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山東大學
畢業(yè)設計（論文）
題 目：MKS1632A數(shù)控高速端面外圓磨床及砂輪架設計
專 業(yè)： 機電一體化工程
學生姓名：
準考證號：
指導老師：
畢業(yè)設計（論文）時間： 年 月 日～ 年 月 日
山東大學本科畢業(yè)設計（論文）
摘要
隨著機械產品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應用增多，磨削加工技術正朝著超硬度磨料磨具、開發(fā)精密及超精密磨削和研制高精度、高剛度、多軸的自動化磨床等方向發(fā)展，結合市場和畢業(yè)設計的實際，進行數(shù)控高速端面外圓磨床的設計
本次設計綜合運用大學所學的知識，通過查閱國內外磨床相關資料，確定磨床總體布局中砂輪架、頭架和尾架等部件的尺寸；檢驗主軸前端擾度，確保主軸剛度；砂輪架采用靜動壓軸承以提高旋轉精度，增強抗振性，延長軸承的使用壽命；采用皮帶和花鍵副帶動主軸旋轉，減少主軸變形，使載荷分布均勻；旨在進行磨床總體布局設計和砂輪架設計。
關鍵詞：外圓磨床 砂輪架 剛度 旋轉精度 主軸變形
Abstract
With the precision mechanical products, reliability and life is ever increasing, as well as the application of new materials increase in grinding technology is moving in super-hardness of abrasives, developing precision and ultra-precision grinding and the development of high precision, high stiffness, multi - -axis direction automatic grinding machine, etc., combined with the market and graduate design, carry out high-end CNC cylindrical grinding machine design
The design of the integrated use of the University have learned, through access to relevant information grinder at home and abroad to determine the overall layout of the grinding wheel frame, the first frame and tail components such as the size of aircraft; test spindle disturbing degree of front-end to ensure spindle rigidity; wheel frame using static and dynamic pressure bearings to increase the rotation accuracy, enhanced anti-vibration and prolong the service life of bearings; use of belts and spline drive spindle rotation, reducing spindle deformation, so that uniform load distribution; aimed at understanding the overall layout of grinding wheel at a reasonable level aircraft and their components.
Keywords: wheel frame stiffness of spindle rotation accuracy deformation
目 錄
第一章 緒論………………………………………………………………1
1.1磨床的類型與用途………………………………………………………1
1.1.1磨床的類型及其特點……………………………………………… 1
1.1.2磨床的用途…………………………………………………………1
1.1.3外圓磨削和端面外圓磨床…………………………………………2
1.2磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢………………………………4
第二章 設計任務書……………………………………………………………5
2.1.畢業(yè)設計題目……………………………………………………………5
2.2.畢業(yè)設計的目的………………………………………………………………5
2.3.任務與要求………………………………………………………………5
2.4.用途和規(guī)格…………………………………………………………………5
2.5.設計重點與難點……………………………………………………………6
2. 6.擬采用的途徑與手段………………………………………………………………6
第三章 磨床總體布局……………………………………………………………7
3.1磨床總體設計…………………………………………………………………………7
3.2總體設計注意事項………………………………………………………………… 7
3.3磨床總體布局設計………………………………………………………………… 7
3.3.1加工零件…………………………………………………………………………… 7
3.3.2初步估計組成部分………………………………………………………………… 7
3.3.3總體布局初步設計………………………………………………………………… 7
3.3.4縱向與橫向尺寸的確定…………………………………………………………… 8
3.3.5砂輪架相關尺寸設計………………………………………………………………11
3.3.6頭架相關尺寸的確定………………………………………………………………13
3.3.7尾架相關尺寸的確定………………………………………………………………14
3.3.8工作臺………………………………………………………………………………14
3.3.9橫向進給機構………………………………………………………………………14
3.3.10砂輪修整器……………………………………………………………………… 14
3.3.11液壓系統(tǒng)………………………………………………………………………… 15
3.3.12電氣部分………………………………………………………………………… 15
3.3.13機床保護系統(tǒng)…………………………………………………………………… 15
第四章 砂輪架設計……………………………………………………………………… 16
4.1砂輪架設計的基本要求…………………………………………………16
4.2主軸旋轉精度及其提高措施……………………………………………16
4.3主軸軸承系統(tǒng)的剛性…………………………………………………………16
4.4砂輪架主軸初步設計…………………………………………………………16
4.5主軸剛度校核……………………………………………………………………18
4.6動靜壓軸承………………………………………………………………………19
4.7傳動裝置設計……………………………………………………………………20
第五章 數(shù)控系統(tǒng)設計………………………………………………………………27
5.1概述……………………………………………………………………………… 27
5.2確定硬件電路總體方案……………………………………………………27
結論……………………………………………………………………………………35
致 謝………………………………………………………………………………… 37
參考文獻………………………………………………………………………………38
4
山東大學本科畢業(yè)設計（論文）
第1章 緒論
1.1 磨床的類型與用途
1.1.1 磨床的類型及其特點
用磨料磨具（砂輪、砂帶、油石和研磨料等）為工具進行切削加工的機床，統(tǒng)稱為磨床（英文為Grinding machine），它們是因精加工和硬表面的需要而發(fā)展起來的。
磨床種類很多，主要有：外圓磨床、內圓磨床、平面磨床、工具磨床和用來磨削特定表面和工件的專門化磨床，如花鍵軸磨床、凸輪軸磨床、曲軸磨床等。
對外圓磨床來說，又可分為普通外圓磨床、萬能外圓磨床、無心外圓磨床、 寬砂輪外圓磨床、端面外圓磨床等
以上均為使用砂輪作切削工具的磨床。此外，還有以柔性砂帶為切削工具的砂帶磨床，以油石和研磨劑為切削工具的精磨磨床等。
磨床與其他機床相比，具有以下幾個特點：
1、磨床的磨具（砂輪）相對于工件做高速旋轉運動（一般砂輪圓周線速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上發(fā)展）；
2、它能加工表面硬度很高的金屬和非金屬材料的工件；
3、它能使工件表面獲得很高的精度和光潔度；
4、易于實現(xiàn)自動化和自動線，進行高效率生產；
5、磨床通常是電動機---油泵---發(fā)動部件，通過機械，電氣，液壓傳動---傳動部件帶動工件和砂輪相對運動---工件部分組成。
1.1.2 磨床的用途
磨床可以加工各種表面，如內、外圓柱面和圓錐面、平面、漸開線齒廓面、螺旋面以及各種成形表面。磨床可進行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以進行各種高硬、超硬材料的加工，還可以刃磨刀具和進行切斷等，工藝范圍十分廣泛。
隨著科學技術的發(fā)展，對機械零件的精度和表面質量要求越來越高，各種高硬度材料的應用日益增多。精密鑄造和精密鍛造工藝的發(fā)展，使得有可能將毛坯直接磨成成品。高速磨削和強力磨削，進一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范圍日益擴大。它在金屬切削機床所占的比重不斷上升。目前在工業(yè)發(fā)達的國家中，磨床在機床總數(shù)中的比例已達30%----40%。
據1997年歐洲機床展覽會(EMO)的調查數(shù)據表明，25%的企業(yè)認為磨削是他們應用的最主要的加工技術，車削只占23%， 鉆削占22%，其它占8%；而磨床在企業(yè)中占機床的比例高達42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%[3]。由此可見，在精密加工當中，有許多零部件是通過精密磨削來達到其要求的，而精密磨削加工會要在相應的精密磨床上進行，因此精密磨床在精密加工中占有舉足輕重的作用。但是要實現(xiàn)精密磨削加工，則所用的磨床就應該滿足以下幾個基本要求：
1.高幾何精度。 精密磨床應有高的幾何精度，主要有砂輪主軸的回轉精度和導軌的直線度以保證工件的幾何形狀精度。主軸軸承可采用液體靜壓軸承、短三塊瓦或長三塊瓦油膜軸承，整體度油楔式動壓軸承及動靜壓組合軸承等。當前采用動壓軸承和動靜壓軸承較多。主軸的徑向圓跳動一般應小于1um，軸向圓跳動應限制在2—3um以內。
2.低速進給運動的穩(wěn)定性。 由于砂輪的修整導程要求10—15mm/min，因此工作臺必須低速進給運動，要求無爬行和無沖擊現(xiàn)象并能平穩(wěn)工作。
3.減少振動。 精密磨削時如果產生振動，會對加工質量產生嚴重不良影響。故對于精密磨床，在結構上應考慮減少振動。
4.減少熱變形。 精密磨削中熱變形引起的加工誤差會達到總誤差的50％，故機床和工藝系統(tǒng)的熱變形已經成為實現(xiàn)精密磨削的主要障礙。
1.1.3 外圓磨削和端面外圓磨床
1.外圓磨削
在外圓磨削過程中，工件是安裝在兩頂尖的中心之間，砂輪旋轉是引起切削旋轉的主要來源和原因?；镜猛鈭A磨削方法有兩種，即橫磨法磨外圓和縱磨法磨外圓，如圖1－1和圖1－2所示。
事實上，外圓磨削可以通過其他以下幾種方法來實施：
（1）傳遞方法：在這種方法中，磨削砂輪和工件旋轉以及徑向進給都應滿足所有的整個長度，切削的深度是由磨削砂輪到工件的縱向進給來調整的。
（2）沖壓切削方法：在這種方法中，磨削是通過砂輪的縱向進給和無軸向進給來完成的，正如我們所看到的，只有在表面成為圓柱的寬度比磨削輪磨損寬度短時，這種方法才能完成。
圖1－1 橫磨法磨外圓
圖1－2 縱磨法磨外圓
（3）整塊深度切削方法：除了在磨削過程中，要進行間隙調整外，這種方法與傳遞方法很相似，同時這種方法具有代表性，可以磨削短而粗的軸。
2.端面外圓磨床及其特點
端面外圓磨床是外圓磨床的一種變形機床，它宜于大批量磨削帶肩的軸類工件，有較高的生產率。它的特點如下
（1）這種磨床的布局形成和運動聯(lián)系與外圓磨床相似，只是砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度（通常10°，15°，23°，26°，30°，45°），如圖1－3所示，數(shù)控端面外圓磨床MKS1632A的砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜30°。為避免砂輪架與工件或尾架相碰，砂輪安裝在砂輪架的右邊，從斜向切入，一次磨削工件外圓和端面。
（2）由于它適用于大批量生產，所以具有自動磨削循環(huán)，完成快速進給（長切入）---粗磨---精磨—無花磨削。由定程裝置或自動測量控制工件尺寸。
（3）裝有砂輪成型修整器，按樣板修整出磨削工件外圓和端面的成型砂輪，為保證端面尺寸穩(wěn)定及操作安全，一般具有軸向對刀裝置。
圖1－3 砂輪架與頭架，尾架中心連線傾斜一角度
1.2 磨床的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢
隨著機械產品精度、可靠性和壽命的要求不斷提高以及新型材料的應用增多，磨削加工技術正朝著超硬度磨料磨具、開發(fā)精密及超精密磨削（從微米、亞微米磨削向納米磨削發(fā)展）和研制高精度、高剛度、多軸的自動化磨床等方向發(fā)展，如用于超精密磨削的樹脂結合劑砂輪的金剛石磨粒平均半徑可小至4μm、磨削精度高達0.025μm；使用電主軸單元可使砂輪線速度高達400m/s，但這樣的線速度一般僅用于實驗室，實際生產中常用的砂輪線速度為40－60m/s；從精度上看，定位精度＜2μm，重復定位精度≤±1μm的機床已越來越多；從主軸轉速來看，8.2kw主軸達60000r/min，13kw達42000r/min，高速已不是小功率主軸的專有特征；從剛性上看，已出現(xiàn)可加工60HRC硬度材料的加工中心。
北京第二機床廠引進日本豐田工機公司先進技術并與之合作生產的GA（P）62－63數(shù)控外圓/數(shù)控端面外圓磨床，砂輪架采用原裝進口，砂輪線速度可達60m/s，砂輪架主軸采用高剛性動靜壓軸承提高旋轉精度，采用日本豐田工機公司GC32－ECNC磨床專用數(shù)控系統(tǒng)可實現(xiàn)二軸（X和Z）到四軸（X、Z、U和W）控制。
此外，對磨床的環(huán)保要求越來越高，絕大部分的機床產品都采用全封閉的罩殼，絕對沒有切屑或切削液外濺的現(xiàn)象。大量的工業(yè)清洗機和切削液處理機系統(tǒng)反映現(xiàn)代制造業(yè)對環(huán)保越來越高的要求。
第2章 設計任務書
2.1畢業(yè)設計題目
MKS1632A數(shù)控高速端面外圓磨床及砂輪架設計
2.2畢業(yè)設計目的
本課題旨在讓學生綜合運用大學四年所學的知識，設計數(shù)控端面外圓磨床MKS1632A及其砂輪架，樹立理論聯(lián)系實際的作風和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。該課題要求繪制磨床總體布局裝配圖、砂輪架部件裝配圖和磨床零件圖，最后撰寫設計說明書。
2.3任務與要求：
（1）機床總體布局裝配圖（1#）；
（2）部件裝配圖（砂輪架0#）；
（3）電氣控制圖 （0#）；
2.4用途和規(guī)格
（1）加工對象 A 帶軸肩的多臺階軸（如齒輪軸）
B要求端面外圓一次完成的零件
C 帶較大端面的盤類零件
D 作一般外圓磨床
（2）主要規(guī)格 A加工直徑φ20mm---φ320mm
B 最大加工長度為750mm
C 最大加工重量200㎏
D 砂輪線速度60m/s
E 機床中心高1095mm
F工件轉速范圍30~300rpm
（3）主要運動 A 砂輪轉動
B 工件轉動
C工作臺縱向移動
D砂輪架斜向進給運動
E砂輪修整器斜向進給運動
F砂輪修整器旋轉運動
2.5設計重點與難點
（1）磨床總體布局中各部件尺寸的確定；
（2）砂輪架主軸和軸承的設計和選用；
（3）皮帶的選用和帶輪的設計；
2.6擬采用的途徑與手段
（1）查閱國內外磨床相關資料，確定磨床總體布局中各部件（如砂輪架、頭架和尾架等）尺寸；
（2）檢驗主軸前端擾度，確保主軸剛度；
（3）砂輪架采用靜動壓軸承以提高旋轉精度，增強抗振性，延長軸承的使用壽命；
（4）采用皮帶和花鍵副帶動主軸旋轉，減少主軸變形，使載荷分布均勻；
（5）采用Auto CAD繪制裝配圖和零件圖；
第3章 磨床總體布局
3.1 磨床總體設計
1.加工零件的工藝分析（表面形狀，尺寸，材料，技術條件，批量，加工余量等）；
2.調查研究 比較國內，外同類機床，經驗總結，進行改革創(chuàng)新；
3.圖紙設計（總圖，部件裝配圖，零件圖，工藝卡，目錄，標準件，外購件目錄，鑄件，鍛件目錄，說明書，裝箱單，合格證）；
4.制造，裝配，調試；
5.小批量生產，設計改進；
3.2、總體設計注意事項
1.保證機床滿足加工精度要求，剛性，穩(wěn)定性好；
2.傳動系統(tǒng)力求簡短；
3.操作調整方便；
4.安全保護，冷卻液供給，回收，廢渣的排除。
3.3 磨床總體布局設計
3.3.1 加工零件
帶軸肩的多臺階軸，精度IT7以下，Ra1.6---Ra0.4，材料45#，40cr，球墨鑄鐵等；
3.3.2 初步估計組成部分
a.床身；b.工作臺面；c頭架；d尾架；e砂輪架；f 修整器；g 測量裝置；h 砂輪進給電機；I 修整器進給電機；j 電器框；k工作臺進給電機；l 工件旋轉電機；m 潤滑冷卻裝置；n數(shù)控裝置；
3.3.3 總體布局初步設計
1.T型床身；
2.工作臺移動；
3.工作臺型面采用傾斜10°的型面；
4.砂輪架主軸與床身導軌傾斜30°角；
5.頭尾架中心線平行；
6.采用成型砂輪修整器（金剛石滾輪），采用MARPPOS公司軸向，徑向測量儀，配用該公司E5數(shù)控框（如圖3－1所示）來控制軸向尺寸，徑向尺寸，測量儀布置在橫梁上；
圖3－1 E5數(shù)控框
7.數(shù)控系統(tǒng)的四坐標軸
X軸：砂輪架進給 Y軸：修整器進給
Z軸：工作臺移動 W軸：工件旋轉
各軸采用交流伺服電機，通過精密無間隙彈性連軸器直接與滾珠絲桿相連；
8.液壓油箱單獨（減小熱變形，簡化機床結構，易實現(xiàn)標準化，通用化，便于維修）；
9.電器框與機床采用空中走線；
10.機床前防護罩采用全封閉結構；
3.3.4 縱向與橫向尺寸的確定
圖3－2 磨床縱向尺寸
1.縱向尺寸
①工件最大長度 ；
②頭架長度 ；
③尾架長度 ；
④上臺面長度 ；
⑤下臺面長度 ；
⑥床身長度 ；
⑦后床身長度 （考慮砂輪架和修整器大小按經驗給定）；
⑧整個床身寬度 （視覺效果）；
⑨砂輪架中心與機床床身對稱線相距
2.橫向尺寸
1）畫出橫向尺寸床身的V型導軌作為橫向尺寸的基準，畫出床身的平面導軌作為高度尺寸的基準線，根據確定的工作臺參數(shù)，導軌參數(shù)B1，B2中心畫出左視圖
2）確定上，下工作臺厚度和寬度
（1）厚度：用類比法
上工作臺 中心 （3－1）
下工作臺 中心 （3－2）
為工作臺導軌的中心距，工作臺導軌選用8075250
取 =0.3250=75mm
=0.38250=95mm
（2）寬度
（3－3）
∵ ∴
∵ ∴
3）確定頭，尾架頂尖中心位置
頂尖中心安排在V型導軌的中心線上，這樣有利于磨削最小直徑工件的，砂輪架趨近于工作臺不致相碰。缺點是使導軌的承載壓力較大，故常適當加寬V型導軌的寬度。
4）確定頭尾架頂尖中心至床身底面的高度H1
左右
根據工人身高，經驗。類比取
5）工作臺回轉中心位置B9
6）確定機床總高H
所以H取2000mm。
3.3.5 砂輪架相關尺寸設計
（1）砂輪架導軌（V—平導軌）10090400
考慮到砂輪的大小及重量與砂輪架的穩(wěn)定性，取L`中心=500mm，從而可定出砂輪架的寬度約為600mm，導軌為0.15MPa 的卸荷導軌。
圖3－3 砂輪架的導軌
（2）砂輪架橫向行程長度
（3－4）
式中為砂輪架快速進退的行程，一般取。此處取。
（3－5）
安全系數(shù)取0.1足夠
（取373）
（3）砂輪架高度和長度
砂輪架箱體導軌的高度h3，砂輪底板滑臺高度h4，砂輪中心距砂輪底面高度h5，與后床身頂面至平導軌的高度h0，為避免上，下工作臺運動時與箱體相碰，安裝在后床身上的墊板頂面需低于上下工作臺的頂面，同時考慮橫向進給機構穿過床身的位置等，根據經驗
① 取
②砂輪架中心距后床身頂面
③砂輪架底座安裝修整器，內有傳動絲桿
取
圖3－4 砂輪架的高度和寬度
④后床身進給導軌內裝絲桿
取
⑤砂輪架底板長度：
∴ 取=900mm
⑥砂輪架導軌長度
∴取
（4）砂輪架主軸電機的選擇
①用類比法，砂輪架主軸電機的功率取15kw；
②計算法 （3－6）
取
3.3.6 頭架相關尺寸的確定
①長，寬，高：440400411mm
②主軸錐孔：莫氏5#錐孔
③中心高： （3－7）
通過以上計算頭架中心高取180mm
④主軸轉速 （3－8）
取
⑤交流伺服電機選擇
用類比法，交流伺服電機選擇IFT5076-DA(D1 18N-M)電機
砂輪磨削工件需要的功率
（3－9）
交流伺服電機通過20/38的雙楔齒輪帶傳遞給工件，即
∴合格
⑥主軸不旋轉，主軸靠撥盤帶動旋轉
3.3.7 尾架相關尺寸的確定
①5#莫氏錐孔
②中心高180mm，臺面傾斜10°
③直線滾動導軌
④液壓油缸，頂緊力
3.3.8 工作臺
要求上，下臺面便于調整頭尾架，便于安裝滾珠螺母。傾斜10°以便于頭尾架定位，冷卻液回流；及使頭尾架不等高時修刮側面
3.3.9 橫向進給機構
交流伺服電機----聯(lián)軸器----滾珠絲桿----砂輪架
壓力卸荷導軌 壓力油0.15Mpa 卸去壓力
V—平導軌
砂輪架行程
3.3.10 砂輪修整器
伺服電機---絲桿---修整器
直線滾動導軌
主軸直徑D=50mm，采用液體動壓軸承(16r/min 6.3Mpa)
修整速度=
修整器直徑 故
修整器行程為160mm
3.3.11 液壓系統(tǒng)
①修整器；②尾架；③量儀（兩個）；④潤滑油；⑤床身導軌；⑥砂輪架卸荷導軌；⑦絲桿；⑧直線滾動導軌；⑨間歇
3.3.12 電氣部分
SIMENS 810G 控制五坐標軸 砂輪架主軸
3.3.13 機床保護系統(tǒng)
①靜壓供油系統(tǒng) 壓力繼電器 壓差發(fā)訊器 液壓控制器 電路延時
②尾架伸縮油缸靜壓供油系統(tǒng)：設置自動循環(huán)電路，可手動，也可用于腳踏。當工件旋轉時，由于互鎖裝置，使起無效。
③油箱液壓控制
④數(shù)控系統(tǒng)（在各坐標軸）自診斷與保護功能
如：電池電壓低 程序錯誤
⑤各坐標軸由行程開關控制最大位移量
⑥安全防護罩（砂輪罩，機床前罩）全封閉式
⑦導軌面保護
Ⅰ 工作臺導軌：不銹鋼可伸縮防護罩
Ⅱ 砂輪架導軌：㈠前部：翻板式護罩+橡皮（防水）；㈡后罩：鋼罩。
Ⅲ 修整器導軌：折疊式
第4章 砂輪架設計
4.1 砂輪架設計的基本要求
砂輪架是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉的關鍵部件，主要由傳動部件和主軸軸承部分組成，主軸與軸承是砂輪架的主要組成部分，因此對砂輪架設計提出的基本要求也是針對主軸軸承部分的。
砂輪架設計應滿足以下幾點基本要求：
1.主軸旋轉精度高，旋轉穩(wěn)定；
2.主軸軸承系統(tǒng)剛性好；
3.振動小，發(fā)熱低，不漏油；
4.裝配制造簡單，調整維修方便。
4.2 主軸旋轉精度及其提高措施
1.砂輪架旋轉精度是指主軸前端的徑向跳動和軸向躥動大小，它直接影響工件的表面粗糙度和表面缺陷。一般端面外圓磨床砂輪架允許的徑向和軸向跳動允許誤差取5μm~~10μm。
2.提高主軸旋轉精度的措施
（1）選擇合適的主軸軸承：動靜壓軸承；
（2）提高主軸的加工精度；
（3）正確選擇主軸軸向止推方式：液體靜壓推力軸承。
4.3 主軸軸承系統(tǒng)的剛性
主軸軸承系統(tǒng)的剛性是指在磨削力或傳動力作用下，主軸軸承抵抗變形的能力。通常以主軸前端的撓度來度量。過低的剛性會降低磨削生產率、加工精度和工件表面的粗糙度，引起直波形和螺旋線缺陷。
4.4 砂輪架主軸初步設計
1. 砂輪架主軸的強度校核
進行軸的強度校核時，應根據軸的具體受載及應力情況采取相應的計算方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力。對砂輪架主軸來說，由于采用了卸荷皮帶輪裝置，砂輪架主軸主要承受扭矩，應該按照扭轉強度計算，且在選取許用應力時應該選取較小值。砂輪架主軸材料采用42MnVB，并進行淬火，故選取許用應力為40MP。
軸的扭轉強度條件為
（4－1）
——扭轉切應力（單位為MP）
—— 軸所受扭矩（單位為）
—— 軸的扭轉截面系數(shù)（單位為）
—— 軸傳遞的功率（單位為KW）
—— 軸的轉速（單位為r/mm）
—— 計算界面處的直徑（單位為mm）
—— 許用扭轉應力（單位為r/mm）
由上式可得軸的直徑為
（4－2）
mm
由上述計算可以得知砂輪架最小直徑為31.02mm，考慮到砂輪架的剛度等因素，取主軸的最小直徑為60mm。砂輪架主軸的尺寸如圖4－1所示。
圖4－1 砂輪架主軸尺寸示意圖
4.5 主軸剛度校核
1.當量直徑
因為是階梯軸，所以用當量直徑法作近似計算當量直徑為：
（4－3）
L=140+640+20+32+10=932mm
= 89.36mm
2.允許撓度
允許撓度[y]=0.0002L < 0.0002*660=0.132mm
3、計算主軸前端撓度值
（4－4）
——載荷（單位為公斤）（150/9.8）
—— 軸兩端的跨距（單位為厘米）（66.00）
—— 懸伸長度（單位為厘米）（13.2）
—— 材料的彈性模數(shù)（單位為公斤/平方厘米）（21.02）
—— 截面慣性矩（平方厘米）
= 0.001cm = 0.01mm
又因為[y]=0.135，0.01<0.135，即< [y]，由上述校核可以得知，主軸剛度符合要求。
一般存在一個使主軸前端撓度最小，即剛性最好的支承跨距L。由經驗得知，L為（3~~6）D時，主軸前端撓度最小，D=120mm，L為360~~720mm，取L為640mm。
4.6 動靜壓軸承
靜壓軸承是利用外部油源產生承載能力的油膜軸承，動靜壓混合軸承是一種既綜合了液體動壓和靜壓軸承的優(yōu)點，又克服了兩著缺點的新型多油楔油膜軸承。它利用靜壓軸承的節(jié)流原理，使壓力油腔中產生足夠大的靜壓軸承載力，從而克服了液體動壓軸承啟動和停止時出現(xiàn)的干摩擦造成主軸與軸承磨損現(xiàn)象，提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持性；軸承油腔大多采用淺腔結構，在主軸啟動后，依靠淺腔階梯效應形成的動壓承載力和靜壓承載力疊加，大大地提高了主軸承載能力，而多腔對置結構又極大地增加了主軸剛度；高壓油膜的均化作用和良好的抗振性能，保證了主軸具有很高旋轉精度和運轉平穩(wěn)性。
它的優(yōu)點如下：
1.速度和載荷范圍廣，應用范圍廣。動靜壓軸承在零件轉速到很高的范圍內的 各種相對速度下都能承載，而且載荷范圍大，其承載能力取決于供油壓力，軸承軸頸結構和相對大??；
2.油膜剛度高，阻尼大，抗振性好;
3.摩擦阻力，磨損小.由于總有一層油膜將相對運動表面隔開，因此摩擦阻力小，磨損小，能長期保持很高的運動精度，壽命長.且對軸承軸頸材料要求也較低;
4.主軸回轉精度高.動靜壓軸承中靜壓油膜具有良好的糾正軸和軸向跳動;
5.安全性好.在萬一供油受阻或切斷時，可利用軸承中動壓效應來承載;
6.承載能力高.由于動壓效應，使軸承轉速越高承載能力越大，同時軸承還能承受方向不斷變化的動載及瞬時過載;
7.穩(wěn)定性好.
8.使用較經濟.由于動靜壓軸承高速下主要靠動壓承載，故這時供油壓力可相對較小，軸承可設計成較小軸頸，軸承結構簡單，制造精度和材料要求不高。
動靜壓軸承需要一套供油系統(tǒng)，潤滑油要經過嚴格過濾以保持清潔。目前廣泛應用的是定壓供油系統(tǒng)。一定壓力的壓力油，經節(jié)流器流入兩相對運動體間的油腔，通過油腔壓力來平衡外載荷。在定壓供油系統(tǒng)中，節(jié)流器是關鍵部分，它起著限制流入油腔流量的阻尼作用，使油腔壓力僅隨外載荷的變化而變化。靜壓軸承常用的固定節(jié)流器有毛細管和小孔節(jié)流器兩種。本次設計選用毛細管節(jié)流器。
動靜壓軸承廣泛用于高速精密設備中.目前，在改造舊精密磨削設備方面，用得較多的是北京中航設備改造廠的WMB型表面節(jié)流液體動靜壓混合軸承。
砂輪架主軸的軸向定位采用軸向止推靜壓軸承。軸向止推軸承由兩個相對的環(huán)形油腔構成。軸上具有臺肩以形成承載面。軸承的間隙通過修磨調整墊圈的厚度來保證。
4.7 傳動裝置設計
為了提高主軸的旋轉精度，皮帶輪不直接裝在主軸上，而是裝在單獨的支架上，并用花鍵套帶動主軸旋轉，即采用卸荷皮帶輪的方案，如圖4－2所示。這個方案的優(yōu)點是，減少了主軸的變形，同時還提高了承載能力。
圖4－2 卸荷皮帶輪
1.電動機的選擇
= （2.35~~8.82）+3.8 = 12.62kw
通過以上計算，取=15kw，選擇Y100L—4型電動機
2.皮帶設計
因為多楔帶兼有V帶和平帶的優(yōu)點，外輪廓尺寸小，比V型帶傳動平穩(wěn)，所以皮帶采用多楔帶[5]。多楔帶以平帶為基體，內表面有等距離縱向楔型的環(huán)形帶傳動。工作面為楔側面，有橡膠和聚氨酯兩種。
1）皮帶材料的選用
皮帶材料選用聚氨酯。
2）設計計算
已知小帶輪轉速，即 =1500r/min，傳動比i=2.5；
（1）計算功率
由《機械設計》表8.7查得，工作情況系數(shù)為1.1，故
（4－5）
（2）由和選擇帶型
由于=16.5kw，=1500r/min，查表后可知，取帶型為L型。
（3）確定帶輪基準直徑
由《金屬切削機床設計簡明手冊》表4—43，取主動輪基準直徑=80mm。
，由此得。
（4）驗算帶速
（4－6）
= 6.28 m/s < 30 m/s，所以帶速合格。
（5）初定軸向間距
由公式（4－5）
0.7（+）< < 2（+）， （4－7）
可知196< < 560，取=400。
（6）所需基準帶長
（4－8）
=1248.82mm
由《金屬切削機床設計簡明手冊》表4—5，取相近的基準帶長= 1250 mm。
（7）實際軸向間距
（4－9）
= 401.18mm
所以皮帶的實際軸向間距?。?01mm。
（8）多楔帶每楔的基本額定功率
由《金屬切削機床設計簡明手冊》表4—40，可以查得＝0.34kw。
（9）小帶輪的包角
（4－10）
＝162.85°
（10）多楔帶楔數(shù)的確定
（4－11）
其中
查表得，
，代入的計算公式中，得＝0.849kw。
又已知＝0.955，＝1.00，得：
由此可以確定，取Z＝15。
3.帶輪設計
1）帶輪設計的要求：
（1）質量小，結構工藝性好，無過大的鑄造應力；
（2）質量分布均勻，轉速高時要經過動平衡校證；
（3）槽輪工作面要經過精細加工，以減少帶的磨損；
（4）輪槽的尺寸和角度應有一定的精度，以使載荷分布均勻。
2）帶輪的材料選用
帶輪的材料選用HT200。
圖4－3 小帶輪的結構尺寸
3）帶輪的結構
（1）小帶輪直徑（d為軸的直徑），所以采用實心式。
（2）大帶輪< 300，所以采用腹板式結構。
4）小帶輪的結構尺寸
（4－12）
其中——帶輪的外徑，
——軸的直徑，
——基準線上槽深。
（4－13）
，圓整后得＝165mm
（4－14）
， （4－15）
其中——多楔帶的楔數(shù)，
——多楔帶的槽間距，
——第一槽對稱面到端面的距離。
5）大帶輪的結構尺寸
圖4－4 大帶輪的結構尺寸
4.花鍵套的選用
由軸端直徑Φ60選用內花鍵套：8×62H7×78H10×12H11GB1144-87，如圖
圖4－3 內花鍵套的結構尺寸
第5章 數(shù)控系統(tǒng)設計
5.1 概述
任何一個數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分構成，硬件是組成系統(tǒng)的基礎，軟件是系統(tǒng)的靈魂。有了硬件和軟件和配合才能有效的完成系統(tǒng)的使命。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標。本設計中要求砂輪架自動橫向進給（X）和工作臺縱向進給（Y）在兩坐標進行控制。對磨床工作過程進行分析：其調整過程有裝工件，手動退出，手動快進，對刀，手動快退；自動調整過程有設置磨削量，快進，工進，快退。
該磨床的砂輪架橫向進給機構和工作臺縱向進給實行數(shù)控，主要的使用要求和功能如下：
要有兩個步進電機分別驅動砂輪和工作臺。
1．對液壓進行控制。
2．對冷卻液進行控制。
3．砂輪主軸電機控制。
4．頭架主軸電機啟?？刂?。
5．手動及其方向控制。
6．手動快進和快退。
7．工作方式。
8．鍵盤與顯示。
9．工作臺限位。
10．報警。
11．急停。
根據以上要求來確定硬件電路方案。
5.2 確定硬件電路總體方案
機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成，如圖5.1所示。
（1）主控制器，即中央處理單元CPU。
（2）總線，包括數(shù)據總線（DB），地址總線（AB）和控制總線（CB）。
（3）儲存器，包括只讀可編程程序儲存器（ROM）和隨機讀寫數(shù)據儲存器（RAM）。
4．接口，即I/O 輸入/輸出接口電路。
5.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖
1.主控制器CPU的選擇
在一般二坐標聯(lián)動的數(shù)據控系統(tǒng)中，推薦采用MCS-51系列單片機作為主控制器。MCS-51系列單片機主要有三種型號的產品：8031，8051和8751。該系列產品是集中CPU，I/O端口及部分RAM為一體的功能性很強的控制器。目前，工業(yè)控制中應用最多的是8031單片機。本設計中也采用8031單片機。它是一個具有40根引腳的雙列直差式器件，其基本特征有：
（1）具有8位中央處理單元CPU
（2）片內有時鐘發(fā)生電路
（3）具有128個字節(jié)的RAM
（4）具有21個特殊功能寄存器
（5）可尋址64K字節(jié)的外部數(shù)據存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器
（6）具有4個I/O接口，32根I/O線
（7）具有兩個16位定時器/計數(shù)器
（8）具有5個中斷源，配備兩個優(yōu)先級別
（9）具有一個全雙功能串行接口
（10）具有位尋址能力，適用邏輯運算
8031片內沒有程序存儲器，僅有片內數(shù)據存儲器。
2.程序存儲器擴展
單片機應用系統(tǒng)擴展的芯片大多采用EPROM芯片。在選擇芯片時，要考慮最大讀出速度，工作溫度及存儲器的容量。在滿足容量要求的同時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡化。所以本設計中選用2764EPROM芯片，它是雙列直插式28腳芯片。
單片機規(guī)定口分時輸出低8位地址和數(shù)據的通道口。為了把地址信息分離出來保存，需要地址鎖存器。本設計中采用74LS373作為地址鎖存器。
采用2764EPROM程序存儲器的擴展電路框圖如圖5.2所示：
圖5.２ 2764EPROM程序存儲器的擴展電路框圖
3.數(shù)據存儲器的擴展
由于8031內部RAM只有128字節(jié)，不能滿足系統(tǒng)的要求，需擴展片外的數(shù)據存儲器。單片機應用系統(tǒng)數(shù)據存儲器擴展電路一般采用6/16和6264表態(tài)RAM數(shù)據存儲器，其選用規(guī)則與EPROM程序存儲器的要求相同。在本設計中選用6264為數(shù)據存儲器的擴展芯片。容量為8K。擴展6264框圖如下
4.I/O口擴展電路設計
8031單片機共有四個八位并行I/O口，但可供用戶使用的只有口及口。因此要進行I/O接口的擴展。
本設計中采用通用的可編程接口芯片8255A。它是有A，B。C三個可編程功能的8位I/O接口，有40個引腳的雙列直插式RAM/IO/CTC擴展器。由8255A自單片機接受地址址信息，控制信息，在數(shù)據總線與端口間傳送數(shù)據狀態(tài)控制信號。
圖5.3 擴展6264框圖
由于一塊8255A可提供24個I/O口，而本設計中經過分析，使用要求須四十幾個口，所以本設計中采用三片8255A芯片，其中一塊芯片作為鍵盤，顯示接口電路。
根據以上控制需要分配這些接口：
（1）OUTPUT：控制砂輪架進給五相步進電機-------
控制工作臺進給五相步進電機-------
工件頭架旋轉（C）異步電機--------線圈觸點占1位
砂輪旋轉（F）異步電機----------線圈觸點占1位
液壓泵異步電機（，，）--------線圈觸點占3位
液壓繼電器（，，）--------線圈觸點占3位
（2）OUTPUT：
限位開關（，） 口
零位開關（，）
（3）I/O（面板）：
鍵盤4*7=28 口
顯示器 米字形 口
手動按鈕（，，F(xiàn) C ）
啟動/暫停
警報
急停
（5）波段開關（編輯，自動，手動）
由上述可知：共使用了三片8255A芯片，其中還剩余口（八位）可以利用。
總線連接
①數(shù)據總線（DB） 口為數(shù)據I/O口，數(shù)據總線由它連接各芯片數(shù)據I/O口。
②地址總線（AB） 設計中一共使用了一片TAM（8K），一片TOM（8K），三片8255A。必須對這些擴展部分實行統(tǒng)一編址。
2764EPROM 8K= 需13條地址線
6264RAM 8K= 需13條地址線
但由于訪問片外TOM與訪問片外RAM所以用控制線不同，且與，不會同時有效，所以兩者地址可以完全重疊。用口八位地位地址。五位高地址。2764EPROM與三片8255A I/O接口芯片可用2-4譯碼器74LS32進行片選。由，兩位控制片選結果。
EPRAM6264
0 0 EPRAM6264
0 0 8255A（1）
1 0 8255A（2）
1 1 8255A（3）
由此，可得地址分派如下：
0000~00FFH RAM6264
0000~00FFH ROM2764
0001~01FFH 8255A（1）
0002~02FFH 8255A（2）
0002~03FFH 8255A（3）
圖5.4 接口框圖
5.鍵盤，顯示接口電路
圖5.5 鍵盤和顯示接口電路
如圖5.5所示，本數(shù)控系統(tǒng)采用行列式鍵盤，即用I/O口線組成行列結構，按鍵設置在行列的交點上。使用的顯示器為16段米字管和LED（發(fā)光二極管顯示器）。
采用8255A接口芯片管理鍵盤，顯示器電路。它由4*7鍵和7位LED顯示器組成。
鍵盤，顯示器接口電路圖：
8031的口作數(shù)據輸出，，用與端口選址，兩片8255A的與，左上8255A芯片的與右下8255A的一起組成4*7鍵盤掃描線，右下8255A的PB口用于查詢8個限位開關的狀態(tài)。
6.8031與控制電機與電液閥8255A的聯(lián)接其它輔助電路設計
8031的口向8255A輸出八位數(shù)據以控制電機和液壓閥。鎖存器出來的與，以進行端口尋址。與控制8255A的讀寫?？诘目刂埔晃逑嗖竭M電機，控制另一步進電機?？刂扑膫€異步電機的啟停，控制液壓閥。加光電隔離器以屏蔽電磁干擾。
圖5.6 輔助電路
7.步進電機驅動電路
步進電機驅動電路如圖5.7所示，由四部分組成。在步進電機驅動中，一般在接口電路與功率放大器之間要加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，本設計中使用光隔，光隔引腳及接線圖如圖5.8所示。
圖5.7 步進電機驅動電路助
圖5.8 光隔引腳及接線圖
結論
經過幾個多月的努力，我順利完成了畢業(yè)設計的任務，對磨床的設計過程有了一個基本的認識，特別對數(shù)控高速端面外圓磨床MKS1632A的設計過程有了深刻和清晰的了解。這次畢業(yè)設計是對我大學所學知識的一次綜合應用，它涉及到機械制圖、機械制造技術、機械原理、機械設計、機械裝備設計、液壓系統(tǒng)設計、數(shù)控技術、互換性和測量技術、單片機、電子信息技術等多門課程的內容，使我對知識的綜合知識的運用有了很大的提高。
本次設計的數(shù)控高速端面外圓磨床MKS1632A可以同時加工帶軸肩類零件的外圓和端面，從而提高了磨削效率，減少加工時間，節(jié)省工件的生產成本。
本次畢業(yè)設計我設計的部件是砂輪架，砂輪架是磨床上用來帶動砂輪作高速旋轉的關鍵部件，主要由傳動部件和主軸軸承部分組成，主軸與軸承是砂輪架的主要組成部分。首先是根據砂輪架主軸的要求進行軸的設計，然后再選取軸承，設計皮帶和皮帶輪等等。在這個過程中，軸的撓度校核、皮帶和皮帶輪的設計等用到了大量的計算。
由于磨床是高精密加工機床，對各部件的設計要求都較高。為了提高旋轉精度，我主要做了以下工作：
1.在選擇軸承的時候，我選用了動靜壓軸承。，動靜壓混合軸承是一種既綜合了液體動壓和靜壓軸承的優(yōu)點，又克服了兩著缺點的新型多油楔油膜軸承。它利用靜壓軸承的節(jié)流原理，使壓力油腔中產生足夠大的靜壓軸承載力，從而克服了液體動壓軸承啟動和停止時出現(xiàn)的干摩擦造成主軸與軸承磨損現(xiàn)象，提高了主軸和軸承的使用壽命及精度保持性；軸承油腔大多采用淺腔結構，在主軸啟動后，依靠淺腔階梯效應形成的動壓承載力和靜壓承載力疊加，大大地提高了主軸承載能力，而多腔對置結構又極大地增加了主軸剛度；高壓油膜的均化作用和良好的抗振性能，保證了主軸具有很高旋轉精度和運轉平穩(wěn)性。
動靜壓軸承廣泛用于高速精密設備中.目前，在改造舊精密磨削設備方面，用得較多的是北京中航設備改造廠的WMB型表面節(jié)流液體動靜壓混合軸承。
2.在砂輪架傳動裝置設計中，采用了多楔帶皮帶和多楔帶帶輪。多楔帶兼有V帶和平帶的優(yōu)點，外輪廓尺寸小，比V型帶傳動平穩(wěn)。多楔帶以平帶為基體，內表面有等距離縱向楔型的環(huán)形帶傳動，工作面為楔側面。
3.為了減少外載荷對砂輪架主軸的影響，提高砂輪架主軸的承載能力，在帶輪的安裝方面，采用了卸荷皮帶輪的方案，即多楔帶皮帶輪不是直接安裝在砂輪架主軸上，而是安裝在支架上，然后通過花鍵套來傳遞扭矩，帶動砂輪架主軸旋轉。這種方案的好處是砂輪架承受的軸向力大大地減小了，砂輪架主要承受扭矩，達到減小砂輪架主軸變形、提高砂輪架主軸的承載能力和提高旋轉精度等目的。
需要補充一點的是，在砂輪架主軸的設計中，因為軸的中間部分只有一部分需要進行精加工，以便安裝動靜壓軸承，其余部分則沒有什么特殊的加工要求。考慮到加工成本的問題，我采取將砂輪架主軸中間一部分半徑減小的方法，從而減少了精加工的長度，減小了工件的加工成本，但這樣做會減小砂輪架主軸的剛度。
這次畢業(yè)設計對我大學所學的知識進行了綜合，對我運用知識的能力有了很大提高，特別是培養(yǎng)了我理論結合實際的作風，改變了我以前設計不切合實際的想法，很多設計力求標準化和規(guī)范化。
致謝
經過幾個多月的努力，畢業(yè)設計已接近尾聲了。在老師的指導下，我順利地完成了本次畢業(yè)設計的全部任務。老師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和高度的責任心給我留下了很深刻的印象，同時也給我的學習、工作、生活以很大的影響，使我受益匪淺。值此論文完成之際，謹向老師表示衷心的感謝，并感謝同組同學對我的合作和支持。
此外，具有豐富磨床設計經驗的老師給我悉心講解圖紙和解答疑問，在次也表示衷心的感謝。最后，院里的領導和其他老師也給了我很大的關心，再一次對大家表示衷心的感謝！
最后再一次感謝所有在畢業(yè)設計中曾經幫助過我的良師益友和同學，以及在設計中被我引用或參考的論著的作者。
呂付強
2010年3月15日
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