免费在线届机械设计制造及其自动化（机制）专业毕业设计（论文） 数控磨床垂直进给机构、磨头及部分控制电路设计 摘要 随着磨削技术的发展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例。磨削技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置。磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要的作用。本文由绪论、总体设计、垂直进给机构设计、磨头设计、部分电器控制部分设计、总结和致谢等几个部分组成。数控磨床精度和加工范围体现在机械结构部分的精确计算和优化设计；控制系统的自动化和高效化体现在数控系统部分的合理化设计及单片机的灵活应用。本文绪论部分对数控磨床的作用和地位做了介绍，阐述了磨床的发展和背景，同时还有介绍国内外磨削技术的现状。总体设计做了简要的介绍，主要是对垂直进给机构和磨头设计做了详细的说明，对部分电气控制电路设计也做出了研究。最后通过总结来对此次设计做出一个回顾和对数控磨床制造做出展望。 关键词：平面磨床，垂直进给机构，磨头，数控 CNC grinding machine vertical feed body, cement and some control circuit design Abstract: With the development of grinding technology, machine tool grinding machine is also in possession of a fairly large proportion. Grinding technology and the grinder in the machine manufacturing industry occupies a very important position. Grinding technology has developed rapidly in machining plays a very important role. This article from the Introduction, design, design of vertical feed mechanism, grinding head design, part of the design of electrical control, summarize and thank several parts. CNC grinding machine accuracy and the scope of processing embodied in the mechanical part of the accurate calculation of the structure and optimize the design; control system of automated and efficient system in the NC part of the rationalization of design and the flexible application of single-chip microcomputer. Introduction of the CNC grinder part of the role and status of introduced on the development of a grinder and background, but also introduced the status of grinding technology at home and abroad. The overall design has done a brief introduction, the main feed of the vertical design of institutions and cement a detailed description of some of the electrical control circuit design to the study. Finally, to sum up the design to make a review and manufacturing of CNC machine to make Outlook. Key words: surface grinder,vertical feed body, grinding head, NC 目录 第1章 绪论 1.1课题背景及目的 ……………………………………………………1 1.2 国内外研究状况 ……………………………………………………1 1.2.1 国外数控磨床的发展…………………………………………2 1.2.2 国内数控磨床的发展…………………………………………2 ?? 1.3 本课题任务及论文内容 ……………………………………………3 ?? 1.4本课题的解决手段和方案 …………………………………………3 第2章 数控平面磨床总体设计 ……………………………………………5 2.1数控平面磨床简介 …………………………………………………5 2.2磨床技术规格…………………………………………………………5 2.3磨床总体布局设计……………………………………………………11 第3章 垂直进给机构的设计 ………………………………………………13 ? 3.1垂直进给机构的结构和特点…………………………………………13 ? 3.2确定垂直进给机构方案………………………………………………13 ? 3.3伺服电机、滚珠丝杠的选取计算……………………………………14 3.4伺服电机、滚珠丝杠的校核计算……………………………………16 3.4.2滚珠丝杠的校核计算 …………………………………………16 3.4.3伺服电机的校核计算 …………………………………………18 第4章 磨头及部分控制电路设计……………………………………………20 4.1磨头设计 ……………………………………………………………20 4.1.1电主轴的选取 …………………………………………………20 4.1.2磨头的结构特点及设计方案 …………………………………22 4.2 部分控制电路设计…………………………………………………23 4.2.1 控制电路设计要求和设计方案………………………………23 4.2.2 80C196KC原理及应用…………………………………………22 4.2.3 内存扩展………………………………………………………24 4.2.4 数控系统电路连接……………………………………………25第5章 毕设总结………………………………………………………………29 参考文献………………………………………………………………………30 致谢……………………………………………………………………………32 PAGE 1 绪论 1.1课题背景及目的 磨削技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置，磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要的作用。随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。平面磨床的工件一般是夹紧在工作台上，或靠电磁吸力固定在电磁工作台上，然后用砂轮的周边或端面磨削工件平面的磨床。当今平磨的发展趋势是转向成形、台阶、切入、快速抖动、三维空间曲线表面磨削加工。可以说，平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。数控是平面磨床发展的一个重要方面，数控能更好地实现了机床工作的自动化、高效化，数控系统主要用来控制磨床的垂直进给，横行进给，工作台的纵向进给、主轴回转运动以及一些其他的辅助功能[1]。 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%。同时25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术。磨削技术在机械制造业中占有极其重要的地位。磨床相对于车床、铣床等采用数控系统较晚，是因为它对数控系统的特殊要求。近年来几乎所有种类的磨床都有CNC产品。近十几年来，借助CNC技术，磨床上砂轮的连续修整，自动补偿，自动交换砂轮，多工作台，自动传送和装夹工件等操作功能得以实现，数控技术在平面磨床上逐步普及。数控平磨已形成一个市场潮流。通过本课题的研究，对机械结构部分的精确计算和优化设计，提高精度和实用化；对数控系统部分的合理化设计及单片机的灵活应用，提高控制系统的自动化和高效化。要提高数控平面磨床的质量, 首先要对机械结构部分进行合理化设计，选择性能可靠、商品化程度高的数控系统。其次要努 力提高机电一体化设计水平，灵活应用单片机控制，提高机床制造厂对机械结构部分和数控系统部分掌握的程度[2]。 1.2 国内外研究状况 1.2.1 国外数控磨床发展 由于平面磨床应用十分广泛, 近年来,磨削技术得到了飞速的发展,各种磨削新技术新工艺和成品层出不穷。国际上有不少著名制造商, 如日本的OKAMMOTO、MITSUI三井, 德国的BLOHM、ELB、ABA,瑞士的MAGERLE, 意大利的FAVRATO等。在发展数控平面磨床生产数量的同时, 还要努力提高数控平面磨床的质量[1]。由于CBN 砂轮的使用,强力磨削突破传统磨削的限制,生产率成倍提高,有些零件的毛坯不需要经过粗切加工,可直接磨削成为成品,这不仅提高了加工效率,同时还提高了加工质量。目前,磨削速度已经高达120m/ s ,大吃深缓进给的强力磨削也得到了广泛应用。现代高精度磨削技术的发展,使磨削尺寸精度达到0. 1～0. 3μm ,表面粗糙度达到0. 2～0. 05μm ,磨削表面变质层和残留应力均甚小,明显提高的加工零件的质量。数控是平面磨床发展的一个重要方面。在相当长的时期里, 国外磨床的数控化率也远远低于车床和铣床。但近十年来, 由于数控技术的发展,适用于磨床的数控系统也有了较大的发展, 数控系统的功能价格比大大提高,使国外机床生产发达国家的磨床数控化率大大提高[4]。 1.2.2 国内数控磨床的发展 目前,我国的高速磨削应用面不广,磨削速度一般不超过60m/ s ,与国外高速磨削达到120m/ s 相比,差距较大,磨削效率也因而相差较大。大吃深缓进给的强力磨削方法在我国生产中也应用的不多。磨削技术在加工中起着重要的作用,特别是在难加工材料的高效率高精度加工方面。随着新技术的开发应用,磨削技术也得到了飞速的发展和应用,各种新型的磨料、粘 结剂、工艺等层出不穷,我国在磨削技术方面的研究也取得了可喜的成绩, 但还应该看到我们的研究和应用与国外的现状相比还有很大的差距[1]。 随着我国国民经济的迅猛发展, 作为重要基础装备的数控机床, 将会发挥越来越大的作用, 对数控机床的要求也将越来越高。要向高精度、高效率、自动化、集成化多功能方向发展，内外结合, 提高自主开发能力，使我国的数控机床具有参与国际市场竞争的能力,适应国际大市场的需求, 迈出更快更加坚实的步伐。在控制技术方面,与国外数控产品尚有差距,国内电气以采用PLC 控制为主,今后应当把开发高档数控平磨列入计划[3]。 国内各机床厂和机床研究所对数控磨床及磨削技术的发展都投人很大的力量进行研究, 取得了很大的进展。如CIMT展出的上海机床厂MKY7875、杭州机床厂M7120和HZ-KD2010、南通机床股份有限公司M7118、云南MIGHTY公司的SGS-618H、威海机床厂的MJ7116和MJ7120，在汽车、机床等行业得到应用, 多次在北京国际机床博览会上有产品展出[6]。 1.3 本课题任务及论文内容 本课题任务是：数控磨床垂直进给机构、磨头及部分控制电路设计。 论文由绪论、总体设计、垂直进给机构设计、磨头设计、部分电器控制部分设计、总结和致谢等几个部分组成。本文绪论部分对数控磨床的作用和地位做了介绍，阐述了磨床的发展和背景，同时还有介绍国内外磨削技术的现状。总体设计做了简要的介绍，主要是对垂直进给机构和磨头设计做了详细的说明，对部分电气控制电路也做出了设计。最后通过总结来对此次毕业设计做出一个回顾和反馈并对数控磨床制造做出展望。 1.4本课题的解决手段和方案 高精度磨床的主轴单元、进给单元、支承单元与辅助单元是关键的零部件。高精度磨床的主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架几部分。进给单元包括伺服驱动部分、滚动单元、位置检测单元等。进给单元是使 砂轮保持正常工作的必要条件，也是评价高速、高效及超高速磨床性能的重要指标之一，因此，要求进给单元运转灵活、分辨率高、定位精度高、 没有爬行现象和有较大的移动范围，既要有较大的加速度，又要有足够的推力、刚性高、动态响应快、定位精度高[2]。 首先从题目分析，针对题目，查阅有关磨床的相关知识，磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。平磨是磨床类机床中演变潜力最大的一种机型。同时平磨是磨床类机床中发展潜力最大的机床。初步计划从数控平面磨床入手设计。进一步确定设计为数控平面卧轴磨床。通过国内外机床 型号及课题研究范围，初步确定数控磨床的重要参数。 而后通过查阅有关资料，探讨数控平面磨床垂直进给机构、磨头和部分控制系统设计过程中所遇到的各种问题，强化机械设计的基本概念、设计准则和设计的基本方法，以及设计对象当前的发展趋势，重点掌握数控平面磨床垂直进给机构、磨头和部分控制系统设计中所采用的理论和方法。 采用伺服电机控制垂直进给机构，易于数控编程控制，选取合理支撑方式，采用滚珠丝杠带动溜板移动，选取并校核电机和丝杠。根据所选电机和丝杠型号，进一步确定机床床身的框架和结构，利用CAD绘制垂直进给机构装配图。 近年来高速和超高速磨床越来越多的采用电主轴作为其主轴单元部件。由上一步可确定磨削主轴电机功率，采用电主轴作为磨削主轴，查阅国内外电主轴生产厂家的型号参数，并根据电主轴尺寸确定磨头架框架和结构，利用CAD绘制磨头装配图。 之后做部分控制电路设计，采用80C196KC单片机控制，学习内存扩展电路，编码器接收电路，串口通信电路， D/A转换器等相关的单片机及相应芯片知识；学习掌握protel软件，重点掌握元件库的调用和自制电器元件库的方法；利用 protel软件绘制部分控制系统电路图。 最后通过平时查阅的资料和相关笔记，以及计算过程的内容，书写课题设计说明书，并对此次毕业设计进行总结。 数控平面磨床总体设计 2.1数控平面磨床简介 随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。 平面磨床的工件一般是夹紧在工作台上，或靠电磁吸力固定在电磁工作台上，然后用砂轮的周边或端面磨削工件平面的磨床。 按主轴布局及工作台形状的组合，普通平面磨床可分为下列四类： （1）卧轴矩台式平面磨床，在这种机床中，工件由矩形电磁工作台吸住。砂轮作旋转主运动，工作台作纵向往复运动，砂轮架作间歇的竖直切入运动和横向进给运动。 （2）立轴矩台式平面磨床，在这种机床上，砂轮作旋转主运动，矩形工作台作纵向往复运动 ，砂轮架作间歇的竖直切入运动。 （3）立轴圆台式平面磨床，在这种机床上，砂轮作旋转主运动圆工作台旋转作圆周进给运动 ，砂轮架作间歇的竖直切入运动 。 （4）卧轴圆台式平面磨床，在这种机床上，砂轮作旋转主运动，圆工作台旋转作圆周进给运动，砂轮架作连续的径向进给运动和间歇的竖直切入运动。 针对本课题研究设计，设计对象选为卧轴矩台式平面磨床。 2.2磨床技术规格 根据当前市场上的机床型号和自己的课题要求确定所设计磨床结构的基本参数[7]。 （1）杭州机床厂的HZ-KD2010数控龙门式平面磨床采用西门子810系统，六轴交流伺服电机，分别控制周边磨头的垂直进给, 横向进给及其仿形砂轮修整装置进给、万能磨头的垂直进给、横向进给及万能磨头的旋转分度控制。其主要技术参数 工作台面尺寸宽长：1100×2150mm 可磨削最大工件尺寸长宽高：2000×1300×600mm 磨头垂直最小进给量：0.002mm 磨头电动机功率：周边18.5kw 万能7.5kw （2）南通机床股份有限公司集团的M7118型卧轴矩台平面磨床主要技术参数： 工作台面宽×长：180×406mm 工作台最大承重：123kg 磨头电动机功率：1.5kw 机床净重：1100kg 英国Matrix机床公司是一家世界著名的螺纹磨床专业生产厂,成立于1913年,螺纹磨床产品的规格较多,在一定程度上代表了国际先进水平。CCMT2006是第四届中国数控机床展览会上令人意外地看到该公司把产品拓展到平面磨床,展出了一台小型双立柱平面磨床,型号为TC106S(图2-1)。 图 2-1 Matrix公司TC106S双立柱平面磨床 TC106S是一台小型的双立柱龙门式平面磨床,工作台工作面为648 ×1000mm, X 轴最大行程1300mm,卧式磨头Y轴最大行程为800mm,磨头垂直最大行程为580mm。从图中可见,机床总体形状呈T字型, T型床身,上部为T型全封闭罩壳,因为机床的龙门部分较宽,而工作台较窄,所以就呈这种少见的外型。机床的三个轴向运动均为滚珠丝杠驱动,机床运动速度快,工作台纵向速度0～35m /min,Y轴运动速度为0～40m /min,磨头横向最大速度达到25m /min。机床配置西门子810D系统,采用Ma2trix公司有自主知识产权的编程系统。机床可磨工件最大的重量为1200kg,磨削精度相当高,据称整个工作台的平面度达到0. 002mm。 （4）德国JUNG公司1991年在第九届欧洲机床展览会上曾展出过一台小型龙门式平磨,型号为JP - 800, (见图2-2) ,磨削范围仅为400 ×800mm。由于采用龙门式布局,机床的总体刚性好。龙门双立柱用聚合混凝土制成,具有较高的抗振性和热稳定性。工作台纵向用滚珠丝杠和AC伺服电机驱动,最大速度为30m /min。机床垂直和横向最小进给量均为0. 1μm,磨削加工精度达到超精加工水平,适用于磨削陶瓷零件。 图2-3磨头体下方加一个支撑的示意图 图2-2JUNG公司JP系列平面磨床布局示意图 （5）德国ABA公司的磨头移动式平磨是主导品种,其中ECOL INE是一种高效价廉的经济型系列,该系列工作台宽度最大为800mm;而另一个规格更大的MULTIL INE 系列,最大磨削宽度达1100mm。早在1993年第三届中国国际机床展览会上,ABA公司曾展出一台FFU3000 /700平磨,长度3000mm、宽度700mm,机床的横向精度较高,在600mm的磨削宽度上平行度≤0. 005mm,在3000长度上磨削精度≤0. 008mm,可满足高精度磨削的要求。由此可见,平面磨床的磨削精度虽与机床的布局形式存在一定关系,但不是决定性的。从某种意义上说,采用什么布局结构并不重要,重要的是采取必要的措施满足用户的要求。为了增强机床的刚性,减少颠覆力矩,欧洲公司在近年的产品中改进了结构,利用床身在磨头体下方加一个支撑,使磨头不是悬挂在立柱上,有利于提高机床的磨削精度(图2-3) 。 （6）意大利ROSA (罗莎)公司成立于1964年,产品主要有磨头移动式平磨,机床尺寸从600 ×400 ×350mm至7800 ×1100 ×800mm, 磨削宽度最大为1100mm,另外还有双立柱平磨和卧轴圆台平磨。ROSA平磨(图2-4)的主要特点:机床各大件铸件都用密烘铸铁,立柱为双层壁,床身采用蜂窝状筋条结构,机床刚性良好。各向导轨采用了涂耐磨材料等技术措施,确保摩擦因数低。 工作台纵向运动用二个液压筒,横向和垂直采用双预加载荷螺母的滚珠丝杠与交流电机驱动,用编码器控制;磨头主轴为套筒式结构,用向心止推球轴承支承,风扇冷却。 图2-4ROSA公司平面磨床 图2-5 无锡帅宏公司的ACUMEN700超精平磨 台湾众程在无锡的帅宏精密机械有限公司展出的ACUMEN700型号是一台超精平磨(见图2-5) 。垂直Y轴采用C5级滚珠丝杠和伺服电机,最小进给量为0.1μm;横向Z轴设有三段进刀,分粗、精、微三段设定进给量。在工作台上装有砂轮自动修整和补偿系统,工作台左边定位修整砂轮。磨头采用水冷式循环冷却,确保精度稳定。 杭州机床厂的HZ-K3020数控龙门式平面磨床，磨头垂直升降是由交流伺服电机驱动，通过同步带驱动滚珠丝杠副，拖动磨头沿拖板上的贴塑减摩滑动导轨上下移动。该机床的基本参数和主要规格（只列出本课题所需参考参数）如下[8]： 最大磨削工件尺寸（长×宽×高）：3000×2000×600mm 工作台面尺寸（长×宽）：3000×2000mm 工作台最大承载重量：9000kg 主轴中心线mm 磨头垂直移动距离：650mm 磨头垂直进给速度（交流伺服电机无级调速）：5-1500mm/min 磨头垂直最小进给量：0.002mm 砂轮尺寸（外径×宽度×内径）：500×100×203mm 磨头主轴转速：1200r/min 磨头电机功率：18.5kw 垂直进给交流伺服电机功率：7.7kw 机床电机总功率：72.7kw 机床外型尺寸：8800×4860×4000mm 机床净重：32000kg 以上为国内外几家公司部分产品的相关信息和参数，磨床的相关信息还有以下几点[5]： 高速磨削：砂轮线m/s， 工件进给速度为1000-10000m/min 缓进给磨削：磨削深度在0.5-30mm范围之内， 纵向进给速度在10-30mm/min范围之内 高速深切磨削工艺技术：工件进给速度为1000-2500mm/min, 砂轮为60-120m/s； 2.3磨床总体布局设计 该部分内容主要是确定所设计机床的主要参数，以备接下来的计算说明。 数控机床传动系统的参数有动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电机的功率，运动参数是指主运动的变速范围[9]。 （1）机床主传动的功率P可根据切削功率与主运动传动链的总效率由下式来确定 P=×。数控机床的加工范围一般都比较大，切削功率可根据有代表性的加工情况，由其主切削力按下式来确定： =（kw） （2.1） 式中，主切削力的切向分力 V切削速度 M切削扭矩 n主轴转速 主传动的总效率一般可取为，数控机床的主传动多用调速电机和有限的机械变速传动来实现，或直接由电主轴完成，传动链较短或无传动链，因此，效率可取较大值。单纯用理论计算的方法来确定功率尚有困难，通常要用类比、测试和理论计算等几种方法相互比较来确定。 （2）磨削加工的力比值（法向磨削力与切向磨削力之比）， 一般=3--14 磨削力的三个分力： （2.2） 式中，法向磨削力 切向磨削力 轴向磨削力 其中，，式中，为电动机传动效率； 为磨头电机实测输入功率kw；为砂轮转速，v/s；为砂轮直径，mm 一般磨削中，较小，可忽略不计。由于砂轮磨粒具有较大的负前角，所以法向磨削力大于切向磨削力，通常/在1.5--3范围之内。 磨削普通钢料时：/ 磨削淬硬钢时：/ 磨削铸铁时：/ 磨削工程陶瓷时：/=3.5--22 根据本课题设计要求，所设计磨床主要用于磨削普通钢料，因此取磨削加工力比值/ 磨削力的经验公式： （2.3） 式中，表示单位磨削力，b磨削加工宽度mm， （指数） 平面磨削力的实验公式求法： 回归方程为： 最后平面磨削力公式为： （2.4） 式中，砂轮线速度； 工件线速度； 磨削深度 还有以下几点参照情况，以确定参数： 1）在实际应用中，砂轮线）在缓进给深磨中，一次磨削深度可达到0--25mm； 3）一般来讲，按砂轮线速度的高低将磨削分为普通磨削（＜45m/s）、 高速磨削（45≤＜150m/s）、超高速磨削（≥150m/s）； 4)普通磨削砂轮速度常在30--35m/s左右，磨除率为1--50； 5)高速磨削≥45m/s,=60--250m/s,=1000--10000m/s； 6)缓进给磨削 =0.5--30mm，纵向进给速度在10--300mm/min； 7)高效深切磨削 =60--120m/s,工件进给

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