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开题报告主要内容一、 选题背景二、 产品概述三、 研究该课题的意义四、 方案设计五、 进度计划 指导教师签字 : 年 月 日 教研室主任签字 年 月 日 主管领导签字 年 月 日一、 选题背景加工中心（简称CNC全称为Computerized Numerical Control），是一种高度自动化的多功能数控机床。立式加工中心的综合加工能力强，加工精度高，工件通过一次装夹就可以完成多项加工任务。故在制造业，模具，飞机，医疗设备方面的应用非常广泛。本课题主要对VMC500型立式加工中心z轴进给系统的设计（如图1），提高我们对加工中心的认识，初步实践产品设计的过程，起到就业前综合练兵的机会。二、 产品概述加工中心根据其主轴所在的空间位置，可分为立式和卧式结构。把主轴处于垂直状态的称为立式，主轴在空间状态处于水平的称为卧式。卧式主要用于加工复杂的箱体类零件、泵体、阀体等零件的加工。但卧式加工中心占地面积大重量大；结构复杂。而立式加工中心主要加工中小型精度比较高的零件。加工中心的特点大致为以下几点：1. 工序集中，工件在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工。2. 加工中心加工的零件精度很高，生产效率高，生产者的劳动强度低，故立式加工中心广泛应用于机械各行业，它的高质高量的研发是大多数机床厂亟需解决的问题。 3. 立式加工中心装卡方便，便于操作，易于观察加工情况，调试程序容易，应用广泛。但受立柱高度及换刀装置的限制，不能加工太高的零件，在加工型腔或下凹的型面时，切屑不易排出，严重时会损坏刀具，破坏已加工表面，影响加工的顺利进行。我们讨论的立式加工中心主要有由主轴箱，进给系统和刀库还有机械手四大部分组成，而加工中心的性能好坏，主要取决于进给伺服系统的性能。现以立式加工中心VMC500型为例，研究并设计其z轴方向的进给系统。三、 研究该课题的意义机械加工装备对促进制造技术发展的紧密关系和以数字化为特征加工中心是柔性化制造系统和敏捷化制造系统的基础装备。随着汽车，国防，航天，等工业的高速发展以及新型材料的应用，其总的发展趋势是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺实用性和经济性。立式加工中心会向着五轴联动的趋势发展，是一种科技含量很高，精密度高，专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床对于一个国家的航空紧密器械 和高精医疗设备等行业，有着举足轻重的影响力。当然，机床的复合化，与机器人的有效结合提高了生产效率，让机器人重复简单劳动不但可以节省大量成本，也会减少出错率，提高生产效率。最后，立式加工中心肯定离不开保护环境这条准则，绿色生态机床是近年来的重要概念，加工中心，人，环境，三者和谐共生才是人类最终追求的高效率。四、 方案设计由上图可知道，在vmc500进给系统的z轴设计中，可以看到，z轴设计的主要部分是导轨的选型和设计，滚珠丝杠的支承方式型号和结构，交流伺服电机的型号与安装方式，工作台和底座的选择，还有主轴箱的平衡方式。下面从这5个方面简述设计VMC500进给系统的z轴的思路。4.1 导轨的设计由于加工的进给运动通过其执行部件沿着他的床身，立柱，横梁，等支承大件的导轨运动实现的。导轨的作用是起导向和支承，保证运动部件在外力作用下能正确的沿某一轨迹移动。他的刚度和精度，及结构形式对机床的加工精度和定位精度有直接影响。故，在研究进给系统z轴进给前，要重点研究导轨的设计和选型。导轨一般要求具有较高的导向精度,足够的刚度,良好的耐磨性,良好的低速运动平稳性,在保证这些条件的同时尽量使导轨便于制造,调整和维护。按接触面的摩擦类型的常用的导轨有滚动导轨和滑动导轨和调整导轨，本次选择滚动直线导轨。上图是滚动直线导轨的示意图滚动直线导轨的原理是当导轨和滑块做相对运动是，钢球就沿着道导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始的进行滚动运动。滚动直线导轨的特点是摩擦的阻力小，运动灵活；磨损小，故能长期保持精度；动，静摩擦的差别小，低速时易停止，即有良好的低速运动平稳性，而滚动导轨的缺点是导轨面和滚动体是点接触或线接触，抗震性差，接触应力大，故对导轨的表面硬度要求很高。我们在选用时可根据负荷大小，受载荷方向，冲击和振动等情况来选择。待加工中心布局好后，就可以选择丝杠类型和支承方式。4.2 滚珠丝杠的选型和设计滚珠丝杠作为机床直线驱动执行元件，在进给系统中起着举足轻重的作用。滚珠丝杠副是由滚珠，丝杠，螺母等组成的机械元件，是将回转运动转换为直线运动或将直线运动妆花为回转运动的部件，它的特点是:a) 传动效率高（高达92%）；b) 运动平稳,摩擦力小，灵敏性高，使用寿命也是普通丝杠的410倍；c) 同步性好，用几个相同的滚珠丝杠副同时传动装置是，可获得较高的同步性；d) 可以通过预紧消除丝杠副间隙提高轴向接触刚度；4.2.1 滚珠丝杠的支承方式而在设计和选用滚珠丝杠副时，需要考虑丝杠的支承方式，型号，与结构。常见的丝杠的支承方式有四种，分别是：i. “固定固定”型： 适用于速度要求高，精度要求高。比如高精密数库设备。该形式，两端的支撑座都会约束丝杆杆件的轴向，径向运动，从而大大提高传动刚度。但同时，因为考虑到滚珠丝杆的温升等原因，所以在装配的时候，要对滚珠丝杆进行预拉伸。由于装配的困难，所以很少在普通的设备上使用。ii. “固定游动”型适用于中转速、高精度的场合。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端由单个轴承约束径向自由度，负荷由一对轴承副承担，游动的 单个轴承能防止悬臂挠度，并消化由热变形产生的应力。此形式结构较简单，效果良好，应用广泛。iii. “支承支承”型 该种类型，精度要求低。支撑方式主要为受径向力，轴向方向会有稍徐游动，所以最主要的目的是给设备起传动的作用。iv. “固定自由”型适用于低转速，中精度，短丝杠。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端悬空呈自由状态，负荷均由同一对轴承副承担， 并且需克服丝杠回转离心力（及水平安装时的重力）造成的弯矩。此形式结构简单，受力情况差，但在行程小、转速低时 也经常用到。 我选择滚珠丝杠副的支承轴承一般选60接触角推力角球轴承，因其都能承受轴向载荷和径向载荷，也可以根据载荷形式轴承可以任意组合。4.2.2 预紧方式对于滚珠丝杠来说，机床在进行制造的过程中会升温而导致轴承间隙的游动，和丝杠的伸长，为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的刚度，可以预加载荷，使他在过盈的条件下工作，此称为预紧。预紧的拉伸方法一般有两种，这里采用调整垫片拉伸法。方法如下：先将各部件安装好，让滚珠丝杠处于自由状态尽量让螺母处于中间位置，以免丝杠下垂，拉伸量不够；松开电机与床身的连接螺钉，用另一只比较厚的垫片替换原垫片，具体的差值等于丝杠的目标拉伸值，最后锁紧轴承，使丝杠达到预拉伸状态。但在此过程中要注意预紧力的大小。如果预紧力过大，会增加摩擦力，损耗丝杠；如果预紧力过小，间隙得不到消除，影响丝杠的定位精度。4.3 工作台和底座的选择这里采用十字滑鞍工作台不升降结构。该工作台的特点是可以在水平面内实现X轴和Y轴两个方向的移动该结构由于工作台承载工件一起运动，常为中小型立式加工中心采用。4.4 立柱的结构设计和主轴箱的平衡方式立柱的结构更像一个箱体，四周封闭，上下开口，内部又有纵横的加强筋，提高立柱的整体刚度，使其可以承受很大的水平切削力，不至于倾覆。立柱的前端有凹槽和导轨安装面，导轨通过分布均匀的螺钉从后侧安装在立柱上。在立柱的各侧面上留着很多个工艺孔和槽，适应各部件的安装要求，以及电器元件的导线从中通过。立柱通过底部边缘的多个螺钉安装在机床底座上。立柱的设计不但是z方向进给的主要组成部分，也是刀库，机械手，主轴箱体的载体,对立式加工中心的加工性能和加工精度都有很大影响。所以当主轴箱在z轴上向上或向下会产生力矩不平衡的现象，为了解决这一问题，我们必须找到一种主轴箱的平衡方式，使立柱受力均匀或者，当立柱收到较高的力矩是能用一种装置平衡掉这个力矩。通过收集资料，我们找到在立柱上端对称位置设置配重腔加两条拖链来平衡掉向下运行时导致的力矩过大的问题。4.5 伺服电机的选择和安装方式数控机床进给系统用伺服电机是根据负载条件进行选择的，负载条件有二，负载转矩和最大切削负载转矩不得超过负载惯量。选择伺服电机应能满足（1） 最大切削负载转矩不得超过电动机的额定转矩折算到电动机轴上的最大切削负载转矩。（2） 电动机的转子惯量J应与负载惯量J相匹配，通常要求电动机的转子惯量J不小于负载惯量J。交流伺服电机最好满足：J是小于等于J的两倍。（3） 执行部件的快速移动转矩不得超过电机的最大转矩。根据所给加工中心的参数计算出J和J,合理选型。至此，VMC500型立式加工中心Z轴进给系统的设计已经全部完成。五、 进度安排：全部设计工作应在2月24号5月30号期间完成，其中：1. 开题工作：2月24日3月15日，完成文献综述、开题报告及外文翻译（2627日开题答辩）;2. 设计工作：3月1日4月30日，总体方案的论证及总装配图设计,完成本加工中心Z轴进给系统的设计包括装配图两张；3. 5月1日5月20日，完成论文的撰写和装订；4. 5月21日5月30日，设计资料（文字、图）输出，设计资料评阅，答辩准备（ppt）；5. 6月1日6月5日，毕业设计答辩。参考文献1. 吴祖育，秦鹏飞.数控机床（第三版）.上海科学技术出版社，2010（08）2. 现代实用机床设计手册 .现代实用机床设计手册编委会编. 北京：机械工业出版社3. 廉元国，张永洪编著 . 加工中心设计与应用 . 北京：机械工业出版社，19954. 孙桓.机械原理（第七版）.西北工业大学机械原理及机械零件教研室.2006 （05）5. 笋志强编. 机电一体化系统设计课程设计指导书 . 北京：机械工业出版 社,2007.56. 濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）.西北工业大学机械原理及机械零件教研室.2006 7. 孙景荣.实用焊工手册M.北京:化学工业出版社,20078. 朱学忠.焊工m北京:人民邮电出版社.20039. 肖金平,蔡厚品/机械设计基础M.南昌:江西高校出版社,2005.10. 王鹤,王海平,郑淑萍.对国内立式加工中心可持续发展之思考J.制造技术与机床,200911. 过庆明,常雪梅.如何在数控机床及给系