數(shù)控導(dǎo)軌磨床

1、吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中文摘要 數(shù)控導(dǎo)軌磨床MM52160整體采用雙柱式龍門(mén)框架結(jié)構(gòu)，由床身、工作臺(tái)、立柱、橫梁、滑板、磨頭等主要部件組成。M52160的主運(yùn)動(dòng)是周邊磨頭、萬(wàn)能磨頭帶動(dòng)砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床的縱向進(jìn)給由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，床身、工作臺(tái)為雙V型自定位導(dǎo)軌，提高了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線(xiàn)性。其中一條導(dǎo)軌體是橫向可浮動(dòng)的，補(bǔ)償了由于導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)熱而引起的導(dǎo)軌中心距的變化。水平和垂直方向的進(jìn)給均由伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件（橫滑板和垂直滑板）運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。該機(jī)床的控制系統(tǒng)采用主從式模塊化控制結(jié)構(gòu)，微機(jī)作為中央控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)控制模塊、主運(yùn)動(dòng)速度控制模塊、以及輔助

2、系統(tǒng)的集中控制管理。進(jìn)給系統(tǒng)的控制由PLC來(lái)完成。關(guān)鍵詞 數(shù)控導(dǎo)軌磨床 整體結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng) 外文摘要Title The design of Numerical control guideway grinder AbstractNumerical control guideway grinder MM52160 is formed of body section, workbench, upright column, beam, sliding plate and grinding head . The rotational movement of the periphery grinding

3、head and the universal grinding head is the primary motion of this numerical control guideway grinder. The longitudinal feed is realized by the hydraulics system. The workbench is driven by a hydraulics cylinder. There are two V-mode piece of guideway on the workbench ,one of which is relocatable. S

4、o the straightness of the longitudinal feed is greatly advanced. And the same time , it can compensate the variation of the guideways center distance caused by friction fever. The feed movement on both horizon and vertical direction is completed by sliding plate and ball screw driven by A.C servo-ac

5、tuator . The control system of this numerical control guideway grinder adopts master-slave mode and modular control structure. As a central control unit, the microcomputer centralized control and supervise the input system control module, the primary motion velocity control module, as well as the su

6、bsystem. The input system control module is controlled by a programmable logic controller. The velocity of primary motion is changed by transducer.Keywords numerical control guideway grinder structure control system目 錄1 引言42 機(jī)床總體方案及主要參數(shù)確定52.1 機(jī)床總體方案52.2 機(jī)床主要參數(shù)確定73 周邊磨頭部件設(shè)計(jì)73.1 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算73.2 周邊磨頭主軸部件

7、設(shè)計(jì)計(jì)算83.3 周邊磨頭垂直滑板設(shè)計(jì)計(jì)算184 床身工作臺(tái)設(shè)計(jì)204.1 床身工作臺(tái)總體尺寸確定204.2 床身工作臺(tái)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)205 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)225.1 控制對(duì)象的描述225.2 總體控制方案確定235.3 電氣控制系統(tǒng)硬件的選擇245.4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)26畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)33致謝34參考文獻(xiàn)34附錄 A36391 引言近些年來(lái)，隨著機(jī)械工業(yè)在我國(guó)的迅猛發(fā)展，被稱(chēng)為工作“母機(jī)”的金屬切削機(jī)床也有了前所未有的進(jìn)步。2003年開(kāi)始，中國(guó)就成了全球最大的機(jī)床消費(fèi)國(guó)，也是世界上最大的數(shù)控機(jī)床進(jìn)口國(guó)。磨床是機(jī)械加工后道工序的關(guān)鍵設(shè)備。車(chē)、銑、刨、鏜床等金切機(jī)床上難以加工的淬硬材料和難加工材料或達(dá)不

8、到精度要求的機(jī)械零件都在磨床上加工。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)品的加工精度越來(lái)越高，表面粗糙度越來(lái)越低， 使得磨床在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的作用越來(lái)越大。因而專(zhuān)用于導(dǎo)軌和平面加工的導(dǎo)軌磨床的需求量越來(lái)越大。而且， 國(guó)內(nèi)外實(shí)踐證明，用磨削方法加工的導(dǎo)軌表面，在工作中能很好形成油膜，耐磨性亦比刮研的導(dǎo)軌面高， 況且磨削加工機(jī)床導(dǎo)軌面比刮研的方法生產(chǎn)率要高。盡管近年來(lái)國(guó)內(nèi)的導(dǎo)軌磨床有了較大的發(fā)展，但與國(guó)外設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的先進(jìn)的導(dǎo)軌磨床相比尚有很大的差距，特別是在精度和自動(dòng)化方面，從而導(dǎo)致每年必須進(jìn)口相當(dāng)數(shù)量的數(shù)控導(dǎo)軌磨床。由此可見(jiàn)，加大力度設(shè)計(jì)和研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控導(dǎo)軌磨床是必要的也是必須的。下

9、面首先簡(jiǎn)單介紹一下國(guó)內(nèi)外數(shù)控導(dǎo)軌磨床的發(fā)展情況。目前，在國(guó)際上德國(guó)、日本和瑞典的機(jī)床制造水平最高。其中德國(guó)、瑞典在制造精度方面處于領(lǐng)先地位，日本則產(chǎn)量和自動(dòng)化方面占有優(yōu)勢(shì)。在諸多龍門(mén)導(dǎo)軌磨床制造廠之中， 以德國(guó)瓦德利?？卤?Waldrich Coburg)公司水平最高。該公司從70年代開(kāi)始發(fā)展數(shù)控導(dǎo)軌磨床。近年來(lái)在S系列的基礎(chǔ)上， 相繼開(kāi)發(fā)了SPS系列部分自動(dòng)華化龍門(mén)導(dǎo)軌磨床、SNC系列全自動(dòng)導(dǎo)軌磨床和SZ系列超級(jí)自動(dòng)化的磨削中心。SPS 系列磨床采用Siemens 810M 數(shù)控系統(tǒng)， 控制萬(wàn)能磨頭垂直(z軸)和水平(y軸)運(yùn)動(dòng)， 以及萬(wàn)能磨頭在垂直平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)( 軸)； 控制周邊磨頭的

10、垂直( 軸)和水平軸 軸)的運(yùn)動(dòng)。SNC系列壘自動(dòng)導(dǎo)軌磨床采用Siemens 850M或880M 的數(shù)控系統(tǒng)。除少數(shù)監(jiān)督功能外， 自動(dòng)完成全部磨削加工， 開(kāi)發(fā)了導(dǎo)軌磨床的專(zhuān)用軟件， 其最多控制軸可達(dá)l1軸。SZ系列超級(jí)自動(dòng)磨削中心，采用Siemens 850或880M 數(shù)控系統(tǒng)， 橫梁固定， 用一個(gè)萬(wàn)能磨頭， 其功率可達(dá)l 85kW 和22kW。垂直拖板的行程可達(dá)l250mm。裝備有砂輪庫(kù)， 可自動(dòng)換砂輪和砂輪罩殼， 具有雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)， 以提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。除裝卸工件外， 機(jī)床自動(dòng)完成全部磨削加工。包括砂輪的自動(dòng)修正和補(bǔ)償， 按NC要求進(jìn)行砂輪的動(dòng)平衡， 磨頭主軸的自動(dòng)定位，按NC要求實(shí)現(xiàn)機(jī)

11、床的磨削自動(dòng)工作循環(huán)。盡管近年來(lái)國(guó)內(nèi)的導(dǎo)軌磨床有了較大的發(fā)展，但與國(guó)外設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的先進(jìn)的導(dǎo)軌磨床相比尚有很大的差距。主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：1裝備方面機(jī)床精度，切削效率，自動(dòng)化程度， 吸塵防護(hù)以及操作性能與國(guó)外有關(guān)資料介紹的還有很大差距。另外， 機(jī)床的一些基礎(chǔ)件， 如各種液壓、氣動(dòng)、電子元件等可靠性不好， 從而影響了整機(jī)的性能。特別是：機(jī)床關(guān)鍵零部件，如導(dǎo)軌，箱體件，齒輪副，絲杠，軸等的加工工藝與國(guó)外相比還很落后，不能滿(mǎn)足高精密機(jī)床的要求。2加工方面國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的導(dǎo)軌磨床的磨削精度， 表面粗糙度， 表面波紋度等與國(guó)外先進(jìn)水平相比尚存在一定差距。3測(cè)量方面：與國(guó)外先進(jìn)水平相比， 國(guó)內(nèi)在對(duì)用導(dǎo)軌磨床加

12、工好的導(dǎo)軌副的測(cè)量技術(shù)也是落后的。國(guó)外普遍在生產(chǎn)車(chē)間直接采用精密測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量機(jī)床導(dǎo)軌，如激光測(cè)量?jī)x，電子水平儀， 電子千分尺 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。而國(guó)內(nèi)對(duì)于導(dǎo)軌副的測(cè)量還沒(méi)有普遍采用自動(dòng)測(cè)量。目前國(guó)內(nèi)數(shù)控導(dǎo)軌磨床的主要生產(chǎn)廠家有：上海重型機(jī)床廠、杭州機(jī)床集團(tuán)、長(zhǎng)春第一機(jī)床廠等。2 機(jī)床總體方案及主要參數(shù)的確定21機(jī)床總體方案 數(shù)控導(dǎo)軌磨床M52160整體采用雙柱式龍門(mén)框架結(jié)構(gòu)，由床身、工作臺(tái)、立柱、橫梁、滑板、磨頭等主要部件組成。其總體布局如圖1所示。1.橫梁 2.周邊磨頭橫滑板 3.周邊磨頭垂直滑板 4.周邊磨頭5.萬(wàn)能磨頭垂直滑板 6.萬(wàn)能磨頭 7.萬(wàn)能磨頭橫滑板 8.立柱9.床身 10.工

13、作臺(tái)圖2-1 機(jī)床總布局圖M52160的主運(yùn)動(dòng)是周邊磨頭、萬(wàn)能磨頭帶動(dòng)砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。周邊磨頭砂輪直徑大，磨削功率大，效率高，精度高，適合于磨削水平導(dǎo)軌以及大平面。萬(wàn)能磨頭可以繞中心回轉(zhuǎn)90度，能夠磨削不同角度的導(dǎo)軌面。機(jī)床的縱向進(jìn)給由雙活塞桿液壓缸驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，橫向進(jìn)給由伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠螺母絲杠螺母副帶動(dòng)橫滑板沿橫梁導(dǎo)軌作水平運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于兩個(gè)磨頭不可以同時(shí)工作，因此用同一臺(tái)伺服電機(jī)來(lái)控制兩個(gè)磨頭的橫向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)橫向進(jìn)給箱中的電磁離合器來(lái)選通需運(yùn)動(dòng)的磨頭。垂直方向的進(jìn)給由伺服電機(jī)、滾珠絲杠螺母副來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直滑板與橫滑板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。磨頭的水平及垂直運(yùn)動(dòng)均采用滾動(dòng)導(dǎo)軌，以消除爬行

14、， 導(dǎo)軌體為淬硬鋼條，提高壽命和精度保持性。機(jī)床床身浮置于地基之上，磨削受熱之后，可以在水平方向內(nèi)自由伸縮，從而提高了工件在垂直方向的直線(xiàn)度。其次，工作臺(tái)與立柱之間采用分離型結(jié)構(gòu)，以減小床身工作臺(tái)由于導(dǎo)軌之間的摩擦及液壓進(jìn)給系統(tǒng)發(fā)熱變形而對(duì)立柱、橫梁造成的影響，提高了磨頭的橫向運(yùn)動(dòng)精度。立柱與工作臺(tái)均有墊鐵支承，便于調(diào)整橫梁與工作臺(tái)的精度。另外，床身、工作臺(tái)為雙V型自定位導(dǎo)軌，使工作臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中受到對(duì)稱(chēng)摩擦力，消除了一V一平導(dǎo)軌由于摩擦不對(duì)稱(chēng)而產(chǎn)生的彎曲和震動(dòng)，提高了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線(xiàn)性，工作臺(tái)導(dǎo)軌表面貼塑，減小了滑動(dòng)摩擦系數(shù)，從而減小了所需的驅(qū)動(dòng)力和爬行現(xiàn)象，磨損小，壽命長(zhǎng)并有良好的抗震性。可以

15、降低對(duì)導(dǎo)軌材質(zhì)的要求，而且由于液體有吸震性，且剛性好，因而導(dǎo)軌有良好的抗震性及較大的承載能力。此外這種導(dǎo)軌有低速不爬行，運(yùn)動(dòng)均勻性好，以及驅(qū)動(dòng)力小等優(yōu)點(diǎn)。工作臺(tái)上的一條V型導(dǎo)軌與工作臺(tái)作為一體，另一條V型導(dǎo)軌體用橫向鍵與其保持橫向滑動(dòng)定位，稱(chēng)為自位導(dǎo)軌，由于這一條V型導(dǎo)軌體是橫向可浮動(dòng)的，工作臺(tái)和床身配合的二個(gè)V型導(dǎo)軌中心距能自動(dòng)調(diào)整正，補(bǔ)償由導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)熱而引起的中心距變化。22機(jī)床主要參數(shù)確定根據(jù)導(dǎo)軌磨床的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，參考其它普通導(dǎo)軌磨床的尺寸參數(shù)，數(shù)控導(dǎo)軌磨床M52160的基本參數(shù)確定如下最大磨削寬度 1600mm立柱間距 2000mm最大磨削長(zhǎng)度 6000mm最大磨削高度 1000m

16、m工件最大重量 9000Kg工作臺(tái)最大行程 6500mm工作臺(tái)速度 530m/min水平方向快速移動(dòng)速度 2000mm/min垂直方向快速移動(dòng)速度 2000mm/min砂輪尺寸 周邊磨頭 平面砂輪600100305 萬(wàn)能磨頭 平面形40063127 杯形40063127 碗形40063127加工精度為滿(mǎn)足一般機(jī)床的要求， 導(dǎo)軌要達(dá)到如下精度：在水平面內(nèi)的直線(xiàn)度小于001mmlOOOmm， 在垂直平面內(nèi)的直線(xiàn)度小于0OlmmlOOOmm，導(dǎo)軌平行度小于0O2mmlOOOmm，導(dǎo)軌表面粗糙度R 04。3 周邊磨頭部件設(shè)計(jì)31運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算3.1.1 主軸極限轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍（周邊磨頭）

17、由金屬切削加工手冊(cè)查得平面磨削砂輪的線(xiàn)速度范圍為v2030m/s,則主軸的轉(zhuǎn)速范圍n637955r/min由于其轉(zhuǎn)速變化范圍不是很大，可采用三相異步電機(jī)變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.1.2 最大磨削功率的確定由機(jī)床的實(shí)際加工過(guò)程可知，在粗磨大平面時(shí)機(jī)床消耗的功率最大，因此需根據(jù)該工況的工藝參數(shù)來(lái)計(jì)算主軸的最大功率。根據(jù)金屬切削加工手冊(cè)，平面粗磨的切削用量如下:工作臺(tái)速度 v100mm時(shí)，2h。（0.00040.0006）d=0.0440.066 取2h。0.045（6） 油腔深度 為保證足夠的承載面積 ，?。?）軸承的壁厚保證不形成薄壁零件，考慮油孔空間25（8）軸與軸承的配合間隙2h。的公差 h。 h

18、。，因此取h。（9）軸與軸承的幾何精度誤差（圓度、圓柱度、同軸度） 取D0.005（10）軸承外圓與箱體孔的配合 過(guò)盈量00.02mm（11）兩個(gè)向心軸承中心跨距l(xiāng) l（46）d400600 取l400mm（12）選擇節(jié)流比，液阻比考慮油溫變化而引起的值的變化，應(yīng)使油溫為2050度時(shí)1.53.0，液阻比。一般情況下，當(dāng)0.71，1.71時(shí)軸承具有最佳剛度，即1.71為最佳節(jié)流比（13）確定供油壓力 粗選供油壓力為2.5MPa則油腔壓力/14.6MPa（14）計(jì)算一個(gè)油腔的有效承載面積（15）計(jì)算軸承油膜剛度J （16）軸向推力軸承的結(jié)構(gòu)尺寸軸肩半徑：軸肩的厚度 當(dāng)d50200mm時(shí)，H。（0.

19、10.2）d1122mm取H。20mm3.2.3主軸帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算為了有效地將電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)與主軸隔離，在電機(jī)與主軸之間采用帶傳動(dòng)。因?yàn)閹鲃?dòng)有很好的緩沖、減震和吸陣作用。不需要減速因此傳動(dòng)比選1：1?？紤]傳動(dòng)的扭矩比較大且轉(zhuǎn)速較高，選用多楔v帶傳動(dòng)。多楔帶又稱(chēng)為復(fù)合三角帶，是一種新型的三角膠帶，由于它綜合了普通V帶和平膠帶的優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床的傳動(dòng)中正在獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它與普通V帶相比較，且有下列優(yōu)點(diǎn)： (1)傳動(dòng)功率大。由于多楔帶和帶輪的接觸好，各工作面間的裁荷分布均勻，故多楔帶的承裁能力高。(2) 消除了多根膠帶長(zhǎng)短不齊的現(xiàn)象。多楔帶振動(dòng)小，發(fā)熱少，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。(3)伸長(zhǎng)率小，使用壽命高

20、。 (4)運(yùn)轉(zhuǎn)速度高。由于多楔帶的斷面尺寸小，重量輕，強(qiáng)力層的耐曲撓性能好，適于以較小的帶輪直徑在高速下(達(dá)40 m/s)運(yùn)轉(zhuǎn)。多楔帶的具體計(jì)算如下，參考機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)（零件設(shè)計(jì)）表5.2-26（1）確定計(jì)算功率 查表5.2-5，K1.2（2）選擇多楔v帶型號(hào) 根據(jù)和查圖5.216，選M型多楔帶。（3）確定帶輪計(jì)算直徑由表5.2-20選帶輪推薦直徑180mm，由傳動(dòng)比1得180mm（4）初定中心距A。（中心距過(guò)大易振動(dòng)，過(guò)小則壽命低），即1801080考慮到結(jié)構(gòu)需求，初選1000mm（5）求膠帶計(jì)算長(zhǎng)度L 按表5.2-18選最接近的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2583mm(6) 計(jì)算準(zhǔn)確中心距 得， Aa/4=10

21、08.9mm帶的中心距是可以調(diào)整的，考慮安裝調(diào)整和補(bǔ)償初拉力（如帶伸長(zhǎng)而松弛后的張緊）的需要，中心距的變動(dòng)范圍為(7) 確定多楔帶的齒數(shù)Z 查表5.2-25得，1.972Kw；1.00；1.00則Z11.3，取Z12齒。多楔帶的具體斷面尺寸如下：齒距t9.5 H1.67 h9.6 h。13.05 （8）多楔帶輪的基本尺寸 外徑 寬度 ，取B125 帶輪材料為45鋼（9）多楔帶的張緊裝置 帶經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)后，就會(huì)由于塑性變形而松弛，使初拉力F。降低。為了保證傳動(dòng)能力，應(yīng)定檢查初拉力的數(shù)值。如發(fā)現(xiàn)不足時(shí)，必須重新張緊，才能正常工作。具體張緊裝置如周邊磨頭裝配圖中所示，將安裝有帶輪的電機(jī)安裝在基

22、座上，基座用螺栓固定在垂直滑板上，基座上的螺栓孔為長(zhǎng)槽，可使基座相對(duì)于垂直滑板上下滑動(dòng)。要調(diào)節(jié)帶的張緊力時(shí)，松開(kāi)基板上的各螺栓，旋動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘，將電機(jī)推到所需的位置，然后擰緊基座與垂直滑板的連接螺栓。3.2.3主軸端部卸荷帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于帶的張緊力對(duì)主軸的剛性影響很大，因此在主軸端部設(shè)計(jì)了卸荷帶輪結(jié)構(gòu)，將帶的拉力直接傳遞到主軸箱體上，而扭矩通過(guò)帶輪端蓋螺釘和鍵來(lái)傳遞到軸上，從而大大減小了主軸的徑向力，提高了主軸的剛性。由于端蓋螺栓以及鍵傳遞很大的扭矩，因此需校核其強(qiáng)度。（1）螺栓組聯(lián)接設(shè)計(jì)計(jì)算采用圓周均布，螺栓數(shù)Z=4，均布直徑d180。螺栓僅受扭矩T295Nm，則每個(gè)螺栓所受的工作剪力為819

23、.4N；螺栓所需的預(yù)緊力選擇螺栓材料為Q235，性能等級(jí)為4.6的螺栓，查表得 ，S1.5因此螺紋小徑按粗牙普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)，選用螺紋公稱(chēng)直徑d10（小徑8.3767.88mm）(2) 聯(lián)接平鍵的校核根據(jù)軸徑查表選擇鍵的尺寸是，普通平鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作表面被壓潰，強(qiáng)度條件為MPa可見(jiàn)，聯(lián)接鍵的強(qiáng)度足夠。3.2.4主軸強(qiáng)度校核主軸B點(diǎn)的在水平和垂直方向的彎矩分別為:垂直方向 水平方向 由前面的計(jì)算可得扭矩 主軸彎矩與扭矩如圖3-1所示，圖3-1 主軸彎矩與扭矩圖合成彎矩 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩及扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面B）的強(qiáng)度。則當(dāng)量彎矩 前以選定

24、軸的材料為40，調(diào)質(zhì)處理，查表得許用彎曲應(yīng)力因?yàn)?.94,故安全。精確校核軸的疲勞強(qiáng)度判斷危險(xiǎn)截面時(shí)，綜合分析考慮以下三方面的影響：載荷大小、軸徑大小、應(yīng)力集中程度。從受載情況來(lái)看，顯然截面B處的最大，但該處基本沒(méi)有應(yīng)力集中。而用來(lái)承受推力的軸肩處，載荷較大并且由于軸徑變化大，應(yīng)力集中嚴(yán)重，因此確定該截面為危險(xiǎn)截面。計(jì)算安全系數(shù)：軸肩截面處的抗彎截面模量為抗扭截面模量為 作用于該截面的彎矩為 M作用于該截面的扭矩為 截面上的彎曲應(yīng)力 截面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 軸的材料為40，調(diào)質(zhì)處理。由表查得，。 該截面處由于軸肩圓角形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)按 r/d=5/110=0.045,D/d=160/110=1

25、.45,經(jīng)插值后可查得， 又由附圖查得軸材料的敏性系數(shù)為 故有效應(yīng)力集中系數(shù)為 查表得尺寸系數(shù)為 表面質(zhì)量系數(shù)為 軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即，則按下式計(jì)算可得綜合影響系數(shù)值為故軸肩截面處的計(jì)算安全系數(shù)值可按下式計(jì)算得 顯然，該軸的疲勞強(qiáng)度足夠。3.2.5主軸剛度校核主軸的受力情況如下圖所示，軸承跨距400mm；懸伸量a176mm 圖3-2 主軸垂直方向受力圖主軸的變形主要由兩部分組成，主軸自身的受力變形和靜壓軸承油膜的受力變形，主要的精度要求是C點(diǎn)的撓度0.01mm1）由主軸變形產(chǎn)生的撓度 P在C點(diǎn)的撓度（E取200GPa）2）由油膜變形引起的撓度假設(shè)軸為剛性，則其受力變形情況如圖3-3， 圖3-

26、3 靜壓軸承油膜變形圖A、B兩點(diǎn)的支反力分別為：油膜剛度由前面計(jì)算可知J則根據(jù)疊加原理，C點(diǎn)的總變形量C3.3.2滾珠絲杠的支承方式選擇。為了提高絲杠剛度，絲杠采用兩端固定式支承，即兩端均用一個(gè)雙向止推軸承和一個(gè)向心球軸承支承。這種結(jié)構(gòu)方式可使絲杠的熱變形轉(zhuǎn)化為止推軸承的預(yù)緊力。根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，預(yù)選向心軸承代號(hào)6210，雙向推力軸承52208。由于該絲杠承受的徑向力很小，軸向力較大，因此只校核推力軸承的壽命。由前面的計(jì)算可知該推力軸承的最大軸向力AN，載荷系數(shù)按中等沖擊或中等慣性力選取，當(dāng)量動(dòng)載荷 則軸承的壽命一般情況下，金屬切削機(jī)床軸承的預(yù)期壽命選取2000030000h，因此該推力軸承壽命

27、足夠。3.3.2滾珠絲杠副的自鎖由于滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率高，無(wú)自鎖作用，為了防止垂直滑板在失電情況下由于自重下滑，在滾珠絲杠的末端增加制動(dòng)裝置，即失電制動(dòng)器。失電制動(dòng)器的原理是，當(dāng)電機(jī)得電工作時(shí)，電磁鐵線(xiàn)圈通電吸住壓簧，打開(kāi)摩擦離合器，電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)失電停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電磁鐵線(xiàn)圈亦同時(shí)斷電，在彈簧作用下摩擦離合器壓緊，使得滾珠絲杠不能轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直滑板就不會(huì)因自重而下沉了。為了保證制動(dòng)迅速可靠，需計(jì)算所需失電制動(dòng)器的制動(dòng)扭矩。由垂直滑板自重產(chǎn)生的使絲杠回轉(zhuǎn)的扭矩傳動(dòng)效率 （中徑處的螺旋角，當(dāng)量摩擦角）因此 考慮到安全以及制動(dòng)迅速，取制動(dòng)扭矩 根據(jù)以上計(jì)算，選用DHD150普通型失電制動(dòng)器。其

28、制動(dòng)扭矩為50N.m，功率27W。4 床身工作臺(tái)設(shè)計(jì)41床身工作臺(tái)總體尺寸確定床身工作臺(tái)總體尺寸的確定，根據(jù)工件的最大長(zhǎng)度為6m，確定工作臺(tái)長(zhǎng)度取6.5m，工作臺(tái)行程至少為6m，考慮工作臺(tái)在換向與停止過(guò)程中的緩沖，床身長(zhǎng)度取13m。42床身工作臺(tái)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)4.2.1導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式選擇導(dǎo)軌的作用是承受載荷和導(dǎo)向。考慮到導(dǎo)軌磨床M52160對(duì)承載能力和導(dǎo)向精度都要求很高，因此床身工作臺(tái)采用雙V浮動(dòng)表面貼塑導(dǎo)軌，雙V導(dǎo)軌不需要鑲條調(diào)整間隙，接觸剛度好，導(dǎo)向性和精度保持性好。兩導(dǎo)軌截面均為V形，對(duì)稱(chēng)布置使得工作臺(tái)的受熱變形均勻、對(duì)稱(chēng)，提高了加工平面的平行度和表面精度。工作臺(tái)導(dǎo)軌表面貼塑減小了滑動(dòng)摩擦系數(shù)，

29、從而減小了所需的驅(qū)動(dòng)力和爬行現(xiàn)。導(dǎo)軌工作臺(tái)截面如圖4-1所示。 工作臺(tái)上的一條V型導(dǎo)軌與工作臺(tái)一體，另一條V型導(dǎo)軌體用橫向鍵與其保持橫向滑動(dòng)定位，稱(chēng)為自位導(dǎo)軌，如圖4-2所示，由于這一條V型導(dǎo)軌體是橫向可浮動(dòng)的，工作臺(tái)和床身配合的二個(gè)V型導(dǎo)軌中心距能自動(dòng)調(diào)整，補(bǔ)償由導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)熱而引起的中心距變化。圖中所示螺釘是為了使裝配容易而設(shè)計(jì)的，浮動(dòng)導(dǎo)軌裝配時(shí)，先將橫向鍵固定到工作臺(tái)上，然后用長(zhǎng)螺釘將浮動(dòng)導(dǎo)軌與鍵連接，該螺釘?shù)念A(yù)緊力需用測(cè)力扳手控制，以保證工作臺(tái)受熱變形后可以在水平方向微量浮動(dòng)。工作臺(tái)導(dǎo)軌表面粘貼以聚四氟乙烯為基體的塑料軟帶，其特點(diǎn)是摩擦因數(shù)小，耗能低；動(dòng)靜摩擦因數(shù)接近，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)

30、性好；阻尼特性好，能吸收振動(dòng)，抗陣性好，有自身潤(rùn)滑作用，沒(méi)有潤(rùn)滑油也能正常工作，使用壽命長(zhǎng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)修理方便，磨損后容易更換，經(jīng)濟(jì)性好。但是，剛性較差，需校核導(dǎo)軌的比壓。 為提高導(dǎo)軌耐磨性和防止塑料軟帶撕傷，動(dòng)導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌應(yīng)具有不同的硬度。因此，工作臺(tái)導(dǎo)軌用普通鑄鐵，不淬火，床身導(dǎo)軌需淬火處理。圖4-1 導(dǎo)軌工作臺(tái)斷面圖圖4-2 浮動(dòng)導(dǎo)軌局部視圖4.2.2導(dǎo)軌的比壓計(jì)算導(dǎo)軌的損壞形式主要是磨損，而導(dǎo)軌的磨損又與導(dǎo)軌的比壓（單位面積上的壓力）有密切關(guān)系。因此在初步選定導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)尺寸后，應(yīng)該核算導(dǎo)軌面的比壓，使其限制在允許的范圍之內(nèi)。 工作臺(tái)導(dǎo)軌主要受加工工件和工作臺(tái)的重力。工件的最大重量

31、是9000Kg，估算工作臺(tái)的重量為6000Kg。則垂直向下的合力G由于采用雙v導(dǎo)軌，載荷對(duì)稱(chēng)分布，每條導(dǎo)軌受力為G/2每個(gè)導(dǎo)軌面所受的正壓力為導(dǎo)軌面的比壓為 查表得： 鑄鐵導(dǎo)軌的許用比壓為； 聚四氟乙烯貼塑導(dǎo)軌的許用比壓為；導(dǎo)軌面的比壓小于許用比壓，即導(dǎo)軌截面尺寸合理。4.2.3浮動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)向鍵的校核由導(dǎo)軌面比壓校核過(guò)程中的計(jì)算過(guò)程可知，浮動(dòng)導(dǎo)軌承受的摩擦力根據(jù)導(dǎo)軌截面尺寸確定橫向鍵尺寸為，浮動(dòng)導(dǎo)軌分兩段，每段由兩個(gè)鍵來(lái)導(dǎo)向，其中一個(gè)用來(lái)承受力，另一個(gè)主要起限制導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。因此，只有兩個(gè)鍵同時(shí)受力。其強(qiáng)度條件為 （考慮到工作臺(tái)換向與停止過(guò)程中的沖擊，取載荷系數(shù)K2）可見(jiàn)，橫向鍵的強(qiáng)度是足夠

32、的。5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)51控制對(duì)象的描述數(shù)控導(dǎo)軌磨床的運(yùn)動(dòng)控制主要包括三部分，主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)。主運(yùn)動(dòng)的控制是指周邊磨頭、萬(wàn)能磨頭的轉(zhuǎn)速控制。進(jìn)給系統(tǒng)則包括工作臺(tái)的縱向進(jìn)給、橫滑板和垂直滑板的橫向及垂直進(jìn)給。輔助系統(tǒng)時(shí)指潤(rùn)滑系統(tǒng)、靜壓軸承供油系統(tǒng)等輔助運(yùn)動(dòng)電機(jī)的開(kāi)停控制。其中進(jìn)給系統(tǒng)的控制最復(fù)雜。根據(jù)加工工藝需要，周邊磨頭有五種進(jìn)給方式：快速移動(dòng)、慢速移動(dòng)、周期進(jìn)給、連續(xù)進(jìn)給以及微量進(jìn)給；萬(wàn)能磨頭有三種進(jìn)給方式快速移動(dòng)、慢速移動(dòng)和微量進(jìn)給。但周邊磨頭和萬(wàn)能磨頭不能夠同時(shí)工作，因此可以只用一個(gè)伺服電機(jī)，通過(guò)電磁離合器來(lái)選擇需要進(jìn)給的磨頭。該導(dǎo)軌磨床的基本工作流程如下a.開(kāi)機(jī)，靜壓軸承

33、供油系統(tǒng)啟動(dòng)，液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)啟動(dòng)。b.磨頭旋轉(zhuǎn)。c.啟動(dòng)橫梁進(jìn)給系統(tǒng)（包括橫滑板、垂直滑板進(jìn)給）。d.啟動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)給液壓泵。e.開(kāi)始執(zhí)行工作循環(huán)。f.工作循環(huán)完成，磨頭回零點(diǎn)。g.機(jī)床停止。由以上動(dòng)作流程可以看出，導(dǎo)軌磨床的進(jìn)給過(guò)程在很大程度上屬于順序動(dòng)作流程，因此非常適合于應(yīng)用PLC來(lái)控制。52總體控制方案的確定根據(jù)上述對(duì)控制對(duì)象的描述和具體的控制要求，該控制系統(tǒng)可采用主從式模塊化控制結(jié)構(gòu)，微機(jī)作為中央控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)控制模塊、主運(yùn)動(dòng)速度控制模塊、以及輔助系統(tǒng)的集中控制管理。主控微機(jī)將操作員通過(guò)鍵盤(pán)輸入的數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部軟件的運(yùn)算處理，通過(guò)串行通信接口RS232C傳送給進(jìn)給模塊的PLC以及

34、主控系統(tǒng)的變頻器。進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)用可編程序控制器（PLC）作為核心控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備各種執(zhí)行器件（包括進(jìn)給伺服電機(jī)、各油泵電機(jī)以及電磁離合器等）的控制。主控微機(jī)還可以直接讀取伺服電機(jī)控制器的內(nèi)部控制數(shù)據(jù)，從而檢測(cè)進(jìn)給系統(tǒng)的工作狀態(tài)；同時(shí)它還通過(guò)內(nèi)部軟件程序?qū)z測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為視頻信息，直觀地顯示在屏幕上。主軸旋轉(zhuǎn)速度由變頻器來(lái)控制，變頻器可與主控微機(jī)進(jìn)行串行通信。該系統(tǒng)的控制框圖如圖5-1。圖5-1 控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)內(nèi)部信息交換微機(jī)發(fā)出：微機(jī)向PLC發(fā)出各種控制數(shù)據(jù)，如工作磨頭序號(hào)、橫滑板和垂直滑板運(yùn)動(dòng)位移以及運(yùn)動(dòng)速度以及磨頭工作循環(huán)所需的其他數(shù)據(jù)。 微機(jī)向變頻器發(fā)出頻率控制信號(hào)。微機(jī)接收：伺服

35、驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部狀態(tài)，即進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。PLC 發(fā)出：伺服驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)，其它各輔助運(yùn)動(dòng)控制的信號(hào)。PLC 接收：微機(jī)控制信號(hào)，各執(zhí)行元件狀態(tài)信號(hào)，及伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)到位信號(hào)。53電氣控制系統(tǒng)硬件的選擇5.3.1伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇橫梁伺服電機(jī)與垂直滑板伺服電機(jī)均選用和利時(shí)交流伺服電機(jī)，具體型號(hào)為130MB100B-2CE6E，該電機(jī)的技術(shù)參數(shù)在表5-1中列出。根據(jù)伺服電機(jī)的要求，伺服驅(qū)動(dòng)器選擇森創(chuàng)GS0150G，該系列伺服驅(qū)動(dòng)器以美國(guó)TI公司最新的數(shù)字處理芯片（DSP）作為核心控制芯片，采用了先進(jìn)的全數(shù)字電機(jī)控制算法，完全以軟件方式實(shí)現(xiàn)了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備良好的魯

36、棒性和自適應(yīng)能力，可配合多種規(guī)格的伺服電機(jī)，適應(yīng)于各種需要快速響應(yīng)的精密轉(zhuǎn)速控制與定位控制的應(yīng)用系統(tǒng)。 在本控制系統(tǒng)中主要用到以下幾個(gè)控制引腳7腳：輸入公共端23腳：伺服使能端27腳：脈沖指令信號(hào)輸入12腳：脈沖指令信號(hào)輸入28腳：方向/脈沖指令信號(hào)輸入13腳：方向/脈沖指令信號(hào)輸入表5-1 130MB100B-2CE6E型伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù)額定輸出功率W額定轉(zhuǎn)矩 N.m最大轉(zhuǎn)據(jù) N.m額定轉(zhuǎn)速 rpm最高轉(zhuǎn)速 rpm15007.51820002500電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量 Kg.cm2轉(zhuǎn)矩系數(shù) N.m/A額定相電流 A瞬間最大相電流A適配驅(qū)動(dòng)器13.11.356.716.0GS0150G電樞繞組相電阻

37、電樞繞組相電感 mH機(jī)械時(shí)間常數(shù) ms電氣時(shí)間常數(shù) ms重量Kg1.249.527.2411.55.3.2 PLC的選擇 根據(jù)市場(chǎng)情況，OMRON公司的PLC產(chǎn)品指令功能強(qiáng)大，處理復(fù)雜控制的功能強(qiáng);編程語(yǔ)言梯形圖和指令助記符并重，編程簡(jiǎn)單，易掌握；特殊功能模塊和智能模塊品種多，使用方便；網(wǎng)絡(luò)配置簡(jiǎn)單，實(shí)用，價(jià)格低。因此決定選用歐姆龍品牌PLC。CQM1H系列PLC是OMRON公司新近推出的中型PLC，該系列PLC為模塊式結(jié)構(gòu)，最多可插11個(gè)模塊，I/O可達(dá)512點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足該系統(tǒng)的輸入輸出需求。CQM1H系列PLC自帶RS232c串行通信接口，可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信。CQM1H系列PLC擁有脈

38、沖I/O擴(kuò)展模塊，可以輸出520kHZ的高速脈沖，能夠滿(mǎn)足伺服控制器速度控制端口的高頻脈沖信號(hào)需求。PLC及其擴(kuò)展模塊的具體選擇CPU模塊：CQM1HCPU51I/O模塊: 輸入模塊 CQM1ID212 16點(diǎn) 輸出模塊 CQM1OC221（2塊） 8點(diǎn) 高速脈沖I/O模塊 表5-2 PLC輸入輸出點(diǎn)明細(xì)輸入點(diǎn)元件名稱(chēng)及代號(hào)輸出點(diǎn)元件名稱(chēng)及代號(hào)00000啟動(dòng)按鈕SB110000伺服驅(qū)動(dòng)器1 23口00001急停按鈕SB210001伺服驅(qū)動(dòng)器1 28口00002工作臺(tái)行程開(kāi)關(guān)SQ1110002伺服驅(qū)動(dòng)器2 23口00003工作臺(tái)行程開(kāi)關(guān)SQ1210003伺服驅(qū)動(dòng)器2 28口00004工作臺(tái)限位開(kāi)

39、關(guān)SQ1310004伺服驅(qū)動(dòng)器3 23口00005工作臺(tái)限位開(kāi)關(guān)SQ1410005伺服驅(qū)動(dòng)器3 28口00006左橫滑板限位開(kāi)關(guān)SQ211000600007右橫滑板限位開(kāi)關(guān)SQ221000700008橫滑板防碰撞限位開(kāi)關(guān)SQ2310100周邊磨頭電機(jī)繼電器KM100009左垂直滑板限位開(kāi)關(guān)SQ3110101萬(wàn)能磨頭電機(jī)繼電器KM200010左垂直滑板限位開(kāi)關(guān)SQ3210102絲杠電磁離合器KM300011右垂直滑板限位開(kāi)關(guān)SQ3310103絲杠電磁離合器KM400012右垂直滑板限位開(kāi)關(guān)SQ3410104靜壓軸承供油泵電機(jī)00013伺服電機(jī)完成信號(hào)開(kāi)關(guān)KM1110105潤(rùn)滑系統(tǒng)油泵電機(jī)0001

40、4伺服電機(jī)完成信號(hào)開(kāi)關(guān)KM1210106工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī)00015伺服電機(jī)完成信號(hào)開(kāi)關(guān)KM1310107報(bào)警燈、鈴54控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)梯形圖編程是PLC程序設(shè)計(jì)的主要形式，梯形圖直觀、形象、易于接受。該程序段主要完成磨床從開(kāi)機(jī)到完成加工以及回到零位過(guò)程中的順序動(dòng)作控制。下面簡(jiǎn)單介紹梯形圖各程序斷的含義。1）機(jī)床開(kāi)機(jī)，首先啟動(dòng)液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)油泵和靜壓軸承供油油泵，在這兩者未工作時(shí)其他任何部件都不可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)。圖5-2 PLC控制梯形圖(1)2）液壓系統(tǒng)啟動(dòng)的同時(shí)，計(jì)算機(jī)與PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。待液壓系統(tǒng)完全啟動(dòng)以及數(shù)據(jù)通信完成之后，根據(jù)通信數(shù)據(jù)，接通所需工作磨頭的離合器，橫滑板開(kāi)始進(jìn)給。兩個(gè)

41、磨頭的離合器與繼電器均通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)互鎖。圖5-3 PLC控制梯形圖(2) 3）橫滑板到位之后，伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出到位信號(hào)到PLC的輸入端，然后垂直滑板開(kāi)始進(jìn)給。垂直滑板的控制方法與橫滑板基本相同。圖5-4 PLC控制梯形圖(3)4）垂直滑板到位之后，工作臺(tái)開(kāi)始進(jìn)給，進(jìn)入工作循環(huán)，工作循環(huán)的控制由子程序完成，這里并不涉及。圖5-5 PLC控制梯形圖(4)5）當(dāng)機(jī)床完成每次工作循環(huán)之后，自動(dòng)回到零點(diǎn)。其回位過(guò)程正好與進(jìn)給相反。具體順序如下：垂直滑板回位；橫滑板回位；主軸電機(jī)停轉(zhuǎn)； 延時(shí)，待主軸完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)之后，液壓系統(tǒng)斷電。 該過(guò)程的控制程序如圖5-6圖5-6 PLC控制梯形圖(5)根據(jù)梯形圖編寫(xiě)的

42、指令程序如表5-2所示：表5-2 PLC指令語(yǔ)句表序號(hào)指令 說(shuō)明序號(hào)指令說(shuō)明123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142LD NOT 00004AND NOT 00006AND NOT 00009AND NOT 00012OUT 01600LD 00000OR 10105AND NOT 00001AND 01600OUT 10104OUT 10105LD 10105AND NOT TIM001TIM 001 #0030LD 00000RXD 080 085 #0005LD AR08AND

43、NOT 08001AND 08000OUT 10100OUT 10102LD AR08AND NOT 08000AND 08001OUT 10101OUT NOT 10103LD AR08AND NOT TIM001TIM 001 #0030LD TIM001AND NOT 00013AND 01600AND NOT 00001OUT 10000OUT 10001PULS 000開(kāi)機(jī)啟動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)啟動(dòng)靜壓軸承供油泵數(shù)據(jù)通信判斷、并啟動(dòng)工作磨頭，接通橫梁電磁離合器43444546474849505152535455565758596061626364656667686970717273747576

44、7778798081828384AND NOT 000 IR081LD 00013OR 01601AND 01600AND NOT 00001OUT 01601LD 01601AND NOT 00014AND 08000AND NOT 08001OUT 10002OUT 10003PULS 000 000 IR082LD 01601AND NOT 00015AND 08001AND NOT 08000OUT 10004OUT 10005PULS 000 000 IR082LD 00014OR 00015OR 10106AND NOT 00002OUT 10106LD 00002AND TIM001TIM 001 #0030LD TIM001AND NOT 00014AND 08000AND NOT 08001AND 25314OUT 10003橫滑板進(jìn)給垂直滑板進(jìn)給開(kāi)始工作循環(huán)完成延時(shí)858687888990919293949596979899100101102103104105106OUT 10002PULS 000 000 IR082LD TIM001AND NOT 00015AND 08001AND NOT 08000AND 25314OUT 10005