小型数控工具磨床热变形及误差补偿试验台方案设计.doc

成都学院——工业制造学院

机械设计与制造及其自动化专业
方向性课程设计说明书

设计题目： 小型数控工具磨床热变形及误差补偿
试验台方案设计

班 级： 2011级机设x班

设 计 者：

指导老师：
完成日期： 2014年7月9日

目录

1） 、数控磨床选择及技术参数…………………………… 3
2） 、主轴部件设计………………………………………… 3
3） 、热变形、热误差……………………………………… 5
4） 、温度、位移检测系统设计…………………………… 8
5） 、试验台基础构件设计……………………………… 10
6） 、三坐标工作台……………………………………… 10
7）、工作台传动机构设计…………………………………11
8） 、滚珠丝杠副的选择………………………………… 16
9） 、支承方式…………………………………………… 16
10） 、导轨的选择及技术参数……………………………17
11） 、工作台型面…………………………………………18

小型数控工具磨床热变形及误差补偿试验台
方案设计

这次任务以MK1320数控外圆磨床为基础，进行机床的热变形分析与温度检测，从而来设计误差补偿试验台。
1、 MK1320主要技术参数
车头主轴转速/（r/min） 60,85,230
中心高/mm 125 顶尖距/mm 520
最大磨削直径/mm 8~200 最大磨削长度/mm 500
最大工件质量/kg 50
砂轮最大直径x宽度/（mmxmm） 600x125
砂轮最大线速度/（m/s） 50 砂轮最小进给量/mm 0.0005
工作台最小进给量/mm 0.001 工作台最大移动量/mm 600
圆度/mm 0.0015 圆柱度/mm 0.005
粗糙度/um 0.32
主电机功率/kw 3 电机总容量/kw 5

2、对于主轴部件的设计
满足的要求：旋转精度，刚度，抗震性，温升和热变形，耐磨性等。
（1） 主轴组件的布局
主轴组件的设计，必须保证满足上述的基本要求，从而从全局出发，考虑主轴组件的布局。
机床主轴有前、后两个支承和前、中、后三个支承两种，以前者较多见。两支承主轴轴承的配置型式，包括主轴轴承的选型、组合以及布置，主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求，并考虑轴承的供应、经济性等具体情况，加以确定。
· 适应刚度和承载能力的要求
· 适应转速要求
· 适应精度的要求
· 适应结构的要求
· 适应经济性要求
（2） 主轴的技术要求
主轴的精度直接影响到主轴组件的旋转精度。主轴和轴承、齿轮等零件相连接处的表面几何形状误差和表面粗糙度，关系到接触刚度，零件接触表面形状愈准确、表面粗 糙度愈低，则受力后的接触变形愈小，亦即接触刚度愈高。因此，对主轴设计必须提出一定的技术要求。
（3） 主轴组件的计算
主轴组件的结构参数主要包括：主轴的平均直径 D（初选时常用主轴前轴颈的直径 D 1 来表示）；主轴内孔直径d；主轴前端部的悬伸量a;以及主轴支承跨距L等。一般步骤是：首先根据机床主电机功率或机床的主参数来选取D1,在满足主轴本身刚度的前提下，按照工艺要求来确定d，根据主轴前端部结构形状和前支承的结构型式来确定a,最后根据D、a和主轴前支承的支承刚度来确定L。
主轴轴承的配置型式，对主要结构参数的确定很有关系，故在设计过程中常需交叉进行，最终以主轴组件刚度等性能来衡量其设计的合理性。
从以上的步骤得到的主轴基本为：

（4）主轴组件的验算
主轴在工作中的受力情况严重，而允许的变形则很微小，决定主轴尺寸的基本因素 是所允许的变形的大小，因此主轴的计算主要是刚度的验算，与一般轴着重于强度的情况不一样。通常能满足刚度要求的主轴也能满足强度的要求。
刚度乃是载荷与弹性变形的比值。当载荷一定时，度与弹性变形成反比。因此，出弹性变形量后，很容易得到静刚度。主轴组件的弹性变形计算包括：主轴端部挠度和主轴倾角的计算。
以下是对磨床热变形的分析以及其引起的温度位移变化的检测。
（1） 热变形分析
数控磨床在磨削加工的时候，每个工作台的移动和刀具主轴的旋转、运动及除此之外许多因素的影响都会造成热变形，进而导致工作主轴的轴端与刀具主轴的轴端空间位置发生变化，造成磨床工件和砂轮间的空间位置发生改变，造成磨削工件的加工精度减少。
主轴是磨床的一个重要热源构件，磨床在高速磨削的时候，其主轴转速比较高，可达到上万转。当高速运行的砂轮对零件进行磨削时，主轴因为摩擦会产生很大的热量，导致工件和砂轮间的空间位置改变，产生偏移导致工件的加工精度减小。
磨床的工作台中存在很多的运动摩擦副。工作台导轨面相互之间的运动摩擦，丝杠和螺母之间的摩擦，发出的热量会造成丝杠的伸长，也会使工作台上刀架的安装位置发生变化，致使被加工零件的加工精度有所降低。
（2） 热变形对加工影响
数控机床的热变形对自身加工精确度会造成干扰。数控机床在运行以后各个部件会存在不一样的温度改变，使各部件的位置发生改变。对加工工件的加工精度会产生影响。在精密加工过程中，磨床空载功率消耗比磨削功率消耗要大，此时空载功率消耗变成磨床的主要热源。所以，把机床在空载运行时的温度升高值、热态几何精度、热平衡时间长短视为辨别机床好坏的主要标准。通常是说在机床工件一定的时间过后，产生的热量与吸收的热量接近一样的时刻，该时间间隔叫做热平衡时间。此刻，各构件间的形状变化以及它们的空间位置已经到了平衡状态，这时候的几何精度叫做热态几何精度。
（3） 热误差的产生与原因
磨床加工过程中，砂轮磨头和工件在磨削加工运动过程中相互之间位置的精确程度对零件的加工精确度起决定性作用。砂轮磨头和工件各自装置在磨床磨头和工件主轴上，并遭到床身与磨头架的制约。磨削加工的时候对加工零件表面粗糙度、彼此距离和几何形状的工艺系统起主要作用的每个步骤。如果偏离了原来的位置，就将会出现热误差。
机床加工工件的时候，因为一些原因产生的机床内部热量（如各构件运动摩擦发出的热量、伺服电机功率损耗、切削热、冷却润滑液）以及工作环境的变化而产生的外部热量（如阳光照射、周围温度改变）的一同影响下，发出热量并传送到机床，使机床各构件产生温度改变，各构件发生形变。因为各构件的约束条件、结构以及形状的不同，造成压、拉、扭、弯等各式各样的热变形。使与加工精度有关联的各部件间的空间位置产生变化，最终致使机床的制造精度降低。
机床在某种特定的工作环境下加工时，热源将加工过程中产生的热量传递至机床，使机床各部件的温度升高，因为这一温度的升高，造成机床各部件发生热变形，根据工件结构与形状的各异，引起拉伸，扭曲，弯曲等各异的形状变化。在这些各异的变形中，和机床制造精度密切关联的一些主要构件在加工过程中发生唯一变化，进而导致机床加工精确度的下降。上面所描述的周围环境温度和不同热敏感源的发热量都将随着加工时间的改变而改变。此外由于工件与机床各自的热量不一样，它的温升必定会延迟一段的时间，因此，从本质上说，热变形属于一种非恒定的随时间变化的现象。
对于温度位移检测系统的设计
采用AT89S51单片机控制的温度位移检测系统，温度传感器采用OS36红外线热电偶温度传感器，位移传感器采用KTS微型位移传感器。由温度位移传感器检测到的信号经由功率放大器放大，将放大的信号输入A/D转换器转换成数字信号，经由单片机处理后由液晶显示器显示。检测系统方框图如下：
温度传感器
AT89S51单片机
液晶显示器
A/D转换器
功率放大电路
位移传感器

(4) 温度误差补偿
机床热误差主要由机床本身和环境的温度变化引起的。热源主要有传动件、伺服电机、切削加工过程、冷却液、液压系统等。机床在加工的时候发出热量将使机床的构件发生热变形。最终影响机床加工出零件的精确度。受热变形影响最大的机床部件主要是滚珠丝杠和机床主轴。为了防止热变形影响导致的加工精度误差，当前常用的是误差补偿法。误差补偿法是利用一定的控制策略，使用一些计算机控制技术，执行机构和检测装置来提高机床加工精确度，减小机床加工误差。这种方法能够在机床自身加工精确度不减小的前提下，通过对生产加工期间的误差分析、建立模型，不断的计算出空间误差，将该误差传送到机床的控制环节中，通过变动加工过程中坐标的移动量来试误差得到补偿。
（1） 分析磨床加工热误差的产生原因
以装配好的磨床为研究对象，对磨床的机构进行分析，确定磨床加工过程产生热误差的原因。对该磨床的热变形和热温升进行检测分析。
（2） 建立热误差补偿模型
依据检测分析结果建立误差分离模型，找出机床不同发热源的温度与热变形间的精确数量关系，用温度和位置量来表达刀具与工件之间的某误差分量的公式。
（3） 确定补偿策略，建立补偿控制系统
对补偿算法进行控制动态特性分析，设计磨床温度补偿系统的方案，建立磨床热误差补偿控制系统。

数控工具磨床试验台基础构件设计

MK1320型数控外圆磨床

1、主要技术参数
车头主轴转速/（r/min） 60,85,230
中心高/mm 125 顶尖距/mm 520
最大磨削直径/mm 8~200 最大磨削长度/mm 500
最大工件质量/kg 50
砂轮最大直径x宽度/（mmxmm） 600x125
砂轮最大线速度/（m/s） 50 砂轮最小进给量/mm 0.0005
工作台最小进给量/mm 0.001 工作台最大移动量/mm 600
圆度/mm 0.0015 圆柱度/mm 0.005
粗糙度/um 0.32
主电机功率/kw 3 电机总容量/kw 5
2、采用三坐标工作台方案
X工作台固定在床身上，工件轴A轴固定在Z工作台（拖板）内，并嵌入到立柱内侧，该方案布局合理，占用空间小\，是比较合理的工具磨床工作台结构。三坐标工作台方案的另一个优点是加工时可以避免磨屑落在工作台上面，从而降低了磨屑热对工作台造成的热变形．

三坐标工作台方案

4、 工作台传动机构设计
工作台机构传动系统采用半闭环控制系统伺服电机通过同步齿形带与丝杆联接。丝杠的最高转速确定，其与使用要求， 如机床工作的工作进给速度和快进速度相关。工作台要求的最高 速度 Vmax =10m/min。伺服电动机通过带轮与丝杠联接速可由下式 计算：

选取丝杆导程5mm

丝杆最高转速n=2000r/min， 要求定位精度为 0.012/300mm， 丝杠的 “任意 300mm 行程内的行程变动量 V300  ” 取为定位精度的 1/3～ 1/2，即 0.004～0.006mm。1 级精度的滚珠丝杠 V300  =0.006mm，故应取 一级精度。根据精度要求，脉冲当量可定为 a=0.001mm/脉冲，电动 机每转发出的脉冲数 b 应为 

式中 i—— 传动比。 脉冲编码器有每转 2000、2500、5000 脉冲等数种。选取每转 5000 脉冲的编码器。
滚珠丝杠当量动载荷的计算 

数控机床进给机构用的是定位（p）类滚珠丝杠副 [7] 。精度主要 
采用 1 级或 2 级。丝杠精度可按“任意 300mm 行程内行程变动量 V300 ” 选择，这项公差 1 级为 6µm；2 级为 8µm。滚珠丝杠的长度是受到精 度的限制的 [20] 。 
半闭环系统滚珠丝杠副的精度，主要根据要求的机床定位精度 选择。定位精度由下列几部分误差组成：滚珠丝杠副制造的误差和 由于载荷和温度的作用，丝杠、轴承、联轴节和伺服系统的误差。 在初步设计时，可假定丝杠的累积误差约占机床定位误差的 1/3～ 1/2，据此初选丝杠的精度，以后再进行验算并修改。 
滚珠丝杠应根据其额定动载荷选用。一批相同的滚珠丝杠副， 
在轴向载荷 Ca的作用下，运转 106转后 90%不产生疲劳点蚀，则 Ca称 为这种规格丝杠副的额定动载荷。各种规格的滚珠丝杠，其额定动 载荷 Ca可从样本或手册中查得，计算的原理与计算滚动轴承相同。 滚珠丝杠的当量动载荷 Cm为 [5][14]

所选的滚珠丝杠副，其额定动载荷 Ca不得小于此值，即 Ca≧Cm
式中 m F —— 轴向平均载荷(N)； 
在“载荷—时间”变化规律不明时，

 Fmax、F min  —— 丝杠的最大、最小工作载荷（N） ；
 L —— 工作寿命（x10 6  r） ;

 nm —— 平均转速（r/min） 

n max、n min —— 丝杠的最高、最低转速（r/min）
h—— 工作寿命。 h一般机床可取 h=10000h、数控机床可取 
h=15000h。 
 —— 精度系数。1、2、3 级精度丝杠，  =1；4、5 级精度 
丝杠，  =0.9
 —— 运转状态系数。 无冲击时取 1～1.2； 一般情况取 1.2～ 1.5；有冲击振动时取 1.5～2.5
因为工作台最大移动速度为 10m/min，丝杠导程为 5mm，可知丝杠最高转速为 2000r/min， 丝杠最低转速为电动机最低转速近似为 0
平均转速: = 1000 r/min
所以，=900x106r
把上述参数代入式,=11.2KN
滚珠丝杠的选取和极限转速的计算
滚珠丝杠副的极限转速主要是指滚珠丝杠副在高速运转时，避 
免产生共振现象，使滚珠丝杠副在正常运转时的最高转速.

式中 nc —— 极限转速（r/min） ；
 L—— 丝杠支承间距（mm） ； 
—— 与支承方法有关的临界转速系数

为了提高丝杆刚度，选用两端固定的支承方式，查表选用双推——双推式， =21.9。
根据轴向压力选取丝杠直径 ，

Fa=Fw =1000N； L =0.6m,将 f 、 m 值代入式中，
dsp =7.1459(mm)，故取 dsp  ≥8mm
最大转矩限制 

式中 A —— 确定最大转速的常数，取 50000～70000； 
d0 —— 丝杠名义直径（mm）
又由，
式中 vmax  —— 工作台快进速度（m/s） 
hsp  —— 滚珠丝杠的导程（m） 
=2000 r/min
=25~35 mm
临界转速限制 

由 nmax =2000  r/min≤  N c将 L=1400mm， f =21.9代入得：
dsp≧17.9 mm
根据以上数据选择滚珠丝杠型号为 BNFN3205-5 
双螺母预压型滚珠丝杠副，其参数如下： 
公称直径： 32mm  滚珠直径： 3.55mm 
导 程： 5mm  循环列数： 2 
圈 数： 2.5  丝杠内径： 29.2mm 
丝杠外径： 32mm  额定动载荷： 18.5KN 
额定静载荷： 56.4KN  轴向刚度： 1110N/µm
在本次设计工作台进给机 构中，丝杠的刚性是重要因素
（。

5、 导轨的选择
导轨主要用来支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动。机床 上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副，其中，不运动的配合 面称为固定导轨，运动的配合面称为运动导轨。在运动部件（如工 作台）与固定不动的部件（如床身）之间只许有一个自由度，为此， 导轨副必须限制运动部件的五个自由度。
根据工作台精度等要求高，在此工作台导轨选用滚动导轨，具有定位精度高，降低机床造价并大幅度节约电力，可提高机床的运动速度，可长期维持机床的高精度等特点。
规格：GGB-20-AA

7、 工作台型面
工作台型面须具有以下特点：
1）铸造工艺性好、降低了废品率； 
2）加工工艺性好、也降低了加工费用； 
3）减少了工作台质量、降低了折算到电机轴上的转动惯量；
 4）工作台型面采用平面形式的，使两导轨单位面积承受的压力 趋于 相等，延长了工作台的使用寿命。
所以：MK1332型面如图