1、畢業設計基于笛卡爾坐標系數控磨齒機砂輪修整裝置設計摘 要數控磨齒機的砂輪修整是目前磨削加工的重要研究課題。本文介紹了一種新型的砂輪修整器，它包含端面修整器和圓弧修整器二個部分，從而能夠實現端面修整和圓弧修整。砂輪修整器上裝有自鎖裝置，從而能夠保證砂輪修整的精度。其中工作臺采用滾珠絲杠進給,減少砂輪修整器的裝配誤差。修整器的進給采用步進電機進給驅動，端面修整器和圓弧修整器的擺動角度有液壓缸控制，機床采用模塊化設計，全封閉護罩，工作拖板和修整拖板均采用超精密加工的十字交叉滾子導軌，精度高、穩定性好。因此，砂輪修整能夠得到較高的修整精度，較好的表面質量。關鍵詞： 砂輪、磨削、修整器、結構設計THE

2、DESIGN OF THE NUMERICAL CONTROL BEARING GRINDER WHEEL DRESSERABSTRACTThe numerical control bearing grinder wheel dresser is rubs truncates the processing the important research topic at present. This article introduced a new type of grinding wheel dresser. It contains two parts that is the end surfa

3、ce finisher and the circular arc finisher, Thus can realize the end surface repair and the circular arc repair. On the grinding wheel finisher is loaded with the self-locking installment, thus can pledge the grinding wheel repairs and maintains precision. The finisher uses the differential motion gu

4、ide screw to enter gives, reduces the grinding wheel finisher the installation error. The finisher entering for uses step machine enters for the actuation, the end surface finisher and the circular arc finisher swings the angle to have the hydraulic cylinder control, The engine bed uses the modular

5、design, entire seal, works plank and repairs plank uses the ultra precise processing the cross overlapping roller guide rail, the high precision, the stability is good. Therefore, the grinding wheel repairs can obtain high repair precision, better surface quality.KEY WORDSwheel,grinding, finishing,c

6、onfiguration design第一章 緒論1.1數控磨齒機的應用近十幾年來，借助CNC技術，磨齒機上砂輪的連續修整，自動補償，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現，數控技術在平面磨齒機上逐步普及。制造業的競爭已從早期降低勞動力成本、產品成本，提高企業整體效率和質量的競爭，發展到全面滿足顧客要求、積極開發新產品的競爭，將面臨知識-技術-產品的更新周期越來越短，產品批量越來越小，而對質量、性能的要求更高，同時社會對環境保護、綠色制造的意識不斷加強。因此敏捷先進的制造技術將成為企業贏得競爭和生存、發展的主要手段。計算機信息技術和制造自動化技術的結合越來越緊密，作為自動

7、化柔性生產重要基礎的數控機床在生產機床中所占比例將越來越多。平面磨齒機相對于車床、銑床等采用數控系統較晚，因為它對數控系統的特殊要求。現代工業生產中，中、小批量零件的生產占產品數量的比例越來越高，零件的復雜性和精度要求迅速提高，傳統的普通機床已經越來越難以適應現代化生產的要求，而數控機床具有高精度、高效率、一機多用，可以完成復雜型面加工的特點，特別是計算機技術的迅猛發展并廣泛應用于數控系統中，數控裝置的主要功能幾乎全由軟件來實現，硬件幾乎能通用，從而使其更具加工柔性，功能更加強大。我國從80年代開始生產數控平面磨齒機，隨著數控系統性能與可靠性的提高，價格更趨合理，使數控磨齒機與普通磨齒機的比價

8、為廣大用戶所接受，同時隨著先進制造與自動化技術在生產中的要求提高，數控磨齒機的使用也將越來越廣泛。數控平磨及其它磨齒機將向加工柔性更好的高檔磨削加工中心和更加高效的專用數控磨齒機方向發展。我們相信伴隨著計算機、信息技術革命的深入，數控磨齒機在其智能化、系統信息控制等方面，將會有很大的進步。1.2砂輪磨削的發展現狀人們一直對于提高磨削的砂輪速度所帶來的技術優勢和經濟效益給予了充分的注意和重視。但是在高速磨削過程中，工件受熱變形和表面燒傷等均限制了砂輪速度的進一步提高，砂輪強度和機床制造等關鍵技術也使得高速磨削技術在一段時間內進展緩慢。當20世紀90年代以德國高速磨齒機FS一126為主導的高速磨削

9、(Highspeed Grinding)技術取得了突破性進展后，人們意識到一個全新的磨削時代已經到來。高速磨削技術是磨削工藝本身的革命性躍變，是適應現代高科技需要而發展起來的一項新興綜合技術，它集現代機械、電子、光學、計算機、液壓、計量及材料等先進技術成就于一體。隨著砂輪速度的提高，目前磨削去除率已猛增到了3000 mm3mms甚至更多，可與車、銑、刨等切削加工相媲美，尤其近年來各種新興硬脆材料(如陶瓷、光學玻璃、光學晶體、單晶硅等)的廣泛應用更推動了高速磨削技術的迅猛發展。日本先端技術研究會把高速加工列為五大現代制造技術之一。國際生產工程學會(CIRA)將高速磨削技術確定為面向21世紀的中心

10、研究方向之一。1.3砂輪修整的作用精密零件的磨削加工中，圓弧形面的磨削尤其是軸承外環內滾道和內環外滾道的磨削是一個技術難點，而砂輪的修整對磨削精度起著重要作用。傳統的砂輪修整是通過砂輪修整筆進行手工修整，或者采用成型修整器(如滾輪)進行修整。但這兩種方法修整后的砂輪都會產生圓弧形狀誤差，影響加工后工件的形狀精度。影響砂輪修整精度的原因有兩方面：一是修整器本身的精度；二是操作不當。修整可恢復超硬砂輪的切削刃。在磨削過程中，砂輪逐漸鈍化。因此，驅動砂輪所需要的力矩增加。如果要保持砂輪的轉速，砂輪驅動功率就會增加，磨削區產生的熱量也會增多。隨著砂輪的鈍化和摩擦消耗功率的增大，工件可能發生燒傷。第二章

11、 砂輪修整的分類2.1常規機械修整方法離線修整修整砂輪的最初方式是用單刃金剛石車削砂輪。圖2-1為100多年前使用的實用修整裝置。目前，單刃金剛石仍在使用，而且可以安裝在機動滑板上，以提高位置控制精度。對于成形砂輪，為維持砂輪形狀精度，通常采用單點式車削修整工具。離線修整仍在工業界使用。盡管手動離線修整不準確，高精度設計的離線修整系統仍能產生良好的砂輪修整效果。在線修整意味著每臺磨齒機裝備一臺修整裝置，因此其經濟效益可能低于所有磨齒機共同使用的高精度離線修整系統。手植金剛石、金屬結合劑旋轉修整工具的效果優于單刃金剛石工具，常常用于批量生產磨削的磨齒機上。顯然，這些工具比較昂貴，往往與比較昂貴的

12、電氣的或液壓的精密定位滑板和主軸組件聯合使用。對于成形磨削，成形修整滾輪是修整成形砂輪的一種有效方式。由于旋轉修整裝置費用高且需要相應的位置控制系統，小型機械車間一般不予采用。圖2-1 Samann修整裝置2.1.2 連續修整砂輪的修銳往往意味著必須中斷磨削過程。這樣中斷不僅降低生產效率，而且由于磨削過程的專一性導致磨削性能的不一致。所以，加工中修整受到高度重視。連續修整技術向來是研究與開發的重點。連續修整時，砂輪通常以預定修整速度過修整，以補償工件磨削過程中可能發生的砂輪最高磨損速度。連續修整期間有過量的材料從砂輪上被去除。因此，十分注意檢測砂輪表面的磨損速度或狀態。磨削過程中采用各種傳感器

13、(其中包括加速度計和測力傳感器)來間接檢測砂輪表面狀態。由于磨削過程和磨齒機的動態性能影響傳感器性能，獲取準確數據本身就很具挑戰性。即使有了數據，進行數據處理，并將間接得到的信號與砂輪表面磨損聯系起來加以分析以滿足較高的精度要求，也并非易事。為了避免砂輪的過量修整，關鍵在于檢測和分析磨削期間獲得的數據。另一種工作是檢測修整工具反復橫過砂輪作連續修整時的修整力。利用實測修整力確定砂輪已得到充分修整的時間。測出逐次修整力值之差。或者，通過計算逐次修整力變化的差別比率來確定。在兩種情況下，當計算值小于某一預定值時便終止修整。圖2-2 金屬結合劑砂輪的電腐蝕修整圖2-2所示的電腐蝕修整法可用于連續修整

14、或在線修整。修整工具提：一種分成兩部分的電極對，其中的電極有不同的極性，互相絕緣隔開，電壓回路由兩電極控制。由于機械接觸，保持砂輪表面與電極間的間隙不需要精密定位機構和位移傳感器。同時，在接觸期間電腐蝕去除導電性結合劑，避免了純機械磨削修整中的缺點。磨削修整的缺點是：修整工具磨損相當大，在砂輪表面上從結合劑幾乎暴露不出磨粒。由于磨粒間沒有足夠過渡空間接收磨削中的切屑，存在下列問題：砂輪迅速堵塞，結合劑與工件間的摩擦相當厲害，切削力和切削溫度增加。圖2-3 高速磨削用樹脂結合劑超硬磨料砂輪的加工中熱修整圖2-3所示的這種方法適合于修整硬級高速樹脂結合劑砂輪。在磨削工件的同時，砂輪面被加熱到200

15、1200華氏溫度的修整元件修整和整形。由于有機結合劑砂輪的強度和彈性高于陶瓷結合劑砂輪，其所能承受的砂輪速度高達15000rpm而不致爆裂。在修整過程中，如果增加修整元件的摩擦接觸，樹脂結合劑的削弱則足以釋放磨損的磨粒并暴露出新的磨粒。2.1.3 非接觸修整超硬磨料砂輪很難進行機械接觸修整，而且要求操作人員有豐富的經驗。即使采用CNC磨齒機中的自動修整系統，避免修整速度過高并按砂輪磨損速度進行修整也仍然是一門藝術。修整工具本身的磨損總是對砂輪修整產生影響。對砂輪修整的工藝參數以及新途徑作過大量的研究工作。這些新型修整方法都是建立在結合劑特性的基上，其中包括微磨粒噴射修整、激光束修整、電火花修整

16、和電化學修整。微磨粒噴射和激光束修整已經應用于樹脂結合劑超硬砂輪，電火花和電化學修整則已在金屬結合劑砂輪上得到應用。非接觸修整對工具沒有或只有較小的磨損。2.2 特種砂輪修整方法2.2.1 微磨粒噴射修整這種修整是利用高壓氣體以100200ms的速度傳送直徑25微米的磨粒來實現的kuriya-gawa，1996。一種方式是將噴射流均勻地噴射到樹脂結合劑砂輪表面，以產生大量直徑1O微米的微凹。另一種方式是在砂輪表面上切割圖案(例如微槽)。兩種加工中修整法均被證明是富有成效的。超硬磨料砂輪也可以用氧化鋁顆粒噴打。2.2.2 激光束修整這種修整是利用YAG脈沖激光在樹脂結合劑CBN砂輪上實現的Nak

17、ajima，1995。如果能夠準確地控制激光修整參數，砂輪表面的修整深度和修整模式均易控制。修整時間的長短取決于激光束的掃描速度和能量密度。根據輸人熱的大小，結合劑可能蒸發、分離、飛濺和削弱。同時，CBN顆粒也可能在修整中受到一定的影響。電火花修整(EDM)這種修整法已廣泛用來修整金屬結合劑砂輪以及導電性樹脂結合劑砂輪。可用來精密修整成形砂輪，而且可通過自動修整作業來完成。由于不會發生機械力，薄砂輪和小砂輪均宜采用EDM修整。修整過程中采用水基磨削液。砂輪輪廓靠成形石墨電極來生成。砂輪輪廓的生成一般可在15分鐘內完成Uematsu，1997。為了配合干磨法，過去也研究過無液EDM修整。2.2.

18、4 電解連續修整(ELID)電解修整由Norton公司發明于60年代，在常規電解磨削中改變砂輪和工件問的電位即可實現。近20年來，由于日本研究人員在促進鏡面精密磨削過程作了大量的研究工作，其廣泛應用已成為現實。ELID法是建立在圖2-4所示的導電性砂輪的基礎上。在磨削過程中，金屬結合劑由砂輪表面和電極間的電解過程所去除。作為修整區的間隙被供以導電性電解液。圖2-4 電解加工中修整ELID系統由用作陽極的導電性鑄鐵纖維結合劑(CIFB)砂輪、銅或石墨電極和電源裝置所組成。當砂輪受到堿性電解液(也用作冷卻液)中弱直流脈沖電流作用時，砂輪表面的銹蝕得到促進。高強度鑄鐵結合劑會變成相當軟的氧化鐵，并形

19、成導電性不良的所謂ELID層。隨著該層在砂輪表面的形成，電流變小，因此鑄鐵結合劑的電解將被抑制在最低限度。隨著磨削的進行，該層受到被磨材料切屑的作用，使其變薄。然后ELID電流恢復，隨后的電流增加再次腐蝕鑄鐵結合劑，將其變成氧化鐵層，并留下新凸出的金剛石顆粒。該過程在整個ELID磨削期間持續進行下去，不論顆粒尺寸如何。與常規樹脂結合劑或陶瓷結合劑砂輪相比，CIFB砂輪的剛性和強度高得多，因此其變形也小得多，可以實現納米精密磨削。由于ELID磨削可長期保持一致性，且配置方便，因此可提高生產效率，非常適合于自動作業。但是，必須注意保持砂輪表面與電極表面間的間隙尺寸。應配備砂輪直徑變化檢測傳感器和間

20、隙尺寸補償精密定位機構，以閉合控制回路。現在也出現了一些替代設計方案，如圖2-5所示。對于小直徑砂輪，在ELID磨削中隨著砂輪直徑周圍磨損而減小，間隙尺寸在電極上的變化增大。變化的增大影響修整系統的性能。因此，建議采用分段電極，分別由單獨的間隙補償機構加以控制。圖2-5 現有ELID系統性的改進設計2.2.5 高速電解連續修整(HELID)為了提高材料切除率，一般最好是提高砂輪速度。但是，砂輪速度高不便修整，因此高速磨削的應用受到限制。盡管多年來作了大量的研究工作，高速砂輪修整的非一致性與效率低下，仍然是工業界的一個嚴重問題。高速砂輪到了要修整的時間，如不讓其停止，就必須放慢磨齒機的速度。為了

21、實現HELID，砂輪高速運轉時應保持修整區內有足夠的電解液。這也意味著砂輪高速運轉時氣孔或氣泡必須受到抑制。提高砂輪速度時，砂輪周圍的空氣可能開始進入間隙，氣孔可能開始在凸出部后面形成。由于間隙橫向電解液不足，氣孔也可能在間隙內形成。結果，砂輪速度越高，修整區內導電性就越低。HELID系統配有專門開發的柔性動壓電極，在砂輪表面速度100ms下，超硬磨料砂輪可得到有效地修整，修整速度大約是常規ELID系統的3倍。修整間隙是自動調節的，不需要配備傳感器和精密定位裝置的補償機構。砂輪一旦旋轉，修整間隙便自動形成，最初不用設定。2.3砂輪修整的新方法2.3.1 砂輪修整器的工作原理目前普遍使用的數控花

22、鍵軸修整器是兩軸聯動的數控修整器，它可以通過數控編程來修整砂輪呈漸開線形、三角形、直齒花鍵等各種形狀。但這種修整器是采用金剛石滾輪來進行修整的，滾輪對砂輪進行修整那部分的工作半徑不能太小，因此對砂輪的修整形狀也有所限制，如把砂輪修整成內凹或比較尖銳的形狀就不能實現。對砂輪修整來說，雙圓弧砂輪修整時由四個運動組成：砂輪的旋轉、金剛筆的擺動，偏心距移動以及修整的進給運動。利用數控磨床Z坐標軸實現修整時砂輪的上、下偏心距的調整，既易于保證偏心距e的精度，又簡化了修整裝置的結構。當砂輪修整時，首先金剛筆在Z向對刀，對砂輪來說，在垂直方向的最佳對刀點在砂輪的中心平面(Z=O)上。此時保持砂輪修整器金剛石

23、修整筆的回轉中心在Z軸方向固定不動，而將砂輪中心沿Z軸方向往上移動一個距離e到Q1處，此時，相當于金剛筆的回轉中心在Q2處，當金剛筆由上向下擺動時，修整砂輪的圓弧AD：同理，將砂輪中心沿Z軸方向往下移動一個距離e到Q2處，此時，相當于金剛筆的回轉中心在Q1處，金剛筆由下向上擺動修整砂輪的圓弧DC。，這樣在砂輪的法向截面就形成了由AD和DC的雙圓弧廓形。如圖26所示圖2-6 砂輪修整器原理簡圖砂輪修整進給涼由另一方向修整器Y軸伺服系統實現。2.3.2 砂輪修整器的結構特點新型砂輪修整器相對于兩軸聯動數控成型修整技術，多了一個旋轉軸，即能繞軸轉動，因此修整器的金剛筆實際上能相對砂輪表面作2個移動軸

24、加1個轉動軸的三軸聯動，使修整筆的軸線與修整點處砂輪截面曲線的法線盡量平行，保證修整工具與砂輪不發生干涉，如圖2-7所示。因為修整工具有一定的厚度，所以采用球頭刀具時，修整工具的軸線和砂輪截面曲線法線的夾角應在045度之間，可以防止發生干涉。該修整器若采用尖端具有過渡圓弧的金剛石修整器，將金剛石修整器的擺動的運動：中心設置在過渡圓弧圓心(幾何中心)，將砂輪修整過程中的金剛石修整器的擺動與兩軸移動分離，可簡化成型砂輪修整的數控編程，避免復雜的數字控制和軟件計算分析，同時也降低了修整器的成本。圖2-7 修整筆軸線與砂輪截面曲線的法線2.3.3 砂輪修整器的結構設計 如圖2-8所示是新型砂輪修整器的

25、結構示意圖。砂輪修整器由修整工具即金剛筆、修整筆支架、U軸傳動機構、U軸傳動機構支座、Z軸傳動機構、Z軸傳動機構支座、X軸傳動機構和X軸傳動機構支座即整個修整器支架構成，修整器支架安裝在砂輪架體殼上，因此整個修整器的參考基點位置相對于砂輪是固定的。對砂輪進行修整時，X軸的驅動電機驅動X軸傳動機構帶動Z軸傳動機構支座沿X軸做直線移動，并由X軸的光柵尺進行測量；在此基礎上Z軸的驅動電機驅動Z軸傳動機構帶動U軸傳動機構支座沿Z軸做直線移動，也由Z軸的光柵尺進行測量；然后U軸的驅動電機驅動U軸傳動機構帶動修整筆支架沿U軸做回轉運動。X軸和Z軸的聯動使得金剛筆可以在XZ平面內做平移運動；而加上U軸的聯動

26、，可以使金剛筆在XZ平面內做繞U軸的旋轉運動。至此金剛筆在XZ平面內沒有約束，具有三個自由度。圖2-8砂輪修整器結構示意圖2.3.4 砂輪修整的展望砂輪修整的關鍵在于得到較高的修整精度，較好的表面質量。修整精度的高低決定磨削工件的尺寸精度和表面質量；較好的表面質量能保證對磨粒有較強的把持力，磨削時有足夠的容屑空間。然而金屬基金剛石砂輪在使用之初和磨損之后很難修整，若要達到精密、超精密磨削所需修整精度，則面臨著嚴峻的挑戰。新的修整工具、修整技術的發展趨于高精、高效及自動化，賦予了金屬基金剛石砂輪修整技術研究者新的使命：1開展實用的、低成本、高效率的修整技術研究。當前的金屬基金剛石砂輪修整法或多或

27、少地都存在著修整成本高、效率低、修整時間長、裝置復雜、操作不易掌握等局限性，所以開發低成本、高效率、適應性廣、工業化應用程度高的金屬基金剛石砂輪的修整技術已成當務之急。2開發修整的檢測、監控技術。利用砂輪的聲發射超聲信號技術來判斷砂輪的工況，掃描探針顯微鏡對修整后的形貌進行分析，對修整質量進行評價，應用計算機對修整過程進行控制，開發檢測、處理、質量評價、控制一體化的修整系統，實現金屬基金剛石砂輪磨削的智能化修整。3開展各種成形砂輪的修整技術的研究。隨著各種高性能硬脆材料在各領域的廣泛應用，各種復雜型面零件的加工越來越多，然而這些零件在工程應用中常常需具有一定的曲面形狀要求，如汽車發動機中的陶瓷

28、搖臂、光學儀器中的曲面鏡、球面鏡、電子工業中的磁頭等。這對成形砂輪修整提出了更高的要求，因而深入研究各種精密修整技術，開發成形砂輪的修整技術也是金屬基金剛石砂輪修整的一個重要研究內容。第三章 步進電機及其驅動控制系統3.1 步進電機的性能及選用3.1.1 步進電機的性能步進電機一是種將電脈沖信號轉換成角位移的控制微電機，在現代工業控制及機加工等領域，自控系統對快、穩、準等三大性能指標的要求在不斷地提高。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累

29、積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。這些系統在運行過程中常需要進行準確定位和微量進給，而要達到這一目的，通常可以采用步進電機或伺服電機作為系統的動力驅動源。從自動控制原理的角度來分析，伺服電機要求設備本身必須采用閉環控制技術，且要采用精密的傳感器件作為反饋信號的檢測變換環節，只有這樣才能保證控制精度;而步進電機只需采用最簡單的開環控制就可取得非常高的控制精度，且這種系統不需要反饋信號，系統硬件實施比較簡單，所以在自動控制系統中，步進電機在某些方面比伺服電機應用更為廣泛。另外，步進電機還具有以下幾個優勢: (1)直接采用數字量控制;(2)轉動慣量小，啟、停方便

30、;步距均勻; (3)設備成本低; (4)定位準確;(5)調速范圍較寬。一、細分驅動技術通常，步進電機每接收一個驅動脈沖，就會轉過一個脈沖當量的角度，這個角度稱為步長，又稱步距角。通常，由于受繞組等客觀因素的制約，步進電機的步長一般較大，有時難以適應步進角度要求更小的微量進給系統;又由于步進電機本身所固有的低頻振動問題，使得步進電機在振動及噪音環境下的應用受到了制約。如何對步進電機的步長過大和低頻振動等不利因素通過驅動控制技術進行減輕和抑制，是步進電機應用中的一個重要問題。在現有的步進電動機驅動技術中，細分驅動是能夠有效解決上述問題的主要控制方法之一，它主要是通過對步進電機的相電流進行階梯化正弦

31、控制，使電機以足夠小的單位步距角運行，從而降低步長和低頻振動，增強電機的輸出轉矩;提高電機的運行分辨率。步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術，在每次脈沖輸入時，不是將繞組電流一次性地全部導入或全部切除，而是只改變相應繞組中額定的部分電流，從而使電機轉動的角度不是一個完整的步長而只是原步長的一部分，而步進電機的固有步長就被分解成了更小的步進單位。本系統采用的是一種被稱為“半拍步進”的細分驅動方法，為了產生這樣一個邏輯順序的信號源，可以采用環形脈沖分配器，而本系統所采用的環形分配器是通過軟件編程來實現的模擬環形脈沖分配器。步進電機的控制方框圖如圖3-1所示。圖3-1 步進電機的細分驅動控制框

32、圖二、 環形脈沖分配器的控制字環形分配器是一種周期性的脈沖產生部件，在步進控制系統中，環形分配器是把控制步進電機運行所需的速度、方向等參數轉換成相應的正、反轉相序及切換頻率，從而控制步進電機的運行方向和運行速度。在通常的步進控制系統中，都是采用硬件的環形脈沖分配器，但是，在此并不使用。因此本系統采用的是用軟件實現的模擬脈沖分配器。鑒于多數步進控制系統的驅動部件常采用三相反應式步進電機，因此細分驅動軟件實現的實質就是設計一個合理的通電相序并據此確定所控制的步進電機的控制字(FCW)，并根據初始條件控制步進電機實現系統所要達到的控制目的。步進電機的控制字長可用一個字節(Byte)即8位二進制數表示

33、，三相步進電機的三相電源用A,B, C表示，并且用1表示得電，用0表示斷電，控制字節中用D2-DO位表示步進電機驅動信號源的A、B、C相，則正、反轉控制是通過按圖3-2所示的通電相序的方向切換來實現的。由此根據相序圖就可以得到步進電機正轉的循環控制字依次為01H,03H,02H,06H,04H,05H，而其反轉循環控制自依次為5H,04H,06H,02H,03H,OIH，這點在軟件實施上可以通過查表指令來實現，并可進一步推出:若改變兩個控制字的輸出時間間隔，就可控制步進電機的運行速度，針對于這點在軟件實施上可以通過定時子程序來實現。圖3-2 環形分配器的通電相序圖三、 步進電機的升/降速控制當

34、步進電機實現自動、手動快速進給或對其實施啟/停、變速控制時，有時會出現失步甚至不能正常運行的現象，從而影響所控對象的控制精度。這是由于步進電機所固有的過低啟動頻率造成的，通常步進電機啟動頻率要遠遠低于其正常的工作頻率，為了克服這一不利因素，在系統軟件中必須要設置針對于步進電機升/降速控制的功能模塊，它的主要目的是把控制步進電機的進給脈沖通過指令平滑地引入驅動電路，從而降低甚至避免步進電機異常現象出現。升/降速控制原理為:步進電機啟動或速度突變時，電機從初始速度VO開始進行勻加速運動，當速度到達理想轉速Vmax時，進入勻速運行階段，當接近終點目標Smax的點Sc處(即圖中C點)時，電機進入勻減速

35、運行階段，直到速度恢復為VO，這樣電機就能迅速而準確地到達預定目標，如圖3-3所示：圖3-3 步進電機的升/降速曲線圖在步進電機速度控制中，最方便的是按運行步數(脈沖數)控制運行的速度(脈沖頻率)。在確定了突變速度和加速度(或加速時間)后，就可以得出速度與運行位移的關系表，進而計算出步數和運行時間的關系表，這樣在程序中就可以采用查表法來方便地進行步進電機的加減速控制。3.1.2 步進電機的選用合理地選用步進電機是相當重要的，通常希望步進電機的輸出轉矩大，起動頻率和運動頻率高，步距誤差小，性能價格比高。但增大轉矩與快速運行存在一定的矛盾，高性能與低成本存在矛盾，因此實際選用時，必須根據實際的工作

36、情況全面考慮。首先，應考慮系統的精度和速度的要求。為了提高精度，希望脈沖當量小。但是脈沖當量越小，系統的運行速度越低。故應兼顧精度的要求來選定系統的脈沖當量。在脈沖當量確定以后，又可以此為依據來選擇步進電機的步距角和傳動機構的傳動比。步進電機的步距角從理論砂鍋上說是固定的，但實際上還是有誤差的。另外，負載轉矩也將引起步進電動機的定位誤差。我們應將步進電動機的步距誤差、負載引起的定位誤差和傳動機構的誤差全部考慮在內，使總的誤差小于數控機床允許的定位誤差。步進電動機有兩條重要的特性曲線，即反映起動頻率與負載轉矩之間關系的曲線和反映轉矩與連續運行頻率之間關系曲線。這兩條曲線是選用步進電機的重要依據。

37、一般將放映起動頻率與負載轉矩之間關系的曲線稱為啟動距頻特性，將反映轉矩與連續運行頻率之間關系的曲線稱為工作矩頻特性。已知負載轉矩，可以在起動矩頻特性曲線中查出起動頻率。這是起動頻率的極限值，實際使用時，只要起動頻率小于或等于這一極限值，步進電動機就可以直接帶負載起動。若已知步進電動機的連續運行頻率f，就可以從工作矩頻特性曲線中查出轉矩Tdm,這也是轉矩的極限值，有時稱其為失轉矩。也就是說，若步進電動機以頻率f運行，它所拖動的負載轉矩必須小于Tdm，否則就會導致失步。數控機床的運行可分為兩種情況：快速進給和切削進給。在這兩種情況下，對轉矩和進給速度由不同的要求。我們選用步進電動機時，應注意使在兩

38、種情況下都能滿足要求。表3-1給出了一些常用的反應式步進電動機和混合式步進電動機的型號和簡單的性能指標。表3-1項目型號相數步距角/（0）電壓/V相電流/A最大靜矩/N.m空載起頻率/Hz運行頻率/Hz75BF00131.5/32430.39217501200075BF00331.5/33040.88212501200090BF00140.9/1.88073.922000800090BF00650.18/0.362432.15624008000110BF00330.75/1.58067.8415007000110BF00430.75/1.53044.95007000130BF00150.38/

39、0.7680109.3300016000150BF00250.38/0.76801313.728008000150BF00350.38/0.76801315.6426008000根據本次砂輪修整器的設計要求，選取110BF004 系列步進電機作為驅動電機。假若要求進給驅動裝置有如下性能：在切削進給時的轉矩為Te，最大切削進給速度ve;在快速進給時的轉矩為Tk,最大快進速度為vk。根據上面的性能指標，我們可按下面的步驟檢查步進電動機能否滿足要求。首先，依據下式，將進給速度值轉變成電動機的工作頻率：F=1000v/600(Hz) （3-1）式中 v進給速度（m/min） 脈沖當量（mm） f 步進

40、電動機工作頻率。在上式中，若將最大切削進給速度ve代入可求得在切削進給時的最大工作頻率fe；若將最大快速進給速度vk代入，就可求得在快速進給時的最大工作頻率fk。然后，根據fe和fk在工作矩頻特性曲線上找到與其對應的失步轉矩值Tdme和Tdmk,若有TeTdme和TkTdmk，就表明電動機是能滿足要求的，否則就是不能滿足要求的。3.2 步進電動機的控制系統步進電動機由于采用脈沖方式工作，且各相需按一定規律分配脈沖，因此，在步進電動機控制系統中，需要脈沖分配邏輯和脈沖產生邏輯。而脈沖的多少需要根據控制對象的運動軌跡計算得到，因此還需要插補運算器數控機床所用的功率步進電機要求控制驅動系統必須有足夠

41、的驅動功率，所以還要求有功率驅動部分。為了保證步進電機不失步的起停，要求控制系統具有升降速控制環節。除了上述各環節之外，還有和鍵盤、紙帶閱讀機顯示器等輸入、輸出設備接口電路及其他附屬環節。在閉環控制系統中，還有檢測元件的接口電路。在早期的數控系統中，上述各環節都是由硬件完成的。但目前的機床數控系統，由于都采用了小型和微型計算機控制，上述很多控制環節，如升降速控制、脈沖分配、脈沖產生、插補運算等都可以由計算機完成，使步進電機控制系統的硬件電路較以前大為簡化。3.3. 諧波減速器的選用諧波傳動是利用柔輪的變形與剛輪相嚙合而實現的傳動。諧波傳動的傳動比大、結構簡單、體積小、重量輕。由于同時嚙合的齒數

42、多，所以它的承載能力大，傳動精度高。已被廣泛地應用于許多工業領域，國內外應用諧波傳動技術來解決工程機械和起重運輸機械的動力驅動和運動傳輸的實例很多，例如：推土機中的驅動機構，橋式起重機的卷揚機構，旋臂自行式起重機的旋轉機構等。由于諧波傳動是依靠其柔輪的變形來實現運動和動力的傳遞，輸出軸力矩較人。當輸入受到某種激擾作用時，會引起減速器傳動系統的振動響應，給驅動運動精度要求較高的執行機構帶來問題，影響其傳動性能。因此，對諧波齒輪減速器的模態特性進行分析，研究此類傳動的動力學特性是十分必要的。根據總體方案對減速器的技術要求，決定采用諧波減速器。這樣的減速器傳動精度高、減速比大，諧波傳動的間隙小，傳動

43、平穩，諧波齒輪傳動的阻尼性能為0.81.9，而一般齒輪傳動約為0.210.42。外界擾動通過諧波齒輪傳動能得到很快的衰減，對系統的穩定性有利。諧波齒輪傳動的結構采用雙波橢圓波發生器，剛輪、定輪和柔輪采用復合結構，由剛輪輸出。減速器結構示意圖見圖3-4。圖3-4 諧波減速器結構示意圖3.4 進給機構的設計數控車床靠步進電機帶動滾珠絲杠傳動，由于滾珠絲杠可以有過盈量，傳動無間隙，精度主要靠機床本身和程序保證。在加工過程中可以自動測量，并能自動補償刀具磨損及其他原因產生的誤差。所以加工質量好，精度穩定。還可以用編程的方法車出形狀復雜，普通車床難以加工的零件。適合精度高，批量大，形狀復雜的零件。但小批

44、量生產也很好用。它的維修費用較普通車床高。3.4.1 微量進給機構通常把每次進給量S2m的周期進給速度和速度V10/min的低速進給稱為微量進給。微量進給分手動和自動兩類。手動微量進給機構主要用于中小型機床起進給、點動或微量補償作用，以及某些大型機床的手動微調。自動微量進給機構采用各種驅動元件使進給循環自動進行。3.4.2 對微量進給機構的基本要求（1）靈敏度高能實現所需的最小進給量Smin為了保證靈敏度較高，微量進給機構應具有高剛度。根據靈敏度要求確定微量進給機構的剛度計算條件。（2）平穩性好在低速進給是速度均勻，不出現爬行。因此，對于低速進給還應不出現爬行的條件確定傳動系統剛度的計算條件。

45、（3）精度高多數微量進給機構執行部件的定位精度直接決定工件的加工精度，因此應按所需加工精度確定進給精度和重復定位精度要求。（4）結構簡單，調整方便，操縱輕便靈活3.4.3 微量進給機構設計根據設計的要求，砂輪修整時進給量不宜太大一般控制在5m10m, 為了保證進給的準確，從而達到較好的修整精度和表面質量，通過比較各種微量進給方式，最終選擇滾珠絲杠傳動。進給機構及結構如圖3-5所示：圖3-5 進給機構示意圖一、 滾珠絲杠傳動的特點及應用滾珠絲杠是數控機床進給傳動系統的關鍵環節。滾珠絲杠靜動摩擦系數接近、傳動效率高，因此受到了普遍采用。同時，滾珠絲杠直接影響著進給傳動系統的靈敏度、定位精度、是否爬

46、行等。作為傳動滑動絲杠的進一步延伸發展，滾珠絲杠載荷。具有高效率、溫升少、高精度、高速度、高剛性、可逆性、長壽命、低能耗、同步性、高靈敏度、無間隙、維護簡單等優點。滾珠絲杠傳動的應用：絲杠傳動的適用于進給行程小的場合，如磨齒機的手動橫進給、手動補償、微量調整。螺母移動的適合進給行程大并要求快速進給的場合。在設計滾珠絲杠還應考慮如下些問題：a)臨界壓縮載荷應大于軸向最大受壓載荷，確保絲杠的穩定性；b)絲杠的最高轉速應小于臨界轉速，防止發生共振；c)滾珠絲杠還應受d0nmax限制，一般 d0nmax70000mmrmin；d)滾珠絲杠應具有足夠的剛度。二、 微量進給計算在數控系統設計中，一般根據加

47、工力學特性初選步進電機，再根據加工進度要求確定系統得脈沖當量p,即一個脈沖所產生的工作臺直線位移量。脈沖當量p和步進電機的步距角s之間存在下列關系：（3-2）式中hsp 絲杠導程（） i 步進電機輸出軸至絲杠的傳動比s步進電機步距角，單位為度當相對于某一點的直線位移X以及所需的脈沖次數N即可得出脈沖當量：（3-3）通常砂輪修整的修整量取510m，這里取進給量為5m，步進角0.75，脈沖次數為480次，假設絲杠導程10，假設脈沖當量0.001/脈沖。則可推算出諧波減速器的建速為20。第四章 修整器的設計4.1砂輪修整器的誤差分析4.1.1 砂輪修整前后砂輪半徑誤差首先分析修整后砂輪半徑的誤差。為

48、分析問題方便起見，先假定砂輪修整時砂輪修整滾輪與砂輪之間僅在水平面內有X和Y兩個方向的相對運動，即按兩軸圓弧插補的方式在過砂輪軸線截面內做曲線運動，砂輪修整滾輪軸線與砂輪軸線保持平行，建立如圖4-1所示的坐標系。圖4-1滾輪軸線與砂輪軸線坐標系設要求修整后的砂輪最小半徑為 r1，砂輪修整滾輪的半徑為r2，砂輪截面曲線是半徑為r3=2mm的半圓，則如圖4-1所示，對砂輪截面曲線上的任意一點B(XB ，YB，ZB )，要求修整后點B處的砂輪半徑為r1XB，而實際修整后點B處的砂輪半徑為r1XBRB,按圖4-1的坐標系，有：B點和修整輪中心不在同一點，而Z指的是修整輪中心與砂輪中心的高度差XB 2Y

49、B2 = r32 ，ZB=0 (4-1) (r1XBr2)2Z2=(r1XBRBr2)2 (4-2)設： R = r1XBr2 (4-3)代入式(4-2) 后有：R2Z2=( RRB)2 (4-4)R2Z2= R22RRBRB2 (4-5)RB22RRBZ2= 0 (4-6)式(4-6)是關于RB的二次方程，故有： (4-7)(4-8)因為三角形的斜邊必大于直角邊，因此：r1XBRBr2 r1XBr2 (4-9)所以：RB0(4-10)上面式(4-8)中必須取正號，故： (4-11) (4-12)由麥克勞林公式：f(x) = f(0) f1(0)x f2(0)x2! f(n1) (0)xn1/

50、(n1)！fn(x)xn/n！, 01 (4-13) 取前兩項作近似計算，有：f(x)f(0) f1(0)x (4-14)設：f(x) = (4-15) 則：f(0) = 1 (4-16)f1(0)=0.5 (4-17)故： (4-18) (4-19)代人上面式(4-12)中，有： (4-20) (4-21)由式(4-21)可知：RB近似地與z的平方成正比，與R = r1XBr2成反比。是砂輪與砂輪修整器兩者中心距的水平投影。因為砂輪修整滾輪的半徑r2=35mm可視為常數，放聯立式(4-1)、(4-3)和(4-21)，可求出RB作為r1、YB和z的函數，即對應著不同的r1、YB和z值，有不同的

51、RB值。對我們所使用磨齒機而言，外圓磨削時，砂輪半徑可在 160 mm到 200 mm的范圍內變化，故取r1= 160 ,進行計算，另取r1= 190 作對比，分別取z =l mm、2mm，取YB =0、1.414 、2 。計算結果如下面表4-1(表中為砂輪修整滾輪軸線的法面與X軸的夾角，兩軸插補修整時，=0；其它參數的單位為)：由計算結果可見：兩軸插補修整時，在實際應用的砂輪半徑范圍內，安裝高度誤差所引起的修整后砂輪半徑誤差并不大。即使在z =2rnm這種情況下，砂輪半徑取最小值，即r1=160mm、XB =0時，RB的最大值也僅0.01mm。zr1YBXBRRB11900202270.00

52、221.4141.414226.4140.00221202250.0022216020450169.330.0029502001970.002541.4141.414196.4140.00255201950,0025620450148.120.00338219002002270.008811.4141.414226.4140.00883202250.0088920450169.330.0118116002001970.010151.4141.414196.4140.01018201950.0102620450148.120.0135表4-1 修整后砂輪半徑的誤差RB值由計算結果可見：兩軸插補修

53、整時，在實際應用的砂輪半徑范圍內，安裝高度誤差所引起的修整后砂輪半徑誤差并不大。即使在z =2 這種情況下，砂輪半徑取最小值，即r1= 160 mm 、XB =0 時，RB的最大值也僅0.01mm。4.1.2 裝配誤差引起的修整后砂輪的誤差如果修整器裝配時，修整器的轉動軸沒有通過修整輪圓弧刃的圓心，即存在著裝配誤差，此裝配誤差將引起修整后砂輪截面曲線形狀的誤差。假定要求砂輪在過其軸線截面內的形狀為圖4-2所示曲線，圖4-2軸向的裝配誤差ea和徑向的裝配誤差er即砂輪截面曲線是半徑為r3=2 mm的半圓，并假定修整輪圓弧刃的圓弧半徑為r3=0.3mm。因曲線以 X 軸為對稱，故下面只討論曲線的A

54、C段。修整砂輪時，修整輪的軸線最好與砂輪截面曲線的法線垂直。但由于修整輪有一定的厚度，在A點處及其附近，若要求修整輪的軸線與砂輪截面曲線的法線垂直，則也有可能會發生修整輪與砂輪之間的干涉。所以，修整砂輪時，一般使修整輪的軸線與砂輪截面曲線的法線之間的夾角在900到450的范圍內變化，這時，修整輪軸線的法面與X 軸正向的夾角在00到450的范圍內變化。假定修整砂輪時，為避免修整輪與砂輪發生干涉，在AD段一直保持=450；而在DC段一直保持修整輪的軸線垂直于砂輪截面曲線的法線，即從450漸變到00。在圖4-2中，O3點是砂輪截面曲線的圓心，D點是AC段的中點，修整D點時，修整輪圓弧刃的圓心位于O點

55、，修整器繞 Z 軸轉動的轉動中心位于O1點，修整輪圓弧刃的中點位于a點；修整C點時，修整輪圓弧刃的圓心位于O點，修整器繞z軸轉動的轉動中心位于O1點，修整輪圓弧刃的中點位于a點。由于修整輪圓弧刃的存在，修整后砂輪截面在A點處將具有如圖4-2中所示的半徑為r的圓弧A1A2，這是圓弧刃上a1a2段圓弧的復印。為反映裝配誤差的影響，圖4-2中將O點與O1點的距離，即裝配誤差偏心值e夸大畫出，偏心值e可分解為在修整輪軸向的裝配誤差ea和在修整輪徑向的裝配誤差er。修整砂輪時，從A點修整到C點的過程中，在AD段一直保持=450，沒有繞轉動軸的轉動，故偏心值e沒有產生任何影響；而在DC段，則由于e值的存在

56、而產生了過切或欠切從而引起修整后砂輪截面曲線形狀的誤差。如圖4-2所示：在理想的狀態(e=0)時，修整輪圓弧刃的圓心與修整器繞Z軸轉動的轉動中心重合，從D點修整到C點的過程中，兩者的軌跡也重合，若修整器繞Z軸轉動的轉動中心的軌跡OO1是半徑為r3r=2.3mm的圓弧，則可以確保DC是半徑為r3=20mm的圓弧，所以數控編程時只需保證OO1是半徑為r3r=2.3mm的圓弧。當存在裝配誤差偏心值e時，OO1是半徑為r3r=2.3 mm的圓弧就無法確保DC是半徑為r3=2.0mm的圓弧，此時，修整輪圓弧刃圓心的軌跡OO1和DC均為近似橢圓弧。修整D點時，修整輪上與砂輪接觸的地方是a點，當O1點經過4

57、50圓心角的圓弧到達O1點時，若修整器不繞Z軸轉動，則修整輪上與砂輪接觸的地方是a2點，但由于修整器繞Z軸轉動的結果，修整輪上與砂輪接觸的地方實際上是a點。存在裝配誤差偏心值e時，a點與O1點之間的距離大于a2點與O1點之間的距離，因此產生了過切，若存在與圖示e值相反方位的裝配誤差，則產生欠切。過切量：（4-22）式中，r=03mm可視為常數，故過切量K實際上是軸向的裝配誤差ea和徑向的裝配誤差er的函數。計算結果表明：ea和er值取負值，則算出的過切量K也是負值，這實際上是產生欠切了。由此可見：不管ea和er值是正值還是負值，均造成修整后砂輪截面形狀較大的誤差，而且ea對K的影響均大于er，

58、由軸向裝配誤差ea引起的過切量在數值上與它本身已很接近，是相同數量級的。另一方面，成型磨削后零件的形狀精度在很大程度上取決于成型砂輪的形狀精度，因此砂輪修整器裝配時必須采取必要措施使裝配誤差盡可能小，尤其是對于軸向裝配誤差，必須使它小于0.01mm才能達到成型砂輪修整精度要求。4.2 液壓缸的穩定性分析及設計液壓系統由于其結構簡單，布局靈活，元件的自潤滑性較好，便于和其它傳動方式聯用。液壓缸是液壓系統的執行元件，在液壓系統中可以實現直線往復運動，把系統液壓能轉化成直線往復運動的機械能。而液壓缸運動穩定性的好壞，對液壓系統工作的性能、設備運行的狀態、加工產品的質量以及自身壽命都有著很大的影響。4

59、.2.1 穩定性分析圖4-3 液壓缸負載系統圖4-3是液壓缸- 負載系統，當液壓缸輸出力與負載相等，且輸入的液體流量恒定時，若缸固定，則活塞作勻速運動，液壓缸具有穩態特性；當輸入流量不變而負載發生變化，或負載不變而流量發生變化時，活塞運動速度就會發生變化，這一過程中負載或輸入流量變化與活塞速度變化之間的關系就是液壓缸的動態特性。此外，液壓缸活塞在很低的速度下移動時，可能產生爬行現象，這也是缸的動態特性之一。（1）頻率分析若用m 表示活塞及運動部件質量，F 為液壓缸外負載，p 和q 分別為液壓缸輸入液體壓力和流量，則液壓缸輸入油液的連續性方程為（4-23）式中 v 活塞運動速度；A 液壓缸活塞的

60、面積；Vt液壓缸高壓腔及進口管路油液的體積；c液壓缸泄漏系數；K 油液體積彈性模量活塞運動的動力平衡方程式為：（4-24) 式中Bc粘性阻尼系數由式（4-23）、式（4-24）可得液壓缸的速度- 負載特性方程（4-25）由式（4-25）可得液壓缸的固有頻率和阻尼比（4-26）（4-27）由于液壓缸中的泄露在一般情況下很小，因此當cA2時，可以忽略不計，于是液壓缸的固有頻率可以近似為（4-28）由式（4-28）可以看出，液壓缸的移動部分質量m 與液壓缸進油腔容積Vt越大，油液的體積彈性模量K與活塞有效工作面積A 越小，則液壓缸的固有頻率n就越低。因此，油液中混入空氣的量不同，活塞運動位置不同時，