數(shù)控車床機械系統(tǒng)的設(shè)計

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數(shù)控機床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一個國家數(shù)控機床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就代表這個國家的制造業(yè)水平和競爭力。2003年我國機床消費額達到67.3億美元，居世界第一位，其中數(shù)控機床占57%（37.5億美元）。國內(nèi)生產(chǎn)數(shù)控機床36813臺（產(chǎn)值約10.4億美元），創(chuàng)歷史新高。但是，我國數(shù)控機床的技術(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)控車床仍占主導地位，高檔數(shù)控機床及功能部件大多數(shù)依靠進口。特別應(yīng)該引起注意的是，國產(chǎn)數(shù)控機床市場占有率逐年下降，1999年是33.6%，2003年僅占27.7%，而進口額逐年上升，1999年為8.78億美元（7624臺），2003年達27.1億美元（23320臺），相當于同年國內(nèi)數(shù)控機床產(chǎn)值的2.7倍。因此，盡管當前市場活躍、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。2 課題背景隨著生產(chǎn)和科學技術(shù)的飛速發(fā)展，社會對機械產(chǎn)品多樣化的要求日益強烈，產(chǎn)品更新越來越快，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，同時隨著汽車工業(yè)和輕工業(yè)消費品的高速增長，機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)日趨復雜，其精度日趨提高，性能不斷改善，激烈的市場競爭要求產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短，傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已難以適應(yīng)這種多樣化、柔性化、高效和高質(zhì)量復雜零件加工要求。因此具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點的數(shù)控機床就是在這樣的背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。當前數(shù)控機床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。而數(shù)控車床是數(shù)控機床的主要品種之一，它在數(shù)控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。因此，研究數(shù)控車床是非常有必要的。3 國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。目前，國內(nèi)外數(shù)控機床產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展方向主要體現(xiàn)在高速、復合、精密、智能、環(huán)保等方面。3.1 高速 高速切削加工不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且可以改善加工質(zhì)量，所以自20世紀90年代初以來，便成為機床技術(shù)重要的發(fā)展方向。各國相繼推出了許多主軸轉(zhuǎn)速10,000r/min至60,000r/min以上的加工中心和數(shù)控銑床。高速切削加工正與硬切削加工、干切削和準干切削加工以及超精密切削加工相結(jié)合；正從銑削向車、鉆、鏜等其他工藝擴展；正向較大切削負荷方向發(fā)展。 高速加工對機床的要求是：主軸速度應(yīng)能達到12,00040,000r/min；進給速度應(yīng)達到4060 m/min；快速移動速度應(yīng)達到80m/min；加速度達到1g；高剛性的機械結(jié)構(gòu)；高穩(wěn)定、高剛度、冷卻良好的高速主軸；精確的熱補償系統(tǒng)；高速處理能力的控制系統(tǒng)（具有NURBS插補功能和預(yù)處理能力的控制系統(tǒng)）。在數(shù)控機床高速化上，國外直線電機驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于進給驅(qū)動已實用化、普及化；機床的主軸轉(zhuǎn)速和切削進給速度普遍提高。主軸轉(zhuǎn)速一般都在10,000 r/min以上，快移速度也因普遍采用直線電機而提高到100m/min以上，很多機床的直線運動加速度達到12g，少數(shù)可達3g以上。瑞士的MIKRON公司生產(chǎn)的HSM立式加工中心，它在主軸轉(zhuǎn)速為30000 r/min(12.5kW)、進給速度40m/min、加速度17m/s2的情況下，實現(xiàn)平穩(wěn)運行；日本安田公司生產(chǎn)的YBM950V型立式加工中心，其主軸在2000030000 r/min高速運轉(zhuǎn)時，仍十分平穩(wěn)，銑削平面的粗糙度可達0.4m。3.2 復合 數(shù)控機床復合以功能復合為基礎(chǔ)，以提高工序集中度為目標，盡量減少重復裝卡次數(shù)，可大幅度提高生產(chǎn)效率和工作精度。近幾年，數(shù)控機床復合又在向更高層次發(fā)展，國際上已經(jīng)出現(xiàn)了加工中心與車削中心復合機床，加工中心與激光加工復合機床，集車、磨、銑、鉆、鉸、鏜、滾齒等工序于一體的車磨復合機床，集平磨、內(nèi)圓磨、外圓磨為一體的磨削中心，集各種機床及測量機于一體的虛擬軸機床，五軸聯(lián)動激光切割機等。日本MAZAK公司的MACTURN 250/350系列車銑中心，可進行外徑車削、傾斜面加工、滾齒加工、凸輪和偏心加工；德國BWF公司開發(fā)的STRATOS系列車磨中心，可以對齒輪和類似工件以及內(nèi)孔、端面、錐面進行硬車和磨削。我國復合加工機床從1999年剛剛起步，發(fā)展速度較快，主要是車銑復合加工機。3.3 精密精密加工須由高精度機床保證。高速高精度加工機床，不僅要有高切削速度，而且要有高進給速度和加速度，同時應(yīng)當具有微米級的加工精度。在高精度機床領(lǐng)域，直線電機驅(qū)動和滾珠絲杠驅(qū)動方式雖然還會并存相當長一段時間，但總的趨勢是直線電機驅(qū)動所占比重愈來愈大，很有可能在不久的將來成為此種機床進給驅(qū)動的主流。當前，在數(shù)控機床精密化方面，美國的水平最高，不僅生產(chǎn)中小型精密機床，而且由于國防和尖端技術(shù)的需要，研究開發(fā)了大型精密機床。其代表產(chǎn)品有LLNL實驗室研制成功的DTM-3型精密車床和LODTM大型光學金剛石車床，它們是世界公認水平最高的、達到當前技術(shù)最前沿的大型精密機床。其它國家也相應(yīng)研制成功各種類似的裝備，如英國的Cranfield、日本的東芝機械等。近年來我國對超精密機床的研制也一直在進行。北京機床研究所研制成功了JCS-027型超精密車床、JCS-031型超精密銑床、JCS-035型數(shù)控超精密車床等。3.4 智能 智能機床是指能對制造過程主動作出最優(yōu)運動決策的機床，它能采集整個制造過程中的參數(shù)，通過診斷分析，應(yīng)用監(jiān)控、補償?shù)却胧┘皶r進行調(diào)整，并能判斷機床中軸承、導軌等關(guān)鍵件的磨損和刀具的壽命情況，作出維修和更換的合理時間建議。 在上世紀80年代，雖然美國曾提出智能化雛形的適應(yīng)控制機床，但由于受到自動化檢測、控制和動態(tài)補償?shù)燃夹g(shù)的制約，除了在控制因素較簡單的電加工機床和注塑機上得到應(yīng)用外，總體上進展較為緩慢。但是進入本世紀后，由于信息技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新一代智能型數(shù)控系統(tǒng)，它具有強大的信息分析處理能力和優(yōu)化控制的功能。其次微機電系統(tǒng)型傳感器技術(shù)的應(yīng)用，以及機床結(jié)構(gòu)的振動、熱誤差等機理的深入研究，可實施在多信息融合下的優(yōu)化重構(gòu)，實現(xiàn)經(jīng)濟地優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的集約制造。計算機技術(shù)及其軟件控制技術(shù)在數(shù)控機床技術(shù)含量中所占比重越來越大，計算機系統(tǒng)及應(yīng)用軟件的復雜化同時帶來機床系統(tǒng)及其硬件結(jié)構(gòu)的簡化。通過賦予機床網(wǎng)絡(luò)化功能，使機床的遠程通訊、遠程控制、遠程故障排除和維護、遠程服務(wù)成為可能。日本MAZAK公司的日本工廠是世界上為數(shù)不多的智能管理的代表。整個工廠實行計算機網(wǎng)絡(luò)智能化管理。2006年的美國IMTS和日本JIMTOF國際機床展覽會上，日本MAZAK公司展出智能機床具有自動抑制振動、優(yōu)化控制熱位移、防止碰撞的智能安全防護以及語音提示等四大智能。日本OKUMA公司也推出了稱之為Thinc的智能化數(shù)字控制系統(tǒng)，它可以在不需人的干預(yù)下作出“聰明”決策，并通過自學習功能使其功能不斷優(yōu)化增長。美國GE FANUC公司展示的效率機床4.0可收集完整的基本數(shù)據(jù)作出判斷分析，使機床的平均故障間隔時間（MTBF）增長。此外，美國辛辛那提公司開發(fā)的自動平衡裝置以及瑞士MIKRON公司研發(fā)的高級工藝控制系統(tǒng)有助于提高切削性能和效率。這些事例說明智能機床已取得了突破性的進展，預(yù)見在今后10年內(nèi)它將在不斷完善的基礎(chǔ)上逐步推廣應(yīng)用，成為高檔數(shù)控機床的一個主要技術(shù)發(fā)展方向。3.5 環(huán)保隨著人們環(huán)境保護意識的加強，對環(huán)保的要求越來越高。不僅在機床制造過程中不產(chǎn)生對環(huán)境的污染，也要求在機床的使用過程中不產(chǎn)生二次污染。在這種形勢下，裝備制造領(lǐng)域?qū)C床提出了無冷卻、無潤滑、無氣味的環(huán)保要求，機床的排屑、除塵等裝置也發(fā)生了深刻的變化。綠色加工工藝愈來愈受到機械制造業(yè)的重視，目前在歐洲的大批量機械加工中，已有1015的加工實行了干切削或準干切削。美國HARDING的QUEST系列車床、德國HUELLER的高速加工中心均采用了干切削技術(shù)；日本原洲公司加工中心采用了液氮冷卻技術(shù)；日本富士公司的數(shù)控車床采用了冷風冷卻技術(shù)。我國干切削技術(shù)的研究也已起步。成都工具研究所、山東工業(yè)大學和清華大學等單位對超硬刀具材料（如陶瓷、立方氮化硼、金剛石等）及刀具涂層技術(shù)進行過系統(tǒng)的研究，并取得了不少的研究成果。北京機床研究所最近開發(fā)成功的KT系列加工中心已能實現(xiàn)高速干切削。4 結(jié)論綜上所述，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，尤其是機械制造業(yè)中，普通機械正逐漸被高效率、高精度、高自動化的數(shù)控機械所代替。隨著我國機制行業(yè)新技術(shù)的應(yīng)用，我國世界制造業(yè)加工中心地位形成，數(shù)控機床將會起著前所未有的作用。參考文獻1 張恩生. 機械制造工藝系統(tǒng)學M. 上海:上海交通大學出版社，1990.2 徐嘉元. 機械加工工藝基礎(chǔ)M. 北京：機械工業(yè)出版社，1996.3 沈斌. 計算機輔助制造技術(shù)J. 機械工程學報，2004，4（11）：23-25.4 邱宣懷. 機械設(shè)計M. 北京：高等教育出版社，1997.5 徐灝. 機械設(shè)計手冊C. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.6 王步瀛. 機械強度計算的理論和方波D. 北京：高等教育出版社，19967 董仲元，蔣克鑄. 設(shè)計方法學M. 北京：高等教育出版社，2000.8 吳宗澤. 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計M. 北京：機械工業(yè)出版社，1988.9 齒輪手冊編委會. 齒輪手冊C. 北京：機械工業(yè)出版社，1990.10 華大年. 機械原理M. 北京：高等教育出版社，2003.11 趙先仲. 數(shù)控系統(tǒng)維修講義J. 華北航天工業(yè)學院講義，2000，3（1）：5-10.12 石巖. 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢和思考D. 重慶：重慶大學，2002.13 拉德克利夫. 運動學與機構(gòu)設(shè)計M. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.14 庫祥臣，王潤孝. 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢及對策J. 機床與液壓，2004,5(1):12-44.15 張宇. 數(shù)控技術(shù)實踐J. 機械工業(yè)出版社，2005，19（5）：130-138.16 方鍵. 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計M. 北京:化學工業(yè)出版社，2005.17 唐一平. Advance Manufacturing TechnologyM. 北京：科學出版社，200021-33. 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：1 主要內(nèi)容與待解決的問題為了能夠更好地、直觀地了解和研究數(shù)控車床的機械系統(tǒng)，本課題以數(shù)控車床CK6140為原型進行設(shè)計，主要設(shè)計任務(wù)為：(1)主運動參數(shù)的確定；(2)主運動傳動設(shè)計；(3)主運動帶輪直徑和齒輪齒數(shù)的確定；(4)主運動傳動件的估算和驗算；(5)縱向進給運動滾珠絲桿副的選擇；(6)縱向進給運動驅(qū)動電機的選用。主要的技術(shù)要求以及技術(shù)參數(shù)參照CK6140的技術(shù)參數(shù)進行設(shè)計。為了更好的進行設(shè)計工作，本文所有的圖紙利用AUTOCAD或者PROE進行繪制，因此，需要學生掌握以上軟件的熟練使用。2 解決方法2.1 主運動參數(shù)的確定:在調(diào)研的基礎(chǔ)上，選定主軸轉(zhuǎn)速范圍，即主軸最高最低轉(zhuǎn)速，確定主軸轉(zhuǎn)速等比數(shù)列公比，轉(zhuǎn)速級數(shù)Z，選定電機轉(zhuǎn)速等。2.2 主運動傳動設(shè)計：在主運動傳動設(shè)計中，除符合“級比規(guī)律”外，一般情況下還應(yīng)遵循以下原則：(1)變速組中的極限傳動比及變速范圍限制的原則(2)變速組傳動副“前多后少”原則(3)變速組傳動線“前密后疏”原則(4)變速組降速“前慢后快”原則2.3 主運動帶輪直徑和齒輪齒數(shù)的確定、主動輪從動輪的計算直徑、主、從動齒輪齒數(shù) 齒輪副的傳動比 齒輪副的齒數(shù)和2.4 主運動傳動件的估算和驗算在齒輪布置方案及軸徑齒輪模數(shù)等估算的基礎(chǔ)上，進一步布置箱體內(nèi)各軸線的位置，設(shè)計齒輪、軸、皮帶輪、離合器的具體結(jié)構(gòu)，如發(fā)現(xiàn)相碰，及時修改運動設(shè)計方案。2.5 縱向進給運動滾珠絲桿副的選擇滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求，其兩端支承的配置情況有：一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短絲杠和垂直進給絲杠；一端固定一端浮動的方式，常用于較長的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的絲杠，這種配置方式可對絲桿進行預(yù)拉伸。因此在此設(shè)計中采用兩端固定的方式，以實現(xiàn)高剛度、高精度以及對絲杠進行拉伸。滾珠絲杠螺母機構(gòu)是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置，是數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動裝置。滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會產(chǎn)生嚴重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預(yù)緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較小；當滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)時，螺母不會立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動精度。因此，滾珠絲杠螺母副必須消除間隙，并施加預(yù)緊力，以保證絲杠、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高滾珠絲杠螺母副的接觸剛度。2.6縱向進給運動驅(qū)動電機的選用(1)根據(jù)機械的負載特性對電動機的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機類型。(2)根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速變化范圍和頻繁啟動程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力額啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機功率，并確定通風方式。所選電動機功率應(yīng)留有余量，負載率一般取0.8-0.9。(3)根據(jù)現(xiàn)場使用環(huán)境條件，如溫度、適度、灰塵、雨水、瓦斯等，選擇電動機結(jié)構(gòu)形式。(4)根據(jù)進給的最高速度的要求，選擇電動機額定轉(zhuǎn)速。3 工作安排 1月18日3月 1 日 開題調(diào)研并查詢相關(guān)的文獻資料3月 2 日3月19日 完成英文翻譯，并完成論文的開題報告的撰寫3月20日3月27日 主運動參數(shù)的確定3月28日4月7日 主運動傳動設(shè)計4月8日4月18日 主運動帶輪直徑和齒輪齒數(shù)的確定4月19日4月27日 主運動傳動件的估算和驗算4月28日4月30日 畢業(yè)論文的中期檢查5月 6 日5月10日 縱向進給運動滾珠絲桿副的選擇，運動驅(qū)動電機的選用5月11日5月15日 裝配圖、部裝圖紙、零件圖紙的繪制以及校核修改5月16日5月18日 論文初稿撰寫5月19日5月21日 修改完成設(shè)計稿5月22日5月25日 畢業(yè)設(shè)計成果全部校驗5月25日6月 5 日 完成評審與答辯 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告指導教師意見：1對“文獻綜述”的評語：該生通過查閱了大量的文獻資料，詳細闡述了數(shù)控機床的發(fā)展歷史、發(fā)展趨勢以及國內(nèi)外的現(xiàn)狀，了解了數(shù)控機床設(shè)計內(nèi)容，根據(jù)指導教師的要求提出了論文的需要完成的主要任務(wù)。整個文獻綜述內(nèi)容比較充實、豐富，比較好地反映了數(shù)控機床的發(fā)展狀況，說明該生在畢業(yè)設(shè)計之前做了大量的文獻資料查閱工作，為后面進行具體設(shè)計奠定了較好的基礎(chǔ)，參考文獻格式正確，全文分析比較清晰，任務(wù)比較明確，較好地完成了文獻綜述的撰寫。綜合全文內(nèi)容與表達，該文獻綜述評定為良好。2對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：該文主要設(shè)計數(shù)控車床的機械系統(tǒng)，要求學生能夠靈活綜合使用前面所學到的知識，系統(tǒng)地設(shè)計一臺數(shù)控車床機械系統(tǒng)，對于一位在校的大學生而言，沒有系統(tǒng)地設(shè)計經(jīng)歷，是具有一定的難度，而且論文工作量較大，但是，學生在參考相關(guān)系列的數(shù)控車床和參觀了該型號的數(shù)控車床的基礎(chǔ)上，該設(shè)計所涉及的知識點都是機械設(shè)計課程的內(nèi)容，因此，通過學生的努力與老師的指導，應(yīng)該是可以完成畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)要求的，而且這種設(shè)計與未來工廠的機床設(shè)計的流程是完全一致的，為學生不久進入企業(yè)進行相關(guān)設(shè)計打下基礎(chǔ)。 指導教師： 2010 年 3 月25 日所在專業(yè)審查意見： 負責人： 2010年 3 月 27 日