《异形孔内磨机床的设计》开题报告
1 目的和意义
目前，M21 10型内圆磨床仍被广泛使用，因为它具有很高的磨削精度，普通的内圆磨床可削孔径6～10mm，最大深度150mm的圆柱孔，适用于单件小批量生产，机床床头轴线回转角度为20度，机床的机动进给量为0．001～0．005mm，手动最小进给量也可达到0．001 mm，还具有较高的自动化程度，是一种不可缺少的重要加工设备。但企业希望利用现代测控技术对M2110内圆磨床进行改造，让这种机床发挥更大的作用。其中一个重点改造内容是实现对异形内孔的磨削加工。一般的技术改造是采用数显技术，采用内径千分表或磨削内孔测量仪进行数字显示，然后采用51单片机控制进给，由机床通过编码器反馈的进给量，来达到异形孔的磨削。根据这种状态，本文提出采用专用内径测量仪把检测到的实际尺寸反馈给控制器。控制器根据实测值与理论值比较后输出误差值，由执行机构完成砂轮的径向进刀，这样可提高机床自动化程度，提高生产率和产品质量。本次设计最终的目的是要以数控技术、机床结构动态分析和优化设计与信息技术相结合，设计一种数控高精度内圆磨床，使其生产效率、磨削精度、磨削表面质量、自身重量等各项指标和综合技术水平达到更先进水平。
2 国内外发展现状
十八世纪30年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。这些磨床是在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的，它们结构简单，刚度低，磨削时易产生振动，要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。
1876年在巴黎博览会展出的美国布朗-夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代磨床基本特征的机械。它的工件头架和尾座安装在往复移动的工作台上，箱形床身提高了机床刚度，并带有内圆磨削附件。1883年，这家公司制成磨头装在立柱上、工作台作往复移动的平面磨床。
1900年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。例如20世纪初，先后研制出加工气缸体的行星内圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床和带电磁吸盘的活塞环磨床等。
自动测量装置于1908年开始应用到磨床上。到了1920年前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成使用；50年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床；60年代末又出现了砂轮线速度达60～80米/秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床；70年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。
随着高精度、高硬度机械零件数量的增加，以及精密铸造和精密锻造工艺的发展，磨床的性能、品种和产量都在不断的提高和增长。
磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床、工具磨床等。
外圆磨床是使用的最广泛的，能加工各种圆柱形和圆锥形外表面及轴肩端面的磨床。万能外圆磨床还带有内圆磨削附件，可磨削内孔和锥度较大的内、外锥面。不过外圆磨床的自动化程度较低，只适用于中小批单件生产和修配工作。
内圆磨床的砂轮主轴转速很高，可磨削圆柱、圆锥形内孔表面。普通内圆磨床仅适于单件、小批生产。自动和半自动内圆磨床除工作循环自动进行外，还可在加工中自动测量，大多用于大批量的生产中。
平面磨床的工件一般是夹紧在工作台上，或靠电磁吸力固定在电磁工作台上，然后用砂轮的周边或端面磨削工件平面的磨床；无心磨床通常指无心外圆磨床，即工件不用顶尖或卡盘定心和支承，而以工件被磨削外圆面作定位面，工件位于砂轮和导轮之间，由托板支承，这种磨床的生产效率较高，易于实现自动化，多用在大批量生产中。
工具磨床是专门用于工具制造和刀具刃磨的磨床，有万能工具磨床、钻头刃磨床、拉刀刃磨床、工具曲线磨床等，多用于工具制造厂和机械制造厂的工具车间。
砂带磨床是以快速运动的砂带作为磨具，工件由输送带支承，效率比其他磨床高数倍，功率消耗仅为其他磨床的几分之一，主要用于加工大尺寸板材、耐热难加工材料和大量生产的平面零件等。
专门化磨床是专门磨削某一类零件，如曲轴、凸轮轴、花键轴、导轨、叶片、轴承滚道及齿轮和螺纹等的磨床。除以上几类外，还有珩磨机、研磨机、坐标磨床和钢坯磨床等多种类型。
由于长期以来对新技术的应用相对滞后，国内机床产品的总体技术水平比之先进国家同类型机床还有着相当大的差距，劳动生产率低下，在国际市场中竞争力不足，经济效益不高。在国外高档机床大举进攻中国市场的情况下，我们只有以积极的姿态面对这一严峻的形势。尽快应用先进的设计技术，能快速开发出结构合理、自动化水平高、加工精度高、低振动、低成本的机床新产品响应市场，我国的机床工业才有出路。为了达到这一目的，掌握先进的机床设计方法就显得尤为重要。我国机床工业的竟争能力的提高也就取决于机床新品的开发和关键技术的研究、掌握、应用和迅速推广。随着我国加入世界贸易组织和全球经济一体化环境的形成，机床行业的市场竞争将会愈演愈烈。目前，国内外机床产品技术水平之间的差距仍然很大，主要表现为:产品仿制多，创新少，市场竞争力不足，利润低:设计方法落后，机床结构设计，尚处于传统的经验、静态、类比的设计阶段，很少考虑结构动、静态特性对机床产品性能产生的影响，产品精度低，质量难以保证;设计周期长，成功率低，反复设计、试制与修改，产品更新换代慢，且成本高。
下面对我国国内在机床行业方面比较突出的企业做如下介绍：
无锡市三禄工具有限公司是一家专业经营数控刀具的专营公司（原无锡市新区金工机械有限公司销售分公司）。主要代理品牌有：三禄（SUNROXM），三菱，东芝，CARMEX螺纹，京瓷，瓦尔特，德克，7LEADERS,等先进的进口刀具。是台湾三禄刀具在无锡地区的总代理商，瓦尔特（无锡）公司授权经销商。凭借专业的刀具知识，优良的服务，充足的库存为新老用户提供数控刀具及系统磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。
深圳市旺磐精密机械有限公司系一脉承台湾制造技术及经验的台商独资企业，位于珠江三角洲之滨的珠海市国家高新区三灶科技工业园，其地理位置得天独厚，水陆空交通十分便利。濒临南海，东与深圳、香港隔海相望，南与澳门陆路相通，近临国际级水平的珠海机场，可直通世界各地。公司拥有3.8万平方米的生产研发基地，汇聚了海峡两岸商业、技术菁英，专门致力于切削机械的研发和生产。深圳市旺磐精密机械有限公司恪守着“精准至上、服务第一、以客为尊、用诚至信”的经营宗旨，依靠科技创新，优化产品结构，拓展经营领域，开辟全球市场。公司生产拥有的“HYFAIR、HYBEST、OKASHIMA 、HYGREEN、HYTECH”等系列精密磨床、加工中心、精密高速雕铣机、放电加工机、铣床、冲床等高品质产品，被广泛应用于模具业、汽车制造业、精密医疗器械、航天工业等领域。
3 设计内容
对M2110内圆磨床进行数控改造,实现对异型内孔的磨削加工。
4 技术路线
该磨床的改造方案是实现对异型内孔的磨削加工并即时把实测值反馈给控制器，由控制器控制步进电机，通过机械传动系统对砂轮产生径向运动来修正内孔的大小。改造原则是尽量不作大的机械改动，不破坏机床原有功能。M2110内圆磨床将在在原来的基础上进行修改。
改造方案如下：
图1 内圆磨床改进方案原理图
编码器种类很多，下面对圆光栅编码器进行分析以方便进行选择
—将要测量的物理量转换成可读取,处理的另一个物理量,现代控制中最常用的就是电信号.
如果把计算机,可编程控制器比喻为自动化控制的"大脑",那么传感器就是自动化控制的"眼睛",是机电一体化的信息反馈装置.由计算机,执行机构,执行机构内部反馈构成的控制系统,称为开环控制;由计算机,执行机构,执行机构内部反馈,执行效果外部传感器信息反馈构成的控制系统,称为闭环控制.
传感器的电信号有模拟量型和数字量型,模拟量就是电流或电压的大小变化模拟被测量物理量的大小,如果传感器输出的模拟量电信号已经是标准的信号,例如4—20mA,0—20mA,1—5V,0—10V等,这样的传感器有时也称为变送器.
传感器的电信号有时也用电压,电流高于某个域置或低于某个域置来代表1或0的数字信息,或用光信号的通,暗来传递信息,这样的传感器就是数字量输出型.
编码器
—角位移,线位移及转速传感器.
编码器是以数字化信息将角度,长度的信息以编码的方式输出的传感器,其具有高精度,大量程测量,反应快,数字化输出特点;体积小,重量轻,机构紧凑,安装方便,维护简单,工作可靠.
编码器以测量方式来分,有直线型编码器,角度编码器,旋转编码器.
如以信号原理来分,有增量型编码器,绝对型编码器.
增 量 型 编 码 器 (旋转型)
工作原理:
由一个中心有轴的光电码盘,其上有环形通,暗的刻线,有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A,B,C,D,每个正弦波相差90度相位差(相对于一个周波为360度),将C,D信号反向,叠加在A,B两相上,可增强稳定信号;另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位.
由于A,B两相相差90度,可通过比较A相在前还是B相在前,以判别编码器的正转与反转,通过零位脉冲,可获得编码器的零位参考位.
编码器码盘的材料有玻璃,金属,塑料,玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线,其热稳定性好,精度高,金属码盘直接以通和不通刻线,不易碎,但由于金属有一定的厚度,精度就有限制,其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级,塑料码盘是经济型的,其成本低,但精度,热稳定性,寿命均要差一些.
分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率,也称解析分度,或直接称多少线,一般在每转分度5~10000线.
编码器机械外型—编码器以转轴类型分,有轴型和轴套型;以外形特征和安装法兰分,有同步法兰,夹紧法兰,紧凑型;轴套型又有半空型,全空型,大轴径型.
编码器轴径—编码器轴径有6毫米*,8毫米,10毫米*,12毫米,轴套型的有8毫米,10毫米,12*毫米,大口径20—50*毫米,带*号的是常规规格.
机械转速和电气转速
编码器的机械转速以每分钟最大可以旋转多少圈表示—rpm;
编码器的电气转速也称为开关频率,是读取每个脉冲信号的反应速度,以每秒多少次表示--Hz
最大工作速度应同时兼顾编码器的机械转速,电气转速以及编码器后续接收设备的开关频率.
Nmax=Fmax×60/Z ; N—min-1 ;F—Hz
编码器的工作温度和防护等级
编码器的最高最低工作温度代表了编码器内部机械和电子零件的水平,较好的编码器工作温度从-40到100℃,事实上低温情况下,受限制的是内部电子零件和外部的电缆以及密封特性.
防护等级是指编码器的防尘,防水性能,以国际标准IP的两位数表示,第一位0—6代表防尘,第二位0—7代表防水,IP54是最低的有限制条件的防尘防水标准,IP67可防水浸.并非在室内恒温条件下工作就不需要防水,因为编码器在工作和停机两种情况下,内部空气会热胀冷缩,密封不好,在停机是会有压缩性水气进入.专业的编码器的防护等级分电气外壳部分和转轴部分,有不同.转轴部分由于编码器的旋转要求,往往要略低.
工作电压,耗电流—工作电压一般有10—30Vdc和5Vdc±10%两种,电压和耗电流决定供电电源的功率.
信号输出:
信号输出有正弦波(电流或电压),方波(TTL,HTL),集电极开路(PNP,NPN),推拉式多种形式,其中TTL为长线差分驱动(对称A,A-;B,B-;Z,Z-),HTL也称推拉式,推挽式输出,编码器的
信号接收设备接口应与编码器对应.
信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器,PLC,计算机,PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分,开关频率有低有高.
如单相联接,用于单方向计数,单方向测速.
B两相联接,用于正反向计数,判断正反向和测速.
A, B,Z三相联接,用于带参考位修正的位置测量.
A, A-,B,B-,Z,Z-连接,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为0,衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离.
对于TTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达150米.
对于HTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达300米.
倍频技术
信号二倍频
二倍频信号通过A相和B相的"异或"转换获得
信号四倍频
四倍频信号通过A信号和B信号的正跳沿及负跳沿获得
分辨率与精度—分辨率是指传感器可以分辨读数的最小单位,而精度是指每个读数与标准位置的最大误差,两者不是一个概念,精度由码盘刻线,转轴同心度,材料的温度特性,电子读数的即时等各方面因数决定.
电子细分技术—利用编码器的正弦波信号的相位变化,由电子设备在一条刻线上再分出多个位置,此为电子细分技术,这样原来的编码器分辨刻线可以成倍的增加,但是细分只是提高了分辨刻线,并没有改变原来的精度.
内插细分—有一些"高分辨数"的编码器是由内插的电子细分以提高每圈的刻线,但是其精度并不高,不能以其提供的高线数而理解成高精度编码器.
内置电池—有一些编码器以内置电池来避免断电的信号丢失,也有一些编码器以单圈是绝对信号,而多圈圈数信号是内置电池与电路用增量计数的方法来获得,此为伪绝对型编码器,其受电池寿命,电池低温失效,受振电池触点不良等因数影响,而大大降低可靠性.
其他主要参数根据需要参看样本:
电缆或插座,最大传输距离,最大轴负载,振动,冲击,启动力矩,转子瞬间惯性等
增量式编码器的问题:
增量型编码器存在零点累计误差,抗干扰较差,接收设备的停机需断电记忆,开机应找零或参考位等问题,这些问题如选用绝对型编码器可以解决.
增量型编码器的一般应用:
测速,测转动方向,测移动角度,距离(相对).
内磨圆床M2110的技术参数
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机床型号 |
MD2110C |
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磨削孔径（mm） |
φ5-φ100 |
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最大磨削深度（mm） |
150 |
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工件旋径（mm） |
罩内（mm） |
φ260 |
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罩外（mm) |
φ480 |
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床头最大回转角度（°） |
20° |
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工件转速（r/min） |
180-500 4级steps |
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|
砂轮转速（r/min） |
10000、24000 |
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端磨转速（r/min） |
1600 |
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机床总功率（r/min） |
4.1 |
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工件电机功率（kw） |
0.45/0.75 |
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砂轮电机功率（kw） |
2.2 |
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机床外形尺寸（mm） |
2363×1260×1300 |
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机床重量(kg) |
2000 |
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机床使用电源 |
3N-50Hz 380V |
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工作精度 |
内孔圆度（μm） |
3 |
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内孔圆柱度（μm） |
4 |
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内孔表面粗糙度（μm） |
Ra0.63 |
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根据M2110的技术参数。可以选择出改装所需要的电机的型号和功率
控制电路设计
考虑到总体设计方案要求和以上几个方面的问题，可设计出控制电路。控制电路如图2所示。
图2 控制方案电路图
5 时间安排
（1）4~6周对内圆磨床的结构、工作原理、特性及操作流程进行了解，并收集相关资料，确定改造方案。
（2）7~8周对所收集的资料进行整理，完成开题报告。
（3）9~10绘制CAD电路原理图等图纸
（4）11~12周论文初稿完成
（5）13周完成设计任务书
（6）准备毕业设计答辩
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