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編 號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 題目： 精密平面磨床微進(jìn)給及 微位移工作臺設(shè)計 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923150 學(xué)生姓名： 邱文浩 指導(dǎo)教師： 范圣耀 （職稱：副教授） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 精密平面磨 床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn) 行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別 加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包 含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機(jī)械 93 學(xué) 號： 0923150 作者姓名： 邱文浩 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 結(jié)合自己實習(xí)經(jīng)驗觀察，國內(nèi)數(shù)控平面磨床尚未普及，生產(chǎn)效 率的提升空間很大。 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： ① 設(shè)計一臺精密數(shù)控平面磨床，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)及工具磨具制造業(yè)，能加工各 種難加工材料（如陶瓷材料） ； ② 磨床總體設(shè)計方案確定，繪制機(jī)床總體布局圖； ③ 砂輪修整器設(shè)計計算； ④ 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計，伺服電機(jī)和滾珠絲杠副設(shè)計計算， ⑤ 繪制垂直進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配圖 ； ⑥ 結(jié)合數(shù)控技術(shù)的微位移工作臺的設(shè)計。 II 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 93 班 姓名 邱文浩 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學(xué)科組組長研究所 所長〕 簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的需要，精密平面磨床已然在當(dāng)代制造產(chǎn)業(yè)中 占據(jù)了非常重要的地位。本文在收集了大量資料和吸取了前輩們的經(jīng)驗的情況下，設(shè)計 了一臺以廣州機(jī)械制造廠的 MGB6120 為原型、以微進(jìn)給機(jī)構(gòu)和微位移系統(tǒng)來提升加工精 度的精密平面磨床工作。在此基礎(chǔ)上，完成了該磨床的總體設(shè)計計算，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)對 比優(yōu)化選擇，取得以下研究成果： (1) 設(shè)計一臺精密數(shù)控平面磨床，用砂輪周邊磨削平面和臺階平面，用于機(jī)械制造業(yè) 及工具模具制造業(yè)，且能加工各種難加工材料。 (2) 確定了該精密平面磨床工作臺的各個部件及其功能分配，完成了該平面磨床的傳 動選擇以及總體布局設(shè)計。 (3) 利用滾珠絲桿為主要器件，結(jié)合梯形螺紋絲桿壓桿來檢測其穩(wěn)定性；通過壓電、 電致伸縮器件在微位移系統(tǒng)中的壓電耦合效應(yīng)和砂輪修整器特性提高了該工作臺的加工 精度。 (4) 將 840D 數(shù)控技術(shù)作用于平面磨床工作臺并 選擇西門子 IFK6 交流伺服電機(jī)作為進(jìn) 給機(jī)構(gòu)和微位移系統(tǒng)的電力源，完成了精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺的設(shè)計。 關(guān)鍵詞：精密；微位移；微進(jìn)給；砂輪器；數(shù)控 IV Abstract With the development of science and technology and the need of high-technique industry, precision surface grinder has played a very important role in modern manufacturing industry. Under the circumstance of collecting a great number of materials and absorbing predecessors' experience, this article designs a precision surface grindering machine which is the prototype of MGB6120 in Guangzhou machine tool. In addition, it improves precision by a micro feed mechanism and a micro displacement system. In that case, it finish the calculation of the overall design of the grinding machine. What's more, it makes the optimization of comparative data and obtains the following results： (1) It designs a precision NC grinding machine and grinds surface with grinding wheel. It is used in mechanical manufacturing industry and model manufacturing industry. It also processes various materials which are very difficult. (2) It confirms each component and function allocation of precision surface grinder worktable. It also finishes the transmission selection and overall layout. (3) It regards ball screw rod as main device and is combined with the trapezoidal thread screw rod to test its stability. Piezoelectric coupling effect and grinding wheel dressing device features, which improve the machining accuracy of the workbench through the piezoelectric and electrostrictive devices in the micro displacement system. (4) It uses 802D in NC plane grinder worktable and chooses Siemens IFK6 AC servo motor as the power source for the feeding mechanism and micro displacement system. It also completes the design of precision surface grinder micro-feed and micro displacement worktable. Key words: precision, micrometric displacement, micro-feeding, Grinding wheel. CNC (computerized numerical control) V 目 錄 摘 要 .III ABSTRACT IV 目 錄 V 1 緒論 .1 1.1 本課題的研究背景和意義 .1 1.2 國內(nèi)外精密平面磨床的發(fā)展概況 .1 1.2.1 國外精密加工數(shù)控車床技術(shù)發(fā)展概況 1 1.2.2 國內(nèi)精密加工數(shù)控車床技術(shù)發(fā)展概況 3 1.3 本課題的設(shè)計任務(wù)說明 5 1.3.1 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)與論文組成 5 1.3.2 本課題的研究方法 5 2 精密平面磨床的總體設(shè)計 .6 2.1 引言 .6 2.2 磨床技術(shù)規(guī)格 .6 2.3 磨床總體布局設(shè)計 .7 2.4 磨床的傳動設(shè)計 .7 2.5 磨床主要組成部件及其功能 .8 2.6 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的分類及使用方法 .8 2.7 本章小結(jié) .9 3 砂輪的特性和修整 .10 3.1 砂輪的特性 .10 3.2 砂輪修整器 .11 3.2.1 砂輪修整器的設(shè)計 11 3.2.2 修整器擺角的設(shè)計 14 3.3 砂輪修整的展望 .15 3.4 本章小結(jié) .15 4 微位移系統(tǒng) .17 4.1 引言 .17 4.2 微位移技術(shù)的分類 .17 4.3 微位移系統(tǒng)的廣泛實用性 .19 4.3.1 微位移器件在磨床中所需要具備的條件 20 4.3.2 微位移行程的提高 20 4.4 壓電、電致伸縮器件在微位移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的優(yōu)點 .20 4.4.1 壓電與電致伸 縮效應(yīng)—— 機(jī)電偶合效應(yīng) 20 4.5 微位移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .21 4.5.1 微位移工作臺的組成 21 4.5.2 微位移工作臺工作原理 21 VI 4.5.3 板彈簧的設(shè)計與用途 22 4.5.4 預(yù)緊力與系統(tǒng)分辨率 22 4.6 本章小結(jié) 23 5 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計 .24 5.1 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點 .24 5.2 確定微進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計方案 .25 5.2.1 對微量自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)的基本要求： 26 5.3 滾珠絲桿副的優(yōu)點 .26 5.3.1 滾珠絲桿的設(shè)計計算 26 5.3.2 梯形螺紋絲桿壓桿穩(wěn)定性校核 28 5.4 垂直微進(jìn)給電機(jī)的功率計算 .28 5.5 本章小結(jié) .29 6 數(shù)控硬件電路設(shè)計 .30 6.1 引言 .30 6.2 840D 數(shù)控系統(tǒng)說明 30 6.3 840D 數(shù)控系統(tǒng)組成 30 6.4 840D 數(shù)控系統(tǒng)的連接 30 6.5 本章小結(jié) .32 結(jié)論和展望 .33 致 謝 .34 參考文獻(xiàn) .35 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 1 1 緒論 1.1 本課題的研究背景和意義 二十一世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代制造工業(yè)正以全新的面貌展現(xiàn)在世人 面前。其中，精密加工技術(shù)的發(fā)展顯而易見。精密加工技術(shù)及磨床在機(jī)械制造業(yè)中占有 極其重要的位置 。??1 根據(jù)先進(jìn)技術(shù)的實用性和先進(jìn)性而論，精密加工技術(shù)追求加工上的精度和表面質(zhì)量 極限；制造自動化包括了產(chǎn)品設(shè)計、制造和管理的自動化，它不僅是快速市場需求的快 速響應(yīng)，而且是提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件的重要手段。兩者有著密切關(guān)系，許多精 密加工需要自動化技術(shù)得以達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，而制造自動化基本賴于精密加工才能準(zhǔn)確可 靠的實現(xiàn)。兩者的全局性和決定性奠定了它們是先進(jìn)制造技術(shù)的支柱。 眾多國家都十分重視先進(jìn)制造技術(shù)的水平和發(fā)展，精密加工技術(shù)顯然已經(jīng)是一個國 家進(jìn)行產(chǎn)品革新、擴(kuò)大生產(chǎn)和提高國際經(jīng)濟(jì)競爭能力。從先進(jìn)制造技術(shù)的技術(shù)實質(zhì)性而 論，精密加工技術(shù)追求加工上的精度和表面質(zhì)量極限；制造自動化包括了產(chǎn)品設(shè)計、制 造和管理的自動化，它不僅是快速市場需求的快速響應(yīng)，而且是提高生產(chǎn)效率，改善勞 動條件的重要手段。兩者有著密切關(guān)系，許多精密加工需要自動化技術(shù)得以達(dá)到預(yù)期指 標(biāo)，而制造自動化基本賴于精密加工才能準(zhǔn)確可靠的實現(xiàn)。兩者的全局性和決定性奠定 了它們是先進(jìn)制造技術(shù)的支柱。微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的研究與設(shè)計，便是精先進(jìn)制造技術(shù)的集中 體現(xiàn)之一。 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)一般指行程范圍為毫米級：位移分辨率及定位精度達(dá)到納米級的位移機(jī) 構(gòu)。微進(jìn)給機(jī)構(gòu)通常由微位移器和精密導(dǎo)軌兩部分組成，其技術(shù)研究不僅關(guān)系到超精密 磨床研制，更是精密機(jī)械、微電子、生物工程等多種學(xué)科賴以發(fā)展的基礎(chǔ)。因此開展微 進(jìn)給機(jī)構(gòu)工作臺的研究與設(shè)計是非常有必要且具有更廣闊的應(yīng)用前景。 1.2 國內(nèi)外精密平面磨床的發(fā)展概況 國內(nèi)外都采用超精密磨削、精密修整、微細(xì)磨料磨具進(jìn)行亞微米級以下切深磨削的 研究，以獲得亞微米級的尺寸精度。 1.2.1 國外精密加工數(shù)控車床技術(shù)發(fā)展概況 發(fā)展精密加工磨床是發(fā)展精密加工技術(shù)的十分重要的內(nèi)容，歌發(fā)達(dá)國家都發(fā)展了很 多種精密機(jī)床。精密加工磨床也向著高精度、多功能和高效專用方向發(fā)展。 美國是開展精密加工技術(shù)研究最早的國家， 20 實際 30 年代開始，在制造技術(shù)上處 于世界領(lǐng)先地位，但在 50 年代以后，對制造技術(shù)沒有給予足夠的重視，在經(jīng)濟(jì)競爭上感 受到巨大的威脅，經(jīng)過認(rèn)真總結(jié)，80 年代后，在重要的、高速增長的技術(shù)市場上失利的 一個重要原因就是沒有把自己先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到制造產(chǎn)業(yè)上。如今，美國國家工程科學(xué) 院的國家研究理事會經(jīng)過反復(fù)研究，提出不能像前些年那樣把制造歸屬于設(shè)計的地位上， 而是要把注意力重新放在制造技術(shù)上。美國利用自己已有的成熟單元技術(shù)，只用兩周的 時間便組裝成了一臺小型的超精密加工車床（BODTM 型） ，用刀尖半徑為 的單nm10~5 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 晶金剛石刀具，實現(xiàn)切削厚度為 的加工。盡管如此，最近美國政府還是繼續(xù)把微米級nm1 和納米級的加工技術(shù)作為國家的關(guān)鍵技術(shù)之一，這足以說明美國對這一技術(shù)的重視 。??2 德國 JUNG 公司是國際上知名較高的平面磨床生產(chǎn)廠商，在 40 余年的生產(chǎn)過程中， 該公司的平面和成型磨床以精度高、使用壽命長而著稱。JUNG 公司的主要平面磨床產(chǎn)品 均采用立柱升降式，外形小巧，磨削精度高。工作臺縱向運動一般都設(shè)二套運動裝置， 往復(fù)運動由液壓驅(qū)動，緩進(jìn)給成型磨削采用機(jī)電傳動。其中水平較高的是 JF520CNC B 型 四坐標(biāo)數(shù)控平面和成型磨床 。??3 該機(jī)采用高精度連續(xù)軌跡控制以圖形輔助操作，控制系統(tǒng)是以西門子 SINUMERIK810 為基礎(chǔ)，配用 JUNG 公司開發(fā)的專用軟，一反傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首次采用了龍 門式框架結(jié)構(gòu)，可以滿足大尺寸工件和新型工程材料的精密磨削加工需要。圖 1.1 和圖 1.2 分別為大型磨床和手動數(shù)控磨床。 圖 1.1 大型龍門磨床 圖 1.2 手動數(shù)控磨床 英國是較早從事精密加工技術(shù)研究的國家之一。從 1979 年起，開發(fā)用于制造 X 射線 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 3 望遠(yuǎn)鏡的金屬反射鏡的立式超精密金剛石刀具車床。該機(jī)床為保證精密加工，采用了許 多新技術(shù)。例如采用封裝合成花崗巖作為機(jī)床基礎(chǔ)（總重 ） ，永久磁鐵型 DC 力矩馬T48 達(dá)驅(qū)動的 X 軸和 Z 軸，徑向和軸向的回轉(zhuǎn)精度為 ，空氣軸支承的旋轉(zhuǎn)工作臺，分μm1.0 辨率為 的 HP5501 型微光干涉儀，由 HP9826 型計算機(jī)等構(gòu)成的 X 軸，Z 軸工件μm015. 尺寸及形狀精度的測量補(bǔ)償系統(tǒng)，壓電式刀具微進(jìn)給裝置，16 位 CNC 控制系統(tǒng)等。要求 反射鏡的精度在 范圍內(nèi)的表面凹凸達(dá)到 以下，整個鏡面的形狀精度 以下。n36μm1 英國在 80 年代初就已開始實施納米計劃，成立了納米技術(shù)戰(zhàn)略委員會。Cranfield 理工學(xué) 院是世界上第二個能制造出用于大型超精密加工機(jī)床的高剛度 氣浮精密軸承和??kN/2 主軸系數(shù)的單位 。??3 日本在第二次世界大戰(zhàn)后，為了迅速恢復(fù)經(jīng)濟(jì)，大力開發(fā)制造技術(shù)，其中精密加工 技術(shù)尤為突出，先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)和開發(fā)使得機(jī)械制造業(yè)的水平有了很大的提高，并且在 其他大型工業(yè)產(chǎn)業(yè)中起到了巨大的作用。在短短的 40 年中，從一個戰(zhàn)敗國發(fā)展成為世界 上的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國。 1.2.2 國內(nèi)精密加工數(shù)控車床技術(shù)發(fā)展概況 我國對精密加工技術(shù)的研究起步并不晚。 圖1.3為國內(nèi)某一生產(chǎn)車間。基本發(fā)展過??2 程與日本有著類似之處。1965年前后研制出鏡面外圓磨床，加工圓度優(yōu)于 ，表面μm03. 粗糙度 以下。70 年代后期制成了ST186高精度磁盤車床。進(jìn)入80年代，研制了μmRa01. 回轉(zhuǎn)精度達(dá) 的精密軸系，單晶金剛石刀切削的超精密車床和超精銑床，最高分辨25 率為 的 CNC數(shù)控超精密車床等產(chǎn)品。最近哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功HCM-1亞微米. 超精密加工車床，起技術(shù)性能如表1-4示。 圖 1.3 技術(shù)人員在講解磨床 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 表 1-4 國內(nèi)外典型超精密車床性能指標(biāo) 型號（生產(chǎn)廠家） HCM-1 （中國哈工大） M-18AG （美國 MOORE SPECIAL TOOL CO.) 徑向跳動 ??μm075.? 軸向跳動 徑向剛度 N/200 軸向剛度 ??μ160 Z 向（主軸）直線度 mμ10/2.?mμ230/5.? X 向（刀架）直線度 X、Z 向垂直度（〞） ?1 主軸 重復(fù)定位精度 ??μm1（全程） ??4.250 形面精度 圓度：0.1 平面度：0.3 加工工件精度 表面粗糙度 Ra0.0042 0.0075(P-V 值) 位置反饋系統(tǒng)分辨率 ??μ25 溫控精度 C? 04.?06.? 隔振系統(tǒng)固有頻率 Hz22 加工范圍 ??mφ320 φ356 80 年代，我國開始生產(chǎn)數(shù)控平面磨床，各開發(fā)廠家分別做過了自行研制，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：廣東機(jī)械廠是一家具有??8 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)了 MGB7132 臥軸矩臺高精度平磨，MG7130 系列普通數(shù)控平磨，MLK7140 數(shù)控 緩進(jìn)給成型磨，MGB7120、ML7163、ML7150 臥軸距臺數(shù)控平磨，MKL7760 立軸數(shù)控 雙端面磨，MKY7660、MKY7650/101 臥軸數(shù)控雙端面磨，以及 HZ-K1610，HZ- K2010，HZ-050 CNC，HZ-KD2010、HZ-K3015、 HZ-K3020、HZ-K4020 等專用數(shù)控龍門 式平面與導(dǎo)軌磨床。數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，有與大專院校及科研單位合作研制的單板機(jī) 系統(tǒng)，也有自行開發(fā)的以單片機(jī)為主機(jī)的簡易控制系統(tǒng)，及采用數(shù)控主機(jī)廠生產(chǎn)的成熟 數(shù)控系統(tǒng)等。 我國在磨削過程建模與模擬、聲發(fā)射過程監(jiān)測與識別、工件表面燒傷及殘余應(yīng)力預(yù) 報、磨削加工誤差在線檢測、評價與補(bǔ)償?shù)确矫娑加性S多成果，并已開發(fā)出了新型磨削 機(jī)器人。我國人造磨料生產(chǎn)雖然起步較晚，但發(fā)展很快，在世界上已有相當(dāng)份額 。??9 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 5 近幾年來國外精密磨床技術(shù)發(fā)展迅速，例如對硬脆材料磨削機(jī)理及工藝的研究，利 用于磨削熱量同時進(jìn)行工件熱處理，以及不使用磨削液的無污染磨削等方面，我國均有 一定差距。為此，我們一方面要積極開展引進(jìn)國外先進(jìn)磨削技術(shù)的研究工作；同時在國 內(nèi)應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)，系統(tǒng)地開展和推廣各種先進(jìn)與實用的精密磨削技術(shù)。只有這樣，才能使 我國的精密磨床技術(shù)盡快趕上國外先進(jìn)水平，并能做到有所發(fā)展與創(chuàng)新。 1.3 本課題的設(shè)計任務(wù)說明 1.3.1 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)與論文組成 課題名稱：精密平面磨床微進(jìn)給機(jī)構(gòu)工作臺設(shè)計 任務(wù)目的與要求： (1) 設(shè)計一臺精密數(shù)控平面磨床，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)及工具模具制造業(yè)，能加工各種難加工材料(如陶瓷材料)； (2) 磨床總體設(shè)計方案確定，繪制機(jī)床總體布局圖； (3) 砂輪修整器設(shè)計計算，繪制磨頭修整器裝配圖； (4) 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計，伺服電機(jī)和滾珠絲桿副設(shè)計計算，繪制垂直進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu) 的裝配圖； (5) 磨床微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計； (6) 翻譯指定的英文專業(yè)文獻(xiàn)； (7) 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文（說明書） 。 1.3.2 本課題的研究方法 此畢業(yè)設(shè)計以廣東機(jī)械廠的 MGB6120 為原型，分析它的結(jié)構(gòu)特點，然后對它進(jìn)行改 進(jìn)。 MGB6120 的縱向進(jìn)給由油泵電機(jī)驅(qū)動，通過液壓筒推動工作臺作縱向往復(fù)運動。液壓 筒導(dǎo)致工作臺在低速進(jìn)給時產(chǎn)生“爬行” ，大大地降低了工件表面的磨削質(zhì)量。我們在設(shè)計 中用伺服電機(jī)代替油泵電機(jī)，不僅很好的解決了這個問題，而且還簡化了機(jī)床的結(jié)構(gòu)。 為了提高M(jìn)GB6120的幾何、工作精度，我們采用機(jī)電一體化設(shè)計原理，進(jìn)給機(jī)構(gòu)用似服 電機(jī)-滾珠絲杠副驅(qū)動。西門子SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)是西門子數(shù)控系統(tǒng)中的一款高 性能、低價位的數(shù)控系統(tǒng)。它可以控制四個數(shù)字進(jìn)給軸和一個主軸，能實現(xiàn)三軸聯(lián)動。 就本機(jī)床而言，它控制三個似服電機(jī)和一個主軸電機(jī)。使用西門子SINUMERIK840D 型數(shù) 控系統(tǒng)極大提高了MGB6120的進(jìn)給靈敏度和準(zhǔn)確度、可靠性和自動化程度。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 2 精密平面磨床的總體設(shè)計 2.1 引言 本次設(shè)計的是一臺精密數(shù)控平面磨床，通過采用金剛石砂輪和滾珠絲桿副，并依據(jù) 機(jī)電一體化設(shè)計原理通過數(shù)控系統(tǒng)等措施來保證加工精度。本機(jī)床為高精度機(jī)床。幾何 精度、工作精度都很高，性能可靠穩(wěn)定，垂直進(jìn)給具有數(shù)控系統(tǒng)。進(jìn)給靈敏度、準(zhǔn)確度 高，磨削自動化程度較高，當(dāng)每次磨削循環(huán)結(jié)束后，工作臺停止在縱向運動的右端。 該精密數(shù)控平面磨床主要包括磨頭及垂直進(jìn)給系統(tǒng)、工作臺縱向及橫向驅(qū)動系統(tǒng)、 床身及防護(hù)罩裝置、冷卻及潤滑系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)五大部分。工作臺的縱向運動和托板的 橫向運動都由西門子伺服電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)過齒輪減速，通過滾珠絲桿副做往復(fù)運動；磨頭 垂直導(dǎo)軌為立柱前后雙導(dǎo)軌形式的貼塑滑動導(dǎo)軌；磨頭主軸系統(tǒng)前后各位雙聯(lián)成對高精 度滾動軸承結(jié)構(gòu)，主軸的旋轉(zhuǎn)由電機(jī)驅(qū)動通過彈性聯(lián)軸器使主軸運轉(zhuǎn)；磨頭的垂直運動 是由交流伺服電機(jī)驅(qū)動蝸桿，傳動與其相嚙合的渦輪，轉(zhuǎn)動與渦輪剛性連接的絲桿副的 螺母而使與絲桿固定連接的磨頭作垂直運動。 本機(jī)床總布局為十字托版型，托板上下的橫縱導(dǎo)軌均為雙 V 型滑動導(dǎo)軌。工件磨削 平面的形成由工作臺的縱向運動和托板的橫向運動而形成，磨頭僅作垂直上下運動。機(jī) 床用砂輪周邊磨削平面，還可以磨削臺階平面。能用于機(jī)械制造業(yè)及工具模具制造業(yè)， 能加工各種難加工材料（如陶瓷材料） 。 為了適應(yīng)磨削各種加工表面，工件形狀及生產(chǎn)批量要求，磨床的種類很多，其中主 要類型有以下幾種： (1) 外圓磨床（包括外能外圓磨床、外圓磨床、無心外圓磨床等） (2) 內(nèi)圓磨床（包括普通內(nèi)圓磨床、無心內(nèi)圓磨床等） (3) 平面磨床（包括臥軸距臺平面磨床、立軸矩臺平面磨床、臥軸圓臺平面磨床、立 軸圓臺平面磨床等） (4) 工具磨床（包括工具曲線磨床、鉆頭溝槽磨床、絲錐溝槽磨床等） (5) 刀具刃磨磨床（包括萬能工具磨床、拉刀刃磨床、滾刀刃磨床等） 2.2 磨床技術(shù)規(guī)格 (1) 主要規(guī)格 工作臺面（長×寬）…… ；m2063? (2) 加工范圍 最大磨削工件尺寸（長×寬×高）…… ；m3602? (3) 工作臺 工作臺縱向移動速度（無級）： ；in/5.? 工作臺橫向自動進(jìn)給速度： 連續(xù)（無級）： ；i/1. 斷續(xù)（無級）： 工作行程；20 (4) 磨頭 a) 砂輪軸中心線至工作臺面距離： ； m48016? b) 磨頭垂直自動進(jìn)給量： ；2.0. c) 最小進(jìn)給量： ；m1. 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 7 d) 磨頭垂直快速升降速度： ；min/40 e) 砂輪尺寸（外徑×寬度 ×內(nèi)徑）砂輪： ；320? f) 砂輪轉(zhuǎn)速： ；in/30r (5) 工作精度 a) 磨削表面粗糙度： ；Ra?3. b) 加工后表面對基面的平行度： 。 m02. 2.3 磨床總體布局設(shè)計 圖 2.1 磨床總體外觀圖 2.4 磨床的傳動設(shè)計 電機(jī)電機(jī)作為機(jī)床的動力來源，它的位置需要根據(jù)機(jī)床設(shè)計來確定，它將直接與 IFK6 伺服電機(jī)連接，推動主軸電機(jī)轉(zhuǎn)動，不將電機(jī)與工作臺直接連接，可以有效的減少 工作狀態(tài)下的運動振幅，從而更好的提高了機(jī)床的加工精度。圖 2.2 則為磨床傳動的局部 傳動設(shè)計圖. 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 2.2 磨床局部傳動設(shè)計圖 2.5 磨床主要組成部件及其功能 (1) 床身 用于支承和連接磨床各個部件。為提高機(jī)床剛度，磨床床身一般為箱型結(jié) 構(gòu)，內(nèi)部裝有液壓傳動裝置，上部有縱向和橫向兩組導(dǎo)軌以安裝工作臺和砂輪架。 (2) 工作臺 有上下兩層組成，上下工作臺可相對于下工作臺偏轉(zhuǎn)一定角度，以便磨 削錐面；下工作臺下裝有活塞，可通過液壓機(jī)構(gòu)使工作臺往復(fù)運動。 (3) 磨頭 磨頭的轉(zhuǎn)動，由主軸電機(jī)通過柔性聯(lián)軸器驅(qū)動，前后支撐均為成對的高精 度滾動向心推力球軸承。 (4) 砂輪架 其上安裝砂輪，由單獨電動機(jī)帶動作高速旋轉(zhuǎn)。砂輪架安裝在床身的橫 向?qū)к壣希赏ㄟ^手動或液壓傳動實現(xiàn)橫向運動。 (5) 砂輪修整器 砂輪修整器是安裝在磨頭上面的，用來修整平心個砂輪，它用三只 螺釘經(jīng)墊鐵緊固在磨頭體的上端。 (6) 頭架 用于安裝工件，其主軸由電動機(jī)經(jīng)變速機(jī)構(gòu)帶動作旋轉(zhuǎn)運動，以實現(xiàn)周向 進(jìn)給；主軸前端可安裝卡盤或頂尖。 (7) 尾架 尾架安裝在工作臺右端，尾架套筒內(nèi)裝有頂尖，可與頂尖一起支承工件。 它在工作臺上的位置可根據(jù)工件長度任意調(diào)整。 2.6 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的分類及使用方法 (1) 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)分為數(shù)控控制進(jìn)給和手動進(jìn)給： a) 數(shù)控控制進(jìn)給 又稱自動進(jìn)給，由伺服電機(jī)驅(qū)動蝸桿，傳動與其相嚙合的螺旋齒 輪，轉(zhuǎn)動與螺旋齒輪剛性連接的絲桿副的螺母，移動絲桿使其與其固定連接的磨頭架垂 直運動。 b) 手動進(jìn)給 在床身后，與伺服電機(jī)相連接的蝸桿軸上裝有一直吃錐齒輪，轉(zhuǎn)動相 嚙合的另一錐齒輪軸，通過蝸桿螺旋齒輪副可獲得磨頭上下調(diào)整移動，在平時，錐齒輪 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 9 對始終處于非嚙合的脫開位置。 (2) 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)分為手搖進(jìn)給、手微進(jìn)給和自動進(jìn)給： a) 手搖進(jìn)給 將捏手松開，使斜齒輪與手輪空轉(zhuǎn)，然后將手輪向前推，使齒形離合 器向結(jié)合（此時拉桿已將齒輪與齒輪脫開）搖動手柄，經(jīng)手輪，軸聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動滾珠絲桿 使?jié)L珠螺母移動，帶動了脫班橫向進(jìn)給運動。 b) 手動微進(jìn)給 基本上與手搖進(jìn)給相同，此時應(yīng)將捏手?jǐn)Q緊，使挾持輪與收斂內(nèi)結(jié) 合在一起，然后使齒形離合器結(jié)合，轉(zhuǎn)動蝸桿上的捏手（圖中未示出）經(jīng)蝸桿，斜齒輪 嚙合傳動軸，其余傳動與 a 同。 c) 自動進(jìn)給 自動進(jìn)給的動力為油馬達(dá)，在它的輸出軸上裝有齒輪 12，經(jīng)與它嚙合 的齒輪 11 然后轉(zhuǎn)動軸 4， （此時應(yīng)將齒形離合器 5 分開）經(jīng)聯(lián)周期 5 使?jié)L珠絲桿轉(zhuǎn)動，滾 珠螺母是緊固在拖板上的，因此使拖板作橫向進(jìn)給。 2.7 本章小結(jié) 設(shè)計了磨床的基本構(gòu)架，分析并選擇了工作臺設(shè)計中不可或缺的部件，參照科學(xué)合 理的設(shè)計理念，對設(shè)計模型有大概的認(rèn)識。砂輪架的設(shè)計在工作臺整體中有著非常重要 的作用，在了解砂輪架的特性和工作臺配置以及加工條件下，合理選擇砂輪架是工作臺 設(shè)計成功的重要原因。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 3 砂輪的特性和修整 3.1 砂輪的特性 砂輪是由磨料家結(jié)合劑用制造陶瓷的工藝方法制成的。制造砂輪時，用不同的配方 和不同的投料密度來控制砂輪的硬度和組織。磨料、粒度、結(jié)合劑、硬度和組織這五個 因素決定了砂輪的特性。 砂輪架的設(shè)計應(yīng)滿足下列四點基本要求： (1) 主軸的回轉(zhuǎn)精度要求高且穩(wěn)定； (2) 主軸軸承系統(tǒng)的剛性好； (3) 振動小，發(fā)熱低，不漏油； (4) 制造裝配簡單，調(diào)整維修方便。 砂輪架旋轉(zhuǎn)精度是指主軸前端的徑向跳動和軸向穿動，它直接影響工件表面的光度 和表面質(zhì)量。一般平面磨床砂輪架（磨頭）的徑向、軸向跳動允差： 。m01.5.? 高精度的小于 。而通過提高軸承的精度，提高主軸的加工精度，選擇合適的軸向m05. 止推等方式來提高砂輪架的旋轉(zhuǎn)精度。 由于砂輪主軸做高速旋轉(zhuǎn)，所以振動和發(fā)熱對砂輪架正常工作影響較大。振動會使 工件表面光潔度降低，產(chǎn)生波形缺陷；而且會使磨床精度很快尚失。砂輪架發(fā)熱會使砂 輪主軸膨脹，伸長，位移。前后軸承發(fā)熱不均勻時，影響砂輪的正常工作以致發(fā)生“包 軸”現(xiàn)象?？梢圆捎靡韵麓胧﹣頊p小振動和發(fā)熱：靜平衡砂輪、對傳動砂輪的電機(jī)進(jìn)行 動平衡、避免在主軸上裝不對稱零件、選用粘度比較低的潤滑油。 砂輪架在設(shè)計磨床中的結(jié)構(gòu)特點： (1) 磨頭在該磨床上經(jīng)常做上下移動，因此要求體較小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡易，但是相 對于轉(zhuǎn)動精度要求就要更高，故此采用高精度的滾動軸承。本磨床使用西門子 IPH7 型主 軸電機(jī)，然后通過彈性聯(lián)軸器把主軸電機(jī)和主軸連接起來，而主軸加上工出錐度，方便 定位砂輪。 主軸前后端為背靠背的向心推力球軸承（396110） ，軸承的接觸角線向外擴(kuò)散，加大 了支承寬度，較為穩(wěn)定，剛性好。前端固定，后端游動，裝配方便。當(dāng)主軸做高速轉(zhuǎn)動 時，內(nèi)圈的軸向伸長量比外圈大，背對背排列不會因此增加軸承的負(fù)荷，從而保證了軸 承的正常的運轉(zhuǎn)。 軸承前端一對軸承的內(nèi)圈，由迷宮式螺母和軸肩固定，外圈由迷宮式螺母和軸體殼 臺階固定，軸承后端一對軸承的內(nèi)圈，由螺母和軸肩固定，外圈軸承蓋和軸體殼臺階固 定。這樣做的軸向定位精度高，并可以補(bǔ)償主軸的若身長。 (2) 滾動軸承的密封采用迷宮式密封裝置，工作性可靠，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使用時要在 間隙中填滿潤滑脂。軸承采用鋰基潤滑脂潤滑。軸承的預(yù)緊措施采用修磨墊片法和調(diào)整 不同長度的外殼套、內(nèi)殼套，使軸承內(nèi)、外圈移動行程預(yù)緊。 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 11 3.2 砂輪修整器 3.2.1 砂輪修整器的設(shè)計 精密零件的磨削加工中，圓弧形面的磨削尤其是軸承外環(huán)內(nèi)滾道和內(nèi)環(huán)外滾道的磨 削是一個技術(shù)難點，而砂輪的修整對磨削精度起著重要作用。傳統(tǒng)的砂輪修整是通過砂 輪修整筆進(jìn)行手工修整（圖3.1為手動往復(fù)式砂輪修整器），或者采用成型修整器(如滾輪) 進(jìn)行修整。 圖3.1 手動往復(fù)式砂輪修整器 設(shè)要求修整后的砂輪最小半徑為 ，砂輪修整滾輪的半徑為 ，砂輪截面曲線是半1r 2r 徑為 的半圓，則如圖3.2所示， 對修整截面上任一點 ； m2r3???0 ??BZY,X 圖3.2 砂輪軸線坐標(biāo)系 根據(jù)計算要求，砂輪在修整后點B處的砂輪半徑應(yīng)為 ，而實際修整后點B處的X?1r 砂輪半徑為 ，按圖3.2的坐標(biāo)系，有：RBX??1r 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 B點和修整輪中心不在同一點，而 指的是修整輪中心與砂輪中心的高度差：Z? ； 0Z,rYXB232?? (3.1) ； (3.2)????2RB12B1 rδXrδr ? 設(shè)： ； 21rR?? 代入式(3.2) 后有： ； ??RBZ2δ ； 22 ； 0δZ2RB??? 由式(3.3)可以連列出 的二次方程：RB? ； 2δ41 2RB??? ； (3.4)Z?? 在任意三角形中，斜邊總是大于另外一條邊，因此： ； 2B12RB1 rXrδr??? 所以： ； 0 上式(3.4)必須取正號，所以： ； δ2ZRB??? ； ??????12 由麥克勞林公式： ????????/n!xθf!1n/x0f!x0f0fx n1n21 ??????? ； ?? 為前兩式做近似值計算，有： ； ????ff1? 設(shè)： ； Xx?? 則： ； ??10f ； .5 故： ； 2X?? ； ZRδ1 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 13 代人上面式(3.12) ，有： ； ?????????12δRZB ； (3.5) 根據(jù)(3.5)可知： 與 的平方值成正比，與 成反比。 砂輪與砂輪修RB?Z 2B1rXR?? 整器兩者中心距的水平間距。砂輪修整滾輪的半徑 可視為常數(shù)，放入聯(lián)立式m35r2 (3.1)、(3.3)和(3.5)可以得出 作為 、 和 的函數(shù)，即對應(yīng)著不同的 、 和1rBYZ?1rBY 值，有不同的 值。Z?RB? 在使用磨床的過程中，在利用外圓進(jìn)行磨削時，砂輪半徑可在 到 的60m2 范圍內(nèi)變化，所以取 進(jìn)行計算，另外，將其與 作對比，再分別取m60r1?19r? 、 ， ；參照以上數(shù)據(jù)可以得出下表3-3。m1Z?22.4YB 表3-3 修整后砂輪半徑的誤差 值RB?z?1rBYX?RB? 0 2 227 0.00222 1.413 1.413 226.413 0.00221190 2 0 ? 225 0.00222 2 0 ?45169.33 0.00289 0 2 197 0.00254 1.413 1.413 196.414 0.00255 2 0 ? 195 0,00256 1 160 2 0 ?45148.12 0.00337 0 2 227 0.00881 1.413 1.413 226.414 0.00883 2 0 ? 225 0.00890 190 2 0 ?45169.33 0.01181 0 2 197 0.01015 1.413 1.413 196.414 0.01018 2 0 ? 195 0,01020 2 160 2 0 ?45148.12 0.0130 根據(jù)計算數(shù)據(jù)和表 3-3 可知： 在實際應(yīng)用半徑范圍內(nèi)，兩軸插補(bǔ)修整時，安裝高度誤差所引起的修整后砂輪半徑 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 誤差并不大。即在 這種情況下，砂輪半徑取最小值，即 、 時，m2Z?? m160r?0?BX 的最大值也僅 。即通過砂輪修整器的修整，可以有效的減少因安裝高度誤差RB?01. 所引起的修整后砂輪半徑的誤差。 圖 3.4 為砂輪修整器零件圖，砂輪修整的關(guān)鍵在于得到較高的修整精度，較好的表面 質(zhì)量。修整精度的高低決定磨削工件的尺寸精度和表面質(zhì)量；較好的表面質(zhì)量能保證對 磨粒有較強(qiáng)的控制，磨削時有足夠的排除碎屑空間。 圖 3.4 砂輪修整器零件圖 3.2.2 修整器擺角的設(shè)計 當(dāng)砂輪位置固定時，為了保證修整刀具能夠充分的工作，同時保證砂輪修整的精度 要求，并且修整完畢修整刀具能夠充分的脫離砂輪而不刮傷砂輪。因此圓弧修整的擺角 ，端面修整擺角 和 。如圖3.5：?70?025 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 15 圖3.5 修整器運動示意圖 其中 1：端面修整 C—B—D 2：圓弧修整 A—B 3：端面返回 D—B—C 4：圓弧返回 B—A 3.3 砂輪修整的展望 得到較高的修整精度，較好的表面質(zhì)量以及較高的修整精度是砂輪修整器的主要功 能。然而，砂輪在剛剛開始使用的時候和磨損之后很難得到修整，如果想要達(dá)到指定的 修整精度，則面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) 。??1 新的修整工具、修整技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該趨于搞效率、高精度及高度自動化，因此，賦 予了砂輪修整技術(shù)研究者新的使命： (1) 研究并開拓新的檢查檢測系統(tǒng)。應(yīng)用計算機(jī)對修整過程進(jìn)行控制，開發(fā)檢測、處 理、質(zhì)量評價、控制一體化的修整系統(tǒng)，實現(xiàn)金屬基金剛石砂輪磨削的智能化修整。 (2) 以節(jié)約成本為宗旨展開砂輪修整的研究。開發(fā)修整低成本、高效率、高適應(yīng)性、 高工業(yè)化應(yīng)用程度的金屬基金剛石砂輪的修整技術(shù)為基本原則。 (3) 對成形砂輪的修整技術(shù)展開研究。伴隨著各種復(fù)雜外形加工零件的加工越來越多 和各種高性能材料在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對成形砂輪修整提出了更高的要求。因此，在 成形砂輪修整器的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)也是對修整技術(shù)的一個關(guān)鍵提升。 3.4 本章小結(jié) 砂輪和砂輪修器整需要的零部件很多，在這里只能列出重要的部件來進(jìn)行設(shè)計，并 且通過計算說明砂輪修整器可以有效減少因安裝高度誤差所引起的修整后砂輪半徑的誤 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 差對磨床及加工工件的精度影響甚微。在不增加加工誤差的情況下，增強(qiáng)砂輪的實用壽 命，并因此提高加工工件的加工精度，可見砂輪修整器在該工作臺中的重要功能。 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 17 4 微位移系統(tǒng) 4.1 引言 美國和日本在微位移技術(shù)領(lǐng)域的研究水平處于世界領(lǐng)先地位。1985 年美國 LLNL 國 家實驗室研制成為用于大型光學(xué)金剛石車床的快速微動伺服刀架 FTS。該系統(tǒng)前端可裝金 剛石刀具，整個移動部件由前后兩個彈性薄膜支承，內(nèi)部裝有兩個差動式電容微位移傳 感器檢測刀頭位移量。該系統(tǒng)最大位移 ，分辨率為 。m27.1?5.2n 日本理化院研制成用于曲面磨削的工作臺，工作臺由三支壓電陶瓷制動器做驅(qū)動元 件，可加工球面及非球曲面，加工半徑為 的 球面反射鏡，半徑誤差為 。此60CiS0.16m 外日本 Osaka 大學(xué)研制的微進(jìn)給刀架的分辨率可達(dá) ，最大行程為 ，響應(yīng)頻. μ73 率為 。在國內(nèi)，哈工大研制的車削用微進(jìn)給刀架，采用壓電陶瓷制動器做驅(qū)動元件，KHz2 支承刀頭部分為一對彈性膜，其受力狀態(tài)可簡化為雙固定端梁在中間加載，結(jié)構(gòu)簡單、 緊湊、體積小、易于控制、使用方便，其最大行程為 ，定位分辨率 。μm10n2??1 此外，中國長沙國防科技大，廣東工學(xué)院等院校也都在進(jìn)行這方面的研究，已經(jīng)取 得顯著的進(jìn)展。壓電陶瓷制動器，雖然具有分辨率高，剛度高和響應(yīng)快等優(yōu)點，但其行 程小使其應(yīng)用受到限制，而日本 Kobe 大學(xué)采用步行機(jī)構(gòu)制成大行程高分辨率的微位移進(jìn) 給機(jī)構(gòu)，使得這一問題得到了解決。 近年來，隨著微電子技術(shù)，宇航、生物工程等學(xué)科的發(fā)展，對精密機(jī)械的精度要求 越來越高，要求精密機(jī)械和檢測設(shè)備具有亞微米甚至納米精度。在精密加工和測量中， 為實現(xiàn)刀具或工件的精確、微小位移，進(jìn)一步提高分辨率，必須采用微進(jìn)給系統(tǒng)。 高精密的微進(jìn)給系統(tǒng)是精密加工中的關(guān)鍵裝置，它除了具有微量控制切削厚度的功 能外，還可用來進(jìn)行機(jī)床導(dǎo)軌直線度補(bǔ)償，主軸回轉(zhuǎn)誤差補(bǔ)償及非對稱表面和非球面的 加工等。微位移技術(shù)精密機(jī)械和一起實現(xiàn)高精度的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來，微位移技術(shù) 得到迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于宇航、機(jī)械、微電子領(lǐng)域，成為現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)。 4.2 微位移技術(shù)的分類 微位移技術(shù)包括微位移機(jī)構(gòu)、檢測裝置和控制系統(tǒng)三部分組成，如圖 4.1 所示。微位 移機(jī)構(gòu)是具有高靈敏度高精度的機(jī)構(gòu)。 圖 4.1 微位移技術(shù)的組成 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 微位移工作臺控制技術(shù)的結(jié)構(gòu)圖如圖 4.2 所示。 圖 4.2 微位移工作臺控制結(jié)構(gòu)框圖 微位移機(jī)構(gòu)由微位移驅(qū)動器和微動工作臺組成。根據(jù)微位移驅(qū)動器和微動工作臺導(dǎo) 軌行程可以分成以下五類 ： ??13 (1) 柔性支承，壓電晶體或電致伸縮微位移器驅(qū)動； (2) 氣浮導(dǎo)軌，伺服電動機(jī)或直線電動機(jī)驅(qū)動； (3) 滑動導(dǎo)軌，機(jī)械式或壓電式驅(qū)動； (4) 滾動導(dǎo)軌，壓電晶體或電致伸縮微位移器驅(qū)動； (5) 平行彈性導(dǎo)軌，電磁、電壓或壓電式驅(qū)動。 根據(jù)行程微位移機(jī)構(gòu)的機(jī)理，微位移器可以分為機(jī)械式和機(jī)電式兩類。其類別如圖 4.3 所示。 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 19 圖 4.3 微位移器的分類 4.3 微位移系統(tǒng)的廣泛實用性 微位移系統(tǒng)在精密機(jī)械和儀器中主要用于提高運動的靈敏度和精度。隨著科學(xué)技術(shù) 的不斷進(jìn)步，對設(shè)備的精度要求也越來越高，微位移技術(shù)則越來越廣泛。根據(jù)當(dāng)前實際 應(yīng)用的范圍，可以分為以下三個方面： (1) 精度補(bǔ)償：精密工作臺是高精度儀器和設(shè)備的核心，它的性能的優(yōu)劣直接影響整 機(jī)的精度。而在當(dāng)今社會制造業(yè)生產(chǎn)中，效率問題成為衡量設(shè)備先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一， 因此，先進(jìn)的設(shè)備和儀器中的運動部件，向高速度，高精度發(fā)展，以提高設(shè)備的工作效 率。但是，高速度帶來的運動慣量較大，對高精度有一定的影響。為解決高速度和高精 度的矛盾，通常采用粗、精結(jié)合的方法來實現(xiàn)。 (2) 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)：在精密加工中，為了提高加工質(zhì)量，往往采用微量進(jìn)給運動，例如， 超光滑表面的精加工，要求每次進(jìn)給量為微米級，這是一般機(jī)械所難于達(dá)到的，用微位 移機(jī)構(gòu)很容易實現(xiàn)。 (3) 微調(diào)：微調(diào)是精密機(jī)械中常遇到的難題，實現(xiàn)高精度、準(zhǔn)確可靠的微調(diào)，是保證 機(jī)構(gòu)調(diào)整到正確位置的關(guān)鍵，特別是在車床運作時的動態(tài)實時調(diào)整，難度相當(dāng)大，而微 位移系統(tǒng)真是解決這類問題的關(guān)鍵。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 4.3.1 微位移器件在磨床中所需要具備的條件 位移的壓電器件，應(yīng)滿足下列要求： (1) 壓電靈敏度高，即單位電壓變形大。 (2) 行程大，電壓 -變形曲線重復(fù)性好。 (3) 體積小，穩(wěn)定性好、不易老化。 壓電陶瓷的主要特點是變形量小，即在壓電陶瓷上施加較高的電壓時，任然獲得的 行程很小。所以在設(shè)計微位移器件時，應(yīng)該盡量提高壓電陶瓷的變形量，以滿足設(shè)計的 要求。 4.3.2 微位移行程的提高 提高微位移行程有利有弊，其措施可以從以下幾個層面考慮： (1) 增加壓電陶瓷的成長度和提高施加的電壓（或采用壓電堆，提高變形量） ，此為 常用的方法，但增加長度會使結(jié)構(gòu)增大，而提高電壓則會造成使用不便。 (2) 減少壓電陶瓷的厚度，可使變形量增加，但是減少壓電陶瓷的厚度，會使機(jī)械強(qiáng) 度下降，如果是承受較大的軸向載荷時，可能會破壞器件，在設(shè)計時應(yīng)該兼顧機(jī)械強(qiáng)度。 (3) 不同的材料壓電系數(shù)不同，可根據(jù)需要選擇不同的材料。 (4) 壓電晶體在不同的方向施加電壓，產(chǎn)生的壓電系數(shù)不同。 4.4 壓電、電致伸縮器件在微位移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的優(yōu)點 壓電、電致伸縮器件是本課題設(shè)計所采用的新型微位移器件。它本身具有體積小、 結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高、控制簡便等優(yōu)點，并且它沒有熱問題，這意味著它不會對該精密 平面磨床產(chǎn)生因發(fā)熱而引起的附加誤差。采用這種器件制成微位移系統(tǒng)還能較容易的實 現(xiàn)精度為 的超精密定位，因此，作為理想的微位移驅(qū)動器，壓電、電致伸縮器件μm01. 在精密機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。 4.4.1 壓電與電致伸縮效應(yīng)——機(jī)電偶合效應(yīng) 電介質(zhì)在外加電場作用下，應(yīng)變與電場的關(guān)系為： ；2MEd??? 式中 ：應(yīng)變； ：逆壓電效應(yīng)； ：壓電系數(shù) ；d??Vm/ ；電場 ；E ；電致伸縮效應(yīng)；2M ：電致伸縮系數(shù) ；2/ 電介質(zhì)在電場的作用下，會產(chǎn)生兩種效應(yīng)，即逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，統(tǒng)稱機(jī)電 耦合效應(yīng)。 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 21 電致伸縮效應(yīng)：在外界電場的作用下，電介質(zhì)因感應(yīng)極化作用而引起的應(yīng)變，該應(yīng)變 的大小與電場平方成正比，與電場的方向無關(guān)。 逆壓電效應(yīng)：電介質(zhì)在外界電場的作用下，產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變的大小與電場成正比，應(yīng) 變的方向與施加電場方向有關(guān)。 逆壓電效應(yīng)僅在無對稱中心晶體才有，而電致伸縮效應(yīng)應(yīng)在所有的電介質(zhì)晶體中都 存在，但是一般都比較軟弱。壓電單晶體如石英、羅息鹽等的壓電系數(shù)比電致伸縮系數(shù) 打幾個數(shù)量級，在低于 1 的電場作用下，只有逆電壓效應(yīng) 。MV/m??14 4.5 微位移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.5.1 微位移工作臺的組成 一個良好的微位移系統(tǒng)，需要一組性能良好的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)，而微位移機(jī)構(gòu)是精密加 工中的關(guān)鍵裝置。根據(jù)本設(shè)計的要求，并從位移精度、位移范圍、機(jī)構(gòu)剛度、預(yù)緊結(jié)構(gòu)、 剪應(yīng)力傳遞和密封性能等等方面綜合考慮，微位移工作臺設(shè)計成立時結(jié)構(gòu)，以電致伸縮 陶瓷制動器作為驅(qū)動元件，推動板彈簧產(chǎn)生變形，并在計算機(jī)控制下輸入精度的電壓信 號以產(chǎn)生相應(yīng)的微位移。 4.5.2 微位移工作臺工作原理 該系統(tǒng)包括宏進(jìn)給定位工作臺和微位移定位工作臺。首先，機(jī)床工作臺進(jìn)行粗進(jìn)給， 即一級進(jìn)給，粗進(jìn)給工作臺實現(xiàn)高速運動，滿足磨削加工的高響應(yīng)、高效率的要求。微 位移工作臺的具體結(jié)構(gòu)見圖 4.4。 圖 4.4 微位移工作臺結(jié)構(gòu)圖 1-電阻應(yīng)變片；2-壓盤；3-電致伸縮陶瓷；4-子緊彈簧；5- 子緊螺栓；6-密封圈；7-密封帽；8- 上平 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 臺；9- 壓緊圈；10-板彈簧；11- 支撐套； 12-基座。 微位移機(jī)構(gòu)工作臺采用電致伸縮瓷驅(qū)動器和板彈簧組合的方式，利用子緊彈簧和子 緊螺栓的微小彈性變形來傳遞位移，推動微動工作臺，實現(xiàn)微量寄給，具有體積小，機(jī) 構(gòu)緊湊。無機(jī)械摩擦、無間隙等優(yōu)點， 。滿足精密加工對微定位的要求。 由圖 4.4 可見，它由電致伸縮陶瓷制動器、板彈簧、支撐套、后套、基座、上平臺、 壓緊圈、壓盤、預(yù)緊螺栓、密封帽及 O 形圈等零部件組裝而成。 4.5.3 板彈簧的設(shè)計與用途 彈簧有各種各樣的用途，例如：供給鐘表的原動力、給運輸車輛減震、稱量物體重 量、約束機(jī)械零件、行程彈性連續(xù)、發(fā)射和遲延導(dǎo)彈和飛行器、減輕不平衡的旋轉(zhuǎn)機(jī)械 對支承結(jié)構(gòu)的周期性擾動力等。 彈簧是一種對負(fù)荷很敏感的蓄能裝置，其主要性能是能夠容許很大的擾度而不致?lián)p 壞并當(dāng)負(fù)荷除去之后能回復(fù)到它原來的大小和形狀，盡管大多數(shù)彈簧是機(jī)械彈簧，其效 果能來自金屬構(gòu)件固有的彈簧；也可以采用液壓彈簧和空氣彈簧。為了使彈性材料發(fā)生 變形，施加的力必須逐漸增大。根據(jù)定義，功等于作用力的平均值乘以距離。就彈簧來 說，變形時所做的功是作為彈性勢能儲存在彈簧里的，當(dāng)負(fù)荷減去時，彈性勢能就會再 釋放出來。而儲存在彈簧里的能量可用來減振或推動機(jī)構(gòu)。 板彈簧是微位移工作系統(tǒng)中的主要變形元件，它的設(shè)計，計算十分重要。微位移工 作臺的行程很小，約小于 ，所以板彈簧在強(qiáng)度能滿足的前提下，變形量卻不大，為μm20 此主要計算板彈簧在電致伸縮陶瓷推動力作用下其變形量是否能達(dá)到設(shè)計要求。 板彈簧作為微位移工作臺中的彈性元件，其厚度遠(yuǎn)小于平臺與壓盤的厚度，所以可以將 上平臺和壓盤視為剛體，裝配時上平臺、板彈簧，壓盤緊密連接。因此，板彈簧，上平 臺與壓盤連接部分不發(fā)生形變，則板彈簧可簡化為外徑 2a，內(nèi)徑 2b 的彈性圓環(huán)，內(nèi)嵌直 徑為 2b 的剛體，二者之間剛性連接。工作臺受力模型可簡化為圖 4.5。 圖 4.5 工作臺受力模型 4.5.4 預(yù)緊力與系統(tǒng)分辨率 分辨率是指機(jī)構(gòu)輸入信號改變某一最小量值時，微位移機(jī)構(gòu)最大的變化量，其值為： 精密平面磨床微進(jìn)給及微位移工作臺設(shè)計 23 ；02S/f? 式中 ：系統(tǒng)的分辨率； ：微位移機(jī)構(gòu)最大的位移量；s ：控制系統(tǒng)的精度。n 由上式可知，系統(tǒng)分辨率 與系統(tǒng)最大位移量 s 成線性關(guān)系。電致伸縮陶瓷制動器的f 位移量隨著載荷的增加而減小。當(dāng)預(yù)緊力增大時，隨著陶瓷致動器位移量的減小，系統(tǒng) 的位移量 也減小，但由于消除了間隙，提高了接觸剛度，在不提高控制系統(tǒng)精度的情況s 下，可以提高系統(tǒng)的分辨率 。??15 預(yù)緊力增加，可以使微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的剛度、頻響和分辨率提高，但同時會減少微進(jìn)給 機(jī)構(gòu)的工作行程。因此根據(jù)實際情況，在不超過陶瓷制動器設(shè)計載荷的前提下，施加合 理的預(yù)緊力。 4.6 本章小結(jié) 微位移系統(tǒng)的分類、設(shè)計、實用性的合理分析是本章內(nèi)容的關(guān)鍵，也是整個精密平 面磨床設(shè)計的核心骨干，在設(shè)計方面查閱了很多的資料，篩選的過程數(shù)據(jù)雖然冗雜但是 在耐心仔細(xì)鉆研下都被一一攻克。彈簧板和預(yù)緊力分析更是將工作臺的精密性和可靠性 得到了提升。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 5 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計 5.1 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點 根據(jù)平面磨床加工的不同工作情況，采用垂直微進(jìn)給機(jī)構(gòu)可以使得磨頭得到手動進(jìn) 給、自動進(jìn)給、快速升降等運動。其中自動進(jìn)給和手動進(jìn)給是該機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)和特點： (a) 自動進(jìn)給 由伺服電機(jī)驅(qū)動蝸桿，傳動與其相嚙合的螺旋齒輪，轉(zhuǎn)動與螺旋齒輪 剛性連接的絲桿副的螺母，移動絲桿使其與其固定在連接的磨頭架垂直運動。