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1、毕业设计(论文)摘 要 本论文是致力于对空间曲面外表面的轮廓精确修磨试验装置进行设计与相关计算说明。该装置立题与实际相联系的实例是复杂金属切削圆锯片的修磨。在实际的生产过程中用来切削金属的锯片齿面会发生逐渐的磨损，影响切削的效率和切削的精度，而在实际的修磨过程中，锯片的使用厂方遇到了难以解决的问题。首先，锯齿要求有精确的分度，且齿面面积很小，精度要求高，依靠国内现有的修磨技术很难满足要求，修磨的过程中造成大量的废件，同时也严重影响了生产效率。另一方面，国外的锯片生产厂家，从技术角度实行技术保密，修磨价格高，而且加工的周期也很长。这些因素都阻碍了生产的顺利进行。因此设计一种锯片的精确修磨机构来满
2、足实际的需要。这个项目在国内处于空白领域，经过考虑设计的难度，现拟定在设计可以实际投入生产应用的生产设备之前先进行试验设备的设计。本设计要求实现规定的技术要求，并且在满足要求的前提下，尽量将设计趋于生产实际。 本设计要应用压电技术，压电陶瓷晶体具有很好的力学特性和精度特性，在多方面比较之后成为本设计的首选。本设计利用压电驱动机构控制机械装置以实现磨削平面的六个自由度的精确运动定位。本设计侧重在机构设计。关键字 六自由度运动 圆锯片的修磨 柔性机械臂 空间曲面拟合AbstractThis paper is dedicated to the surface contours of the oute
3、r surface of precision grinding test apparatus design and related calculations. State questions linked to the actual instance of the devices is complex for metal cutting circular saw blade grinding. In the actual production process used to cut metal saw blade tooth wear and tear will happen graduall
4、y, affecting the precision of the cutting efficiency and cutting, while in the actual process of grinding, blade encountered a difficult problem to solve using the factory. First of all, anti-aliasing requires a precise indexing, and tooth surface are very small, high precision, relying on existing
5、domestic grinding technology is difficult to meet the requirements, cause a lot of waste in the process of grinding, also seriously affected the production efficiency. The other hand, saw blade manufacturers abroad, from a technical point of technology secrecy, high on grinding and processing cycle
6、is very long. These factors have hindered the production run smoothly. Therefore design a precise grinding saw blades body to meet the actual needs. This project is blank in the country field, after considering the difficulty of designing, application is developed in design can actually put into pro
7、duction test equipment design before production equipment. This design calls for the provisions of technical requirements, and meet the requirements of the premise, as far as possible towards production designs. Applications of piezoelectric technology in design, piezoelectric Crystal with very good
8、 mechanical properties and precision properties, later became the preferred design in many ways. Designed using piezoelectric actuator to control mechanical devices to achieve precise grinding of plane five-degree of freedom motion positioning. The design focuses on the design.key words Six degrees
9、of freedom movement circular saw blade grinding flexible arm space and surface fitting目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 引言11.2 课题研究的主要内容21.3 压电技术发展的现状2 1.3.1 压电陶瓷2 1.3.2 压电陶瓷的广泛应用21.4 传统的空间曲面加工技术和传统的柔性机械臂系统51.5 本章小结7第2章 机械结构设计82.1 机械结构总体设计8 2.1.1 机械系统组成设计9 2.1.2 结构总体设计102.2 六个自由度运动机构的实现11 2.2.1 在X，Y，Z轴向上转
10、动的实现11 2.2.2 平动移动副的设计研究162.3 相关设计计算18 2.3.1 强度与刚度的问题18 2.3.2 精度问题192.4 本章小结19第3章 曲面拟合基础研究203.1 曲面拟合203.2 本章小结22第4章 压电驱动机构的设计分析234.1 原理介绍234.2 本章小结26结 论27致 谢28参考文献29附录 131附录 235IV第1章 绪论1.1 引言 圆锯片（由于本设计属于试验装置，所以经过简单改装也可以顺利应用与其他曲面的加工）在生产中有着大量的应用。作为金属材料成型的一种基础方法锯切，具有方便，快捷，简单等诸多优点。而圆锯片的切削则是锯切中一种最常见的方式。每年
11、都会有大量的圆锯片刀具的需求，于此同时圆锯片刀具的修磨也随之成为一个很有前景的产业。但是由于国外的技术垄断和锯片尤其是高技术含量锯片的修磨成本往往很高，如果能够实现锯片修磨的国产化具有巨大的实际意义。金属切削圆锯片主要分为硬质合金圆锯片和高速钢圆锯片。其中高速钢圆锯片因为容易成型复杂曲面，所以在高精度等特殊场合有着特别的应用，而硬质合金圆锯片由于寿命长，切削要求低，在一般的金属加工领域也有着广泛的应用。从修磨的角度看，硬质合金圆锯片因为硬度高，刀齿可换等因素并不适合修磨，所以并不在本文的讨论范围之内。而高速钢圆锯片在成形精度要求高的场合，本身的磨损对工程的影响很大，所以是修磨工作的主要对象。图
12、1-1 高速钢圆锯片样图1.2 课题研究的主要内容 对于不同的高速钢锯片的齿形和齿面都会有不同的方程，因此在这里我设计的是一个高速钢齿面磨削的一般装置。同时考虑到齿面磨削需求的一般性，本设计的题目外延被延伸到了一般空间曲面的磨削上，这里所说的一般空间曲面是指凸曲面。因此本设计中任务分为两个部分对曲面拟合的数学分析建模部分和机构和相关控制的部分，其中机构及其控制部分为电路设计，机构设计，计算机程序设计，测量闭环传感部分等，而针对本次设计的过程，由于大量引入压电陶瓷尺蠖机构，因此在机构设计和电控设计的部分又单独的引入了压电的部分。通过考虑本科生课程设计的工作量，最终在方案确立之后重新拟定了工作的计
13、划目标：本设计主要负责该空间曲面磨削实验装置的机械机构设计，其中包括尺蠖机构的结构设计（但是由于本部分涉及到较多的难度很高的电工封装部分，难度视情况而定），另外为了保证同项目的其他部分进行合理有机结合，适当在曲面拟合和传感器设计方面进行扩展。1.3 压电技术发展的现状1.3.1 压电陶瓷 压电陶瓷材料，它具有压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。所谓压电效应是指由应力诱导出极化（或电场），或由电场诱导出应力(或应变)的现象，前者为正压电效应，后者为负压电效应，两者统称为压电效应。目前为止，压电陶瓷的这种压电效应已被应用到与人们生活密切相关的许多领域，遍及工业、军事、医疗卫生、
14、日常生活等。可见压电陶瓷应用的研究意义非常重大。1.3.2 压电陶瓷的广泛应用 压电陶瓷的应用十分广泛。大体说来，可分为频率控制、换能传感和光电器件等方面。1.3.2.1 压电陶瓷频率控制器件 压电频率控制器件有滤波器、谐振器和延迟线等，这类器件使用于道倍机、微机、彩电延迟电路等中。压电陶瓷片（压电振子）在外加交变电压作用下，会产生一定频率的机械振动。在一般情况下这种振动的振幅很小，但是当所加电压的频率与压电振子的固有机械振动频率相同时会引起共振，振幅大大增加。这时，交变电场通过逆压电效应产生应变，而应变又通过正压电效应产生电流，电能和机械能最大限度地互相转换，形成振荡。利用压电振子这一特点，
15、可以制造各种滤波器、谐振器等，其频率稳定性好，精度高，适用频率范围广，体积小，不吸潮，寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，所以目前已取代了相当大一部份电磁振荡器和滤波器，而且这一趋势还在不断发展中。1.3.2.2 压电换能器及传感器 压电陶瓷在交变电场作用下，会产生伸缩振动，从而向介质中发射声波。当交变电场的频率与压电陶瓷的固有机械频率相近时会产生共振，它能发出很强的超声波振动。因而可利用所产生的高强度超声波来改变物质的性质和状态，如超声清洗、超声乳化以及制作各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工等。压电晶体产生的超声波在介质中传播，遇到障碍物时，大部分声能被折回形成回波，回波再被压电晶体接受转变成电信号，电信号的幅度与给定频率下的声信号的幅度成正比例。根据此电信号的各种参量，可以进行超生医疗，对金属进行无损探测以及探测水下物体等。其中把声能转化为电能的转换器叫做接收器或水听器；把电能转换为声能的转换器叫做发射器。声呐就是这方面的一个广泛应用，有些声呐用同一只换能器来发射和接收声音；另一些则使用分开的发射器和水听器。其中0.05mm压电陶瓷薄片，将多片压电陶瓷基片，采用机械上串连、电路上并连，然后烧结在一起的方式制成。这样，给它施加数百伏的电压便可
