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南京工程學(xué)院 工 業(yè) 中 心 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 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 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級： D機(jī)加工123 學(xué) 號： 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(論文)開題報告 學(xué)生姓名 馬鑫 學(xué) 號 231120511 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造 及其自動化 指導(dǎo)教師姓名 劉桂芝 職 稱 研究院級高工 所在院系 工業(yè)中心 課題來源 D.自擬課題 課題性質(zhì) A.工程設(shè)計 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 畢業(yè)設(shè)計 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。使其達(dá)到對進(jìn)給運動的速度及刀具相對位置實現(xiàn)自動控制，并且使平衡機(jī)構(gòu)能促進(jìn)改善立式機(jī)床Z軸的運動性能。 畢業(yè)設(shè)計的具體內(nèi)容： 1、機(jī)械制圖 a)CAD繪制立式加工中心Z軸驅(qū)動裝配圖1號圖 1張 b)繪制其它零件CAD圖紙） c)繪制立式加工中心Z軸運動簡圖,CAD圖紙折合0號2.5張 （約15個零件） 2、設(shè)計計算 Z軸（慣量匹配、轉(zhuǎn)矩匹配）計算，Z向（進(jìn)給力、滾珠絲杠預(yù)拉伸量）計算，Z向傳動機(jī)構(gòu)的平衡量的計算 3、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 a)各零件成本分析 b) 課題成本計算 4、翻譯有關(guān)外文資料 5、撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 本課題研究的意義： 本課題對數(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，其意義如下： 1、了解了立式車床的發(fā)展方向與作用 2、提升了我們獨立思考、創(chuàng)新與動手的能力 3、對自己四年所學(xué)知識進(jìn)行了綜合的運用與總結(jié)歸納 4、讓自己更加靈活的運用自己學(xué)習(xí)的知識 5、提高了了自己的實際運用能力 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：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，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WTO后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)動數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)[2]，從某種意義上來說，反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。 2003年我國機(jī)床消費額達(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(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)，2003年達(dá)27．1億美元(23320臺)，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。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工序。2、工序集約化，在一臺機(jī)床上盡可能加工完畢一個零件的所有工序，同時又保持機(jī)床的通用性，能夠迅速適應(yīng)加工對象的改變。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)商和用戶能夠隨時知道機(jī)床的狀態(tài)和加工能力。4、機(jī)床的效率高、運行成本低，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)運動精度、線性軸直線運動精度。主軸軸承精度等級、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 英文期刊文章引用：作者. 題名. 期刊名, 出版年份，期號：起止頁碼 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動精度。GB／T 16462．4—2007之線性軸定位精度是指在該軸行程內(nèi)任意1個點定位時的誤差范圍，它綜合反映了機(jī)床存在的幾何誤差、運動誤差、熱變形誤差等，它與機(jī)床的幾何精度共同對機(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)運轉(zhuǎn)的部件在運動過程中摩擦產(chǎn)生的熱量會引起機(jī)床結(jié)構(gòu)件的溫度產(chǎn)生波動。一方面，這些結(jié)構(gòu)件會因溫度變化產(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綜合影響的結(jié)果[4]。 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運動是數(shù)字控制的直接對象，機(jī)床的定位精度和輪廓加工精度都會受到進(jìn)給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給系統(tǒng)中的傳動裝置和元件要求具有高的壽命、高的剛度、無傳動間隙、高的靈敏度和低摩擦阻力的特點。[5] 數(shù)控車床的進(jìn)給運動方式和結(jié)構(gòu)特點與普通車床、自動和半自動車床截然不同。它只用于伺服電動機(jī)（直流或交流）驅(qū)動，通過滾珠絲杠帶動刀架完成縱向（Z軸）和橫向（X軸）的進(jìn)給運動[6]。 車床的進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)實際使用、檢驗，效果良好，滿足國家對普通車床的精度要求；能夠方便的控制進(jìn)給，實現(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)到方便地對橫向、縱向進(jìn)給進(jìn)行控制，對于現(xiàn)實普通車床的自動化，提高其加工的精度和生產(chǎn)加工效率，減輕工人的勞動強度，有著非常重要的意義[8]。滾珠絲杠是數(shù)控機(jī)床的一個主要部件，因其具有精密、高效的傳動特點而被廣泛使用。滾珠絲杠作為傳動元件，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)的傳動部分通常由伺服電動機(jī)與滾珠絲杠直連，或者由伺服電動機(jī)經(jīng) 英文期刊文章引用：作者. 題名. 期刊名, 出版年份，期號：起止頁碼 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，絲杠剛性不足會影響到加工工件的尺寸精度甚至導(dǎo)致加工缺陷。設(shè)計時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)給運動方式的不同，控制形式的不同，數(shù)控機(jī)床對伺服系統(tǒng)設(shè)計要求也有所不同。對于點位控制的機(jī)床，主要應(yīng)滿足定位精度，盡量減少定位所需時間。而對于輪廓控制的機(jī)床，除了要求具有較高的定位精度外，尤其重要的應(yīng)保證具有良好的動態(tài)響應(yīng)特征[10]。 通常，數(shù)控車床對伺服系統(tǒng)的設(shè)計基本要求為：定位精度要高，跟蹤指令信號的響應(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]。 影響整個伺服系統(tǒng)精度的因素除了伺服驅(qū)動單元和電動機(jī)外，也在很大程度上機(jī)械傳動機(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)的傳動間隙小、摩擦阻尼小。為此，對進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動要求提出以下要求。1）減少摩擦阻尼2）提高傳動精度和剛度3）消除傳動間隙4）減小運動慣量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動部件通常設(shè)計為一體。向下運動時的驅(qū)動力與重力方向一致，向上運動時的驅(qū)動力與重力方向相反，如果不消除重力的影響，不僅影響部件的運動平穩(wěn)性，而且影響機(jī)床加工精度的保持性，同時可能會導(dǎo)致在一定工況條件下，對運動部件、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)床的傳動部件及驅(qū)動部件的性能有了極大的提高，運動部件的重力對驅(qū)動部件及傳動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，而滾珠絲杠基本無自鎖，當(dāng)控制系統(tǒng)失電時，運動部件會因重力而下滑，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)計方案是一種新的獨特的垂直運動部件平衡即時同步機(jī)構(gòu)[12]。 參考文獻(xiàn)： 1、易紅.數(shù)控技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 2、吳祖育.數(shù)控機(jī)床.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1989：20-25 3、張曙.數(shù)控機(jī)床發(fā)展的新趨勢.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005，5：7-9 4、 喻湘存,熊曙初.系統(tǒng)工程教程，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）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.7 6、王愛玲等主編.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.北京：國防工業(yè)出版社（第二版），2014.2 文獻(xiàn)綜述 7、陶曉杰.車床進(jìn)給系統(tǒng).制造業(yè)自動化，2000，22（9），2 8、孫宏成，易廣建，靜毅.用于伺服電機(jī)改造車床的進(jìn)給系統(tǒng).MACHINERY DESIGN＆MANUFACTURE,2004，3：1-1 9、宋威.滾珠絲杠系統(tǒng)軸向剛度分析與研究.Modern Manufacturing Engineering,2014,10:1-5 10、文懷興，夏田.數(shù)控機(jī)床設(shè)計實踐指南.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.1 11、熊軍.數(shù)控機(jī)床原理與結(jié)構(gòu).北京：人民郵電出版社，2007.9 12、彭云平，李莉敏.立式機(jī)床垂直運動部件重力平衡創(chuàng)新設(shè)計.MACHINERY DESIGN & MANUFACTURE，2009（3） 研究內(nèi)容 數(shù)控立車Z軸進(jìn)給系統(tǒng)是機(jī)床在加工時直接帶動刀具做直接運動的進(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)而對數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行研究。主要從它的設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)部件，影響剛度，精度和動態(tài)性能的因素，伺服系統(tǒng)的分析，材料的選擇，進(jìn)給的特點以設(shè)計方面的注意點等方面進(jìn)行分析研究。 研究計劃 第1周 (2.22-2.26)?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 (2.29-3.04)?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 (3.07-3.11）完成開題報告及外文材料翻譯 第4周 (3.14-3.18)?完成裝配圖草圖設(shè)計，繪制進(jìn)給系統(tǒng)運動簡圖 第5周 (3.21-3.25)?完成Z軸的各項計算 第6周 (3.28-4.01)?滾珠絲杠預(yù)拉伸計算、平衡系統(tǒng)的配重確定、裝配圖設(shè)計 第7周 (4.04-4.08）畢業(yè)設(shè)計中期檢查 第8周 (4.11-4.15）進(jìn)行零件圖計算機(jī)繪圖 第9周 (4.18-4.22)?完成零件圖計算機(jī)繪圖 第10周(4.25-4.29）各零件及課題成本分析，件成本及課題成本計算 第11周(5.02-5.06)?修改論文并定稿 第12周(5.09-5.13)?修改論文并定稿 第13周(5.16-5.20)?論文評審及答辯資格確定 第15周(5.23-5.27)?畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯 第16周(5.30-6.03) 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，使機(jī)械制造的的發(fā)展進(jìn)入了一個嶄新的階段。數(shù)控機(jī)床發(fā)展的新趨勢，效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。 本文從數(shù)控機(jī)床的歷史說起延生至數(shù)控車床的創(chuàng)新與發(fā)展，分析了立式數(shù)控車床Z軸進(jìn)給系統(tǒng)的材料、剛度、伺服機(jī)構(gòu)以及其他構(gòu)成部件以解決數(shù)控機(jī)床Z軸的精度、平衡和生產(chǎn)效率問題。 指導(dǎo)教師 意 見 指導(dǎo)教師簽名： 2016年 月 日 分中心意見 中心意見 分中心主任簽名： 年 月 日 教學(xué)主任簽名： 年 月 日