畢業(yè)設(shè)計開題報告（14 屆）系 部： 機電工程系 專 業(yè)：學 生 姓 名：班 級：指導教師姓名：題目：數(shù)控銑床用機外光學對刀儀1．課題背景對刀儀是數(shù)控機床及加工中心的必要設(shè)備。對刀儀用于測量數(shù)控設(shè)備、加工中心數(shù)控刀具刀尖位置相對于設(shè)定原點的坐標尺寸。其作用是快速測量出數(shù)控機床或者加工中心的刀庫中刀具的尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)，從而進行刀具補償，這樣在加工過程中隨時控制調(diào)整刀具的運動軌跡，達到較高精度的加工。能否迅速準確地確定數(shù)控機床以及加工中心的刀具的尺寸參數(shù)，直接影響到機床生產(chǎn)工件的周期以及加工精度 。]1[刀具通過刀柄固定到機床主軸上，接著將機床定位到指定好的位置，控制刀具恰好觸碰到一已知的平面，于是操作者就可以算出刀具實際尺寸。通常情況下，采用這種方式獲得的數(shù)據(jù)可信度較高，但浪費大量時間，造成生產(chǎn)效率低下。對刀儀是為節(jié)省數(shù)控機床的對刀時間而設(shè)計的一種測量工具，是檢測刀具具體尺寸參數(shù)的精密測量設(shè)備，是現(xiàn)代加工制造所必備的檢測儀器，其作用就是準確的測量出刀具的參數(shù)以便在加工中精確控制刀具的運動軌跡，實現(xiàn)高精度加工。對刀儀的使用可避免機上測量的缺點，從而提高了刀具預調(diào)和測量的速度。目前國外的一些企業(yè)看準中國機床工業(yè)壯大的市場，許多外國對刀儀制造商迅速搶占國內(nèi)的市場。國外對刀儀雖有速度快、精度高等諸多優(yōu)點，但其價格非常昂貴。國內(nèi)對刀儀普遍存在技術(shù)含量較低，使用不方便，測量參數(shù)少等缺點，在與國外產(chǎn)品競爭中難有勝算。因此，面對市場上的競爭劣勢，為使我國從制造業(yè)大國發(fā)展為制造強國，我們有必要研制出國產(chǎn)的高品質(zhì)對刀儀 。]2[2．對刀儀的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀對刀儀可大致分為機械式，光學投影式和圖像式三種類型 。]3[2.1 接觸式接觸式對刀儀是利用測量儀表的測頭接觸刀具，再通過光柵尺測量此時的位置所得的數(shù)據(jù)，其測量精度很低且操作過程較為繁雜，但是價格較低。圖 1.1所示是臺灣安威公司接觸式對刀儀。2.2 光學投影式光學投影式對刀儀是通過發(fā)光源將刀尖輪廓投影到固定的投影屏上，通過光學投影屏的刻線對刀具進行精確對準，從而完成刀具尺寸參數(shù)的測量。操作者要瞄準刀具刀尖會引起主觀誤差，影響測量精度。 光學投影式對刀儀目前依舊是國內(nèi)市場上的主要產(chǎn)品，但隨著技術(shù)的進步其市場占有率將會越來越低。圖 1.2 為天津天門公司生產(chǎn)的光學投影式對刀儀 。圖 1.1 臺灣安威 AW-H300 型接觸式 圖 1.2 天門光學投影式 DTJ II 1540 型 2.3 電子攝像式對刀儀電子攝像式的對刀儀充分結(jié)合了圖像采集技術(shù)、計算機軟件處理技術(shù)，機械傳動裝置，電路電子技術(shù)和光學技術(shù)等先進技術(shù)。圖像式對刀儀利用圖像傳感器來得到的刀具刀尖的圖像，并在計算機系統(tǒng)中進行圖像處理，獲得刀具的輪廓外形尺寸。現(xiàn)在隨著 CCD 傳感器技術(shù)的快速進步，圖像采集的準確性明顯提高，為對刀儀提供了十分準確的圖像分析數(shù)據(jù)，從而提高了測量精度。現(xiàn)在國外的電子攝像式對刀儀精度可以達到 0.001mm 。圖 1.3 為美國 PARLEC 公]4[司電子攝像式對刀儀 。 圖 1.3 PARLEC 電子攝像式國內(nèi)生產(chǎn)的對刀儀產(chǎn)品大部分是機械光學式的，對刀儀的光學系統(tǒng)將刀具刀尖輪廓的圖像照射到投影屏上，通過光柵尺測得數(shù)據(jù)傳送到數(shù)顯箱輸出結(jié)果。光學投影式對刀儀是目前國內(nèi)市場上的主流產(chǎn)品，但由于面臨著國外先進產(chǎn)品的激烈競爭而市場占有率逐年下降。 綜上可知國外廠商對刀儀有對刀速度快、精度高等諸多優(yōu)點，但是價格十分昂貴。因此我們有必要加強對刀儀研究的投入，以促進機床生產(chǎn)制造業(yè)的快速發(fā)展，從而提升我國制造業(yè)的競爭力和影響力。3. 選題依據(jù)對刀儀是為節(jié)省數(shù)控機床的對刀時間而設(shè)計的一種測量工具，是檢測刀具具體尺寸參數(shù)的精密測量設(shè)備，是現(xiàn)代加工制造所必備的檢測儀器，其作用就是準確的測量出刀具的參數(shù)以便在加工中精確控制刀具的運動軌跡，實現(xiàn)高精度加工。對刀儀的使用可避免機上測量的缺點，從而提高了刀具預調(diào)和測量的速度。4. 主要研究內(nèi)容4.1 機械位移傳動系統(tǒng)的設(shè)計（1）滾珠絲桿的計算與選型（2）導軌的計算與選型（3）蝸輪蝸桿的計算與設(shè)計（4）底座、立柱等基礎(chǔ)件的設(shè)計4.2 主軸系統(tǒng)的設(shè)計（1）主軸的計算與設(shè)計（2）主軸箱體的設(shè)計（3）蝸輪蝸桿傳動的計算與設(shè)計5. 具體方案5.1 傳動方式的選擇滾珠絲桿螺母副，預加載荷雙齒輪齒條傳動是常見的數(shù)控機床傳動系統(tǒng)的元件。方案一：滾珠絲桿螺母副絲杠是現(xiàn)代機床及其他精密傳動裝置上最常使用的傳動系統(tǒng)，以滾珠作為滾動體在絲桿和螺母之中反復循環(huán)運轉(zhuǎn)的裝置。滾珠絲桿的基本功能就是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動。主要特點有： 移動速度輕快平穩(wěn)，安裝結(jié)構(gòu)尺寸大，定位精度高 ，結(jié)構(gòu)比較復雜，成本較高等 。]5[方案二：齒輪齒條傳動齒輪齒條傳動一般用在傳動距離較長的大型機械上。齒輪齒條運動傳動剛性很高，但精度較低。如果使用齒輪齒條傳動，一定要消除齒側(cè)間隙以減少誤差。主要特點有：承載能力大，移動速度中等，安裝要求較高，需要預留間隙，需補償磨損，成本較低，容易制造等。5.2 導軌系統(tǒng)選擇導軌系統(tǒng)是刀具預調(diào)測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主體，由兩方向的導軌和光柵尺組成。導軌上下左右運動帶動滑座運動，通過滑座上的光柵尺測量出視覺系統(tǒng)的位移量，其測量所得的數(shù)據(jù)通過光柵數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機中。對刀儀屬于精密測量儀器，測量精度要求很高。所以安裝在對刀儀上的導軌必須有足夠高的精度，粗糙度要控制在 0.8，要有良好的導向性，剛度也要達到要求，滑臺的滑動要十分平穩(wěn) 。]6[導軌主要有滾動導軌和滑動導軌兩種。方案一：滾動導軌滾動直線滑軌副是直線運動滾動支承中的一類，通過滾珠在滑塊與軌道之間不斷循環(huán)往復的運動，使得滑塊在軌道上平穩(wěn)地做直線運動。其特點主要有：摩擦因素小，運動十分靈敏，動靜摩擦因素相差很小，起動阻力小不易產(chǎn)生爬行，可通過預緊來提升剛度。維修、潤滑比較方便，提高機械效率，節(jié)省了能源，降低造價 。]7[方案二：滑動導軌多數(shù)使用金屬對塑料型，稱為貼塑導軌。其特點有：化學穩(wěn)定性高，摩擦系數(shù)低，吸振性好，加工成型簡單，耐熱性差，剛性差等。5.3 手輪與絲桿的連接根據(jù)設(shè)計需要，手輪的轉(zhuǎn)向與滾珠絲桿的螺旋方向成 90 度夾角，因此手輪與絲桿的連接可采用錐齒輪，蝸輪蝸桿等結(jié)構(gòu) 。]8[方案一：錐齒輪錐齒輪傳動具有效率高，傳動比穩(wěn)定，精度高等優(yōu)點。方案二：蝸輪蝸桿蝸輪蝸桿傳動具有傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，能自鎖等特點。5.4 工作臺位移測量裝置選用光柵尺作為對刀儀的位移檢測裝置，光柵尺經(jīng)常作為高精度數(shù)控機床的位置檢測裝置，可以用來檢測線位移，精度高 。]9[5.5 主軸定位系統(tǒng)數(shù)控加工中心的刀具是通過錐柄來定位的，加工中心通過錐孔來對刀具進行定位，所以對刀儀同樣以相同錐度的錐孔來進行刀具的定位。主軸系統(tǒng)除了要對刀具進行定位外，還具有主軸旋轉(zhuǎn)裝置。 5.6 主軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)利用手輪驅(qū)動，手輪裝在蝸桿上，蝸輪裝在主軸上，手輪轉(zhuǎn)動帶動蝸輪蝸桿運動，從而使主軸旋轉(zhuǎn)。將刀套裝在主軸上，通過緊定螺釘將主軸與刀套固定好 。]10[5.7 主軸測量裝置本設(shè)計以光電式編碼器作為主軸系統(tǒng)的測量裝置，編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式的測量裝置，一般裝在被測軸上，隨軸一起轉(zhuǎn)動，將軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖。本設(shè)計用編碼器來測量主軸旋轉(zhuǎn)的角位移。6. 研究過程中會遇到的問題（1）光柵尺如何安裝（2）主軸如何準確定位（3）絲桿如何實現(xiàn)自鎖6. 研究路線和步驟設(shè) 計 流 程7.工作進度及具體安排2013 年 12 月底前熟悉設(shè)計課題，收集、整理資料，完成開題報告第 6 周 進行方案分析與方案論證第 7-8 周 機械位移傳動系統(tǒng)的分析與設(shè)計第 9-10 周 主軸系統(tǒng)的分析與設(shè)計第 11-14 周 數(shù)據(jù)整理，出圖、修改，編寫說明書第 15 周 畢業(yè)設(shè)計資料的整理、完善，準備答辯第 16 周 答辯，修改、上交畢業(yè)設(shè)計資料8.參考文獻機械位移傳動系統(tǒng)導軌的計算與選型滾珠絲桿的計算與選型蝸輪蝸桿的設(shè)計主軸系統(tǒng)的設(shè)計蝸桿傳動的設(shè)計主軸的設(shè)計主軸箱體的設(shè)計繪制圖紙寫說明書[1]劉力雙．電子攝像式刀具預調(diào)儀的研究：［博士學位論文］ ．天津：天津大學，2006[2]劉大勇,刀具預調(diào)儀關(guān)鍵技術(shù)的研究:：［碩士學位論文］ ．河北：河北工業(yè)大學，2007[3]陳斌，數(shù)控機床常用對刀方法及誤差分析．電子技術(shù)，2012[4]常家東，加工中心對刀儀器研制．機床與液壓，2005[5]伍利群，滾動導軌及其設(shè)計．機械研究與應用，2005[6]谷巖軍、王峰，關(guān)于加工中心對刀的研究．機械工人，2006[7]李東光、景芳盛，計算機視覺二維刀具預調(diào)儀的研究．制造技術(shù)與機床，2001[8]張曉勇，數(shù)控機床對刀裝置．機床電器，2001[ 9]郁道銀，工程光學，北京:機械工業(yè)出版社，1998[10]段發(fā)階，計算機視覺檢測基礎(chǔ)理論及應用技術(shù)研究，博士學位論文，天津大學，19944.指導教師意見（對課題方案的可行性、深度、廣度及工作量的意見） 。該生針對本課題進行了相關(guān)文獻資料的查詢，關(guān)于對刀儀設(shè)計的方案基本可行，研究方法大體正確，工作量充足。指導教師： 年 月 日5.教研室意見教研室主任： 年 月 日說明：開題報告作為畢業(yè)設(shè)計（論文、創(chuàng)作）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一，此報告應在指導教師的指導下，由學生填寫，將作為畢業(yè)設(shè)計（論文、創(chuàng)作）成績考查的重要依據(jù)，經(jīng)指導教師審查后簽署意見生效。