基于笛卡尔坐标系数控磨齿机砂轮修整装置设计本科设计

基于笛卡尔坐标系数控磨齿机砂轮修整装置设计本科设计
毕业设计
基于笛卡尔坐标系数控磨齿机砂轮修整装置设计
摘要
数控磨齿机的砂轮修整是目前磨削加工的重要研究课题。

本文介绍了一种新型的砂轮修整器，它包含端面修整器和圆弧修整器二个部分，从而能够实现端面修整和圆弧修整。

砂轮修整器上装有自锁装置，从而能够保证砂轮修整的精度。

其中工作台采用滚珠丝杠进给,减少砂轮修整器的装配误差。

修整器的进给采用步进电机进给驱动，端面修整器和圆弧修整器的摆动角度有液压缸控制，机床采用模块化设计，全封闭护罩，工作拖板和修整拖板均采用超精密加工的十字交叉滚子导轨，精度高、稳定性好。

因此，砂轮修整能够得到较高的修整精度，较好的表面质量。

关键词：砂轮、磨削、修整器、结构设计
THE DESIGN OF THE NUMERICAL CONTROL BEARING GRINDER WHEEL DRESSER
ABSTRACT
The 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 surface 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 guide 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 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,configuration design
第一章绪论
1.1数控磨齿机的应用
近十几年来，借助CNC技术，磨齿机上砂轮的连续修整，自动补偿，自动交换砂轮，多工作台，自动传送和装夹工件等操作功能得以实现，数控技术在平面磨齿机上逐步普及。

制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竞争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竞争，将面临知识--技术--产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强。

因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竞争和生存、发展的主要手段。

计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的数控机床在生产机床中所占比例将越来越多。

平面磨齿机相对于车床、铣床等采用数控系统较晚，因为它对数控系统的特殊要求。

现代工业生产中，中、小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通机床已经越来越难以适应现代化生产的要求，而数控机床具有高精度、高效率、一机多用，可以完成复杂型面加工的特点，特别是计算机技术的迅猛发展并广泛应用于数控系统中，数控装置的主要功能几乎全由软件来实现，硬件几乎能通用，从而使其更具加工柔性，功能更加强大。

我国从80年代开始生产数控平面磨齿机，随着数控系统性能与可靠性的提高，价格更趋合理，使数控磨齿机与普通磨齿机的比价为广大用户所接受，同时随着先进制造与自动化技术在生产中的要求提高，数控磨齿机的使用也将越来越广泛。

数控平磨及其它磨齿机将向加工柔性更好的高档磨削加工中心和更加高效的专用数控磨齿机方向发展。

我们相信伴随着计算机、信息技术革命的深入，数控磨齿机在其智能化、系统信息控制等方面，将会有很大的进步。

1.2砂轮磨削的发展现状
人们一直对于提高磨削的砂轮速度所带来的技术优势和经济效益给予了充分的注意和重视。

但是在高速磨削过程中，工件受热变形和表面烧伤等均限制了砂轮速度的进一步提高，砂轮强度和机床制造等关键技术也使得高速磨削技术在
一段时间内进展缓慢。

当20世纪90年代以德国高速磨齿机FS一126为主导的高速磨削(High—speed Grinding)技术取得了突破性进展后，人们意识到一个全新的磨削时代已经到来。

高速磨削技术是磨削工艺本身的革命性跃变，是适应现代高科技需要而发展起来的一项新兴综合技术，它集现代机械、电子、光学、计算机、液压、计量及材料等先进技术成就于一体。

随着砂轮速度的提高，目前磨削去除率已猛增到了3000 mm3／mm·s甚至更多，可与车、铣、刨等切削加工相媲美，尤其近年来各种新兴硬脆材料(如陶瓷、光学玻璃、光学晶体、单晶硅等)的广泛应用更推动了高速磨削技术的迅猛发展。

日本先端技术研究会把高速加工列为五大现代制造技术之一。

国际生产工程学会(CIRA)将高速磨削技术确定为面向21世纪的中心研究方向之一。

1.3砂轮修整的作用
精密零件的磨削加工中，圆弧形面的磨削尤其是轴承外环内滚道和内环外滚道的磨削是一个技术难点，而砂轮的修整对磨削精度起着重要作用。

传统的砂轮修整是通过砂轮修整笔进行手工修整，或者采用成型修整器(如滚轮)进行修整。

但这两种方法修整后的砂轮都会产生圆弧形状误差，影响加工后工件的形状精度。

影响砂轮修整精度的原因有两方面：一是修整器本身的精度；二是操作不当。

修整可恢复超硬砂轮的切削刃。

在磨削过程中，砂轮逐渐钝化。

因此，驱动砂轮所需要的力矩增加。

如果要保持砂轮的转速，砂轮驱动功率就会增加，磨削区产生的热量也会增多。

随着砂轮的钝化和摩擦消耗功率的增大，工件可能发生烧伤。

第二章砂轮修整的分类
2.1常规机械修整方法
2.1.1离线修整
修整砂轮的最初方式是用单刃金刚石车削砂轮。

图2-1为100多年前使用的实用修整装置。

目前，单刃金刚石仍在使用，而且可以安装在机动滑板上，以提高位置控制精度。

对于成形砂轮，为维持砂轮形状精度，通常采用单点式车削修整工具。

离线修整仍在工业界使用。

尽管手动离线修整不准确，高精度设计的离线修整系统仍能产生良好的砂轮修整效果。

在线修整意味着每台磨齿机装备一台修整装置，因此其经济效益可能低于所有磨齿机共同使用的高精度离线修整系统。

手植金刚石、金属结合剂旋转修整工具的效果优于单刃金刚石工具，常常用于批量生产磨削的磨齿机上。

显然，这些工具比较昂贵，往往与比较昂贵的电气的或液压的精密定位滑板和主轴组件联合使用。

对于成形磨削，成形修整滚轮是修整成形砂轮的一种有效方式。

由于旋转修整装置费用高且需要相应的位置控制系统，小型机械车间一般不予采用。

图2-1 Samann修整装置
2.1.2 连续修整
砂轮的修锐往往意味着必须中断磨削过程。

这样中断不仅降低生产效率，而且由于磨削过程的专一性导致磨削性能的不一致。

所以，加工中修整受到高度重视。

连续修整技术向来是研究与开发的重点。

连续修整时，砂轮通常以预定修整速度过修整，以补偿工件磨削过程中可能发生的砂轮最高磨损速度。

连续修整期间有过量的材料从砂轮上被去除。

因此，十分注意检测砂轮表面的磨损速度或状态。

磨削过程中采用各种传感器(其中包括加速度计和测力传感器)来间接检测砂轮表面状态。

由于磨削过程和磨齿机的动态性能影响传感器性能，获取准确数据本身就很具挑战性。

即使有了数据，进行数据处理，并将间接得到的信号与砂轮表面磨损联系起来加以分析以满足较高的精度要求，也并非易事。

为了避免砂轮的过量修整，关键在于检测和分析磨削期间获得的数据。

另一种工作是检测修整工具反复横过砂轮作连续修整时的修整力。

利用实测修整力确定砂轮已得到充分修整的时间。

测出逐次修整力值之差。

或者，通过计算逐次修整力变化的差别比率来确定。

在两种情况下，当计算值小于某一预定值时便终止修整。

图2-2 金属结合剂砂轮的电腐蚀修整
图2-2所示的电腐蚀修整法可用于连续修整或在线修整。

修整工具提：一种分成两部分的电极对，其中的电极有不同的极性，互相绝缘隔开，电压回路由两电极控制。

由于机械接触，保持砂轮表面与电极间的间隙不需要精密定位机构和位移传感器。

同时，在接触期间电腐蚀去除导电性结合剂，避免了纯机械磨削修整中的缺点。

磨削修整的缺点是：修整工具磨损相当大，在砂轮表面上从结合剂几乎暴露不出磨粒。

由于磨粒间没有足够过渡空间接收磨削中的切屑，存在下列问题：砂轮迅速堵塞，结合剂与工件间的摩擦相当厉害，切削力和切削温度增加。

图2-3 高速磨削用树脂结合剂超硬磨料砂轮的
加工中热修整
图2-3所示的这种方法适合于修整硬级高速树脂结合剂砂轮。

在磨削工件的同时，砂轮面被加热到200～1200华氏温度的修整元件修整和整形。

由于有机结合剂砂轮的强度和弹性高于陶瓷结合剂砂轮，其所能承受的砂轮速度高达15000rpm而不致爆裂。

在修整过程中，如果增加修整元件的摩擦接触，树脂结合剂的削弱则足以释放磨损的磨粒并暴露出新的磨粒。

2.1.3 非接触修整
超硬磨料砂轮很难进行机械接触修整，而且要求操作人员有丰富的经验。

即使采用CNC磨齿机中的自动修整系统，避免修整速度过高并按砂轮磨损速度进行修整也仍然是一门艺术。

修整工具本身的磨损总是对砂轮修整产生影响。

对砂轮修整的工艺参数以及新途径作过大量的研究工作。

这些新型修整方法都是建立在结合剂特性的基上，其中包括微磨粒喷射修整、激光束修整、电火花修整和电化学修整。

微磨粒喷射和激光束修整已经应用于树脂结合剂超硬砂轮，电火花和电化学修整则已在金属结合剂砂轮上得到应用。

非接触修整对工具没有或只有较小的磨损。

2.2 特种砂轮修整方法
2.2.1 微磨粒喷射修整
这种修整是利用高压气体以100～200m／s的速度传送直径25微米的磨粒来实现的[kuriya-gawa，1996]。

一种方式是将喷射流均匀地喷射到树脂结合剂砂轮表面，以产生大量直径1O微米的微凹。

另一种方式是在砂轮表面上切割图案(例如微槽)。

两种加工中修整法均被证明是富有成效的。

超硬磨料砂轮也可以用氧化铝颗粒喷打。

2.2.2 激光束修整
这种修整是利用YAG脉冲激光在树脂结合剂CBN砂轮上实现的[Nakajima，1995]。

如果能够准确地控制激光修整参数，砂轮表面的修整深度和修整模式均易控制。

修整时间的长短取决于激光束的扫描速度和能量密度。

根据输人热的大小，结合剂可能蒸发、分离、飞溅和削弱。

同时，CBN颗粒也可能在修整中受到一定的影响。

2.2.3电火花修整(EDM)
这种修整法已广泛用来修整金属结合剂砂轮以及导电性树脂结合剂砂轮。

可用来精密修整成形砂轮，而且可通过自动修整作业来完成。

由于不会发生机械力，薄砂轮和小砂轮均宜采用EDM修整。

修整过程中采用水基磨削液。

砂轮轮廓靠成形石墨电极来生成。

砂轮轮廓的生成一般可在15分钟内完成[Uematsu，1997]。

为了配合干磨法，过去也研究过无液EDM修整。

2.2.4 电解连续修整(ELID)
电解修整由Norton公司发明于60年代，在常规电解磨削中改变砂轮和工件问的电位即可实现。

近20年来，由于日本研究人员在促进镜面精密磨削过程作了大量的研究工作，其广泛应用已成为现实。

ELID法是建立在图2-4所示的导电性砂轮的基础上。

在磨削过程中，金属结合剂由砂轮表面和电极间的电解过程所去除。

作为修整区的间隙被供以导电性电解液。

图2-4 电解加工中修整
ELID系统由用作阳极的导电性铸铁纤维结合剂(CIFB)砂轮、铜或石墨电极和电源装置所组成。

当砂轮受到碱性电解液(也用作冷却液)中弱直流脉冲电流作用时，砂轮表面的锈蚀得到促进。

高强度铸铁结合剂会变成相当软的氧化铁，并形成导电性不良的所谓ELID层。

随着该层在砂轮表面的形成，电流变小，因此铸铁结合剂的电解将被抑制在最低限度。

随着磨削的进行，该层受到被磨材料切屑的作用，使其变薄。

然后ELID电流恢复，随后的电流增加再次腐蚀铸铁结
合剂，将其变成氧化铁层，并留下新凸出的金刚石颗粒。

该过程在整个ELID磨削期间持续进行下去，不论颗粒尺寸如何。

与常规树脂结合剂或陶瓷结合剂砂轮相比，CIFB砂轮的刚性和强度高得多，因此其变形也小得多，可以实现纳米精密磨削。

由于ELID磨削可长期保持一致性，且配置方便，因此可提高生产效率，非常适合于自动作业。

但是，必须注意保持砂轮表面与电极表面间的间隙尺寸。

应配备砂轮直径变化检测传感器和间隙尺寸补偿精密定位机构，以闭合控制回路。

现在也出现了一些替代设计方案，如图2-5所示。

对于小直径砂轮，在ELID磨削中随着砂轮直径周围磨损而减小，间隙尺寸在电极上的变化增大。

变化的增大影响修整系统的性能。

因此，建议采用分段电极，分别由单独的间隙补偿机构加以控制。

图2-5 现有ELID系统性的改进设计
2.2.5 高速电解连续修整(HELID)
为了提高材料切除率，一般最好是提高砂轮速度。

但是，砂轮速度高不便修整，因此高速磨削的应用受到限制。

尽管多年来作了大量的研究工作，高速砂轮修整的非一致性与效率低下，仍然是工业界的一个严重问题。

高速砂轮到了要修整的时间，如不让其停止，就必须放慢磨齿机的速度。

为了实现HELID，砂轮高速运转时应保持修整区内有足够的电解液。

这也意味着砂轮高速运转时气孔
或气泡必须受到抑制。

提高砂轮速度时，砂轮周围的空气可能开始进入间隙，气孔可能开始在凸出部后面形成。

由于间隙横向电解液不足，气孔也可能在间隙内形成。

结果，砂轮速度越高，修整区内导电性就越低。

HELID系统配有专门开发的柔性动压电极，在砂轮表面速度100m／s下，超硬磨料砂轮可得到有效地修整，修整速度大约是常规ELID系统的3倍。

修整间隙是自动调节的，不需要配备传感器和精密定位装置的补偿机构。

砂轮一旦旋转，修整间隙便自动形成，最初不用设定。

2.3砂轮修整的新方法
2.3.1 砂轮修整器的工作原理
目前普遍使用的数控花键轴修整器是两轴联动的数控修整器，它可以通过数控编程来修整砂轮呈渐开线形、三角形、直齿花键等各种形状。

但这种修整器是采用金刚石滚轮来进行修整的，滚轮对砂轮进行修整那部分的工作半径不能太小，因此对砂轮的修整形状也有所限制，如把砂轮修整成内凹或比较尖锐的形状就不能实现。

对砂轮修整来说，双圆弧砂轮修整时由四个运动组成：砂轮的旋转、金刚笔的摆动，偏心距移动以及修整的进给运动。

利用数控磨床Z坐标轴实现修整时砂轮的上、下偏心距的调整，既易于保证偏心距e的精度，又简化了修整装置的结构。

当砂轮修整时，首先金刚笔在Z向对刀，对砂轮来说，在垂直方向的最佳对刀点在砂轮的中心平面(Z=O)上。

此时保持砂轮修整器金刚石修整笔的回转中心在Z轴方向固定不动，而将砂轮中心沿Z轴方向往上移动一个距离e 到Q1处，此时，相当于金刚笔的回转中心在Q2处，当金刚笔由上向下摆动时，修整砂轮的圆弧A‘D：同理，将砂轮中心沿Z轴方向往下移动一个距离e到Q2处，此时，相当于金刚笔的回转中心在Q1处，金刚笔由下向上摆动修整砂轮的圆弧DC。

，这样在砂轮的法向截面就形成了由A‘D和DC‘的双圆弧廓形。

如图2—6所示
图2-6 砂轮修整器原理简图
砂轮修整进给凉由另一方向修整器Y轴伺服系统实现。

2.3.2 砂轮修整器的结构特点
新型砂轮修整器相对于两轴联动数控成型修整技术，多了一个旋转轴，即能绕轴转动，因此修整器的金刚笔实际上能相对砂轮表面作2个移动轴加1个转动轴的三轴联动，使修整笔的轴线与修整点处砂轮截面曲线的法线尽量平行，保证修整工具与砂轮不发生干涉，如图2-7所示。

因为修整工具有一定的厚度，所以采用球头刀具时，修整工具的轴线和砂轮截面曲线法线的夹角应在0～45度之间，可以防止发生干涉。

该修整器若采用尖端具有过渡圆弧的金刚石修整器，将金刚石修整器的摆动的运动：中心设置在过渡圆弧圆心(几何中心)，将砂轮修整过程中的金刚石修整器的摆动与两轴移动分离，可简化成型砂轮修整的数控编程，避免复杂的数字控制和软件计算分析，同时也降低了修整器的成本。

图2-7 修整笔轴线与砂轮截面曲线的法线
2.3.3 砂轮修整器的结构设计
如图2-8所示是新型砂轮修整器的结构示意图。

砂轮修整器由修整工具即金刚笔、修整笔支架、U轴传动机构、U轴传动机构支座、Z轴传动机构、Z轴传动机构支座、X轴传动机构和X轴传动机构支座即整个修整器支架构成，修整器支架安装在砂轮架体壳上，因此整个修整器的参考基点位置相对于砂轮是固定的。

对砂轮进行修整时，X轴的驱动电机驱动X轴传动机构带动Z轴传动机构支座沿X轴做直线移动，并由X轴的光栅尺进行测量；在此基础上Z轴的驱动电机驱动Z轴传动机构带动U轴传动机构支座沿Z轴做直线移动，也由Z轴的光栅尺进行测量；然后U轴的驱动电机驱动U轴传动机构带动修整笔支架沿U轴做回转运动。

X轴和Z轴的联动使得金刚笔可以在XZ平面内做平移运动；而加上U轴的联动，可以使金刚笔在XZ平面内做绕U轴的旋转运动。

至此金刚笔在XZ平面内没有约束，具有三个自由度。

图2-8砂轮修整器结构示意图
2.3.4 砂轮修整的展望
砂轮修整的关键在于得到较高的修整精度，较好的表面质量。

修整精度的高低决定磨削工件的尺寸精度和表面质量；较好的表面质量能保证对磨粒有较强的把持力，磨削时有足够的容屑空间。

然而金属基金刚石砂轮在使用之初和磨损之后很难修整，若要达到精密、超精密磨削所需修整精度，则面临着严峻的挑战。

新的修整工具、修整技术的发展趋于高精、高效及自动化，赋予了金属基金刚石砂轮修整技术研究者新的使命：
1．开展实用的、低成本、高效率的修整技术研究。

当前的金属基金刚石砂轮修整法或多或少地都存在着修整成本高、效率低、修整时间长、装置复杂、操作不易掌握等局限性，所以开发低成本、高效率、适应性广、工业化应用程度高的金属基金刚石砂轮的修整技术已成当务之急。

2．开发修整的检测、监控技术。

利用砂轮的声发射超声信号技术来判断砂轮的工况，扫描探针显微镜对修整后的形貌进行分析，对修整质量进行评价，应用计算机对修整过程进行控制，开发检测、处理、质量评价、控制一体化的修整系统，实现金属基金刚石砂轮磨削的智能化修整。

3．开展各种成形砂轮的修整技术的研究。

随着各种高性能硬脆材料在各领域的广泛应用，各种复杂型面零件的加工越来越多，然而这些零件在工程应用中常常需具有一定的曲面形状要求，如汽车发动机中的陶瓷摇臂、光学仪器中的曲面镜、球面镜、电子工业中的磁头等。

这对成形砂轮修整提出了更高的要求，因而深入研究各种精密修整技术，开发成形砂轮的修整技术也是金属基金刚石砂轮修整的一个重要研究内容。

第三章步进电机及其驱动控制系统
3.1 步进电机的性能及选用
3.1.1 步进电机的性能
步进电机一是种将电脉冲信号转换成角位移的控制微电机，在现代工业控制及机加工等领域，自控系统对快、稳、准等三大性能指标的要求在不断地提高。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

这些系统在运行过程中常需要进行准确定位和微量进给，而要达到这一目的，通常可以采用步进电机或伺服电机作为系统的动力驱动源。

从自动控制原理的角度来分析，伺服电机要求设备本身必须采用闭环控制技术，且要采用精密的传感器件作为反馈信号的检测变换环节，只有这样才能保证控制精度;而步进电机只需采用最简单的开环控制就可取得非常高的控制精度，且这种系统不需要反馈信号，系统硬件实施比较简单，所以在自动控制系统中，步进电机在某些方面比伺服电机应用更为广泛。

另外，步进电机还具有以下几个优势:
(1)直接采用数字量控制;
(2)转动惯量小，启、停方便;步距均匀;
(3)设备成本低;
(4)定位准确;
(5)调速范围较宽。

一、细分驱动技术
通常，步进电机每接收一个驱动脉冲，就会转过一个脉冲当量的角度，这个角度称为步长，又称步距角。

通常，由于受绕组等客观因素的制约，步进电机的步长一般较大，有时难以适应步进角度要求更小的微量进给系统;又由于步进电机本身所固有的低频振动问题，使得步进电机在振动及噪音环境下的应用受到了制约。

如何对步进电机的步长过大和低频振动等不利因素通过驱动控制技术进行减轻和抑制，是步进电机应用中的一个重要问题。

在现有的步进电动机驱动技术中，细分驱动是能够有效解决上述问题的主要控制方法之一，它主要是通过对步进电机的相电流进行阶梯化正弦控制，使电机以足够小的单位步距角运行，从而降低步长和低频振动，增强电机的输出转矩;提高电机的运行分辨率。

步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，在每次脉冲输入时，不是将绕组电流一次性地全部导入或全部切除，而是只改变相应绕组中额定的部分电流，从而使电机转动的角度不是一个完整的步长而只是原步长的一部分，而步进电机的固有步长就被分解成了更小的步进单位。

本系统采用的是一种被称为“半拍步进”的细分驱动方法，为了产生这样一个逻辑顺序的信号源，可以采用环形脉冲分配器，而本系统所采用的环形分配器是通过软件编程来实现的模拟环形脉冲分配器。

步进电机的控制方框图如图3-1所示。

方向
环形脉冲适配器
步进电机
驱动电源
速度
图3-1 步进电机的细分驱动控制框图
二、环形脉冲分配器的控制字。