精密数控磨床的总体设计

毕业设计（论文）精密数控磨床的总体设计1摘要本课题是集机，电，液一体化的高科技项目，所要解决的关键问题是主轴箱上两个同轴轴承孔的超精密加工。此磨床的加工方式采用切入式磨削方式，工件安装在回转工作台上，随工作台回转，同时砂轮回转，砂轮的径向进给靠回转工作台沿X方向位移实现，上面的轴承孔及上端面加工好后，用同一砂轮加工下面的轴承孔及下端面，工件一次安装，以保证精度。总体布局为立式磨床，主要分为磨头部分、回转工作台、床身、垂直立柱、拖板以及测量机构。总体传动方案为：由外置步进电机驱动齿轮，然后通过齿轮传动带动滚珠丝杠，整个磨头装置通过滚珠丝杠进行Z轴方向上的移动，磨头的旋转则通过另一个外置电机来驱动，回转工作台的驱动则通过外置电机驱动皮带轮，由皮带轮的传动来使回转工作台的旋转，拖板的驱动则由步进电机控制。同时，磨床的设计中运用了数控技术，现代测试手段，微量进给软件补偿技术，从而使精密机械设计达到所要求的精度。关键字：加工精度，设计方案，分配，参数毕业设计（论文）精密数控磨床的总体设计2GeneralDesignofPreciseNumericalControlGrindingMachineAbstractThistopicistogatherthemachine,electricity,thehigh-techitemthattheliquidintegralwholeturn,thekeyproblemfortosolveistheprincipalaxisboxisprevioustwotoprocesswiththesupernicetyofthestalkbearingsbore.Thisgrindingmachineprocessesthewayadoptioncorrespondtypetowhettoparetheway,theworkpieceinstallatturnroundtheworkonthestage,turnroundwiththeworkpedestal,theemerywheelturnsroundatthesametime,thepathoftheemerywheeltoentertodependturnroundtheworkpedestaltofollowtheXdirectionmovestherealization,topofbearingsboreandtopendfaceprocessgoodafter,processwithsameemerywheelunderneathofbearingsboreandundercarrythenoodles,theworkpieceinstallonce,withguaranteetheaccuracy.Totallayoutforthesigntypegrindingmachine,mainlyisdividedintowhettheheadcentandturnroundtheworkset,bedbody,perpendicularitytosignthepillaranddragalongtheplankandmeasuretheorganization.Totalspreadtomoveprojectis:Fromoutsideplacetotreadintotheelectricalengineeringtodrivethewheelgear,thenspreadtomovetoarousetorollthebeadsilkthroughawheelgear,wholewhetadevicetopasstorollthebeadsilktocarryontheZstalkthesquareheadingupof毕业设计（论文）精密数控磨床的总体设计3ambulation,whettheheadtorevolvetothenpassanotheroutsideplacetheelectricalengineeringtodrive,turnroundtheworkpedestaltodrivethenthroughanoutsideplacetheelectricalengineeringtodrivetheleatherbeltround,fromtheleatherbeltroundspreadtomovetomaketheturn-overworkpedestalrevolve,dragalongtheknotholetodrivethenfromtreadintotheelectricalengineeringtocontrol.Atthesametime,madeuseofnumbertocontrolthetechniqueinthedesignofthegrindingmachine,moderntestmeans,entertocompensatetechniqueforsoftwarelittlebylittle,thusmakeprecisemachinethedesignattainstheaccuracyrequest.KeyWords:AccuracyofProcess，ProjectDesign，Allotment，Parameter毕业设计（论文）精密数控磨床的总体设计4精密数控磨床的总体设计0引言回顾即将过去的20世纪，人类取得的每一项重大科技成果，无不与制造技术，尤其与超精密加工技术密切相关。在某种意义上，超精密加工担负着支持最新科学发现和发明的重要使命。超精密加工技术在航天运载工具、武器研制、卫星研制中有着极其重要的作用。有人对海湾战争中美国及盟国武器系统与超精密加工技术的关系做了研究，发现其中在间谍卫星、超视距空对空攻击能力、精确制导的对地攻击能力、夜战能力和电子对抗技术方面，与超精密加工技术有密切的关系。可以说，没有高水平的超精密加工技术，就不会有真正强大的国防。超精密磨床要求其数控系统具有高编程分辨率（1nm）和快速插补功能（插补周期0.1ms）。基于PC机和数字信号处理芯片（DSP）的主从式硬件结构是超精密数控的潮流，如美国的NANOPATH和PRECITECH'SULTRAPATHTM都采用了这一结构。数控系统的硬件运动控制模块（PMAC）开发应用越来越广泛，使此类数控系统的可靠性和可重构性得到提高。我国国防科技大学研制开发的YH－1型数控系统采用ASW－824工业一体化PC工作站为主机，用ADSP2181信号处理器模块构成高速下位伺服控制器。模块化、构件化是超精密磨床进入市场的重要技术手段，如美国ANORAD公司生产各种主轴、导轨和转台，用户可根据各自的需要组成一维、两维和多维超精密运动控制平台和磨床。研制超精密磨床时，布局就毕业设计（论文）精密数控磨床的总体设计5显得非常关键。超精密磨床往往与传统磨床在结构布局上有很大差别，流行的布局方式是“T”型布局，这种布局使磨床整体刚度较高，控制也相对容易，如Pneumo公司生产的大部分超精密磨床都采用这一布局。模块化使磨床布局更加灵活多变，如日本超硅晶体研究株式会社研制的超精密磨床，用于磨削超大硅晶片,采用三角菱形五面体结构，用于提高刚度；德国蔡司公司研制了4轴精密磨床AS100，用于加工自由形式表面，该磨床除了X、Z和C轴外，附加了A轴，用于加工自由表面时控制砂轮的磨削点。此外，一些超精密加工磨床是针对特殊零件而设计的，如大型高精度天文望远镜采用应力变形盘加工，一些非球面镜的研抛加工采用计算机控制光学表面成形技术（CCOS）加工，这些磨床都具有和通用磨床完全不同的结构。由此可见，超精密磨床的结构有其鲜明的个性，需要特殊的设计考虑和设计手段。为保证超精密磨床有足够的定位精度和跟踪精度，数控系统必须采用全闭环结构，高精度运动检测是进行全闭环控制的必要条件。双频激光干涉仪具有高分辨率（如ZYGOAX10MTM2/20分辨率为1.25nm）与高稳定性，测量范围大，适合作磨床运动线位移传感器使用。但是双频激光干涉仪对环境要求过于苛刻，使用和调整非常困难，使用不当会大大降低精度。根据我们的使用经验，德国Heidenhain公司生产的光栅尺更适合超精密磨床运动检测，如该公司LIP401,材料长度220mm，分辨率为2nm，采用Zerodur材料制成几乎达到零膨胀系数（0.1ppm/k），动静尺间隙为0.6±0.1mm，对环境要求低，安装和使用方便，如Nanoform2500和Optimum2400超精密磨床都使用了Heidenhain光栅尺。毕业设计（论文）精密数控磨床的总体设计6在数控软件方面，开放性是一个发展方向。国外有关开放性数控系统的研究有欧共体的OSACA、美国的OMAC和日本的OSEC。我国国防科技大学在此基础上提出了构件化多自由度运动控制软件，可根据磨床成形系统的布局任意组装软件，符合磨床模块化发展的方向。1总体概述超精密加工机床设计与制造的关键与核心问题是保证超精密加工工艺和目标的实现。因此，超精密加工机床的设计和制造的基本原则和要求是：消除或减少机床上的热源和振源；提高机床的结构刚度和几何精度；减少机床的变形（含温度变形和力变形）对机床加工精度的影响等。为了实现这些基本原则和要求，超精密加工机床设计时，经常采取的一些原则措施有：（1）首先是尽量不用或少用摩擦发热量大的传动装置（如机械无级调速器），并把工作过程中发热量大的热源（如电机、冷却润滑油箱等）与机床本体结构分离或隔热，以避免热量传入机床本体引起机床结构的热变形。选用热胀系数α和导热系数λ值低的材料作机床的重要零部件材料。与此同时也要尽量采用热物理特性相同或相近的材料来制造机床的构件和零部件。零部件的结构设计力求热对称，而且应考虑采取强迫的风冷或液体冷却并预留相应的冷却液循环流动通道。当冷却的尺寸范围在200mm～1500mm时，风的流量应为（3～10）m³/s或液体的通量为（1～10）L/s，毕业设计（论文）精密数控磨床的总体设计7从而可分别保持温度波动为±0.05°C和±0.02°C。对个别强热源处（如主轴轴承）所产生的热量，必要时可采用专门的热管带走。（2）超精密加工机床不仅要考虑安装和工作在恒温室里，而且在极高精度要求的情况下，还应考虑控制机床工作在温度±0.01°C的油淋浴的恒温箱中，因此，机床的工作过程必须是完全自动或遥控的。（3）为了避免振动影响加工精度，除了机床必须安装在由空气支承、弹簧支承或其他有效的隔振器支承的地基上外，机床上的旋转运动件也要严格进行动平衡，残馀不平衡量应小于0.5～1g.mm。与此同时，为了消除和减少机床本身内部振源，要尽量采用运动平稳的传动系统，如非接触的气动和液体传动，禁止或避免采用带有冲击力的传动，如有间隙的换向机构等。通过振源振动频率的调整（如改变转速）或通过对机床工艺系统的质量（m）和弹簧刚度（k）等动力参数的选择使振源的振动频率与机床工艺系统的固有频率相互远离，避开共振区，减少振动对机床工作的影响。选用具有高内阻尼系数的材料，如天然大理石、人造大理石、陶瓷等或采用不清砂的双层壁铸铁件作为机床的结构件，以保证高度衰减内部产生和外部传来的振动，因为振动衰减的效果正比于阻尼系数（即衰减指数）。正常情况下，铸铁的衰减指数为0.006～0.008，而天然大理石和人造大理石的衰减指数则分别为0.02～0.04和0.06～0.08；不清砂的双层壁铸件可以大大增加结构的内阻尼，因而可大大提高衰减振动的效果。（4）进给传动的设计主要要求是：保证能有效进行误差动态补偿的换向精度；可实现最小5μm的脉冲位移；采用修正系统後具有2μm的高定位毕业设计（论文）精密数控磨床的总体设计8精度。为此，可供选择的进给传动方式有以下几种：－滚珠丝杠副。特点是刚度大，可实现的增量位移为100μm（即0.1µm）。－摩擦传动。传动刚度为50N～100N/μm，拉力达100N，可实现的移动增量为5μm。缺点是寿命低，不够灵敏。－条（带）传动。仅适合在小型机床上