机械毕业设计-冰刀研磨机设计（含全套CAD图纸+1.6万字说明书+外文翻译+计算机辅助设计）

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外文翻译


目 录
摘 要.............................................................................................................................1
ABSTRACT...................................................................................................................2 1绪论.............................................................................................................................3
1.1 研究的背景、目的和现实意义.............................................................................3
1.2 冰刀研磨技术概述.................................................................................................4
1.3 国内外研究状况.....................................................................................................6
1.4 主要内容.................................................................................................................6
2 冰刀研磨机总体结构...............................................................................................8
2.1 冰刀研磨机的主要指标.........................................................................................8
2.2 冰刀研磨机的基本要求........................................................................................8
2.3 冰刀研磨机总体布局............................................................................................8
2.4 主要部件的设计和选择...................................................................................... 10
2.5 磨削力的计算 .....................................................................................................12
2.6 冰刀的裝夹技术.................................................................................................. 12
2.7 本章小结.............................................................................................................. 15
3 冰刀研磨的数控加工工艺.................................................................................... 16
3.1 数控研磨的特点.................................................................................................. 16
3.2 影响冰刀研磨质量的因素.................................................................................. 16
3.3 磨料的选择.......................................................................................................... 18
3.4 砂轮的结构........................................................................... ...............................19
3.5冰刀与砂轮位置关系............................................................................................19
3.6 砂轮的修整.......................................................................................................... 20
3.7 本章小结...............................................................................................................22
4 冰刀研磨机控制系统方案.....................................................................................23
4.1 系统的硬件结构.................................................................................................. 23
4.2 研磨的运动控制分析.......................................................................................... 23
4.3 砂轮恒线速度的控制.......................................................................................... 24
4.4本章小结................................................................................................................25
5 冰刀研磨机机械结构的几何建模.........................................................................26
5.1 SOLID Edge软件简介 .....................................................................................26
5.2 冰刀研磨机机械结构实体建模过程...................................................................26
5.3 本章小结 ............................................................................................................27
6 总结与展望............................................................................................................. 32
7 参考文献..................................................................................................................33


我国手工冰刀磨刀机产品技术含量低，自动化程度不高，冰刀的研磨质量完全取决于作者的熟练程度，严重影响冰刀研磨的效率和质量，商品化的手工冰刀研磨机则尚属空白，更谈不上全自动的数控冰刀研磨机了，这对我国冰上运动的发展是一个极大的制约。因此，开发具有自主知识产权的国产数控冰刀研磨机势在必行。
1.4 主要内容
（1）针对数控冰刀研磨机便携式、刚度、精度的要求，本文确定了冰刀研磨机床的总体布局和关键部件的选取；通过打印机接口外接自行设计的板卡把冰刀研磨机作为通用 PC 机的一个外设，从而实现 PC 直接数控，满足了冰刀研磨机便携式的要求；同时研制了适合冰刀研磨加工的专用夹具。
（2）冰刀的手工研磨，刀刃线形状、研磨量、研磨的分级、控制过程全依赖操作员的手感和经验程度，难以达到形状精度和表面精度的要求。本文分析了影响冰刀精度的各种因素，并针对研磨刀刃线的控制和工艺特点，对冰刀的分级研磨和砂轮的结构和运动进行了研究。数控系统根据研磨量，自动生成冰刀研磨的加工工艺卡。
（3）本文结合了砂轮的磨损机理，提出了控制砂轮修整、补偿的方法。
（4）在华中数控系统硬件体系的基础上，详细分析了冰刀研磨加工的控制过程，设计了研磨砂轮的特殊运动方法，采取了半闭环的伺服位置控制方案，采取CNC-PLC模拟量单元的数据及信号处理环节，用变频器来实现对砂轮主轴电机的控制，从而保砂轮以恒定的线速度进行研磨加工。
（5）本文对基于华中开放式数控平台的专用机床控制软件开发进行了的研究和探讨，研制了冰刀研磨控制软件，将面向对象编程技术应用到冰刀的数控编程中去。数控系统具备友好的人机界面和加工过程的在线仿真功能。
2. 冰刀研磨机总体结构
本文研究的数控冰刀研磨机是集机械、电气、计算机和控制技术于一体的机械加工设备。其中，机械部分是冰刀研磨机的重要组成部分。机械部分的布局、结构设计、裝夹技术将对加工精度、系统可靠性和设备的便携性具有十分重要的意义。
2.1 冰刀研磨机的主要指标
冰刀的数控研磨有其行业特点。首先，由于每个冰刀的磨损程度不同，其轮廓形状位置是未知的。其次，冰刀数控研磨属于成形加工，不但要将刀刃磨出来，还必须将冰刀轮廓形状修复成规定的形状。再次，冰刀的刀刃面要求有较低的粗糙度。最后，研磨冰刀时，在保证质量的前提下，应尽量考虑冰刀的使用寿命，每把冰刀的研磨量设定要合理。综合上述冰刀研磨的特点后，确定冰刀研磨机的主要指标为：
1．能够按特定参数和仿形自动研磨 300～450mm，拱高 10mm 的速滑、短道速滑冰刀的任意弧度。通过 X 、Y、Z 三个轴的伺服电机控制三维运动平台和研磨运动。
2．冰刀研磨过程分粗磨、精磨、抛光三级研磨，磨轮驱动为变频、低噪、小功率电机。冰刀刃平面粗糙度达到 Ra0.05～0.025，90°边刃角直接打磨。一次研磨时间为 3～5 分钟。
3．采用弧度采集器、线阵 CCD 与 A/D 转换卡、单片机进行接口通讯，能检测冰刀弧度、刀刃磨损量；接收、运算采样数据；显示研磨过程图形、进行数据对比和按弧度检测数据分级研磨。
2.2 冰刀研磨机的基本要求
（1）该设备是用于运动员研磨冰刀，设备应简单、可靠、易操作、精度高；
（2）为了保障冰刀的形状精度，机械夹持部分应具有良好的刚性和精度；
（3）设备的布局、功能应适应不同种类冰刀研磨的要求。
2.3 冰刀研磨机总体布局
研磨机的总体布局是设计研磨机时影响全局性的决策部署。在总体布局确定后，才能确定部件之间的相对位置及运动关系，进一步具体设计研磨机。总体布局的影响因素是多方面的，其中，工件的表面形成方法，即冰刀与砂轮怎么做相对运动来加工刀刃是设计研磨机时首先要决定的。表面形成的方法确定后，研磨机的布局、传动、结构及外形等就可初步决定。为了减少或消除研磨机的振动及热变形，应特别注意主轴变速箱、电动机等的布局。此外，被加工工件的尺寸、重量和技术要求与研磨机的布局有密切关系。总体布局还必须考虑人的因素，能够满足操作要求，必须有利于减轻操作者的劳动强度，以提高工作效率，并应注意留出必要的维修空间。
数控冰刀研磨机机械部分的总体布局如图 2.1 所示，此冰刀研磨机采用立式设计，主要由 X 向进给装置、Y 向进给装置、Z 向进给装置、夹具、砂轮装置五部分组成。由于冰刀的长度在300~450mm之间，Y向运动行程为60mm，Z 向运动行程只要 20mm，所以整个机床的尺寸可以设计成：长 850mm，宽300mm，高 565mm。
冰刀的研磨过程主要有 X 向冰刀磨削运动，Y 向进给运动和 Z 向调节砂轮运动，通过这三个运动来实现对任意弧度冰刀的研磨。本文研究的数控冰刀研磨机体积、质量较小，转动惯量小，所以可将电机与丝杠直接相连。如图 2.2所示，冰刀固定在夹具 11 上； X 轴电机 9 带动丝杠 2 旋转，使滑板 8 沿 X方向移动，从而带动冰刀实现 X 方向的运动，行程为 550mm，磨削刀刃表面和 90°边刃角；同理，Y 轴电机 5 带动丝杠 6 旋转，使滑板 3 沿 Y 方向移动，从而带动冰刀实现 Y 方向的运动，行程为 60mm，磨削冰刀的拱高，X 轴和 Y轴的联动可实现砂轮的磨削运动；手轮 13（为了减轻重量，用手轮代替 Z 向电机）带动丝杠 12 旋转，实现砂轮 16 的上升下降即 Z 方向的运动。砂轮安装在砂轮架 15 上，由砂轮电机 14 带动砂轮 16 转动。
2.4 主要部件的设计和选择
对主要部件的设计和选择要能满足冰刀研磨机的精度、刚度等性能上的要求。
2.4.1 进给轴的行程和尺寸
冰刀的长度为 300～450mm，工作台的实际加工行程就是所加工冰刀的长度，即工作台的实际加工行程为 300～450mm。但在加工开始和结束时，工作台要有一段加速行程和减速行程，所以将 X 轴的总行程设定为 550mm；再加上工作台本身的长度（500mm）和装夹尺寸，得出 X 轴的总尺寸为828mm。
刀刃可加工厚度不超过 30mm，如图 2.2 所示，要给工作台留出一段加、减速行程，所以 Y 轴的行程为 60mm；再加上工作台本身的宽度（200mm）和装夹尺寸，得出 Y 轴的总尺寸为 318mm。冰刀厚 2mm，砂轮厚 8mm；加上刀具的加、减速行程，Z 轴的行程设定为 20mm。由于工作台本身的高度（220mm）度、砂轮架的高度（110mm）和装夹尺寸，所以将 Z 轴的总尺寸设定为 400mm。
2.4.2 丝杠的选取
在本设计中，采用滚珠丝杠，梯形螺纹。丝杠的刚度与直径大小直接相关，直径大、刚度好，但直径太大转动惯量也大，考虑到研磨机属于小型加工设备，取滚珠丝杠的直径为20mm，所以选择公称直径20mm，公称导程6mm，丝杠外径 20.3mm 的滚珠丝杠副。 根据机床运动轴的行程，确定丝杠的有效螺纹长度分别为 X 轴 600mm，Y 轴90mm，Z 轴 48mm。
2.4.3砂轮架的设计
砂轮架（磨具、磨头）是磨床上用来带动砂轮作高速旋转的关键部件，图2.3 是冰刀研磨机的砂轮架结构。经过静平衡的砂轮紧固在主轴上，主轴支撑在轴承上。整个砂轮架与 Z 轴丝杠相连，实现 Z 方向的运动。