智能車刀刃磨機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【說明書+CAD】

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智能車刀刃磨機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 田衛(wèi)軍 （指導(dǎo)老師） 【摘 要】該論文主要研究了車刀刃磨機(jī)的設(shè)計(jì)以及控制方法。主要論述了車刀幾何參數(shù)和刃磨參數(shù)之間的關(guān)系和求解方法，建立并描述車刀位姿調(diào)整的數(shù)學(xué)模型。論文論述了車刀刃磨的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模型，求解了車刀的幾何參數(shù)和刃磨參數(shù)之間的關(guān)系。由于車刀刃磨參數(shù)決定刃磨時(shí)車刀和砂輪間的角度調(diào)整。為了確定車刀刃磨機(jī)床參數(shù)，首先根據(jù)刀具刃磨時(shí)活動(dòng)空間的分析，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)方案，選取控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)刃磨運(yùn)動(dòng)方程控制角度，最終采用單片機(jī)對(duì)三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制，從而控制機(jī)床產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車刀的各個(gè)面刃磨。 【關(guān)鍵詞】刃磨機(jī) 位姿調(diào)整 卸荷結(jié)構(gòu) 單片機(jī)控制 The intelligent edge mill machine of lathe tool is developed Tianweijun (Guide teacher) 【Abstract】 This paper is major to have studied control method as well as the design of the edge mill machine of lathe tool. Have discussed mainly the mathematics between the geometry parameter and edge mill parameter of lathe tool that concerns and begs to untie method and establishes and describes the pose adjustment of lathe tool model. The paper mathematics that has discussed the edge mill of lathe tool model, according to model, beg to have untied the relation between edge mill parameter and the geometry parameter of lathe tool. Because of the edge mill parameter of lathe tool when deciding edge mill, the angle between lathe tool and emery wheel is adjusted. To determine the edge mill parameter of lathe tool of machine tool, first according to the edge mill of cutting tool the analysis of campaign space, have designed realization scheme, select to control construction of system , adopt only flat machine eventually according to edge mill sport equation control angle as 3 walks into generator control, so control machine tool to produce corresponding sport, realize every surface of lathe tool edge mill. 【Keyword】 Edge mill machine Pose adjusts Unload lotus structure Single-chip microcontrol 目 錄 第一章 緒 論 …………………………………………3 §1.1 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀……………………4 §1.2 課題的提出…………………………………5 §1.3 課題主要研究內(nèi)容…………………………5 §1.4 本章小結(jié)……………………………………5 第二章 方案設(shè)計(jì)及論證 ………………………………5 §2.1 方案提出……………………………………5 §2.2 方案論證……………………………………8 第三章 方案實(shí)施 ………………………………………9 §3.1 數(shù)學(xué)模型建立………………………………9 §3.2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)………………………………14 §3.2.1 刃磨基本條件……………………14 §3.2.2 磨削力估算………………………18 §3.2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………20 §3.2.4 失電制動(dòng)器選擇…………………22 §3.2.5砂輪架升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………25 §3.3 控制部分設(shè)計(jì)………………………………26 §3.3.1控制方案設(shè)計(jì) ……………………26 §3.3.2硬件電路設(shè)計(jì) ……………………26 §3.3.3軟件設(shè)計(jì) …………………………37 §3.3.4驅(qū)動(dòng)電源 …………………………45 第四章 使用說明書 ……………………………………47 第五章 結(jié)論 ……………………………………………50 致謝詞 …………………………………………………51 參考文獻(xiàn) ………………………………………………52 附件 §1 英文翻譯 §2 開題報(bào)告 第一章 緒 論 §1.1 本課題領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 工欲善其事，必先利其器。刀具在切削加工中占有舉足輕重的地位。在機(jī)械加工中，刀具的費(fèi)用雖然僅為生產(chǎn)費(fèi)用的2-5%,但它卻對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的效益有重大的影響。刀具是實(shí)現(xiàn)零件加工成形的主要工具，其性能和質(zhì)量直接影響機(jī)械加工的加工質(zhì)量、效率和成本。 工業(yè)發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)表明，選用高效的切削刀具，可以使生產(chǎn)成本降低10-20%。隨著現(xiàn)代化機(jī)械加工技術(shù)朝著高效率、高精度、高自動(dòng)化、高柔性化以及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，切削刀具也正朝著精密化、復(fù)雜化的方向發(fā)展。 一般刀具制造和刃磨是采用普通的工具磨床進(jìn)行加工，小批量的生產(chǎn)采用萬能工具磨床，而大批量的刀具生產(chǎn)則采用專用的工具磨床，比如溝槽磨床、立銑刀磨床等。然而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這種刀具的生產(chǎn)方式越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代刀具技術(shù)發(fā)展的要求。主要表現(xiàn):(1)一把刀具的生產(chǎn)需要幾臺(tái)機(jī)床，多次裝夾，多次定位，不僅工藝裝備復(fù)雜，而且刀具的精度很難得以保證;(2)普通的工具磨床的運(yùn)動(dòng)控制能力有限，對(duì)于一些復(fù)雜的刀具只能采用近似的方法加工;(3)萬能工具磨床在加工能力和加工范圍上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的工具磨床，但是仍然不能適應(yīng)現(xiàn)代刀具的多品種、小批量、短周期要求。目前國外的工具磨床生產(chǎn)廠家均采用數(shù)控萬能工具磨床和CNC磨削加工技術(shù)，這也是普通刀具和復(fù)雜刀具制造刃磨的主要途徑和方法。國內(nèi)車刀刃磨機(jī)械主要是在復(fù)雜刀具刃磨功能的基礎(chǔ)上帶有車刀的刃磨，臺(tái)灣佳群機(jī)電公司是臺(tái)灣專業(yè)CNC專用機(jī)床磨刀機(jī)生產(chǎn)廠家， JD-30A型第三代萬能磨刀機(jī)配有刃磨車刀、鉆頭、銑刀的功能和裝置?？梢葬槍?duì)不同的加工設(shè)備和刀具對(duì)象，對(duì)刀具進(jìn)行修磨。武漢機(jī)床廠生產(chǎn)的M6245車刀刃磨機(jī)，（如圖1-1所示）天津市北閘門口儀表機(jī)床廠刃磨機(jī)CDM32（如圖1-2所示）。M6245車刀刃磨機(jī)主要技術(shù)規(guī)格： 最大車刀寬度45mm，最大車刀厚度45mm；砂輪架最大往復(fù)行程50mm砂輪架往復(fù)速度(無級(jí)變速)5-25mm/分，砂輪軸轉(zhuǎn)速2100轉(zhuǎn)/分，當(dāng)用φ200mm砂輪時(shí)砂輪線速度22米/秒，砂輪數(shù)量可裝數(shù)量4，常用數(shù)量2；刀架縱向最大移動(dòng)量550mm刀架橫向最大移動(dòng)量80mm，刀架微調(diào)范圍20mm，微進(jìn)給手輪一格移動(dòng)量0.01mm，刀架在水平面內(nèi)旋 轉(zhuǎn)角度360°，刀架在縱向平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度±20°刀架在橫向平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度±20°，虎鉗鉗口旋轉(zhuǎn)角度±90°液壓泵流量*壓力2.5升/分*25公斤/厘米，系統(tǒng)工作壓力??8-10公斤/厘米，電動(dòng)機(jī)主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)1.5kw。 天津市北閘門口儀表機(jī)床廠刃磨機(jī)CDM32技術(shù)參數(shù)： 夾持刀具的最大截面尺寸32×32mm。 主Main worktable 1﹑工作臺(tái)面積 340×170mm 2﹑上下移動(dòng)量 70mm 3﹑左右移動(dòng)量 70mm 4﹑上下移動(dòng)刻度盤每格移動(dòng)量 0.02mm 5﹑工作臺(tái)繞水平軸旋轉(zhuǎn) -30°～+20° Motor of spindle 1﹑繞垂直軸旋轉(zhuǎn) 15 2﹑輸出功率 550W 3﹑轉(zhuǎn)速 2980r.p.m. Vice-wordtable 1﹑工作臺(tái)面積 276×150mm 2﹑工作臺(tái)繞水平軸旋轉(zhuǎn) -30°～+30° Main tool holder 1﹑前后移動(dòng)量 100mm 2﹑前后移動(dòng)刻度盤每格移動(dòng)量 0.02mm 3﹑刀夾繞垂直軸旋轉(zhuǎn) 360° 機(jī)床凈重 140kg 圖1-1 圖1-2 §1.2 課題的提出 隨著我國工業(yè)迅猛發(fā)展，企業(yè)的經(jīng)營管理模式的改變，以前的師徒關(guān)系以不是很明顯，企業(yè)對(duì)人的要求是技術(shù)工人上崗就要立即能上手操作，作為新的學(xué)徒和剛上崗的技術(shù)工人沒有數(shù)年的工作經(jīng)驗(yàn)，要想通過手工刃磨一把刀具則相當(dāng)困難，得不到合理幾何角度的刀具，勢(shì)必影響到生產(chǎn)質(zhì)量和效率。所以刀具的刃磨技術(shù)在降低成本、提高加工量中顯得尤為重要。針對(duì)這種情況設(shè)計(jì)一種既經(jīng)濟(jì)又便于操作的刃磨機(jī)就顯得尤為必要。 本次設(shè)計(jì)就是為了解決生產(chǎn)當(dāng)中企業(yè)和工人的實(shí)際問題。首先對(duì)車刀的刃磨展開研究，通過調(diào)研、分析、類比、論證。最終設(shè)計(jì)一種智能化、自動(dòng)化的刃磨機(jī)械，以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。 §1.3 課題主要研究內(nèi)容 通過本次設(shè)計(jì)，首先，分析研究車刀幾何參數(shù)和刃磨參數(shù)之間的關(guān)系和求解方法，建立并描述車刀位姿調(diào)整的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)模型，求解車刀的幾何參數(shù)和刃磨參數(shù)之間的關(guān)系。根據(jù)刀具刃磨時(shí)活動(dòng)空間位置，分析刃磨運(yùn)動(dòng)控制角度，設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車刀的各個(gè)面刃磨，最終完成車刀刃磨機(jī)床整體設(shè)計(jì)。通過本次設(shè)計(jì)，一方面可以滿足和解決生產(chǎn)當(dāng)中的實(shí)際基本問題，另一方面，也可以為我們研究其他刀具的刃磨奠定理論基礎(chǔ)，使刃磨機(jī)械最終形成系列化、市場化產(chǎn)品。 §1.4 本章小結(jié) 通過本章的學(xué)習(xí)了解，我們初步了解了智能車道刃磨機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，以及它在機(jī)械加工中所占的重要作用。在21世紀(jì)現(xiàn)代化高速發(fā)展的今天，生產(chǎn)力決定一切，我們要?jiǎng)?chuàng)造生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率。機(jī)械加工方面我們更應(yīng)該改善技術(shù)與生產(chǎn)力，對(duì)傳統(tǒng)的加工刃磨技術(shù)進(jìn)行改善與提高，使加工智能化自動(dòng)化。 第二章 方案設(shè)計(jì)及論證 我國工具行業(yè)，長期處在低水平數(shù)量型發(fā)展軌道，加上目前正處在國家深化改革，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，客觀和主觀都造成我國的工具行業(yè)難以適應(yīng)當(dāng)今飛速發(fā)展的市場變化。我國刀具制造同先進(jìn)國家的差距進(jìn)一步拉大。為了降低成本，提高刃磨質(zhì)量和效率，尤為重要。車刀的刃磨就是最基礎(chǔ)的。 而長期以來車刀的刃磨，主要由車床工人用手工刃磨，憑目測控制刃磨角度，這種刃磨方式，刃磨的角度不太正確，效率也較低，所以開發(fā)高效可靠、功能強(qiáng)大、成本低廉的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車刀刃磨機(jī)具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義和深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。 §2.1 方案提出 【方案1】 車刀刃磨實(shí)現(xiàn)上也就是針對(duì)車刀的主后刀面、副后刀面、前刀面三個(gè)面進(jìn)行磨削，從而保證六個(gè)基本角度。如圖所示2-1所示： Aα——主后刀面 Aα/——副后刀面 Aγ——前刀面 Kr——主偏角 λs——刃傾角 γo——前角 αo——后角 Kr＇——副偏角 αo＇——副后角 圖2-1 空間應(yīng)該有三個(gè)自由度才能保證三個(gè)面和六個(gè)基本角度，而在我們常用的夾具里，萬能虎鉗就是最常見的能實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的輔助夾具，所以我們可以借鑒，從而實(shí)現(xiàn)刃磨。 工作原理： （1） 后刀面的刃磨 首先把車刀緊固在虎鉗1上，將轉(zhuǎn)體5相對(duì)于底座6轉(zhuǎn)動(dòng)（繞Y軸線）--車刀的主偏角Kr，使刀刃與縱向進(jìn)給方向平行，角度值可從刻度盤7讀出，再將虎鉗相對(duì)于3轉(zhuǎn)動(dòng)（繞Z軸線）--車刀的軸向后角。角度值可從刻度盤2讀出，此時(shí)，車刀的整個(gè)后刀面都出于切削平面內(nèi)，當(dāng)萬能虎鉗隨工作臺(tái)作縱向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可刃磨出車刀的后刀面。副后刀面刃磨基本相同。 (原理如圖2-3所示) (2) 前刀面的刃磨 車刀在虎鉗上緊固后，將轉(zhuǎn)體5相對(duì)于底座6轉(zhuǎn)動(dòng)（繞Y軸線），--車刀的主偏角Kr，角度值可從刻度盤7讀出，將虎鉗1相對(duì)于轉(zhuǎn)體3轉(zhuǎn)動(dòng)（繞Z軸線）--車刀的軸向前角，角度值可從刻度盤2讀出。在將轉(zhuǎn)體3相對(duì)于轉(zhuǎn)體5轉(zhuǎn)動(dòng)（繞X軸線）--刃傾角λs，角度值可從刻度盤4讀出（如果λs=0，則不需轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)體3），這樣車刀的整個(gè)前刀面（經(jīng)刃磨后的）都出于水平位置，當(dāng)萬能虎鉗歲工作臺(tái)作作縱向直線往復(fù)運(yùn) 動(dòng)，即可刃磨前刀面。 1一虎鉗; 2、4、7一刻度盤; 3、5一轉(zhuǎn)體； 6一底座 圖2-3 【方案2】 由于空間需要三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，才能保證三個(gè)面和六個(gè)基本角度，可以借鑒機(jī)器人的腕關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)刃磨。機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副（轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號(hào)，輸出的是線、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置。如圖2-4所示。 1、關(guān)節(jié)1 2、關(guān)節(jié)2 3、關(guān)節(jié)3 圖2-4 利用該種結(jié)構(gòu)，用三臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行輸入，就可實(shí)現(xiàn)空間的三個(gè)角度的旋轉(zhuǎn)輸出，這三條傳動(dòng)路線分別如下: 電機(jī)1－齒輪Z1/Z2－齒輪Z3/Z4－θ2實(shí)現(xiàn)X軸的旋轉(zhuǎn); 電機(jī)2－齒輪Z5/Z6－θ1實(shí)現(xiàn)Z軸的旋轉(zhuǎn); 電機(jī)3－齒輪Z7/Z8－θ3實(shí)現(xiàn)Y軸的旋轉(zhuǎn); 車刀刀具可以裝夾在托板上，實(shí)現(xiàn)主后刀面、副后刀面、前刀面的刃磨，角度的調(diào)整，可以通過控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，位姿的調(diào)整由控制軟件按照位姿調(diào)整的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制。從而可以實(shí)現(xiàn)刀具的數(shù)控化刃磨。 §2.2 方案論證 方案一，由上述分析可知萬能虎鉗調(diào)整時(shí)需將三個(gè)坐標(biāo)軸都進(jìn)行調(diào)整，但由于X、Y、Z三軸是連動(dòng)的。當(dāng)夾具體繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，Y軸方向隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，但Z軸方向不變。繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，X、Z軸方位不變。繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，X、Y 方位隨著變動(dòng)。因此當(dāng)夾具繞X或Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，同時(shí)會(huì)帶動(dòng)其它軸旋轉(zhuǎn)，我們知道在刃磨刀具的幾個(gè)刀面時(shí)，刃磨的先后順序不同，刃磨的幾何角度也不同，因此在使用時(shí)，調(diào)整的幾何角度并不是獨(dú)立的刀具角度，而是對(duì)幾何角度在空間進(jìn)行分析后得到的角度。這樣就會(huì)在刃磨時(shí)，帶來計(jì)算的麻煩，勢(shì)必影響到刃磨的效率，且萬能虎鉗的調(diào)整是通過目測，由工人用手調(diào)整，這樣刃磨的質(zhì)量也很難保證。因此在磨床上利用萬能虎鉗來進(jìn)行車刀的刃磨其缺點(diǎn)是很明顯的。 方案二，為了解決萬能虎鉗三軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶來的聯(lián)動(dòng)調(diào)整問題以及計(jì)算時(shí)的麻煩，我提出第二種實(shí)現(xiàn)方案。由刃磨要求可知，在刃磨時(shí)要通過夾具體的回轉(zhuǎn)使刀具的被刃磨面回轉(zhuǎn)到與磨輪工作面平行的方位。因此，當(dāng)夾具回轉(zhuǎn)則需要三個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度以保證刃磨時(shí)所要求的角度，由以上對(duì)萬能虎鉗的分析知，該夾具的三個(gè)方向的回轉(zhuǎn)自由度并不是獨(dú)立的，在旋轉(zhuǎn)時(shí)角度是很難控制的，因此為了方便而準(zhǔn)確的控制三個(gè)方向的自由度，我們將這些自由度的生成關(guān)系獨(dú)立開來，我們采取第二個(gè)實(shí)施方案。該結(jié)構(gòu)由三部分組成，一部分有一個(gè)自由度，并且三部分的軸線交于一個(gè)平面。三部分的實(shí)現(xiàn)由三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制，則三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)自由度就可實(shí)現(xiàn)，并且是獨(dú)立的存在，不會(huì)有干涉的現(xiàn)象，再采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這樣在刃磨車刀時(shí)，要使刀具待磨面與磨輪工作面平行，我們只需要分別控制三臺(tái)電機(jī)來實(shí)現(xiàn) 三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)，三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)由數(shù)學(xué)建模關(guān)系控制，就可輕易的實(shí)現(xiàn)人為控制，得到我們所需的角度。 在三個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)上，有兩種方案可以實(shí)現(xiàn)，第一種就是三臺(tái)電機(jī)同時(shí)布置在一個(gè)機(jī)體內(nèi)，第二種可以使進(jìn)給方向有兩個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)，然后再利用砂輪的旋轉(zhuǎn)，提供第三個(gè)自由度，這樣也可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的控制，在整個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們對(duì)這兩個(gè)方案也進(jìn)行了論證，最后在實(shí)現(xiàn)控制上，我們發(fā)現(xiàn)，第一、數(shù)學(xué)模型的建立，都是以刀具的旋轉(zhuǎn)為研究對(duì)象的；第二、考慮到設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的緊湊性，我們最終考慮采用了第二種方案中的2，利用三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的控制，從而得到要磨的刃磨角度。 圖2-4方案可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)回轉(zhuǎn)軸線相交于一點(diǎn)，這樣三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)彼此不會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，三個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，這樣控制算法上比較簡單容易實(shí)現(xiàn)，但在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)的相對(duì)復(fù)雜，為此，我們?cè)谶@個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)這個(gè)方案部分結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行改型，從而力求得到比較合理的適合于刀具刃磨的結(jié)構(gòu)。 Z軸方向布置一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)垂直水平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，平行于水平面布置一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)繞X軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，水平面內(nèi)垂直于X軸布置一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，從而就可實(shí)現(xiàn)繞Y軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？傮w結(jié)構(gòu)方案如圖2-5所示，為此 圖2-5 在次方案的基礎(chǔ)上我們只需進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制的設(shè)計(jì)，就可實(shí)現(xiàn)我們的設(shè)計(jì)要求。 第三章 方案實(shí)施 §3.1 數(shù)學(xué)模型建立 §3.1.1常見車刀 車刀是應(yīng)用最廣的一種單刃刀具。也是學(xué)習(xí)、分析各類刀具的基礎(chǔ)。車刀用于各種車床上，加工外圓、內(nèi)孔、端面、螺紋、車槽等。車刀按結(jié)構(gòu)可分為整體車刀、焊接車刀、機(jī)夾車刀、可轉(zhuǎn)位車刀和成型車刀。 圖3-1 常用車刀 a)外圓車刀 b) 外圓車刀 d)內(nèi)孔車刀 f)螺紋車刀 e)圓弧車刀 c)切斷刀 §3.1.2車刀幾何角度分析 圖3-2車刀幾何角度投影 §3.1.3數(shù)學(xué)模型建立 車刀刀面方程建立 1、建立坐標(biāo)系 1.1 車刀坐標(biāo)系 以外圓車刀的刀尖0為坐標(biāo)原點(diǎn)，負(fù)進(jìn)給方向?yàn)閤d 軸方向，吃刀運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閅d 軸方向，按右手法則建立車刀坐標(biāo)系。O-xdydzd，并與車刀“固結(jié)”。 1.2機(jī)床坐標(biāo)系 以車刀坐標(biāo)系的原點(diǎn)0為坐標(biāo)原點(diǎn)，xd軸方向?yàn)閤軸方向，Yd軸方向?yàn)閥軸方向，按右手法則建立機(jī)床坐標(biāo)系。O-xyz，并與機(jī)床“固結(jié)”。 2、建立刀面方程式 設(shè)車刀的三個(gè)刀面為平面，并設(shè)主偏角為kr、，副偏角為kr’：，主后角為a0、法向主后角為an進(jìn)給剖面主后af,切深剖面主后角為ap,主前角為γ0,法向前角為γn,進(jìn)給剖面前角為γf,切深剖面前角為γp,刃傾角為λs,副后角為αo＇,進(jìn)給剖面副后角為αp＇。 2.1主后刀面方程式 過刀尖o做主后刀面的單位法線，如圖4-3可知，該單位的法線的方向數(shù)（即Na在xd、yd、zd軸上的坐標(biāo)分量）pa，qa，ra分別為 pa=-cosαo×sinkr qa= cosαo×coskr ra=-sinαo 于是，主后面的方程式可表示為： xd -cosαo·sinkr T xd pa qa ra · yd = cosαo·coskr yd =0 (1) zd -sinαo zd 2.2 副后刀面方程式 過刀尖O作副后刀面的單位法線Na’，由圖4-3可知，該單位法線的方向數(shù)(即Na’在Xd、Yd、zd軸上的坐標(biāo)分量pa’ 、qa’、ra’： 分別為： 圖3-3 刀具角度投影關(guān)系圖 pa’=-cosαo’×sinkr qa’= cosαo’×coskr ’ ra’=-sinαo’ 于是，副后刀面方程式為: xd -cosαo’·sinkr ’ T xd pa’ qa ‘ ra ‘ · yd = cosαo’·coskr ’ yd =0 (2) zd -sinαo’ zd 2.3 前刀面方程式 過刀尖O作前刀面的單位法線Nr，由上圖可知，該單位法線的方向數(shù)(即Nr,在Xd、Yd、zd軸上的坐標(biāo)分量)pr 、qr、rr： 分別為： pr=sinγn·sinkr - cosγn·sinλs ·coskr qr=-sinγn·coskr - cosγn·sinλs ·sinkr rr= cosγn·cosλs 于是前刀面的方程式可表示為： xd sinγn·sinkr - cosγn·sinλs ·coskr xd pr 、qr、rr · yd = -sinγn·coskr - cosγn·sinλs ·sinkr yd =0 (3) zd cosγn·cosλs zd 車刀的位姿調(diào)整 1、 建立砂輪的磨削平面方程 設(shè)磨刀砂輪的軸線與機(jī)床坐標(biāo)系。O-XYZ的x軸平行．并以砂輪的端平面刃磨車刀的各表面，那么砂輪的磨削平面方程可描述為： x 1 0 0 · y = 0 z 2、車刀的位姿調(diào)整要求： (1)能實(shí)現(xiàn)任意一個(gè)被刃磨刀面與砂輪的磨削平面重合； (2)能實(shí)現(xiàn)沿磨刀砂輪軸線方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)； (3)能保證磨削在砂輪的輪沿附近進(jìn)行； 3、車刀的姿態(tài)調(diào)整 圖 3 - 4 姿態(tài)調(diào)整的理論依據(jù)是坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，任意一個(gè)被刃磨刀面經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)以后應(yīng)能夠與砂輪的磨削平面重合或平行、車刀坐標(biāo)系的起始位置與機(jī)床坐標(biāo)系重合。考慮到設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和刃磨時(shí)主要利用砂輪的端面刃磨，為了提高刃磨效率和提高刃磨質(zhì)量，所以需確定刃磨的先后順序。綜合考慮上述因素，我們確定了如下刃磨順序。 3.1主后刀面刃磨 要想讓主后刀面調(diào)整到與機(jī)床坐標(biāo)系的yoz平面相平行的位置需要經(jīng)過兩次旋轉(zhuǎn)變換。第一次讓刀具連同坐標(biāo)系。讓步進(jìn)電機(jī)繞Z軸沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)kr 。如 圖 3 - 4 所 示 ，然后讓X向步進(jìn)電機(jī)繞X軸選轉(zhuǎn)一個(gè)后角，則主后刀面就可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的刃磨。 3.2副后刀面刃磨 副后刀面的刃磨和主后刀面的刃磨基本相似，所不同的就是第一步的旋轉(zhuǎn)方向有所不同，首先應(yīng)該逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)副偏角，副后角同樣需要X方向步進(jìn)電機(jī)調(diào)整。 3.3 前刀面的刃磨 前刀面的刃磨時(shí)，首先旋轉(zhuǎn)一個(gè)主偏角，然后再旋轉(zhuǎn)一個(gè)軸向前角，最后旋轉(zhuǎn)一個(gè)刃傾角。這樣需要三次旋轉(zhuǎn)才可實(shí)現(xiàn)前刀面的刃磨，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)順序?yàn)閆向步進(jìn)電機(jī)-Y向步進(jìn)電機(jī)-X向步進(jìn)電機(jī)。 §3.2 機(jī)械部分設(shè)計(jì) §3.2.1刃磨基本條件 車刀的材料 常用車刀材料一般有高速鋼(High-speed steel)和硬質(zhì)合金(Horniness metal)兩類。 （1）高速鋼車刀 高速鋼是一種加了較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高速工具鋼，特點(diǎn)是較高的熱穩(wěn)定性，且學(xué)溫度達(dá)500～600攝氏度，與碳素工具鋼，合金工具鋼相比，切削速度提高1～3倍，耐用度提高10～40倍。 （2）硬質(zhì)合金車刀 硬質(zhì)合金是以鎢的碳化物（WC）鈦的碳化物（TiC）的粉末為基礎(chǔ)，以鈷為粘結(jié)劑，用粉末冶金法，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，硬質(zhì)合金的紅硬性為W80～1000攝氏度，它的切削速度為高速鋼的4～10倍，常溫時(shí)，硬質(zhì)合金較脆，怕沖擊和振動(dòng)，不能制成復(fù)雜刀具，用其制成整體式的較少，大多為刀片。 刀具的磨損形式 刀具的磨損按其發(fā)生部位主要有以下形式:如圖3-5所示 1、刀面磨損 磨損主要發(fā)生在刀具的后刀面上,后刀面磨損后,形成后角等于零的小棱面,磨損程度以棱面高度h后表示。 2、前刀面的磨損 磨損部位主要發(fā)生在刀具的前刀面上，在主切削刃的后方產(chǎn)生一個(gè)月牙洼，磨損程度與月牙洼的深度h前表示。 3、前刀面與后刀面同時(shí)磨損 這種磨損是指刀具前刀面的月牙洼與后刀面上的棱面同時(shí)產(chǎn)生 一般，刀具在切削工件的過程中，其后刀面都有磨損，h后的大小直接影響工件的加 工精度、表面的光潔度和生產(chǎn)效率，同時(shí)h后測量方便，故生產(chǎn)實(shí)踐中常以h后的大小表示刀具磨損程度。 圖3- 5 刀具磨損形式 砂輪選取 （1） 材料選取 砂輪是由磨料加結(jié)合劑用制造陶瓷的工藝方法制成的。砂輪的特性由下列五個(gè)因素來決定：磨料、粒度、結(jié)合劑、硬度和組織。常用的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨料系三類。如表1-1所示。 選用原則 刃磨刀具的砂輪應(yīng)使刃磨后的刀具具有鋒利的切削刃和一定的光潔度，并且刀面無退火燒傷現(xiàn)象。選擇砂輪是主要依據(jù)刀具材料的性質(zhì)、磨削性質(zhì)、圖紙要求等，選擇砂輪的磨料、粒度、硬度、結(jié)合劑、形狀和尺寸。具體有一些基本原則： 1.工件硬度工件越硬，砂輪硬度應(yīng)選得軟些，使磨鈍了的磨?？禳c(diǎn)脫落，以便砂輪經(jīng)常保持有銳利的磨粒在工作，避免工件因磨削溫度過高而燒傷。?工件材料越軟，砂輪的硬度應(yīng)選得硬些，使磨粒脫落得慢些，以便充分發(fā)揮磨粒的切削作用。 2.砂輪與工件的接觸面積大時(shí)，應(yīng)選用軟砂輪，使磨粒脫落快些，以免工件因磨屑堵塞砂輪表面而引起表面燒傷。內(nèi)圓磨削和端面平磨時(shí)，砂輪硬度應(yīng)比外圓磨削的砂輪硬度低。磨削薄壁零件及導(dǎo)熱性差的工件時(shí)，砂輪硬度也應(yīng)選得低些。?3.精磨和成型磨精磨和成型磨削時(shí)，應(yīng)選用硬一些的砂輪，以保持砂輪必要的形狀精度。4. 砂輪粒度大砂輪的粒度號(hào)越大時(shí)，其硬度應(yīng)選低一些的，以避免砂輪表面組織被磨屑堵塞。5.工件材料磨削有色金屬、橡膠、樹脂等軟材料，應(yīng)選用較軟的砂輪，以免砂輪表面被磨屑堵 塞。 根據(jù)上述理論對(duì)于車刀的刃磨應(yīng)分別選取砂輪材料 ① 氧化鋁砂輪適用于高速鋼車刀 ② 碳化硅砂輪適用于硬質(zhì)合金車刀 磨料名稱 代號(hào) 特 點(diǎn) 適 用 范 國 棕剛玉 GZ 有足夠的硬度，韌性大，抗彎強(qiáng)度高，價(jià)格便宜 磨削碳素鋼、一般合金鋼，可鍛鑄鐵，硬青銅等。特剮適于墨未淬硬鋼和調(diào)質(zhì)鋼以及粗磨工序 白剛玉 GB 比棕剛玉硬而脆，自銳性好，磨削力和磨削熱量較小，價(jià)格比棕剛玉高 磨削淬硬鋼，高速鋼，高碳鋼，螺紋，齒輪，薄壁．薄片零件以及刃磨刀具等 鉻剛玉 GG 硬度與白剛玉相近而韌性較好 可磨削合金鋼，高速鋼，錳鋼等高強(qiáng)度材料以及光潔度要求較高的工序。也適于成型磨削，刃磨刀具等 單晶剛玉 GD 硬度和韌性都比白剛玉高 磨削不銹鋼和高釩高速鋼等韌性大、硬度高的材料 微晶剛玉 GW 強(qiáng)度高，韌性和自銳性好 磨削不銹鋼，軸承鋼和特種球墨儔鐵等 黑碳化硅 TH 硬度比白剛玉高，但脆性大 磨削鑄鐵，黃銅、軟青銅以及橡皮，塑科等非金屬材料 綠碳化硅 TL 硬度與黑碳化硅相近而脆性更大 磨削硬質(zhì)合金、光學(xué)玻璃等 金剛石 JR JT 硬度最高，磨削性能好，價(jià)格昂貴 磨削硬質(zhì)合金、光學(xué)玻璃等高硬度材料 刀具材料 加工情況 砂輪 磨料 粒度 硬度 結(jié)合劑 碳素工具鋼 粗 磨 精 磨 棕剛玉 棕剛玉 46#-60# 80#-120# ZR1-ZR2 ZR1-ZR2 陶瓷 瓷陶 高速鋼及合金鋼 粗 磨 精 磨 精 磨 白剛玉 白剛玉 碳化硅 46#-60# 80#-120# 120#-180# R3-ZR1 R3-ZR1 ZR1-ZR2 瓷陶 瓷陶 樹脂或橡膠 硬質(zhì)合金 粗 磨 精 磨 粗 磨 半精磨 精 磨 碳化硅 碳化硅 人造金剛石 人造金剛石 人造金剛石 60#-80# 100#-150# 80# 150#-180# 180#-280# R1- R3 R2- R3 100-150% 50-75% 50% 瓷陶 瓷陶 金屬結(jié)合劑 金屬結(jié)合劑 樹脂結(jié)合劑 （2）砂輪形狀及尺寸選取 1、 砂輪形狀選擇 砂輪的粒度、硬度組織和材料的選擇不同，都會(huì)對(duì)被磨工件表層金屬的塑性變形產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響表面粗糙度。砂輪的速度越高，單位時(shí)間內(nèi)通過被磨表面的磨粒 數(shù)就越多，因而工件表面的粗糙度值就越小。砂輪粒度和砂輪修整對(duì)表面粗糙度的影響。 對(duì)于車刀的刃磨主要是氧化鋁砂輪和碳化硅砂輪，根據(jù)如表3-1所示砂輪結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)刃磨機(jī)結(jié)構(gòu)安裝尺寸和車刀角度刃磨時(shí)空間位置，可以對(duì)砂輪進(jìn)行外形選擇。 表3-1砂輪類型 砂輪類型 斷面簡圖 代號(hào) 直徑(mm) 厚度(mm) 孔徑(mm) 平型砂輪 P 6-600 5-200 2-305 雙斜邊一號(hào)砂輪 PSX1 100-350 10-32 20-127 單斜邊二號(hào)砂輪 PDX2 150-350 10-25 25-127 單面凹砂輪 PDA 30-600 25-75 10-305 雙面凹砂輪 PSA 200-600 25-75 25-203 薄片砂輪 PB 100-400 1-5 20-32 筒形砂輪 N 150-400 50-200 100-350 杯形砂輪 B 50-250 40-200 13-150 碗形砂輪 BW 50-175 25-63 13-32 碟形砂輪 D 100-300 13-25 13-32 磨量規(guī)砂輪 JL 150-250 10-32 32-75 磨針砂輪 JZ 400-450 150-200 100-150 通常，用碗形(或杯形)砂輪刃磨刀具的后刀面，在刃磨過程中，由于杯形砂輪的直徑不變，因而更適用于無變速裝置的磨床。目前碗形(杯形)砂輪的直徑都較小，砂輪圓周速度低，磨粒易變鈍，刀具表面光潔度差，故實(shí)際當(dāng)中為了提高砂輪圓周速度，選用直徑較大的平形砂輪，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整，用來刃磨后刀面。刃磨前刀面一般用碟形砂輪。在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中為了提高刃磨效率和簡化刃磨機(jī)床結(jié)構(gòu)，采用了平行砂輪進(jìn)行刀具各個(gè)面的刃磨。 §3.2.2磨削力估算 磨削力F可分解為互相垂直的三個(gè)分力，即沿砂輪徑向的法向磨削力Fn，沿砂輪切向的切向磨削力Ft；以及沿砂輪回轉(zhuǎn)軸線方向的軸向磨削力Fα。軸向分力F。較小，可不計(jì)，如圖3-6所示。由于砂輪磨粒具有較大的負(fù)前角，所以法向磨削力Fn大于切向磨削力Ft，通常Fn/Ft在1.5～3范圍內(nèi)。Fn和Ft的比值與砂輪銳利程度有關(guān)，砂輪鈍化，F(xiàn)n／Ft值增大。另外，F(xiàn)n與Ft的比值也隨被磨材料而異，例如，磨削普通鋼料時(shí)，F(xiàn)n/Ft=1.6～1.8；磨削淬硬鋼時(shí)Fn/Ft=1.9～2.6；磨削鑄鐵時(shí)Fn/Ft=2.7～3.2；Fn與Ft的比值還與磨削方式有關(guān)。 圖3-6 磨削分力 由于在車刀刃磨過程當(dāng)中，磨削力主要為切向力，而且其非常小，故通常采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)公式可得到下列表中數(shù)據(jù)：如表3-2所示 表3-2所示 磨削時(shí)磨削力F、摩擦系數(shù) 工件材料 Vs（m/s） Vw（m/min） Ftc（N） Fnc（N） Ftc/ Fnc μ 20鋼 31.75 2.44 5.78 5.92 0.98 0.61 GGr15 31.75 2.44 6.89 14.10 0.49 0.31 W18Cr4V 31.75 2.44 5.96 20.11 0.30 0.21 鈦 31.75 2.44 7.12 27.89 0.26 0.66 鈮 31.75 2.44 10.41 5.36 1.84 0.46 鉬 31.75 2.44 9.47 12.90 0.73 0.57 鎢鉻鈷合金 31.75 2.44 － － － 0.15 砂輪的選取 砂輪的圓周速度，即砂輪外圓表面上任意一點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所走過的距離，若知道砂輪的直徑D，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)，在砂輪外圓表面上上任意一點(diǎn)所走過的距離等于砂輪圓周長，即 圓周長(毫米)=π·D，假設(shè)砂輪每分鐘轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)，則砂輪表面上任意一點(diǎn)在每分鐘內(nèi)所走過的距離，即每分鐘所走過的距離（毫米）=π·D砂輪·n砂輪 ν砂輪=π·D砂輪·n砂輪/60×1000（m/s） ………公式2 ν砂輪………砂輪圓周速度（m/s） D砂輪………砂輪直徑（mm） n砂輪………砂輪轉(zhuǎn)速r/min 砂輪的安全圓周速度，就是砂輪最大的工作線速度，它表示砂輪在回轉(zhuǎn)情況下的回轉(zhuǎn)強(qiáng)度，即在離心力作用下不致破壞的程度。也就是說，砂輪在等于或小于安全圓周速度下磨削時(shí)，砂輪不會(huì)破碎，工作安全，如果大于砂輪的安全圓周速度時(shí)，其離心力會(huì)超過結(jié)合劑的粘結(jié)能力，砂輪便發(fā)生破碎。所以，磨削加工時(shí)，為了安全起見，砂輪最大工作線速度不應(yīng)超過表2-3的規(guī)定。其中，粒度為36。及更粗而硬度為R。及更軟的砂輪，最大工作線速度應(yīng)低于表2-3中規(guī)定的20％，橡膠結(jié)合劑柔軟拋光砂輪，工作線速度不得大于35m/s，用于高速磨削的砂輪，其最大工作線速度見表2-3。在磨削工作中，砂輪的安全圓周速度已給定，從上述公式可知，根據(jù)砂輪直徑，能夠求出砂輪的轉(zhuǎn)速，其換算公式為 根據(jù)刃磨經(jīng)驗(yàn)，通常取砂輪圓周速度ν砂輪=20m/s，由于在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，砂輪和電機(jī)直接固聯(lián)，砂輪電動(dòng)機(jī)統(tǒng)常采用三相異步電動(dòng)機(jī)，由于固聯(lián)，所以最高轉(zhuǎn)速為3000r/min。根據(jù)計(jì)算公式2 D砂輪=60×1000×ν砂輪/（π·n砂輪） 代入數(shù)據(jù)： =60×1000×20/（π·3000） =127.4mm 根據(jù)砂輪參數(shù)表：可以選取砂輪為D=150mm 由上述知碳化硅砂輪適用于硬質(zhì)合金車刀，進(jìn)一步選區(qū)砂輪的粒度為60#-150#，硬度為R1-R3，氧化鋁砂輪適用于高速鋼車刀、粒度為180#-220#，硬度為R1-R3，結(jié)合劑為陶瓷。 硬質(zhì)合金刀具磨削方式：硬質(zhì)合金刀具可以成倍的提高切削速度，其耐磨性好，使用壽命長，但硬質(zhì)合金硬度高，脆性大，導(dǎo)熱系數(shù)小，加工中容易產(chǎn)生裂紋，崩缺現(xiàn)象，實(shí)際反復(fù)試驗(yàn)，在碳化硅砂輪工作面開一定的數(shù)量的溝槽，用于加工硬質(zhì)合金，可以得到較好的刃磨表面，砂輪上由于開了槽，磨鈍脫落的磨粒、碎裂的磨粒可納入槽內(nèi)，砂輪不易堵塞，易于保持鋒利，刀具不易劃傷工作表面，從而改善工作條件。 砂輪電動(dòng)機(jī)的選取： 砂輪電動(dòng)機(jī)通常采用三相異步電動(dòng)機(jī)，其可分為籠式和繞線式兩種?；\式轉(zhuǎn)子的異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、重量輕、價(jià)格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用，其中Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，做為一般用途全封閉(或防護(hù)式)三相鼠籠型、自扇冷三相異步電動(dòng)機(jī),是國內(nèi)中小型電機(jī)的基本系列。Y系列電機(jī)具有效率高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、噪音低、振動(dòng)小、外形美觀、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。 根據(jù)實(shí)際的轉(zhuǎn)速要求和刃磨時(shí)刀具所需的實(shí)際扭矩情況，砂輪電動(dòng)機(jī)可以選則Y系列當(dāng)中的電機(jī)：參數(shù)如下 型號(hào)Y801-2 額定功率 0.75千瓦 同步轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘 額定轉(zhuǎn)矩 2.2N·m §3.2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于本次設(shè)計(jì)當(dāng)中為了簡化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，所以采用三臺(tái)電機(jī)布置在同一個(gè)安裝平面的結(jié)構(gòu)形式，這勢(shì)必要考慮相互之間的連接問題，為了避免由于電機(jī)的重量、刀架和刀具的質(zhì)量過重對(duì)電機(jī)軸產(chǎn)生附加徑向力，造成電機(jī)軸必須承受彎矩的情況，本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，有三處采用了空心軸的聯(lián)結(jié)，利用空心軸和軸承形成卸荷結(jié)構(gòu)，把附加彎矩轉(zhuǎn)化的機(jī)體上，從而解決了實(shí)際結(jié)構(gòu)存在的問題。 關(guān)節(jié)1采用圓桶型空心軸（如圖3-7所示），用二個(gè)圓錐滾子軸承支承，軸承間隙可調(diào)。具有結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、承載能力強(qiáng)、旋轉(zhuǎn)精度高、并可在軸內(nèi)走線的特點(diǎn)。關(guān)節(jié)2采用兩端支承的空心軸結(jié)構(gòu)（如圖3-8所示），使電機(jī)組的一部分能插入空心軸里，縮短了電機(jī)外露長度，減小整機(jī)尺寸，外觀形狀好。同時(shí)，還具有支承剛度高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)輕巧靈活的特點(diǎn)。關(guān)節(jié)3與其機(jī)架殼體組合成一個(gè)整體，整個(gè)電機(jī)組安裝在機(jī)架殼體內(nèi)。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輸出軸設(shè)計(jì)有卸荷結(jié)構(gòu)，即：將與之連接的其刀架和部件自重產(chǎn)生的重力矩不作用到驅(qū)動(dòng)輸出軸上去，而是利用二個(gè)軸承傳到機(jī)架殼體上，由機(jī)架殼體去承擔(dān)，驅(qū)動(dòng)軸只承受扭矩，不承受彎矩。這樣的結(jié)構(gòu)剛性好、運(yùn)動(dòng)靈活可靠、運(yùn)動(dòng)精度高；而且結(jié)構(gòu)整體性好，并且有模塊式特點(diǎn)，部件之間裝拆方便，有利于各部件單獨(dú)調(diào)試和維修。 這個(gè)機(jī)械部分，通過空心軸減小了安裝尺寸，在結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了最小化，由于兩個(gè)軸的軸心相交于一點(diǎn)，有力于控制算法的實(shí)現(xiàn)。 圖3-7 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖1 圖3-8 機(jī)械接構(gòu)圖 2 軸承的選取 由于滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，起動(dòng)快，起動(dòng)阻力矩小，效率高，對(duì)于同一尺寸的軸頸滾動(dòng)軸承的寬度小，可使機(jī)器軸向尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)轉(zhuǎn)精度高，徑向游隙比較小并可用預(yù)緊完全消除，冷卻、潤滑裝置結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)保養(yǎng)方便，不需要用有色金屬，對(duì)軸的材料和熱處理要求不高，所以在刃磨機(jī)的空心軸上選用滾動(dòng)軸承；根據(jù)其空間的安裝位置、尺寸，受載荷不同，X方向選用深溝球軸承，只能承受徑向力；由于Y方低轉(zhuǎn)速、徑向尺寸受限制的裝置中，選用滾針軸承，而Z方向承載能力較大，選用圓錐滾子軸承。（ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·第四卷 第二版 2000 ）選用型號(hào)如表3-3： 表3-3 軸承基本參數(shù) 類 型 型號(hào) d D Cr Cor 極限轉(zhuǎn)速 深溝球軸承 6020 100 150 64.5 56.2 3800 圓錐滾子軸承 33006 30 55 43.8 58.8 6300 滾針軸承 NA4900 10 22 8.6 9.2 15000 §3.2.4失電制動(dòng)器選擇（安全制動(dòng)器） 由于三臺(tái)電機(jī)是布置在空間位置，電機(jī)整個(gè)相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁，在電機(jī)失電的情況下，電機(jī)失去保持力矩，在慣性的作用下就會(huì)發(fā)生刀架和機(jī)體的回轉(zhuǎn)，而不能保持原有位置，因此必須從結(jié)構(gòu)上考慮解決方案。 而失電制動(dòng)器其原理與通電制動(dòng)的電磁制動(dòng)器相反，即斷電（失電）制動(dòng)。該產(chǎn)品是伴隨著各類交直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，為保持與電機(jī)得電、失電狀態(tài)的協(xié)調(diào)一致而發(fā)展起來的。因此該產(chǎn)品特別適用于各類有制動(dòng)功能的電機(jī)配套和斷電后有保持制動(dòng)要求的機(jī)械設(shè)備，如升降機(jī)械、傳輸機(jī)械等選用。 按形成制動(dòng)扭矩的作用原理，失電制動(dòng)器又可分為機(jī)械（壓簧）式和永磁式兩大類。隨著鐵氧體、釹鐵硼、釤鈷等各種磁性材料的發(fā)展，永磁型失電制動(dòng)器也隨之發(fā)展。在上述各類磁性材料，只要其各種磁性能系數(shù)對(duì)溫度化的敏感性較低，均可用于在失電制動(dòng)器中配置。永磁型失電制動(dòng)器從制造到使用和可靠性等諸多方面均有明顯的優(yōu)越性。 1、永磁失電制動(dòng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 電磁失電制動(dòng)器是在失電(不通電)狀態(tài)時(shí)由彈簧力將銜鐵與摩擦片壓緊產(chǎn)生摩擦力距，摩擦片通過聯(lián)結(jié)與旋轉(zhuǎn)軸相連，使旋轉(zhuǎn)軸停止運(yùn)動(dòng)，而起制動(dòng)作用。當(dāng)制動(dòng)器通電后，電磁力克服彈簧力吸引銜鐵，這樣銜鐵與摩擦片間的摩擦力消失，使旋轉(zhuǎn)軸處于自由狀態(tài)。如圖3-9所示。 2、應(yīng)用范圍 由于失電制動(dòng)器在不通電狀態(tài)下具有可靠的制動(dòng)力矩，且其制動(dòng)力矩的釋放和產(chǎn)生的時(shí)間短、頻率高，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)的停止、保持以及安全等有獨(dú)特的作用?？蓮V泛應(yīng)用于微型減速電機(jī)中。 圖3-9 失電制動(dòng)器結(jié)構(gòu)、安裝示意圖 失電制動(dòng)器參數(shù)表3-4 參數(shù) DDGZ1-04 DDGZ1-10 DDGZ1-20 DDGZ1-40 DDGZ1-50 DDGZ1-80 DDGZ1-160 DDGZ1-250 型號(hào) 摩擦 扭矩 靜 4.4 11 22 45 55 90 175 275 動(dòng) 4 10 20 40 50 80 160 250 激磁電壓 U（DC-V） 24 激磁功率 P20℃（W） 11 15 20 25 32 35 45 55 最高轉(zhuǎn)速（rpm） 8000 6000 5000 4000 3000 3000 2000 2000 型號(hào) DDGZ1-04 DDGZ1-10 DDGZ1-20 DDGZ1-40 DDGZ1-50 DDGZ1-80 DDGZ1-160 DDGZ1-250 參數(shù) D1 80 100 125 150 150 190 230 280 D2 72 90 112 137 137 175 215 260 D3 35 42 52 62 62 80 100 120 D4 46 60 76 95 95 120 150 185.5 D5 63 80 100 125 125 160 200 241 D6 26 31 41 49 70 65 83 100 D 15 15 20 25 40 30 45 55 h 17.3 17.3 22.8 28.3 43.3 33.3 48.8 59.3 b 5 5 6 8 12 8 14 16 L 22.5 24.5 28 31 36.9 35 41 48.5 L1 37.5 44.5 53 61 95.4 73 83 98.5 §3.2.5砂輪架升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1、齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)其傳動(dòng)特點(diǎn)：齒輪與齒條直接嚙合，將齒輪 的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒條的直線運(yùn)齒輪齒條方式傳動(dòng)的最大特點(diǎn)是剛性大，結(jié)構(gòu)緊湊重量輕，可以傳遞遞較大的力，但因齒條穩(wěn)定性的要求，行程不能太大。齒輪齒條機(jī)構(gòu)制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，不宜用于兩軸間距離較大的場合。 2、 絲杠螺母傳動(dòng)?？梢詡鬟f較大的力，但因螺旋穩(wěn)定性的要求，行程不能太大，精度高、傳動(dòng)可逆性、同步性能好，螺旋傳動(dòng)推動(dòng)工作臺(tái)上升速度較慢傳動(dòng)效率高。 在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，此結(jié)構(gòu)主要考慮到砂輪架的縱向進(jìn)給和和刀具的橫向進(jìn)給，這兩者的進(jìn)給量都是由手動(dòng)控制，且進(jìn)給量比較小，砂輪高度的調(diào)整，一般只需經(jīng)過一次調(diào)整，在整個(gè)刃磨過程中不需在調(diào)整，而手都刃磨余量，通常都是刀具磨損的量，都是比較小的量，所以，為了簡化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減小整個(gè)機(jī)床的縱向尺寸，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們采用了螺旋副傳遞扭矩，通過螺旋副自身自鎖，縱向利用導(dǎo)軌，限制周向旋轉(zhuǎn)，保證了砂輪架的升降。 在設(shè)計(jì)當(dāng)中，簡化了方案2當(dāng)中的蝸輪和蝸桿傳動(dòng)，直接利用絲杠傳動(dòng)，手輪垂直布置在機(jī)體內(nèi)部，減小了整體結(jié)構(gòu)尺寸。 §3.3 控制部分設(shè)計(jì) 機(jī)械技術(shù)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，機(jī)械技術(shù)的著眼點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其它高、新技術(shù)來更新概念，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上的變更，滿足減小　重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能的要求。在制造過程的機(jī)電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝應(yīng)借助于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，同時(shí)采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機(jī)械制造技術(shù)。機(jī)電一體化的共性包括檢測傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)以及系統(tǒng)總體技術(shù)等。各組成部分（即要素）的性能越好，功能越強(qiáng)，而且各組成部分之間配合越協(xié)調(diào)，則產(chǎn)品的性能和功能就越好。這就要求將上述多種技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，也就是人們所說的融合。只有實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)整體最佳，這樣的產(chǎn)品才能稱得上是機(jī)電一體化產(chǎn)品。如果僅用微型計(jì)算機(jī)取代原來的控制器，其產(chǎn)品不能稱為機(jī)電一體化產(chǎn)品。 本次設(shè)計(jì)的智能車刀刃磨機(jī)就是機(jī)電一體化產(chǎn)品，我們方案就是要實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)和控制電的結(jié)合，滿足設(shè)計(jì)要求。所以在機(jī)械原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，決定利用微控制器－單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其自動(dòng)控制，減輕使用人員的輔助工作，從而達(dá)到智能化。 設(shè)計(jì)主要包括兩部分的內(nèi)容：第一部分硬件電路的設(shè)計(jì)；第二部分軟件設(shè)計(jì)； §3.3.1控制方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的控制方案由機(jī)械部分分析可知，就是能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)方向的自由度控制，整個(gè)控制當(dāng)中旋轉(zhuǎn)角度要可控，同時(shí)在控制當(dāng)中首先，要能對(duì)刃磨的車刀類型進(jìn)行選擇，其次，通過輸入需要刃磨的角度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，由于刃磨量是一個(gè)隨機(jī)控制量，根據(jù)實(shí)際刀具磨損情況而定，所以在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，進(jìn)給量采用手動(dòng)控制，根據(jù)本次設(shè)計(jì)任務(wù)，我們通過查閱相關(guān)資料和實(shí)際調(diào)研，決定采用微控制器－單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的控制，同時(shí)在控制當(dāng)中考慮制動(dòng)控制，被控制量在數(shù)碼管中顯示，最終設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)控制要求，達(dá)到成本最低，結(jié)構(gòu)最簡單，功能完善的目的。 §3.3.2硬件電路設(shè)計(jì) 1、 微控制器選擇 微控制器--單片機(jī)的品種繁多，主要出名品牌有：ATMEL公司的AVR單片機(jī),是增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī)，芯片上的Flash存儲(chǔ)器附在用戶的產(chǎn)品中，可隨時(shí)編程，再編程能力，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令，每MHz可實(shí)現(xiàn)1MIPS的處理能力。電壓為2.7～6.0V,可以實(shí)現(xiàn)耗電最優(yōu)化。AVR的單片機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備，工業(yè)實(shí)時(shí)控制，儀器儀表，通訊設(shè)備,家用電器，宇航設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。Motorola單片機(jī): Motorola是世界上最大的單片機(jī)廠商。從M6800開始,開發(fā)了廣泛的品種,4位,8位,16位32位的單片機(jī)都能生產(chǎn),其中典型的代表有:8位機(jī)M6805,M68HC05系列,8位增強(qiáng)型M68HC11,M68HC12 , 16位機(jī)M68HC16, 32位機(jī)M683XX。Motorola單片機(jī)的特