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附錄
英文翻譯資料
精密設(shè)計：發(fā)展?fàn)顩r和趨勢
Design for Precision:Current Status and Trends
P.Schellenkens(2),N.Rosielle
H.Vermeulen,M.Vermeulen,S.Wetzels,W.Pril
Section Precision Engineering,Eindhoven Unversity of Technology,The Netherlands
摘要
回顧精密設(shè)計的狀況，包括現(xiàn)在的精密設(shè)計人員，都把可重復(fù)性放在首位。這里多位編者引用的各種設(shè)計規(guī)則、模式或者原則，對于在超精密機床和儀器中得到能再現(xiàn)的結(jié)果都是正確的。不同概念、系統(tǒng)和元件的建模和分析需要采用高級的設(shè)計，或者使它充分有效。在分析上的花費是值得的，這樣避免了制造出不完整的設(shè)計。但是，創(chuàng)造力在保證降低成本上更重要，它可以找出更好的辦法。在世界范圍內(nèi)，精密設(shè)計人員遵守設(shè)計原則，但是他們以他們的創(chuàng)造力進行挑戰(zhàn)，以獲得思慮周到的設(shè)計。當(dāng)今，大部分精密機床、高級技術(shù)都用到補償，例如幾何誤差，有機床運動帶來的誤差或者熱引起的誤差。精密設(shè)計今后的發(fā)展要求納米甚至是亞納米位置戶測量精度，要求采用完整的控制和誤差補償系統(tǒng)的設(shè)計概念。
關(guān)鍵詞：設(shè)計原則和特征，預(yù)測設(shè)計，精度，可再現(xiàn)性，重復(fù)性
致謝
作者要感謝以下的編者
K.Blaedel H.Van Brussel J.Bryan D.DeBra J.Van Eijk C.Evans
G.Goch R.Hocken P.McKeown V.Portman S.Sartori H.Spaan
C.Teague E.Thwaitr A.van Tooren D.Trumper R.Weill G.X.Zhang
介紹：
目前，在工業(yè)領(lǐng)域和研究中，都采用了各種方法來制造高精產(chǎn)品或融入了高精加工環(huán)節(jié)。這類產(chǎn)品的制造依賴于一種高專化的科學(xué)，叫做超精加工，超精加工以以下學(xué)科為基礎(chǔ)
1． 精密設(shè)計
2． 光學(xué)和機械測量學(xué)
3． 精密加工
這里所說的精密設(shè)計是指包括材料、機械、電子、控制、熱力學(xué)、動力學(xué)和軟件在內(nèi)的所有設(shè)計。也可以說成是高精密機電設(shè)計。隨著機械儀器和產(chǎn)品高精度要求的迅速增長，高精度的設(shè)計也變得越來越重要的,如今，這種發(fā)展趨勢受到了計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)發(fā)展的影響。這種加工方法始于1958年，集成電路剛問世的時候。由于需要在一塊芯片上放置越來越多的晶體管[]所以要使用低至幾個納米的定位誤差的機器。例如，一種在一片矽板上用來定位內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)點的晶體分布器。這樣一種機器只有靠高度發(fā)展的設(shè)計和制造技術(shù)才能實現(xiàn)。同樣，高密度的光學(xué)記錄系統(tǒng)（DVD）的迅速發(fā)展是應(yīng)光盤控制系統(tǒng)的發(fā)展需要，這要求機床的誤差等級控制在納米范圍內(nèi)。機床中的軸承、發(fā)動機和卷抽成型光學(xué)部件的制造精度維亞微米。為了適應(yīng)生產(chǎn)要求，應(yīng)大力發(fā)展亞微米精度甚至納米精度的機床。
在度量衡學(xué)，高精度的測量已經(jīng)得到了發(fā)展，例如測量軟件、誤差建模、測量技巧和測量方法。為了測量零件和產(chǎn)品有足夠的精度，就要有精度維亞微米到納米的機床，既然現(xiàn)有的高精度的設(shè)計模型很難達到這種水平，就要求有新的設(shè)計技術(shù)。由于精密的可調(diào)測量機床、激光干涉儀和納米靈敏件STM和AFM的出現(xiàn)，度量衡學(xué)作為一種基礎(chǔ)規(guī)律將面臨著非常大的發(fā)展，而且，很多分析軟件和誤差補償軟件業(yè)正在發(fā)展和實行。
精密加工用以實現(xiàn)產(chǎn)品的高形狀精度和高的表面質(zhì)量。該精度可達到納米等級，所以，機械的設(shè)計和加工步驟都必須確定，包括加工步驟和機械的相互作用及刀具和工件間相互作用。用以實現(xiàn)精密加工的幾種技術(shù)有：鉆、磨、拉、，磨孔、拋光、離子和電子放射加工和化學(xué)加工。在[Gardner,1991]、[Nakazawa,1994]和[Taniguchi,1996]里可找到關(guān)于機床和機械技術(shù)的主要概況。這個領(lǐng)域的新發(fā)展則應(yīng)在納米范圍內(nèi)[Stix,1996]。
盡管在精密度量衡學(xué)和制造領(lǐng)域有很多有趣的例子，這篇論文已經(jīng)迷制造為主題。這個規(guī)律有著重要的歷史和幾種起源。盡管如此，有一點很清楚，在早期，天文學(xué)和度量衡學(xué)的發(fā)展對精密設(shè)計有著重要的影響。有關(guān)于以前的精密加工的發(fā)展在[Evans,1989]中有記載。19世紀(jì)出現(xiàn)了很多發(fā)明，特別是在設(shè)計方面。通過直線和圓弧加工機床獲得了很多相關(guān)的理論。許多精密機床的設(shè)計和制造都采用了運動性設(shè)計和人性化設(shè)計原則等先進的設(shè)計原則。在20世紀(jì)，由于各種測量儀器和精密機床發(fā)展的刺激，設(shè)計的發(fā)展有了進一步的上升。在美國，一個精密機床設(shè)計的特別例子就是：一臺高精光學(xué)鉆床（LODTM）[Donaldson,1983],這里要特別提到的是設(shè)計者布賴恩，他設(shè)計了幾種機床，包括84英尺的（LDTM）[Teague,1989,1997].最近的新發(fā)展則是分子測量機床，如圖1.1所示。
圖1.1：分子測量機床
在歐洲，二十世紀(jì)50年代，飛利浦研究所（荷蘭）為國內(nèi)發(fā)展研制了幾種高精機床。那時，Granfield精密加工組織和Rank Taylor Hobson發(fā)展了一種寬帶的高精機床，包括“納米”。在德國和瑞士，最早追溯到1875年，Zeiss和GSIP就制造了高精測量和制造機床。
日本也有很長的高精機床和儀器的發(fā)展史。如今，日本在該領(lǐng)域扮演著主要角色，關(guān)于“日本的設(shè)計”在Taniguchi的書“Nanotechnology” [Taniguchi,1996]中有詳細(xì)介紹。例如，該書中可能提到CSSP。
所以我們可以得出一個結(jié)論：對于高精密度的機床和產(chǎn)品的需求在增長。在[]中介紹了向高精度的發(fā)展趨勢，在[Taniguchi,1983]和[Taniguchi,1996]中更特別介紹了機床精度。他著名的預(yù)測機床精度圖表如圖1.2所示。
圖1.2：Tanicuchi 預(yù)測的精密加工的趨勢
這張圖表很好的預(yù)測了現(xiàn)在的趨勢。精密工程的未來趨勢主要由IC技術(shù)發(fā)展趨勢決定，產(chǎn)生儲藏量、生物工程學(xué)、MEMS和用戶產(chǎn)品需要的信息。將會持續(xù)平穩(wěn)發(fā)展，所以精密機器的需要在將來會上升。
精密設(shè)計在未來的高精產(chǎn)品和機械的發(fā)展中扮演主要角色。利用總體設(shè)計方法在多種科學(xué)的設(shè)計組中可以實現(xiàn)這些設(shè)計。由于高精設(shè)計的費用上升，設(shè)計必須放在首位。因此預(yù)測設(shè)計是必要的。這片設(shè)計總結(jié)了精密設(shè)計的基本信息，說明了在精密加工這個重要領(lǐng)域中技術(shù)和將來的趨勢。
2.精密設(shè)計的元素
在精密儀器和機床的很多部分，要經(jīng)過反復(fù)的祥和作用來達到最后的精度。由于誤差會產(chǎn)生幾何學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的影響，每一個部分都會影響到整體的精度。盡管實行了這些影響因素的相互作用在整個系統(tǒng)活動中有重要作用，但這里主要是分離的介紹這些因素。
整篇論文的術(shù)語：儀器和機器都用來表示一種儀器。度量衡學(xué)的術(shù)語根據(jù)“國際大眾度量衡學(xué)術(shù)語詞匯表”定義的。在精密設(shè)計中，相對于純粹的度量衡學(xué)、精密定位和機床刀具路徑，有關(guān)機器和儀器的更是關(guān)鍵信息。因此，下列給出的定義，是從上面提到的國際詞匯表的擴大。
.加工精度：加工的實際數(shù)量等級的理想等級之間的差別，描述了質(zhì)量上的精度。
.加工誤差：與加工結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)，描述可以合理的歸因于數(shù)量的等級的離中趨勢。
.精度：可以從只是裝置中讀出的指示度數(shù)的最小刻度。
.（加工結(jié)果的）重復(fù)性：在相同條件下成功加工相同量的結(jié)果間的差值。
.重現(xiàn)性：在不同條件下加工結(jié)果間的差別。
其他關(guān)于測量和制造機器的定義在[]和[]中分別給出，ISO準(zhǔn)則中給出了定量的描述。在布賴恩有關(guān)于“軸的旋度”的個別指導(dǎo)中描述了從20年代30年代末到現(xiàn)在的實際精密汽車轉(zhuǎn)向節(jié)和周的檢驗?zāi)Ｊ絒Bryan,1996]。
2.2 幾何圖
在最初的機器和儀器設(shè)計中，幾何圖是設(shè)計者對于及其所應(yīng)具有的結(jié)構(gòu)的意向。在最初階段，幾何圖通常包括一些基本形狀。例如，用圓柱體或管子表示軸，用梁或者封閉的盒子結(jié)構(gòu)標(biāo)志支撐物，用平面或柱狀表示導(dǎo)向部分。但是，在實際中，這些理想的形狀不能被復(fù)制，由于受機床精度限制，直線永遠不可能完全直，而且元也不可能完全圓。這里，仔細(xì)選擇加工工序是應(yīng)特別注意提高零件的精度。在加工過程中，越多運動的軸將導(dǎo)致更多的錯誤，盡管額外的軸的微小運動可能會對幾何誤差有一定的補償。
精度不僅僅受肉眼的形狀誤差影響，也受肉眼偏差影響，例如表面光潔度。在整體加工中，這是很多應(yīng)用中的必須因素。在接觸關(guān)系中，磨對于表面光潔度的影響是明顯的。夾住的部分間的聯(lián)系對表面光潔度的影響就不太明顯，但是當(dāng)剛度、阻尼、磁滯和熱傳導(dǎo)率和熱擴散型等性質(zhì)相關(guān)時就是必需的了。幾何圖不僅在加工過程中修改，如果沒有足夠的隔離（例如隔振、隔熱），幾何圖就會受環(huán)境影響，例如，大部分材料的元件，在溫度變化影響下的膨脹和變形，對于未加封的的自然花崗巖，它結(jié)構(gòu)的形狀取決于水汽的進入。其他一些影響幾何圖的因素有：振動、電器和磁場。很多材料的使用壽命取決于空間的變化。
同樣介紹了非理想的形狀，因為實際上機器時有很多零部件裝配而成的。這里，對形式和力的接近的解釋和單塊結(jié)構(gòu)和用螺釘或膠合的裝配結(jié)構(gòu)間的選擇的考慮是必要的。在裝配時，零部件可以用非常精確的特殊機床加工[]，盡管在接觸面的滯后作用可以會對整個在現(xiàn)性產(chǎn)生消極影響。在傳統(tǒng)形式中，對于閉環(huán)裝配部件要有窄的公差，否則會產(chǎn)生反接力，在錯誤測量情況下，就會在裝配時引入搞得不明確的壓力。力的封閉結(jié)構(gòu)從另一方面解決了這個問題，它采用靜態(tài)聯(lián)系方法，例如運動學(xué)的、半運動學(xué)的[]或者未運動學(xué)的[]設(shè)計聯(lián)系，因此，大大減小了幾何形狀誤差，甚至在力封閉結(jié)構(gòu)中，一些幾何誤差，例如：導(dǎo)向軸方形誤差和平面誤差將會影響整個精度。但是這些誤差都是可以減小的，而且有可能采用軟件補償來減少。
由于機器的機械結(jié)構(gòu)的剛度有限，所以幾何位置在有載荷的情況下就會發(fā)生變化。特別是黨在和產(chǎn)生的位置和尺寸的變化時，將嚴(yán)重的影響機器的工作。當(dāng)有了正確的模型，這些誤差都可以預(yù)測和彌補[]。
另一個關(guān)系到幾何圖的問題是：工件的定位。對于加工和測量機床，工件的定位必須保證在夾具內(nèi)不產(chǎn)生變形。同時，工件必須牢固的固定在機床的框架或工作臺上，而且，特別提到的是：在加工時，工件的熱膨脹不能產(chǎn)生過大的壓力。關(guān)系到定位問題的是：在高精密儀器重要是應(yīng)傳感器的襯墊物。這就是運動的和半運動的設(shè)計重點。
2.3 運動學(xué)
機床往往不是靜止的，用運動學(xué)關(guān)系來描述就是：不同的部分有不同的運動。這些結(jié)構(gòu)和機構(gòu)的數(shù)學(xué)描述之描繪了理論發(fā)生什么，只基于理論長度、理論位置和理論圓弧的。但是，在實際中，這些因素都是在一定精度下保證的，因此，在實際的形式、速度和加速度等細(xì)節(jié)方面與理想的形式有所不同。
在現(xiàn)代機床中，位置是由多個機械部分聯(lián)合產(chǎn)生的，例如，侍服控制系統(tǒng)中的促動器和傳感器。促動器的公路和速度、傳感器分析、控制方法和機械重現(xiàn)性等因素共同決定了規(guī)定方法的精度。在多于一根軸被控制的情況下，軸的同步性是影響精度的另一因素。例如，在銑圓弧外形時，要同時控制兩個正交軸。
2.4 動力學(xué)
事實上，機床不是靜止的，包含有多個加速部分，意味著在加工過程中動力學(xué)效應(yīng)將起到重要的作用。一個將相對位置不確定的加速度影響減到最小的方法是選擇合適的輪廓，例如，在第二引出物中不包含突漲的曲率，例如，用傾斜的正弦來代替拋物線。防止振動和錯誤運動同樣可以有效的減少動力位置誤差。零部件本身就可以按最小受力設(shè)計。若零部件是旋轉(zhuǎn)的，對稱結(jié)構(gòu)就有利于減少不平衡，同時全部的慣性的都可以減小，直線運動時，應(yīng)保持質(zhì)量小，并且應(yīng)盡可能靠近軸驅(qū)動。
另外一個決定機床對動力影響的因素是剛度。一般為了減小受力、增大剛度，不僅跟材料的質(zhì)量和種類有關(guān)，而且和分布也有關(guān)系。通常動力障礙有外部產(chǎn)生，例如地板和聲音的振動。這些情況下，剛度、質(zhì)量比對于減小輸入相應(yīng)是必需的。是機床和障礙隔離可以直接減小輸入。
3. 設(shè)計原則
高精度機床的設(shè)計要經(jīng)過很多人的分析。Pollard在他的“Cantor沿江”中描述了科學(xué)儀器的機械設(shè)計[Pollard,1922]。Loewen列出了主要的原理[Loewen,1980]。McKeown在[McKeown,1986,1987,1997]中定義了“十一條原理和技術(shù)”。Teague和Evans說明了基本概念，發(fā)表了12個“精密儀器模型”[Teague,1989-1997]?；谶@些調(diào)查，總結(jié)了第三和第五部分。
3.1 Abbe和Bryan原理
Abbe原理在1890年的[Abbe，1890]第一次發(fā)表：測量儀器一般是用來測量在作為附注的比例尺的延伸部分刻度的一條直線。這個原理也叫做調(diào)準(zhǔn)原理[Rolt,1929]，“Abbe比較儀原理”[Reindl,1967]和“機械設(shè)計和尺寸度量第一原理”[Bryan,1979c]。對于不能直線設(shè)計的情況重新說明，Bryan定義了一條綜合Abbe原理：“位移測量系統(tǒng)所測量的位移的功能點應(yīng)在同一條直線上。如果做不到這一點，那么轉(zhuǎn)變位移的滑動方法必須不受角度限制，或者角度數(shù)據(jù)必須作為Abbe原理計算結(jié)果的補償。
另一個測量基本原理是Bryan定理[Bryan,1979a],是這樣定義的：“直線測量系統(tǒng)所測量的直線的功能點應(yīng)在同一條直線上?！比绻皇?，那么轉(zhuǎn)變測量的滑動方法必須不受角度限制，或者角度數(shù)據(jù)必須作為計算補償。
Vermeulen研制了一種3D-CMM系統(tǒng)（如圖3.1所示），在該系統(tǒng)中，使用中間體（A和B），就可以在水平中間平面內(nèi)在三個方向上避免產(chǎn)生Abbe誤差。[Vermeulen，1998]。這臺機床也適用于Bryan原理，使機床的直線誤差不那么靈敏。
圖3.1：2D-CMM多自由度分析Abbe和Bryan原理
3.2 運動學(xué)設(shè)計
Maxwell是這樣描述運動學(xué)設(shè)計的：“儀器的各個部分是固體的，但不是固定的。如果固體部分受到多于六個方向的力時，它將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，并且會受力變形，但是若不采用非常精確的微米測量，是無法確定的[Maxwell，1890]。Lord Kelvin設(shè)立的劍橋科學(xué)儀器就是依據(jù)該設(shè)計理論，以達到高精度、低成本。GSIP廣泛的應(yīng)用該原理，特別是在度量儀器方面。Pollawd強調(diào)了在儀器裝置中，相對于一般的機床刀具設(shè)計的重要性，這不僅僅對使用者和減小變動有意義，也是對于經(jīng)濟加工而言[Pollard,1922] [Pollard,1929-1951]。對于當(dāng)今精密加工運動學(xué)設(shè)計的重要性在[Blanding,1992]中有詳細(xì)地說明。MeKeown在他的“十一條原理”中也強調(diào)了它的重要性。Teague把它作為他的模型的一部分。還有一位不那么世界聞名的是Van der Hoek，從1962年到1985年，它同時是飛利浦電器的員工和恩加芬工業(yè)大學(xué)的教授。他的演講稿包括200個看起來相對較差的設(shè)計例子，在這些例子中，運動學(xué)設(shè)計是解決問題的關(guān)鍵。[Hoek,1962-1986],[ Hoek,1985-1989]。其他一些介紹運動學(xué)設(shè)計的書有[Slocum,1992]，[Smith,1992],[Nakazawa,1994]和[Koster,1996]。
運動學(xué)設(shè)計是從數(shù)學(xué)發(fā)展來的，它多少有些理想化，例如：固定不動的機體、筆直的線條、完美的圓和“點接觸”等等。盡管如此，由于在原理上是正確的，所以這仍是機械設(shè)計的一個良好開始。運動學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)是非常重要的，一般都采用波形管[Debra,1998]。圖3.2給出了一些確定一個自由度的例子。最典型的解決方法是利用一根細(xì)桿（如圖3.2a）。由于桿的長度有限，在被限制的方向上，向一邊的位移就被限制了。采用折疊的兩片板就克服了以上的缺點，并可達到相同的功能（圖3.2b）。圖3.2c中給出了另一種可選擇的方法，它包括了四根桿。
圖3.2：限制單自由度運動
圖3.3給出了限制直線運動中兩個自由度的例子?？赏ㄟ^兩個細(xì)桿（圖3.3a和3.3b）實現(xiàn)或者利用一個鉸接的金屬板。
限制兩個直線自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度，例如，采用三根桿（圖3.4a和b）或者采用普通的金屬板（圖3.4c）。
圖3.3 限制兩個自由度的運動
圖3.3：限制兩個直線自由度
利用這些基本元素的組合，可制造運動機構(gòu)或夾具。圖3.5給出了一個平面定位的例子。采用三塊鉸接金屬片限制平面的六個自由度，熱中心在與鉸接金屬片的中垂線交點。
圖3.5：限制六自由度和熱中心
圖3.6示出xyθ工作臺如何通過三塊折疊金屬片定位.
圖3.6：利用三塊折疊金屬的xyθ工作臺
圖3.7給出了一個運動學(xué)設(shè)計的實例:運動支撐.利用六個定位支撐表面的標(biāo)準(zhǔn)模型利用在彈性鉸接旁邊讓表面容易彎取來得到提高.[Schouten，1997]。利用這種方法，當(dāng)接觸剛度和表面正交時的摩擦只是輕微的減小時，沿表面的摩擦了大大減小。由于剛度和力的比增大，遲滯（5.1部分）從標(biāo)準(zhǔn)的無鉸接模型的0.42減小到新模型的0.03μm.
圖3.7：利用TC的系統(tǒng)動力支承
3.3 熱循環(huán)
熱循環(huán)的定義是：“在溫度變化時，一條經(jīng)過決定具體部件間相對位置的機械部件集合的路徑，原則上，熱循環(huán)應(yīng)盡量減小，以減小空間熱斜率的影響。機床熱循環(huán)中的熱膨脹又通過兩種方法：改變機床零件的有效長度或選擇合適的熱膨脹系數(shù)。定位的點和軸，可通過建立熱中心來選擇，如圖3.5所示。盡管熱膨脹系數(shù)在0.5×10-6oC內(nèi)才可測得[Breyor,1991]，但熱膨脹的影響可通過測量不同溫度下零件的膨脹程度[Kunzmann,1988]和選擇合適的定位點建立相等的熱長度來減小。
為了獲得在空氣調(diào)節(jié)裝置大廳中0.5/day和在隨氣候變化的小屋中0.1/day的熱穩(wěn)定性還是個問題[Breyor,1991]。熱源被限于機床內(nèi)部或外部會導(dǎo)致機床溫度外形的變化。由于相同的機床元件有不同的熱時間，這可能會導(dǎo)致在熱循環(huán)中的不等熱膨脹（見5.5部分）。因此，Donaldson強烈推薦，并在它的關(guān)于機床刀具[Donaldson，1980]的出版物中作為一個原理。就是：在熱源處把熱量帶走。Wetzels曾利用一個整體熱源來檢驗一個人機床穩(wěn)定性問題。移開熱源之后，利用一條規(guī)則可以減小熱趨勢。
3.4結(jié)構(gòu)鏈
根據(jù)[ANSI,1992]，結(jié)構(gòu)鏈定義為：“機械零件的裝配，以保持指明的部件間的相對位置，一對典型的指明的部件是刀具和工件：結(jié)構(gòu)鏈包括主軸、軸承和軸套、導(dǎo)軌和機架、發(fā)動機和刀具、夾具?！睆陌l(fā)動機到響應(yīng)點的傳動路徑中全部機械零件和連接處，例如，最尾受動器（切削刀具或探針）或重力中心，必須具有高剛度以避免在改變載荷情況下的變形。機床或儀器的設(shè)計包括一個或多個結(jié)構(gòu)鏈。
在一個認(rèn)為是好的結(jié)構(gòu)鏈設(shè)計中必須的是連續(xù)和平行路徑的分離。在連續(xù)路徑上，剛度不能突然變化。連續(xù)路徑的改進方法是：通過把材料從最穩(wěn)定的部分轉(zhuǎn)移，從使最柔性的部分剛度增加。平行路徑的改進方法則相反：改進剛度最大的部分——為了系統(tǒng)質(zhì)量相等——到更柔性的平行路徑。
由于物理限制，一個封閉鏈系統(tǒng)的測量系統(tǒng)不可避免的在離最尾受動器一定距離處攝制。除了友好的結(jié)構(gòu)鏈設(shè)計外，測量系統(tǒng)和最尾受動器間的路徑必須盡可能是剛度大，以減小偏差，例如，減小路徑長度，叫做“測量歡”[Kunzmann,1996]。
3.4度量結(jié)構(gòu)
度量結(jié)構(gòu)是誤差測量的參考結(jié)構(gòu)，獨立于機床基礎(chǔ)，例如作用在度量系統(tǒng)上的外力必須是不變的[Bryan,1979b]。DeBra建議把度量看作是綜合原理的一個例子，如“分離結(jié)構(gòu)”原理。[DeBra，1998]。實際上，力和位置信息路線是分離的概念，存在于旋轉(zhuǎn)平面的設(shè)計中，如圖5.8[Philips,1994]。
在[Teague,1989-1997]中討論了度量機構(gòu)的歷史，以解決機床零件的變形問題。第一次度量結(jié)構(gòu)的例子是在很早以前的Rogers-Bond宇宙比較儀中[Rogers,1883]。最近的例子就是Hocken的測量機械中的NIST和交互時間標(biāo)準(zhǔn)比較儀中的NPL及在'Ultimat'CMM系統(tǒng)中的LLNL[Bryan,1979b],84年的SPDTM[Bryan,1979a]和LODTM[Donaldson,1980],在Mckeown的Cranfield精密機床（見圖3.8）和Wills-Moren[Wills-Moren,1982]和[Wills-Moren,1989]。
[Teague,1989-1997]建議把度量結(jié)構(gòu)盡可能的做小一些，以減小環(huán)境影響。[Bryan,1979b]建議要建立零漂移度量機構(gòu)或利用溫度控制度量結(jié)構(gòu)的支撐面需和機床基體的偏差中和軸在同一位置。
3.6動力補償
通過把正確的機械設(shè)計和閉環(huán)控制結(jié)合起來，可實現(xiàn)增大運動速度、精度和運動適應(yīng)性。典型的例子有：壓縮光盤播放器，高級CNC銑床和車床和快速零件裝配機床。隨著伺服定位控制裝置的發(fā)展，判斷傳動裝置是如何傳遞力的，以抵消慣性引起的力，例如刀具或者測量力、摩擦力等。如“十一條原理”[McKeown,1986,1987,1997]中闡述的，動力應(yīng)該安裝在直接驅(qū)動軸的位置。如果不行，由軸引起的偏差——叫做動力補償——包括機床導(dǎo)軌的動差。如果發(fā)動機和測量軸在旋轉(zhuǎn)中心的同一側(cè)，那么，導(dǎo)軌在它的可控性下合成旋轉(zhuǎn)的影響會減小。
3.7力補償
3.7.1質(zhì)量補償
在很多3D-CMM'S中都用到了直立鍛床。為了避免鍛床的垂直導(dǎo)軌動力系統(tǒng)承受連續(xù)的力，就會用到力補償，因此要除去馬達中不期望的熱量浪費?？赏ㄟ^和多途徑得到連續(xù)的力，例如利用附加的質(zhì)量，但以動力觀點來看是不宜的。可取的是在壓力或真空和“連續(xù)比率突變”下采用磁場作用，例如Tensators[Tensators,1997],[RosieUe,1998]。依靠滑動的方法和可容許力的變化規(guī)范，一種形式的質(zhì)量補償比另一種更適合。一種減小Coulomb摩擦的控制方法：質(zhì)量分離，應(yīng)用于很多GSIP設(shè)計的高精密機床。
3.7.2反作用補償
由于質(zhì)量和機床固定部分的支撐剛度有限，驅(qū)動力引起的反作用力引起這些固定部分的運動[ramkens,1994]，[ramran,1997].由反作用力引起的機床機架的震動在高頻直接驅(qū)動情況下更加重要，例如：快速刀具伺服切削[pattersam.1995]和切削非旋轉(zhuǎn)的對稱表面[ rankens.1997]最常見 的 減少幾架震動的 方法有 ：提高剛度和 機架質(zhì)量或增加振動阻尼。Rankers在中提到了更多的方法。第一個例子是：在載荷和機架間相對的方向上增加質(zhì)量。第二個例子是：同時發(fā)生的反作用力可以通過不需要嚴(yán)格定位精度要求的第二個發(fā)動機來抵消。
3.7.3剛度補償
以彈性元件為基礎(chǔ)的儀器和機械由優(yōu)勢：實際的反沖和摩擦不會引起實質(zhì)上的運動。彎曲部分的尺寸是以允許的壓力和嚴(yán)格限制定位運動的可制造性和必要性的合適的振動為基礎(chǔ)的。但是，振動被材料的彈性極限何、彈性材料的剛度極限限制，產(chǎn)生和誤差成直線比例的相反的力。在這些例子中，驅(qū)動力變得太大而不能控制。他通過傳動裝置要求的垂直尺寸和作為機床結(jié)構(gòu)障礙的熱量的產(chǎn)生，彎曲部分作為一種有選擇的設(shè)計可以省略或者清除不希望得到的力的影響這是對被動元件的最好做法的明顯理由。提到的這種典型的方法被作為建立“負(fù)剛度”提到通過包括彎曲部分和旋轉(zhuǎn)式直線彎曲階段固定聯(lián)給的裝置，以獲得接近于零件剛度的設(shè)計，這個問題就可以在增加復(fù)雜性的代價下得到解決。 Van eijk給出了些建立負(fù)剛度的例子[eijk,1985].
3.8對稱
在[teagne,1989-1997]重推薦在機床元件的最大范圍內(nèi)，盡可能加入對稱元件。例如質(zhì)量和力的分布或者是剛度。包括全部的儀器和環(huán)境因素。在設(shè)計、制造、裝配和加工一個精密儀器過程中，要權(quán)衡解決不對稱所帶來的問題在對對稱進行改動。為了避免熱不對稱，包括機床元件的有效變形，應(yīng)讓熱膨脹的熱從中作為對稱軸。[]。為了解決由重力引起水平面不對稱的影響，機床可用垂直裝配，例如LODTMCDondson,1983]三次對稱由四面體結(jié)構(gòu)很好的實現(xiàn)了，例如：NPL的lindsey設(shè)計的tetraform[Lindsey,1998],[slocum,1992],[Corbett,1997].他的支持人hocken也報道了一些對稱反對者[ hocken，1995].例如，振動能量不會由于不對稱設(shè)計而減小，實際上經(jīng)常會增大。
3.9重現(xiàn)性
根據(jù)第二部分給出的定義，重現(xiàn)性是指在相同的情況下機床的工作結(jié)果相同。機床工作可以使是cmm上的測量工作也可以是機床刀具加工產(chǎn)品的工作。[bryan,1993]提出決定論共參考：：在自動控制下機床決定論地執(zhí)行，作為設(shè)計、制造、和運行測試的正確的基本原則，基本理論是：自動刀具和測量機床安全像恒星一樣重現(xiàn)，在我們能夠理解和控制的范圍內(nèi)準(zhǔn)許原因和影響關(guān)系。他們的門不是隨機或是可能停電，任何事情的發(fā)生都是有原因的。而且原因簡單的可以通過普通的判斷力、好的度量和合理的資源投資而解決。事實上，重現(xiàn)性要求：
.應(yīng)用靜態(tài)的已知高剛度設(shè)計，在元件連接時，減小滯后現(xiàn)象
.減小摩擦，增大軸承的系統(tǒng)剛度
.優(yōu)化驅(qū)動和控制系統(tǒng)
.考慮傳熱器的質(zhì)量，包括傳熱器的配件
.注意熱穩(wěn)定的設(shè)計和對振動的足夠隔離
重現(xiàn)性對于仿真是必要的（第四部分），儀器的模型越相近，仿真就越好，軟件的誤差補償范圍就越大（第六部分）。這里Bryan引證了[Loxham,1970]。根據(jù)Kidder(LLNL)和Hocken,[他總結(jié)了對于典型物理定理的決定論本質(zhì)的七個例外Hocken[Bryan,1993]。這些里外都是針對與分子和原子質(zhì)量級的，對于制造領(lǐng)域毫無實際意義。
4.測量設(shè)計的建模
如在第一部分中所提到的，在不遠的未來，對于超精密機器的需求將上漲，于是，在該領(lǐng)域設(shè)計方法將會發(fā)生明顯的改變。對精密機床運動的完全理解對于元件尺寸誤差的預(yù)見是必要的。通過把所有的元件誤差全部加在一個誤差聚存中。機床的設(shè)計者就可以預(yù)知所有機床的精度。[Blaedel,1998],[Thompson,1989]。在最近出版的一本書‘Nanotechnogy’[Taniguchi,1996]中給出了當(dāng)含機械和加工的很好概括。由于越精密的機器的發(fā)展一般來說是非常昂貴的，所以“準(zhǔn)時生產(chǎn)”設(shè)計變得越來越重要。盡管設(shè)計構(gòu)思的全面分析非常昂貴，三是通過設(shè)計階段早期的系統(tǒng)的分析可以省下一大筆錢。機場和儀器的精度主要有以下五種誤差源產(chǎn)生：運動偏差，熱偏差，靜態(tài)誤差，動力誤差和控制系統(tǒng)執(zhí)行誤差（如圖4.1）。
從設(shè)計規(guī)范開始，可以通過理論設(shè)計，隨后會隨這個理論設(shè)計進行建模、方針和改進。然后可以畫出流程圖，表示出建模和仿真過程，同時有必要核對地否與功能特性相符。利用運動模型來判斷運動誤差的影響，F(xiàn)EM部分建?？梢杂脕矸治鰺釞C械和靜態(tài)誤差方面，包括熱膨脹和擴散的剛度和強度?？衫煤唵螐椥岳碚摵蜔崂碚摶A(chǔ)計算進行必要的驗證。機床系統(tǒng)的動力方面包括慣性和剛度影響需要謹(jǐn)慎分析。同時，控制系統(tǒng)和機床系統(tǒng)必須進行調(diào)整，以使閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的動力狀態(tài)。圖4.1說明了設(shè)計是一個反復(fù)的過程。設(shè)計過程進行得越深入，就可以獲得更詳細(xì)的模型和仿真。以下簡短的介紹了最重要的分析過程和方法。
4.1運動分析
通過優(yōu)化一個精密機床或測量儀器的設(shè)計理論，誤差模型方法主要在過去二十年發(fā)展起來的，該模型可用于預(yù)測運動誤差。[Soons,1993],[Krulewich,1995a,b]。這些建模技術(shù)是以估計運動誤差的影響為基礎(chǔ)的，例如直線車廂、旋轉(zhuǎn)平面和主軸。成功的應(yīng)用矩陣參數(shù)預(yù)測和補償彎曲偏差最早出現(xiàn)在1972年[Wills-Moren,1982]。對于每根軸，運動誤差都可以通過矢量法描述，直線誤差矢量：T,旋轉(zhuǎn)誤差矢量：R,車廂在結(jié)構(gòu)鏈固定位置的旋轉(zhuǎn)的影響可通過外部矢量：旋轉(zhuǎn)矢量：R和位置矢量P計算，這些矢量在Cartesion調(diào)節(jié)系統(tǒng)中有定義。這里，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的起源和讀取屬于軸的矢量iR的標(biāo)尺位置的傳感器連接，包括了機床軸之間矩陣誤差的總和。指定機床位置的整個動力誤差可以通過誤差向量描述，可通過所有軸的誤差來計算[Spaan,1995]：dP(x,y,z)=(iR*iP+iT)。
動力建模必須符合機床的結(jié)構(gòu)鏈，例如，可以從共建位置開始，經(jīng)過所有的元件和聯(lián)結(jié)，在探針和刀具位置結(jié)束。旋轉(zhuǎn)工作臺和主軸可以和導(dǎo)軌箱采用相同的方法。在[Spaan,1995]中，建模技術(shù)應(yīng)用于五軸的銑床。這種相對簡單的方法迅速的給予設(shè)計者關(guān)于針對結(jié)構(gòu)鏈中變化的設(shè)計方法的影響信息。
另外一個建模方法：用齊次變形矩陣描述動力誤差，同樣也得到廣泛的應(yīng)用。這里，誤差參數(shù)iRj,iTj是矩陣中的元素[Paul,1981],[Soons,1993],[Portman,1997]。隨后，介紹了高精密度設(shè)計所要求的第二種影響因素。
4.2熱機械分析
如眾多便這說明的那樣，熱效應(yīng)對精密機床和儀器的偏差有重要的影響[Yoshida,1967],[Camera,1976],[Attia,1979],[Blsamo,1990],[Cresto,1991],[Schelle Kens,1992]。在該領(lǐng)域Bryan給出了詳細(xì)的概括，在1968年和1990年給CIRP大眾裝配中的主要論文中[Bryan,1968],[Bryan,1990]。
大體來說，機床的溫度外形可有一個不固定的結(jié)構(gòu)T=T(x,y,z,t)表示。由于這應(yīng)用了空間和溫度梯度與機械熱量 的結(jié)合，機床的形狀和尺寸會發(fā)生變化。特別是不固定因素會使誤差很難估計。因此，大多數(shù)都嘗試描述固定的狀態(tài)T=T(x,y,z,)[Soons,1993],[Trapet,1997a]。這里，作為另一種方法，就無外力作用下的變形（否則建模很困難）而言，誤差建模主要基于熱循環(huán)中（大的）機床零件的膨脹和彎曲。[Boley,1960],[Trapet,1997a]。計算完膨脹和變形后，在4.1節(jié)中談到的動力模型可應(yīng)用于計算熱誤差向量dP(T(x,y,z,))。在[Soons,1993]中，這個方法成功的應(yīng)用于銑床，而且是熱誤差減小70﹪。
由于機床無可避免的有內(nèi)部熱源，有時必須用到不穩(wěn)定描述T=T(x,y,z,t)。通過這種關(guān)系，刀具和工件相對位置的熱影響就可以計算出來。如今，有限元和有限元建模技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用[Soons,1993]。由于熱主要由主軸驅(qū)動產(chǎn)生，Soons還利用固定間隙模型預(yù)測五軸銑床的溫度場。盡管如此，確定熱邊界范圍還是很難的。與內(nèi)部熱源引起的失調(diào)相反，環(huán)境影響模型，例如敞開門，只能做到敏感，但做不到預(yù)測。
4.3靜態(tài)分析
機床和儀器的結(jié)構(gòu)鏈能被類似的靜態(tài)力所影響，例如，改變慢速移動的機床部件的重量，輕微的改變切削力[Spaan,1995]和又鋼絲繩空氣管和真空管引起的力。加速度理由更高的頻率，將在下一段中討論。
由于機床元件的剛度有限，例如軸承、主軸、箱體、包括齒輪齒條和聯(lián)結(jié)，上述提到的力將會引起刀具和探針的位置誤差。第一種方法，用以簡單線性彈性理論或Hertzian聯(lián)系理論為基礎(chǔ)的方法計算剛度可以輕易的估計偏差。如今，可利用高級軟件包如Unigraphics,I-DEAS,Algor,Pro-Engineer[FEM,1998]對復(fù)雜平面結(jié)構(gòu)、軸承、支承和單一材料和復(fù)合材料的3D實體進行線性和非線性分析（見5.1部分）。該領(lǐng)域一種有趣的方法在[Reinhart,1997]中有報道，他描述了在設(shè)計階段早期進行綜合FEM分析的3D-CAD,叫做：“實體樣板”。
4.4動態(tài)分析
由于機床結(jié)構(gòu)一般是由許多不同的零件裝配而成的，可以被視為質(zhì)量合理的復(fù)合體，所以整個結(jié)構(gòu)須根據(jù)這些元件間的相互作用而行動。[Timoshenko,1974]。關(guān)于這個項目出版了很多好的書，如[RaO,1990].
由于大部分驅(qū)動系統(tǒng)都在質(zhì)量中心上做直線運動，慣性將會引起機床部件的旋轉(zhuǎn)，主要是由于齒輪系統(tǒng)和聯(lián)結(jié)的剛度有限。在高精機床中，例如3D-CMMs，即使是低的加速度也會給測量精度帶來很大的影響。
機床的動力將會給系統(tǒng)工作帶來很大影響，位置精度和跟蹤精度會因為結(jié)構(gòu)中的機械階躍響應(yīng)而被大大減小。再加上到規(guī)和主軸慣性作用引起的輕微的加速度，振動狀態(tài)取決于固有頻率和阻尼大?。ㄒ?.1.2節(jié)）。
為了預(yù)知內(nèi)部振動引起的偏差，對機床動力的建模分析是非常重要的，例如找出最低的固有頻率和在一定的頻率范圍內(nèi)機床結(jié)構(gòu)的振動模型（由伺服系統(tǒng)的帶寬限制）。重量輕的（動）剛度設(shè)計對于決定機床元件最低自然頻率和靜剛度是非常重要的。
機床結(jié)構(gòu)中的傳動裝置的相互作用力將會引起不能允許的偏差，特別是對高精度機床入晶片步進器和非旋轉(zhuǎn)對稱零件制造應(yīng)用的快速刀具伺服系統(tǒng)的SPDT機床。由于機架的質(zhì)量有限，和地面的聯(lián)結(jié)剛度有限，反作用力就會引起共振（見3.7部分）[Weck,1995b], [Weck,1997],[Renkens,1997],[Rankers,1997]。圖4.3簡單說明了上述因素的影響。
對于復(fù)雜系統(tǒng)如切削機床和晶片步進器，對整個機床進行建模和評估會使效率很低而耗時大。因此[Rankers,1997]建議將整個系統(tǒng)按基礎(chǔ)和元件成功的分割，分別對他們建模和分析。隨后將這些模型合成一個整體系統(tǒng)模型，用于整個機床的固有頻率和振動模型的外形分析。
動力模型，例如塊狀質(zhì)量模型，對于分析選中的想法的動力行為是很有幫助的。這個模型包括由一系列機械條件所聯(lián)結(jié)起來的很多質(zhì)量，可以用一套差分方程表示。模型還原技術(shù)[Hoek,1992-1980],[Ewins,1984],[Rankers,1997]。為該目的，可應(yīng)用4.3節(jié)中的靜態(tài)模型確定固有頻率和質(zhì)量，質(zhì)量慣性和重心位置。應(yīng)用于SPOT機床中的陶瓷導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，在圖4.4中描述了模型形狀分析的結(jié)果。[Vermeulen,1996a]。
4.5控制系統(tǒng)分析
在大多數(shù)情況下，閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用于定位和多軸外形控制的機械系統(tǒng)。超精機床的閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用實例是SPDT機床、陶瓷導(dǎo)軌機床、晶片步進器和光盤操作題。為了獲得好的動力行為，控制方法要和機械系統(tǒng)的動力很好的配合?？刂葡到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計依賴系統(tǒng)的行為例如它的固有頻率，摩擦系數(shù)和其他干擾力。
一般情況下，控制系統(tǒng)包括位置和速度反饋，有時在一些高級加工中還加入了速度和加速度前饋控制（見5.6節(jié)）。如[Groenhuis,1991]中所表明機械設(shè)計主要決定被控系統(tǒng)的等級。自由度度越多，模型的等級就越高。[Rankers,1997]提出三種主要的動力影響源：傳動裝置的復(fù)雜性、導(dǎo)軌系統(tǒng)的復(fù)雜性和機架的質(zhì)量和剛度，若引入多的自由度，所有這些因素可能會使被控系統(tǒng)的等級提高。在[Groenhuis,1991]中描述了一種傳動裝置等級模型（兩個自由度）。它是描述機械閉環(huán)系統(tǒng)動理性尾最小河最大眾的等級。
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XXXXXXXX
畢業(yè)設(shè)計說明書
題 目： 數(shù)控精密平面磨床進給系統(tǒng)的設(shè)計
專 業(yè)： 機械設(shè)計制作及其自動化
學(xué) 號： XXXXXXXX
姓 名： XXXXXXXX
指導(dǎo)教師：
完成日期： 2012年5月17日
目 錄
1 緒論 …………………………………………………………………………………1
1.1課題研究背景及目的……………………………………………………………1
1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r…………………………………………………………………2
1.3 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)與論文組成………………………………………………………5
2 數(shù)控平面磨床總體設(shè)計 …………………………………………………………… 7
2.1磨床簡介 ………………………………………………………………………… 7
2.2磨床技術(shù)規(guī)格…………………………………………………………………… 7
2.3主要結(jié)構(gòu)及說明………………………………………………………………… 9
2.4磨床總體傳動設(shè)計……………………………………………………………… 10
2.5 磨床總體布局設(shè)計……………………………………………………………… 10
3 理論計算……………………………………………………………………………… 12
3.1功率計算……………………………………………………………………………12
3.2電動機選用…………………………………………………………………………14
3.3滾珠絲桿副選用與校核……………………………………………………………14
3.4錐齒輪尺寸計算……………………………………………………………………18
4 機構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………………… 20
4.1傳動部件設(shè)計………………………………………………………………………20
4.2導(dǎo)軌設(shè)計……………………………………………………………………………23
4.3機構(gòu)設(shè)計……………………………………………………………………………25
5 硬件電路設(shè)計………………………………………………………………………… 26
6 機床設(shè)計方案的改進………………………………………………………………… 29
結(jié)論…………………………………………………………………………………………30
致謝…………………………………………………………………………………………31
參考文獻……………………………………………………………………………………32
附錄…………………………………………………………………………………………33
精密數(shù)控平面磨床——工作臺縱向進給、橫向進給機構(gòu)設(shè)計
摘要
本文對所設(shè)計的磨床作了詳盡的論述，分別從精密數(shù)控平面磨床的總體布局、橫向進給、縱向進給和硬件電路設(shè)計等幾個方面進行了闡述。
緒論：介紹該課題研究背景和國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，以及此次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)。
數(shù)控平面磨床總體設(shè)計：簡單介紹了此次設(shè)計的數(shù)控平面磨床，給出該數(shù)控平面磨床的技術(shù)規(guī)格和主要結(jié)構(gòu)及說明，并說明了磨床的總體傳動設(shè)計和總體布局設(shè)計。
理論計算：包括機床功率的計算，電動機選用，滾珠絲桿副選用與校核以及錐齒輪尺寸計算。
方案設(shè)計：詳細(xì)說明了精密數(shù)控平面磨床的傳動部件設(shè)計和導(dǎo)軌設(shè)計的要點和要求，并提出縱向進給機構(gòu)和橫向進給機構(gòu)的設(shè)計方案。
硬件電路設(shè)計：詳細(xì)說明了硬件的選用和電路的連接。
最后，針對本設(shè)計中不夠完美的地方的改進想法，以及對本次畢業(yè)設(shè)計的總結(jié)和對我國超精密發(fā)展方向進行了展望。
關(guān)鍵詞：平面磨床，數(shù)控，縱向進給，橫向進給
Precise Numerical Control Plane Grinding Machine
Author:Memg Dan
Tutor:Deng Zhaohui
Abstract
This paper makes a thorough exposition of the designed grinding machine from the aspects of its overall design,horizontal and portrait give and hardware circuit design.The following is a brief introduction of the composition of this paper.
INTRODUCTION: It introduces the background of this subject research ,the development in this field internal and international, and the assignment of this graduation project.
THE OVERALL DESIGN OF THE NUMERICAL CONTROL PLANE GRINDING MACHINE: It gives a brief introduction to the design of the numerical control plane grinding machine, and provides its technical specification , main structure and explanation of the numerical control plane grinding machine , and show the design of the overall transmission of the grinding machine and the design of the overall arrangement.
THE THEORETIC CALCULATION: It introduces the calculation of the power of lathe , the selection of the motor, the selection and check of the ball pole and the theoretic calculation of the size of the cone gear wheel.
CONCEPTUAL DESIGN: It introduces the main points and requirements of the design of the drive parts, and puts forward the design of the horizontal and portrait give parts.
THE DESIGN OF HARDWARE CIRCUIT: The election of the hardware and the connection of circuit are explained at length.
In view of the flaws of the design, it puts forward some measures to make impovement. Besides, a conclusion of this graduation project and prospect of the development of precise machine are given in this part.
Keyword: plane grinding machine , numerical control, portrait give, horizontal give
第1章 緒論
1.1 課題研究背景及目的
1.1.1 課題研究背景
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，國民經(jīng)濟各部門所需求的多品種、多功能、高精度、高品質(zhì)、高度自動化的技術(shù)裝備的開發(fā)和制造，促進了先進制造技術(shù)的發(fā)展。同時，隨著社會進步，人們對加工精度的要求越來越高，對精密和超精密加工的需求也日益增多，精密加工廣泛的應(yīng)用于制造生產(chǎn)中，對機床精度的要求也進一步提高。磨削是一種重要的精密和超精密加工方法，因此磨削的應(yīng)用也愈加廣泛。磨削加工技術(shù)是先進制造技術(shù)中的重要領(lǐng)域，是現(xiàn)代機械制造業(yè)中實現(xiàn)精密加工、超精密加工最有效、應(yīng)用最廣的基本工藝技術(shù)。
精密、超精密加工技術(shù)市場是國家尖端技術(shù)集中的市場，它既是高代價、高投入的工藝技術(shù)，又是高增值、高回報的工藝技術(shù)，世界工業(yè)先進國家都把它放在國家技術(shù)和經(jīng)濟振興的重要位置[1]。
當(dāng)今，在光學(xué)和電子零件加工中，都力圖提高精度和集成度，不僅是零件加工，而且對作為精密模具、機械零件、測試儀器零件最終加工工序的磨削加工也提出了超精密化的要求。此外，隨著新材料的開發(fā)，陶瓷等作為結(jié)構(gòu)零件材料在某些特殊場合已經(jīng)得到了應(yīng)用，這些新材料均屬于難切削材料，其結(jié)果不僅提高了磨削的比重，而且還促進了磨床、磨削加工方式和工藝以及其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。
隨著以工程陶瓷為主體的非金屬材料逐漸成為工程技術(shù)重要材料，各國還開發(fā)了適應(yīng)加工這類工程陶瓷的超精密平面磨床。陶瓷材料的特點是硬而脆，其硬度是碳鋼的1O至20倍，而斷裂韌性僅為碳鋼的幾十分之一。陶瓷材科的性能對粗糙度、破損度、平面度等平面參數(shù)十分敏感。陶瓷材料的磨削機理與金屬材料不同，主要有三個特點：砂輪損耗大，磨削比低3磨削力大，磨削效率低3由于磨削條件不同，會使加工零件的強度發(fā)生變化。
根據(jù)以上這些特點，各國都致力開發(fā)了適合進行納米磨削的超精密平面磨床，并且進行了脆性材料的可延性磨削技術(shù)的研究。
隨著社會的不斷發(fā)展，高效是各個生產(chǎn)商不斷追求的目標(biāo)，數(shù)控技術(shù)得到推崇。
當(dāng)今，磨削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢是向著采用超硬磨料磨具，發(fā)展高速、高效、高精度磨削新工藝，裝備CNC數(shù)控磨床的方向發(fā)展。
1.1.2 課題研究目的
本次設(shè)計目的是設(shè)計一臺精密數(shù)控平面磨床，精度等級為1，用砂輪周邊磨削平面，也可以磨削臺階平面。能用于機械制造業(yè)及工具模具制造業(yè)，能加工各種難加工材料(如陶瓷材料)。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
超精密加工技術(shù)是以高精度為目標(biāo)的技術(shù)，它具有單項技術(shù)的極限、常規(guī)技術(shù)的突破、新技術(shù)綜合三個方面永無止境的追求的特點。
實現(xiàn)超精密加工的主要條件應(yīng)包括以下諸方面的高新技術(shù)：超精密加工機床與裝、夾具；超精密刀具和磨料，刀具刃磨技術(shù)；超精密加工工藝；超精密加工環(huán)境控制（包括恒溫、隔振、潔凈控制等）；超精密加工的測控技術(shù)等。毫無疑問，超精密加工機床技術(shù)是最關(guān)鍵的技術(shù)，它直接代表了國家制造業(yè)的水平 [1]。
大學(xué)和研究所保持著對超精密機床研究的持續(xù)熱情，對高技術(shù)進行超前研究，并使得研究型超精密試驗機床盡可能采用高技術(shù)作產(chǎn)業(yè)的先導(dǎo)，對超精密機床產(chǎn)業(yè)化和商品化起著推動作用。
美國LLNL實驗室開發(fā)了一系列超精密試驗研究型機床，1984年研制成功的大型光學(xué)金剛石車床LODTM是至今為止精度最高的大型超精密機床 [2]。該機床可加工直徑為2.1m質(zhì)量4.5t的工件。采用高壓液體靜壓導(dǎo)軌在1.07m×1.12m范圍內(nèi)直線度誤差小于0.025（在每個溜板上裝有標(biāo)準(zhǔn)平尺，通過測量和修正來達到）。位移誤差不超過0.013（用氦屏蔽光路的激光干涉儀來測量和反饋控制達到）。主軸溜板運動偏擺小于0.001’’ (通過兩路激光干涉儀測量,壓電陶瓷修正來實現(xiàn)).激光測量系統(tǒng)有單獨的花崗巖支架系統(tǒng),不與機床聯(lián)結(jié),油噴淋冷卻系統(tǒng)可將油溫控制在200.0025 .采用摩擦驅(qū)動,推力可達1360N，運動分辨率達0.005。
在商品化實用超精密機床方面，世界上最負(fù)盛名的是英國的Tayler/Hobson-Pneumo公司。該公司生產(chǎn)Optoform,Microform和Nanoform三個系列的超精密機床。典型產(chǎn)品Nanoform250車床采用空氣靜壓主軸，其徑向、軸向剛度分別為88MN/m和62MN/m，徑向和軸向精度0.05，采用液體靜壓搗鬼，水平和垂直線度分別為0.2 /250mm和0.5 /250mm，定位精度為0.3 /250mm，數(shù)控系統(tǒng)采用Nanopath，分辨率為0.001。測量系統(tǒng)采用光柵遲或激光干涉儀，分辨率分別為8.6nm和1.25nm。加工型面精度達0.2，表面粗糙度優(yōu)于0.01。
美國洛切斯特大學(xué)光學(xué)中心（COM）[3]開發(fā)了POTICAM系列的超精密光學(xué)加工機床；OPTICAM超精機床系列設(shè)備包括：OPTICAM/SM平面拋光機床，OPTICAM/AM非球面加工機床和OPTICAM/PM棱鏡加工機床。2000年開始進行“保形光學(xué)制造技術(shù)”的研究，開發(fā)了Nanotech 150AG非球加工機床；Q22磁流變加工機床等。
英國的Granfield 大學(xué)的精密工程研究所研究的OAGM2500 六軸CNC 超精密磨床[4]、Nanocenter250、600非球面光學(xué)零件車窗和大型超精密金剛石鏡面磨床，是超精密機床研究的先鋒。
1．超精密磨削及磨粒加工工藝技術(shù)
當(dāng)前精密磨削是指被加工零件的加工精度達1~0.1，表面粗糙度為0.2~0.01的加工技術(shù)。超精密磨削的加工精度小于0.1，表面粗糙度，磨床定位精度的分辨率和重復(fù)精度小于0.01。現(xiàn)在超精密磨削正從微米、亞微米（1~0.1）的加工向納米級加工發(fā)展。用磨具進行磨削和用磨粒進行研磨和拋光是實現(xiàn)精密及超精密加工的主要途徑。用于超精密鏡面磨削的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的磨料平均粒徑可小至4，使用20nm的超微細(xì)磨粒的磨片，所磨削加工的集成電路板的溝槽邊沿沒有崩角現(xiàn)象；用鑄鐵結(jié)合劑粒度為的、金剛石砂輪精磨SiC鏡面，表面粗糙度可達2~5nm。日本還用激光在研磨過的人造金剛石上切割出大量等高性一致的微小切削刃，對硬脆材料進行精密加工，效果很好。對極細(xì)粒度的模具而言，砂輪鋒銳性的保持是一個大問題。金屬基微細(xì)超硬磨料砂輪在線電解修整（ELID）技術(shù)，很好地解決了這一問題。用6000~8000目粒度的鋼結(jié)合劑金剛石砂輪和ELID技術(shù)精磨硅片，去除率為，平面度為[5]。
2．超精密機床軸系的研究與發(fā)展
氣浮主軸的最大優(yōu)點是回轉(zhuǎn)精度高。由于氣浮誤差均化效應(yīng)，通常主軸回轉(zhuǎn)運動精度比主軸加工的圓度精度要高出3~5倍。主軸和電機采用一體化結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動。電動機與株洲的動平衡問題，電動機電磁振動消除、電動機熱消除、主軸熱伸長補償以及新型氣浮結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造等都是一直在研究改善的問題。為了提高主軸的徑向和軸向剛度，采用半球型氣浮主軸如德國Kugler公司EK系列氣浮軸承。為了進一步提高回轉(zhuǎn)精度和剛度，近年來很多人研究控制節(jié)流量反饋方法來實現(xiàn)運動的主動控制。
最近，用電磁技術(shù)和氣浮結(jié)合的控制方法也在研究之中。但電磁技術(shù)的缺點很多，如熱效應(yīng)嚴(yán)重等，還不能達到很高精度。日本學(xué)者[6]研究了一種用永磁體加壓電陶瓷微位移驅(qū)動和電容傳感器位置測量的方法來改善氣浮主軸的精度。主動控制增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和降低了可靠性，目前尚不到使用的程度。但使用永磁體增加止推氣墊的剛度的成功實例并不少見，這種氣磁軸承和加開真空負(fù)壓槽的真空吸附加強型氣浮軸承相似。這種綜合軸承在一定程度上可改善氣浮軸承的動態(tài)特性，如增大阻尼。
3．超精密驅(qū)動技術(shù)的新進展
為了獲得高的運動精度和運動分辨率，超精密導(dǎo)軌直線運動的驅(qū)動對伺服電動機的要求很高，既要求有平穩(wěn)的超低速運動特性，又要又大的調(diào)速范圍，好的電磁兼容性。美國Parker Hannifin公司的DM和DR系列直接驅(qū)動伺服執(zhí)行器，輸出力矩大，位置控制分辨率高達1/640 000。主軸驅(qū)動電動機可以采用印刷板電動機，它的慣性小，發(fā)熱量小。
精密滾珠絲桿式超精機床目前采用的驅(qū)動方法，但絲桿的安裝誤差、伺桿本身的彎曲、滾珠的跳動及制造上的誤差，螺母的預(yù)緊程度等都會給導(dǎo)軌運動精度帶來影響。通常超精密傳動機構(gòu)應(yīng)有特殊設(shè)計，例如絲桿螺母與氣浮平臺的聯(lián)結(jié)器應(yīng)保證軸向和滾轉(zhuǎn)剛度高，而水平、垂直、俯仰和偏轉(zhuǎn)四自由度為無約束的機構(gòu)，電動機預(yù)絲桿的聯(lián)結(jié)器也應(yīng)采用純扭矩?zé)o反轉(zhuǎn)間隙的聯(lián)軸器。
氣浮絲桿和磁浮絲桿可進一步減小滾珠絲桿的跳動誤差和因摩擦和反向間隙引入控制系統(tǒng)的非線性環(huán)節(jié)。俄羅斯研制的氣浮/磁浮絲桿[7][8]其電磁絲桿的傳動主要指標(biāo)如下：絲桿直徑62mm，螺距和螺紋齒高4mm，絲扣寬度1mm，間隙=0.1mm，承載能力和靜剛度分別為700N和75MN/m和氣浮平臺聯(lián)合使用時驅(qū)動裝置的分辨率為0.01。Fanuc公司的超精密車、銑床R0B0nano Ui就采用了面節(jié)流式空氣靜壓絲桿螺母副。
超精密加工的意義重大，我國超精密加工技術(shù)的發(fā)展要趕超世界先進水平，就應(yīng)優(yōu)先考慮適度、穩(wěn)定高精度的戰(zhàn)略。最求高精度從理論上是無窮盡的，但根據(jù)我國國情，選擇適當(dāng)?shù)耐度?精度比，追求適度、穩(wěn)定高精度，依靠自己的力量開發(fā)廉價化的超精加工技術(shù)。
1.3 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)與論文組成
1.3.1 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)
1．設(shè)計一臺精密數(shù)控平面磨床，用砂輪周邊磨削平面，也可以磨削臺階平面。能用于機械制造業(yè)及工具模具制造行業(yè)，能加工各種難加工材料；
2．確定磨床的總體方案
3．工作臺縱向進給機構(gòu)的設(shè)計，伺服電機和滾珠絲桿副設(shè)計計算，繪制縱向進給機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)裝配圖；繪制相關(guān)零件圖；
4．工作臺橫向進給機構(gòu)設(shè)計，繪制橫向進給機構(gòu)機械結(jié)構(gòu)裝配圖；
5．磨床床身立柱的設(shè)計（選做）；
6．磨床微機數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計；
7．翻譯指定的英文專業(yè)文獻；
8．撰寫畢業(yè)設(shè)計論文（說明書）。
1.3.2 論文組成
論文由以下幾章組成
1．緒論：介紹課題研究背景和國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，以及此次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)。
2．?dāng)?shù)控平面磨床總體設(shè)計：簡單介紹此次設(shè)計的數(shù)控平面磨床，給出所要設(shè)計的數(shù)控平面磨床的技術(shù)規(guī)格和主要結(jié)構(gòu)及說明，并說明了磨床的總體傳動設(shè)計和總體布局設(shè)計。
3．理論計算：包括機床功率的計算，電動機選用，滾珠絲桿副選用與校核以及錐齒輪尺寸計算。
4．方案設(shè)計：詳細(xì)說明了精密數(shù)控平面磨床的傳動部件設(shè)計和導(dǎo)軌設(shè)計的要點及要求，并提出縱向進給機構(gòu)和橫向進給機構(gòu)的設(shè)計方案。
5．硬件電路設(shè)計：詳細(xì)說明了硬件的選用和電路的連接。
6．機床改進：針對本設(shè)計中不夠完美的地方的改進想法。
7．結(jié)論：包括這次畢業(yè)設(shè)計的總結(jié)，和對精密數(shù)控平面磨床的發(fā)展方向進行了展望。
8．致謝
9．參考文獻
第2章 數(shù)控平面磨床總體設(shè)計
2.1 磨床簡介
本次設(shè)計是一臺精密數(shù)控平面磨床，它除了可以磨削平面外，還可以磨削臺階平面，不僅適用于機械加工行業(yè)亦適用于模具行業(yè)。它采用機電一體化設(shè)計原理，通過采用CBN砂輪，滾珠絲桿副，數(shù)控系統(tǒng)等措施保證加工精度。
該精密數(shù)控平面磨床主要包括磨頭及垂直進給系統(tǒng)、工作臺縱向及橫向驅(qū)動系統(tǒng)、床身及防護罩裝置、冷卻及潤滑系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)五大部分。該機床的磨頭為普通平面磨床磨頭，垂直進給的高精度由絲桿副和數(shù)控系統(tǒng)來保證。該機床的橫向驅(qū)動系統(tǒng)及縱向進給機構(gòu)采用滾珠絲桿加交流伺服電機驅(qū)動，提高加工精度。縱向進給導(dǎo)軌鑲裝塑料，以降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性和抗撕傷能力，并防止低速時出現(xiàn)爬行。該機床的冷卻系統(tǒng)包括磨削液冷卻、強制過濾等裝置。為減少磨削液對砂輪制功功率的損耗，冷卻壓力為2Mpa。
機床的總體布局分為十字拖板型，拖板上下縱橫導(dǎo)軌均為雙V型滑動導(dǎo)軌，工件摩削平面的形成由工作臺的縱向運動和拖板的橫向運動而成，磨頭僅做垂直上下運動。
工作臺縱向運動由伺服電機帶動，拖板橫向運動也有伺服電機驅(qū)動。通過一對減速齒輪傳動，滾珠絲桿轉(zhuǎn)動而使拖板橫向往復(fù)運動，磨頭垂直導(dǎo)軌為立柱前后導(dǎo)軌形式的貼型滑動導(dǎo)軌，磨頭主軸系統(tǒng)為前后各為雙聯(lián)成堆高精度滾動軸承結(jié)構(gòu)。主軸的旋轉(zhuǎn)運動由伺服電機驅(qū)動，通過柔性連軸器使主軸運轉(zhuǎn)，磨頭的垂直運動是由伺服電機驅(qū)動蝸桿、渦輪傳動與其向嚙合的螺旋齒輪，轉(zhuǎn)動與螺旋齒輪剛性連接的絲桿副的螺母而使與絲桿固定聯(lián)結(jié)的磨頭做垂直運動。
本級床為高精密數(shù)控機床，幾何精度、工作精度很高，性能可靠性穩(wěn)定，垂直進給、橫向進給、縱向進給具有數(shù)控系統(tǒng)，進給靈敏度、準(zhǔn)確度高，磨削自動化程度高，當(dāng)每次自動磨削循環(huán)結(jié)束，工作臺始終停止在縱向運動的右端
2.2 磨床技術(shù)規(guī)格
1．工作臺面尺寸 200×630mm
2．加工范圍：
最大磨削尺寸（寬×長×高） 200×630×380mm
最大工件載重量（包括電磁吸盤） 130KG
3．工作臺：
最大縱向行程 750mm
最大橫向行程 220mm
T型槽數(shù)和槽寬 4×14mm
4．工作臺縱向運動：
進給速度 0.3~25m/min
手動進給手輪每轉(zhuǎn) 180mm
5．拖板橫向運動：
連續(xù)進給 0.2~1m/min
手動機給手輪每轉(zhuǎn) 5mm
手輪每格 0.02mm
微進給手輪每大格 0.005mm
6．磨頭垂直運動：
砂輪主軸中心線至工作臺面之距 160~480mm
砂輪轉(zhuǎn)速 3000r/min
磨頭垂直快速升降速度 400mm/min。
磨頭垂直自動進給量 0.001~0.02mm
最小進給量 0.0001mm
手動進給旋鈕每轉(zhuǎn)（×1/×10/×100） 0.01/0.1/1mm
旋鈕刻度（×1/×10/×100） 0.0001/0.001/0.01mm
快速進給 400mm/min
7．砂輪尺寸：
外徑 200mm
寬度 25mm
孔 32mm
8．占地空間：
長 2405mm
寬 1593mm
高 1786mm
機床重量 2000kg
2.3 主要結(jié)構(gòu)及說明
2.3.1 磨頭
磨頭主軸的轉(zhuǎn)動，由主軸電機通過柔性聯(lián)軸器驅(qū)動具有前后支承均為成對高精密滾動向心推力球軸承而使砂輪轉(zhuǎn)動。
2.3.2 垂直進給機構(gòu)
由伺服電機驅(qū)動蝸桿，傳動與其相嚙合的螺旋齒輪，轉(zhuǎn)動與螺旋齒輪剛性聯(lián)結(jié)的絲桿副的螺母，移動絲桿使與其固定聯(lián)結(jié)的磨頭體垂直運動。
垂直運動具有數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)，進給有自動與手動。
1．自動
⑴快速運動 按住點動式快速上升鍵，磨頭上升，當(dāng)釋放時磨頭停止上升，按住點動式快速下降鍵，磨頭下降，當(dāng)釋放時，磨頭停止下降，其運動速度為400mm/min。
⑵點發(fā)進給運動 點按點發(fā)進給鍵，每次進給量為0.001/mm。
⑶自動進給運動 在自動磨削時，分粗磨、精磨和無進給磨削，其進給量為0.0005~0.02定量分級任意選擇，且具有預(yù)置和粗磨、精磨和無進給磨削次數(shù)的自動轉(zhuǎn)換，當(dāng)無進給磨削次數(shù)結(jié)束，工作臺固定的在右端停止，在磨削過程中有數(shù)字顯示。
2．手動
手動進給由手動脈沖發(fā)生器控制器進給量，根據(jù)需要任意選擇既定的定量分級的進給，其進給量為0.0001~0.01/格。根據(jù)預(yù)先選擇的進給量和轉(zhuǎn)動、手動脈沖發(fā)生器就可獲得所選擇的進給量。
調(diào)整用手動機構(gòu)，在床身后面，在與伺服電機相聯(lián)接得蝸桿軸上裝有一直齒齒輪，轉(zhuǎn)動相嚙合的另一錐齒輪軸，通過蝸桿螺旋齒輪副和垂直絲桿副可獲得磨頭上下調(diào)整已動，在平時，錐齒輪對始終處于非嚙合狀態(tài)的拓開位置。
2.3.3 橫向進給機構(gòu)
拖板（或工作臺）橫向進給運動可分為手搖進給、手動微動進給和自動進給。
1．手搖進給時應(yīng)將捏手松開，使斜齒輪與手輪空轉(zhuǎn)，然后將手輪向前推，使齒型離合器相接合（此時拉桿以將齒輪副脫開）搖動手柄，經(jīng)手輪、軸、聯(lián)軸器，轉(zhuǎn)動滾珠絲桿，使?jié)L珠螺母移動，帶動拖板做橫向進給運動。
2．手動微動進給 基本上與手搖進給相同，此時應(yīng)將捏手?jǐn)Q緊，使斜齒輪與手輪結(jié)合在一起，然后使齒型離合器接合，轉(zhuǎn)動蝸桿上的捏手，經(jīng)蝸桿、斜齒輪嚙合傳動軸，其余傳動與上面相同，微動把手上的最小刻度值為0.005毫米。
3．自動進給 自動機給的動力為伺服電機，在它的輸出軸上裝有齒輪，經(jīng)與它嚙合的齒輪而傳動軸（此時應(yīng)將齒型離合器分開）經(jīng)聯(lián)軸器使?jié)L珠絲桿轉(zhuǎn)動，滾珠絲母是緊固在拖板上的，因此式拖板做橫向自動進給，橫向進給量：斷續(xù)為0.5~12毫米/次，連續(xù)為0.2~1米/分。
2.3.4 縱向進給機構(gòu)
拖板（或工作臺）縱向進給運動可分為手搖進給和自動進給。
1．手搖進給時應(yīng)將捏手松開，使斜齒輪與手輪空轉(zhuǎn)，然后將手輪向前推，使圓柱齒輪和托板上的齒條相捏合（此時拉桿以將齒輪副脫開）搖動手柄，經(jīng)手輪帶動圓柱齒輪轉(zhuǎn)動，圓柱齒輪和尺條捏合帶動拖板做縱向進給運動。
2．自動進給 自動機給的動力為伺服電機，在它的輸出軸上裝有齒輪，經(jīng)與它嚙合的齒輪而使?jié)L珠絲桿轉(zhuǎn)動，滾珠絲母是緊固在拖板上的，因此式拖板做縱向自動進給，縱向進給量0.3~25m/min。
2.4 磨床總體傳動設(shè)計
磨床總體傳動圖，見圖2.1。（詳見A3[3]號圖）
2.5 磨床總體布局設(shè)計
磨床的總體布局圖，見圖2.2。(詳見A3[2]號圖)
圖2.1 精密數(shù)控平面磨床傳動系統(tǒng)圖
圖2.2 精密數(shù)控平面磨床總體布局圖
第3章 理論計算
3.1 功率計算
如下圖3.1所示：
圖3.1 磨削力示意圖
——切向磨削力(N)；
吃刀量(mm)；
砂輪線速度（m/s）；
工件縱向進給速度（m/min）；
由于本機床既要求能加工普通鋼材，又要能加工硬脆陶瓷材料；所以計算切削功率時分為兩種情況。
（1）當(dāng)磨削普通鋼材時，平面磨削力的公式為：
＝ [9] （3.1）
由公式（3.1）得：
＝
＝
＝105N
其中 =0.02為磨床加工的最大磨削量；
＝25為磨床工作臺最大進給速度；
由經(jīng)驗公式[9]可知：徑向力=1000N
砂輪所受的的軸向力很小，在這里忽略不計。
縱向進給機構(gòu)所受的垂直力等于砂輪所受的徑向力，由于實際中角很小，所以縱向機構(gòu)所受的軸向力約等于砂輪的切向力。
縱向進給機構(gòu)軸向所受的合力為：
[9] (3.2)
由公式（3.2）得：
.加工時縱向最大進給速度V=9.6m/min
縱向進給機構(gòu)的切削功率為：
當(dāng)磨削硬脆材料時，在同樣的工作條件下，根據(jù)以往的經(jīng)驗，＝1000N，/=20, =50N,
縱向進給機構(gòu)軸向所受的合力為：
[9] （3.3）
由公式(3.3)可得
縱向進給機構(gòu)的切削功率為：
3.2 電動機選用
綜合以上兩種磨削方式，選取磨削功率＝0.11kw。由于機床設(shè)計選擇的數(shù)控系統(tǒng)是西門子SINUMERIK802D型，所以選擇與選擇與西門子數(shù)控系統(tǒng)相匹配的IKF6伺服電機。
3.3 滾珠絲桿副選用與校核
1．工作壽命選擇
查表取Th=15000h[9]
2．等效負(fù)荷和等效轉(zhuǎn)速
⑴等效負(fù)荷計算
導(dǎo)軌摩擦力：
=μW[9] （3.4）
由公式（3.4）可得
=μW
=0.1×5000
=500N
軸向力：1000N
切向力：105N
Fm=500+1000+100=1605N
⑵等效轉(zhuǎn)速計算
伺服電機最高轉(zhuǎn)速 =3000r/min
絲桿轉(zhuǎn)速 =3000×=2143r/min
絲桿導(dǎo)程 ，取
絲桿轉(zhuǎn)速 快速移動 2143r/min
一般加工 800r/min
精密加工 400r/min
調(diào)整 50r/min
等效轉(zhuǎn)速
3．絲桿選擇
⑴等效軸向動負(fù)荷
查表得
[9] （3.5）
由公式（3.5）得
查表選擇插管埋入式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，型號為CMD3212-2.5，=25837N，，，螺母長度L=151mm，余程為45mm[9]
螺紋長度
支承跨踞
絲桿全長
采用F-F式支承，絲桿一般不會受壓縮力作用，可不校核壓桿穩(wěn)定性。
絲桿彎曲振動臨界轉(zhuǎn)速：
[9] （3.6）
查表得
由公式（3.6）得
預(yù)拉伸量：取溫升為；
螺紋伸長量：
[9] （3.7）
由公式（3.7）得
絲桿全長伸長量：
[9] （3.8）
由公式（3.8）得
取預(yù)拉伸量
預(yù)拉伸力：
[9] （3.9）
由公式（3.9）得
4．軸承選擇
采用成對接觸角推力球軸承為固定端，軸承型號7304C。其尺寸參數(shù)為：d=20mm，D=52mm，Z=13，=7.144mm。技術(shù)參數(shù)為：C=29200N =28000N
計算軸承動負(fù)荷C：
（3.10）
式中 ——壽命系數(shù)
——轉(zhuǎn)速系數(shù)
[9] （3.11）
由公式（3.11）得
[9] （3.12）
由公式（3.12）得
把、代入，由公式（3.10）得
=24947N
<28000N
滿足強度要求[9]
3.4 錐齒輪尺寸計算[10]
分錐角°
°
大端分度圓直徑 =30×3=90mm
=52×3=156mm
外錐距 =90/2sin19.983=90.046mm
齒寬系數(shù) =1/3
齒寬 b==(1/3)×90.046=30mm
大端齒頂高 =1×3=3mm =3㎜
大端齒根高 =（1+0.2-0）×3=3.6㎜
=（1+0.2-0）×3=3.6㎜
全齒高 =（2+0.2）×3=6.6㎜
齒根角
齒頂角
頂錐角
根錐角
大端齒頂圓直徑 90+2×3×cos29.983=95.197㎜
156+2×3×cos60.017=159.000㎜
第4章 縱向進給機構(gòu)設(shè)計
4.1 傳動部件設(shè)計
4.1.1進給傳動系設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求
進給運動的傳動質(zhì)量直接關(guān)系到機床的加工性能，故對進給運動有如下要求：
1．具有足夠的靜剛度和動剛度；
2．具有良好的快速響應(yīng)性，做低速進給運動或微量進給時不爬行，運動平穩(wěn)，靈敏度高；
3．抗震性好，不會因摩擦自振而引起傳動件的抖動或齒輪傳動的沖擊噪音；
4．具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍，保證實現(xiàn)所要求的進給量（進給范圍、數(shù)列），以適應(yīng)不同的加工材料，使用不同刀具，滿足不同的零件加工要求，能傳動較大的扭矩；
5．進給系統(tǒng)的傳動精度和定位精度要高；
6．結(jié)構(gòu)簡單，加工和裝配工藝性好。調(diào)整維修方便，操縱輕便靈活。[11]
7．消除傳動間隙，進給系統(tǒng)的傳動間隙（多指反向間隙）存在于各傳動副和各聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)中，直接影響機床的加工精度。為盡量消除其影響，應(yīng)采用消隙傳動件和消隙聯(lián)系結(jié)構(gòu)；
8．速度穩(wěn)定性要好，進給部件在低速運動時，不產(chǎn)生“爬行”，高速運動或負(fù)載變化時不發(fā)生振動。[12]
4.1.2 傳動部件設(shè)計
1．齒傳動間隙的消除
傳動副為齒輪傳動時，要消除其傳動間隙。齒輪傳動間隙的消除有剛性調(diào)整法和柔性調(diào)整法兩類方法。
⑴剛性調(diào)整法時調(diào)整后的齒側(cè)間隙不能自動補償，如偏心軸套調(diào)整法、變齒厚調(diào)整法、斜齒輪軸向墊片調(diào)整法等。特點是結(jié)構(gòu)簡單，傳動剛度較高。但要求嚴(yán)格控制齒輪的齒厚及齒距公差，否則將影響運動的靈活性。
⑵柔性調(diào)整法是指調(diào)整后的齒側(cè)間隙可以自動進行補償，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳動剛度低些，會影響傳動的平穩(wěn)性。主要有雙片直齒輪錯齒調(diào)整法，薄片斜齒輪軸向壓簧調(diào)整法，雙齒輪彈簧調(diào)整法等。
縱向進給機構(gòu)中采用的是錐齒輪對降速傳動，由于縱向運動精度要求不高，并且受到的軸向力較大，為了使得運動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，所以采用傳動剛度高的剛性調(diào)整法——輪軸箱墊片調(diào)整法——消除錐齒輪間隙。
由于橫向進給運動精度直接影響加工精度，故精度要求較高，必須消除傳動間隙。橫向進給機構(gòu)采用的是一對直齒輪降速，所以才用柔性調(diào)整法（雙片直齒輪錯齒調(diào)整法）消除齒側(cè)間隙。
2．滾珠絲桿螺母副及其支承
滾珠絲桿螺母副是直線運動與回轉(zhuǎn)運動能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動裝置。其具有螺旋槽的絲桿與螺母之間裝有中間傳動元件——滾珠。滾珠絲桿螺母機構(gòu)由絲桿、螺母、滾珠和反向器等四部分組成。當(dāng)絲桿轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，為防止?jié)L珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的循環(huán)反向通道，從而形成滾珠流動的閉合通路。
⑴滾珠絲桿副與滑動絲桿副或其他直線運動相比，有下列特點：
①摩擦損失小，傳動效率高。一般滾珠絲桿副的傳動效率達92%～96%，滑動絲桿副的傳動效率僅為20%～40%。
②絲桿螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高傳動剛度。
③摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關(guān)，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)。磨損小，壽命長，精度保持性好。
④工作壽命長。滾珠絲桿螺母副摩擦表面為高硬度（HRC58—62）、高精度，具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動絲桿副的4—10倍以上。
⑤定位精度和重復(fù)定位精度高。由于滾珠絲桿副摩擦小、溫升少、無爬行、無間隙，通過預(yù)緊進行預(yù)拉伸的補償熱膨脹。因此可達到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。
⑥同步性好。用幾套相同的滾珠絲桿副同時傳動幾個相同的運動部件，可得到較好的同步運動。
⑦可靠性高。潤滑密封裝置機構(gòu)簡單，維修方便。
⑧不能自鎖，有可逆性，即能將螺旋運動轉(zhuǎn)換為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)換為螺旋運動。因此絲桿立式使用時，應(yīng)增加制動裝置。
⑨經(jīng)濟性差成本高。由于結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，故制造成本較高。
⑵滾珠絲桿副軸承選用及定位方式
縱向進給機構(gòu)中的滾珠絲桿承受的軸向載荷和徑向載荷均較大，因此對絲桿軸承的軸向和徑向的精度和剛度要求都較高。由于該磨床為小型數(shù)控機床，故采用角接觸推力球軸承。
橫向進給機構(gòu)中的滾珠絲桿主要承受徑向力，因此采用推力軸承和滾子軸承的配合。
縱向進給機構(gòu)和橫向進給機構(gòu)中的滾珠絲桿長度均較長，同時轉(zhuǎn)速也較高，因此滾珠絲桿的支承方式采用兩端固定法。
⑶滾珠絲桿螺母副間隙消除和預(yù)緊
滾珠絲桿在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會產(chǎn)生接觸變形，接觸剛度與接觸表面預(yù)緊力成正比。如果滾珠絲桿螺母副間存在間隙，接觸剛度較?。划?dāng)滾珠絲桿反向旋轉(zhuǎn)時，螺母不會立即反向，存在死區(qū)，影響絲桿的傳動精度。因此，同齒輪的傳動副一樣，滾珠絲桿螺母副必須消除間隙，并施加預(yù)緊力，以保證絲桿、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高螺母絲桿副的接觸剛度[10]。
本設(shè)計中采用齒差式雙螺母結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)整兩個螺母之間的軸向位置，使兩螺母的滾珠在承受工作載荷前，分別與絲桿的兩個不同的側(cè)面接觸，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，以達到提高軸向剛度的目的。
齒差式調(diào)整法：作用螺母法蘭外圓上制有外齒輪，齒數(shù)常相差1。這兩個外齒輪又與固定在螺母體兩側(cè)的兩個齒數(shù)相同的內(nèi)齒圈相嚙合，調(diào)整方法是兩個螺母相對其嚙合的內(nèi)齒圈同向都轉(zhuǎn)一個齒。
4.2 導(dǎo)軌設(shè)計
4.2.1 導(dǎo)軌應(yīng)滿足的要求
機床導(dǎo)軌是用來引導(dǎo)機床上運動不見的運動方向，使刀架、溜板和工作臺等沿一定的軌跡準(zhǔn)確的相對運動，并使機床部件得到準(zhǔn)確定位。故導(dǎo)軌是機床的關(guān)鍵部件之一，其性能好壞，將直接影響機床的加工精度、承載能力和使用壽命。
導(dǎo)軌應(yīng)滿足精度高、承載能力大、剛度好、摩擦阻力小、運動平穩(wěn)、精度保持性好、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好，便于加工、裝配、調(diào)整和維修、成本低等要求。其中下面為幾個基本方面的要求：
1. 導(dǎo)向精度 導(dǎo)向精度是指導(dǎo)軌運動軌跡的準(zhǔn)確性，足夠高的導(dǎo)向精度是保證機床加工精度的前提，因此它是對導(dǎo)軌的最基本要求。影響導(dǎo)向精度的因素很多，如導(dǎo)軌幾何精度和接觸精度，導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)型式，導(dǎo)軌和支承件的剛度，導(dǎo)軌的油膜厚度和油膜剛度，導(dǎo)軌和支承件的熱變形等等。
直線運動導(dǎo)軌的幾何精度一般包括導(dǎo)軌在豎直平面內(nèi)的直線度、導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度和導(dǎo)軌面之間的平行度。
接觸精度指導(dǎo)軌副間磨擦面實際接觸面積占理論接觸面積的百分比，或用著色法檢查25×25mm面積內(nèi)的接觸點數(shù)。不同加工方法所生成的導(dǎo)軌表面，檢查的標(biāo)準(zhǔn)是不同的。
2．耐磨性好，導(dǎo)軌原有精度喪失的主要原因就是磨損，沿導(dǎo)軌全長的均勻和不均勻磨損，都會直接影響其導(dǎo)向精度。因此導(dǎo)軌的耐磨性是決定導(dǎo)向精度保持性的關(guān)鍵，也是衡量機床質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，應(yīng)盡可能提高導(dǎo)軌的耐磨性。影響導(dǎo)軌的耐磨性的主要因素有：導(dǎo)軌的摩擦性質(zhì)、材料、熱處理及加工的工藝方法、受力情況、潤滑和防護等。
3. 承載能力大，剛度好 根據(jù)導(dǎo)軌承受載荷的性質(zhì)、方向和大小，合理的選擇導(dǎo)軌的截面形狀和尺寸，使導(dǎo)軌具有足夠的剛度，保證機床的加工精度。
4.低速運動平穩(wěn) 擋動導(dǎo)軌作低速運動或微量進給時，應(yīng)保證運動始終平穩(wěn)，不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。影響低速運動平穩(wěn)性的因素有導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式、潤滑情況、導(dǎo)軌摩擦面的靜、動摩擦系數(shù)的差值，以及窗洞導(dǎo)軌運動的傳動系剛度。
5.結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好導(dǎo)軌要求結(jié)構(gòu)簡單，易于加工[11]。
4.2.2 導(dǎo)軌的作用及分類
導(dǎo)軌按結(jié)構(gòu)方式可分為兩類：開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。
開式導(dǎo)軌是指在部件自重和載荷的作用下，運動導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌的工作面始終保持接觸、貼合，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，但不能承受較大的顛覆力矩的作用。
閉式導(dǎo)軌當(dāng)顛覆力矩作用在導(dǎo)軌上時，僅靠自重不能使主導(dǎo)軌面始終接觸，借助于壓板形成輔助導(dǎo)軌面，導(dǎo)軌才能承受較大的顛覆力矩作用，并保證支承導(dǎo)軌與動導(dǎo)軌的工作面始終保持可靠的接觸。
根據(jù)結(jié)構(gòu)需要橫向進給傳動和縱向進給傳動結(jié)構(gòu)都選擇開式導(dǎo)軌。
4.2.3 導(dǎo)軌的類型及其選擇
直線運動導(dǎo)軌的截面形狀主要有四種：矩形、三角形、燕尾形和圓形，并都是凸、凹之分。水平放置的凸形導(dǎo)軌不易積存切屑，但也不易存油，多用于低速工作條件；凹形導(dǎo)軌易存潤滑油，可用于高速工作條件，但必須有可靠的防護裝置，以免切屑等物落在導(dǎo)軌面上。
矩形導(dǎo)軌：矩形導(dǎo)軌具有承載能力大、剛度高、制造簡便、檢驗和維修方便等優(yōu)點;但有著側(cè)向間隙，要用鑲條調(diào)整，導(dǎo)向性差。
三角形導(dǎo)軌：三角形導(dǎo)軌面磨損時，動導(dǎo)軌會自動下沉，自動補償磨損量，不會產(chǎn)生間隙。三角形導(dǎo)軌的頂角α一般在90°~120°范圍內(nèi)變化，α角越小，導(dǎo)向性越好，但摩擦力也越大。
燕尾形導(dǎo)軌：燕尾開導(dǎo)軌可以承受較大的顛覆力矩，導(dǎo)軌的高度較小，結(jié)構(gòu)緊湊，間隙調(diào)整方便。但是，剛度較差，加工、檢驗不方便。
圓柱形導(dǎo)軌：圓柱形導(dǎo)軌制造方便，工藝性好，但磨損后較難調(diào)整和補償間隙。主要用于受軸向負(fù)荷的導(dǎo)軌，應(yīng)用較少。
4.2.4導(dǎo)軌設(shè)計
根據(jù)以上要求，縱向?qū)к壊捎秒p三角導(dǎo)軌，雙三角導(dǎo)軌不需要鑲條調(diào)整間隙，接觸剛度好，導(dǎo)向性和精度保持性好，但是工藝性差，加工、檢驗和維修不方便。
由于鑄鐵導(dǎo)軌有良好的抗振性、工藝性和耐磨性，因此采用鑄鐵導(dǎo)軌。同時為了提高導(dǎo)軌耐磨性和防止撕裂，在導(dǎo)軌副中，動導(dǎo)軌采用鑄鐵，不淬火，支承導(dǎo)軌采用淬火鋼。
4.3 機構(gòu)設(shè)計
4.3.1 縱向進給機構(gòu)設(shè)計
縱向進給機構(gòu)圖如圖4.1所示（詳見A0⑴號圖紙）。
縱向進給機構(gòu)運動說明：自動進給時，手輪向外拉，使與手輪相連的錐齒輪和帶動滾珠絲桿的錐齒輪分開，為了保證在自動進給時手輪不會因為其上的錐齒輪不小心和大錐齒輪相碰而影響安全操作，在手輪軸上有兩條相距為16.5mm的溝槽，往后拉動手輪到一定位置時，由安裝在箱體上的一個彈簧滾珠將其定位，手輪便不會被輕易推向里而碰到大錐齒輪。同樣手動時，把手輪往里推，到一定位置時滾珠就會定在后面的溝槽內(nèi)，起到限位作用，只是手輪上的錐齒輪和大錐齒輪嚙合，搖動手輪，齒輪嚙合將運動傳給滾珠絲桿，帶動工作臺作縱向運動。
圖4.1 縱向進給機構(gòu)圖
4.3.2 橫向進給機構(gòu)設(shè)計
橫向進給機構(gòu)圖詳見A0（8）號圖紙
橫向手動進給時應(yīng)將捏手松開，使斜齒輪與手輪空轉(zhuǎn)，然后將手輪向前推，使齒型離合器相接合（此時拉桿以將齒輪副脫開）搖動手柄，經(jīng)手輪、軸、聯(lián)軸器，轉(zhuǎn)動滾珠絲桿，使?jié)L珠螺母移動，帶動拖板做橫向進給運動。手動微動進給基本上與手搖進給相同，此時應(yīng)將捏手?jǐn)Q緊，使斜齒輪與手輪結(jié)合在一起，然后使齒型離合器接合，轉(zhuǎn)動蝸桿上的捏手，經(jīng)蝸桿、斜齒輪嚙合傳動軸，其余傳動與上面相同。橫向自動進給的動力為伺服電機，在它的輸出軸上裝有齒輪，經(jīng)與它嚙合的齒輪而傳動軸（此時應(yīng)將齒型離合器分開）經(jīng)聯(lián)軸器使?jié)L珠絲桿轉(zhuǎn)動，滾珠絲母是緊固在拖板上的，因此式拖板做橫向自動進給。
第5章 硬件電路設(shè)計
數(shù)控機床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的突飛猛進為數(shù)控機床的技術(shù)進步提供了條件。
數(shù)控機床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟效果.
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界先進制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更重要的要求，超高速切削、超精密加工技術(shù)等的應(yīng)用，要求數(shù)控機床的各個組成部分具有更高的性能指標(biāo)。當(dāng)今的數(shù)控機床正在不斷采用最新技術(shù)成就，隨著高速化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。
本機床采用的是西門子數(shù)控系統(tǒng)，西門系數(shù)控系統(tǒng)，以較好的穩(wěn)定性和較優(yōu)的性能價格比，在我國數(shù)控機床行業(yè)被廣泛應(yīng)用。
802D數(shù)控系統(tǒng)是西門子數(shù)控系統(tǒng)中的一款高性能、低價位的數(shù)控系統(tǒng)。它可以控制四個數(shù)字進給軸和一個主軸，能實現(xiàn)三軸聯(lián)動。它不僅廣泛用于企業(yè)中的數(shù)控銑床和數(shù)控車床，而且對于學(xué)校數(shù)控技術(shù)實驗平臺的搭建也是較佳的選擇。
1．西門子802D數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成
802D由PCU（Panel Control Unit）、一塊水平安裝或垂直安裝的鍵盤（CNC KEYBOARD）、一塊或兩塊輸入、輸出模塊（I/O MODULE）、驅(qū)動器（SIMODRIVE 611 universal E）、1FK6系列的數(shù)字伺服電機（1FK6 FEED MOTORS）和1PH7系列的數(shù)字主軸電機（1PH7 SPINDLE）組成，外加一個24V電源。
另外，802D數(shù)控系統(tǒng)也有一些選，如電子手輪（HANDWHEEL）、機床控制面板（MCP）等。
2．802D數(shù)控系統(tǒng)的連接
802D系統(tǒng)的各個不見通過現(xiàn)場總線PROFIBUS連接。其中PCU繼承了PROFIBUS接口、鍵盤、三個手輪接口以及PCMCIA接口（用語數(shù)據(jù)備份）。PLC繼承于PCU中。
802D系統(tǒng)各部件的連接如下：
首先確保24V直流電源為PCU和I/O接口提供電源。
機床控制面板通過50芯扁平電纜直接與PCU連接。將I/O模塊和驅(qū)動模塊分別通過PROFIBUS總線與PCU線連；驅(qū)動模塊為伺服惦記和主軸惦記提供電源，同時伺服電機和主軸電機通過反饋電纜將信號反饋驅(qū)動模塊，進而通過PROFIBUS總線反饋給PCU[13]。
檢查系統(tǒng)接線是否正確，可以通過按MCP的按件，查看數(shù)控系統(tǒng)PLC的狀態(tài)表，如果狀態(tài)表中的地址發(fā)生變化，則說明接線基本正確。
802D型數(shù)控系統(tǒng)的組成主要有以下幾個部分：
⑴面板控制單元和全數(shù)控的鍵盤（OP）—這是SINUMERIX 802D數(shù)控系統(tǒng)（CNC）的主體部分，其中包括有CNC的CPU（稱之PCU）、面板控制單元和全數(shù)控的鍵盤；
⑵I/O模塊PP72/48為PLC部分，其提供了72點數(shù)字輸入河48點數(shù)字輸出。通過三個連接器河扁平電纜與外界信號連接。與OP通過PRFOBUS連接。
⑶機床控制面板（MCP）—為機床操作控制用，其中包括有機床操作所需要的全部按鈕，如果工作墨臺選擇選鈕、倍率開關(guān)、NC啟動和進給保持按鈕、各軸正、負(fù)點動鈕、電子手輪、相應(yīng)機床動作的控制鈕等等。通過兩根扁平電纜與PP72/48 I/O模塊相連接。
⑷SIMODRIVE 611驅(qū)動系統(tǒng)和交流伺服電機—為CN的執(zhí)行單元。利用SIMODRIVE 611，西門子公司提供了數(shù)字化的驅(qū)動系統(tǒng)來滿足機床在動態(tài)響應(yīng)，伺度調(diào)整范圍和旋轉(zhuǎn)精度等特性等反面的要求。其與PCU的連接也是通過PROFIBUS接口完成的。所需的模塊，如電源模塊和功率模塊，要根據(jù)點的大小來選擇。進給軸推薦選用1FK5電機，而主軸推薦用IPH7電機。
⑸SITOP電源—以上CNC的組成部分均需要直流電源供電，而且要求電源應(yīng)保證在惡劣的電網(wǎng)波動下能保持精確穩(wěn)定的輸出。。802D PCU的功耗為24VDC 50W，PP72/48 I/O模塊外部輸出信號的24VDC電源的功耗需要根據(jù)機床實際使用的輸出位數(shù)從及同時系數(shù)計算得出。
⑹根據(jù)SIMENS公司的建議：系統(tǒng)應(yīng)使用兩個獨立的支流電源，一個用于802D的PCU、PP72/48和輸入信號的公共端