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本科畢業(yè)設(shè)計開題報告
題 目： 320mm數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院
班 級： 機(jī)制08-1 班
姓 名： 吳彬
學(xué) 號： 2008021480
指導(dǎo)教師： 盧玉梅
教師職稱： 講師
黑龍江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計開題報告
題 目
320mm數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
來源
工程實(shí)際
1、研究目的和意義
我國目前機(jī)床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的數(shù)控化率僅為6％。這些機(jī)床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動/半自動機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機(jī)床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國內(nèi)、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。
而相對于傳統(tǒng)機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有以下明顯的優(yōu)越性：
1、可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
2、可以實(shí)現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。
3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
4、可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。
5、擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，可實(shí)現(xiàn)長時間無人看管加工。
因此，采用數(shù)控機(jī)床，可以降低工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機(jī)床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)。 此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
由于以上優(yōu)越性，數(shù)控機(jī)床所占的比例逐漸增大。從2005年的市場消費(fèi)內(nèi)容也可可看出,普通機(jī)床的市場份額在下降,數(shù)控機(jī)床則大幅度增長，尤其是中高檔數(shù)控機(jī)床供不應(yīng)求?？梢灶A(yù)見，未來幾年普通機(jī)床的市場份額將不斷下滑, 數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)會逐漸擴(kuò)大。[2] 通過本次設(shè)計培養(yǎng)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，解決工程實(shí)際問題的能力，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻(xiàn)閱讀、程序編制、使用手冊等基本技能及能力得到訓(xùn)練和提高。此外，力求完成課題之余，熟悉國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,增強(qiáng)對如何發(fā)展民族數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的感性認(rèn)識。
2、國內(nèi)外發(fā)展情況
數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
自從1951年計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床上，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控（NC）和計算機(jī)數(shù)控（CNC）兩個階段的發(fā)展。目前，數(shù)控系統(tǒng)正處于第六代――基于PC（PC－BASED）。
未來數(shù)控系統(tǒng)將呈以下發(fā)展趨勢：
1、 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。
2、向高速化和高精度化發(fā)展
3、向智能化方向發(fā)展
（1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)向高速化和高精度化發(fā)展
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。
（2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)
（4）引入動裝置智能化數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)
可以通過自動識別負(fù)載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行
我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀
??? 機(jī)床產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，裝備制造業(yè)發(fā)展的重中之重。《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）將“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”確定為16個科技重大專項之一。通過國家相關(guān)計劃的支持，我國在數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究方面有了較大突破，創(chuàng)造了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果和核心技術(shù)。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
???（1）中高檔數(shù)控機(jī)床的開發(fā)取得了較大進(jìn)展，在五軸聯(lián)動、復(fù)合加工、數(shù)字化設(shè)計以及高速加工等一批關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破，自主開發(fā)了包括大型、五軸聯(lián)動數(shù)控加工機(jī)床，精密及超精密數(shù)控機(jī)床以及一大批專門化高性能機(jī)床，并形成了一批中檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化基地。
???（2）關(guān)鍵功能部件的技術(shù)水平、制造質(zhì)量逐年穩(wěn)步提高，功能逐步完善，部分性能指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平，形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的功能部件。開發(fā)出了高速主軸單元、高速滾珠絲杠、重載直線導(dǎo)軌、高速導(dǎo)軌防護(hù)裝置、直線電機(jī)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺、刀庫與機(jī)械手、A/C軸數(shù)控銑頭、高速工具系統(tǒng)、數(shù)字化量儀等高性能功能部件樣機(jī)，其中有的品種已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。
???（3）中高檔數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)研究與應(yīng)用取得一定成果。通過自主研發(fā)或與國外開展技術(shù)合作，在中檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)上取得明顯進(jìn)展。初步解決了多坐標(biāo)聯(lián)動、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)難題；為適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的配套要求，相繼開發(fā)出交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和主軸交流伺服控制系統(tǒng)，并形成了系列化產(chǎn)品。
與國外的差距
???（1）高檔數(shù)控機(jī)床的國內(nèi)供應(yīng)能力不足。
??? 盡管我國機(jī)床行業(yè)近年來取得了長足的發(fā)展，數(shù)控化率穩(wěn)步提高，但機(jī)床消費(fèi)和生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)性矛盾仍然比較突出。目前，國內(nèi)對中高檔機(jī)床的需求量逐漸超過低檔機(jī)床。但國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床以低檔為主，高檔數(shù)控機(jī)床絕大部分依賴進(jìn)口。
???（2）自主創(chuàng)新能力不足。
??? 長期以來，我國機(jī)床制造業(yè)的基礎(chǔ)、共性技術(shù)研究工作主要在行業(yè)性的研究院所進(jìn)行。能力薄弱，技術(shù)創(chuàng)新投入不足，引進(jìn)消化吸收能力差，低水平生產(chǎn)能力過剩，自主創(chuàng)新能力不高，缺乏優(yōu)秀技術(shù)人才。雖然國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商通過技術(shù)引進(jìn)、海內(nèi)外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進(jìn)數(shù)控技術(shù)，但缺乏對基礎(chǔ)共性技術(shù)的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，企業(yè)的市場響應(yīng)速度慢。
???（3）產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性及服務(wù)等能力不強(qiáng)。
??? 國產(chǎn)機(jī)床在質(zhì)量、交貨期和服務(wù)等方面與國外著名品牌相比存在較大的差距。在質(zhì)量方面，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)MTBF與國際先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)相差較大。國產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心的MTBF與國際上先進(jìn)水平也有較大差距。在交貨期方面，絕大多數(shù)企業(yè)由于任務(wù)重拖期交貨。服務(wù)體系不健全，在市場開拓、成套技術(shù)服務(wù)、快速反應(yīng)能力等方面不能滿足市場快節(jié)奏和個性化的要求。
???（4）功能部件發(fā)展滯后。
??? 機(jī)床是由各種功能部件（主軸單元及主軸頭、滾珠絲杠副、回轉(zhuǎn)工作臺和數(shù)控伺服系統(tǒng)等）在床身、立柱等基礎(chǔ)機(jī)架上集裝而成的，功能部件是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床整體技術(shù)與數(shù)控機(jī)床功能部件的發(fā)展是相互依賴、共同發(fā)展的，所以功能部件的創(chuàng)新也深深地影響著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。我國數(shù)控機(jī)床功能部件已有一定規(guī)模，電主軸、主軸單元、數(shù)控系統(tǒng)等也有專門的制造廠家，其中個別產(chǎn)品的制造水平接近國際先進(jìn)水平。但整體上，我國機(jī)床功能部件發(fā)展緩慢、品種少、產(chǎn)業(yè)化程度低，精度指標(biāo)和性能指標(biāo)的綜合情況還不過硬。目前，滾珠絲杠、數(shù)控刀架、電主軸等功能部件僅能滿足中低檔數(shù)控機(jī)床的配套需要。衡量數(shù)控機(jī)床水平的高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速精密電主軸、高速滾動功能部件等還依賴進(jìn)口。
3、研究/設(shè)計的目標(biāo)：
現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度的方向發(fā)展，要求機(jī)床主傳動系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的無極調(diào)速范圍；在切削加工中能自動變換速度，機(jī)床結(jié)構(gòu)要簡單，噪聲要小，動態(tài)性能要好，可靠性要高。數(shù)控車床作為高度自動化的機(jī)電一體化設(shè)備，其主傳動系統(tǒng)的設(shè)計一般應(yīng)滿足如下基本要求。
（1）使用性能要求 首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動特性，如機(jī)床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)。傳動系統(tǒng)設(shè)計合理，操縱方便靈活、迅速、安全可靠。
（2）傳遞動力要求 主電動機(jī)和傳動機(jī)能提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動效率。
（3）工作性能要求 主傳動中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗震性，熱變形特性穩(wěn)定。
此外，還要求主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護(hù)性能好；使用壽命長。
4、設(shè)計方案：
主傳動系統(tǒng)的傳動方式
機(jī)床主傳動系統(tǒng)可分為分級變速傳動和無極變速傳動。無極變速傳動可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳速度，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)通常采用無級變速傳動。
與普通機(jī)床相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直流主軸調(diào)速電動機(jī)，電動機(jī)調(diào)速范圍大，并可無極調(diào)速，使主軸箱結(jié)構(gòu)大為簡化。為了適應(yīng)不同的加工需要，數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)有以下三種傳動方式。
（1）由電動機(jī)直接驅(qū)動 主軸電動機(jī)與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動機(jī)直接驅(qū)動，。采用直接驅(qū)動可大大簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，能有效地提高主軸剛度。這種傳動的特點(diǎn)是主軸轉(zhuǎn)速的變化、輸出轉(zhuǎn)矩與電動機(jī)的特性完全一致。但由于主軸的功率和轉(zhuǎn)矩特性直接決定于主軸電動機(jī)的性能，因而使這種變速傳動的應(yīng)用受到一定限制。
（2）采用定比傳動 主軸電動機(jī)經(jīng)定比傳動傳遞給主軸。定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動，。帶傳動具有傳動噪聲小、振動小的優(yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)用在中、小型數(shù)控車床上。采用定比傳動擴(kuò)大了直接驅(qū)動的應(yīng)用范圍，即在一定程度上能滿足主軸功率與轉(zhuǎn)鉅的要求，但其變速范圍仍與電動機(jī)的調(diào)速范圍相同。
（3）采用分檔變速傳動 采用分檔變速傳動主要是為了解決主軸電動機(jī)的功率特性與機(jī)床主軸功率特性的匹配。變速機(jī)構(gòu)一般仍采用齒輪副來實(shí)現(xiàn)，。通過電動機(jī)的無級變速，配合變速機(jī)構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求。目前，電動機(jī)本身的調(diào)速范圍已達(dá)1:100—1:1000，所以多數(shù)機(jī)床的變速傳動機(jī)構(gòu)不超過2級。采用分檔變速傳動可適應(yīng)更多種類的刀具材料和更廣泛的工藝要求，并滿足各種切削運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時的轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大恒功率的調(diào)速范圍。
經(jīng)綜合比較，所設(shè)計車床屬于中、小型，采用定比傳動方式較好。
5、方案的可行性分析：
320mm數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括確定車床的傳動方式，確定主軸的轉(zhuǎn)速，確定傳動軸的轉(zhuǎn)速及其他運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)的確定。車床主軸采用高精度主軸專用角接觸球軸承支承，并采用高速潤滑脂潤滑。車床的進(jìn)給軸由混合式步進(jìn)電機(jī)（或交流伺服電機(jī)）直接驅(qū)動滾珠絲杠副，帶動溜板運(yùn)動。為了提高進(jìn)給軸的動態(tài)響應(yīng)時間，減少摩擦和磨損，車床的移動副都采用了貼塑工藝。車床的移動導(dǎo)軌副和滾珠絲杠副的潤滑采用手動集中潤滑系統(tǒng)（或間歇式自動潤滑系統(tǒng)），方便了各潤滑點(diǎn)的潤滑。其主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、能保證一定的加工精度和表面質(zhì)量切較為經(jīng)濟(jì)。
通過綜合分析以上設(shè)計方法和設(shè)計制造難度，方案可行。
6、該設(shè)計的創(chuàng)新之處
所設(shè)計主傳動系統(tǒng)有更大的調(diào)速范圍，能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。無級變速電機(jī)的性能進(jìn)一步提高，價格下降，直接由電機(jī)通過皮帶將動力傳給主軸，這樣數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)進(jìn)一步簡化，速度進(jìn)一步提高。特別是電主軸的應(yīng)用，真正將數(shù)控機(jī)床帶入了超高速時代。從而生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量等都有提高。而且傳動較平穩(wěn)，噪聲較低?？拐裥砸灿兴岣?。
7、設(shè)計產(chǎn)品的主要用途和應(yīng)用領(lǐng)域：
數(shù)控車床用于加工軸類或盤類的回轉(zhuǎn)體零件，可自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋等工序的切削加工。可加工高精度的曲面與端面螺紋。用的刀具主要是車刀、各種孔加工刀具（如鉆頭、鉸刀、鏜刀等）及螺紋刀具。數(shù)控車床和盤類零件上的回轉(zhuǎn)表面。數(shù)控車床加工零件的尺寸精度可達(dá)IT5—IT6，表面粗糙度可達(dá)Ra1.6μm以下。在汽車、船舶、飛機(jī)、模具等行業(yè)都有重要作用。
8、時間進(jìn)程
3月19日-3月23日 整理實(shí)習(xí)日記、撰寫實(shí)習(xí)總結(jié)和準(zhǔn)備開題。
3月26日-3月30日 總體結(jié)構(gòu)確定。
4月2日-4月6日 主傳動系統(tǒng)傳動方式確定。
4月9日-4月13日 計算及選擇其運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)。
4月16日-4月20日 各零部件的設(shè)計計算。
4月23日-5月4日 繪制床頭箱裝配總圖。
5月7日-5月25日 繪制主要零部件圖。
5月28日-6月4日 修改圖紙，撰寫及核對說明書,準(zhǔn)備答辯。
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指導(dǎo)教師意見
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