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本科生畢業(yè)論文 設(shè)計 開題報告 論文題目 三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計 學(xué)生姓名 專 業(yè) 班 級 指導(dǎo)教師 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 對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高要求 機(jī)械加工 工藝過程的自動化是實(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條件 大批量的自動化生產(chǎn)廣泛采用自動機(jī)床 組合機(jī)床和專用機(jī)床以及專用自動生產(chǎn)線 實(shí)行多刀 多工位同時加工 以達(dá)到高效率和高自動化 但這些都屬于剛性自動化 在 面對小批量生產(chǎn)時并不是適用 因為小批量生產(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 數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)正是很大的滿足了這一要求 1952 年 美國麻省理工學(xué)院成功的研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動 利用脈動乘法器原理的 實(shí)驗性數(shù)控系統(tǒng) 并把它裝在一臺立式銑床上 當(dāng)時用的電子元件是電子管 這就是世 界上的第一臺數(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 在美國芝加哥國際機(jī)床展 覽會上首次展出的數(shù)控系統(tǒng)采用計算機(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) 我國是從 1958 年開始研制數(shù)控技術(shù)的 一直到 60 年代中期處于研制 開發(fā)時期 當(dāng)時 一些高等院校 科研單位研制出實(shí)驗樣機(jī) 開發(fā)也是從電子管開始的 1965 年國 內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控技術(shù) 從 70 年代開始 數(shù)控技術(shù)在車 銑 鉆 鏜 磨 齒輪 加工等領(lǐng)域全面展開 數(shù)控加工中心在上海 北京研制成功 在這一時期 數(shù)控線切割 機(jī)床由于結(jié)果簡單 使用方便 價格低廉 在模具加工中得到了推廣 80 年代我國數(shù)控 機(jī)床有了新的發(fā)展 90 年代以及接下來主要是向高檔數(shù)控機(jī)床發(fā)展 數(shù)控技術(shù)是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術(shù) 是用數(shù)字化信號對機(jī)床運(yùn)動及其加 工過程進(jìn)行控制的一種方法 目前 在工業(yè)發(fā)達(dá)國家 無論在國防工業(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和自動換刀裝置 可以連續(xù) 地對零件進(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 縮了半成品的庫存量 減少工序間的輔助時間 有效地提高了生產(chǎn)率 可以預(yù)見 高級自動化技術(shù)將進(jìn)一步證明數(shù)控機(jī)床的價值 并且正在更為廣闊的開 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 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)動的變速 啟動 停止 進(jìn)給運(yùn) 動的方向 速度和位移量 以及工件裝夾和冷卻潤滑的開關(guān)等動作 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)生振動時 利用阻尼材料之間的相對 摩擦耗散振動能量 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)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件對代碼進(jìn)行處理后 輸入相應(yīng)的指令 脈沖 驅(qū)動伺服系統(tǒng) 來控制機(jī)床的各個運(yùn)動部件按規(guī)定的要求實(shí)現(xiàn)各個運(yùn)動 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 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 伺服系統(tǒng) 由伺服電動機(jī)和伺服驅(qū)動裝置組成 是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分 作用是把 來自數(shù)控裝置的各種指令轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動部件的運(yùn)動速度 運(yùn)動方向和位移量 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)動元件為交流三相異步電動 機(jī) 測量裝置 是將床身的實(shí)際位置 速度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號反饋回數(shù)控裝置 以校 核執(zhí)行部件實(shí)際運(yùn)動速度 方向和位移量 并使之與加工指令相一致 四 設(shè)計題目及技術(shù)要求 設(shè)計題目是三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計 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 潤滑系統(tǒng)等部分組成 但是 由于動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)動和進(jìn)給系統(tǒng) 機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化 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)通過滾球絲杠驅(qū)動溜板和刀架 實(shí)現(xiàn)進(jìn)給 運(yùn)動 主要設(shè)計要求 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 工作臺尺寸 420 300mm 五 數(shù)控銑床各組成部分的分析 1 X Y 工作臺 X Y 工作臺的組成 X Y 工作平臺傳動機(jī)構(gòu) X 向齒輪減速和滾珠絲杠傳動方向 Y 向和 X 向相同 驅(qū)動機(jī)構(gòu) X Y 向兩個電機(jī) X Y 工作臺的工作原理 通過控制 X Y 向電機(jī)驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu) 從而帶動 X Y 工作 平臺沿 X Y 向運(yùn)動 2 主軸 主軸部件包括主軸軸承 傳動件和相應(yīng)的緊固件 主軸的端部是標(biāo)準(zhǔn)的 傳動件如 齒輪 帶輪等與一般的機(jī)械零件相同 機(jī)床主軸部件 三個方向的進(jìn)給及其它部件滾動 軸承 均采用潤滑脂潤滑 3 導(dǎo)軌 由運(yùn)動和承導(dǎo)件組成 運(yùn)動件 需要做直線運(yùn)動的零部件 承導(dǎo)件 用于支承并限 制運(yùn)動件 使其只能按給定的要求和規(guī)定的方向作直線運(yùn)動 設(shè)計中可采用滑動導(dǎo)軌 對導(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)動輕便平穩(wěn) 6 要有一定的工藝性 主要用來支承和引導(dǎo)部件沿一定的軋道運(yùn)動 要求導(dǎo)向精度高 耐磨性能好 足夠 的剛度 本設(shè)計采用塑料導(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 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 工藝簡單 成本底 并有良好的自潤滑性和抗震性 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)簡單 制造 檢驗和修理較易 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 這是一種金屬對塑料的摩擦形式 屬于滑動摩擦導(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 靜摩擦系數(shù)差值小 耐磨性好 無爬行 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)軌低一個數(shù)量級 2 動靜摩擦系數(shù)相近 運(yùn)動平穩(wěn)性和爬行性能較鑄鐵導(dǎo)軌副好 3 吸收振動具有良好的阻尼性 優(yōu)于接觸剛度較低的滾動導(dǎo)軌和易于飄浮的靜 壓導(dǎo)軌 4 耐磨性好 有自身潤滑作用 無潤滑油也能工作 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)簡單 成本低 約為滾動導(dǎo)軌成本的 1 120 三成復(fù)合材料 DU 導(dǎo)軌板成本的 1 4 三個方向的導(dǎo)軌副 滾珠絲杠副由自動間隙潤滑油泵進(jìn)行定時潤滑 潤滑油泵安裝 在立柱側(cè)面 通過分油器將潤滑油分送到各潤滑點(diǎn)上 4 進(jìn)給裝置 三坐標(biāo)數(shù)控銑床的進(jìn)給運(yùn)動是數(shù)字控制的直接對象 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)動的傳動精度 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)動要求 1 減少運(yùn)動件的摩擦力 進(jìn)給系統(tǒng)雖有許多元件 但摩擦阻力主要來自絲杠 和導(dǎo)軌 絲杠和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的滾動化是減少摩擦的重要措施之一 2 提高傳動精度和剛度 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)動慣量 進(jìn)給系統(tǒng)中每個元件的慣量對伺服機(jī)構(gòu)的啟動和制動特性 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元件 以減少 摩擦 當(dāng)絲杠與螺母相對運(yùn)動時 滾珠沿螺旋槽向前滾動 在絲杠上滾過數(shù)圈以后通過 回程引導(dǎo)裝置 逐個地又滾回到絲杠與螺母之間 構(gòu)成一個閉和回路 它的優(yōu)點(diǎn)是 1 摩擦系數(shù)小 傳動效率高 可達(dá) 0 92 0 96 所需傳動轉(zhuǎn)矩小 2 靈敏度高 傳動平穩(wěn) 不易產(chǎn)生爬行 隨動精度和定位精度高 3 磨損小 壽命長 精度保持性好 4 可通過預(yù)緊和間隙消除措施提高軸向剛度和反向精度 5 運(yùn)動具有可逆性 不僅可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 6 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成 有驅(qū)動控制單元 驅(qū)動元件 機(jī)械傳動部件 執(zhí)行件和檢測 反饋環(huán)節(jié)等組成 驅(qū)動控制單元和驅(qū)動元件組成伺服驅(qū)動系統(tǒng) 檢測元件與反饋電路組 成檢測裝置亦稱檢測系統(tǒng) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)中采用的驅(qū)動裝置為直流伺服電機(jī) 7 微處理器 用來集中控制 分時處理數(shù)控系統(tǒng)的各項任務(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 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)計主要就是上述幾個部分的具體設(shè)計 六 參考資料 1 數(shù)控機(jī)床設(shè)計手冊 2 機(jī)械設(shè)計手冊 3 機(jī)電傳動控制 4 標(biāo)準(zhǔn)件手冊 5 機(jī)電一體化設(shè)計手冊 七 進(jìn)度計劃 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)計的總體規(guī)劃 查閱相關(guān)資料 第三階段 完成X Y工作臺設(shè)計及相關(guān)計算 第四階段 完成磨頭設(shè)計 第五階段 完成控制系統(tǒng)設(shè)計 第六階段 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書 出圖 準(zhǔn)備答辯