智能车刀刃磨机机械结构设计有cad图+文献翻译+ppt等.docx
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智能车刀刃磨机机械结构设计有cad图+文献翻译+ppt等
本科毕业设计论文
题目智能车刀刃磨机机械结构设计
毕业时间2014.06
设计
论文
毕业任务书
一、题目
智能车刀刃磨机机械结构设计
二、指导思想和目的要求
工欲善其事,必先利其器。
刀具在切削加工中占有举足轻重的地位。
首先,它直接关系到切削加工的效率、质量;其次,在机械加工中,影响到加工成本,刀具的费用占到了生产费用的2-5%,所以对整个生产的经济效益有重大的影响。
工业发达国家的经验表明,选用高效合理的刀具,能使生产成本降低10-20%;再次,随着我国工业迅猛发展,企业的经营管理模式的改变,企业对人的要求是技术工人上岗就要立即能上手操作,工人没有数年的工作经验,要想通过手工刃磨一把刀具则相当困难,得不到合理几何角度的刀具,势必影响到生产质量和效率。
所以刀具的刃磨技术在降低成本、提高加工量中显得尤为重要。
针对这种情况设计一种既经济又便于操作的刃磨机就显得尤为必要。
三、主要技术指标
1.失电制动器选择;砂轮架升降机构设计;
2.毕业设计说明书1份;设计图纸1套;
3.英文翻译1份;机构运动动画1套;
四、进度和要求
第1-2周:
查阅有关车刀刃磨机的相关资料完成开题报告;
第3-5周:
仔细阅读研究车刀刃磨机相关资料并列出方案;
第6-7周:
对所选刃磨机进行材料和工艺分析,以及刀具一些参数的设定;
第10-11周:
对进刃磨机行结构设计,优化刃磨参数与刃磨装置的机械系统设计;
第12-13周:
对在刃磨机模块设计进行参数化设计;
第14-16周:
智能刃磨机的结构设计与优化,完成论文,准备答辩。
五、主要参考书及参考资料
1.吴宗泽,罗学升·机械设计课程设计手册·北京:
高等教育出版社,1992
2.任敬心·华定安·磨削原理·西安:
西北工业大学出版社,1998
3.朱祖根,杭根新·磨工与磨削·北京:
机械工业出版社,1984
4.磨工工艺学·北京:
机械工业出版社,1982
5.郑善良·磨削基础·上海:
上海科学科技术出版社,1988
6.任敬心,康仁科·难加工材料的磨削·北京:
国防工业出版社,1999
7.机床设计手册·北京:
机械工业出版社,1978
8.李新江·机械专业技术基础知识·北京:
机械工业出版社,1998
9.磨控学手册·北京:
机械工业出版社,1984
10.E.保罗.迪加莫·机械制造工艺及材料·北京:
机械工业出版社,1984
11.东北重型机械学院·机床夹具设计手册·上海:
上海科学科技术出版社1979
12.濮良贵,纪宁刚·机械设计·北京:
高等教育出版社,2001
13.上海纺织工学院·哈尔滨工业大学,天津大学·机床设计手册·上海:
上海科学科技术出版社,1988
摘要
该论文主要研究了车刀刃磨机的设计以及控制方法。
主要论述了车刀几何参数和刃磨参数之间的关系和求解方法,建立并描述车刀位姿调整的数学模型。
论文论述了车刀刃磨的数学模型,根据模型,求解了车刀的几何参数和刃磨参数之间的关系。
由于车刀刃磨参数决定刃磨时车刀和砂轮间的角度调整。
为了确定车刀刃磨机床参数,首先根据刀具刃磨时活动空间的分析,设计了实现方案,选取控制系统结构,根据刃磨运动方程控制角度,最终采用单片机对三台步进电机控制,从而控制机床产生相应的运动,实现车刀的各个面刃磨。
本次设计就是为了解决生产当中企业和工人的实际问题。
首先对车刀的刃磨展开研究,通过调研、分析、类比、论证。
最终设计一种智能化、自动化的刃磨机械,以满足实际生产需要。
本次设计的智能车刀刃磨机就是机电一体化产品,我们方案就是要实现机械设计和控制电的结合,满足设计要求。
所以在机械原理及结构设计的前提,决定利用微控制器-单片机,实现对其自动控制,减轻使用人员的辅助工作,从而达到智能化。
车刀刀刃磨技术及控制研究的目的就是提车刀的刃磨质量,降低制造成本提高生产率;通过对车刀刃磨的控制研究,实现对车刀的自动刃磨和重磨,减工人的劳动强度,及时满足生产的需求。
本设计主要先了解车刀的角度及几何数,根据这些设计出数控车刀刃磨装置的结构设计以及利用单片机来控制机构运行实现车刀的刃磨。
关键词:
刃磨机位姿调整卸荷结构单片机控制
ABSTRACT
Thispaperismajortohavestudiedcontrolmethodaswellasthedesignoftheedgemillmachineoflathetool.Havediscussedmainlythemathematicsbetweenthegeometryparameterandedgemillparameteroflathetoolthatconcernsandbegstountiemethodandestablishesanddescribestheposeadjustmentoflathetoolmodel.Thepapermathematicsthathasdiscussedtheedgemilloflathetoolmodel,accordingtomodel,begtohaveuntiedtherelationbetweenedgemillparameterandthegeometryparameteroflathetool.Becauseoftheedgemillparameteroflathetoolwhendecidingedgemill,theanglebetweenlathetoolandemerywheelisadjusted.Todeterminetheedgemillparameteroflathetoolofmachinetool,firstaccordingtotheedgemillofcuttingtooltheanalysisofcampaignspace,havedesignedrealizationscheme,selecttocontrolconstructionofsystem,adoptonlyflatmachineeventuallyaccordingtoedgemillsportequationcontrolangleas3walksintogeneratorcontrol,socontrolmachinetooltoproducecorrespondingsport,realizeeverysurfaceoflathetooledgemill.adoptonlyflatmachineeventuallyaccordingtoedgemillsportequationcontrolangleas3walksintogeneratorcontrol,socontrolmachinetooltoproducecorrespondingsport,realizeeverysurfaceoflathetooledgemill.
Keywords:
EdgemillmachinePoseadjusts
UnloadlotusstructureSingle-chipmicrocontrol
第一章绪论1
1.1国内外研究现状1
1.2课题研究意义3
1.3课题主要研究内容3
1.4本章小结4
第二章方案设计及论证5
2.1方案提出5
【方案1】5
【方案2】6
2.2方案论证8
2.3本章小结9
第三章方案实施11
3.1数学模型建立11
3.1.1常见车刀11
3.1.2车刀几何角度分析12
3.1.3数学模型的建立13
3.2机械部分设计17
3.2.1刃磨基本条件17
3.2.2磨削力计算21
3.2.3机械结构设计24
3.2.4失电制动器选择28
3.2.5砂轮架升降机构设计30
3.3关键零部件结构的有限元分析32
3.3.1底座零件33
3.3.2升降机构34
3.3.3进刀停止器35
3.4本章小结37
第四章车刀刃磨机机械结构运动仿真38
4.1机构运动仿真简介38
4.2车刀刃磨机结构运动仿真39
4.3运动仿真分析40
第五章总结50
参考文献51
致谢52
毕业设计小结53
附录54
第一章绪论
1.1国内外研究现状
工欲善其事,必先利其器。
刀具在切削加工中占有举足轻重的地位。
在机械加工中,刀具的费用虽然仅为生产费用的2-5%,但它却对整个生产的效益有重大的影响。
刀具是实现零件加工成形的主要工具,其性能和质量直接影响机械加工的加工质量、效率和成本。
工业发达国家的经验表明,选用高效的切削刀具,可以使生产成本降低10-20%。
随着现代化机械加工技术朝着高效率、高精度、高自动化、高柔性化以及网络化的方向发展,切削刀具也正朝着精密化、复杂化的方向发展。
一般刀具制造和刃磨是采用普通的工具磨床进行加工,小批量的生产采用万能工具磨床,而大批量的刀具生产则采用专用的工具磨床,比如沟槽磨床、立铣刀磨床等。
然而随着技术的不断发展,这种刀具的生产方式越来越不能适应现代刀具技术发展的要求。
主要表现:
(1)一把刀具的生产需要几台机床,多次装夹,多次定位,不仅工艺装备复杂,而且刀具的精度很难得以保证;
(2)普通的工具磨床的运动控制能力有限,对于一些复杂的刀具只能采用近似的方法加工;(3)万能工具磨床在加工能力和加工范围上,远远超过普通的工具磨床,但是仍然不能适应现代刀具的多品种、小批量、短周期要求。
目前国外的工具磨床生产厂家均采用数控万能工具磨床和CNC磨削加工技术,这也是普通刀具和复杂刀具制造刃磨的主要途径和方法。
国内车刀刃磨机械主要是在复杂刀具刃磨功能的基础上带有车刀的刃磨,台湾佳群机电公司是台湾专业CNC专用机床磨刀机生产厂家,JD-30A型第三代万能磨刀机配有刃磨车刀、钻头、铣刀的功能和装置。
可以针对不同的加工设备和刀具对象,对刀具进行修磨。
武汉机床厂生产的M6245车刀刃磨机,(如图1-1所示)天津市北闸门口仪表机床厂刃磨机CDM32(如图1-2所示)。
M6245车刀刃磨机主要技术规格:
最大车刀宽度45mm,最大车刀厚度45mm;砂轮架最大往复行程50mm砂轮架往复速度(无级变速)5-25mm/分,砂轮轴转速2100转/分,当用φ200mm砂轮时砂轮线速度22米/秒,砂轮数量可装数量4,常用数量2;刀架纵向最大移动量550mm刀架横向最大移动量80mm,刀架微调范围20mm,微进给手轮一格移动量0.01mm,刀架在水平面内旋转角度360°,刀架在纵向平面内旋转角度±20°刀架在横向平面内旋转角度±20°,虎钳钳口旋转角度±90°液压泵流量*压力2.5升/分*25公斤/厘米,系统工作压力 8-10公斤/厘米,电动机主传动电动机1.5kw。
天津市北闸门口仪表机床厂刃磨机CDM32技术参数:
夹持刀具的最大截面尺寸32×32mm。
主Mainworktable1﹑工作台面积340×170mm
2﹑上下移动量70mm
3﹑左右移动量70mm
4﹑上下移动刻度盘每格移动量0.02mm
5﹑工作台绕水平轴旋转-30°~+20°
Motorofspindle1﹑绕垂直轴旋转15
2﹑输出功率550W
3﹑转速2980r.p.m.
Vice-wordtable1﹑工作台面积276×150mm
2﹑工作台绕水平轴旋转-30°~+30°
Maintoolholder1﹑前后移动量100mm
2﹑前后移动刻度盘每格移动量0.02mm
3﹑刀夹绕垂直轴旋转360°
机床净重140kg
图1-1M6245车刀刃磨机图1-2机床厂刃磨机CDM32
1.2课题研究意义
随着我国工业迅猛发展,企业的经营管理模式的改变,以前的师徒关系以不是很明显,企业对人的要求是技术工人上岗就要立即能上手操作,作为新的学徒和刚上岗的技术工人没有数年的工作经验,要想通过手工刃磨一把刀具则相当困难,得不到合理几何角度的刀具,势必影响到生产质量和效率。
所以刀具的刃磨技术在降低成本、提高加工量中显得尤为重要。
针对这种情况设计一种既经济又便于操作的刃磨机就显得尤为必要。
本次设计就是为了解决生产当中企业和工人的实际问题。
首先对车刀的刃磨展开研究,通过调研、分析、类比、论证。
最终设计一种智能化、自动化的刃磨机械,以满足实际生产需要。
车刀刀刃磨技术及控制研究的目的就是提车刀的刃磨质量,降低制造成本提高生产率;通过对车刀刃磨的控制研究,实现对车刀的自动刃磨和重磨,减工人的劳动强度,及时满足生产的需求。
本设计主要先了解车刀的角度及几何数,根据这些设计出数控车刀刃磨装置的结构设计以及利用单片机来控制机构运行实现车刀的刃磨。
1.3课题主要研究内容
通过本次设计,首先,分析研究车刀几何参数和刃磨参数之间的关系和求解方法,建立并描述车刀位姿调整的数学模型。
根据模型,求解车刀的几何参数和刃磨参数之间的关系。
根据刀具刃磨时活动空间位置,分析刃磨运动控制角度,设计机械系统和控制系统,实现车刀的各个面刃磨,最终完成车刀刃磨机床整体设计。
通过本次设计,一方面可以满足和解决生产当中的实际基本问题,另一方面,也可以为我们研究其他刀具的刃磨奠定理论基础,使刃磨机械最终形成系列化、市场化产品。
车刀刀刃磨技术及控制研究的目的就是提车刀的刃磨质量,降低制造成本提高生产率;通过对车刀刃磨的控制研究,实现对车刀的自动刃磨和重磨,减工人的劳动强度,及时满足生产的需求。
本设计主要先了解车刀的角度及几何数,根据这些设计出数控车刀刃磨装置的结构设计以及利用单片机来控制机构运行实现车刀的刃磨。
根据车刀角度及几何参数,设计出车刀刃磨装置,并实现自动化控制。
1.4本章小结
通过本章的学习了解,我们初步了解了智能车道刃磨机的发展状况,以及它在机械加工中所占的重要作用。
在21世纪现代化高速发展的今天,生产力决定一切,我们要创造生产力,提高生产效率。
机械加工方面我们更应该改善技术与生产力,对传统的加工刃磨技术进行改善与提高,使加工智能化自动化。
无车刀是一种应用非常普遍的金属切削刀具,用它可以在车床上加工外圆、车断面和镗孔等。
在大多数机加工厂中,车床数控车床得到广泛的应用,车刀应用的频率更高。
由于工具磨床是一个通用的刀具磨床,所以这种重磨方法的缺点是:
机床调整麻烦,刃磨效率低;刃磨由工人手工操作,刃磨精度低。
车刀和其它刀具一样,切削一段时间后就会变钝,此时必须对其重磨方可使用。
否则,该车刀报废,所以车刀的重磨工作量非常大。
目前,我国螺旋齿立铣刀的刃磨大约98%以上是在M6020或其变型、改进型的普通万能工具磨床上进行或者进行手工磨削。
磨削质量除了取决于机床自身的刚性、精度外,还主要依赖于操作者的技艺和直观感觉。
第二章方案设计及论证
2.1方案提出
【方案1】
车刀刃磨实现上也就是针对车刀的主后刀面、副后刀面、前刀面三个面进行磨削,从而保证六个基本角度。
如图所示2-1所示:
Aα——主后刀面
Aα/——副后刀面
Aγ——前刀面
Kr——主偏角
λs——刃倾角
γo——前角
αo——后角
Kr'——副偏角
αo'——副后角
图2-1车刀
空间应该有三个自由度才能保证三个面和六个基本角度,而在我们常用的夹具里,万能虎钳就是最常见的能实现三个自由度的辅助夹具,所以我们可以借鉴,从而实现刃磨。
工作原理:
(1)后刀面的刃磨
首先把车刀紧固在虎钳1上,将转体5相对于底座6转动(绕Y轴线)--车刀的主偏角Kr,使刀刃与纵向进给方向平行,角度值可从刻度盘7读出,再将虎钳相对于3转动(绕Z轴线)--车刀的轴向后角。
角度值可从刻度盘2读出,此时,车刀的整个后刀面都出于切削平面内,当万能虎钳随工作台作纵向往复直线运动时,即可刃磨出车刀的后刀面。
副后刀面刃磨基本相同。
(原理如图2-2所示)
(2)前刀面的刃磨
车刀在虎钳上紧固后,将转体5相对于底座6转动(绕Y轴线),--车刀的主偏角Kr,角度值可从刻度盘7读出,将虎钳1相对于转体3转动(绕Z轴线)--车刀的轴向前角,角度值可从刻度盘2读出。
在将转体3相对于转体5转动(绕X轴线)--刃倾角λs,角度值可从刻度盘4读出(如果λs=0,则不需转动转体3),这样车刀的整个前刀面(经刃磨后的)都出于水平位置,当万能虎钳岁工作台作作纵向直线往复运
动,即可刃磨前刀面。
1一虎钳;2、4、7一刻度盘;3、5一转体;6一底座
图2-2刃磨原理图
【方案2】
由于空间需要三个旋转自由度,才能保证三个面和六个基本角度,可以借鉴机器人的腕关节,实现刃磨。
机器人执行机构即机器人本体,其臂部一般采用空间开链连杆机构,其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节,关节个数通常即为机器人的自由度数。
驱动装置是驱使执行机构运动的机构,按照控制系统发出的指令信号,借助于动力元件使机器人进行动作。
它输入的是电信号,输出的是线、角位移量。
机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置,如步进电机、伺服电机等驱动装置。
如图2-3所示。
1、关节12、关节23、关节3
图2-3驱动装置
利用该种结构,用三台伺服电机进行输入,就可实现空间的三个角度的旋转输出,这三条传动路线分别如下:
电机1-齿轮Z1/Z2-齿轮Z3/Z4-θ2实现X轴的旋转;
电机2-齿轮Z5/Z6-θ1实现Z轴的旋转;
电机3-齿轮Z7/Z8-θ3实现Y轴的旋转;
车刀刀具可以装夹在托板上,实现主后刀面、副后刀面、前刀面的刃磨,角度的调整,可以通过控制伺服电机的旋转,位姿的调整由控制软件按照位姿调整的数学模型进行控制。
从而可以实现刀具的数控化刃磨。
2.2方案论证
方案一,由上述分析可知万能虎钳调整时需将三个坐标轴都进行调整,但由于X、Y、Z三轴是连动的。
当夹具体绕X轴转动时,Y轴方向随着转动,但Z轴方向不变。
绕Y轴转动时,X、Z轴方位不变。
绕Z轴旋转时,X、Y方位随着变动。
因此当夹具绕X或Z轴旋转时,同时会带动其它轴旋转,我们知道在刃磨刀具的几个刀面时,刃磨的先后顺序不同,刃磨的几何角度也不同,因此在使用时,调整的几何角度并不是独立的刀具角度,而是对几何角度在空间进行分析后得到的角度。
这样就会在刃磨时,带来计算的麻烦,势必影响到刃磨的效率,且万能虎钳的调整是通过目测,由工人用手调整,这样刃磨的质量也很难保证。
因此在磨床上利用万能虎钳来进行车刀的刃磨其缺点是很明显的。
方案二,为了解决万能虎钳三轴转动时,带来的联动调整问题以及计算时的麻烦,我提出第二种实现方案。
由刃磨要求可知,在刃磨时要通过夹具体的回转使刀具的被刃磨面回转到与磨轮工作面平行的方位。
因此,当夹具回转则需要三个旋转的自由度以保证刃磨时所要求的角度,由以上对万能虎钳的分析知,该夹具的三个方向的回转自由度并不是独立的,在旋转时角度是很难控制的,因此为了方便而准确的控制三个方向的自由度,我们将这些自由度的生成关系独立开来,我们采取第二个实施方案。
该结构由三部分组成,一部分有一个自由度,并且三部分的轴线交于一个平面。
三部分的实现由三台步进电机控制,则三个方向的旋转自由度就可实现,并且是独立的存在,不会有干涉的现象,再采用丝杠螺母机构来实现两个方向的进给运动,这样在刃磨车刀时,要使刀具待磨面与磨轮工作面平行,我们只需要分别控制三台电机来实现三个轴的旋转,三个轴的旋转由数学建模关系控制,就可轻易的实现人为控制,得到我们所需的角度。
在三个自由度的实现上,有两种方案可以实现,第一种就是三台电机同时布置在一个机体内,第二种可以使进给方向有两个自由度的旋转,然后再利用砂轮的旋转,提供第三个自由度,这样也可以实现三个自由度的控制,在整个设计当中,我们对这两个方案也进行了论证,最后在实现控制上,我们发现,第一、数学模型的建立,都是以刀具的旋转为研究对象的;第二、考虑到设计的结构的紧凑性,我们最终考虑采用了第二种方案中的2,利用三台步进电机实现对刀具的控制,从而得到要磨的刃磨角度。
图2-3方案可以实现三个回转轴线相交于一点,这样三个轴的运动彼此不会产生诱导运动,三个电机的运动相互独立,这样控制算法上比较简单容易实现,但在结构上体现的相对复杂,为此,我们在这个基础上对这个方案部分结构进一步进行改型,从而力求得到比较合理的适合于刀具刃磨的结构。
图2-4结构方案
Z轴方向布置一台步进电机,可以实现垂直水平面的旋转运动,平行于水平面布置一台步进电机可以实现绕X轴的旋转运动,水平面内垂直于X轴布置一台步进电机,从而就可实现绕Y轴的旋转运动。
总体结构方案如图2-4所示,为此
在次方案的基础上我们只需进行合理的结构设计和控制的设计,就可实现我们的设计要求。
2.3本章小结
我国工具行业,长期处在低水平数量型发展轨道,加上目前正处在国家深化改革,产业结构调整,客观和主观都造成我国的工具行业难以适应当今飞速发展的市场变化。
我国刀具制造同先进国家的差距进一步拉大。
为了降低成本,提高刃磨质量和效率,尤为重要。
车刀的刃磨就是最基础的。
而长期以来车刀的刃磨,主要由车床工人用手工刃磨,凭目测控制刃磨角度,这种刃磨方式,刃磨的角度不太正确,效率也较低,所以开发高效可靠、功能强大、成本低廉的经济型数控车刀刃磨机具有现实的经济意义和深远的社会意义。
第三章刃磨机设计方案实施
3.1数学模型建立
3.1.1常见车刀
a)外圆车刀b)外圆车刀d)内孔车刀f)螺纹车刀e)圆弧车刀c)切断刀
图3-1常用车刀
车刀是应用最广的一种单刃刀具。
也是学习、分析各类刀具的基础。
车刀用于各种车床上,加工外圆、内孔、端面、螺纹、车槽等。
车刀按结构可分为整体车刀、焊接车刀、机夹车刀、可转位车刀和成型车刀。
车刀由刀头和刀杆两大部分组成。
刀杆是刀具上夹持部分组成。
刀头直接担负切削工作,它由以下部分组成。
3.1.2车刀几何角度分析
图3-2车刀几何角度投影
为了表示刀具空间集合形状及位置,需通过刀具几何角度来表示。
再表达刀具几何角度时,仅靠刀头上的几个面是不够的,还需要建立几个坐标平面,以便与刀具刀头上的各个面组成相应的角度。
刀具切削角度的坐标平面:
刀具的切削角度是刀具在切削运动状态下确定的角度。
所以刀具的切削角度的坐标系应该用合成切削速度来说明。
切削平面通过切削刃某选定点,切与加工表面的平面。
基面通过切削刃某选定点,垂直于合成切削速度向量的平面。
正交平面通过切削刃某选定点垂直于主切削刃在基面上的投影平面。
副切削刃正交平面垂直与副切削刃在基面上的投影。
刀具标注角度
正交平面坐标系为便于刀具设计者在设计刀具时标注,需要对上述参考平面做一些假设,车削时的假设条件是:
A.装刀时,刀尖恰在工件的中心线上;
B.刀杆对称面垂直于工件轴线;
C.没有进给运动;
D.工件以加
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