无心磨床砂轮修整机构说明书

目录
前言 (4)
摘要 (5)
一.设计任务及要求 (6)
1.1 设计任务 (6)
1.2 设计任务介绍 (6)
1.3 设计所达到的要求 (7)
二.总体方案的确定 (9)
2.1 机电一体化对机械系统的基本要求 (9)
2.2 机械系统的组成 (10)
2.3 机械系统设计准则 (11)
三.执行机构的设计与选择 (12)
3.1 执行元件的种类及特性 (12)
3.2 电气式执行的确定 (12)
四.导向机构的设计、选择及计算 (14)
4.1 导轨的基本要求 (14)
4.2 导轨的分类及特性 (15)
4.3 X向导轨副的选择 (15)
4.4 Y向导轨副的选择 (18)
4.5 X向滑动导轨副的设计 (20)
4.6 Y向滚动导轨副的设计 (21)
4.7 导轨的防护 (22)
五.传动机构的设计、选择及计算 (23)
5.1 传动机构的种类及功能要求 (23)
5.2 X向传动机构的确定 (25)
5.3 Y向传动机构的确定 (26)
5.4 X向传动机构 (28)
5.4.1蜗杆传动副的设计计算 (28)
5.4.2滚珠丝杠副轴向间隙的调整 (30)
5.4.3滚珠丝杠副支承方式的选择 (30)
5.4.4滚珠丝杠副的设计计算 (31)
5.4.5滚珠丝杠副的密封 (34)
5.4.6滚珠丝杠副的润滑 (34)
5.4.7轴承的选用与计算 (34)
5.5 Y向传动机构 (38)
5.5.1齿轮副的设计与计算 (38)
5.5.2滑动螺旋副的设计 (41)
5.5.3轴承的选用与计算 (43)
结束语 (46)
附件 (47)
参考书目 (49)
前言
20世纪后半叶，有限元法和电子计算机的广泛应用，使得对复杂的机械及其零件、构件进行力、力矩、应力等的分析和计算成为可能。

对于掌握有充分的实践或实验资料的机械或其元件，已经可以运用统计技术，按照要求的可靠度，科学地进行机械设计。

现代社会在机械加工领域中对零件加工精度的越来越高，零件的结构也越来越复杂，要快速高效的完成这些零件的加工，就必须要平稳、轨迹要正确的修整工具。

砂轮修整机构对发展生产、增加效益、更新产品等方面都具有重要的作用。

本次课题主要研究的是如何简化无心磨床砂轮修整机构在实际加工领域中的加工过程。

这就需要我们根据无心磨床的结构设计出砂轮，砂轮修整器的结构要尽量紧凑，又因为它只安装在高速旋转砂轮的附近，所以要求操作、调整都必须方便且安全，并具有良好的防尘装置。

因此这次设计对我们有重要的意义。

本次设计可分五个部分。

第一部分简单的介绍了砂轮修整机构的设计任务，以及设计所要达到的要求。

第二部分主要是机械系统的确定，包括机电一体化对机械系统的基本要求、机械系统的组成、设计准则。

第三部分是执行机构的设计与选择。

第四部分是导向机构的设计、选择及计算。

第五部分是传动机构的设计、选择及计算。

摘要
无心磨床可分为标准型和数控型两大类。

数控型无心磨床有着高稳定可靠的电气控制驱动系统和高刚度高精度高寿命主轴系统以及既灵敏又有强阻尼衰减特性的拖板进给系统。

在无心磨床的系统中,砂轮的正确修整对加工后工件的表面光洁度有很大的影响。

砂轮修整器是磨床上使砂轮恢复锐利刃口(修砺)和正确形状(整型)的一个部件。

本文根据砂轮修整器的特点,从机械系统方案的确定到传动机构、导向机构的详细设计,以及重要零件的设计校核,逐步设计出一个符号使用要求的砂轮整器。

砂轮修整机构，特别是一种组合周边导轨磨床上使用的立交双滚动成形砂轮修整机构，其特征是：修整机构安装在磨头主轴的上方，两支金刚钻石刀片同时分别修整主轴上的两组砂轮，完成两组Ｖ—平导轨和相应的形状；液压驱动水平滑板上的油缸作水平方向的匀速运动，该速度即为修整砂轮外圆的修整进度。

通过调速阀实现无级调速，又通过仿形滚轮与仿形靠模板带动双垂直滑板作垂直方向的匀速运动，水平和垂直两个方向运动合成的轨迹，成为砂轮上Ｖ型导轨的截面形状，由紧固在双垂直滑板下方的两支钻石刀片，对主轴上的两组砂轮进行成形修整；钻石刀座，设计有沿水平方向移动的微调腰形槽，以满足在更换钻石刀片时，校准两Ｖ形导轨中心的需要。

关键词: 砂轮修整器传动机构导向机构
一设计任务及要求
1.1 设计任务：专用无心磨床设计——砂轮修整机构
1.2 设计任务介绍
无心磨床可分为标准型和数控型2大类。

数控型无心磨床有着高稳定可靠的电气控制驱动系统和高刚度、高精度、高寿命主轴系统以及既灵敏又有强阻尼衰减特性的拖板进给系统。

无心磨床的工作原理如图1(无心磨床工作原理图)，工件置于砂轮和导轮之间的拖架上以工件自身外圆为定位基准。

当砂轮以转速n。

旋转，工件就有以与砂轮相同的线速度的回转趋势，但由于受到导轮磨擦力对工件的制以作用，结果使工件以接近于导轮线速度的回转趋势，从而在砂轮与工件之间形成很大的深度差，据此产生磨削作用。

在无心磨床的系统中，砂轮的正确修整对加工后工件的表面光洁读有很大的影响。

因砂轮工作了一段时间后，砂粒逐渐变钝，且有不均匀的磨损，砂粒间也充满了切削和砂粒的碎粒。

这样就使砂轮工作表面逐渐失去了原来的形状和工作功能，使磨削后工件表面光洁度变坏，因此必须定期加以修整。

砂轮修整器是磨床上使砂轮恢复锐利刃口（修砺）和正确形状（整形）的一个部件。

图1 无心磨床工作原理图
1.3 设计应达到的要求
设计的砂轮修整器应达到以下要求：
1）砂轮修整器的刚性要好。

2)修整工具运动要平稳、轨迹要正确。

砂轮的修砺作用主要决定于修整工具的锐利程度，而整形作用主要决定于砂轮修整器的成形原理和结构形式。

因此欲使砂轮表面获得所要求的正确形状，是砂轮修整器设计中要解决的主要问题。

3）由于受磨床总体布局的限制，砂轮修整器的结构要尽量紧凑，又因它只安装在高速旋转砂轮的附近，所以要求操作、调整都必须方便和安全，并且具有良好的防尘装置。

二总体方案的确定
机电一体化产品是由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械或机电部件相互联系的系统。

其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。

它的主要功能是完成一系列机械运动。

每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行结构组成的子系统来完成，而这些子系统要由计算机协调和控制，以完成其功能要求。

通过对机床动作的整体分析后发现，砂轮修整环节在整个磨削工时中占有相当比重，而且不同的工件要求不同的砂轮修整曲线。

过去完全凭操作工的经验来掌握，无法保证磨削精度的稳定性。

我们决定把数控化改造的突破口选在砂轮修整器上，选用控制精度高、可靠性好、操作简便、价位合理的数控系统来控制砂轮修整器的金刚钻运动，从而实现对砂轮进行任意给定曲线的修整。

2.1 机电一体化对机械系统的基本要求
机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。

一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感部件等部分组成。

这里所说的机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。

在无心磨床上要磨出高精度合格的零件，机床本身要具备以下几点：
a)高精度精度直接影响产品的质量, 尤其是机电一体化产品, 其技术性能, 工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高, 因此机电一体
化机械系统的高精度是其首要的要求. 如果机械系统的精度不能满足要求, 则无论机电一体化产品其他系统工作再精确, 也无法完成其预定的机械操作。

（如：砂轮、导轮的回转精度，两修整器的精度等）。

b) 快速响应即要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短. 这样控制系统才能及时根据机械系统的运行情况得到信息, 下达指令, 使其准确地完成任务.
c) 良好的稳定性即要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响, 抗干扰能力强.
只有具备了以上这些条件，才能磨削出高精度的批量零件。

此外还要求机械系统具有较大的刚度,良好的可靠性和重量轻,体积小,寿命长.
2.2 机械系统的组成
机电一体化机械系统中应包括以下三大部分结构:
a)执行机构它是用以完成操作任务的, 执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下, 完成预定的操作. 一般要求它具有较高的灵敏度, 精确度, 良好的重复性和可靠性. 由于计算机的强大功能, 使传统的作为动力源的电动机发展成为具有动力, 变速和执行等多重功能的伺服电动机, 从而大大地简化了传动和执行机构.
b)导向机构其作用是支承和导向, 为机械系统中各运动装置能安全, 准确地完成其特定方向的运动提供保障.
c)传动机构机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器, 而是已成为伺服系统的一部分, 它要根据伺服控制的要求进行
设计, 以满足整个机械系统良好的伺服性能. 因此传动机构除了要满足传动精度的要求, 而且还要求满足小型, 轻量, 高速, 低噪声和高可靠性的要求.
2.3机械系统设计准则
为确保机械系统的传动精度和工作稳定性, 在设计中,常提出无间隙,低摩擦,低惯量,高刚度,高皆振频率,适当的阻尼比等要求. 为达到上述要求, 主要从以下几方面采取措施:
a)采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件. 如采用滚珠丝杠副, 滚动导向支承, 动(静)压导向支承等.
b)选用最佳传动比, 以达到提高系统分辨率, 减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量, 尽可能提高加速能力.
c)缩小反向死区误差. 如采取消除传动间隙, 减少支承变形的措施.
d)缩短传动链, 提高传动与支承刚度. 如用施加预紧的方法提高滚珠丝杠副的传动与支承刚度: 采用大扭矩, 宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副联接以减少中间传动机构: 丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等.
e)改进支承及架体的结构设计以提高刚性, 减少振动, 降低噪声. 如选用复合材料等来提高刚度和强度, 减轻重量, 缩小体积使结构紧密化, 以确保系统的小型化, 轻量化, 高速化和高可靠性化.
三执行机构的设计与选择
机电一体化产品的执行机构是实现其主要功能的重要环节，它应能快速地完成预期的动作，并具有动态特性好、动静态精度高、响应速度快、动作灵敏度高等特点，另外为便于集中控制，它应满足效率高、重量轻、体积小、可靠性强、自控性强、便于安装维修等要求。

3.1电气式执行元件的确定
a)直流伺服电动机具有响应迅速、精度和效率高、调速范围宽、负载能力大、控制特性优良等优点，被广泛应用与闭环或半闭环控制的伺服系统中。

b)交流伺服电动机不仅具有直流伺服电动机的全部优点，而且可对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制。

c）步进电动机又称为电脉冲马达，是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。

它的特点是工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压的波动、电流的大小与波形的变化、温度等）的影响，误差不会长期积累，控制性能好，成本低。

因此被广泛应用与开环结构的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。

因此，在本设计中选用日本FUNUC公司的交流伺服电动机。

3.2 执行元件的种类及特性
根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电气式、液压式和气压式等几种类型。

a）电气式主要有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机，原理
是将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动执行机构运动。

b）液压式主要有液压缸、液压马达等，原理是先将电能变换成液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。

其优点使输出功率大、动作平稳，但需要相应的液压源，占地面积大，容易漏油而污染环境，控制性能不如电动机。

c）气压式主要有气缸、气马达等，原理与液压式的相同，只是将介质由油改成气体而已。

其优点是气源方便、动作快、成本低，但体积大，输出功率小，工作噪声大，且难以伺服控制。

其它执行元件与使用材料有关，如使用双金属片、形状记忆合金或压电元件的压电效应。

机电一体化产品要求执行元件便于微机控制，而微机控制最方便的是电气式执行元件。

因此在本设计中选用电气式执行元件。

四导向机构的设计、选择及计算
机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确地完成其特定方向。

这个支承和导向的任务就由导轨来完成。

机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。

4.1 导轨的基本要求
a）刚度导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。

为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。

b）耐磨性是指导轨在长期使用过程中能保持一定的导向精度。

因导轨在工作过程中难免有所磨损，所以应力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。

c) 导向精度导向精度主要是指动导轨沿支承导轨运动的直线度和圆度。

影响它的因素有：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨的油膜厚度、油膜刚度等。

d）低速运动平稳性低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。

低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。

e）疲劳和压溃导轨面由于过载或接触应力不均匀而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。

疲劳和压溃是滚动导轨失效的主要原因，为
此应控制滚动导轨承受的最大载荷和受载的均匀性。

f）结构工艺性设计导轨时，要注意到制造、调整和维修方便，力求结构简单，工艺性及经济性好。

4.2导轨的分类及特性
一副导轨主要由两部分组成，工作时一部分固定不动称为支承导轨，另一部分相对支承导轨作直线回转运动称为动导轨。

根据导轨副之间的摩擦情况，导轨可分为滚动导轨和滑动导轨两大类。

滚动导轨两导轨表面之间为滚动摩擦，导向面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体来实现两导轨无滑动地相对运动。

其特点是磨损小，寿命长，定位精度高，灵敏度高，运动平稳可靠，但结构复杂，几何精度要求高，抗振性较差，防护要求高，制造国难，成本高。

它适用于工件要求移动均匀，动作灵敏以及定位精度高的场合，因此在高精密的机电一体化产品中应用广泛。

滑动导轨两工作面的摩擦性质为滑动摩擦。

其特点是结构简单，制造方便，刚度好，抗振性高，是机械产品中最广泛使用的导轨形式。

为减小磨损，提高定位精度，改善摩擦特性，通常选用合适的导轨材料，采用适当的热处理和加工方法，如采用优质铸铁，合金耐磨铸铁或镶碎火钢导轨，采用导轨表面滚轧强化，表面碎硬、涂熔、涂钼等方法提高导轨的耐磨性。

另外采用新型工程塑料可满足导轨低摩擦、耐磨、无爬行的要求。

4.3 X向导轨副的选择
X向选用直线滑动导轨副，它根据截面形状的可分为以下几种：
a)V形导轨如图2(V形导轨截面形状)，特点是导向精度高，磨损后
能自动补偿。

其中的凸形有利于排屑，不易保存润滑油，适用于低速；凹形易于保存润滑油，但不利于排屑，高、低速均可适用。

它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为90°。

凸形（三角形）凹形
图2 V形导轨截面形状
b)矩形导轨如图3(矩形导轨截面形状)，特点是制造简单，承载能力大，不能自动补偿磨损，必须用镶条调整间隙，导向精度低，需良好的防护。

主要用于载荷大的机床或组合导轨。

图3 矩形导轨截面形状
c）圆形导轨如图4(圆柱形导轨截面形状)，特点是制造简单，内孔
可珩磨、外圆采用磨削可达配合精度，磨损后很难调整和补偿间隙。

主要用于受轴向载荷的场合，如钻、镗床主轴套筒、车床尾架。

图4 燕尾形导轨截面形状
d）燕尾形导轨如图5(燕尾形导轨截面形状)，特点是制造复杂，磨损不能自动补偿，用一根镶条可调整间隙，尺寸紧凑，调整方便。

但刚度较差，摩擦力较大，制造、检验和维修都不方便。

主要用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的部件中，如车床刀架。

图5 圆柱形导轨截面形状
根据以上分析与比较，结合砂轮修整器的速度低、精度高的特点，在X向选择双三角形导轨如图6(双三角形导轨)。

由于导轨结构对称，传动元件（滚珠丝杠）可对称地放在两导轨中间，并且亮条导轨磨损均匀，磨损后相对位置不变，能自动补偿垂直和水平方向的磨损故导向性和精度保持性都高，接触刚
度好。

同时从提高导轨的抗振性、耐磨性、低速运动平稳性以及降低成本等方面考虑，拟在X向导轨表面贴塑料导轨软带。

图6 双三角形导轨
4.4 Y向导轨副的选择
Y向选用直线滚动导轨副，其特点是：
a) 摩擦系数小（0．003～0．005）运用灵活。

b) 动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不易产生爬行。

c) 可以预紧，刚度高，寿命长，精度高。

d) 润滑方便，可以采用脂润滑。

一次装填，长期使用。

e) 由专业工厂生产，可以外购选用。

因次滚动导轨副广泛地被应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器等。

滚动导轨的缺点是：导轨面与滚动体是点接触或线接触，所以抗振性差，
接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨的表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，成本较高；对污染物比较敏感，必须有良好的防护装置。

对滚动导轨副的基本要求是：
a）刚度为了保证足够的刚度，应选用最合适的导轨类型，尺寸及其组合。

选用可调间隙和预紧的导轨副可以提高刚度。

b）耐磨性导轨副应在预定的使用期内，保持其导向精度。

c）导向精度导向精度是导轨副最基本的性能指标。

移动件在沿导轨运动时，无论有无载荷，都应保证移动轨迹的直线性及其位置的精确性。

这是保证机床运动工作质量的关键。

d）工艺性导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。

直线滚动导轨副的滚动体有循环的和不循环的两种类型。

前者的滚动体可以是滚珠、滚针或圆柱滚子，其特点是滚动体不循环，因此行程不能太长。

这种导轨结构简单，制造容易，成本较低，但有时难以施加预紧力，刚度较低，抗振性能差，不能承受冲击载荷。

后者由于滚动体可以循环，因此行程无限，比较适用于重载条件下，但结构复杂，装卸调整不方便。

由于砂轮修整器Y 向行程较短，速度低且不承受冲击载荷，因此选用滚动体不循环的交叉滚柱导轨副，如图7(交叉滚柱导轨副)，其特点是四个方向均能受载，导向性能高。

图7 交叉滚柱导轨副
4.5 X向滑动导轨副的设计
a) 材料的选用
用于导轨的材料应具有良好的耐磨性、摩擦系数小和动静摩擦系数差小。

加工和使用时产生的内应力小，尺寸稳定良好。

导轨副应尽量由不同材料组成，如果选用相同材料，也应采用不同的热处理和不同的硬度。

通常动导轨用较软耐磨性低的材料，固定导轨用较硬和耐磨材料制造，材料匹配对耐磨性影响见下表。

导轨材料匹配及其相对寿命
导轨材料及热处理相对寿命导轨材料及热处理相对寿命
铸铁/铸铁 1 淬火铸铁/淬火铸铁4～5
铸铁/淬火铸铁2～3 铸铁/镀铬或喷涂钼铸铁3～4
铸铁/淬火钢＞2塑料/铸铁8
动导轨选用灰铸铁HT300，表面贴塑料软带。

固定导轨选用40Cr，材料硬度为
217～255HB，并在接触部位高频淬火。

b)主要参数的确定
X向选择双三角形导轨，如图8(X向的双三角形导轨)所示。

根据JB/GQ-Z26-1980，选取主要参数尺寸为：
A＝220mm，B＝45mm， b＝4.5mm，α＝90°
由于在X向导轨表面粘贴塑料导轨软带，因此将尺寸B、b修正为：B＝44mm，b＝5.6mm
考虑到滚珠丝杠等的安装需要，将尺寸A修正为230mm.
图8 X向的双三角形导轨
4.6 Y向滚动导轨副的设计
Y向选用交叉滚柱导轨副，如图7所示。

导轨间隙可通过导轨压板和调隙螺钉进行调整。

4.7导轨的防护
在X向采取了2项措施对导轨进行防护：
a) 在动导轨上安装了与导轨形状相吻合的刮屑板，使之刮走落在导轨上的灰尘、切屑等。

b) 安装了卷动式罩壳，主体部分安装于固定导轨的一端，卷动端安装于动导轨上，随动导轨运动。

在Y向利用导轨中移动件（切入滑座）的延长部分保护导轨，如图10所示。

在本设计中涉及的其它零件，由于结构比较简单，因此不再一一赘述。

五传动机构的设计、选择及计算
机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能(即精度高.快速响应性和稳定性好), 从而要求传动机构满足以下几方面的要求:
a) 刚度大刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力.
大刚度对机械系统而言是有利的:
1)伺服系统动力损失随之减小.
2)机构固有频率高, 超出机构的频带宽度, 使之不易产生共振.
3）增加闭环伺服系统的稳定性. 所以在设计时应选用大刚度结构.
b) 阻尼合适机械系统产生振动时, 系统的阻尼越大, 其最大振幅就越小且衰减也越快, 但大阻尼也会使系统的稳态误差增大, 精度降低. 所以设计时, 传动机构的阻尼要选择适当.
c) 转动惯量小在不影响机械系统刚度的前提下, 传动机构的质量和转动惯量应尽量小. 否则, 转动惯量大会系统造成不良影响, 机械负载增大; 系统响应速度降低, 灵敏度下降; 系统固有频率减小, 容易产生谐振. 所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量.
此外还要求摩擦小(提高机构的灵敏度), 抗振性好(提高机构的稳定性), 间隙小(保证机构的传动精度)，特别是其动态特性应与伺服电机等其他环节的动态特性相匹配。

5.1 传动机构的种类及功能要求。