精密平面磨床（精选4篇）
精密平面磨床 篇1
1 问题的提出
笔者公司的数控重型卧式车床大刀架的传动多采用双齿棒+精密斜齿条的消隙结构, 国内其他几个大型机床厂家采用这种结构的斜齿条 (如图1所示) 基本上依赖于进口, 价格为10000元/m左右。为了降低成本, 提高产品的市场竞争力, 通过技术人员与导轨磨床操作人员的共同努力, 我们在普通龙门导轨磨床上对精密斜齿条进行精加工, 最终达到了零件的各项精度要求。
2 齿条各项参数及精度要求
(1) 齿面及基面粗糙度Ra0.4; (2) 精度等级:5级; (3) 螺旋角:9°15′10″; (4) 齿向公差:0.008; (5) 节距累积误差:0.032; (6) 齿数:30; (7) 材料:40Cr; (8) 重量:60kg。
3 设备状况
磨床为险峰机床厂生产的MK5212, 数控系统为FANUC 6M, 具有编程加工能力。磨头丝杠为精密滚珠丝杠, 但横梁丝杠为普通丝杠, 定位精度超差, 只能采用手工控制来达到螺距要求。
4 加工方法
(1) 定位基面加工:经过前期半精加工工序后, 须将齿条把合的定位基面进行精加工处理, 以保证磨削及安装后的精度。
(2) 工具工装的准备工作: (a) 胎具:用于把合齿条; (b) 角度样板:用于找正齿条的螺旋角度; (c) 对刀样板:用于控制齿距 (有条件也可用激光干涉仪) ; (d) 工艺齿条:齿条装配时使用; (e) 砂轮:在磨头上将砂轮按齿条压力角裁出成型。
(3) 工件找正:胎具自磨, 齿条按拼接顺序摆放, 按角度样板找正螺旋角, 并照顾齿条之间每齿的一致性。在摆放齿条时一定要注意将第一节的第一齿和最后一节的最后一齿与中间各段齿条错开一个齿。另外要将工艺齿条一同加工。
(4) 粗磨:X轴用对刀样板控制齿距, Z轴用手轮控制手动进给, 粗磨3次, 每次切削量在0.05～0.10mm, 并掌握砂轮的脱粒情况, 在Z轴上进行适当的手动补偿。每次磨削之前须在齿条表面用记号笔涂上标记, 避免因根切或砂轮修整等因素影响切削量。
(5) 精磨:同粗磨方法相同, 精磨1～2次, 每次切削量0.02mm。
(6) 齿顶及倒角:齿顶精磨, 用万能磨头扳度磨削倒角。
(7) 检测:拆下一块齿条在三坐标上检测, 一次合格。
摘要：文中介绍了在普通导轨磨床上加工精密斜齿条的简单可行的加工工艺, 既降低了成本又提高了产品的竞争力。
关键词：齿条,螺旋角,节距累积误差
平面度精密测量电路设计与研究 篇2
关键词：高精度,AD698,最小二乘法
1 前言
平面度的检测近年来趋于测量范围越来越大, 精度越来越高, 然而对于中小尺寸的平面度检测是一个研究发展的过程。常见的精度一般在毫米级, 国外的测量设备、技术有实现微纳米级的分辨率要求的高精度测量, 但是造价十分的昂贵, 国内技术正处于发展阶段。传统的自准直仪、液平面法都不能满足于现在的测量需求。扫描接触式测量是市场很多形位误差检测仪器的原理。其中认为有几个至关重要的因素:第一, 测头的结构材质、尺寸越精细所能达到的接触面越小、灵敏元器件的选择对于小尺寸平面度的测量是一个很大的提高。第二, 测头电路的设计, 检测出微弱信号的范围也将是一个难点问题。第三, 机械结构设计。本文针对于小尺寸平面度的精密测量, 设计了测量仪器的测头电路, 实验初步结果达到亚微米级。
2 信号采集电路设计
由于微小平面度的高精度测量对测头需要小型化和轻量化, 因此采用measurement公司MHR050型LVDT传感器, 轻质铁芯有助于减小应力以及保证铁芯激励组件结构的完整性。线圈和铁芯之间的紧密电气耦合可得到高度灵敏的测量效果。整体质量6g, 线性量程±1.27mm, 激励电压3Vrms, 工作频率范围2k Hz~20k Hz。LVDT传感器输入的是磁芯的机械位移, 输出是与磁芯位置成正比的交流电压信号, 结合信号调理芯片AD698使用能够以较高精度和重复性误差将传感器的机械位移转换为单极性或双极性直流电压。电路原理如图1所示。
电信号经低噪声AD8476差分运算放大器送至A/D转换器。预达到平面度误差0.1um~0.01um的精度, 所需A/D转换器的位数n:
由于线性量程为±1.27mm, 即在3mm的范围内实现最小0.01um的分辨率, 经计算需21位的ADC芯片, 考虑到噪声和滤波的影响, 因而采用24位AD7190模数转换芯片。该芯片是一款适合高精密测量应用的低噪声完整模拟前端, 可以配置为两路差分输入或四路伪差分输入, 最高输出速率为4.8k Hz, 最高无噪声分辨率为22.5位, 失调漂移为5n V/C。本系统中对于单片机的要求并不高, 选用STC12C5A60S2单片机作为控制器。该芯片采用贴片封装、体积小, 有利于系统集成。
3 电源电路设计
虽然开关电源具有体积小、效率高等特点, 但是存在一定的纹波并且开关噪声较大, 因此系统采用线性电源, 线性电源先将交流电经过变压器再经过整流、滤波、电压反馈调整得到高精度稳定的输出电压。实验室现有±12V线性电源, 由于电路中的芯片还需要±9V和+5V供电电压。因此采用线性稳压器件调整得到所需电压值, TPS7A4901是一款输入为3V至36V超低噪声, 输出可调的低压降线性稳压器, 结合TPS7A3001调节接入电阻使得输出为±9V, LM7805为输入5V至18V固定输出5V稳压器。在芯片两端添加小电容, 减少噪声干扰, 达到滤波。为了减小模拟电源与数字电源间的相互干扰, 采用电感将它们隔离开, 并通过0Ω电阻将模拟地与数字地相连。
4 实验测试
将扭簧表和测头固定, 工作台一端同时挤压扭簧表和测针, 即可在相同条件下用扭簧表的实测位移和测头读值表示当前位移变化。测试原理如图2所示。
测试数据如下表1所示。
最小二乘法拟合出直线方程:y=kx+b, 经计算k=0.023854, b=1538.757即分辨率为0.02464μm。
5 结论
为满足小零件高精度平面度测量要求设计并制作了一套LVDT传感器的测量电路, 从测试结果来看:
(1) 测头的分辨率初步达到亚微米级;
(2) 该检测电路运用了LVDT传感器与AD698调理芯片, 电路结构简单, 满足一般的测量需求。
在测试过程中读取数值末尾跳动变化, 再加以算法的修改, 测量精度能得到进一步提高。
参考文献
[1]刘建国.平板平面度测量系统的研究[D].青岛:青岛科技大学, 2007, 135.
[2]王敬亭, 廖立清, 凌玉华.AD698型LVDT信号调理电路的原理与应用[]].国外电子元器件, 2005, (9) :63-71.
精密平面磨床 篇3
1 国内外大型龙门导轨磨床液压调速系统现状
1.1 国外大型龙门导轨磨床液压调速系统主要采用容积调速系统
德国科堡是国外生产龙门导轨磨床著名专业厂家，其液压系统采用是闭式容积调速系统(见图1)，使用专用大流量双向变量叶片泵进行无级调速驱动工作台运动。由于油泵造价高昂、复杂，维护维修不方便，使用普通电机，系统功耗占液压系统额定功率的40%以上，能耗较高。
1.2 国内外大型龙门磨床液压调速系统主要采用节流调速系统
国内机床企业多采用节流方式调速的液压系统(见图2)。工作台速度调节由比例流量阀控制，因此系统发热高、功耗较大，同样不符合低能耗要求。
威海华东数控股份有限公司生产的龙门导轨磨床液压驱动系统(见图3)，通过改变控制油泵流量输出达到工作台调速，此项技术获得了专利，优点是造价低、调整方便且能实现远程自动控制，由于采用普通电机带动油泵，功耗相对也比较大，仅适合普通导轨磨床，用在大型精密数控机床不符合节能环保标准。
1.3 国内其他企业的相关技术研究
近期，国内有研究变频调速电动机调速技术，原理是通过调节液压油泵转速，性能类似于比例泵节能系统，达到动力机构输出流量与执行机构流量相匹配，使流量损失降低。从目前国内外研究结果和文献看，变频液压调速系统仍存在诸如动态响应慢、低速特性差、调速精度不易保证及固有的导轨阻力、管路气室等问题，也制约其在大型精密龙门导轨磨床上的应用。
2 大型精密数控龙门导轨磨床液压调速系统研发
2.1 大型精密数控龙门导轨磨床液压调速系统的技术要求
根据大型精密数控龙门导轨磨床设计要求，当工作台导轨的摩擦系数为0.07时，工作台柱塞缸工作压力要达到2.8MPa，在300mm的缓冲区内，起动加速时工作压力要达到4.4MPa。在2.5m/min特定下，工作台输入功率(即液压系统的输出功率)约为5.3kw。如果以常规工作压力3MPa计算时，工作台要达到最高速度的加速距离最少有2.08m。当工作台导轨的摩擦系数为0.04时，工作台柱塞缸工作压力要达到1.6MPa，在300mm的缓冲区内，起动加速时工作压力要达到3.2MPa。在2.5m/min特定下，工作台输入功率约为3.8kw。如果以常规工作压力3MPa计算时，工作台加速距离只有0.35m左右。所以，在保证加工精度情况下，降低摩擦系数是减少液压系统有用功损耗主要因素，也是节能的重要手段之一，在机床结构设计上应采用卸荷式静压导轨。
2.2 试验研究方案综合对比分析
表1是此次试验研究大型精密数控龙门导轨磨床的各种油泵组合实验综合数据对比结果
最终设计方案是采用交流伺服电动机控制的内啮合齿轮泵方式(见图4)。作为交流伺服电动机的性能指标要好于变频电机，特别是在电机转速的稳定和应变调整时间上更显优势。
2.3 设计方案应用的试验测试结果
方案设计是由3个交流伺服电机分别带动3个内啮合齿轮油泵，主油泵电机总功率为78kw，来满足工作台拖动油缸所需的功率。经过压力调整，通过流量检测信号和工作台编码器反馈信号来调整电机转速，实现工作台运行闭环控制。而且当工作台运行到需要换向停止状态时，通过电机降速来缓解工作台动能，达到换向平稳，降低工作台因高速带来动能冲击。在低速时，只工作一个油泵，来达到节能的效果。
表2是单个交流伺服电机与内啮合齿轮泵在机床上实验数据
3 结束语
容积式调速方式是通过改变油泵输出排量来调节工作台运动速度，无节流和溢流压力损失，减少了液压系统的损耗，降低液压系统的发热量，进而实现液压系统节能的目的。节能环保是大型精密数控龙门导轨磨床液压调速系统国家重大科技专项的考核要求，也是未来液压调速系统技术发展趋势，随着技术水平的不断提高，液压节能会有广阔的发展前景。
摘要：本文分析了当前大型精密机床液压驱动存在的问题,结合国家重大专项研究课题,研究提出了“超重载、宽调速、低能耗”的新型液压控制系统解决方案。
关键词：液压控制系统,超重载,宽调速,低能耗
参考文献
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[7]许贤良.王传礼.液压传动.北京:国防工业出版社,2007
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精密平面磨床 篇4
精密数控回转工作台是多轴联动数控机床的核心部件。高精度数控回转技术也是数控螺母磨床的核心关键技术, 是数控机床的共性技术。精密数控回转工作台安装在精密数控螺母磨床内磨砂轮架上, 组成数控回转定位轴, 用于内圆磨具改变螺旋升角的回转运动[1], 所以提高数控回转部件的精度及可靠性对整个螺母磨床的可靠性与精度保持性的提高具有重大意义。
目前精密数控回转工作台常用的传动方式包括齿轮传动、精密蜗轮蜗杆传动、滚珠丝杠传动、力矩电动机直驱传动等多种传动方式, 齿轮、蜗杆蜗轮以及丝杠传动都是利用旋转伺服电动机通过皮带、齿轮和蜗轮蜗杆等传动方式达到减速, 或通过滚珠丝杠、齿轮齿条等传动方式将旋转运动转换为直线运动。无论使用什么方法消除传动间隙、提高装配精度, 都无法避免各个传动环节的误差积累, 以及由摩擦引起的功率损失。要彻底解决问题, 就必须去掉所有的传动环节, 实现“零传动”, 即利用力矩电动机直驱传动[2]。直驱技术具有精度高、速度快、无磨损、无间隙、受力状态优良, 没有点接触和线接触受力环节等优势, 采用直驱技术设计的回转功能部件, 机械结构简单, 是数控机床产业升级的关键功能部件, 目前已经成为国际机床产业的发展趋势。
在直驱技术日益成熟的条件下, 国际主流机床厂商迅速推出采用直驱技术的机床产品, 而且其应用水平的提升呈加速趋势[3]。目前, 处于世界机床产销量前几位的DMG、MAZAK、森精机等公司均开始大量改用直驱功能部件[4]。我国直驱技术的发展与国际水平有很大差距。国际上20世纪90年代初开始应用, 现在进入普及阶段。国内20世纪90年代中期才开始研究, 而成功的应用还比较少。自2005年起国内就开展了以力矩电动机为核心驱动元件的转台的技术研究和产品开发, 烟台环球机床附件集团公司的TK62800/1000数控直驱回转工作台中的首台d1 000直径的直驱转台于2011年试制成功[5], 但目前大多尚停留在产品样机阶段。而且现在国内小型直驱转台的研究还较少, 多数为d500及以上的中大型转台。
本文结合目前国内外直驱技术的研究成果, 设计实现了小型高精度直驱数控回转工作台系统, 能够进行高精度回转进给加工及分度定位加工。该回转工作台系统采用高精度力矩电动机进行直接驱动, 取消了中间的传动环节, 结构简单紧凑, 有效的提高了测量精度, 由于体积较小, 适用于螺母磨床内螺纹的加工, 对改进螺母磨床加工品质增大加工范围以及实现精确的自动分度具有一定的参考价值。
1 回转工作台整体结构设计
1.1 回转工作台技术规格及精度指标
最终设计完成的试验台要求满足表1的技术规格要求。
1.2 回转工作台机械部分整体设计[6]
回转工作台机械结构主要包括工作台转台面、转台轴承、电动机、夹紧装置、底座四大部分[7]。工作台结构如图1、图2所示。
1) 工作台转台面
工作台转台面位于力矩电动机正上方, 由工作台台面和定位孔盖组成, 台面通过转台轴承支撑, 并通过转台轴承保证其径向定位精度, 台面下端与力矩电动机转子固联, 连接部分设计为台阶面以保证电动机转子的径向定位精度, 转台面通过力矩电动机直接带动。中心定位孔盖与台面固连, 经过精加工保证加工工件的中心定位。
2) 转台轴承
根据要求, 选择德国INA轴承公司的产品YRTM260系列带集成电子测量系统的推力/向心轴承, 其中轴承的旋转部分与工作台台面固联, 固定部分与工作台的底座固联, 通过轴承来保证转台面的径向定位精度。
3) 电动机
力矩电动机位于工作台中部的下方, 选用外转子力矩电动机, 电动机部分分为电动机转子、电动机定子、电动机冷却套三部分, 其中电动机转子与转台面固联, 其径向定位精度由转台面上的台阶面确定。电动机定子与底板固联, 电动机冷却套紧套在定子内侧。冷却套内侧通过底板的台阶面保证径向定位精度, 从而保证电动机定子的定位精度, 冷却套相隔180°方向的上下部各有一个孔作为冷却液出入孔, 冷却套设计为水平沟槽式, 相邻沟槽相隔180°方向留有一个缺口, 使得冷却液可以从上方孔流入, 从下方孔流出, 进行循环散热。
4) 锁紧夹紧装置
锁紧装置选用液压锁紧, 锁紧部分上端与基座固定, 通过基座保证其同轴度, 锁紧装置位于电动机转子外圈, 与电动机转子同轴并留有细小间隙, 松开时, 电动机转子可以自由转动, 当需要锁紧时, 锁紧部发生弹性形变卡住电动机转子, 达到锁紧的目的。
5) 底座
底座由基座与底板两部分组成, 基座上部开有阶梯孔, 使轴承自带的角度测量头可以伸入内部进行测量, 同时通过基座的加工保证角度测量头的定位安装精度, 基座与轴承固定部分接触面进行精加工保证轴承的定位精度, 基座下方开液压油孔, 向锁紧部提供液压油, 底部与底板固联, 通过定位销保证底板同轴度与径向定位精度, 底板底部开有方形孔, 方便电动机定子电缆输出, 中间留有中心孔方便冷却液输入冷却套, 中部设计为台阶面, 保证冷却套的径向定位精度。整个工作台以底座为基准设计, 所以底座加工精度要求高, 热变形小, 从而达到提高转台加工精度的目的。
转台整体结构采用中空无主轴设计, 选用带集成电子测量系统的转台轴承进行数据采集与反馈, 取代了以往常用的转台面带动主轴, 主轴连接编码器的方式, 使得整体结构更加紧凑, 满足了外形尺寸的要求。
2 力矩电动机选型
2.1 计算所需的转矩
1) 摩擦力产生的转矩
经过分析可得当工作台正常作回转运动时, 主要的摩擦力均由工作台回转支承产生, 此轴承的摩擦系数为0.001。
由于整个转台的高度只有225 mm, 则转台总重力为:
则由摩擦力产生的力矩为
2) 加速度产生的转矩
转台的总惯量为:
将工件等效为直径400 mm的圆柱体, 则工件的转动惯量为:
按照电动机从0加速到20 r/min需要花0.15 s来进行估计计算, 则由加速度产生的力矩为:
3) 驱动工作台所需的总力矩为:
2.2 计算电动机的功率
取η=1.3, 假设电动机的额定转速为200 r/min, 则根据上面的转矩计算得出电动机所需的功率为:
2.3 确定电动机的型号
经过与各电动机厂商的咨询讨论, 最终决定选用德国舍弗勒公司的RE11-3P-250-25型外转子力矩电动机。该型号电动机参数如表2所示。
3 液压锁紧装置设计
回转工作台要求在进行点位加工时必须处于锁紧状态, 静止及联动加工时处于松开状态。由于转台整体体积较小, 则要求内部结构紧凑, 对锁紧装置还要求有较大的锁紧力矩和较快的锁紧动作灵敏度, 传统的锁紧方式如鼓刹、抱刹、端面刹等存在锁紧力矩不足, 锁紧动作不够灵敏及锁紧可靠性差等缺陷, 无法实现上述要求, 所以此次参考专利《机床旋转C轴液压刹车装置》[8]设计一种胀紧套如图5中A部分所示。
整个锁紧装置由 (图6) 基座和胀紧套共同组成, 胀紧套呈圆形套筒状, 采用弹簧钢制造, 由固定部和工作部两部分组成, 固定部外径大于工作部的外径, 使整个胀紧套外壁呈台阶状, 固定部与工作部连接处形成台阶端面, 固定面通过台阶孔用紧固螺钉与基座相连, 使胀紧套与基座轴向和圆周方向固定。凹槽设置在工作部外壁上, 凹槽的底部形成弹性刹车部, 基座与凹槽形成密闭油腔。工作部外壁上设有密封槽, 密封槽内设置有O型密封圈, 用于对密封油腔起加强密封作用。
1—台阶孔;2—密封槽;3—凹槽;4—弹性刹车部;5—输油孔;6—基座;7—电动机转子
胀紧套内径大于电动机转子外径, 胀紧套与电动机转子可以相对转动。工作时, 液压油泵将液压油通过基座上的输油孔压入密封油腔, 增大密封油腔内的液压, 压迫胀紧套工作部的弹性刹车部变形内突, 使胀紧套与电动机转子形成过盈配合, 从而卡主电动机转子, 使电动机无法再转动, 实现对转台的刹车与夹紧作用。当密封油腔内的液压油减少, 压力取消后, 胀紧套工作部的弹性锁紧部恢复原形, 与电动机转子又可以相对转动, 使电动机又可以正常工作。
密闭油腔内的液压越大, 胀紧套的弹性刹车部的变形越大, 对电动机转子的卡紧力也就越大, 对转台的刹车力矩也就越大。所以只要合理的增加密闭油腔内的液压, 就可以实现大扭矩刹车的功能。
4 结语
介绍的高精度直驱数控回转工作台, 既可以作任意角度的回转和分度, 也可以作连续回转进给运动, 能够满足尽可能多的加工形态要求, 采取中空无主轴结构, 通过选用带集成电子测量系统的转台轴承进行数据采集与反馈, 取代了以往常用的转台面带动主轴, 主轴连接编码器的方式, 减少了零部件的数量, 使得结构更加精简, 同时减少了累计误差的存在, 有效提高了精度, 是一种全新的回转加工设备。该转台可以提高工件的加工精度, 保证工件的品质和性能, 具有很好的工程应用价值。
参考文献
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