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湖 南 科 技 大 學(xué)
瀟湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目
臥軸矩MK7120型精密數(shù)控平面磨床砂輪架及其垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)及砂輪修整器設(shè)計(jì)
作者
周佳偉
學(xué)院
瀟湘學(xué)院
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
學(xué)號
1053010516
指導(dǎo)教師
鄧朝暉
二〇一四 年 六 月 一 日
湖 南 科 技 大 學(xué)
瀟湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
機(jī)電工程 系 機(jī)電 教研室
教研室主任: （簽名） 2014 年 2 月 27 日
學(xué)生姓名: 周佳偉 學(xué)號: 1053010516 專業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專題： 臥軸矩MK7120型精密數(shù)控平面磨床砂輪架及其垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)及砂輪修整器設(shè)計(jì)
2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2014 年 2 月 25日開始至 2014 年6 月 4 日止
3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料：
1）CAD制圖軟件
2）機(jī)械設(shè)計(jì)手冊
3）相關(guān)參考文獻(xiàn)
4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
1) 磨床的總體布局設(shè)計(jì)；
2) 砂輪架設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制砂輪架機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖；
3）砂輪架垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，伺服電機(jī)和滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)裝配圖；
4）砂輪修整器設(shè)計(jì)，繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖；
5）磨床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選用；
6）撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。
5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說明與圖紙或論文等）及要求：
提交畢業(yè)論文說明書；
總工作量折合A0圖紙2.5張以上。
6 發(fā)題時(shí)間： 2014 年 2 月 27 日
指導(dǎo)教師： （簽名）
學(xué) 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學(xué)
瀟湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評價(jià)]
指導(dǎo)人： （簽名）
年 月 日
指導(dǎo)人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
瀟湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評閱人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評價(jià)]
評閱人： （簽名）
年 月 日
評閱人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
瀟湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄
日期：
學(xué)生： 學(xué)號： 班級：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會下列材料：
1 設(shè)計(jì)（論文）說明書 共 頁
2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙 共 頁
3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會評語：
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的研究思路，設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計(jì)（論文）的介紹，回答問題情況等進(jìn)行綜合評價(jià)]
答辯委員會主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
摘 要
隨著數(shù)控磨床的發(fā)展，磨床在加工機(jī)床中占有的比例越來越大。磨削技術(shù)也逐漸在制造業(yè)中占據(jù)了及其重要的位置。本文由緒論、磨床總體布局設(shè)計(jì)、砂輪架、砂輪架垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、伺服電機(jī)和滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算、砂輪修整器、數(shù)控系統(tǒng)的選用、總結(jié)和致謝幾個(gè)部分組成。目的是設(shè)計(jì)一臺精密數(shù)控平面磨床，用于機(jī)械制造業(yè)及模具制造行業(yè)，能加工各種難加工材料。緒論部分闡述了磨床的背景和國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，通過查找資料、討論和計(jì)算確定磨床的總體布局設(shè)計(jì)；參考大量資料后，確定了砂輪架的主軸和電機(jī)的設(shè)計(jì)；在指導(dǎo)老師的幫助下，參觀工廠實(shí)物確定砂輪修整器為制動式砂輪研磨修整法；最后做了控制電路的設(shè)計(jì)。最后，通過總結(jié)對設(shè)計(jì)做了一個(gè)回顧，并對高精密數(shù)控平面磨床做了展望。
關(guān)鍵詞：磨床；砂輪架；垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)；砂輪修整器
Summary
With the development of CNC grinding machine, grinding machine tool occupies in the proportion is growing. Grinding technology is gradually occupied in manufacturing and its important position. This design by the introduction, grinders overall layout,wheel frame,wheel frame vertical feed mechanism design,servo motor and ball screw design calculations, selection of Dresser,CNC system,consisting of a summary and thank several parts.Purpose is to design a precision CNC surface grinder, used in machinery manufacturing and mold manufacturing industry, can process a variety of difficult materials. Introduction section explains the background grinder development status at home and abroad, through to find information, discussions and calculations to determine the overall layout design grinder; reference lot of information to determine the grinding wheel spindle and motor frame design; In the instructor's help,visit the factory to determine the kind of braking style dresser grinding wheel dressing method;finally made the design of the control circuit.Finally, a summary of the design to make are view, and high-precision CNC surface grinder put forward.
Keywords: Grinder; wheel frame; vertical feed mechanism; Dresser
vi
湖南科技大學(xué)瀟湘學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
目 錄
第一章 緒論…………………………………………………………………..…...............1
1.1 課題背景目的………………………………………………………………….… 1
1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況………………………………...……………………..………….2
1.2.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀………………………………………………….……2
1.2.2 國內(nèi)外發(fā)展趨勢………………………………………………….……3
1.3 課題的研究方法…………………………………………………………….…….4
1.4 設(shè)計(jì)任務(wù)與論文構(gòu)成……………………………………………………….…….5
1.4.1 論文的構(gòu)成…………………………………………………………….5
1.4.2 設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容………………………………………………….……5
1.5 設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)……………………………………………………………………....6
第二章 總體設(shè)計(jì) …………………………………………………….………......….....7
2.1 總體布局的設(shè)計(jì) …………………………………….…………………………...7
2.2 運(yùn)動形式的設(shè)計(jì) ………………………………………………………...........….8
第三章 砂輪架的設(shè)計(jì) ……………………………………………………………… ..9
3.1 主軸的設(shè)計(jì)及校核… ………………………………………………………………….…. .9
3.1.1 主軸的設(shè)計(jì) ……………………………………..…..…..…..…..…..…..…..….9
3.1.2 主軸的剛度校核………………………………..…..…..…..…..…..…..…..… 11
3.2 軸承的設(shè)計(jì) ……………………………………....…………………………………..…...14
3.3 主軸電機(jī)的選擇 …… ………………………………………………………….. 15
3.4 聯(lián)軸器的選擇........………………………………………………………………..15第四章 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ………………………...…….…………………........17
4.1 磨削力的計(jì)算 ........................................................................................................17
4.2 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)布局設(shè)計(jì) ........................................................................................20
4.2.1 進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)滿足的要求 .........................................................................20
4.3 垂直進(jìn)給驅(qū)動伺服電機(jī)的選擇 ............................................................................21
viii
湖南科技大學(xué)瀟湘學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
4.4 垂直方向滾珠絲杠的設(shè)計(jì) ......................................................................................21
4.4.1 滾珠絲杠的計(jì)算 ............................................................................................21
4.2.2 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)使用中應(yīng)注意的問題 .....................................................25
4.5 直線導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)與選擇 ..........................................................................................26
4.5.1 導(dǎo)軌應(yīng)滿足的要求 .....................................................................................26
4.5.2 直線導(dǎo)軌的選擇 .........................................................................................26
第五章 制動式砂輪修整器的設(shè)計(jì) .………………………………….…..............27
5.1 砂輪的修整方法和原理……………….....................................................................27
5.2 制動式砂輪修整的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與修整原理 ................................................................27
5.3 制動式砂輪修整切入式的修銳效果 ........................................................................27
5.4 主軸功率的計(jì)算 ........................................................................................................28
5.5 砂輪電機(jī)的選擇 ......................................................................................................28
5.6 聯(lián)軸器的選取 ..........................................................................................................29
5.8 軸承的設(shè)計(jì) ..............................................................................................................30
5.9 制動式砂輪修整器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .................................................................................31第六章 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .............................................................................................32
6.1 數(shù)控系統(tǒng)的概述 ....................................................................................................32
6.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇……………………………………………………………….....32
第七章 結(jié)論 ....................................................................................................................34參考文獻(xiàn) ...........................................................................................................................35
致謝 ..................................................................................................................................36
第一章 緒論
1.1 課題背景
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)、原子能、激光、宇航和國防等技術(shù)部門對零件的加工精度和表面質(zhì)量要求越來越高。尤其是高檔汽車發(fā)展的需要和芯片產(chǎn)業(yè)的不斷膨脹和升級，對加工精度和質(zhì)量不斷提出新的要求，也不斷促進(jìn)了機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展。精密加工技術(shù)的研究及應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國家的機(jī)械制造業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)水平的重要依據(jù)。各國，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國家對精密加工技術(shù)極其重視，投入了大量的資金對其進(jìn)行研究，以保證其尖端技術(shù)產(chǎn)品處于國際領(lǐng)先地位，提高其產(chǎn)品在國際中的競爭力。
此外，現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)之所以致力于提高零件加工精度，其主要原因還在于：
1. 提高零件的加工精度，可提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。英國Rolls-Royce公司的 資料表明，將飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的加工精度由60um提高到12um，加工表面粗糙度由Ra0.5um減少到Ra0.2um，則發(fā)動機(jī)的壓縮效率將從89％提高到94％。20世紀(jì)80年代初，前蘇聯(lián)從日本引進(jìn)了四臺精密數(shù)控銑床，用于加工螺旋槳曲面，使其潛艇的水下航行噪音大幅度下降，即使使用精密的聲納探測裝置也很難發(fā)現(xiàn)潛艇的行蹤，此事震驚了西方的國防部門。
2. 提高零件的加工精度可促進(jìn)產(chǎn)品的小型化。傳動齒輪的齒形及齒距誤差影響了其傳遞扭矩的能力。若將該誤差從目前的3—6um降低到1um，則齒輪箱單位重量所能傳遞的扭矩將提高一倍，從而可使目前的齒輪箱尺寸大大縮小。IBM公司開發(fā)的磁盤，其記憶密度由1957年的300bit/cm提高到1982年的254萬bit/cm，提高了近一萬倍，這在很大程度上應(yīng)歸功于磁盤基片加工精度的提高和表面粗糙度的減小。
3. 提高零件的加工精度可增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配率，促進(jìn)自動化裝配應(yīng)用，推進(jìn)自動化生產(chǎn)。自動化裝配是提高裝配生產(chǎn)率和裝配質(zhì)量的重要手段。自動化裝配的前提使零件必須完全互換，這就要求嚴(yán)格控制零件的加工公差，從而導(dǎo)致零件的加工精度要求極高，精密加工成為可能[1]。
精密機(jī)床是實(shí)現(xiàn)精密加工的首要基礎(chǔ)條件，隨著加工精度要求的提高和精密加工技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的精度不斷提高，精密機(jī)床獲得了迅速的發(fā)展。
二戰(zhàn)后，為了滿足國防工業(yè)和尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國首先發(fā)展了金剛石刀具精密切削技術(shù)，并為此發(fā)展了空氣軸承的高性能精密車床。50年來，美國在這方面投入了大量的財(cái)力、人力和物力，并研究開發(fā)了超精密切削機(jī)床。超精密機(jī)床是綜合性新技術(shù)的 結(jié)晶，它綜合應(yīng)用多項(xiàng)近代新技術(shù)于精密機(jī)床，使精密機(jī)床產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。近年來，精密和超精密技術(shù)在民用產(chǎn)品中亦得到廣泛的應(yīng)用，如加工計(jì)算機(jī)磁盤，復(fù)印機(jī)的硒鼓，錄像機(jī)磁鼓，激光打印機(jī)的多棱鏡等。
我國精密和超精密機(jī)床的生產(chǎn)和研制起步比較晚，和國外的差距較大。由于涉及到許多保密技術(shù)，從國外引進(jìn)超精密機(jī)床受到限制，我們必須加大力度研制性能更優(yōu)越的超精密機(jī)床，為國防工業(yè)、尖端技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造條件。
據(jù)歐洲機(jī)床展覽會（EMO）的調(diào)查表明：25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)，車削只占23%，轉(zhuǎn)削占22%，其它的占8%；由此可見，在精密加工當(dāng)中，有許多零部件是通過精密磨削來達(dá)到其要求的，而精密磨削加工需要在相應(yīng)的精密磨床上進(jìn)行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。而磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá)42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%[2]。而在這一大批的磨床中仍有不少是低端產(chǎn)品，很難適應(yīng)機(jī)械行業(yè)快速發(fā)展的需求。尤其是在國內(nèi)，這種情況就是更加嚴(yán)重，并且大多數(shù)磨床并沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)控化。加上我國汽車行業(yè)不斷升溫，芯片行業(yè)也開始成長，此外，為了提高產(chǎn)品的性能，一些新材料也涌現(xiàn)出來，難加工的脆硬材料也開始增多，以及一些磨削研究的需要。這一系列的情況都要求我國研究適合國情的高精度磨床。
1.2國內(nèi)外數(shù)控平磨發(fā)展概況
充分的了解國內(nèi)外在磨床領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r能對本次設(shè)計(jì)有很大的幫助，不僅能加深對本次設(shè)計(jì)的興趣，并且在其中也能接觸到大量的各種磨床，有許多磨床的結(jié)構(gòu)和原理在本次設(shè)計(jì)中是很有參考價(jià)值的,它們對本次設(shè)計(jì)有很大的啟發(fā)。
1.2.1國內(nèi)數(shù)控平磨發(fā)展?fàn)顩r
目前有四個(gè)國際機(jī)床展覽會，其中一個(gè)就是在中國，因此可以看出中國在機(jī)床行業(yè)的地位也是不可忽略的。雖然我國的工業(yè)起步較晚，各類基礎(chǔ)技術(shù)和知識都不是很成熟，制約了我國磨床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。必須承認(rèn)我國在磨床領(lǐng)域與德國、日本和歐洲等國家有很大的差距，尤其是一些核心技術(shù)有待我們?nèi)パ芯?。我國現(xiàn)在的磨床生產(chǎn)主要還是放在學(xué)習(xí)階段，不斷的引進(jìn)先進(jìn)的磨床設(shè)備進(jìn)行消化吸收開發(fā)自己的產(chǎn)品。但這也并失為一個(gè)較好的方法，日本成功的經(jīng)驗(yàn)也使我們看到了希望。要發(fā)展磨床不單單是只發(fā)展磨床就可以的，它是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品，能很好的代表國家在機(jī)電行業(yè)的發(fā)展水平，尤其是數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)更是要求國家綜合科技實(shí)力的提高。
我國從80年代開始生產(chǎn)數(shù)控平面磨床，各開發(fā)廠家分別走過了自行研制，與大學(xué)及科研單位合作開發(fā)至直接引進(jìn)成熟數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展道路。例如：杭州機(jī)床廠是一家具有五十年歷史，專業(yè)生產(chǎn)平面磨床的制造廠，它從80年代中期開始生產(chǎn)數(shù)控平磨，先后開發(fā)生產(chǎn)出各種型號的平面磨床,同時(shí)國內(nèi)也涌現(xiàn)出了一些很有實(shí)力的磨床廠家，比如說有：天津津醫(yī)數(shù)控磨床有限公司，西安第三機(jī)床廠、廣西桂北磨床廠、南通機(jī)床股份有限公司還有浙江的榮德機(jī)械有限公司。尤其是杭州機(jī)床廠擁有相當(dāng)?shù)膶?shí)力，一直是磨床領(lǐng)域的領(lǐng)軍廠家，它通過不斷的引進(jìn)國外先進(jìn)磨床進(jìn)行消化，在制造方面有了自己的一些獨(dú)到之處，尤其是該公司較高的性價(jià)比很受國內(nèi)的歡迎。尤其是在今年北京的國際機(jī)床展覽會上展出的一臺MGK7350型數(shù)控高精度臥軸圓臺平面磨床，該磨床采用了中腰立柱移動作橫向進(jìn)給，床身機(jī)構(gòu)剛性好，磨削工作平穩(wěn)，在機(jī)構(gòu)上有了很好的創(chuàng)新，緊跟國際趨勢。此外，這臺磨床的加工表面粗糙度達(dá)到了Ra0.08，這是一個(gè)較高的精度等級了。
其實(shí)在國內(nèi)的磨床最高水平還是在臺灣，由于臺灣跟國外一些先進(jìn)廠家接觸較早也較多，因此，已掌握了相當(dāng)部分的核心技術(shù)，自己的產(chǎn)品也很有自己的特色，也受到國際上的歡迎，產(chǎn)品也大量出口。臺灣的主要廠家有：福裕公司、建德（KENT）公司及縱程公司。尤其是福裕公司成立1978年，是臺灣最大的高精度平面磨床生產(chǎn)廠，在國際上也是較為著名的平磨生產(chǎn)廠，該公司出口的磨床在臺灣全部磨床出口的一半，尤其是“Chevalier”品牌在歐美等地有較高知名度。該公司設(shè)計(jì)的磨床外形美觀，色彩搭配很好，令人賞心悅目，很受大陸市場歡迎，最近在上海設(shè)廠就地生產(chǎn)，這對我國磨床發(fā)展和合作無疑是一個(gè)很好的機(jī)會和平臺。
在磨床的核心部分——數(shù)控系統(tǒng)，在國內(nèi)也有一些公司正在研究，也有一些產(chǎn)品問世，雖然在功能和性能上和國際著名廠家的產(chǎn)品有很大的差距，但在一些要求不是很高的機(jī)床上也有使用。相信通過我們的努力一定會在這個(gè)領(lǐng)域有新的進(jìn)步，不斷學(xué)習(xí)，不斷探索，不斷研究，我國的磨床事業(yè)一定會上到一個(gè)新的臺階。
1.2.2國外數(shù)控平磨發(fā)展趨勢
數(shù)控平面磨床由于對數(shù)控系統(tǒng)的特殊要求而相對于數(shù)控車床、銑床等的發(fā)展較晚。近十幾年來，借助CNC技術(shù)，磨床上砂輪的連續(xù)修整，自動補(bǔ)償，自動交換砂輪，多工作臺，自動傳送和裝夾工件等操作功能得以實(shí)現(xiàn)，數(shù)控技術(shù)在平面磨床上逐步普及。
前幾年德國ELB公司生產(chǎn)的BRILLIANT系列二坐標(biāo)CNC成型磨床，其垂直和橫向?yàn)閿?shù)控軸，縱向?yàn)橐簤嚎刂?，砂輪修整采用安裝在工作臺上的金剛石滾輪，適用范圍較廣；同時(shí)ELB公司開發(fā)了具有當(dāng)代最新技術(shù)的磨床產(chǎn)品，即以機(jī)電一體化和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的CAM-MASTER系列柔性磨加工單元，CAD-MASTER系列和COMPACT-MASTER系列磨削加工中心，控制軸最多可達(dá)到24軸. 英國JONES&SHIPMAN公司與美國A-B公司開發(fā)了A-B8600數(shù)控系統(tǒng)用于FORMAT5型數(shù)控平磨，由CNC控制液壓閥，驅(qū)動縱向可調(diào)速運(yùn)動，橫向與砂輪架進(jìn)給用滾珠絲杠副，直流伺服電機(jī)驅(qū)動，間斷式砂輪修整，CRT圖形模擬顯示。美國ALLEY-BRANDLY公司生產(chǎn)的8400CNC、8600CNC數(shù)控系列，適用于車床、銑床和磨床，其8400CNC最多可控制6根伺服軸，任2軸可進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，任3軸可進(jìn)行螺旋線插補(bǔ)，6軸直線插補(bǔ)。8600CNC系列最多能控制17個(gè)坐標(biāo)，包括8個(gè)參與插補(bǔ)軸，8個(gè)位控制軸及1個(gè)主軸，具有圖形顯示，擴(kuò)展分支程序，顯示加工時(shí)間，高速程序校驗(yàn)，刀具壽命監(jiān)測等功能. 日本FANUC公司開發(fā)了OG高速高性能數(shù)控系統(tǒng)，其中O-GSG適用于平面磨床，可根據(jù)磨削零件不同形狀，有四種不同的磨削方法，具有砂輪軸角度傾斜控制功能，荒磨、粗磨、精磨、無火花磨削一整套磨削循環(huán)，砂輪滾壓修整后位置補(bǔ)償功能，修整器相對于被修整輪法線方向控制功能，修整滾輪外緣圓弧半徑補(bǔ)償功能，砂輪形狀圖形顯示功能及磨削參數(shù)顯示等，系統(tǒng)最小設(shè)定單位0.1μm，屬“緊湊”型數(shù)控系統(tǒng)，價(jià)格較低。
在近年漢諾威、東京、芝加哥及國內(nèi)等大型機(jī)床展覽會上，CNC磨床在整個(gè)磨床展品中已占大多數(shù)，如德國BLOHM公司，ELB公司等著名磨床制造廠已經(jīng)不再生產(chǎn)普通磨床，日本的岡本、日興等公司也成批生產(chǎn)全功能CNC平磨，在開發(fā)高檔數(shù)控平磨的同時(shí)，積極發(fā)展中、低檔數(shù)控平磨。不久前在美國芝加哥舉行的國際制造技術(shù)展覽會（IMTS）上有20多家平磨專業(yè)生產(chǎn)廠的60多臺平面磨床以平磨實(shí)物形式參展，包括了歐、美、日及我國的主要平磨制造廠。此次參展的平面磨床有著很大的特點(diǎn)，由此也可以得出今后平面磨床的發(fā)展趨勢。
主要特點(diǎn)有：
1. 從規(guī)格上看，以小型平磨為主，小規(guī)格機(jī)床的運(yùn)輸及布展比較方便；國外平磨不分普通、精密、高精度的精度等級，相對小規(guī)格機(jī)床，精度容易做得很高；在國際市場上，中、小規(guī)格平磨的潛在需求很大。
2. 從控制上看，由于技術(shù)水平的發(fā)展導(dǎo)致功能變化，平磨已從傳統(tǒng)的平面磨向成形磨轉(zhuǎn)變，常規(guī)控制已難以實(shí)現(xiàn)功能的要求。數(shù)控平磨已形成一個(gè)市場潮流。
3. 從功能上看，平磨不僅僅用于水平平面加工，而且轉(zhuǎn)向成形、臺階、切入、快速抖動、三維空間曲線等表面磨削加工，如ELB、BLM公司以平磨為基礎(chǔ)變化而成的五軸聯(lián)動磨削中心，可實(shí)現(xiàn)非平面型復(fù)雜曲面的磨削；Unison、Trutech公司的柔性磨削系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)成形、無心、外圓、工具、輪廓等磨削工藝；還有裕福、Parker公司等的快速抖動磨等，反映出平磨是磨床類機(jī)床中演變潛力最大的一種機(jī)型[3]。
未來平磨發(fā)展的根本在于設(shè)計(jì)創(chuàng)新：平磨是磨床類機(jī)床中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮臋C(jī)床，在完成傳統(tǒng)的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、臺面、砂輪架等大件為基礎(chǔ)，可以演變成外圓、曲線、工具、無心等磨床。我國應(yīng)在完成平磨規(guī)格系列的完善后，跳出傳統(tǒng)的平面磨削的思維轉(zhuǎn)到曲線或輪廓等非平面磨削加工的思路上去進(jìn)一步發(fā)展，形成具有我們自己特色的技術(shù)和產(chǎn)品。
模塊化設(shè)計(jì)將是貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程的一條主線，無論是機(jī)床技術(shù)發(fā)展的潮流還是市場競爭的要求；無論是降低成本的需要，還是提高產(chǎn)品質(zhì)量的需要，都要求我們在今后產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)中，切實(shí)做好模塊化設(shè)計(jì)工作。
世界機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，根本一點(diǎn)是設(shè)計(jì)創(chuàng)新理念的發(fā)展，根據(jù)傳統(tǒng)的金屬切削原理，用一種全新的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念，結(jié)合先進(jìn)的控制技術(shù)，正在推動機(jī)床技術(shù)發(fā)生重大變化。
1.3 課題研究方法
本課題主要是通過一系列的設(shè)計(jì)，使大學(xué)四年學(xué)習(xí)的知識能有一個(gè)綜合的復(fù)習(xí)和運(yùn)用，也能提高自己在設(shè)計(jì)方面的能力。為了完成本次設(shè)計(jì)采用的方法主要是通過所學(xué)的知識進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算以及校核。通過參考有關(guān)的書籍，了解磨床的工作原理，以及在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)注意的事項(xiàng)，尤其是如何保證設(shè)計(jì)的磨床有較高的精度以及精度保持性。在參考一系列的書籍是也可以綜合各類精密機(jī)床中運(yùn)用的一些較好的機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念。上網(wǎng)和查閱相關(guān)的資料，充分的了解磨床的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢，尤其是了解一些國外先進(jìn)的磨床廠家生產(chǎn)的磨床，這些產(chǎn)品中有許多巧妙的設(shè)計(jì)可以運(yùn)用到本次設(shè)計(jì)中來。
除了參考一些資料和書籍外，還可以參觀磨床實(shí)物充分的了解磨床各個(gè)部分的組成和一些細(xì)節(jié)，能進(jìn)一步的了解磨床。主要是在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室參觀的那臺磨床——杭州機(jī)床廠生產(chǎn)的MGK7125。
1.4 論文的構(gòu)成及研究內(nèi)容
合理的組織設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)不僅在設(shè)計(jì)中能使得設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰，在設(shè)計(jì)中事半功倍，并且在以后的后續(xù)工作中也方便進(jìn)行修改，不會沒有混亂，也便于閱讀者能很好的了解論文的內(nèi)容。
1.4.1論文的構(gòu)成
本論文主要包括了最前面的目錄，然后就介紹在國內(nèi)外與MGK7125相關(guān)的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢。在設(shè)計(jì)的過程中，先進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)和布局，為后面的設(shè)計(jì)理清思路。接下來是詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要包括了砂輪架的設(shè)計(jì)，砂輪架垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，伺服電機(jī)和滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算，砂輪修整器的設(shè)計(jì)，最后是數(shù)控系統(tǒng)的選取。在砂輪架的具體設(shè)計(jì)中又包括了主軸的設(shè)計(jì)，軸承的選用以及主軸驅(qū)動電機(jī)的選用，砂輪修整器的設(shè)計(jì)則主要包括了聯(lián)軸器和電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算。在論文的最后還有在這次設(shè)計(jì)中的一些總結(jié)和展望，在本設(shè)計(jì)中對有過幫助的老師和同學(xué)表示感謝的言辭。在最后就是在設(shè)計(jì)中的主要參考文獻(xiàn)。
1.4.2 設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容
本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一臺精密數(shù)控平面磨床MGK7125，用砂輪周邊磨削平面，也可以磨削臺階平面。能用于機(jī)械制造業(yè)及工具模具制造行業(yè)，能加工各類難加工材料。主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容有：
（1） 確定磨床的總體布局方案；
（2） 砂輪架（砂輪架）設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制砂輪架機(jī)械機(jī)構(gòu)裝配圖；
（3） 砂輪架垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，伺服電機(jī)和滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算；
（4） 砂輪修整器的設(shè)計(jì)；
（5） 數(shù)控系統(tǒng)的選??；
通過本次設(shè)計(jì)能夠很好的綜合大學(xué)所學(xué)的知識，提高本人運(yùn)用參考資料的能力、繪圖能力、獨(dú)立設(shè)計(jì)能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力，對自己有一個(gè)全方位的提高。
1.5 設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)
1. 磨床主要規(guī)格
工作臺面尺寸（寬長）：200500（630）
2. 加工范圍
可磨削最大工件尺寸（寬長高）：200500（630）360
3. 工作臺
工作臺縱向移動速度（無級）：
工作臺橫向自動進(jìn)給：連續(xù)（無級）：
斷續(xù)（無級）：/工作臺一行程
4. 砂輪架
砂輪架垂直快速升降速度：，垂直自動進(jìn)給：，最小進(jìn)給量：，砂輪尺寸（外徑寬內(nèi)徑）Φ20020Φ32，砂輪轉(zhuǎn)速
5. 加工指標(biāo)
磨削表面粗糙度，加工后表面對基面的平行度為300：0.002.
第二章 總體設(shè)計(jì)
本畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是完成一臺精密數(shù)控平面磨床，主要是完成該磨床的機(jī)械和電氣部分的設(shè)計(jì)，對于數(shù)控部分則選用著名公司的成熟產(chǎn)品。為了很好的組織和完成以后的設(shè)計(jì)工作，總體設(shè)計(jì)起到的很好的引導(dǎo)作用，是設(shè)計(jì)過程中必不可少的一部分。
2.1 總體布局的設(shè)計(jì)
很好的進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)并不是一件多余的事情，這不但能很好的節(jié)余有限的車間空間，并且有很好的美學(xué)效果，在商業(yè)競爭中也是一個(gè)較強(qiáng)的競爭點(diǎn)。此外，合理的利用人機(jī)工程使得產(chǎn)品更為舒適，更受到歡迎。
磨床的幾個(gè)大的部件有：砂輪架,立柱,前床身,后床身,工作臺,數(shù)控系統(tǒng)面板,電控柜,油箱,潤滑液回收箱等。在布局的過程中不僅要考慮到緊湊，還要考慮到美觀以及操作者操作起來方便。其主要部件的布置情況如圖2.1所示[4]：
圖2.1 磨床總體布局圖
2.2 運(yùn)動形式的設(shè)計(jì)
精密數(shù)控平面磨床要順利的完成磨削過程，除了砂輪的轉(zhuǎn)動外，還要完成三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動，即垂直進(jìn)給，橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給。而這三個(gè)方向的進(jìn)給形式也有多種選擇：（1）工作臺完成橫向和縱向的進(jìn)給，而砂輪架則只完成垂直方向的進(jìn)給；（2）砂輪架完成橫向和垂直方向的進(jìn)給，工作臺只完成縱向的進(jìn)給；（3）工作臺不移動，橫向和縱向的運(yùn)動都由立柱來完成，垂直方向進(jìn)給運(yùn)動由砂輪架來完成；（4）縱向運(yùn)動由工作 臺完成，橫向運(yùn)動由立柱完成，而垂直進(jìn)給則由砂輪架來完成，該運(yùn)動實(shí)現(xiàn)形式又叫中 腰立柱移動式。這幾中運(yùn)動實(shí)現(xiàn)形式各有各的長處和不足。第一種形式比較傳統(tǒng)，技術(shù)比較成熟，并且實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，設(shè)計(jì)中不存在太大的技術(shù)冒險(xiǎn)，并且設(shè)計(jì)可參考的信息較多，設(shè)計(jì)周期也較短，能很好的實(shí)現(xiàn)市場響應(yīng)設(shè)計(jì)。同時(shí)這種形式也存在一些不足之處，比如說這種形式的磨床的整體剛性不是太好，因而對零件的加工精度有一定程度的影響。因此，這種形式用與本設(shè)計(jì)的高精度磨床不是太適合。第二種形式雖然在結(jié)構(gòu)上 有了一定的改變，但砂輪和電機(jī)的轉(zhuǎn)動引起的振動會對磨床的精度有一定的影響，也不是很適合本設(shè)計(jì)的一種運(yùn)動實(shí)現(xiàn)形式。第三種形式雖然提高了磨床的整體剛性和運(yùn)動的穩(wěn)定性，但這種形式的運(yùn)動件的質(zhì)量太大，在這種情況下，不僅對能源是一定的浪費(fèi)，而且響應(yīng)的速度會大大降低，這樣得來一定的精度提高的成本太高，在大多數(shù)不是特別高的精度場合不是常采用。而第四種形式則有效的綜合了第二種和第三中的特點(diǎn)，使其優(yōu)點(diǎn)得到了更好的發(fā)揮，雖然在精度上沒有第三種那樣高，但運(yùn)用在本設(shè)計(jì)中已經(jīng)是足夠了。除此之外，這種運(yùn)動形式使運(yùn)動范圍限定在較小的空間內(nèi)完成，有效的減少了占地面積。這一優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代加工中有著非常大的意義，不但能很好的減少廠房面積，節(jié)約資金，并且有利于機(jī)床的布局，對加工物流也是非常重要的。因此，第四種的這種形式有較高的綜合效益，也逐漸在各類磨床中采用，并得到了消費(fèi)者的認(rèn)可。在本設(shè)計(jì)中，基于老師的要求，進(jìn)行第一種形式的設(shè)計(jì)。
由于該設(shè)計(jì)要求達(dá)到較高的精度等級，因此，各個(gè)方向的進(jìn)給的具體實(shí)現(xiàn)都是通過滾珠絲杠傳動來實(shí)現(xiàn)的。之所以在縱向上放棄傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動的主要原因是縱向運(yùn)動在進(jìn)行較小的進(jìn)給時(shí)會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，這對于磨削的精度有很大的影響。用伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠替代了液壓驅(qū)動后不僅消除了爬行現(xiàn)象，并且去除了液壓系統(tǒng)，使得機(jī)構(gòu)更進(jìn)一步的簡化，使得磨床更加緊湊，這種運(yùn)動實(shí)現(xiàn)形式的優(yōu)點(diǎn)得到了更好的發(fā)揮。由于橫向和垂直方向的精度要求較高，在這兩個(gè)方向的實(shí)現(xiàn)形式自然要采用伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠完成。因?yàn)闈L珠絲杠不僅加工精度很高，能提高傳動精度，并且滾珠絲杠的一些巧妙設(shè)計(jì)很好的消除了回程誤差，這對精度的提高也是有很大的意義。所以在一些高精度的機(jī)床設(shè)計(jì)中都采用這種驅(qū)動形式，也帶動了這方面的廠家不斷出現(xiàn)和提高，能廣泛的提供這方面的產(chǎn)品以適應(yīng)各種設(shè)計(jì)，也有不少的配套產(chǎn)品，這對于設(shè)計(jì)提供了很好的幫助。
第三章 砂輪架的設(shè)計(jì)
砂輪架的設(shè)計(jì)在磨床的設(shè)計(jì)中是非常重要的一部分，尤其是砂輪架的旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，主軸的剛性以及主軸驅(qū)動電機(jī)的動平衡都會對磨削的精度有很大影響。因此合理的砂輪架設(shè)計(jì)對達(dá)到磨削精度有很大的意義，尤其是主軸的設(shè)計(jì)和合理電機(jī)的選擇，具體的設(shè)計(jì)過程如下：
3.1 主軸的設(shè)計(jì)及校核
主軸是磨床中非常重要的零件，它對磨削的精度。求量和平穩(wěn)性都有較大的影響，因此要對他的強(qiáng)度剛度等一系列的質(zhì)量和平穩(wěn)性都有較大的影響，因此要對它的剛度有較高的要求。
3.1.1 主軸的設(shè)計(jì)
1. 磨削力的計(jì)算
要進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須得先了解各個(gè)方向最大磨削力的大小。在磨削過程中縱向和垂直方向的磨削力較大，對磨削精度的影響也較大，也是各個(gè)零件尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。此外，為了合理的選擇主軸電機(jī)，首先也得計(jì)算出磨削情況下可能的最大磨削力。
（1）由一個(gè)平面磨削力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式得[5]：
（3.1）
其中：——磨削過程中的最大切向磨削力（N）；
——垂直方向的進(jìn)給量（mm）；
——縱向進(jìn)給量（mm/min）；
——砂輪轉(zhuǎn)速（m/s）。
（3.2）
由設(shè)計(jì)的參數(shù)要求可知：=0.02，=25；由于電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min，砂輪尺寸(外徑╳寬╳內(nèi)徑)φ200╳20╳φ32，因此s不變，=s
（3.3）
其中：——砂輪線速度（m/s）；
——電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；
——砂輪外圓直徑（mm）。
=s ，即=31.4，所以
（N.m）
磨削經(jīng)驗(yàn)表明法向磨削力跟切向磨削力的大小存在一個(gè)比值（）,磨削普通鋼料時(shí)的取值范圍為1.6~1.8，磨削陶瓷時(shí)的取值范圍為3~22。綜合考慮各方面的因素，磨削普通鋼料時(shí)取=1.6，磨削陶瓷時(shí)取=20。則磨削普通鋼料時(shí)的法向磨削力的最大值為：
（2）由陶瓷磨削力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式（該公式應(yīng)用了最小二乘法線性回歸求出的各種陶瓷的單位磨削力的經(jīng)驗(yàn)公式）[6]得：
對于陶瓷：
=8.20148N/mm
=1.05372566N/mm
=164.0296 N =21.0745 N
對于陶瓷：
=7.82616N/mm
=1.0777553N/mm
=156.5232 N =21.555 N
所以，綜上所述得：
104.41N
（N.m）
2. 主軸的設(shè)計(jì)
由以上計(jì)算結(jié)果可知該磨床設(shè)計(jì)的主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min,砂輪線速度為s （m/s），由此可計(jì)算出磨削的最大功率為：
（3.4）
kw
考慮到傳動效率和安全系數(shù)等因素，可以先暫定電機(jī)的額定功率為4000W來進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)。
根據(jù)一個(gè)關(guān)于軸直徑大小的估算公式：
（3.5）
式中：——設(shè)計(jì)軸的直徑（mm）；
——一個(gè)參考系數(shù)，跟材料有關(guān)，可查表得
——傳動的最大功率（），取4進(jìn)行設(shè)計(jì)；
——主軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。
=13.21
考慮到一定的安全系數(shù)和剛度的要求取=20。
3.1.2 主軸的剛度校核
一般來說，如主軸的剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求則其強(qiáng)度一般來說都是滿足要求的，故磨床主軸只進(jìn)行彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的校核。
1. 主軸的彎曲剛度校核
由于主軸是階梯軸，不便于計(jì)算，為了簡化計(jì)算，可以把階梯軸看成是當(dāng)量直徑的光軸，然后在按照材料力學(xué)計(jì)算公式計(jì)算，以下主軸的設(shè)計(jì)和校核主要參考文獻(xiàn)[7]。主軸機(jī)構(gòu)如圖3.1所示
圖3.1主軸結(jié)構(gòu)尺寸圖
當(dāng)量直徑（mm）的計(jì)算公式為
（3.6）
式中：——階梯軸第i段的長度（mm）；
——階梯軸第i段的直徑（mm）；
——階梯軸的計(jì)算長度（mm）；
——階梯軸計(jì)算長度內(nèi)的軸段數(shù)。
將各段的長度和直徑代如（3.15）中
通過簡化后的主軸模型為[8]
圖3.2主軸受力模型圖
如圖所示，位移y對磨削精度的影響最大，其它的位移影響相對很小，因此只需校核y是否符合要求就可以了。
（3.7）
根據(jù)資料得：剛度要求較嚴(yán)的軸y=0.00028655〈0.067，因此按彎曲剛度校核是符合要求的，那彎曲強(qiáng)度也自然符合要求了，且該變形為彈性變形，經(jīng)過無火花磨削后不會對精度有大的影響。
2. 主軸扭轉(zhuǎn)剛度校核
從該主軸的機(jī)構(gòu)上看，該軸的扭轉(zhuǎn)角度主要由中間一段和兩軸承段的扭轉(zhuǎn)引起的，為了簡化計(jì)算，可以以這三段的情況替代整根軸的情況，并且相差也不是太大。
軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長的扭轉(zhuǎn)角（）來表示，對于階梯軸
（3.8）
式中：——軸第i段所受的扭矩（N.mm）；
——軸的材料的剪切彈性模量（MPa），對