵活的自由度，能自动定位到指定位置。

（2）研究机械手的坐标形式和自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标形式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和多关节坐标式。

根据三叉轴万向节上、下料的特点（如图3），选择三自由度的圆柱坐标式机械手。

图3三叉轴万向节运动路径机械手结构示意图如图4，机械手手臂的左右运动（水平方向）由伸缩步进电机控制，上下运动（垂直方向）由升降步进电机控制，逆时针和顺时针旋转运动则由底盘直流电机的正反转控制。

机械手的夹紧装置采用三爪气动夹紧结构，其夹紧与松开用气压驱动，并由电磁阀控制。

图4机械手示意图（3）研究机械手伺服系统技术机械手能实现伸缩、回转、升降的动作，每一个动作都由电气—气压伺服系统驱动。

图5是机械手伸缩运动电气—气压伺服系统原理图。

它主要由放大器、电气伺服阀、气缸、机械手手臂、齿轮齿条机构、电位器和步进电机等元件组成，它是一个电气—气压伺服系统。

1—放大器;2—电气伺服阀;3—气缸;4—机械手手臂;5—齿轮齿条机构;6—电位器;7—步进电机图5机械手伸缩运动电气—气压伺服系统原理图当电位器的触头处于中位时，触头上没有电压输出。

当它偏离这个位置时，由于产生了偏差就会输出相应的电压。

电位器触头产生的微弱电压，经放大器放大后对电气伺服阀进行控制。

电位器触头由步进电动机带动旋转，步进电动机的偏转方向以及角位移和角速度由数字控制装置发出的脉冲数和脉冲频率控制。

齿条固定在机械手臂上，电位器壳体固定在齿轮上，所以当手臂带