五轴联动数控工具磨床砂轮库的研究及结构优
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摘 要
五轴联动数控工具磨床作为一种多轴联动的数控工具磨床，是高效、高质量
磨削制造高精度硬质合金刀具的高、精、尖关键设备,也是各类数控机床中结构较
复杂、自动化程度较高、对精度和可靠性要求较高的机电一体化高技术产品。要
想数控磨床提高生产效率，必须要有好的硬件和软件，来提高数控磨床的自动化
程度。传统的更换砂轮非常繁琐,而且很费时间，通过配备砂轮库来实现自动换砂
轮功能的这种工具磨床就可以很好的解决这个问题。
本课题的研究内容，主要来自上海市重大技术装备首台业绩突破项目
“STWC-5M 五轴联动数控工具磨床”的研发工作。
本文阐述了自主研发多轴联动数控工具磨床的紧迫性、数控工具磨床发展的
趋势以及国内外数控工具磨床砂轮库部件的发展现状。
本文根据“STWC-5M 五轴联动数控工具磨床”的总体要求和相关磨床的设计
经验提出了砂轮库的多种设计方案，运用三维软件 UG 对各种设计方案进行建三
维模型，并结合本磨床整体结构特点以及不同方案的功用，确定了最优方案。在
此基础之上，运用 UG 软件的 Assembles-Components-Check Clearances 分析对装配
结构进行了静态干涉分析，并运用 NX/Motion Sitmulation 模块进行动态仿真和动
态干涉检查。建立了砂轮库的有限元模型，在利用 ANSYS Workbench 软件对砂轮
库件的关键零部件进行了有限元分析之后，提出优化方案来增加砂轮库的刚度，
提高砂轮库的精度，从而使结构得到优化，满足砂轮库的设计要求。本课题的研
究成果为数控工具磨床砂轮库部件的结构设计及优化改进设计提供了重要的理论
依据。
关键词：数控工具磨床 砂轮库部件 运动仿真 有限元分析
ABSTRACT
The Five-axis CNC Tool Grinder as a mulitaxis CNC Tool Grinder is a key
equipment of high efficient, high quality for grinding manufacture, could make high
precision of tungsten carbide tools.Also as a electro-mechanical integration of high-tech
products that require to be complex structures, high automation, high accuracy and high
reliability.If want to increase CNC Tool Grinder productivity, must have good hardware
and software, to improve the automation of CNC Tool Grinder. Traditional ways of
change the wheel are very complicated and have to take long time,we could find a good
way to solute this problem that the CNC Tool Grinder equiped grinding storage to fulfill
the function of this automatic change grinding.
This study of this issue mainly from the shanghai technical performance research
work of major breakthrough in the first stage project "STWC-5M Five-axis CNC Tool
Grinder ".
This article described the urgency of independent researche for mulitaxis CNC
Grinder, the trend of development about CNC Tool Grinder and the status quo of
development about granding storage of CNC Tool Grinder in domestic and abroad.
This article in accordance with the overall requirements of the Five-axis CNC Tool
Grinder " and related design experience in CNC Tool Grinder, presented various design
schemes for granding storage. Using 3D software UG to build a three-dimensional
model for all schemes, and defined the optimum solution after consider the overall
structure characteristics and different solutions of grangding machine.On this basis,
using Assembles-Components-Check Clearances of UG software to check statically
interposition analysis for the assemble structure.Also using NX/Motion Sitmulation
component for dynamic simulation and dynamic interposition checking.Established the
finite element analysis model of granding storage, proposed Optimized scheme to
increase the stiffness and improve the the accuracy of grinding storage after getting
finite element analysis for the key parts of grinding storage, Optimized the structure and
meet the design demands.
The research results of this study will provide important theoretical basis for
structure design and optimized improve design of CNC Tool Grinder.
Key Words ：CNC Tool Grinder,Grinding Storage Component,
Dynamic Simulation,Finite Eelement Analysis
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .....................................................................................................................................1
§1.1 课题的研究背景及意义................................................................................................. 1
§1.2 数控磨床的发展趋势......................................................................................................2
§1.3 课题的研究现状...............................................................................................................3
§ 1.3.1 国外数控工具磨床砂轮库发展的现状......................................................... 3
§ 1.3.2 国内数控工具磨床砂轮库发展的现状......................................................... 6
§1.4 课题要研究的内容及实施方案................................................................................... 7
第二章 磨床砂轮库部件结构设计 ............................................................................................. 9
§2.1 磨床砂轮库的总体设计................................................................................................. 9
§2.1.1 砂轮库部件结构设计方案 ................................................................................. 9
§2.1.2 砂轮库部件设计方案的选择 ...........................................................................12
§2.2 砂轮库主要零部件的结构特点................................................................................. 13
§2.2.1 HSK 刀柄 ............................................................................................................... 14
§2.2.2 CBN 砂轮............................................................................................................... 15
§2.2.3 砂轮高速磨削冷却装置 ....................................................................................16
§2.2.4 砂轮支撑架 ........................................................................................................... 18
§2.3 本章小结...........................................................................................................................19
第三章 磨床砂轮库部件进给系统设计..................................................................................20
§3.1 砂轮库部件进给系统简介.......................................................................................... 20
§3.2 砂轮库部件直线运动设计.......................................................................................... 20
§3.2.1 伺服电机和滚珠丝杠的组合传动特点 ........................................................ 20
§3.2.2 气动的特点 ........................................................................................................... 21
§3.2.3 确定砂轮库部件直线运动实现方法 .............................................................21
§3.2.4 滚动直线导轨的结构 .........................................................................................21
§3.2.5 砂轮库部件直线运动实现效果 ...................................................................... 24
§3.3 砂轮库部件上升运动设计.......................................................................................... 25
§3.3.1 上升运动实现方案 ............................................................................................. 25
§3.3.2 基本运动原件 ...................................................................................................... 26
§3.4 砂轮库部件旋转运动设计.......................................................................................... 27
§3.5 本章小结...........................................................................................................................29
第四章 磨床砂轮库部件运动仿真 ........................................................................................... 30
§4.1 UG 仿真设计流程概述................................................................................................. 30
§4.2 砂轮库部件的虚拟装配............................................................................................... 31
§4.3 砂轮库的干涉检测........................................................................................................ 32
§4.4 砂轮库的运动仿真........................................................................................................ 33
§4.5 本章小结...........................................................................................................................36
第五章 磨床砂轮库部件有限元分析及结构优化 ............................................................... 37
§5.1 砂轮库部件有限元分析的目标................................................................................. 37
§5.2 有限元分析的实施方案............................................................................................... 38
§5.2.1 砂轮库三维实体模型的建立 ...........................................................................38
§5.2.2 有限元分析平台介绍 .........................................................................................38
§5.3 静态有限元分析.............................................................................................................49
§5.3.1 砂轮库部件结构受力分析 ............................................................................... 49
§5.3.2 砂轮库部件有限元模型的建立 ...................................................................... 42
§5.3.3 有限元模型的前处理 .........................................................................................43
§5.3.4 结果后处理 ........................................................................................................... 46
§5.3.5 上升支撑板的静态分析 ....................................................................................47
§5.4 砂轮库部件的优化设计及优化结果对比分析..................................................... 48
§5.4.1 优化方案的选择与确定 ....................................................................................59
§5.4.2 机构改进后砂轮库部件的静态分析 .............................................................51
§5.5 本章小结...........................................................................................................................53
第六章 总结与展望....................................................................................................................... 54
§6.1 论文总结...........................................................................................................................54
§6.2 后期工作展望................................................................................................................. 55
参考文献 ............................................................................................................................................56
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果....................................................60
致 谢................................................................................................................................................ 61
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的研究背景及意义
社会生产力发展到今天，一个国家装备制造业的发展水平，成为衡量国家工
业水平、科技水平的标准，成为国家经济、科技实力和竞争力的集中体现。根据
国家“十一五”规划，以自主创新带动先进装备制造业的发展，推动产业结构优
化升级，作为“十一五”时期的战略重点。进入二十一世纪以后，数控机床和加
工中心得到日益广泛地应用于生产当中，所需刀具也正向高效、精密、环保等方
向发展，这些都为中国刀具行业的发展和升级提供了契机，同时，也带来了严峻
的挑战。精密、复杂形状刀具(如球头立铣刀等)的制造与修磨问题显得越来越重
要。由于这类刀具刃形复杂, 采用普通工具磨床和传统的磨削工艺方法来制造很
难实现。
随着科学技术水平的不断提高，工具磨床也得到了长足飞速的发展。为了适
应这些复杂刀具的生产要求，工具磨床从机械结构的传动配合控制到当今的 CNC
技术的应用，从繁琐的刃形手工修磨到当今的五轴联动数控磨削。数控工具磨床,
特别是多轴联动的数控工具磨床是高效、高质量磨削制造该类刀具的高、精、尖
关键设备,也是各类数控机床中结构较复杂、自动化程度较高、对精度和可靠性要
求较高的机电一体化高技术产品。
近年来，国内刀具市场的消费总量快速增加。在销售总额上，进口刀具超过
国产刀具，在质量上，更是如此。“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的“三
高一专”的现代化中高档刀具的 80%市场被进口刀具所占据，国产刀具仍是“低
端产品混战，高端产品失守”的局面，只能在中低档刀具中竞争。国产刀具生产
企业不仅产品档次不高，而且规模也小。
高精度合金刀具的出现和广泛地应用于生产加工中，将数控工具磨床推到刀
具制造的最前沿。同时数控工具磨床的出现也改变了传统的磨削工艺过程，一次
装夹即可完成所有磨削工作似乎是数控工具磨床的基本特征，提高了自动化程度。
我国现在的高档数控工具磨床大都依赖进口或由中外合资企业生产制造，上海工
具厂有限公司近年来生产的整体硬质合金刀具所采用的数控加工机床基本都是从
国外进口。我国每年需进口 200～300 余台数控工具磨床以及各种多功能复杂曲面
磨床，用于各种模具、复杂曲面零件、刀具等加工。数控工具磨床是具有尖端技
术的加工设备，每台价格约两三百万元人民币，对于国内企业来说价格非常昂贵。
并且西方国家为了限制我国军事工业的发展，他们禁止向我国军工企业出售类似
五轴联动数控工具磨床砂轮库的研究及结构优化
2
高性能、高精度的机床装备，特别是具有复杂曲面磨削功能的多轴联动机床。我
国磨削加工技术的研究虽然有近五十年的历史，但总体水平与发达国家相差较大。
因此研发“五轴联动数控工具磨床”高性能数控装备，替代进口，已成为我国装
备制造业和科技工作者的紧迫任务。
国内目前还没有生产出五轴联动数控工具磨床，还处在研发阶段。在 2009 年
3月国家“工信部”举办的“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项项目申
报中，就将五轴联动数控工具磨床作为专项项目之一。
本课题的研究内容，主要来自上海市重大技术装备首台业绩突破项目
“STWC-5M 五轴联动数控工具磨床”的研发工作。实现五轴联动数控工具磨床的
开发，可大大降低国产刀具的加工成本，促进高技术附加值的国产刀具的发展，
逐步形成规模生产，改变我国刀具生产技术的落后局面，充分利用世界刀具市场
的总容量的巨大潜力，参与国际化竞争。对推进我国刀具制造业的技术进步，也
有着深刻的经济和社会效益。
§1.2 数控磨床的发展趋势
为了满足复杂刀具的生产要求和市场多样化的需求，现代制造业对机床系统
提出了更高的需求，当前世界数控磨床的发展趋势主要包括[2]：
(1) 高速化 主轴转速在
min/12000r
以上的现代数控磨床已较为普遍，有的
的主轴转速高达
min/30000r
以上；磨床在磨刀具时的进给速度要求不高，如今的
技术可以支持高达
min/120m
的快速进给速度。
(2) 高精度化 磨床加工的高精度比加工速度更为重要。近年来，其精度已从
微米级到亚微米级，乃至纳米级，有的工具磨床已经达到
m
)5.1-1(
。
(3) 复合化 高档数控磨床配备砂轮库机构实现快速平稳地自动更换砂轮，这
样就可以采用复合加工来实现一次装夹后就能全自动连续完成对刀具外圆、刀尖
等所有复杂结构的磨削加工。 有的高档数控磨床甚至可以实现自动更换和装夹工
件，从而减少不创造价值的辅助时间，提高机床的效率，降低刀具的生产制造成
本。
(4) 智能化 模糊数学、神经网络、数据库、知识库，以范例和模型为基础的
决策形成体系、专家系统、现代控制理论与应用等技术的发展及在制造业中的成
功应用，为新一代机床设备智能化水平的提高建立了可靠的技术基础。智能化的
内容涵盖数控系统的各个方面，如：驱动性能及使用连接方便的智能化、简化编
程、简化操作方面的智能化，还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面、智
能诊断、智能监控方面、方便系统的诊断及维修等。
第一章 绪论
3
(5) 柔性化、集成化 为适应制造自动化的发展，要求数控系统不仅能完成通
常的加工功能，而且还能够具备自动测量、自动上下料、自动更换砂轮、自动误
差补偿、自动诊断、进线和联网功能。依据用户的不同的要求，数控系统需要可
以方便地灵活配置及集成相应的功能。随着机械零件的加工质量和加工精度的不
断提高，刀具加工不可避免地需要向着超高精度和高自动化方向发展。如果采用
传统的发展模式必然以增加系统的复杂度为代价，这不但增加系统的造价，而且
增加系统的能耗。多学科交叉融合成为一个研究趋势，实现材料、机电一体化构
件和数控系统的充分结合，从而实现结构和构件的多功能一体化于一身。
§1.3 课题的研究现状
§ 1.3.1 国外数控工具磨床砂轮库发展的现状
当今的“五轴联动数控技术”是数控机床的顶尖核心技术，也是数控技术中
难度最大的、应用范围最广的技术，它是集计算机控制、高性能伺服驱动系统和
精密加工技术于一体，可以应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五轴联
动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门
迫切需要的关键加工设备，国际上把五轴联动数控技术作为一个国家工业化水平
的标志。
国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲面零件加工而出现的。随着机床
复合化技术的新发展，在数控车床的基础上，又很快生产出能进行铣削加工的车
铣加工中心。五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至
可以完全省去某些大型自动化生产线的投资、大大节约了占地空间和工作在不同
制造单元之间的周转运输时间及费用。
现代制造技术的飞速发展, 对高精度特型刀具的品种和数量的要求越来越
高。但是由于这类刀具刃形复杂, 采用普通工具磨床和传统工艺方法来制造很难
实现。随着机床技术水平的不断提高，工具磨床也得到了长足飞速的发展。五轴
联动数控工具磨床是工具磨床发展到现阶段的必然趋势，其高生产效率、高精密
度、高柔性符合了当今市场上刀具生产的要求—小批量、多品种。
要想机床提高生产效率，必须要有好的硬件和软件，来提高机床的自动化程
度。传统的更换砂轮轴非常繁琐,而且很费时间，通过配备砂轮库来实现自动换砂
轮功能的这种工具磨床就可以很好的解决这个问题。如今，新型精密和高速的磨
床在单主轴结构设计的基础上,辅以快速更换砂轮功能,只需按下按钮便可快捷地
完全由程序来实现全自动更换砂轮。
摘要：
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摘要五轴联动数控工具磨床作为一种多轴联动的数控工具磨床，是高效、高质量磨削制造高精度硬质合金刀具的高、精、尖关键设备,也是各类数控机床中结构较复杂、自动化程度较高、对精度和可靠性要求较高的机电一体化高技术产品。要想数控磨床提高生产效率，必须要有好的硬件和软件，来提高数控磨床的自动化程度。传统的更换砂轮非常繁琐,而且很费时间，通过配备砂轮库来实现自动换砂轮功能的这种工具磨床就可以很好的解决这个问题。本课题的研究内容，主要来自上海市重大技术装备首台业绩突破项目“STWC-5M五轴联动数控工具磨床”的研发工作。本文阐述了自主研发多轴联动数控工具磨床的紧迫性、数控工具磨床发展的趋势以及国内外数控工具磨...
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