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本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題報(bào)告
論文題目：三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計(jì)
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一． 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展
科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來(lái)越高要求。機(jī)械加工工藝過(guò)程的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上述要求的最主要的措施之一。它不僅提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、還能夠大大改善工人的勞動(dòng)條件。
大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)廣泛采用自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床和專用機(jī)床以及專用自動(dòng)生產(chǎn)線，實(shí)行多刀、多工位同時(shí)加工，以達(dá)到高效率和高自動(dòng)化。但這些都屬于剛性自動(dòng)化，在面對(duì)小批量生產(chǎn)時(shí)并不是適用，因?yàn)樾∨可a(chǎn)需要經(jīng)常變化產(chǎn)品的種類，這就要求生產(chǎn)線具有柔性。而從某種程度上說(shuō)，數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)正是很大的滿足了這一要求。
1952年，美國(guó)麻省理工學(xué)院成功的研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，利用脈動(dòng)乘法器原理的實(shí)驗(yàn)性數(shù)控系統(tǒng)，并把它裝在一臺(tái)立式銑床上。當(dāng)時(shí)用的電子元件是電子管，這就是世界上的第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。1959年，數(shù)控裝置中廣泛采用電子管和印刷電路板，從而跨入數(shù)控的第二代。1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路，由于它體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，從此數(shù)控發(fā)展到第三代。1970年，在美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上首次展出的數(shù)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床，這便是數(shù)控的第四代。1974年，出現(xiàn)了第五代數(shù)控系統(tǒng)（MNC微處理機(jī)控制系統(tǒng)）。
我國(guó)是從1958年開(kāi)始研制數(shù)控技術(shù)的，一直到60年代中期處于研制、開(kāi)發(fā)時(shí)期。當(dāng)時(shí)，一些高等院校、科研單位研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，開(kāi)發(fā)也是從電子管開(kāi)始的。1965年國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制晶體管數(shù)控技術(shù)。從70年代開(kāi)始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工等領(lǐng)域全面展開(kāi)，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。在這一時(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)果簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，在模具加工中得到了推廣。80年代我國(guó)數(shù)控機(jī)床有了新的發(fā)展。90年代以及接下來(lái)主要是向高檔數(shù)控機(jī)床發(fā)展
數(shù)控技術(shù)是近代發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。目前，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，無(wú)論在國(guó)防工業(yè)或民用工業(yè)，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用均已相當(dāng)普遍。數(shù)控機(jī)床已不在局限用來(lái)加工單件、小批以及形狀復(fù)雜的零件。
數(shù)控加工中心機(jī)床，它是在一般數(shù)控鏜銑床上加裝刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置。可以連續(xù)地對(duì)零件進(jìn)行各加工面的銑、鉆、鉸、鏜以及攻絲的加工。減少了機(jī)床的占地面積，壓縮了半成品的庫(kù)存量，減少工序間的輔助時(shí)間，有效地提高了生產(chǎn)率。
可以預(yù)見(jiàn)，高級(jí)自動(dòng)化技術(shù)將進(jìn)一步證明數(shù)控機(jī)床的價(jià)值，并且正在更為廣闊的開(kāi)拓著數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用領(lǐng)域。
二． 數(shù)控銑床的工作原理
用數(shù)控銑床加工零件時(shí)，首先應(yīng)編制該零件的加工程序，這是數(shù)控銑床的工作指令。將加工程序輸入數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變速、啟動(dòng)、停止、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向、速度和位移量，以及工件裝夾和冷卻潤(rùn)滑的開(kāi)關(guān)等動(dòng)作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴(yán)格按照加工工序規(guī)定的順序、運(yùn)動(dòng)軌跡加工出符合要求的零件。
三． 數(shù)控銑床的組成
數(shù)控銑床的組成：機(jī)床、數(shù)控裝置、控制介質(zhì)、伺服系統(tǒng)、測(cè)量裝置等組成。
機(jī)床：三坐標(biāo)數(shù)控磨床應(yīng)具有更好的剛性和抗振性，因此床身采用密封式箱型結(jié)構(gòu)，在床身底內(nèi)腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，利用阻尼材料之間的相對(duì)摩擦耗散振動(dòng)能量。
數(shù)控裝置：數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，是高技術(shù)密集型產(chǎn)品。它的功能是接受輸入裝置輸入的加工信息，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件對(duì)代碼進(jìn)行處理后，輸入相應(yīng)的指令脈沖，驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，來(lái)控制機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件按規(guī)定的要求實(shí)現(xiàn)各個(gè)運(yùn)動(dòng)。
控制介質(zhì)：用于記載各種加工信息的載體，以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的加工。數(shù)控介質(zhì)有穿孔帶、穿孔卡、磁帶及磁盤等，也可通過(guò)通信接口直接輸入所需各種信息。三坐標(biāo)數(shù)控銑床采用通信接口直接輸入所需各種信息。用鍵盤將加工程序直接鍵入，并且可在數(shù)碼顯示器或CRT顯示器上顯示出來(lái)。
伺服系統(tǒng)：由伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。作用是把來(lái)自數(shù)控裝置的各種指令轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和位移量。伺服系統(tǒng)要求有良好的快速響應(yīng)性能，進(jìn)給速度范圍要大，靈敏而準(zhǔn)確的跟蹤指令功能和轉(zhuǎn)速，在較大的范圍內(nèi)要求有良好的工作穩(wěn)定性。此數(shù)控銑床的驅(qū)動(dòng)元件為交流三相異步電動(dòng)機(jī)。
測(cè)量裝置：是將床身的實(shí)際位置、速度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋回?cái)?shù)控裝置。以校核執(zhí)行部件實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度、方向和位移量，并使之與加工指令相一致。
四． 設(shè)計(jì)題目及技術(shù)要求
設(shè)計(jì)題目是三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計(jì)。從總體布局和結(jié)構(gòu)形式，與普通銑床相似，主要還是由床身，主軸箱，刀架，進(jìn)給系統(tǒng)，液壓、冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)等部分組成。但是，由于動(dòng)力源采用了交流伺服電機(jī)，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CNC，所以，使得主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。尤其是進(jìn)給系統(tǒng)，與普通銑床的進(jìn)給系統(tǒng)有質(zhì)的區(qū)別，沒(méi)有傳統(tǒng)的進(jìn)給箱，板箱和掛輪架，而是直接由伺服電機(jī)通過(guò)滾球絲杠驅(qū)動(dòng)溜板和刀架，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
主要設(shè)計(jì)要求：三坐標(biāo)數(shù)控銑床，進(jìn)給精度0.01mm，X、Y、Z坐標(biāo)進(jìn)給速度2m/min，X、Y、行程300mm,Z行程250mm，工作臺(tái)尺寸420×300mm。
五． 數(shù)控銑床各組成部分的分析
1． X、Y工作臺(tái)
X、Y工作臺(tái)的組成：X、Y工作平臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；X向齒輪減速和滾珠絲杠傳動(dòng)方向（Y向和X向相同）；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：X、Y向兩個(gè)電機(jī)。
X、Y工作臺(tái)的工作原理：通過(guò)控制X、Y向電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而帶動(dòng)X、Y工作平臺(tái)沿X、Y向運(yùn)動(dòng)。
2． 主軸
主軸部件包括主軸軸承、傳動(dòng)件和相應(yīng)的緊固件。主軸的端部是標(biāo)準(zhǔn)的。傳動(dòng)件如齒輪、帶輪等與一般的機(jī)械零件相同。機(jī)床主軸部件，三個(gè)方向的進(jìn)給及其它部件滾動(dòng)軸承，均采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。
3． 導(dǎo)軌
由運(yùn)動(dòng)和承導(dǎo)件組成。運(yùn)動(dòng)件：需要做直線運(yùn)動(dòng)的零部件。承導(dǎo)件：用于支承并限制運(yùn)動(dòng)件，使其只能按給定的要求和規(guī)定的方向作直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)中可采用滑動(dòng)導(dǎo)軌，對(duì)導(dǎo)軌要求有以下幾點(diǎn)：
（1） 要有一定的導(dǎo)向精度。
（2） 要有良好的耐磨性。
（3） 要有足夠的剛度。
（4） 有減小熱變形影響。
（5） 要使運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)。
（6） 要有一定的工藝性。
主要用來(lái)支承和引導(dǎo)部件沿一定的軋道運(yùn)動(dòng)。要求導(dǎo)向精度高，耐磨性能好，足夠的剛度。本設(shè)計(jì)采用塑料導(dǎo)軌，鑲粘塑料導(dǎo)軌已廣泛用于數(shù)控機(jī)床。其摩擦系數(shù)小，且動(dòng)、靜摩擦差很小，能防止低速爬行現(xiàn)象；耐磨性、抗撕傷能力強(qiáng)；加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好；工藝簡(jiǎn)單，成本底；并有良好的自潤(rùn)滑性和抗震性。塑料導(dǎo)軌多與淬硬剛導(dǎo)軌相配使用。
滑動(dòng)導(dǎo)軌間隙的調(diào)整：采相應(yīng)的用刮、磨結(jié)合面或加墊片的方法以獲得相應(yīng)的間隙；鑲條調(diào)整，這是側(cè)向間隙常用的調(diào)整方法，鑲條有直鑲條和斜鑲條兩種。采用矩形導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、檢驗(yàn)和修理較易，新導(dǎo)軌制造精度高，但導(dǎo)軌經(jīng)磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償，導(dǎo)向性不如三角形導(dǎo)軌好。
三坐標(biāo)數(shù)控銑床采用貼塑導(dǎo)軌，這是一種金屬對(duì)塑料的摩擦形式。屬于滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌，導(dǎo)軌一滑移面上貼有一層抗磨軟帶，導(dǎo)軌的另一滑移面上貼為淬火磨削面，軟帶是以聚四氟乙烯為基材，添加合金粉和高氧化物的高分子復(fù)合材料。塑料導(dǎo)軌剛性好、動(dòng)靜摩擦系數(shù)差值小、耐磨性好、無(wú)爬行、抗振性好、化學(xué)的穩(wěn)定性好、維護(hù)修理方便、經(jīng)濟(jì)性好。
塑料導(dǎo)軌和其它導(dǎo)軌相比，有以下特點(diǎn)：
（1） 摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定性比鑄鐵導(dǎo)軌低一個(gè)數(shù)量級(jí)；
（2） 動(dòng)靜摩擦系數(shù)相近，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和爬行性能較鑄鐵導(dǎo)軌副好；
（3） 吸收振動(dòng)具有良好的阻尼性，優(yōu)于接觸剛度較低的滾動(dòng)導(dǎo)軌和易于飄浮的靜壓導(dǎo)軌；
（4） 耐磨性好，有自身潤(rùn)滑作用，無(wú)潤(rùn)滑油也能工作，灰塵磨粒的遷入性好；
（5） 化學(xué)的穩(wěn)定性好，耐高、低溫、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿、強(qiáng)氟化劑及各種有機(jī)溶劑；
（6） 維護(hù)修理方便，軟帶磨損后更易更換；
（7） 經(jīng)濟(jì)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，約為滾動(dòng)導(dǎo)軌成本的1/120。三成復(fù)合材料DU 導(dǎo)軌板成本的1/4。
三個(gè)方向的導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副由自動(dòng)間隙潤(rùn)滑油泵進(jìn)行定時(shí)潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油泵安裝在立柱側(cè)面，通過(guò)分油器將潤(rùn)滑油分送到各潤(rùn)滑點(diǎn)上。
4． 進(jìn)給裝置
三坐標(biāo)數(shù)控銑床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制的直接對(duì)象，不論點(diǎn)位控制還是連續(xù)控制，被加工工件的最后坐標(biāo)精度和輪廓精度都受到進(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，要注意以下三點(diǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)要求：
（1） 減少運(yùn)動(dòng)件的摩擦力。進(jìn)給系統(tǒng)雖有許多元件，但摩擦阻力主要來(lái)自絲杠和導(dǎo)軌。絲杠和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)化是減少摩擦的重要措施之一。
（2） 提高傳動(dòng)精度和剛度。在進(jìn)給系統(tǒng)中滾珠絲杠和支承結(jié)構(gòu)是決定其傳動(dòng)精度和剛度的主要部件，因此，必須首先保證它們的加工精度。
（3） 減少運(yùn)動(dòng)慣量。進(jìn)給系統(tǒng)中每個(gè)元件的慣量對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)和制動(dòng)特性都有直接的影響。尤其是處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零件，其慣性的影響更大。
5． 滾動(dòng)絲杠
滾珠絲杠螺母副：在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件，以減少摩擦。當(dāng)絲杠與螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺旋槽向前滾動(dòng)，在絲杠上滾過(guò)數(shù)圈以后通過(guò)回程引導(dǎo)裝置，逐個(gè)地又滾回到絲杠與螺母之間，構(gòu)成一個(gè)閉和回路。它的優(yōu)點(diǎn)是：
（1） 摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)效率高，η可達(dá)0.92-0.96，所需傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩小。
（2） 靈敏度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生爬行，隨動(dòng)精度和定位精度高。
（3） 磨損小，壽命長(zhǎng)，精度保持性好。
（4） 可通過(guò)預(yù)緊和間隙消除措施提高軸向剛度和反向精度。
（5） 運(yùn)動(dòng)具有可逆性，不僅可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
6． 進(jìn)給伺服系統(tǒng)
進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成：有驅(qū)動(dòng)控制單元、驅(qū)動(dòng)元件、機(jī)械傳動(dòng)部件、執(zhí)行件和檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動(dòng)控制單元和驅(qū)動(dòng)元件組成伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；檢測(cè)元件與反饋電路組成檢測(cè)裝置亦稱檢測(cè)系統(tǒng)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)中采用的驅(qū)動(dòng)裝置為直流伺服電機(jī)。
7． 微處理器
用來(lái)集中控制，分時(shí)處理數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)。單微處理器機(jī)構(gòu)的基本組成包括：微處理器和總線、存儲(chǔ)I/O接口、MDI/CRT接口、位置控制器、PC。微機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要就是上述幾個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)。
六 參考資料
1．?dāng)?shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)；
2．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)；
3．機(jī)電傳動(dòng)控制；
4．標(biāo)準(zhǔn)件手冊(cè)。
5. 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)
七 進(jìn)度計(jì)劃
第一階段：完成所選課程，完成英文翻譯。
第二階段：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的總體規(guī)劃，查閱相關(guān)資料。
第三階段： 完成X-Y工作臺(tái)設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算。
第四階段： 完成磨頭設(shè)計(jì)。
第五階段： 完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
第六階段： 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，出圖，準(zhǔn)備答辯。