內錐面鉆頭刃磨機機械部分設計畢業設計說明書

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陜西理工學院畢業設計 - I - 目 錄 1. 緒論 . 1 究目的及其意義 . 1 1 2國內外發展狀況及趨勢 . 2 磨設各發展與現狀 . 2 1 2 2發展趨勢 . 4 1 3存在的主要問題 . 4 1 4課題來源與主要研究內容 . 4 1 5創新點 . 5 2. 麻花鉆刃磨的理論分析 . 6 2 1鉆頭 幾何特征 . 6 2 2 鉆頭刃磨原理 . 7 內錐面刃磨參數的確定 . 7 化優化刃磨參數 . 7 磨參數的確定 . 8 磨參數調整方案 . 9 錐面鉆頭刃磨機設計 . 10 磨機工作原理設計 . 10 輪主軸轉速計算 . 10 砂輪選擇與安裝 . 11 花鉆的夾具 . 11 削散熱 . 11 陜西理工學院 畢業設計 - 修磨內錐面及試磨 . 12 錐面刃磨機的特點及應用 . 12 錐面刃磨機的特點 . 12 錐面刃磨機的應用范圍 . 12 章小結 . 12 3. 鉆頭刃磨裝置的機械系統設計 . 14 3 1伺服驅動系統的設計計算 . 14 沖當量的計算 . 14 3 1 2步進電機的選型與計算 . 16 磨裝置的總體方案 . 22 磨機工作原理設計 . 24 磨運動特性分析 . 25 刃磨工作流程 . 25 3 6 本章小結 . 26 致 謝 . 27 參考文獻 . 28 陜西理工學院畢業設計 第 1 頁 共 28 頁 1. 緒論 鉆孔是金屬 加工工藝系統的重要組成部分，是實現零件加工成形的主要工具，其性能和質量直接影響機械加工的質量、效 率和成本。為保證零件的加工質量，提高生產效率 ，降低加工成本，麻花鉆 在用鈍后或根據加工工件的不同需要重磨 (重新刃磨 )然后才能繼續使用。麻花鉆刃磨是麻花鉆制造中最終成形的加工階段，麻花鉆 的形狀、尺寸、各刀面及幾何角度等，都是 由刀具刃磨來完成的。因此，麻花鉆刃磨是麻花鉆制造工藝過程的一個重要工序，其質量好壞對麻花鉆 的切削性能和使用壽命起著關鍵的作用。 隨著機械制造技術向集成化、智能化等方向發展，其對刀具的材料及制造也提出了更高的要求。如何實現 麻花鉆 高精度、高效率、高可靠性和專用化，已成為未來機械領域研究 的主要課題之一。 鉆頭是機械制造中常用的刀具之一，用來 加工各種孔。鉆頭在機械加工中起著非常重要的作用 ，消耗數量也較 多。麻花鉆 和其他刀具一樣，切削一段時間就會變鈍，此時必須進行刃磨后使用，否則， 鉆頭 一旦報廢，只能再買新的，大大提高了制造成本。目前國內大部分廠家的 鉆頭 是在砂輪機上手工刃磨或在萬能工具磨床上刃磨。手工刃磨主要依靠于工人師傅的技能，刃磨質量取決于工人技術水平，刃磨精度難以保證；在工具磨床上利用調整三向鉗來刃磨，此種方法由于調整比較復雜，刃磨效率低下，實際應用較少。所以，這兩種刃磨方法有很大的弊端，急需要改進。 近些年來，數控機床、加工中心以及柔性制造單 元在加工領域中得到迅速普及，而這些先進的加工裝備也只有依靠先進、精密的切削刀具才能充分發揮其加工性能。數控機床對刀具的幾何形狀精度、表面質量等要求很高，國內由于長期對工具技術重視程度不 夠，麻花鉆 的加工水平與國外產品相比具有很大的差距，導致在引進國外先進數控設備的 同時也不得不引進配套麻花鉆 及刃磨設備。目前，國內還缺少專門刃磨麻花鉆 的經濟型數控車刀刃磨機。 基于以上因素，最終確定了本課題的研究方向 “依靠數控技術，開發出經濟可行 的刃磨設備?！毖芯磕康木褪且岣?鉆頭 的刃磨質量，降低制造成本，提高生產效率；通過對 鉆頭 刃磨的數控研究，實現對 鉆頭 的自動刃磨，減少工人的工作強度，滿足生產的需求。本課題主要對 鉆頭的幾何結構和刃磨方法進行分析，建立了鉆頭 各刀面的數學方程和運動 方程；設計出一種經濟可行的刃磨裝置并運用單片機控制技術來實現鉆頭 后陜西理工學院畢業設計 第 2 頁 共 28 頁 刀面的自 動刃磨。 1 2國內外發展狀況及趨勢 在麻花鉆 刃磨以及其它形狀刀具刃磨技術和數控研究方面，近些年來國內外專家作了不 少的研究工作，也開發出一些較先進刀具刃磨設備 目前國外的工具磨床生產均采用數控萬能工具磨床和 主要優點有： 一次裝夾、定位，即可完成刀具所有加工表面的加工，能夠很好的保證刀具精度； 數控萬能工具磨床具有復雜運動控制能力，可以滿足復雜形狀刀具的加工要求； 通過改變加工程序就可以實現對不同類型、不同規格刀具的加工； 采用先進的自動檢測裝置和方法，有效的保證刀具的定位精度和加工精度； 數控萬能工具磨床一般采用標準砂輪進行刀具的加工，降低修磨成型砂輪的成本，提高了加工效率 25 近幾屆的國際機床展覽會上美國、德國、瑞典、瑞士等國都展出的多軸 (五軸及五軸以上 )聯 動數控萬能工具磨床都可以用來制造和刃磨各種刀具。 德國 7公司的 型(軸 用于制造各種金屬切削刀具。機床配有測量定位系統，將測頭固定安裝在磨頭上，用于實現刀具定位，可縮短磨削周期。該機床采用 了能提供各種通用刀具磨削軟件外，它還開發了一種新的“靈活編程”軟件，通過該軟件可以設計刀具。 瑞士 的 主要用于生產和修磨各種不同形狀的 小尺寸刀具 。機床采用立柱移動式布局結構，剛性好，結構緊湊，精度高，同時配有自動測量系統，方便刀具的安裝及磨削，它采用一個固定安裝的三維測頭，既可用于測定刀具毛坯幾何形狀，在刀具修磨前測量又可用來保證刀具磨 削質量，它適合于磨削各類刀具。 還包括有日本 (株 )宇都宮制作所開發生產的 003軸五聯動的 國 S 87本 牧野公司的 40型十軸數控工具磨床等都是技術先進，性能優越的數控機床。 陜西理工學院畢業設計 第 3 頁 共 28 頁 我國在過去的幾十年里，由于對工具技術重視不夠，導致在引進國外先進數控設備的同時，由于國內刀具質量不過關 (材料和刃磨技術都有很大差距 )，不得不同時進口刀具及刃磨設備，其幾個相當昂貴，而且僅配有限的刃磨軟件，如需刃磨各種刀具，真正實現機床的價值、充分發揮其優勢還需另購其軟件，生產成本更高了。這些廠家為了保持技術壟斷，其系統往往是封閉的，用戶想自行開發應用軟件是非常困難的。萬能數控磨床價格遠遠高于普通的加工中心，由此可見其技術含量較高。 國內在數控工具磨床的研究、開發方面起步較晚，可以說是從 80年代中期開始的，其研究、開發還處于樣機或單臺極少量試生產階段。近些年，我國已有幾家在研制數控工具磨床，取得了一些成就。武漢機床廠的 3數控萬能工具磨床是最近研制成功的新一代工具磨床。該機床采用了華中 現三軸聯動，并且配有華中理工大學各種刀具加工軟件，能自動完成各類普通及復雜刀具的加工或刀具的刃磨，解決了普通工具磨床需要附件才能解決的復雜磨削問題。該機床還配備測量系統，在數控系統測量軟件支持下，將被磨刀具 的有關幾何參數 (如螺 旋角或導程 )及安裝位置 (如起始點位置 )等參數自動輸入計算機系統，自檢測系統可以自動判斷加工刀具的起始點，自動生成加工程序并實現整個加工過 程的自動磨削。 湖南大學研制的 3數控群鉆刃磨機床。該機床五軸數控，交流伺服驅動，液壓夾緊， 文操作界面，固化一組標準群鉆刃磨程序，使用這些程序時用戶只需輸入鉆頭的特征參數即可進行刃磨。用戶可用標準數控語言進行編程，自行開發新鉆型刃磨程序?？扇心ト恒@、螺旋面鉆、雙平面鉆及其它鉆頭。目前己有產品。 陜西理工學院研制的“內錐面鉆頭刃磨機 項目通過了陜西省 科技廳技術成果鑒定，結論為“屬國內首創，居國內領先水平 ， 2003年獲陜西省科學技術三等獎，并獲國家專利。該成果已在生產實際中推廣應用，取得了明顯的社會經濟效益?，F在還在研究與開發“智能銑刀刃磨機 和“智能車刀刃磨機”等項目。 此外，北京航空航天大學從七十年代開始，在刀具刃磨方面開展了一系列的工作，先后研制開發了四代數控刀具刃磨機床。四代刃磨機都采用步進電機作為驅動單元，控制系統依次為單板機、單片機及微機。第一代為六軸數控刃磨機，第二代為七軸數控群鉆刃磨機，它們的控制機采用 位機采用 二代的改進型為單片機控制系統。第三代刃磨機采用美國 制系統采用工業 片機為控制機。第四代采用六桿結構，在世界上率先將虛軸的結構引 進到刃磨機上。 還有華中理工大學研制了 陽機床廠開發陜西理工學院畢業設計 第 4 頁 共 28 頁 的 3數控萬能工具磨床，營口冠華機床廠的 W 1萬能磨刀機，均為普通型工具刃磨機床。 1 2 2發展趨勢 通過以上刃磨設備的發展狀況，不難看出數控刃磨是未來的發展方向。機械式刃磨機，它 的刃磨運動由齒輪和凸輪來實現，要在一個刃磨機上實現多品種多規格的工具的刃磨，機床機構復雜，同時需要附帶許多配件，即使這樣也只能刃磨系列的產品，而不能刃磨用戶隨意要求的刀具。數控刃磨機的刃磨運動由數控軸運動合成，理論上可以實現各種刃磨，調整簡便，功能擴展容易。隨著數控技術的日益發展，數控系統成本的下降，可靠性增強， 開發、使用和維護越來越簡單，其性能價格比將遠遠高于機械式自動刃磨機，而且它更能適應未來市場小批量多品種多樣化的需求，更有利于計算機集成制造。 1 3存在的主要問題 國內大部分廠家的對 麻花鉆 的刃磨， 還停留在由技術工人手工刃磨階段，而手工刃磨主要依靠工人的技能，刃磨質量受操作者技術水平的影響。工人勞動強度大， 麻花鉆幾何角度不易控制，一致性差，隨意性大，自動化程度低，刃磨效率低下，刃磨質量無法保證。 在麻花鉆 數控刃磨技術研究方面，國內起步較晚，相關的設備和數控系統主要依賴于進口，因此，刀具的數控刃磨技術受到了很大的局限性。 國外對于刀具的數控刃磨的研究較早，開發的設備主要是三軸、多軸聯動的大型數控工具磨床或磨削加工中心，它們的價格昂貴，對于普通的車刀刃磨來講，進口的成本過高， 不合乎國情。 1 4課題來源與 主要研究內容 本課題是內 錐面鉆頭刃磨機機械部分設計 課題 的主要內容為： (1)分析 麻花鉆 的本結構參數、幾何角度和刃磨方法，建立車刀各刀面的方程和刃磨裝置的數 基 學模型。 (2)設計一種新的 麻花鉆 自動刃磨裝置，分析其刃磨參數和刃磨運動。 (3)采用 步進電機作為驅動單元，根據系統功能，擴展了外部 盤顯示、信號采集等硬件，并進行主控部分和外部接口電 路陜西理工學院畢業設計 第 5 頁 共 28 頁 設計。 (4)采用模塊化程序設計方法，對刃磨控制系統進行軟件設計。整個系統軟件分為監控主程序模塊、鍵盤輸入和顯示模 塊、數據采集模塊、步進電機控制模塊、故障診斷模塊等，整個軟件采用 (5)單片機硬件和軟件系統抗干擾設計，保證整個系統在運行過程中的穩定性和可靠性。 其中（ 3）、（ 4）、（ 5）由我們一組的做內 錐面鉆頭刃磨機控制部分設計的同學完成。 1 5創新點 (1)本課題根據國內 麻花鉆刃磨現狀，設計一臺麻花鉆刃磨角度自動調整的經濟型數控裝置，能提高麻花鉆 刃磨效率，減少工人勞動強度。 (2)系統 采用單片機控制技術組成開環伺服系統，實現對刃磨的運動控制，提高麻花鉆 刃磨的精度 。 陜西理工學院畢業設計 第 6 頁 共 28 頁 2. 麻花鉆刃磨 的理論分析 麻花鉆 是金屬切削加工中使用最廣泛刀具，它可以在各種零件加工中使用，其種類較多，由于它的作用不同，因此，它的形狀、尺寸、結 構等也就不同。本章只研究普通外 麻花鉆 的幾何特征以及參數，以下對鉆頭進行分析。 2 1鉆頭幾何特征 圖 西理工學院畢業設計 第 7 頁 共 28 頁 圖 2 鉆頭刃磨原理 麻花鉆是一種常用的孔加工刀具 ,制造和刃磨麻 花鉆常采用內 錐面法刃磨。內錐面刃磨法是刃磨麻花鉆的一種新方法 ,刃磨原理如圖 1 所示 ,砂輪修 成內錐面 ,鉆頭放在砂輪的內錐面上磨削 ,形成麻花鉆的圓錐面后刀面。刃磨鉆頭時 ,通過修整砂輪半錐角 ,調整軸間角 、錐頂距 A 、偏距 e 、附加旋轉角 ,可使鉆頭得到所需的后角 ,橫刃斜角 和頂角 2 。根據參考文獻 ,為使鉆頭刃磨后得到合理的主切削刃外緣后角 ,橫刃斜角 和頂角 2 。 圖 內 錐面刃磨參數的確定 化 優化刃磨參數 根據參考文獻 , 為使鉆頭刃磨后得到合理的主切削刃外緣后角 ,橫刃斜角 和頂角 2 ,建立錐面與鉆頭幾何角度的理論計算公式 ,考慮到砂輪的結構及刃磨中鉆 頭與陜西理工學院畢業設計 第 8 頁 共 28 頁 砂輪不得干涉等約束條件 ,對半錐角 ,軸間角 、錐頂距 A 、偏距 e 、附加旋轉角 五個刃磨參數進行優化 , 就可得到麻花鉆的優化刃磨參數 , 即 :每一直徑的麻花鉆在要求的刃磨角度下對應著幾組刃磨參數?？紤]到砂輪的結構及刃磨中鉆頭與砂輪不得干涉等約束條件 , 對刃磨參數進行了優化 ,表 2. 1列出了0d= 3 20圍內部分麻花鉆的優化刃磨參數。 半錐角 29 軸間角 30 （ 20 35） 直徑 ( ( ) e( A( 后角 （） 橫刃斜角 （） =3 25 =4 25 =5 25 1 =10 25 2 9 =15 25 10 =20 25 14 刃磨參數的確定 軸間角 : = 標準麻花鉆 2 = 118 , 0 即 : 20時 ,砂輪轉速取 :n =8000( 砂輪選擇與安裝 由于砂輪的 外錐面 錐面結構 ,切屑不易排除 ,造成砂輪堵塞 ,使砂輪變鈍。在選擇砂輪時 ,應注意考慮 外 錐面磨削不易排屑 ,外錐面的修磨及修磨后應有較長的使用時間等因素。外 錐面刃磨砂輪應比一般刃磨刀具砂輪 硬度大、粒度大、組織松。選擇專用外 錐面金剛石砂輪 ,不需要修磨內錐面且切削性能好。 砂輪與主軸連接 ,刃磨鉆頭直徑 10 時 ,砂輪外徑較大 ,砂輪內孔也大 ,砂輪可采用螺釘壓緊連接在主軸上。當刃磨鉆頭直徑 10 時 ,砂輪直徑較小 ,砂輪內孔也小 ,可用磷酸和氧化銅把砂輪粘結在主軸上。 花鉆的夾具 刃磨麻花鉆時 ,為了保證鉆頭具有一定的剛度 , 防止振動 , 鉆頭伸出不能太長 , 所以不能夾持在柄部 ,應夾持在鉆頭的桿部。麻花鉆的桿部由兩條螺旋刃帶組成 ,為使鉆頭定位可靠 ,采用長爪型四爪夾頭 ,保證對稱四點定位夾緊。 削散熱 外 錐面刃磨麻花鉆是由砂輪的錐面形成鉆頭的后刀面 , 屬于成型磨削。鉆頭與砂輪面接觸 , 摩擦大 ,磨削發熱大 ,干磨削鉆頭易燒傷。采用乳化液噴射冷卻磨削 ,可有效解陜西理工學院畢業設計 第 12 頁 共 28 頁 決磨削散熱問題 ,刃磨出合格的鉆頭 ,同時噴射的冷卻液有利于切屑的排除。 修磨內錐面及試磨 在三爪卡盤上裝夾金剛筆 ,啟動砂輪橫向刀 ,縱向往復進給修磨內錐面 ,通過測量內錐面大端口徑 D 控制內錐面的大小。修完內錐面 ,將 砂輪主軸軸線相對三爪卡盤軸線升高偏距 e 。麻花鉆主切削刃處于水平位置時裝夾在三爪卡盤上 ,為保證裝夾定位可靠 ,先將麻花鉆裝在彈性套內。調整分度頭使麻花鉆附加轉動角度 后鎖緊 ,主切削刃外 緣點對在砂輪端面上 ,縱向移動工作臺調整 L 值保證錐頂距 A 。 D、 、 A 、 L 、 、 間的關系如下 : A=2 啟動砂輪 ,橫向進給刃磨后刀面 ,當磨完一個后刀面 ,記下刻度值退刀 ,麻花鉆轉動 180后鎖緊 ,磨削另一后刀面進給至上次刻度值 ,退刀磨削完畢。 錐面 刃磨機的特點及應用 錐面刃磨機的特點 內錐面鉆頭刃磨機由砂輪的內 錐面形成麻花鉆的后刀面 ,無須擺動夾具 ,因而機床結構緊湊 ,尺寸較小 ;采用優化刃磨參數 ,計算機控制自動調整刃 磨參數 ,刃磨的鉆頭幾何角度精確且兩切削刃對稱性好 ,特別適合刃磨使用要求較高的鉆頭 ,如數控機床用麻花鉆 ;內 錐面鉆頭刃磨機 ,只需輸入鉆頭直徑 ,機床自動調整 ,可以精確刃磨不同直徑的鉆頭 ,機床操作簡單 ,適用于一般機械制造廠的工具車間或磨刀站。 錐面刃磨機的應用范圍 內錐面鉆頭刃磨機適合刃磨 3 20 直徑尺寸范圍的鉆頭。鉆頭直徑較小時 , A 值較小 ,刃磨口徑較小 ,砂輪轉速受到主軸結構、潤滑、傳動件精度等限制 ,很難滿足切削速度的要求 ;鉆頭直徑較大時 ,接觸面積大 ,磨削面積大 ,磨削效率低 ,發熱大 ,易燒傷鉆 頭 ;內 錐面法刃磨應注意砂輪的選擇和冷卻液的使用。 章小結 陜西理工學院畢業設計 第 13 頁 共 28 頁 本章分析了麻花鉆的幾何特征，闡述了刃磨原理以及刃磨方法，為下面的刃磨裝置的機械系統設計和控制系統硬件和軟件提供了理論依據。 陜西理工學院畢業設計 第 14 頁 共 28 頁 3. 鉆 頭刃磨裝置的機械系統設計 目前，在我國大部分廠機械制造廠家對于車刀用鈍后的重磨主要是在砂輪機上手工刃磨，或者是在萬能工具磨床及其變形、改進型設備上借助附件手工操作完成。這樣不僅加工效率低、成本高、勞動強度大，而且刃磨的質量難以保證。對 于越來越要求高精度、高效率的現代機械加工是遠遠不能滿足的，因此迫切需要對車刀等刀具常規的刃磨工藝及普通刃磨機床必須進行變革 。 3 1伺服驅動系統的設計計算 車刀刃磨裝置的機械系統設計包括伺服驅動系統的設計計算，絲杠螺母副的設計計算。伺服驅動系統的設計計算包括脈沖當量的計算、減速蝸輪蝸桿副的選擇、角度的換算和步進電機選型。下面詳細闡述一下設計計算的內容。 沖當量的計算 參照普通工具磨床的參數，其定位精度一般在 據設計結構的要求，刃磨裝置對定位精度要求不高， 可選脈沖當量 p= 確定刃磨裝置的基本參數為： 1. 刃磨鉆頭直徑范圍： 3 20. 砂輪 砂輪規格：外徑寬度孔徑 = 125 30 40（ 砂輪線速度： 18m/s 最大行程： 200輪轉一格移動量 ： 輪轉一圈移動量： 4最大行程： 120輪轉一格移動量： 輪轉一圈移動量： 4西理工學院畢業設計 第 15 頁 共 28 頁 主軸內移動套莫氏錐度：莫氏 3號 莫氏錐套移動量： 110軸刻度盤刻線單位 :度 主軸座最大升高量： 20電源： 380V、 50機功率： 機轉速： 2800r/寬高 750 700 600（ 重： 100杠螺母副的選擇： 選用單螺母內循環式絲杠螺母副，如上圖所示，具體結構如下： 陜西理工學院畢業設計 第 16 頁 共 28 頁 初步選用型號為 公稱直徑為 16、公稱導程為 4的單螺母內循環式絲杠螺母副。 初選步進電機的步距角為： ，步進電機每發一個脈沖 ()，絲杠螺母移動的距離為： p=4 1/360= 因此，步進電機和絲杠螺母副之間無需加減速裝置，脈沖當量 p?？梢詽M足 所需精度。 3 1 2步進電機的選型與計算 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度 (稱為“步距角” )，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差的特點，廣泛應 用于各種開環控制。 1） 步進電機的性能指標是： （ 1） 步距角b指每給一個電脈沖信號，電動機轉子所應轉過角度的理論值，可有下列公式來計算： b=第 17 頁 共 28 頁 式中， 采用單三拍或雙通電方式時， k=1；而采用三相六拍通電方式時， k=2。 (2)精度 通常步進電機的精度有兩種表示方法：一種用步距誤差的最大值來表示；一 種用步距累積誤差最大值表示。前者是指電動機旋轉一圈內相鄰兩步之間最大步距和理想步距的差值，用理想步距的百分數表示；后者是指任意位置開始經過任意步之后，角位移誤差的最 大值。 (3)轉矩 保持轉矩 (或定位轉矩 )，是指繞組不通電時電磁轉矩的最大值，或轉角不超過一定值時的轉矩值。通常反應式步進電機的保持轉矩為零，而若干類型的永磁式步進電機具有 一定的保持轉矩。 靜轉矩是指不改變控制繞組通電狀態，即轉子不轉情況下的電磁轉矩。它是繞組內的電流及失調角 (轉子偏離空載時的初始穩定平衡位置的電角度 )的函數。當繞組內 的電流值不變時，靜轉矩與失調角的關系稱為矩角特性。對應于某一失調角時，靜轉矩的值為最大，稱之為最大靜轉矩 (它的值取決于通電狀態及繞組內電流的值。動轉矩是指轉 子轉動情況下的最大輸出轉矩值，它與運行頻率有關。 (4)響應頻率 在某一個頻率范圍內，步進電機可以任意運行而不丟步，則這一最大頻率稱為響應頻率。通常用啟動頻率后作為衡量指標。它是指在一定負載下直接起動而不丟步的極限頻率。 (5)運行頻率和矩頻特性 運行頻率是指頻率連續上升時，電動機能不失步運行的極限頻率。它的值也與負載的大小有關。在相同負載情況 下，連續頻率尼的值高于響應頻率或起動頻率后的值。運行矩頻特性是指在負載慣量不變時，運行頻率與負載轉矩之間的關系，稱之為運行矩頻特性。起動矩頻特性是指在給定的驅動條件下，負載慣量一定時，起動頻率與負載轉矩之間的關系稱為起動矩頻特性。它們之間的關系典型曲線如圖 動矩頻特性是牽入轉矩與頻率之間的關系曲線，運行矩頻特性是失步轉矩與頻率之間的關系曲線。 陜西理工學院畢業設計 第 18 頁 共 28 頁 圖 起動矩頻特性與運行矩頻特性曲線圖 圖中當工作在 進電機可以直接停止和再起動，或者反向轉動，而不會失步。步進電機在 動矩頻特性曲線與縱坐標的交點為最大靜力矩，與橫坐標的交點為最大起動頻率。 向工作區，在此區電機不能直接啟動，若電機不停止、起動和換向，在此區域內工作，電機不會失步。為了在 機必須首先在 后利用控制加速度斜坡，轉變到 達到不失步停止時，也要在限制加速度的條件下，由 區，在減速時慣性反作用力矩為負，對電機有利。 任何情況下都是不允許的。 (6)起動慣頻特性 起 動慣頻特性是指負載力矩一定時，起動頻率與負載慣量之間的關系稱為起動慣頻特性或牽入慣頻特性，如圖 3 3所示。 陜西理工學院畢業設計 第 19 頁 共 28 頁 圖 頻特性曲線 上述各項是步進電機驅動系統的綜合指標，是生產廠家產品出廠時提供的。這些指標是步進電機及其驅動器選用和靜動態特性計算的重要依據。 2） 步進電機的選取原則 步進電機在工作中要求能嚴格跟隨指令脈沖，不發生失頻、振蕩；能快速起動、停止、正反轉和高效運轉；能滿足各項性能指標且具有良好的動態特性。步進電機在選用時首先必須保證步進電 機的輸出功率大于負載所需的功率，使 電動機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定余量以保證運行可靠，一般來說，大靜轉矩載轉矩也大，通常取 r=0 2 5。 此外在選擇步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續工作頻率能滿足機床快速移動的需要。 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。因此，步進電機的合理選擇是保證電機安全、可靠、經濟運行的重要環 節。 步進電機有步距角 (涉及到相數 )、靜轉矩和相電流三大要素組成。三大要素確定下來，步進電機的型號就能確定下來了?？紤]到步進電機的步距角要小，且有較高的起動和運行頻率。初步選用型號為 57圖 3 4所示和 圖 陜西理工學院畢業設計 第 20 頁 共 28 頁 圖 7圖 57較高的起動和運行頻率，消耗功率小，有 定位力矩，兼有永磁式和反應式兩種步進電動機的優點，結構復雜。同時還具有良好的內部阻尼特性，因而運行平穩，無明顯的低頻振蕩區，噪音小，可靠性高。既可用于組建穩定、可靠的開環系統，也可用于組建閉環系統。其主要性能參數如表 3 1所 示 型號 相數 步距角 電壓 電流 靜轉矩 定位轉矩 轉動慣量 重量 A Kg Kg 2 7 7根據以上對于步進電機的選取原則，結合系統的實際應用，對幾項參數進行計算如下： 陜西理工學院畢業設計 第 21 頁 共 28 頁 精確計算驅動系統的轉矩是比較復雜的，習慣的做法是根據實際裝置實測求取，在選抒步進電機時，常常使用近似的公式，先估算出負載的轉矩，從而為選定步進電機提供 依掘。 根據設計要求，估算電機的負載轉矩。 械結構可知。電機驅動絲杠螺母剮再劉刀架，該直線運動系統換到電動 機軸的負載轉矩 LT= ）（式中 W 負載質量， i 減速傳動比； 滑動摩擦系統。 其中， 取 ， ， D=叫磨裝置的參數，估算工作平臺的總質量 (包括旋轉步進電機、蝸輪、蝸桿、刀架等 )為 W=15據刀具刃磨載荷輕的特點，直線運動受到的軸向力可根據力矩平衡原理計算得出軸向力矩與切向磨削力 有： Fc=C F V W f r 式中， 砂輪速度， m s，一般取 m s； 度， m s，取 2 m s； 查表 3 3取 一磨粒為圓錐形時的錐頂半角，一般取 =65。 ； 徑向進給量， 01 B 砂輪寬度， B=25 表 種工件材料的 陜西理工學院畢業設計 第 22 頁 共 28 頁 工具材料 花崗巖 硅 純鐵 鑄鐵 高速鋼 2 430 550 280 490 1800 故經計算得出切向磨削力 52 1800 0 01 0 2 25 8 66 1=9015c=15 N，代入式得到軸向力 F=得： ）（本畢業設計采用內錐面刃磨的方法對鉆頭進行刃磨。 麻花鉆是孔加工刀具中應用最普遍的一種刀具 , 其后角值規定在圓柱剖面內測量 , 并要求刃磨時將主切削刃上各點的后角磨得大小不等 , 即外緣處后角較小 , 越接近鉆芯后角越大。為了滿足這一要求 , 制造和刃磨鉆頭時多采用內 錐面刃磨法 。 這樣鉆頭的后面被砂輪磨成圓錐面 , 越靠近錐頂處半徑越小 , 曲率越大 , 從而即可實現主切削刃上各點后角不等 , 越靠近鉆芯處后角越大的要求。 用此法刃磨麻花鉆可采用專用或改裝設備 , 如 6315 型普通鉆頭磨床和經改裝 的外圓磨床 (在床面上安裝一個擺動夾具 )。由于砂輪的線速度高 , 又有充足的冷卻潤滑液 , 所以刃磨效率高 , 刃磨質量也好。但是 , 采用外錐面刃磨法也有不足之處 , 如專用或改裝的設備比較大 ; 鉆頭的幾何角度與刃磨參數之間沒有定量的函數關系 , 刃磨參數的調整控制多憑操作工人的經驗和技藝 , 難以保證刃磨質量的穩定性。 圖 陜西理工學院畢業設計 第 23 頁 共 28 頁 圖 頭刃磨機的總體設計圖 其主視圖大體分布為 本 內錐面鉆頭刃磨機，它是將刃磨機的磨輪改換成一個內錐面 磨輪， 由控制面板 、底座、垂直步進電機、垂直燕尾副、垂直絲杠螺母副、主電機、 砂輪、三爪自動定心夾頭 10、主軸 11、主軸箱 12、旋轉步進電機 13、 進刀燕尾副 14、進刀絲杠螺母副 15、進刀燕尾手柄 16、旋轉副 17、水平燕尾副 18、水平絲杠螺母副 19、水平燕尾手柄 20、水平步進電機 21等組成。 陜西理工學院畢業設計 第 24 頁 共 28 頁 其特征在于：砂輪是一個內錐面磨輪，主電機在支架的上端，支架固接在垂直燕尾副的滑動燕尾上，內錐面砂輪通過砂輪接頭連接在主電機的軸上，上述的三個步進電機即垂直步進電機、旋轉步進電機 13和水平步進電機 21與一個根據五個優化的刃磨參數即 半錐角； 軸間角； 偏距； 錐頂距和鉆頭旋轉角來控制三個步進電機運轉的單片機電連接。刃磨機的三個步進電機即垂直步進電機、旋轉步進電機和水平步進電機外接一個單片機，單片機根據五個刃磨參數： 半錐角； 軸間角； 偏距； 錐頂距和鉆頭旋轉角來控制三個步進電機的運轉。本實用新型的優點是它刃磨的麻花鉆，其后角、橫刃斜角精度高，并適合多品種、小批量、變化頻繁的鉆頭刃磨，刃磨效率高。 設計刃磨標準麻花鉆的刃磨機 ,砂輪半錐角、軸間 角參數成為定值 ,所以選取 = 30 , = 29 。刃磨不同直徑的鉆頭 ,半錐角、軸間角參數是定值 ,需調整的刃磨參數只有 :錐頂距 A 、偏距 e 、附加轉動角 三個參數。 A 、 e 、 三個刃磨參數對不同直徑的鉆頭其大小不同。為了準確調整 A 、 e 、 的大小 ,采用步進電機驅動 ,單片機控制。 圖 4 為內錐面鉆頭刃磨機傳動原理圖 , X 步進電機驅動水平絲杠調整錐頂距 A 值 , Y 步進電機驅動鉆頭夾具轉動調整附加轉動 值和分度 ,Z 步進電機驅動垂直絲杠調整偏距 e 值。 裝上金剛筆 ,通過手動驅動水平絲杠使金剛筆沿砂輪錐面 母線往復移動和軸向進給絲杠修磨內錐面。刃磨麻花鉆 , 將切削刃調整為水平位置安裝在夾頭上 ,輸入刃磨鉆頭直徑 ,機床自動選擇優化刃磨參數調整 A 、 e 、 值 ,然后手動軸向進給刃磨 ,得到合理的鉆頭幾何角度。 陜西理工學院畢業設計 第 25 頁 共 28 頁 磨運動特性分析 由第二章的 麻花鉆 刃磨的理論分析和本章對刃磨裝置的機械系統設計，對于 麻花鉆的刃磨而言，其刃磨運動主要是通過刃磨裝置實現刀架的三軸獨立旋轉運動。本控制系統主要通過三個步進電機分別控制三個軸的旋轉運動來實現 麻花鉆 的刃磨運動。 刃磨工作流程 在實際刃磨中，刃磨位置的調整工 作是由程序自動控制的，應盡可能減小空行程，刃磨的橫向和縱向的進給運動還是靠手動來完成。且考慮到計算和程序編寫簡單，故擬定如下工工藝方案： (1)坯料準備：只需準備粗磨 鉆頭內錐面的坯料 即可。 (2)修整砂輪； (3)系統上電復位后，執行初始化程序； (4)運行程序，輸入 鉆頭 幾何參數和加工參數； (5)安裝工件，執行調零程序， 刀具 移至加工 (6)對刀。 (7)執行工作程序 。 參數設定： 輸入鉆頭直徑 ， 確認 保存參數， 鉆頭 自動調整到刃磨位置 ； 砂輪 主軸啟動，手動進給 刃磨； 退刀，返回初始位置進行下一個刀面的刃磨 ； 重復、，直至所有刀面加工完畢，顯示結束標記“ 陜西理工學院畢業設計 第 26 頁 共 28 頁 當進行批量加工時，步驟 (1) (4)只需在首件加工中執行。首件經檢驗合格后，其余工件的加工只需從步驟 (5)開始。 按照上述刃磨工藝方案和砂輪選取原則，驗證了前述分析思路和得出的刃磨運動模型是正確的，設計較合理。 3 6 本章小結 本章根據第二章鉆頭的刃磨理論，確定了鉆頭 自動刃磨裝置的總體方案，對其機械系統進行設計，包括伺服系統的設計計算和絲杠螺母副的設計計算，并分析該刃磨裝置的運動特性，分析了刃磨的工藝流程，為后面的控制系統的硬件和軟件開 發提供現實依據。 陜西理工學院畢業設計 第 27 頁 共 28 頁 致 謝 本次畢業設計是在戴俊平老師的悉心指導和熱心幫助下完成的。在這短短幾個月的時間里，戴老師在學業上指導，使我較為順利的完成了畢業設計。何老師在開題階段提供給了相關資料，并給出了建議和方法上的指導，使我對本次畢業設計總體設計思路、方法等有了系統的了解。在原理、結構了解熟悉階段，老師不厭其煩，耐心指導，給提供資料及其內部結構的圖片。建模階段，何老師百忙中不忘關心設計的進展情況，多次詢問指導，并不時的幫我們解決一些細節性問題。 戴老師交給我的不僅僅是專業知識， 他的態度和品格更使我受益匪淺，讓我上了大學完美的最后一課，將激勵我去不斷探索。 值此畢業設計完成之際，特向戴老師致以誠摯的感謝和崇高的敬意 ! 大學四年的學習生活即將結束，對關心和幫助我順利完成學業的各位老師和同學表示感謝，謝謝大家對我的支持和鼓勵！ 最后衷心感謝在百忙中為本次畢業設計審閱而付出辛勤勞動的各位老師。 由于水平有限，本設計存在一些不成熟和欠妥之處。懇請各位老師、同學批評指正，以便走上工作崗位后進一步改正、提高自己。 陜西理工學院畢業設計 第 28 頁 共 28 頁 參考文獻 1 王忠魁，麻花鉆后角的計算與研究，工具技術， 1993(11):132 王忠魁、何寧、戴俊平 成都：工具技術， 1997. 3 王忠魁 上海：機械制造， 1994， 8， 114 王忠魁，麻花鉆橫刃角度的計算與分析 ,工具技術， 1996(12):165 王忠魁 陜西：陜西工學院學報， 1999. 6 王忠魁 陜西：陜西工學院學報， 1998 7 戴俊平，何寧 西，陜西工學院學報， 2003 8 黃志江 碩士學位論文 津大學， 1991 9 郭延文 湘潭大學職業技術學院 械工程師， 2003 10 李超 南礦業學院學報， 1990； 2： 5460 11 李永釗等，孔加工的高速化和整個硬質合金三刃麻花鉆，工具技術，1989(11):2012 張維紀主編金屬切削原理及刀具浙江：浙江大學出版社， 1990 13 王西彬，雷紅，麻花鉆磨損特性的研究，工具技術， 1999(3):1114 鐘菊華，麻花鉆的修磨改進，機械工 1987(7):29 15 王譯，鉆頭刃磨新方法的開發實驗，機械工藝師， 1986(1):4516 劉戰峰等，新型四棱帶麻花鉆的設計與試驗，機械制造， 1992(3):1017 華南工學院，甘肅工業大學主編，金屬切削原理及刀具設計 (下冊 )，上?？茖W出版社， 1980 18 葉偉昌，鉆頭的平面刃磨法，機械工藝師， 1986(1):4219 袁哲俊 上海：上?？萍汲霭嫔?， 1984.