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黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 5 頁 新式家具的拋光機器智能系統(tǒng) 摘要: 在這篇文章中,一個有著表面控制針對木制材料家具的工業(yè)機器手的拋光系統(tǒng)被提出,靈敏的空氣傳動工具經一個緊湊的力量傳感器能輕松的附于工業(yè)機器手的頂端.這個機器拋光系統(tǒng)被稱作三維機器拋光機.該拋光機器有兩個新特點.一是作用在工具和木制工件表面的拋光力被精細的控制在所設定值范圍內.例如2kgf.這個拋光力的大小是根據(jù)連接產生的力和運動摩擦力來設定的。另一個特點是不需要復雜的示教再現(xiàn)運動但必需獲得一個理想的刀具軌跡。切屑刀具的位置數(shù)據(jù)，即由CAD/CAM（計算機輔助設計與制造）模擬生產的刀具路徑。直接被用于固定在機器手臂上的刀具。該拋光機器能用于傳統(tǒng)拋光機不能應付的型式多樣的彎曲表面。這些效果和說法通過了一些試驗，被研究證實。 1. 介紹 在木制家具的工業(yè)制造中，CAD/CAM系統(tǒng)和數(shù)控技術被廣泛應用，從而使得設計到機械加工是非常合理的。然而，在機器加工之后的拋光幾乎不可能實現(xiàn)自動化。因為它需要精細和靈巧的技術以便不影響表面質量。到目前為止，一些拋光機在木制方面的發(fā)展。舉例來說，寬帶拋光機（如圖2）適合邊表面的拋光。然而，這些傳統(tǒng)的機器不能應用于型式多樣的彎曲表面。因此在木制家具的制造業(yè)中CAD/CAM系統(tǒng)和數(shù)控技術被廣泛應用。從而使的設計和加工成為可能。然而，拋光過程后的加工很難實現(xiàn)自動化。因為它需要精細和靈活的技術，才能加工出完美的表面質量。到現(xiàn)在為止才研究出少許用于木制的拋光機。例如：寬帶拋光機如圖所示是用于平面的拋光。型面拋光機（如圖2所示）適合邊緣周圍拋光。然而這些傳統(tǒng)的拋光機不能用于自由曲面型狀的工件。因此，我們必須依靠不僅可進行適當力量控制，而且能用于拋光復雜曲面雙軌道和單軌道拋光工具（如圖4所示）。有經驗的工人通過空氣驅動器將其使用的得心應手。為了獲得更好的表面質量。雙向拋光機需要進行回轉和非圓周運動?？梢砸軠y出這樣的工具會發(fā)出刺耳的噪聲、震動和灰塵。最嚴重的問題是，在這種惡劣環(huán)境下完成拋光是非常為難技術工人的。正是這個原因，在家具制造業(yè)中，研究一種可以部分取代技術熟練工人工作的拋光機是有必要的。 工業(yè)機器人已經取得顯著發(fā)展。如涂漆、焊接、搬運等。要完成這些工作，重要的是對機器人手臂上端位置的準確控制。當機器人運用于拋光、去毛刺或磨削任務時，利用少許力控制會不可避免的出現(xiàn)對物體的損壞。舉例來說。拋光機械手和噴圖機械手在[1~5]中被呈現(xiàn)。自動化機器人的修邊和磨削在[6~10]被介紹。兩個具有代表性的控制方法被提出，它們是阻抗控制[11]和混合位置/力量控制[12]。在為機械手減少或吸收沖擊力方面，阻抗控制是最有效的的控制法之一。其優(yōu)點在于它能控制機械阻抗、慣性等。阻抗控制沒有力量控制模態(tài)和位置控制模態(tài)，但它是力量和速度組合的最終效應。在另一方面，混合位置/力量控制方法同時控制機械手的位置和力量。然而，六個制約因素包括三個自由度位置和三個自由度力量不能同時達到最佳。為了避免干擾力控系統(tǒng)和位控系統(tǒng)，力量控制模態(tài)或位置控制模態(tài)在每個方向上事先被選定。 表面跟蹤控制是工業(yè)機械手的基本方法。一般有兩種控制方案，一種是機械手臂頂端的定位/定向控制。另一種是使其穩(wěn)定的保持在工件表面的曲線上的力量控制。應該指出的是如果工件表面幾何信息未知，那么，在工件表面加工的速度就很難有所提高。為使其緊貼表面進給速度必須取較小值。此外，在保持沿預定軌跡工作的同時難以控制拋光機械手的方向。 筆者曾進行有關方面的研究。就力量控制來說，阻抗控模型來調整拋光工具和工件表面的距離。在[15]中，模擬環(huán)境模型能模擬出環(huán)境的剛度。其結果通過了模型PUMA560機械的 驗證。在測量時，重力補償器可以消除刀具重量對測量結果的影響。在[17]中，關于刀具定位和定向控制，它更進一步考慮如何為工業(yè)機器人實現(xiàn)非示教運動。在[18]的陳述中，CL數(shù)據(jù)被用來處理新的有關拋光參數(shù)的擬定。 在文中，機器人拋光工具系統(tǒng)被集成用于具有自由型態(tài)家具的設計。其拋光系統(tǒng)提供了實際的表面跟著控制，使工業(yè)機器人不僅在的迪卡爾空間通過了以個理想的阻抗模型調整機械手臂，而且使其沿著正確的方向運動的同時跟隨表面接觸。該拋光力大小是根據(jù)連接產生的力和摩擦力來設定的。本文還陳述了如何將拋光系統(tǒng)應用到沒有復雜示教程序的木制工藝品中的制作中。從一些拋光試驗效果可知拋光機器人使用跟蹤控制系統(tǒng)是可行的。 2. 拋光系統(tǒng) 最近，開放式建筑工業(yè)機器人是根據(jù)使用者的各種不同需要在改進。工業(yè)機器人有一個開放的基于windows和linux系統(tǒng)的編程接口。這樣我們可以試著編寫一些用于伺服控制的新程序。例如力量控制程序，柔性控制程序等。 六自由度工業(yè)機器人如圖5所示：FS20是由日本川崎重工業(yè)提供的控制器。該機器人系統(tǒng)開發(fā)了用于工業(yè)，其頂端有一個高靈敏度力量傳感器。拋光刀具經以個力量感應器后可以很容易附于機器人手臂的頂端。光纖電纜將一個人計算機和服務器連接。基于PC的控制器提供了幾個windows API（應用編程接口）的功能。例如伺服控制角度、正傳、反轉等。舉例來說利用這些API函數(shù)可以很容易且安全的對位置和方向進行控制。在下一節(jié)，表面跟蹤控制器在一個裝有windows API 函數(shù)的自動拋光機中變?yōu)楝F(xiàn)實。 3. 拋光機器的表面跟蹤控制系統(tǒng) 表面跟蹤系統(tǒng)有兩個主要特點：一是這既不是傳統(tǒng)復雜的教學工作也沒有處理（CL 數(shù)據(jù)到NC 數(shù)據(jù)）的要求。另一種是同時對作用在自由形態(tài)彎曲表面刀具上的力、刀具位置、定位方向的控制。 4. 實驗結果 在本節(jié)中，利用模擬機器拋光機給出的試驗結果的結果。軌道拋光工具被熟練的工人廣泛用于工件彎曲表面的打磨。基于軌道的拋光工具能運行各種奇異的運動。這就原于軌道拋光機不僅是個強大的打磨工具，而且磨出的表面質量好、擦傷少。在這個試驗中，軌道拋光工具被選擇而且在經由一個力量傳感器被安裝在機械手手臂頂端。基本尺寸長、寬、高 75cm×110cm×4cm那拋光工具重800g ,在拋光一個工件時，墊圈與磨砂低附著表面。圖12一個數(shù)據(jù)加工的工件表面，這里一個有代表性常規(guī)拋光機不能加工的形狀。其表面的拋光數(shù)據(jù)進給量值設為3mm，該工件拋光前如圖12所示，其每次進給量設值不大于1mm。首先機械手去除了其頂端使用的粗糙砂光紙#80，然后采用磨砂紙將其磨到一個中等粗糙#220，最后磨到#400，補償直徑和紙被切割到65mm大大的超過用于數(shù)控加工過程中的球頭銑刀直徑（17mm）。因此，我精選進給量15mm.更新了CL數(shù)據(jù)的拋光機如圖9所示而且替換了如圖10所示控制器的CL數(shù)。切割偏移量被設為15mm的小值，以便防止工藝品的邊緣過度打磨。表1顯示了其他打磨條件和表面跟蹤控制的參數(shù)如圖10.這些數(shù)值的作用是用來發(fā)現(xiàn)錯誤的。 如圖13所示工作時的拋光機。拋光力大小控制如圖14所示。靈敏的空氣類型的工具會產生巨大的噪聲和振動。力量控制系統(tǒng)有工業(yè)機器手，力量感應器，空氣驅動器和木制的材料。因為這樣的工作環(huán)境拋光力大小會變和振動，這就是為什么拋光往往會有毛刺和噪聲。而且，其加工出來的表面質量遠遠高于技工加工出來的質量。雖然它是如此困難和難以同技工保持同樣的拋光力大小、工具位置和定位方向。但機器拋光機可以完成更加精細任務。另一拋光機加工木制桌如圖15所示。觸摸感覺無論是手指還是手掌均令人非常滿意。一點等高線的跡象都沒有，以及邊緣周圍沒有過度的打磨，表面上沒有凸起。此外，我們還用觸筆儀器進行測量，使得加工出來的表面粗糙度（Ra）和最大高度（Ry）的算術平均值在1mm至3mm以內。 拋光機器人加工的新款家具如圖16、17所示。從實驗的結果我們可以確定。機器拋光系統(tǒng)可以完成對木制工藝品的彎曲表面加工。 5. 結論與將來的工作 這份文件涉及的機器人拋光系統(tǒng)用于家具工藝品的美觀設計和自由曲面造型。該系統(tǒng)已經開發(fā)且用于工業(yè)機器人。這樣的系統(tǒng)有一個開放的控制器。系統(tǒng)有兩個新特點：一個是這種表面跟蹤控制器在控制拋光力大小的同時還可以控制位置和定位方向。另一個是根本不需要傳統(tǒng)復雜的示教運動?；诠I(yè)機器的常規(guī)拋光系統(tǒng)理想軌跡的位置和定位方向控制是通過復雜示教運動所獲得的。在這種情況下，操作員必學輸入大量的沿著物體表面運動的數(shù)據(jù)，不過拋光系統(tǒng)的三維CAD/CAM可以直接模擬出所需要的CL數(shù)據(jù)，從而使得該示教運動得以省略。通過實驗可知，那附于拋光機械手臂頂端的刀具可以平滑的跟隨彎曲表面移動。在接觸的同時且能保持一定的拋光力和正確的方向。也有人表明，該系統(tǒng)完成的彎曲表面不僅質量好而且造型非常美。打磨的條件、控制的進給量、所選砂紙的表面質量等工藝參數(shù)在此文中以表述。 然而若將機械手拋光系統(tǒng)用于其它不同材料，其參數(shù)值需要重新設定。因為那理想參數(shù)的選定在很大程度上往往于木制材料有關。將來我們的計劃是整理木質材料于理想參數(shù)對應的數(shù)據(jù)庫。目前，我們的計劃是整理木制材料于理想參數(shù)對應的數(shù)據(jù)庫。那參數(shù)的調整應與物種內部變化的方向保持一致。 畢業(yè)設計 文獻翻譯 院（系）名稱 工學院機械系 專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化 學生姓名 何龍 指導教師 楊漢嵩 2012年 03 月 20 日 摘要 隨著精密、超精密技術的發(fā)展日益進步,機器及檢測儀器等的精度要求越來越高,對氣浮墊的制造精度也提出更高的要求。目前,由于氣浮墊精密加工技術的研究還不夠深入,因此,研究氣浮墊的精密制造技術是氣浮墊領域函須解決的課題。 針對研磨拋光過程，本文深入研究了磨料種類、粒度、拋光液溶劑、研拋壓力、研拋加工時間等因素對加工表面粗糙度的影響。根據(jù)氣浮墊研磨設備對研磨工藝的要求，本文設計了一種專門的研磨機，并對研磨機的各個部分進行分析和說明，并對部分零件進行驗證和校核。 關鍵詞：氣浮墊；研磨；拋光；機械結構 Abstract With the development of Precision and ultra-Precise technology, the accuracy of the machinery and the detecting instrument become higher, the Production accuracy of cushion needed also more higher. At present, the research about the cushion Precision finishing technology is not enough. So how to enhance the accuracy it is one of needing to resolve problem of the research area of the floatation cushion. On the surface roughness effects of abrasive type, grain size, polishing liquid solvents, polishing pressure, polishing machining time and so on, are researched in-depth for the process of mechanical polishing. According to gas floating pad grinding equipment requirement for grinding process, this paper designed a kind of special grinding machine, and analyze the various parts of the grinding machine and instructions, and to verify and check parts. Keywords ：Gas floating cushion; Grinding; Polishing; The mechanical structure 氣浮墊的研拋工藝及研拋機結構設計 前言 1.1研究背景及意義 近年來，功能陶瓷、石英晶片、平面或多面體晶體和光學器件等硬脆材料的精密加工提出了很高要求，不僅要求這些材料有極小的平面度、極小的表面粗糙度、超平滑的表面[1-3]，還要求材料兩端面嚴格平行、無晶向誤差、表面無變質層等，有的甚至要求達到納米級或更高的加工精度和無損傷的表面加工質量，由于研磨拋光技術可以獲得很高的精度和超光滑表面，上述的材料均需采用精密研磨拋光技術[3-8]。 利用研拋工具的亞口徑機械式研拋是目前加工創(chuàng)成復雜光學曲面主要方法，但無論是在創(chuàng)成原理還是在加工裝置上，都存在著難以逾越的固有缺陷。目前，許多研究主要是針對回轉對稱非球面光學零件的加工技術及裝備。 對于有復雜幾何特征的光學曲面，研拋去除量總是非均勻變化的。這使得研拋工具與被加工工件之間的變形不一致。難以獲得均勻一致的面形精度研拋工具去除工件材料所形成的加工表面殘高也總是非均勻變化的[9-11]。因而難以獲得均勻一致的加工表面。質量為了使所獲得加工表面質量和面形精度滿足加工要求，同時機構的設計簡單實用性能可靠勢，必將增加研拋加工時間降低研拋加工效率。 研磨和拋光硬脆材料去除機理比較復雜，硬脆材料的表面完整性、亞表面層損傷、零件幾何形狀受很多因素的影響[12-15]。研磨和拋光加工工藝參數(shù)成為歐美各大企業(yè)的機密，而且針對不同材料以及不同設備，其參數(shù)變化非常大，使其難以復制和模仿[16-19]。目前，我國高檔次精密研磨設備設計制造水平不高，國外對高檔次精密加工工藝嚴格保密，這嚴重制約了我國精密加工技術的發(fā)展。為了加強我國精密研磨、拋光技術的發(fā)展，除了開發(fā)擁有自主產權的精密研磨拋光設備之外，研磨、拋光加工工藝也成為了研究重點[20-23]。 1.2氣浮墊研磨拋光機理 氣浮墊壓力產生的原理:利用壓縮氣體的粘性,提高工作間隙中氣體的壓力從而將物體懸浮起來。如圖1.1所示,氣浮墊可以分為三種:動壓型,靜壓型和壓膜型。如圖1.1(a)所示,動壓氣浮墊是兩個面相對移動,且間隙呈楔狀,沿移動方向間隙逐漸變小。由于相對移動,氣體因其粘性作用,被拖帶壓入楔形間隙中,從而產生壓力,構成動壓懸浮。如圖1.1(b)所示,靜壓型氣浮墊是將外部的壓縮氣體通過節(jié)流器導入間隙中,借助其靜壓使之懸浮起來。節(jié)流器的作用是當間隙變化時,調整間隙內的壓力,從而使氣浮墊具有一定的剛度。如圖1.1(c)所示,壓膜型氣浮墊利用了相互接觸的面沿垂直方向的振動,使間隙內的壓力的平均值高于周圍環(huán)境壓力這一原理。由于氣體具有粘性,間隙內的氣體不能快速出入,從而壓力增高。例如,讓一塊玻璃板平行地落在一塊平滑的板上時,玻璃板會輕輕地落下,從這一現(xiàn)象,就能夠理解壓膜氣浮墊的原理。 圖1.1.氣浮墊的工作原理 在上述結構的氣浮墊形式中,動壓型和靜壓型得到更加廣泛的應用。在氣浮墊實際設計中,氣浮墊的節(jié)流方式也不同。分別利用噴嘴、毛細管、縫隙的阻抗起到供氣孔節(jié)流的作用,而固有孔節(jié)流器是由供氣孔和氣浮墊間隙所形成的假想圓柱面起到節(jié)流器的作用。表面節(jié)流器是在氣浮墊面上設置與供氣孔連同的極淺的溝槽,溝槽的阻抗就構成了節(jié)流。多孔質節(jié)流器是氣浮墊的承載面采用了具有透氣性的多孔質材料,多孔質材料的阻抗起到了供氣孔節(jié)流器的作用。 傳統(tǒng)的研磨一般利用鑄鐵研磨盤，采用手工實現(xiàn)無規(guī)則的運動或靠機床實現(xiàn)模模擬手工的運動軌跡。傳統(tǒng)的拋光一般利用瀝青、聚氯乙烯和無紡布等拋光盤， 采用擺動、行星運動和環(huán)行運動等運動方式。研磨和拋光都是根據(jù)不同的加工條件涂敷不同的磨料，工件至于研磨盤或拋光墊上，用夾具裝夾工件并對工件施加一定的壓力，通過機床的主軸帶動磨盤轉動，利用磨盤和工件間的相對運動和磨料的切削作用從工件表面去除一層很薄的材料，從而達到加工的目的，加工示意圖如圖1．2所示。 圖1.2研磨拋光示意圖 按照磨料的附著方式，研磨拋光方法可以分為兩種：固結磨料研拋和游離磨料研拋。固結磨料研磨工件主要以耕犁方式去除材料，具有加工效率高、成本低等優(yōu)點，但研磨工具磨損大，容易在工件上留下劃痕，難以得到無損傷表面；游離磨料研磨拋光工件是利用磨料顆粒在研磨盤和工件之間對工件表面滾壓，使工件表面產生微小破碎這種方式來去除材料，能獲得無損傷平滑表面。 1.3研磨拋光加工工藝 1.3.1磨料的選取 磨料一是研磨加工的“刀具”,在加工中的起著切削作用。因此,首先磨料一要有較高的硬度,這是其磨削作用的關鍵所在,一般情況下磨料硬度大于被磨削工件硬度,再次要具有良好的韌性,保證和其他刃具一樣變鈍后能夠自銳。同時磨料的形狀和粒度應該均勻,這由研磨拋光加工的特殊性所決定的,另外還要有高溫穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性,這樣在加工的過程中保持自身的優(yōu)良機械和化學性能。 磨料的粒度也是一個很關鍵的因素,一般磨料的粒度指磨料的粗細程度。在相關的標準中都有規(guī)定,磨料的粗細用粒度表示,粒度號數(shù)越大,顆粒越小。粗顆粒用于粗加工。 1.3.2.研磨液的選取 通常,研磨加工時,不能直接用磨料對工件表面進行加工,必須加配其他的化學溶劑或其他輔助填料調配成研磨液,研磨液具有調和磨料及冷卻潤滑加工被加工接觸面的作用,如果沒有選擇好合適的研磨液,對精密研磨拋光加工可能會帶來一系列的影響,如溫度升高以損傷氣浮墊試件的被加工表面,降低表面粗糙度、產生劃痕、損傷磨盤等危害。因此,和磨料一樣對研磨液的組成和配比也有要求,例如參與作用的研磨液要有冷卻和潤滑的物理性質,還要具有一定的粘度,以致有勃附作用。在實際生產中不容易被研磨盤甩出;其物理作用和化學性質也要良好,研磨液一般是由磨料和活性劑組成的。用于研磨磨料的硬度必須高于工件的硬度,現(xiàn)在可以作為磨料的材料有金剛石、碳化硼、氧化鋁等。由于研磨過程活性劑在研磨過程中起到很重要的作用,如果只有磨料,沒有合適的活性劑,可能會產生許多問題,所以研磨劑要求應該有懸浮、潤滑、冷卻、去損、清洗和防銹性能。 1.3.3研磨工藝 傳統(tǒng)的研磨和拋光，設備條件只是實現(xiàn)高質量研拋的必要條件。工藝條件和操作者的技藝也起著十分重要的作用。通常學者們從研磨拋光的4個基本組成部分：工件、研磨拋光液、磨粒和拋光盤入手研究研磨和拋光加工工藝與加工質量的關系。Yongwu Zhao等人以硅片為研究對象，采用化學機械拋光方法探討了研磨拋光工藝參數(shù)對材料去除率的影響，他指出磨粒大小是影響材料去除率的主要因素，轉速和壓力是次要因素；B．J．Hooper等人研究了拋光墊磨損對硅片表面質量與材料去除率的影響㈣；H．Y Tam等人研究了轉速、磨粒大小等加工參數(shù)光學器件表面粗糙度的影響，并得到Ra=10．7 nln的光滑表面；Nabil Belkhir等人以玻璃為研究對象，探討了磨粒與材料去除量的關系，他指出磨粒的形狀直接影響其切削行為，磨損后的磨粒材料切削能力明顯降低；A．Q．Biddut等人研究了磨粒大小與加工壓力對硅片表面損傷的影響，并指出能否得出無損傷表面，磨粒大小與加工壓力是關鍵；浙江工業(yè)大學周兆忠等采用A1203磨料，約50rim的Si02拋光液，以聚胺酯作為拋光墊，鑄鐵盤研磨盤對氮化鋁基片進行研磨，得到表面粗糙度Ra為8nm的超光滑表面；廣東工業(yè)大學袁慧等人研究了工程陶瓷研磨拋光工藝，并指出磨削質量主要受到磨粒粒度的影響。 影響研磨效果的因素除了研磨盤、磨料種類、磨料粒度等一系列因素外，研磨壓力、轉速、研磨液濃度、研磨液流量、研磨時間等因素對研磨的效果也有很大的影響。由于時間和精力有限，在本論文中就不一一論述。 第二章 氣浮墊拋研機結構設計 2.1氣浮墊拋研機的結構總體設計 平面研磨機為精密研磨拋光設備，被研磨、拋光材料放在研磨盤上，研磨盤逆時鐘旋轉，修正輪帶動工件盤自轉，重力加壓的方式對工件施加壓力，工件盤與研磨盤作相對摩擦運動來達到加工的效果。圖2.1為本設計初步設計的平面研拋機原有的結構示意圖。其工作原理是研磨盤由電機通過減速機構帶動旋轉，研磨盤上有三個加工工位，并在工件盤上放置加載砝碼，這樣研磨盤在旋轉，由于摩擦力矩的作用帶動工件盤的也在旋轉，在砝碼加壓的情況下兩者的相互轉動摩擦起到材料去除的作用，達到研磨的效果。 圖2.1拋研機結構總體設計 2.2氣浮轉臺的設計 在精密研磨拋光加工工藝中,離不開研磨盤的存在,研磨盤是加工的場所,幾乎所有的研磨拋光加工都是在研磨拋光盤上進行的,對于研拋盤的選擇也至關重要。在加工中,磨料對被加工件進行磨削,同時研磨盤也同樣在受到磨損。研磨拋光盤自身的精度對氣浮墊的表面精度影響很大,甚至會把這種精度關系“復印”到氣浮墊表面上,故要求研磨盤的加工面要有較高的幾何精度。 氣浮轉臺主要包括直流力矩電機。氣浮軸承以及軸承所需要的供氣系統(tǒng)等組成。氣浮轉臺的各部件在設計時考慮了結構對稱性原則，以提高轉臺軸系回轉時的平穩(wěn)性。轉臺軸系選用氣浮軸承支承軸系上，同軸安裝進口無刷直流力矩電機作為直接驅動元件，轉臺部件在設計制造時力求在形狀尺寸和質量分布上對各自的正交坐標平面對稱。并且要求在滿足結構件強度和剛度的前提下同時力求內環(huán)軸系質量最小盡量減小軸系轉動慣量，氣浮轉臺利用多孔噴射氣浮墊產生靜壓 支撐待研拋工件由于采用多孔噴射技術， 平臺表面壓力分布均勻， 具有承載能力強剛度好抗氣振等優(yōu)點 。主要應用于精密測量和超精加工等精密氣浮轉臺如圖2.2所示。 圖2.2 精密氣浮墊床 氣浮轉臺中的核心部件就是氣浮軸承氣浮軸承，又稱為空氣軸承，指的是用氣體。通常是空氣，但也有可能是其它氣體。作為潤滑劑的滑動軸承空氣軸承消除了由摩擦力引起的阻力。磨損提供了極高的徑向和軸向旋轉精度由于旋轉的轉子和靜態(tài)支撐部分之間沒有機械接觸，磨損程度降到了最低，從而確保精度始終保持穩(wěn)定，空氣軸承內部的低剪切力能夠在提供極高轉速的同時，將動力損失降到最低，使產生的熱量非常小并能同時保持較低的振動水平。在高精度和高速領域上優(yōu)勢十分明顯. 2.3.氣浮墊研磨機傳動機構設計 本設計所設計的電動機到研磨臺的傳動才用鏈傳動。鏈傳動具有帶傳動和嚙合傳動的一些特點，其優(yōu)點是：鏈傳動沒有彈性滑動和打滑，能保持準確的平均傳動比；傳動尺寸比較緊湊；不需要很大的張緊力，作用在軸上的載荷較?。怀休d能力大；效率高（η=0.95～0.98）。同時；鏈傳動能吸振與緩和沖擊，結構簡單，加工成本低廉，安裝精度要求低，適合較大中心距的傳動，并能在溫度較高、濕度較大、油污較重等惡劣環(huán)境中工作。 鏈傳動的缺點是：高速運轉時不夠平穩(wěn)；傳動中有沖擊和噪聲；不宜在載荷變化很大和急促反向的傳動中使用；只能用于平行軸間的傳動；安裝精度和制造費用比帶傳動高。 圖2.3 鏈傳動 Figure 2.3 chain 鏈傳動的適用場合：廣泛應用于中心距較大、多軸、平均傳動比要求準確的傳動。環(huán)境惡劣的開式傳動、低速重載傳動及潤滑良好的高速傳動，均可采用鏈傳動。滾子鏈傳遞的功率通常在100kw以下，鏈速在15m/s以下，傳動比I<=7。目前其最大傳遞功率可達500kw，最高中心距可達8m。 綜合分析各種傳動方案，從傳動效率、傳動比、傳動速度、制造成本和安裝精度、傳動裝置外廓尺寸等方面綜合考慮，本設計課題的傳動方案采用鏈傳動。 2.4 選用電動機 電動機的容量（功率）選得是否合適，對電動機的工作和經濟性都有影響。當容量小于工作要求時，電動機不能保證工作裝置的正常工作，或電動機因長期過載而過早損壞；容量過大則電動機的價格高，能量不能充分利用，且因經常不在滿載下運動，其效率和功率因數(shù)都較低，造成浪費。 根據(jù)機械設計[1]取 磨臺質量： 工件所受重力： 滿載時每個托輪所受切向力： 磨臺線速度： 磨臺所需功率： 查表得： 電動機至磨臺的總效率 電動機所需功率 所以選用電動機額定功率 綜上所述，電動機可選用YTC系列齒輪減速三相異步電動機，根據(jù)額定功率選用YTC502型。 第三章 機械傳動件的設計計算 3.1 鏈傳動的設計與計算 鏈輪傳動的示意圖如下圖。 圖3.1 鏈傳動 3.1.1 鏈條的設計與計算 1.選擇鏈輪齒數(shù) 取小鏈輪齒數(shù) 則大鏈輪齒數(shù)，取 2.確定計算功率 查表得 為工況系數(shù)， 為齒數(shù)系數(shù)， 3.選擇鏈條型號和節(jié)距 根據(jù)查表[3]可選16A型滾子鏈，鏈條節(jié)距為p 4.計算鏈節(jié)數(shù)和中心距 初選中心距： ，取p 鏈條節(jié)數(shù)： ，其中 取 （取偶） 最大中心距為： ，查表 實際中心距為： ,一般 5.計算鏈條速度 有效圓周力為： 作用在軸上的力F 為壓軸力系數(shù)，對于水平傳動 3.1.2 主要失效形式 a）鏈的疲勞破壞 鏈在運動過程中，其上的各個元件都在變應力作用下工作，經過一定的循環(huán)次數(shù)后，鏈板將會因疲勞而斷裂；套筒、滾子表面將會因沖擊而出現(xiàn)疲勞點蝕。因此，鏈條的疲勞強度就成為決定鏈傳動承載能力的主要因素。 b）鏈條鉸鏈的磨損 鏈條在工作過程中，鉸鏈中的銷軸與套筒間不僅承受較大的壓力，而且還有相對轉動，導致鉸鏈磨損，其結果使鏈節(jié)距增大，鏈條總長度增加，從而使鏈的松邊垂度發(fā)生變化，同時增大了運動的不均勻性和動載荷，引起跳齒。 c) 鏈條鉸鏈的膠合 當鏈速較高時，鏈節(jié)受到的沖擊增大，鉸鏈中的銷軸和套筒在高壓下直接接觸，同時二者相對轉動產生摩擦熱，從而導致膠合。因此，膠合在一定程度上限制了鏈傳動的極限轉速。 d）鏈條的靜力破壞 當鏈速較低時，如果鏈條負載不增加而變形持續(xù)增加，即認為鏈條正在被破壞。導致鏈條變形持續(xù)增加的最小負載將限制鏈條能夠承受的最大載荷。 3.1.3 滾子鏈的靜強度計算 在低速（）重載鏈傳動中，鏈條的靜強度占主要地位。如果仍用額定功率曲線選擇計算，結果常不經濟，因為額定功率曲線上各點相應的條件性安全系數(shù)S為8~20，遠比靜強度安全系數(shù)大。當進行耐疲勞和耐磨損工作能力計算時，若要求的使命壽命過短，傳動功率過大，也需進行鏈條的靜強度驗算。 鏈條靜強度計算公式為 式中 為靜強度安全系數(shù)； 為排數(shù)系數(shù)； 為工況系數(shù)； 為有效圓周力； ,并查表得，， 所以 為許用安全系數(shù)，一般為4-8；如果按最大尖峰載荷來代替進行計算，則可為3-6； 所以滿足要求 3.2 鏈輪基本參數(shù)和主要尺寸 鏈輪齒數(shù) 配用鏈條的節(jié)距 配用鏈條的滾子外徑 小鏈輪分度圓直徑 小鏈輪齒頂圓直徑 取 小鏈輪齒根圓直徑 大鏈輪分度圓直徑 大鏈輪齒頂圓直徑 取 大鏈輪齒根圓直徑 鏈輪齒寬 查表得 , 為內鏈節(jié)內寬 所以 圖3.2 齒形 3.3 滾子鏈傳動的故障與維修 表5.1 滾子鏈傳動的故障與維修 故障 原因 維修措施 鏈板或鏈輪齒嚴重側磨 1.各鏈輪不共面 2.鏈輪端面跳動嚴重 3.鏈輪支承剛度差 4.鏈條扭曲嚴重 1.提高加工與安裝精度 2.提高支承件剛度 3.更換合格鏈條 鏈板早期疲勞開裂 潤滑條件良好的中低速鏈傳動，鏈板的疲勞是主要矛盾，但若過早失效則有問題： 1.鏈條規(guī)格選擇不當 2.鏈條品質差 3.動力源或負載動載荷大 1.重新選用合適規(guī)格的鏈條 2.更換質量合格的鏈條 3控制或減弱負載和動力源的沖擊振動 滾子提前碎裂 1.鏈輪轉速較高而鏈條規(guī)格選擇不當 2.鏈輪齒溝有雜物或鏈條磨損嚴重發(fā)生爬齒和滾子被擠頂現(xiàn)象 3.鏈條質量差 銷軸磨損或銷軸與套筒膠合 鏈條鉸鏈元件的磨損是最常見的現(xiàn)象之一。正常磨損是一個緩慢發(fā)展的過程。如果發(fā)展過快則 1.潤滑不良 2.鏈條質量差或選用不當 1.清除齒溝雜物或換新鏈條 2.更換質量合格的鏈條。 續(xù)表5.1 故障 原因 維修措施 外鏈節(jié)外側擦傷 1.鏈條未張緊，發(fā)生跳動，從而與鄰近物體碰撞 2.鏈箱變形或內有雜物 1.使鏈條適當張緊 2.消除箱體變形、清除雜物 鏈條跳齒或抖動 1.鏈條磨損伸長，使節(jié)距和垂度過大 2.沖擊或脈動載荷較重 3.鏈輪齒磨損嚴重 1.更換鏈條或鏈輪 2.適當張緊 3.采取措施穩(wěn)定載荷 鏈輪齒磨損嚴重 1.潤滑不良 2.鏈輪材質較差，齒面硬度不足 1.改善潤滑條件 2.提高鏈輪材質和齒面硬度 3.把鏈輪拆下，翻轉180°再裝上，則可利用齒廓的另一側而延長使用壽命 卡簧、開口銷等鏈條鎖止元件松脫 1.鏈條抖動過烈 2.有障礙物磕碰 3.鎖止元件安裝不當 1.適當張緊或考慮增設導板托板 2.消除障礙物 3.改善鎖止件安裝質量 振動劇烈、噪聲過大 1.鏈輪不共面 2.松邊垂度不合適 3.潤滑不良 4.鏈箱或支承松動 5.鏈條或鏈輪磨損嚴重 1.改善鏈輪安裝質量 2.適當張緊 3改善潤滑條件 4.消除鏈箱或支承松動 5.更換鏈條或鏈輪 6.加裝張緊裝置或防振導板 根據(jù)以上鏈傳動的滾子鏈傳動的故障與維修，當鏈傳動出現(xiàn)故障時，可以根據(jù)以上的內容來對鏈輪傳動進行調整，從而達到鏈輪傳動的最佳效果。 4軸的設計及計算 4.1 軸的材料 應用于軸的材料種類很多，主要根據(jù)軸的使用條件，對軸的強度、剛度和其他機械性能等的要求，采用的熱處理方式，同時考慮制造加工工藝，并力求經濟合理來選擇軸的材料。 軸的常用材料是優(yōu)質碳素鋼，如35、45和50，其中以45號鋼最為常用。 根據(jù)本設計的要求，選45號鋼作材料。 4.2 軸的結構設計 軸的結構設計是確定軸的合理外形和全部結構尺寸，為軸設計的重要步驟。 一般軸的結構設計原則： a）節(jié)約材料，減輕重量，盡量采用等強度外形尺寸或大的截面系數(shù)的截面形狀； b）易于軸上零件的精確定位、穩(wěn)固、裝配、拆卸、和調整； c）采用各種減少應力集中和提高強度的結構措施； d）便于加工制造和保證精度。 由材料力學可知，軸的扭轉強度[4]條件為 式中 為軸的扭轉切應力，單位為; 為軸所受的扭矩，單位為; 為軸傳遞的功率，單位為； 為軸的轉速，單位為; 為軸的抗扭截面系數(shù)，單位為； 為許用扭轉切應力，單位為。 由此推得實心圓軸的基本直徑為： 式中為計算常數(shù)，取決于軸的材料和受載情況，查表知，45號鋼的C的范圍為，取 所以 當軸段上開有鍵槽時，應適當增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱：單鍵槽增大3%，雙鍵槽增大7%，然后將軸徑圓整。 綜合以上取， 軸的結構設計如下圖： 圖4.1 主軸 4.3軸上鍵的校核 根據(jù)軸和鏈輪配合的要求，初選平鍵A ，對于采用常見的材料組合和按標準選取尺寸的普通平鍵連接（靜連接），其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴重過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，通常按工作面上的壓力進行條件性的強度校核計算。 假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強度條件為 （5-18） 式中： T—傳遞的轉矩，，； k—鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，此處h為鍵的高度，mm； l—鍵的工作長度，mm，圓頭平鍵，這里L為鍵的公稱長度，mm，b為鍵的寬度，mm； d—軸的直徑，mm； [σp]—鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力。 在軸上傳遞的轉矩為電動機的輸出轉矩 （5-19） 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 鍵的工作長度 軸的直徑 由《機械設計》表6-2，選擇 代入公式（5-18）： 滿足條件。 轉向箱輸出端鍵的校核 結構與電動機軸端結構相似，選擇 平鍵A 10*10*28 計算公式與上式相同 傳遞的轉矩 鍵與輪轂鍵槽的解除高度 鍵的工作長度 L=24mm。 軸的直徑 代入公式（5-18）： 滿足條件。 5 軸承的選擇和潤滑 5.1 軸承的選擇 選擇滾動軸承的類型與多種因素有關，通常根據(jù)下列幾個主要因素： A.負荷情況 負荷是選擇軸承最主要的依據(jù)，通常應根據(jù)負荷的大小，方向和性質來選擇軸承。 a)負荷大?。阂话闱闆r下，滾子軸承由于是線接觸，承載能力大，適用于承受較大負荷，球軸承由于是點接觸，承載能力小，適用于輕，中等負荷。 b)負荷方向：純徑向力作用，宜選用深溝球軸承，圓柱滾子軸承或滾針軸承。純軸向負荷作用，選用推力球軸承或推力滾子軸承。徑向負荷和軸向負荷聯(lián)合作用時，一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。若徑向負荷較大而軸向負荷較小時，也可選用深溝球軸承和內外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承。若軸向負荷較大而徑向負荷小時，可選用推力角接觸軸承，推力圓錐滾子軸承。 c)負荷性質：有沖擊負荷時，宜選用滾子軸承。 B.高速性能 球軸承比滾子軸承有較高的極限轉速，故高速時應優(yōu)先考慮選用球軸承。在相同內徑時，外徑越小，滾動體越輕小，運轉時滾動體作用在外圈上的離心力也越小，因此更適合于較高轉速下工作。在一定條件下，工作轉速較高時宜選用超輕，特輕系列的軸承。 C.調心性能 當軸兩端軸承孔同心性差或軸的剛度小，變形較大，以及多支點軸，均要求軸承調心性好，這時應選用調心球軸承或調心滾子軸承。 D.允許的空間 徑向尺寸受限制的機械裝置，可選用滾針軸承或特輕，超輕型軸承；軸向尺寸受限制時，宜選用窄或寬系列的軸承。 E.安裝與拆卸方便 整體式軸承座或頻繁裝拆時，應優(yōu)先選用內外圈可分離的軸承。軸承裝在長軸上時，為裝拆方便可選用帶錐孔和緊定套的軸承。 根據(jù)以上所述及本設計的具體要求，選用調心球軸承。 5.2 軸承的潤滑 軸承潤滑主要目的是減少摩擦和磨損，同時起到冷卻，吸振，防銹及降噪的作用。 常用的潤滑劑有潤滑油，潤滑脂及固體潤滑劑(二硫化鉬)。選擇潤滑劑應當考慮工作溫度，軸承負荷，轉速及其工作環(huán)境影響。一般來說，溫度高，負荷大，轉速低時選用粘度高的潤滑劑。 潤滑油選擇：常用的潤滑油有--機械油，高速機械油，汽輪機油，壓縮機油，變壓器油，汽缸油等等。一般而言，軸承轉速越高，則選用較低粘度的潤滑油。負荷越重，則選用粘度較高的潤滑油。潤滑方法有：油浴潤滑，循環(huán)油潤滑，噴油潤滑及油霧潤滑。 選擇潤滑油或潤滑脂的一般原則如表9.1： 表9.1 選擇潤滑油或脂潤滑的一般原則 影響選擇的因素 用潤滑脂 用潤滑油 溫度 當溫度超過120時，要用特殊潤滑脂。當溫度升高到200-220時，再潤滑的時間間隔要縮短 油池溫度超過90或軸承溫度超過200時，可采用特殊的潤滑油 溫度系數(shù) <400000 〈400000－500000 載荷 低到中等 各種載荷直到最大 軸承形式 不用于不對稱的球面滾子推力軸承 用于各種軸承 殼體設計 較簡單 需要較復雜的密封和供油裝置 長時間不需維護的地方 可用。根據(jù)操作條件，特別要考慮工作溫度 不可以用 集中供油 選用泵送性能好的潤滑脂。不能有效地傳熱，也不能作為液壓介質 可用 最低轉矩損失 如填裝適當，比采用油的損失還要低 為了獲得最低功率損失，應采用有清洗泵或油霧裝置的循環(huán)系統(tǒng) 污染條件 可用。正確的設計可防止污染物的侵入 可用。但要采用有防護、過濾裝置的循環(huán)系統(tǒng) 結論 我本次的畢業(yè)設計選題新穎，涉及知識面廣，包括氣浮墊研磨機的總體結構設計、軸承的選用、電機的選用、鍵的選用與校核、鏈輪傳動的設計等各個方面的內容，基本上涉及了我大學四年所學的各項內容同時也涉及到一些書本上不曾涉及的內容，是對我大學四年所學知識的一次全面的總結，也是對我所學知識的進一步拓展。 在本設計中，執(zhí)行工作的從動件能滿足生產工藝提出的運動形式、運動規(guī)律、功能范圍和運動性能等諸方面的具體要求。結構簡單，尺寸大小適度，在整體布置上占有空間小，布局緊湊。制造加工容易，維修拆裝方便，工作中穩(wěn)定可靠，使用安全，具有足夠的壽命。滾筒與電動機的運動方式，功率、轉矩及其載荷特性能夠相互協(xié)調，與其他相鄰機構的銜接正常，傳動運動和力可靠，不會發(fā)生運動干涉。本機符合生產的需要，具有較高的生產率和經濟效益。 致 謝 為期三個多月的畢業(yè)設計已經接近尾聲，回顧整個過程，我深有感受。在設計過程中，我翻閱了很多與我課題相關的資料，同時將以前所學的有直接聯(lián)系的相關專業(yè)科目認真的溫習了一邊，豐富了許多理論方面的知識。這次設計使我四年中學到的基礎知識得到了一次綜合的應用，使學過的知識結構得到了科學的組合，同時也從理論到實踐發(fā)生了一次質的飛躍，可以說這次設計是理論知識與實踐運用之間相互過渡的橋梁，是我們即將踏上工作崗位的臺階。 在畢業(yè)設計的過程中，我發(fā)現(xiàn)自身的許多不足，理論知識不夠扎實，設計經驗不足，同時又缺乏實踐工作的磨礪，從而導致在設計時難以做出正確的選擇，對課題的內容茫然不知所措。對資料的應用也不夠確切，對設計產品的具體形狀、運作方式、性能指標也不能有一個準確的定位。缺乏對具體產品的想象力，當查閱有關資料時， 設計思維又受到書本內容的束搏，不能得到擴展，始終局限于個別的、單一的理論或實體。這一切都是可能導致我本次設計的不足之處，懇請老師和同學指正。 由于自己能力所限，時間倉促,設計中還存在許多不足之處，懇請各位老師同學給予批評指正。 參考文獻 [1] 王軍．單晶藍寶石基片精密研磨工藝研究[D]．大連：大連理工大學，2008． [2] 徐萬孚，劉雨川，李廣宇，等．螺旋槽干運行非接觸氣體密封的理論分析與試驗[J]．機械工程學報，2003，39(4)：124-27． [3] 周圣人，朱維兵，王和順．節(jié)流孔特性對靜壓干氣密封性能的影響[J]．潤滑與密封，2003，21(2)：69-73． [4] 張君安，方宗德．用可變截面均壓槽實現(xiàn)高剛度空氣靜壓軸承的結構設計[J]．西安石油大學學報，2006，21(6)：96-98． [5] 王偉,欒道成,陳庚.超細硬質合金研究進展綜述[J].西華大學學報(自然科學版),2009,28(4):100～104 [6] 鄶吉才,張飛虎.ELID磨削鈍化膜彈簧剛度計算模型研究[J].工具技術,2008,28:29-32 [7] 榮烈潤.超精密研磨拋光方法[J].航空精密制造技術,2005,41(2):4-7. 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