小型數(shù)控工具磨床熱變形及誤差補(bǔ)償試驗(yàn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)

1、成都學(xué)院工業(yè)制造學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)與制造及其自動(dòng)化專業(yè) 方向性課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目：小型數(shù)控工具磨床熱變形及誤差補(bǔ)償試驗(yàn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)班 級(jí)： 2011級(jí)機(jī)設(shè)x班 設(shè)計(jì)者: 指導(dǎo)老師：完成日期：2014年7月9日目錄數(shù)控磨床選擇及技術(shù)參數(shù)主軸部件設(shè)計(jì)熱變形、熱誤差溫度、位移檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)構(gòu)件設(shè)計(jì) 10三坐標(biāo)工作臺(tái)10工作臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1116滾珠絲杠副的選擇16支承方式、導(dǎo)軌的選擇及技術(shù)參數(shù)1718、工作臺(tái)型面小型數(shù)控工具磨床熱變形及誤差補(bǔ)償試驗(yàn)臺(tái) 方案設(shè)計(jì)這次任務(wù)以mk1320數(shù)控外圓磨床為基礎(chǔ)，進(jìn)行機(jī)床的熱變形分析 與溫度檢測(cè)，從而來(lái)設(shè)計(jì)誤差補(bǔ)償試驗(yàn)臺(tái)。1、mk1320主要技術(shù)參數(shù)60,8

2、5,230頂尖距/mm520最人磨削長(zhǎng)度/mm 500車(chē)頭主軸轉(zhuǎn)速/ (r/min)屮心高/mm1 25最人磨削直徑/mm 8-200最大工件質(zhì)量/kg 50砂輪最大直徑x寬度/ (mmxmm )600x125砂輪最大線速度/(m/s) 50砂輪最小進(jìn)給量/mm 0.0005工作臺(tái)最小進(jìn)給量/mm 0.001工作臺(tái)最大移動(dòng)量/mm 600圓度/mm0.0015圓柱度/mm 0.005粗糙度/um 0.32主電機(jī)功率/kw3電機(jī)總?cè)萘?kw 52、對(duì)于主軸部件的設(shè)計(jì)滿足的要求：旋轉(zhuǎn)精度，剛度，抗震性，溫升和熱變形，耐磨性等。(1) 主軸組件的布局主軸組件的設(shè)計(jì)，必須保證滿足上述的基本耍求，從而從

3、全局 岀發(fā)，考慮主軸組件的布局。機(jī)床主軸有前、后兩個(gè)支承和前、中、后三個(gè)支承兩種，以前 者較多見(jiàn)。兩支承主軸軸承的配置型式，包括主軸軸承的選型、組合 以及布置，主要根據(jù)對(duì)所設(shè)計(jì)主軸組件在轉(zhuǎn)速、承載能力、剛度以及 精度等方面的要求，并考慮軸承的供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)性等具體情況，加以確 定。 適應(yīng)剛度和承載能力的要求 適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求 適應(yīng)精度的要求 適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求 適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性要求（2）主軸的技術(shù)要求主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。主軸和軸承、齒 輪等零件相連接處的表面幾何形狀誤差和表而粗糙度，關(guān)系到接觸剛 度，零件接觸表面形狀愈準(zhǔn)確、表面粗 糙度愈低，則受力后的接觸 變形愈小，亦即接觸剛度愈高。因此，

4、對(duì)主軸設(shè)計(jì)必須提出一定的技 術(shù)要求。（3）主軸組件的計(jì)算主軸組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：主軸的平均直徑d （初選時(shí)常用 主軸前軸頸的直徑d1來(lái)表示）；主軸內(nèi)孔直徑d；主軸前端部的懸 伸量a;以及主軸支承跨距l(xiāng)等。一般步驟是：首先根據(jù)機(jī)床主電機(jī)功 率或機(jī)床的主參數(shù)來(lái)選取d1,在滿足主軸本身剛度的前提下，按照工 藝要求來(lái)確定d,根據(jù)主軸前端部結(jié)構(gòu)形狀和前支承的結(jié)構(gòu)型式來(lái)確 定可最后根據(jù)d、a和主軸前支承的支承剛度來(lái)確定l。主軸軸承的配置型式，對(duì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定很有關(guān)系，故在設(shè)計(jì) 過(guò)程中常需交叉進(jìn)行，最終以主軸組件剛度等性能來(lái)衡量其設(shè)計(jì)的合 理性。從以上的步驟得到的主軸基本為：(4) 主軸組件的驗(yàn)算主

5、軸在工作中的受力情況嚴(yán)重，而允許的變形則很微小，決定主軸 尺寸的基木因素是所允許的變形的大小，因此主軸的計(jì)算主要是剛 度的驗(yàn)算，與一般軸著重于強(qiáng)度的情況不一樣。通常能滿足剛度要求 的主軸也能滿足強(qiáng)度的要求。剛度乃是載荷與彈性變形的比值。當(dāng)載荷一定時(shí)，度與彈性變形成 反比。因此，出彈性變形量后，很容易得到靜剛度。主軸組件的彈性 變形計(jì)算包括：主軸端部撓度和主軸傾角的計(jì)算。以下是對(duì)磨床熱變形的分析以及其引起的溫度位移變化的檢測(cè)。(1) 熱變形分析數(shù)控磨床在磨削加工的吋候，每個(gè)t作臺(tái)的移動(dòng)和刀具主軸的旋 轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)及除此之外許多因索的影響都會(huì)造成熱變形，進(jìn)而導(dǎo)致工作 主軸的軸端與刀具主軸的軸端空間位置

6、發(fā)生變化，造成磨床工件和砂 輪間的空間位置發(fā)生改變，造成磨削工件的加工精度減少。主軸是磨床的一個(gè)重要熱源構(gòu)件，磨床在高速磨削的時(shí)候，其主 軸轉(zhuǎn)速比較高，可達(dá)到上萬(wàn)轉(zhuǎn)。當(dāng)高速運(yùn)行的砂輪對(duì)零件進(jìn)行磨削時(shí), 主軸因?yàn)槟Σ習(xí)a(chǎn)生很大的熱量，導(dǎo)致工件和砂輪間的空間位置改 變，產(chǎn)生偏移導(dǎo)致工件的加工精度減小。磨床的工作臺(tái)中存在很多的運(yùn)動(dòng)摩擦副。工作臺(tái)導(dǎo)軌面相互之間 的運(yùn)動(dòng)摩擦，絲杠和螺母之間的摩擦，發(fā)出的熱量會(huì)造成絲杠的伸長(zhǎng), 也會(huì)使工作臺(tái)上刀架的安裝位置發(fā)生變化，致使被加工零件的加工精 度有所降低。(2) 熱變形對(duì)加工影響數(shù)控機(jī)床的熱變形對(duì)自身加工精確度會(huì)造成干擾。數(shù)控機(jī)床在 運(yùn)行以后各個(gè)部件會(huì)存在不一

7、樣的溫度改變，使各部件的位置發(fā)生改 變。對(duì)加工工件的加工精度會(huì)產(chǎn)生影響。在精密加工過(guò)程中，磨床空 載功率消耗比磨削功率消耗要大，此時(shí)空載功率消耗變成磨床的主要 熱源。所以，把機(jī)床在空載運(yùn)行時(shí)的溫度升高值、熱態(tài)幾何精度、熱 平衡時(shí)間長(zhǎng)短視為辨別機(jī)床好壞的主要標(biāo)準(zhǔn)。通常是說(shuō)在機(jī)床工件一 定的時(shí)間過(guò)后，產(chǎn)生的熱量與吸收的熱量接近一樣的時(shí)刻，該時(shí)間間 隔叫做熱平衡時(shí)間。此刻，各構(gòu)件間的形狀變化以及它們的空間位置 己經(jīng)到了平衡狀態(tài)，這時(shí)候的幾何精度叫做熱態(tài)幾何精度。(3) 熱誤差的產(chǎn)生與原因磨床加工過(guò)程中，砂輪磨頭和工件在磨削加工運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互 z間位置的精確程度對(duì)零件的加工精確度起決定性作用。砂輪磨頭

8、和 工件各自裝置在磨床磨頭和工件主軸上，并遭到床身與磨頭架的制 約。磨削加工的時(shí)候?qū)庸ち慵砻娲植诙?、彼此距離和兒何形狀的 工藝系統(tǒng)起主耍作用的每個(gè)步驟。如果偏離了原來(lái)的位置，就將會(huì)出 現(xiàn)熱誤差。機(jī)床加工工件的時(shí)候，因?yàn)橐恍┰虍a(chǎn)生的機(jī)床內(nèi)部熱量（如 各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)出的熱量、伺服電機(jī)功率損耗、切削熱、冷卻潤(rùn)滑 液）以及t作環(huán)境的變化而產(chǎn)半的外部熱量（如陽(yáng)光照射、周?chē)鷾囟?改變）的一同影響下，發(fā)出熱量并傳送到機(jī)床，使機(jī)床各構(gòu)件產(chǎn)生溫 度改變，各構(gòu)件發(fā)生形變。因?yàn)楦鳂?gòu)件的約束條件、結(jié)構(gòu)以及形狀的 不同，造成壓、拉、扭、彎等各式各樣的熱變形。使與加工精度有關(guān) 聯(lián)的各部件間的空間位置產(chǎn)生變化，最終

9、致使機(jī)床的制造精度降低。機(jī)床在某種特定的工作環(huán)境下加工時(shí)，熱源將加工過(guò)程中產(chǎn) 生的熱量傳遞至機(jī)床，使機(jī)床各部件的溫度升高，因?yàn)檫@一溫度的升 高，造成機(jī)床各部件發(fā)生熱變形，根據(jù)工件結(jié)構(gòu)與形狀的各異，引起 拉伸，扭曲，彎曲等各異的形狀變化。在這些各異的變形中，和機(jī)床 制造精度密切關(guān)聯(lián)的一些主要構(gòu)件在加工過(guò)程中發(fā)生唯一變化，進(jìn)而 導(dǎo)致機(jī)床加工精確度的下降。上面所描述的周?chē)h(huán)境溫度和不同熱敏 感源的發(fā)熱量都將隨著加工時(shí)間的改變而改變。此外由于工件與機(jī)床 各自的熱量不一樣，它的溫升必定會(huì)延遲一段的時(shí)間，因此，從本質(zhì) 上說(shuō)，熱變形屬于一種非恒定的隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。對(duì)丁溫度位移檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用at89s5

10、1單片機(jī)控制的溫度位移檢測(cè)系統(tǒng)，溫度傳感器采 用os36紅外線熱電偶溫度傳感器，位移傳感器采用kts微型位移 傳感器。由溫度位移傳感器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)由功率放大器放大，將放 大的信號(hào)輸入a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)由單片機(jī)處理后市液 晶顯示器顯示。檢測(cè)系統(tǒng)方框圖如下：(4) 溫度誤差補(bǔ)償機(jī)床熱誤差主要由機(jī)床本身和環(huán)境的溫度變化引起的。熱源主要 有傳動(dòng)件、伺服電機(jī)、切削加工過(guò)程、冷卻液、液壓系統(tǒng)等。機(jī)床 在加丁的時(shí)候發(fā)出熱量將使機(jī)床的構(gòu)件發(fā)牛熱變形。最終影響機(jī)床 加工出零件的精確度。受熱變形影響最大的機(jī)床部件主要是滾珠絲 杠和機(jī)床主軸。為了防止熱變形影響導(dǎo)致的加t精度誤差，當(dāng)前常 用的是誤差補(bǔ)償

11、法。誤差補(bǔ)償法是利用一定的控制策略，使用一些 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測(cè)裝置來(lái)提高機(jī)床加工精確度，減 小機(jī)床加工誤差。這種方法能夠在機(jī)床口身加工精確度不減小的前 提下，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)加工期間的誤差分析、建立模型，不斷的計(jì)算出 空間誤差，將該誤差傳送到機(jī)床的控制環(huán)節(jié)中，通過(guò)變動(dòng)加工過(guò)程 中坐標(biāo)的移動(dòng)量來(lái)試誤差得到補(bǔ)償。(1) 分析磨床加工熱誤差的產(chǎn)生原因以裝配好的磨床為研究對(duì)象，對(duì)磨床的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，確 定磨床加工過(guò)程產(chǎn)生熱誤差的原因。對(duì)該磨床的熱變形和熱溫 升進(jìn)行檢測(cè)分析。(2) 建立熱誤差補(bǔ)償模型依據(jù)檢測(cè)分析結(jié)果建立誤差分離模型，找出機(jī)床不同發(fā)熱 源的溫度與熱變形間的精確數(shù)量關(guān)系，用溫度和位

12、置量來(lái)表 達(dá)刀具與工件之間的某誤差分量的公式。(3) 確定補(bǔ)償策略，建立補(bǔ)償控制系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)償算法進(jìn)行控制動(dòng)態(tài)特性分析，設(shè)計(jì)磨床溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的方案，建立磨床熱誤差補(bǔ)償控制系統(tǒng)。數(shù)控工具磨床試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)構(gòu)件設(shè)計(jì)mk1320型數(shù)控外圓磨床1、主要技術(shù)參數(shù)車(chē)頭主軸轉(zhuǎn)速/ (r/min)60,85,230中心高/m m125頂尖距/mm520最大磨削直徑/mm8200最大磨削長(zhǎng)度/mm 500最大工件質(zhì)量/kg50砂輪最大直徑x寬度/ (mmxmm )600x125砂輪最大線速度/(m/s) 50砂輪最小進(jìn)給量/mm0.0005工作臺(tái)最小進(jìn)給量/mm 0.001工作臺(tái)最大移動(dòng)量/mm 600圓度/mm 0.

13、0015圓柱度/mm 0.005粗糙度/um0.32主電機(jī)功率/kw 3電機(jī)總?cè)萘?kw 52、采用三坐標(biāo)工作臺(tái)方案x工作臺(tái)固定在床身上，工件軸a軸固定在z工作臺(tái)(拖板)內(nèi)，并嵌入到立柱內(nèi)側(cè)，該方案布局合理，占用空間小,是比較合理的工具磨床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)。三坐標(biāo)工作臺(tái)方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是加工時(shí)可以避免磨屑落在工作臺(tái)上面，從而降低了磨屑熱對(duì)工作臺(tái)造成的熱變形.三坐標(biāo)工作臺(tái)方案4、工作臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作臺(tái)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)釆用半閉環(huán)控制系統(tǒng)伺服電機(jī)通過(guò)同步齒形帶 與絲桿聯(lián)接。絲杠的最高轉(zhuǎn)速確定，其與使用要求，如機(jī)床工作的 工作進(jìn)給速度和快進(jìn)速度相關(guān)。工作臺(tái)要求的最高 速度vmax =1 0 m / m i n

14、 o 伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶輪與絲杠聯(lián)接速可由下 式計(jì)算：1000 v7-max '二町（r/min）選取絲桿導(dǎo)程5mm1000x1000x10“ 廠、>= 2000 (r/nnn)max5¥絲桿最高轉(zhuǎn)速n=2000r/min,要求定位精度為0.012/300mm,絲杠 的“任意300mm行程內(nèi)的行程變動(dòng)量v300 ”取為定位精度 的1/31/2 ,即0.0040.006mm。1級(jí)精度的滾珠絲 杠v300 =0.006mm,故應(yīng)取一級(jí)精度。根據(jù)精度要求，脈沖當(dāng)量可定 為a=0.001mm/脈沖，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)b應(yīng)為hsn匕=亠=5000a式中i傳動(dòng)比。脈沖編碼器有每轉(zhuǎn)

15、2000、2500、5000脈沖等數(shù) 種。選取每轉(zhuǎn)5000脈沖的編碼器。滾珠絲杠當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算數(shù)控機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)用的是定位(p)類滾珠絲杠副。精度主要 采用1級(jí)或2級(jí)。絲杠精度可按“任意300mm行程內(nèi)行程變動(dòng) 量v300”選擇，這項(xiàng)公差1級(jí)為6pm； 2級(jí)為8mmo滾珠絲杠的長(zhǎng) 度是受到精度的限制的。半閉環(huán)系統(tǒng)滾珠絲杠副的精度，主要根據(jù)要求的機(jī)床定位精度選擇。 定位精度市下列幾部分誤差組成：滾珠絲杠副制造的誤差和市于載 荷和溫度的作用，絲杠、軸承、聯(lián)軸節(jié)和伺服系統(tǒng)的誤差。在初步 設(shè)計(jì)時(shí)，可假定絲杠的累積誤差約占機(jī)床定位誤差的1/31/2,據(jù)此 初選絲杠的精度，以后再進(jìn)行驗(yàn)算并修改。滾珠絲杠應(yīng)

16、根據(jù)其額定動(dòng)載荷選用。一批相同的滾珠絲杠副，在軸向載荷ca的作用下，運(yùn)轉(zhuǎn)m轉(zhuǎn)后90%不產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕，則ca 稱為這種規(guī)格絲杠副的額定動(dòng)載荷。各種規(guī)格的滾珠絲杠，其額定 動(dòng)載荷ca可從樣本或手冊(cè)中查得，計(jì)算的原理與計(jì)算滾動(dòng)軸承相 同。滾珠絲杠的當(dāng)量動(dòng)載荷cm為所選的滾珠絲杠副，其額定動(dòng)載荷ca不得小于此值，即cacm 式中m f 軸向平均載荷（n）;在“載荷一時(shí)間”變化規(guī)律不明時(shí)，fmax. fmin 絲杠的最大、最小工作載荷（n ）l工作壽命（x106 r）;nm平均轉(zhuǎn)速（r/min ）h工作壽命。h般機(jī)床可取h=10000h.數(shù)控機(jī)床可取 h=15000hovifa精度系數(shù)。仁2、3級(jí)精度絲

17、杠，fa =1 ； 4. 5級(jí)精度t絲杠，fa =0.9fw運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)。無(wú)沖擊時(shí)取1 - 1.2 ; 一般情況取 1.2-t.5 ;有沖擊振動(dòng)時(shí)取1.5-2.5因?yàn)楣ぷ髋_(tái)最大移動(dòng)速度為10m/min ,絲杠導(dǎo)程為5mm ,可知絲杠xlo6最高轉(zhuǎn)速為2000r/min ,絲杠最低轉(zhuǎn)速為電動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速近似為0把上述參數(shù)代入式qf =11.2kn1平均轉(zhuǎn)速:】m 2=°°° "min=900x106r所以'以幣滾珠絲杠的選取和極限轉(zhuǎn)速的計(jì)算滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速主要是指滾珠絲杠副在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使?jié)L珠絲杠副在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最高轉(zhuǎn)速.式中r

18、ic極限轉(zhuǎn)速(r/min)；l 絲杠支承間距（mm）；與支承方法有關(guān)的臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)支承形式f雙推雙推21.9雙推一一支承15. 1單推一一單推9. 7雙推自h3. 4為了提高絲桿剛度，選用兩端固定的支承方式，查表選用雙推雙i推式，f =21.9 o根據(jù)軸向壓力選取絲杠直徑，（vd =-sp xlo4jfa=fw =1000n； l =0.6m,將 f、m 值代入式中，dsp =7.1459(mm),故取 dsp $8mm最大轉(zhuǎn)矩限制sax式中a確定最大轉(zhuǎn)速的常數(shù)，取5000070000；d0絲杠名義直徑（mm）vmax又rfl, 噸 hrbsp滾珠絲杠的導(dǎo)程（m）d<=2535 mm臨界轉(zhuǎn)速限制打=爲(wèi)由 nmax =20