1.1 總體方案
擬定磨床總體方案，包括以下三方面的內容：（1）調查分析；（2）工藝分析；（3）磨床總體布局。
1.2調查分析
調查分析主要包括：（1）對加工對象的了解；（2）對使用要求與制造條件的了解；（3）對同類及類同設備的了解。
1.3加工對象
加工對象是主軸箱上兩個同軸軸承孔，
2.1.1工件材料：孕育鑄鐵。
2.1.2 使用要求與制造條件
本課題所要解決的關鍵問題是主軸箱上兩個同軸軸承孔的超精密加工。要求所加工的軸承孔的技術參數能達到：（1）圓柱度：0.002mm；（2）圓度：0.002mm；（3）平直度：0.002mm。
磨床的制造運用數控技術，現代測試手段，微量進給軟件補償技術，從而使精密機械設計達到所要求的精度。
2.1.3 同類及類同設備
加工工藝方案
工藝方法對磨床的結構和性能的影響很大，工藝方法的改變常導致磨床的運動、傳動、布局、結構、經濟效果等方面的一系列變化。
常用的內孔加工方法主要有:切入式磨削、單油石磨削、多油石磨削。
切入式磨削
切入式磨削: 將磨頭沿軸向進入工件被加工孔。一般數控加工機床是采用軸向加工方式，直接切入工件的表面。
采取切入式磨削方式的加工工藝方案如圖所示。砂輪回轉，工件安裝在工作臺上，在加工時回轉。砂輪的徑向進給（Fr）靠工作臺沿X方向位移實現，上面的孔及上端面加工好后，砂輪通過在垂直方向上的移動，繼續加工下面的孔及下端面。工件一次安裝，以保證精度。

2.2.2 單油石磨削
單油石磨削: 將1塊油石沿軸向進入工件被加工孔。數控加工機床是采用軸向加工方式，油石與工件內孔相接觸，通過數控系統控制磨削部件內孔表面的質量。
采取單油石磨削的加工工藝方案如圖所示。油石并不回轉，而是做往復直線運動，工件安裝在工作臺上，在加工時隨工作臺一起回轉。油石的徑向進給靠拖板的水平方向位移實現，以此來帶動工作臺上的工件，上面的孔及上端面加工好后，油石通過垂直方向上的移動，繼續加工下面的孔及下端面。工件一次安裝，以保證精度。

2.2.3 多油石磨削
多油石磨削: 將位置對稱的4塊油石沿軸向進入工件被加工孔。一般數控加工機床是用軸向方式加工，油石與工件內孔相接觸，通過數控系統控制磨削部件內孔表面的質量。
采取多油石磨削的加工工藝方案如圖所示。油石回轉，工件安裝在工作臺上，在加工時工件并不回轉。油石的徑向進給靠數控部件參數的設置來實現，通過往復振動來進行磨削，上面的孔及上端面加工好后，多油石裝置通過垂直方向上的移動，繼續加工下面的孔及下端面。工件一次安裝，以保證精度。
2.2.4 加工工藝方案選定
切入式磨削的特點是：排屑和散熱相對比較容易，磨削液較易進入磨削區，適合加工小、中尺寸類型的零件，控制相對簡單，加工得到的精度和表面粗糙度比較高。
單油石磨削的特點是：排屑和散熱相對比較容易，磨削液較易進入磨削區，適合加工中尺寸類型的零件，但是控制相對復雜，加工得到的精度和表面粗糙度一般，油石較易磨損。
多油石磨削的特點是：內圓的加工條件相對比較苛刻，排屑、散熱困難，磨削液不易進入磨削區，油石易磨損，控制比較復雜，加工高精度和表面粗糙度的孔比較困難，成本也高，適合加工大尺寸類型的零件。
綜上所述，多油石磨削的散熱比較困難，容易引起熱變形，一般用于加工大尺寸類型的零件，由于本課題所加工的零件屬于中小尺寸，而且要求要求達到的精度比較苛刻，所以應避免排屑和散熱較為困難的工藝，而且應該盡可能減少磨具本身由于磨損所帶來的誤差，所以多油石磨削并不適合本課題。相比另兩個方案，切入式磨削與單油石磨削。一般單油石磨削的磨削量較大，由于本課題是精密加工，所以磨削量極小，所以并不十分合適。而且單油石磨削的控制相對比較復雜，由于控制復雜，執行元件也將增加，精度就更難以保證。所以本課題選擇砂輪切入式磨削，砂輪與工件同向回轉的加工方式。

2.3 磨床運動的確定與分配
磨床的傳動系統是由加工工藝來決定的。確定磨床的運動時，應當在滿足工作要求的前提下，盡可能減少運動數目，特別是減少要求高的運動數目（例如分度運動等），并盡可能簡化運動裝置和傳動裝置的結構，盡可能用一個執行件完成多個運動。
2.3.1 磨頭的運動分配
磨頭是加工零件的執行元件，其運動的形式有兩種方案：
（1）自身回轉；
（2）自身的回轉和垂直方向上的直線移動。
磨頭是與加工零件直接接觸的部件，加工零件的加工要求很大程度上取決于磨頭自身的精度，所以磨頭運動的復雜程度越小越好，而且應該盡可能減免磨頭電動機所散發的熱量，所以方案（2）并不適合本課題，而方案（1）中電動機所產生的熱量可以用散熱片得以解決。綜上所述，本課題選擇方案（1）。
2.3.2 磨頭主軸箱的運動分配
由于磨頭采用自身回轉的運動方式，根據加工工藝方案，所以磨頭主軸箱就負責磨頭垂直方向上的直線移動。
2.3.3 回轉工作臺的運動分配
根據加工工藝方案可知，回轉工作臺主要負責工件自身的回轉，所以其運動的形式有兩種方案：
（1） 自身的回轉；
（2） 自身的回轉和X方向上的直線移動。
兩者的區別在于是否有X方向（水平方向）上的直線移動，由于加工工件就安裝在回轉工作臺上，鑒于加工要求，對回轉工作臺自身的誤差要求就非常高，所以應該減少其運動數目以保證其精度，所以采用方案（1）。
2.3.4 拖板的運動分配
由于回轉工作臺采用自身回轉的運動方式，根據加工工藝方案，拖板的運動為X方向的直線移動。
2.3.5 運動分配分析的結論
確定磨床的運動分配如下：所有的運動由磨頭、磨頭主軸箱、回轉工作臺、拖板四個執行件來完成。
磨頭的運動是自身的回轉，磨頭主軸箱的運動是垂直方向上的直線移動，回轉工作臺的運動是自身的回轉，拖板的運動是X方向（水平方向）上的直線移動。
2.4 磨床的總體布局
本項工作的基本要求：
（1）保證刀具和工件間的相對位置和相對運動。
（2）足夠的剛性，抗振性。
（3）便于操作、維修、排屑等。
（4）材料消耗低，占地面積小。
（5）造型美觀。
總體布局的具體內容：
（1）運動分配時應考慮的結構因素
（2）磨床傳動形式的確定（3）磨床支承結構形式的確定
2.4.1 結構因素
（1）把運動分配給重量輕的執行件
基于這一原則，考慮到磨頭主軸箱的重量，需要對其進行平衡。如果沒有平衡裝置的話，在其上升階段卻需要相當大的拉力才能實現，這都是影響到加工要求的不良要素。所以在磨頭主軸箱的另一端加以平衡，鋼絲繩的一端與磨頭主軸箱連接，而另一端吊以重物，重物的質量與磨頭主軸箱的質量相當，這樣磨頭主軸箱的質量就被平衡，這樣能使得精度等要求的保證。
（2）提高加工精度
提高精度的加工方法有以下兩種：刀具回轉、工具回轉。
由于本課題所要達到精度要求極高，另外超精度磨削的磨削量是十分小的，所以本課題采用刀具和工件同時回轉，而且回轉方向一致，以此來提高加工精度和減少磨削量。
（3）減少占地面積
此因素取決于加工工藝方案以及磨床支承結構形式，請參照下文。
2.4.2 磨床傳動形式
（1）磨頭的驅動
磨頭的運動是自身的回轉，所以磨頭的驅動有三種可以采用的方案：
① 由內置電動機直接驅動；
② 由內置電動機通過皮帶的傳動來驅動；
③ 通過外置電動機來直接驅動。
結合本課題的加工要求，經過研究（詳情請參閱《精密數控磨床的磨頭設計》相關部分），決定采用第②種方案。
（2）磨頭主軸箱的驅動
由于在立柱上安裝的部件主要保證磨頭主軸箱在垂直方向的上下移動、進給。故在垂直立柱進給系統設計中主要認為有如下兩種可以采用的方案：
① 用步進電機、滾珠絲杠、直線導軌來帶動磨頭主軸箱在垂直方向上的移動，并且對于步進電機與滾珠絲杠的對心采用重心驅動原理。
② 用直線電機直接驅動來帶動磨頭主軸箱在垂直方向上的移動。
結合本課題的加工要求，經過研究（詳情請參閱《精密數控磨床的垂直立柱進給系統設計》相關部分），決定采用第①種方案。
（3）回轉工作臺的驅動
回轉工作臺的運動是自身的回轉，所以其驅動的方案有以下兩種選擇：
① 通過外置電機驅動帶輪，通過帶輪的傳動來使回轉工作臺旋轉。
② 通過內置電動機直接驅動回轉工作臺的旋轉。
結合本課題的加工要求，經過研究（詳情請參閱《精密數控磨床的回轉工作臺設計》相關部分），決定采用第①種方案。
（4）拖板的驅動
拖板通過步進電機來控制X方向上的移動，一般拖板系統的進給有以下兩種方案：
① 用步進電機，滾珠絲杠，滾動直線導軌來驅動拖板實現粗進給，由壓電陶瓷實現精進給。
② 用直線電動機驅動拖板來實現粗進給，由壓電陶瓷實現精進給。
結合本課題的加工要求，經過研究（詳情請參閱《精密數控磨床微量進給拖板系統設計》相關部分），決定采用第①種方案。
2.4.3 磨床支承結構形式的確定

為了避免不必要的精度損失，力求結構簡單的機床，所以復合式、單臂式、龍門式機床暫不考慮。而臥式機床的占地面積相對較大，所以本課題采用立式機床。
2.4.4 總體布局的確定
綜上所述，精密數控磨床總體布局如圖所示：總體上采用立式布局，立柱部分裝有步進電動機，電動機與無間隙齒輪相結合，箱形立柱上裝有滾珠絲杠、直線導軌，保證磨頭主軸箱的上下運動，立柱內部與外部磨頭主軸箱裝置通過兩根掛有與磨頭主軸箱同等重量鐵塊的鋼絲，為了與磨頭裝置自重保持平衡、回轉工作臺嵌在拖板中，砂輪休整器安裝在回轉工作臺上，拖板安裝在床身的導軌上，夾緊裝置與測量裝置安裝在拖板上，工件安裝在回轉工作臺上隨工作臺回轉。

主要結構尺寸
回轉工作臺臺面直徑：直徑應大于加工零件、刀具和砂輪休整器的和，考慮到其泛用性，所以取800mm。
磨頭直徑：根據被加工零件的性質以及泛用性，取140mm。
磨床總體尺寸定為1885×1670×3002（長×寬×高）

性能分析----精度預測
（1）提高主軸部件的制造精度
首先應提高軸承的回轉精度，如選用高精度的滾動軸承，或采用高精度動壓滑動軸承（多油楔）和靜壓軸承等。其次是提高配合表面（如箱體支承孔、主軸軸頸）的加工精度。實際生產中，常采用定向裝配和分組選配，使誤差相互補償或抵消，以減小軸承誤差對主軸回轉精度的影響。
（2）對滾動軸承進行預緊
適當預緊可以消除間隙，并產生微量過盈，提高軸承的接觸剛度，并對軸承內外圈滾道和滾動體的誤差起均化作用，從而提高主軸的回轉精度。
（3）使主軸的回轉誤差不反映到工件上
直接使工件在加工過程中的回轉精度不依賴于主軸，是保證工件形狀精度的最簡單而又有效的方法。如在外圓磨床上磨削外圓柱面時，為避免工件頭架主軸回轉誤差的影響，工件由頭架和尾架的兩個固定頂尖支承，頭架主軸只起傳動作用，工件的回轉精度完全取決于頂尖和中心孔的形狀精度、同軸度。在鏜床上加工箱體類零件上的孔時，可采用鏜模加工，刀桿與主軸為浮動聯接，則刀桿的回轉精度與機床主軸回轉精度無關，工件的加工精度僅由刀桿和導套的配合質量決定。
再將以上內容與加工要求相結合初步得出以下加工部件應保證的精度：
磨頭的旋轉精度 0.1～0.2μm
磨頭的軸向跳動 0.1～0.2μm
磨頭垂直向移動精度 0.1μm
3、總結

4、參考文獻
1. 《數控機床系統設計》 文懷興 夏田 編著 化學工業出版社；
2. 《機械設計》第七版 濮良貴 紀名剛 主編 高等教育出版社；
3. 《機械設計課程設計-機械設計基礎》王昆 何小柏 汪信遠 主編 高等教育出版社 ；
4. 《機械制造裝備設計》第二版 馮辛安 主編 機械工業出版社；