下载文档原格式
（数控加工）精密数控磨床的总体设计摘要本课题是集机，电，液一体化的高科技项目，所要解决的关键问题是主轴箱上两个同轴轴承孔的超精密加工。
此磨床的加工方式采用切入式磨削方式，工件安装在回转工作台上，随工作台回转，同时砂轮回转，砂轮的径向进给靠回转工作台沿X方向位移实现，上面的轴承孔及上端面加工好后，用同一砂轮加工下面的轴承孔及下端面，工件一次安装，以保证精度。
总体布局为立式磨床，主要分为磨头部分、回转工作台、床身、垂直立柱、拖板以及测量机构。
总体传动方案为：由外置步进电机驱动齿轮，然后通过齿轮传动带动滚珠丝杠，整个磨头装置通过滚珠丝杠进行Z轴方向上的移动，磨头的旋转则通过另一个外置电机来驱动，回转工作台的驱动则通过外置电机驱动皮带轮，由皮带轮的传动来使回转工作台的旋转，拖板的驱动则由步进电机控制。
同时，磨床的设计中运用了数控技术，现代测试手段，微量进给软件补偿技术，从而使精密机械设计达到所要求的精度。
关键字：加工精度，设计方案，分配，参数General Design of Precise Numerical Control GrindingMachineAbstractThis topic is to gather the machine, electricity, the high-tech item that the liquid integral whole turn, the key problem for to solve is the principal axis box is previous two to process with the super nicety of the stalk bearings bore. This grinding machine processes the way adoption correspond type to whet to pare the way, the work piece install at turn round the work on the stage, turn round with the work pedestal, the emery wheel turns round at the same time, the path of the emery wheel to enter to depend turn round the work pedestal to follow the X direction moves the realization, top of bearings bore and top end face process good after, process with same emery wheel underneath of bearings bore and under carry the noodles, the work piece install once, with guarantee the accuracy. Total layout for the sign type grinding machine, mainly is divided in to whet the head cent and turn round the work set, bed body, perpendicularity to sign the pillar and drag along the plank and measure the organization. Total spread to move project is: From outside place to tread into theelectrical engineering to drive the wheel gear, then spread to move to arouse to roll the bead silk through a wheel gear, whole whet a device to pass to roll the bead silk to carry on the Z stalk the square heading up of ambulation, whet the head to revolve to then pass another outside place the electrical engineering to drive, turn round the work pedestal to drive then through an outside place the electrical engineering to drive the leather belt round, from the leather belt round spread to move to make the turn-over work pedestal revolve, drag along the knothole to drive then from tread into the electrical engineering to control. At the same time, made use of number to control the technique in the design of the grinding machine, modern test means, enter to compensate technique for software little by little, thus make precise machine the design attains the accuracy request.Key Words: Accuracy of Process，Project Design，Allotment，Parameter精密数控磨床的总体设计0 引言回顾即将过去的20世纪，人类取得的每一项重大科技成果，无不与制造技术，尤其与超精密加工技术密切相关。
縉密an工廉检测技术I 2024年第3期Precision Machining and Testing Technology■精密超精密主轴转台套类零件高精高效磨削工艺"胡秋袁南南(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳621900)摘要:套类零件是精密超精密主轴、转台关键共性零件之一，其精度是影响主轴和转台部件性能的重要因素。
分析了精密超精密主轴、转台套类零件结构特征、技术特性、加工难点，以及基于卧式内、外圆磨削加工中所存在的问题;设计了基于立式磨削的加工工艺技术路线，实现最小工序转运及基准转换误差累积;对基于立式磨削工艺中工件装卡、前序质量控制、工艺参数选择与优化等关键问题进行了论述;基于立式磨削工艺技术路线，完成了大量典型高精度套类零件磨削，稳定实现了磨削圆度W1pm、同轴度W2pn和垂直度W2pm磨削效果,精密超精密主轴、转台套类零件磨削精度及磨削效率得到有效提升。
关键词:高精度套类零件;立式磨削;工件装卡;工艺参数优化;应用验证中图分类号:TG502文献标识码:ADOI：10.19287/ki.1005-2402.2021.03.003High-precisi o n and high-efficiency grinding tech no l ogy for sleeve partsof precision and ultra-precision spindle and rotary tableHU Qiu,YUAN Nannan(Institute of Mechanical Manufacturing Technology,China Academy of Engineering Physics,Mianyang621900,CHN) Abstract:Sleeve parts are the key common parts of precision and ultra-precision spindle and rotary table,and their accuracy is an important factor affecting the performance of spindle and rotary table.This paper analyzesthe structure characteristics,technical characteristics,machining difficulties of sleeve parts of precisionand ultra-precision spindle and rotary table,as well as the problems existing in horizontal internal andexternal cylindrical grinding.The processing technology route based on vertical grinding is designed to realize the minimum process transfer error and the accumulation of datum conversion error.The key issuesin vertical grinding process,such as workpiece clamping,pre-order quality control,process parameterselection and optimization are discussed.Based on the vertical grinding technology,a number of typicalhigh-precision sleeve parts have been grinded,As the measurement results shown,the grinding roundness,coaxiality and perpendicularity are better than1|jLm,2(Jim and2p.m,respectively.And the grinding accuracy and efficiency of these parts have been gready improved.Keywords:high-precision sleeve parts；vertical grinding；workpiece clamping；process parameter optimization；application verification套类零件是精密超精密主轴、转台关键共性零件,其精度是影响主轴、转台部件性能的重要因素,其加工精度要求高、加工难度大。
数控高精密立轴圆台复合磨床结构设计简介机械加工设备中的磨床设备，按磨头主轴布局分立轴与卧轴两类，按工作台分有圆台与矩台。
现有技术中的立轴圆台磨床，有的只是磨削平面的，有的只是磨削内圆或外圆的，且多数立轴圆台磨床只有一只磨头，因此功能单一，不能适应装备制造业发展的需要。
有一种立轴圆台磨床，虽然安装有二只立式磨头，增加了磨削功能。
但是，这种机床只有立式磨头，没有卧式磨头，磨削形式单一；或者是立式磨头不能回转角度，即使可回转角度，磨削锥度时也只能作切向磨削，其精度低，粗糙度差。
数控高精密立轴圆台复合磨床结构设计先进性可以磨平面、内圆、外圆、端面、内外锥度多种磨削功能复合；有立式、卧式磨头；有砂轮周边磨削，还能作砂轮成形磨削，其磨削形式多样；采用垂直进给磨削锥度，其精度高，粗糙度好；采用数控技术和自动测量技术，结构先进效率高，以适应现代装备制造业技术发展的需要。
具有床身、圆工作台、立柱、横梁、立式磨头、万能磨头、数控伺服系统，床身的中央安装有圆工作台，床身后面安装有立柱，立柱上安装有横梁，横梁上安装有直线导轨副、滚珠丝杠传动副，横梁上安装有左横向拖板和右横向拖板；左横向拖板上安装有左回转机构，左回转机构上安装有左垂直拖板，左垂直拖板上安装有立式磨头；右横向拖板上安装有右垂直拖板，右垂直拖板上安装右回转机构，右回转机构上安装有万能磨头。
左回转机构包括左回转蜗轮副，与左回转蜗轮副相连的回转伺服电机，安装在左横向拖板上的液压锁紧机构，左回转机构可作±30 度的无级分度。
右回转机构，包括右回转蜗轮副，右回转蜗轮副安装在端面结合齿组件上。
右回转机构可作0-90 度的回转。
立柱为整体式立柱墙结构或双柱式立柱结构。
床身一侧安装有金刚碟片砂轮修整器或其他型式砂轮修整器；右横向拖板上安装有可作自动测量的接触式测量装置。
另一种结构设计具有床身、圆工作台、立柱、横梁、立式磨头、卧式磨头、数控伺服系统，床身的中央安装有圆工作台，床身后面安装有立柱，立柱上安装有横梁，横梁上安装有直线导轨副、滚珠丝杠传动副，横梁上安装有左横向拖板和右横向拖板，左横向拖板上直接安装有左垂直拖板，左垂直拖板上安装有立式磨头；右横向拖板上直接安装有右垂直拖板，右垂直拖板上安装有卧式磨头或砂瓦式立式磨头。
![一种高精度磨床[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/b9314dca2f60ddccdb38a04c.png)
专利名称：一种高精度磨床
专利类型：实用新型专利
发明人：王冬梅,杨连红,冯毅申请号：CN201020638944.9申请日：20101202
公开号：CN201913529U
公开日：
20110803
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种高精度磨床，其特点是：床身由前床身和后床身组成，旋转工作台安装在前床身上，后床身上表面制有向前倾斜的45°斜面，斜面的前边和后边上制有窄长平台，移动立柱活动安装在后床身斜面上，移动立柱底面对应制有45°斜面和窄长平台，后床身的窄长平台上安装用于移动立柱的导轨，在移动立柱上安装拖板，在拖板上安装分度机构，在分度机构上固装主轴，这样将公知的床身的立柱与横梁设计为一体而成为移动立柱，从而刚性好、结构稳定可靠，使加工精度大大提高，另外本实用新型还有结构简单、易于制造的优点。
申请人：天津市津机磨床有限公司
地址：300180 天津市河东区津塘公路146号一机床院内
国籍：CN
代理机构：天津市鼎和专利商标代理有限公司
代理人：冯舜英
更多信息请下载全文后查看。
《高精度数控中孔座面磨床及其高速电主轴的研发》项目总结报告一、项目概况（包括项目名称、立项时间、项目编号、项目负责人、合作企业、经费情况、主要研究内容等）项目名称：高精度数控中孔座面磨床及其高速电主轴的研发项目编号：BY2015070-26合同期限：2015—2017年项目负责人：蒋书运合作企业：无锡机床股份有限公司经费情况：经费投入65万，其中省拨款30万元、单位自筹35万；经费支出63.0855万，其中省拨款28.0855万、单位自筹35万。
经费结余：1.9145万。
主要研究内容：➢精密数控中孔座面磨床结构创新设计；➢中孔座面磨床整机动态特性分析与优化设计；➢中孔座面磨床整机热态特性分析与优化设计；➢超高速（12万转/分）砂轮电主轴的开发。
二、项目实施情况（即完成项目过程中所做的主要工作，包括校企联合研发团队的组织、实施计划的制定与落实、企业研发人员的培养培训、项目完成情况评价及预算执行情况等）1）主要研究工作：➢精密数控中孔座面磨床结构创新设计；➢中孔座面磨床动态、热态特性分析与优化设计；➢超高速（12万转/分）砂轮电主轴的开发；➢中孔座面磨床制造与性能试验研究。
2）校企联合情况：东南大学与无锡机床股份有限公司精诚合作，组织了产学研联合团队，在前期已有成果的基础上，围绕中孔座面磨床的开发，开展了较为系统地研发。
在项目实施过程中，培训企业研发人员掌握机床现代设计理论与方法。
经过2年来合作开发，项目组已全面完成了项目申报书规定的各项技术指标。
单位自筹经费已到位，经费使用完全按照申报书预算执行。
三、项目技术情况（即项目的研究方法及技术路线，项目解决的关键技术、取得的突破性进展及创新点等）技术路线研究方法1）精密数控中孔座面磨床结构方案设计本课题采用复合磨削的构思，研发精密数控中孔座面磨床，工件在一次装夹中完成锥面、内孔、端面等的磨削加工。
2）精密数控中孔座面磨床整机动、热态特性分析本项目建立机床的三维数字化模型，基于有限元法，完成机床整机动态、热态特性分析；采用灵敏度分析方法，寻找机床结构的薄弱环节，进行结构修改，以提高机床结构的动、热态性能，包括整机固有频率、动态刚度、磨削稳定性和热变形等。
高精度数控立式万能磨床
佚名
【期刊名称】《《军民两用技术与产品》》
【年(卷),期】2011(000)010
【摘要】天津市第二机床有限公司自主研制的2MKG95系列大型数控高精度数控立式万能磨床通过了科技成果鉴定。
专家们一致认为，该系列磨床不仅为国内首创，且具有高刚度、高精度、高响应、全静压、低摩擦系数等优异性能，其总体技术已达到国际先进水平。
【总页数】1页(P36-36)
【正文语种】中文
【中图分类】TQ333
【相关文献】
1.首台大型数控精密立式万能磨床在津通过鉴定 [J],
2.齐重数控研制出世界最高精度的“数控立式磨床” [J],
3.东方精益成功研制1m数控立式万能磨床 [J],
4.齐重数控研制出世界最高精度的“数控立式磨床” [J],
5.2MKM95315数控立式万能磨床国内首次展出 [J], 朱世津
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
主轴部件套类零件高精度立式磨床研制胡秋;舒强;汪俊文;王宝瑞【摘要】在分析套类工件结构特点和技术要求基础上,以精度为目标,开展了立式复合磨削工艺路线设计及与之相适应的精密立式磨床研制.所研制的磨床其动态回转精度优于0.3μm的高刚度液体静压直驱式静压回转工作台和运动直线度优于0.2 μm/200 mm的高刚度液体静压导轨很好地保证工件磨削圆度和母线直线度.研制的机床实现了内孔磨削圆度0.7μm,外圆磨削圆度优于0.45 μm的磨削效果,能满足各种高精度主轴部件套类零件高精度磨削.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2016(000)009【总页数】4页(P50-53)【关键词】主轴部件;套类工件;立式磨床;液体静压回转工作台;液体静压导轨;控制软件【作者】胡秋;舒强;汪俊文;王宝瑞【作者单位】中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,超精密加工技术重点实验室四川绵阳621900;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,超精密加工技术重点实验室四川绵阳621900;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,超精密加工技术重点实验室四川绵阳621900;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,超精密加工技术重点实验室四川绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TG502超精密主轴是各种高性能数控机床、超精密加工机床与高端仪器的关键共性部件之一。
精密加工技术是精密主轴部件核心技术之一，主轴部件关键零部件加工技术主要包括加工环境、加工装备及加工工艺等内容，而加工装备则是精密超精密主轴零部件精密加工的重要组件部分之一。
套类零件在精密超精密主轴、转台中占有重要地位。
图1为一典型的加工中心高速电主轴,其前、后轴承座、定子冷却水套、壳体等属于典型的套类零件，特别是前、后轴承座、壳体是影响主轴精度和可靠性的关键零部件；在超精密静压主轴中，典型的套类零件包括主轴壳体、径向轴承轴套等，图2为一典型的静压主轴轴套零件结构示意图。
上述套类零件关键结构要素包括圆柱面、轴肩、端面等，这类零件其共性技术主要包括[1][2]：(1)圆度、圆柱度、同轴度等形位精度要求高，如高速电主轴壳体与轴承座配合面、轴承座与轴承配合面等关键配合面，一般要求圆度优于1 μm ，圆柱度优于2 μm，同轴度2 μm甚至更高；(2)对于流体静压支承的超精密主轴[3]，其回转精度要求达到亚微米级，有时更是要求达到优于100 nm，这就要求静压主轴轴套精度要求更高，一般要求圆度优于0.5 μm，圆柱度优于1 μm，内圆尺寸精度要求达到±1 μm；(3)端面、轴肩平面度、垂直度等相关形位精度高，对于高速电主轴一般要求小于2 μm，而超精密加工机床主轴一般优于1 μm。
根据工件结构特点，设计立式复合磨削工艺总体技术路线如图3所示。
机床整体采用立式磨削方式，可以避免工件重力影响；工件采用电磁吸盘或精密定心卡盘装卡，装卡具易于设计；工件磨削时，砂轮直接可磨削内圆、外圆，磨削主轴转位后斜切入可以磨削端面和轴肩，工件一次装卡可实现外圆、内圆、端面、轴肩等磨削，无工件转序积累误差，精度高，效率高。
2.1 机床总体布局专用磨床总体布局如图4所示，机床由床身本体(底座、立柱、横梁等)、回转工作台、砂轮磨削主轴(可倾斜)、X轴、Z轴、砂轮修整器、控制系统等几大部件组成。
机床机械本体采用双立柱结构布局，铸铁床身；X轴完成砂轮进给，其Z向直线度影响工件端面平面度，考虑到端面、轴肩尺寸一般相对较小，故X轴采用C1级直线导轨，直线电动机驱动；Z轴作往复运动，回转工作台带动工作旋转，二者配合完成工件轴向磨削。
2.2 回转工作台回转工作台是该机床关键功能部件之一，其动态回转精度直接影响工件圆度、端面平面度，其刚度则与工艺系统刚性相关，影响工件磨削母线直线度和圆柱度。
回转工作台采用如图5所示的基于静压支承的直驱转台总体技术方案[4-5]，回转工作台采用力矩电动机直接驱动以获得高精度和动态响应特性，不同于国内以往普遍采用的静压环形导轨与滚动轴承组合的支承方式，回转工作台径向轴承和止推轴承均采用液体静压支承以获得高的动态回转精度、刚度和阻尼特性。
回转工作台径向轴承、止推轴承均采用小孔节流静压支承以获得高的动态响应特性[5]，静压油选用稀油有利于降低温升，润滑油选N3，供油压力取2 MPa；径向轴承采用有轴向回油槽对称等面积矩形油腔，轴颈直径D取200 mm，轴承长L=1.2 D，周向、轴向封油边取0.1 D，油膜间隙取20 μm，节流器小孔直径0.5 mm；止推轴承采用等面积液体静压闭式环形导轨承受轴向力，静压止推导轨内、外缘封油面宽取其等于径向轴承周向和轴向封油边尺寸，即R2-R1=R4-R3=0.1D，根据静压导轨一般设计规范定[6]，进一步确定径向、止推轴承油腔深、回油槽深度等其他结构参数。
根据相关设计参数，可以进行静压支承刚度计算[7-9]，并进一步采用有限元仿真分析方法，转台径向刚度和轴向刚度分别为449 N/μm和2 174 N/μm，与实测(图6)数据410 N/μm和1 950 N/μm比较吻合，可以较好满足机床加工要求。
2.3 闭式液体静压导轨Z轴运动直线度直接影响工件母线直线度，其刚度与机床加工工艺系统刚度相关，影响机床加工时母线直线度及锥度。
Z轴导轨采用小孔节流等面积闭式液体静压导轨以获得尽量大的刚度和运动直线度，导轨结构及滑块结构见图7。
Z轴静导轨滑块长600 mm，为三油腔结构，油腔宽取28 mm，横向封油边取14 mm；油腔长164 mm，纵向封油边取16 mm；供油压力2 MPa,润滑油为N3，油膜间隙单边25 μm，小孔直径0.5 mm；设计状态下液阻比0.7，导轨在X方向刚度约2 400 N/μm [10-12]，对研制的导轨运动直线度采用电感测微仪配合条形平晶(直线度优于0.1 μm)为0.2 μm /200 mm，全行程直线度0.5 μm。
2.4 机床控制软件设计磨床数控系统一方面要完成进给、主轴回转等通用指令，同时还要完成磨床专有功能，如砂轮修整、砂轮自动补偿、磨削自动循环、防碰撞与断电急退、恒线速度磨削等。
控制系统采用NC嵌入PC的“PC+多轴运动控制器+进给伺服驱动器”的开放式控制架构，硬件采用Delta Tau公司的UMAC开放式多轴运动控制器，充分利用其高速处理、高带宽闭环控制、Look ahead(轨迹前瞻控制)和高阶轨迹生成能力。
机床软件设计采用C++开发环境和利用UMAC自带命令联合开发的方式实现[13]。
控制软件采用模块化设计，其主要模块包括数据驱动模块、控制输入模块、数控程序模块、工艺仿真模块等，开发的机床控制软件运行界面如图8所示。
砂轮修整及自动补偿是磨床重要功能之一，机床设计专用的砂轮修整程序，由手动选择或NC程序指定进行砂轮修整，通过调用砂轮修整程序，由X、Z轴的运动实现砂轮修整，修整后坐标轴自动补偿砂轮直径的减小量，应用自动补偿功能。
2.5 机床其他关键部件与集成机床磨削主轴采用电主轴，主轴采用HSK C100刀具接口，通过更换不同长度、不同直径砂轮接杆，可以使机床适应不同直径、不同高度工件。
配重平衡系统是机床设计重要一环，它影响机床定位精度和响应能力。
主轴箱配重方式主要有配重块、液压配重系统、高压气缸等方式。
配重块机械系统设计相对复杂，体积较大，易发生钢丝绳磨损、配重系统易抖动等问题；油压配重系统存在着高阻尼、温升等问题。
高压气缸配重具有体积小、低耗能、维护成本低，阻尼小，温升低且高速性能好。
本机床选用高压气缸配重平衡。
机床总体集成见图9所示。
对该机床开展了某超精密静压转台转子轴外圆和某超精密空气静压主轴内孔磨削(图10)，试验对象材料均为38CrMoAlA，渗氮(0.3～0.5)mm，表面硬度900HV，其中外圆磨削试件尺寸为φ150mm×120mm，内孔磨削试件尺寸为φ200mm×190mm。
二次磨削试验中，工件均采用电磁吸盘安装，选用瑞士温特图尔微晶氧化铝砂轮，陶瓷粘接剂，粒度120，硬度中等偏软。
磨削时分五次进刀，前三次进刀量为5μm，后二次进刀量为2 μm，Z轴走刀速度为100～150 mm/min，进刀量完成后砂轮光刀5次。
工件磨削后采用Taylor Hobson圆度仪进行检测，对于外圆，实现了圆度0.45 μm，表面粗糙度Ra0.1 μm磨削效果，对于内孔,磨削后圆度为0.6 μm，表面粗糙度Ra0.1 μm，满足工件加工要求。
对主性能主轴部件套筒类工件采用立式磨削进行磨削，避免工件重力影响，工件一次装卡可实现外圆、内圆、端面、轴肩等磨削，无工件转序积累误差，精度高，效率高。
关键部件设计中，采用液体静压支承可以使回转工作台获得极高的动态回转精度、刚度及阻尼特性，能很好保证工件磨削圆度，且大的径向刚度和轴向刚度能增强工艺系统刚度，有利于提高工件磨削精度。
Z轴采用闭式液体静压导轨可以获得极高的运动直线度、刚度，提高工件母线直线度磨削精度，并有利于提高磨削工艺系统刚性。
对集成的机床开展外圆和内孔高精度磨削，实现了内孔圆度优于0.7 μm，外圆圆度优于0.45 μm的磨削效果，能满足各种高精度主轴部件套类零件高精度磨削。
【相关文献】[1] 娄岳海. 主轴制造[M]. 北京：机械工业出版社,2010.[2]张平,陈捷,代兰清.电主轴部件的工艺分析[J]. 制造技术与机床，1998(12):34-35.[3]王云飞.气体润滑理论及气体轴承设计[M]. 北京：机械工业出版社, 1999.[4]姚峻. 国内外数控立式复合磨床的概况和发展趋势[J]. 精密制造与自动化，2008(4)：4-7.[5]王红旭，魏巍.直接驱动技术的发展及其应用前景[J].制造技术与机床，2008(6) ：150-154.[6]孙渊涛,杨建玺,崔凤奎,等.大型直驱静压转台关键技术的分析与结构设计[J].机床与液压,2014,(13):90-92.[7]王宝沛,翟鹏,秦磊,等.液体静压轴承动态特性的探讨[J].液压与气动,2007,(8):58-61.[8]陈燕生.液体静压支承原理和设计[M]. 北京：国防工业出版社，1980.[9]赵明,黄正东,王书亭,等.重型数控立车工作台静压计算[J].机械工程学报,2009,45(9):120-125[10]苏浩. 液体静压主轴的流体-结构藕合分析及动态性能研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011：8-10.[11]孙学赟,罗松保.液体静压导轨对置油垫承载能力及刚度的优化设计[J].航空精密制造技术,2005,41(1):14-16.[12]李松,宋锦春,任广安,等.闭式静压导轨结构静动态性能分析[J].机械设计与制造,2013,(10):10-12.[13]邵志骋,宋丽华.数控立式车床液体静压导轨的设计[J].机床与液压,2012,40(8):91-92,99.[14]董秋艳，郭兵，韩成顺，等.基于PMAC的超精密磨床开放式数控系统的研究[J].机床与液压，2014(7)：75-78.如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。
