數(shù)控立車進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—開題報(bào)告

南京工程學(xué)院 工 業(yè) 中 心 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 題 目 ： 數(shù)控立車 Z 軸進(jìn)給系統(tǒng)及平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： D 機(jī)加工 123 學(xué) 號(hào)： 231120522 學(xué)生姓名 馬鑫 指導(dǎo)教師 劉桂芝 2016 年 3 月 日 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )開題報(bào)告 學(xué)生姓名 馬鑫 學(xué) 號(hào) 231120511 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造 及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師姓名 劉桂芝 職 稱 研究院級(jí)高工 所在院系 工 業(yè) 中心 課題來源 課題性質(zhì) 課題名稱 數(shù)控立車 Z 軸進(jìn)給系統(tǒng)及平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 內(nèi)容和意義 采用比較法、文本細(xì)讀法、綜合分析法進(jìn)行 數(shù) 控立車 進(jìn)給 系統(tǒng) 及其平衡 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 使其達(dá)到對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度及刀具相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并且使平衡機(jī)構(gòu)能促進(jìn)改善立式機(jī)床 Z 軸 的運(yùn)動(dòng)性能。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容： 1、 機(jī)械制圖 a)制立式加工中心 Z 軸驅(qū)動(dòng)裝配圖 1 號(hào)圖 1 張 b)繪制其它零件 紙） c)繪制立式加工中心 Z 軸運(yùn)動(dòng)簡圖 ,紙折合 0 號(hào) （約 15 個(gè)零件） 2、 設(shè)計(jì)計(jì)算 Z 軸 （ 慣量匹配 、 轉(zhuǎn)矩匹配 ）計(jì)算， Z 向（ 進(jìn)給力 、 滾珠絲杠預(yù)拉伸量 ）計(jì)算， Z 向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的平衡量的計(jì)算 3、 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 a)各零件成本分 析 b) 課題成本計(jì)算 4、 翻譯有關(guān)外文資料 5、 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文 ） 本課題研究的意義： 本課題對(duì) 數(shù)控立車 Z 軸進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu) 進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其意義如下： 1、 了解了立式車床的發(fā)展方向與作用 2、 提升了我們獨(dú)立思考、創(chuàng)新與動(dòng)手的能力 3、 對(duì)自己四年所學(xué)知識(shí)進(jìn)行了綜合的運(yùn)用與總結(jié)歸納 4、 讓自己更加靈活的運(yùn)用自己學(xué)習(xí)的知識(shí) 5、 提高了了自己的實(shí)際運(yùn)用能力 文獻(xiàn)綜述 從 20 世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高 1數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，我國機(jī)床制造業(yè)既面臨著提升機(jī)械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī)，也遭遇到加入 激烈的市場競爭的壓力。從技術(shù)層面上來講，加速推進(jìn)數(shù)控技術(shù)將是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。而從國際上來說，代表機(jī)床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng) 2，從某種意義上來說，反映了一 個(gè)國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。 2003 年我國機(jī)床消費(fèi)額達(dá)到 67 3 億美元，居世界第一位，其中數(shù)控機(jī)床占57 (37 5 億美元 )。國內(nèi)生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床 3681 3 臺(tái) (產(chǎn)值約 10 4 億美元 )創(chuàng)歷史新高。 但是，我國數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國外還有很大差距技術(shù)含量較低的簡易數(shù)控車床仍占主導(dǎo)地位，高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多數(shù)依靠進(jìn)口。特別應(yīng)該引起注意的是國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場占有率逐年下降， 1 999 年是 33 6， 2003 年僅占 27 7，而進(jìn)口額逐年上升， 1999 年為 8 7 8 億美元 (7624 臺(tái) )， 2003 年達(dá) 27 1 億美元 (23320 臺(tái) )，相當(dāng)于同年國內(nèi)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值的 2 7 倍。因此，盡管當(dāng)前市場活躍、需求旺盛如果只顧眼前生產(chǎn)，不了解國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢，提高自主開發(fā)能力，積極培育新產(chǎn)品那么在高潮過去以后，我國的機(jī)床工業(yè)將更加缺乏競爭力，有可能在家門口就被人家打得一敗涂地。 3 隨著新材料和新工藝的出現(xiàn)，對(duì)數(shù)控機(jī)床的要求越來越高，例如，鋁合金的廣泛應(yīng)用，高速加工數(shù)控機(jī)床就成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢是什么它有那些主要特征我認(rèn)為，應(yīng)首先滿足用戶以下要求： 1、精度和可靠性高，機(jī)床的性能是穩(wěn)定的， 能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)、并能夠”保證“零件的加工質(zhì)量而不是依靠加工后的檢驗(yàn)工序。 2、工序集約化，在一臺(tái)機(jī)床上盡可能加工完畢一個(gè)零件的所有工序，同時(shí)又保持機(jī)床的通用性，能夠迅速適應(yīng)加工對(duì)象的改變。 3、機(jī)床的信息化和智能化加工設(shè)備不僅提供”體力”，也有“頭腦”能夠獨(dú)立自主地管理自己，并與企業(yè)的管理系統(tǒng)和人通信從而使企業(yè)管理人員和操作者、供應(yīng)商和用戶能夠隨時(shí)知道機(jī)床的狀態(tài)和加工能力。 4、機(jī)床的效率高、運(yùn)行成本低，環(huán)境污染少，人機(jī)界面友好。 3 數(shù)控車床幾何精度主要包括主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)精度、線性 軸直線運(yùn)動(dòng)精度。 主軸軸承精度等級(jí)、主軸支承軸頸的圓度誤差、主軸前后支承的同軸度誤差、主軸箱體與主軸軸承系統(tǒng)的剛性、主軸及隨其回轉(zhuǎn)的零件的不平衡、主軸箱裝配質(zhì)量及主軸回 文獻(xiàn)綜述 轉(zhuǎn)過程中熱變形等因素影響了主軸的幾何精度。機(jī)床床身底座剛性和動(dòng)態(tài)特性一負(fù)荷切削下機(jī)床抗變形能力，導(dǎo)軌布置形式、導(dǎo)軌自身的幾何精度、導(dǎo)軌潤滑條件等因素影響了線性軸直線運(yùn)動(dòng)精度。 T 16462 4 2007 之線性軸定位精度是指在該軸行 程內(nèi)任意 1 個(gè)點(diǎn)定位時(shí)的誤差范圍，它綜合反映了機(jī)床存在的幾何誤差、運(yùn)動(dòng)誤差、熱變形誤差等，它與機(jī)床的幾何精度共同對(duì)機(jī)床切削精度產(chǎn)生重要的影響，是數(shù)控車床最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。線性軸重復(fù)定位精度，反映了該軸在行程內(nèi)任意定位點(diǎn)的定位穩(wěn)定性，這是衡量該軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標(biāo)。影響數(shù)控車床位置精度主要有絲杠的導(dǎo)程誤差、傳動(dòng)鏈的反向間隙誤差、導(dǎo)軌的摩擦阻尼、滾珠絲杠軸系的裝配精度、伺服電機(jī)的慣量匹配等因素。數(shù)控車床的電機(jī)、液壓泵、卡盤油缸等連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的部件在運(yùn)動(dòng)過程中摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)引起機(jī)床結(jié)構(gòu)件的溫度產(chǎn)生波動(dòng)。一方面 ，這些結(jié)構(gòu)件會(huì)因溫度變化產(chǎn)生線性尺寸的膨脹或收縮；另一方面，由于零件結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，在內(nèi)部熱應(yīng)力的作用下，必然出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的扭曲變形。結(jié)構(gòu)件熱變形也是影響數(shù)控車床位置精度的一個(gè)重要因素。只有提高數(shù)控車床的幾何精度和位置精度，其工作精度才有可能得到保證。數(shù)控車床工作精度不僅與機(jī)床自身靜態(tài)精度有關(guān)，還與伺服系統(tǒng)跟蹤誤差、位置檢測誤差、刀具系統(tǒng)的位置誤差、工件裝夾誤差有關(guān)。另外，加工工藝的合理性，操作者的編程水平也影響到零件加工的穩(wěn)定性。因此，數(shù)控車床工作精度是一個(gè)綜合影響的結(jié)果 4。 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制 的直接對(duì)象，機(jī)床的定位精度和輪廓加工精度都會(huì)受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)中的傳動(dòng)裝置和元件要求具有高的壽命、高的剛度、無傳動(dòng)間隙、高的靈敏度和低摩擦阻力的特點(diǎn)。 5 數(shù)控車床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與普通車床、自動(dòng)和半自動(dòng)車床截然不同。它只用于伺服電動(dòng)機(jī)（直流或交流）驅(qū)動(dòng)，通過滾珠絲杠帶動(dòng)刀架完成縱向（ Z 軸）和橫向（ X 軸）的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 6。 車床的進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際使用、檢驗(yàn)，效果良好，滿足國家對(duì)普通車床的精度要求；能夠方便的控制進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)數(shù)控，達(dá)到控制加工零件的形狀 。通過必要的方法，包括上述的抗干擾方法，能有效的消除干擾，得到穩(wěn)定的進(jìn)給系統(tǒng) 7。 伺服電機(jī)便于控制、工作可靠、使用方便，將伺服電機(jī)用于車床的進(jìn)給系統(tǒng)，達(dá)到方便地對(duì)橫向、縱向進(jìn)給進(jìn)行控制，對(duì)于現(xiàn)實(shí)普通車床的自動(dòng)化，提高其加工的精度和生產(chǎn)加工效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，有著非常重要的意義 8。滾珠絲杠是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)主要部件，因其具有精密、高效的傳動(dòng)特點(diǎn)而被廣泛使用。滾珠絲杠作為傳動(dòng)元件，其軸向剛度直接影響了數(shù)控機(jī)床的定位精度及機(jī)床的整體性能。滾珠絲杠系統(tǒng)的傳動(dòng)部分通常由伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直連，或者由伺服 電動(dòng)機(jī)經(jīng) 文獻(xiàn)綜述 齒輪或同步帶減速后再滾珠絲杠相連。滾珠絲杠的軸向剛度對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的軸向定位精度有很大的影響，絲杠剛性不足會(huì)影響到加工工件的尺寸精度甚至導(dǎo)致加工缺陷。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮在不同的應(yīng)用情況下選擇合理的滾珠絲杠安裝方式 9。 隨著數(shù)控車床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式的不同，控制形式的不同，數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求也有所不同。對(duì)于點(diǎn)位控制的機(jī)床，主要應(yīng)滿足定位精度，盡量減少定位所需時(shí)間。而對(duì)于輪廓控制的機(jī)床，除了要求具有較高的定位精度 外，尤其重要的應(yīng)保證具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征 10。 通常，數(shù)控車床對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本要求為：定位精度要高，跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好。反映在伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)上，即穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)特征 10。 影響整個(gè)伺服系統(tǒng)精度的因素除了伺服驅(qū)動(dòng)單元和電動(dòng)機(jī)外，也在很大程度上機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此，為保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，以達(dá)到較高的定位精度指標(biāo)，特別要求機(jī)械機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)間隙小、摩擦阻尼小。為此，對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)要求提出以下要求。 1）減少摩擦阻尼 2）提高傳動(dòng)精度和剛度 3）消除傳動(dòng)間隙 4）減小運(yùn)動(dòng) 慣量 5）寬的進(jìn)給調(diào)速范圍 6）響應(yīng)速度要快 7）穩(wěn)定性好、壽命長 8）使用維護(hù)方便 11。 立式機(jī)床的主軸部件與垂直運(yùn)動(dòng)部件通常設(shè)計(jì)為一體。向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力與重力方向一致，向上運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力與重力方向相反，如果不消除重力的影響，不僅影響部件的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，而且影響機(jī)床加工精度的保持性，同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致在一定工況條件下，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件、刀具，工件、產(chǎn)生破壞性的危害。雖然現(xiàn)代立式數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)部件及驅(qū)動(dòng)部件的性能有了極大的提高，運(yùn)動(dòng)部件的重力對(duì)驅(qū)動(dòng)部件及傳動(dòng)部件的影響越來越小，但是目前的立式數(shù)控機(jī)床大多采用滾珠絲杠傳動(dòng)， 而滾珠絲杠基本無自鎖，當(dāng)控制系統(tǒng)失電時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件會(huì)因重力而下滑，這是不容許的。因此，在分析現(xiàn)有平衡機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出的平衡機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案是一種新的獨(dú)特的垂直運(yùn)動(dòng)部件平衡即時(shí)同步機(jī)構(gòu) 12。 參考文獻(xiàn)： 1、 易紅 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2005 2、 吳祖育 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 1989： 203、 張曙 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新， 2005， 5： 7、 喻湘存 ,熊曙初 北京：清華大學(xué)出版社， 2006 5、 全國數(shù)控培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)天津分中心組編，數(shù)控 機(jī)床（第二版） 械工業(yè)出版社， 、 王愛玲等主編 北京：國防工業(yè)出版社（第二版）， 獻(xiàn)綜述 7、 陶曉杰 制造業(yè)自動(dòng)化， 2000， 22（ 9）， 2 8、 孫宏成，易廣建，靜毅 004， 3： 1、 宋威 014,10:10、 文懷興，夏田 機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南 學(xué)工業(yè)出版社， 1、 熊軍 北京：人民郵電出版社， 2、彭云平，李莉敏 2009（ 3） 研究內(nèi)容 數(shù)控立車 Z 軸進(jìn)給系統(tǒng)是機(jī)床在加工時(shí)直接帶動(dòng)刀具做直接運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)。本論文先從國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀以及新趨勢開始闡述，引到我國數(shù)控機(jī)床面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展機(jī)遇，并提出 發(fā)展方向 。進(jìn)而對(duì)數(shù)控車床 進(jìn)給 系統(tǒng)進(jìn)行研究。主要從它的設(shè)計(jì)要求， 結(jié)構(gòu)部件 ， 影響剛度，精度和動(dòng)態(tài)性能的因素，伺服系統(tǒng)的分析，材料的選擇， 進(jìn)給 的特點(diǎn)以設(shè)計(jì)方面的注意點(diǎn)等方面進(jìn)行分析研究。 研究計(jì)劃 第 1 周 (搜集資料，學(xué)習(xí)文獻(xiàn)，參觀工場，學(xué)習(xí)國家標(biāo)準(zhǔn) 第 2 周 (提出思路和方法，完成技術(shù)路線、方案、要完成的任務(wù) 第 3 周 (成開題報(bào)告及外文材料翻譯 第 4 周 (完成裝配圖草圖設(shè)計(jì)，繪制進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡圖 第 5 周 (完成 Z 軸的各項(xiàng)計(jì)算 第 6 周 (滾珠絲杠預(yù)拉 伸計(jì)算、平衡系統(tǒng)的配重確定、裝配圖設(shè)計(jì) 第 7 周 (業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查 第 8 周 (行零件圖計(jì)算機(jī)繪圖 第 9 周 (完成零件圖計(jì)算機(jī)繪圖 第 10 周 (各零件及課題成本分析，件成本及課題成本計(jì)算 第 11 周 (修改論文并定稿 第 12 周 (修改論文并定稿 第 13 周 (論文評(píng)審及答辯資格確定 第 15 周 (畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯 第 16 周 (整理資 料存檔 特色與創(chuàng)新 本論 文 特色與創(chuàng)新如下： 數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用是機(jī)械制造業(yè)的一次技術(shù)革命