开题报告-龙门式木门加工中心设计.doc

毕业设计方案毕业设计方案题 目 龙门式木门加工中心设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自1215 学 生 学 号 指导教师 二一六年四月五日 - 8 -济南大学学院 机械工程学院 专业 机械工程及自动化 学生 林海琳 学号 20120421193 设计题目 龙门式木门加工中心设计 一、选题背景与意义木门的强大市场需求和木门加工技术的现代化促进了中国乃至世界木门产业的发展。木门产业是我国的传统产业之一，自20世纪50年代以来，逐步从手工生产转化为机械化生产。在新材料应用、功能款式、功能化等方面都有了长足的进步。2011年，我国木门产值已达800亿元，无论产量还是产值都居世界首列。虽然我国木门加工形成了一定的规模，但目前国内的木门加工设备相对滞后，具有一定的发展空间。一种数控机床，不仅自带刀库还自带换刀装置，还可以在工件在进行装夹后再对工件进行加工，这种数控机床就是加工中心。加工中心，作为一种比较高端的技术产品，它综合了机械有关的技术、控制理论、电子电工有关技术还有计算机相关技术等技术，可以满足机床对加工工件数种加工方式，使得一件工件在加工中心上可以直接达到人们所需要的形状和要求。加工中心，是将传统的铣、钻、镗综合为一体的综合型加工机床。龙门刨床是机械工业的主要工作母机之一，在工业生产中占有重要的位置。其电气控制系统包括工作台的主传动和进给机构逻辑时序控制两大部分。龙门刨床工作台的行程控制多采用传统的继电器、行程开关控制方式来实现，该方式存在着故障率高、接线复杂、灵活性小、检修不方便等缺点。这对加工性能及成本有很大的影响，有的甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用。但是，目前部分中小型企业及高校仍广泛使用这种传统的继电器控制机床。在资金紧张的情况下，更新机床是不太现实的。因此，对龙门刨床加工性能和要求进行分析研究，设计一套低成本高性能的控制方案，应用于实践，可最大限度发挥龙门刨床的加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对老式龙门刨床的改造提高有很大的实际意义。1. 现在木门发展状况中华人民共和国成立六十年来，随着生产技术的不断进步，各种新型建筑材料的不断问世，我国在引进国外先进技术和新材料的同时自主研发了各种新型门，并成功进入市场。与国外门业的发展趋势类似，中国现代门业也经历了现代木门、钢门、铝合金门、塑钢门、木雕门几个发展阶段。现代使用的实木门多为平口平开，样式朴实，门多为夹板门和镶板门，材料除实木外，部分还采用细木工板、指接板、胶合板、纤维板等各种人造板。进入21世纪后，这种现代实木门逐渐形成市场的主流。从我国古代木材加工工具的发展历史看,在中华人民共和国成立前,实木门的加工绝大多数为传统的手工工具加工,即使用锛、凿、斧、钻等手工工具加工。直到20世纪80年代，小型木工多用机床的兴起,才使中国的木匠从传统手工工具加工木材转为机械化加工木材，不仅提高了工作效率和工作精度，而且减轻了劳动强度，极大地解放了生产力。这一时期我国木工机械制造行业每年都要生产几十万台小型木工多用机床。随着我国科学技术的不断发展，木工机械制造行业于世纪90年代初开始研制数控设备。随着数控镂铣机的研制成功，实木门五金件槽孔的加工进入到了数控化加工时代。21世纪以来，我国木工机械制造行业的众多企业推出了各种各样的实木门加工设备。我国数控木门加工设备在这十几年中得到了很大的发展和完善。+2. 国内外在该方向的研究现状及分析 上世界60年代在龙门刨床上广泛使用的是JF-D调速系统，目前该系统在国有大中型企业仍然占有相当大的比重，但是JF-D型的龙门刨床的电气控制系统存在很多问题。上世界80年代的时候，许多企业对龙门刨床进行了电气改造，用了晶闸管-直流电动机（SCR-D）模拟直流调速系统取代了JF-D调速系统。但是该系统的主要问题是；众多功能单元之间接插件过多，接插件的触点容易出现接触不良的故障，影响了系统的可靠性，造成了维护和检修难度比较大。1990年左右，半导体和计算机技术的不断的发展和完善，工业先进国家研制出成套的全数字晶闸管直流调速装置，并成功地应用在工业实践中。全数字直流调速系统存在问题是低速性能不好，所有电气参数都是英文显示，对电气维护人员的技术要求大大提高。1996年左右，由于变频器性能的不断完善和推广，尝试将变频器运用于拖动系统，将PLC和变频器成功地应用于龙门刨床，是龙门刨床的电气性能和各项技术指标都得到了极大的改善。二、设计内容本课题在广泛的调研的基础上完成了三轴联动龙门木门加工中心机械系统和控制系统的设计。龙门木门加工中心主要作用于木门加工中的雕花等的加工，简单介绍了国内木门加工的发展以及木门加工的现状。首先介绍了本次设计的总体方案，接着对系统的运动方式进行了确定。接着是对电机的选择，以及一些元部件的设计选用。列如对齿轮的选用设计，传动中的滚珠丝杠的设计选用。在这次设计中，动力头采用的是自带动力的动力头，其相关根据是来自进给系统中的进给电机相关参数和传动系统中滚珠丝杠的相关参数以及工作台的装配来选择的。最后对整个系统的结构设计如机床床身，工作台，横梁，主轴箱等进行了讨论。机械系统设计包括总体布局、加工原理、主轴与主传动系统、进给系统以及整个加工中心的结构设计。其中各个部件严格按照各个参数指标进行计算与校核,在保持机床高效率、高精度、外观优美、体积小巧、操作简单等优点的前提下进行设计。1.1工作台的设计工作台是一个机床中重要的加工表面，工作台对加工过程有重要影响，一般的工作台是塑胶包皮的，既平整又坚固，也不容易损坏和变形，塑胶的外部结构使得工作台具有比较强的抗冲击性，不用担心在加工的过程中出现工作台大面积损坏而致使加工不能继续的现象，只要定期的去检查便可以一直使用。1.2床身的设计机床的支撑部件中首选的就是床身，机床床身是一个机床最重要的支撑结构，它不仅能起到承受各种零件对机床本身的压力，还能承受加工时产生的各种方向的力，使得加工过程可以正常进行不受影响，所以说床身是一个机床最重要最基础的部件。一个床身的性能的高低还能影响机床另外的很多性能的高低，举个例子来说，如果一个机床的床身结构比较优越，对于加工时的动态响应性能好，这样这个机床加工工件的精度与效率也必然高，稳定性也会根据床身的动态性能随之而提高。所以在日常的生产加工中，想要提高机床加工工件的稳定性、精确度以及加工效率，在设计机床时通常使床身具有较好的动态性能和在静态时能承受较大的刚度的结构。在这次设计中，机床的床身采用龙门式框架结构，基本部件由横梁、立柱等组成。沿Z轴上下移动的刀具对木门进行加工的位置由另外两个方向轴的运动来确定，一个是X轴方向横梁沿导轨运动，另外一个方向是Y轴上主轴箱沿横梁运动，这样便可以确定对木门的加工位置，最后是刀具沿Z轴上下移动便可以任意的加工木门以适应不同的加工要求。1.3电机的选择本次设计中根据设计要求的功率，结合相关资料的查询，从而确定X Y Z三轴的电机。1.4滚珠丝杠滚珠丝杠是本次设计中的一个主要的设计对象，作为一种可以将回转运动和直线运动相互转化的传动部件，其重要作用不仅仅是具有比较小的摩擦阻力可以实现一定速度的进给运动，它还可以大大的增加整个加工中心传动的效率以及准确定位。所以一定程度上还可以提高加工工件的精度，对于滚珠丝杠本身来说，其本身通过增加预压来提高轴向刚度所以提高了系统本身的性能，使得加工中心寿命更长。1.5材料方面导轨部分的设计是必不可少的。一般情况下，导轨与床身是相连为一体的，导轨的要求不同，床身所选择的材料也应随之改变，床身则是由所选择的材料焊接组成的。通常床身材料的选择有灰铸铁，因为铸铁不仅是一种比较容易加工和铸造的材。对于加工过程的振动性，铸铁本身也是具有相当的减震效果的，在硬度和耐磨性上，铸铁更是材料中的首选。所以，机床的床身部分的材料通常选用机械方面各种性能都比较优良的HT250。三、设计方案我在本次设计中对龙门木床加工中心进行了整体设计。1机床的总体布局 加工中心的简要图如下，以下便来介绍加工中心总体的布局： 图上加工中心结构图 加工中心的左右方向是X轴的移动方向，本设计中采用的龙门框架是横梁式的，架在床身之上，在床身的两侧联接固定。以下来分别介绍每个方向怎么实现进给运动的，一个是X轴，也就是主轴，电机带动滚珠丝杠然后带动工作台在床身前后来回移动，实现这个方向的进给运动。在Y轴方向，滑枕带动一系列结构在横梁上左右来回移动，实现了Y轴方向的进给运动。最后是Z轴方向，主轴箱随着滑枕上下移动实现了Z轴方向进给运动，也就是实现了加工工件的整个运动过程。1控制方式 在数控系统的控制方式中包括两种，一种是连续控制运动方式，一种是点位控制运动方式，两者相比都有其各自的优缺点，所以，在选用控制系统运动方式的时候要结合生产要求再决定采用什么控制方式来进行加工。连续控制运动方式，顾名思义，就是在加工的过程中能实现一系列连续的加工，不用逐一的去分别控制运动。但是，连续控制运动方式要求刀具和坐标轴之间相当精确的运动关系，这一点不是容易实现的。所以虽然比较智能，但是对数控机床要求比较高。点位控制运动方式，虽然只能实现一个位置到另外一个位置的移动，但是这一移动过程是相当精确的，速度相对于连续控制运动方式也是比较快的，这一点也是这一方式比较突出的一个优点。在本次设计中，由于要求的是快速精确的定位，不需要一次性实现整个加工，所以，本次的龙门式木门加工中心设计采用的运动方式是点位控制运动方式。2控制系统 控制系统在传统意义上可以分为两种，一种是开环控制系统，没有反馈控制系统不能根据相应的输出对输入进行调整，故因此也没有补偿或者修正的功能，精度也相对于闭环控制系统来说也比较低，但是结构简单，对于维修人员要求也比较低，在一些不需要反馈检测和高精度的场合，开环控制系统是一个比较好的选择。另一种控制系统是闭环控制系统，其优缺点基本和开环控制系统相反，闭环控制系统具有较高的精确度，具有反馈控制系统，能实现实时监测输出量，并能根据输出量的改变来对输入量进行调整，但是闭环控制系统中环节调试比较复杂，如果一旦一个环节出现错误就会影响整个系统的工作，对于相关的维修人员的技术水平也要求比较高，故这种系统一般用于对精确度要求比较高，且必须有反馈检测并实施实时控制与补偿相应误差的场合，费用上闭环控制系统也一般比开环控制系统高。所以在实际的生产和生活中，从很多方面综合考虑再决定采用什么样发控制系统。在本次的设计中，设计的龙门式加工中心是加工对精度要求比较低的木门结构，一般精度就能满足要求，故在这次设计中采用开环控制系统作为控制系统，开环控制系统整体结构也比较简单，调整起来比较方便，费用的花费上也比较少，是比较理想的方案，在选用电动机方面，经过考虑决定选用伺服电机作为系统的电机，来反馈加工过程中木门的加工程度与余量。3 导轨 导轨多用于需要作直线往复运动的执行器。导轨的运动性能在低速时要求平稳、无爬行、定位准确，高速时要求惯量小、无超调或振荡。导轨的精度、承载能力和寿命对系统的精度、承载能力和寿命有直接影响。按轨面摩擦性质可将导轨分为滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨、气浮导轨、磁浮导轨。滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：（1） 定位精度高；（2） 降低机床造价并大幅度节约电力 ；（3） 可提高机床的运动速度 ；（4） 可长期维持机床的高精度；因此本次设计选用滚动导轨导向。四、参考文献1张建润，卢熹，孙庆鸿，彭文，姚树健.五坐标数控龙门加工中心动态优化设计.中国机械工程,2005,16(21):1949-19532倪向阳，张建润，彭文.高架桥式五坐标龙门加工中心整机动特性分析.精密制造与自动化,2005(1):24-263彭文，倪向阳.五坐标龙门加工中心动特性分析与振动控制.制造技术与机床,2006(2):61-634倪向阳.龙门加工中心结构动力学建模与优化设计研究.东南大学,20055刘芳，杨庆东，刘国庆.龚国庆.高速龙门加工中心GMC3000动态特性的有限元分析现代制造工程.2007(3):113-1166关英俊，母德强，赵扬.任利利.GMCU2060龙门加工中心横梁结构有限元分析机床与液压.2011,39(11):131-1347王延忠，闫涵，周元子，李秀琴，刘景袆.龙门加工中心主轴系统热态特性分析机床与液压,2008(5):16-188孙宜标.郭庆鼎龙门加工中心的模糊自学习交叉耦合补偿控制.沈阳工业大学学报.2004,26(1):47-509杨彩芳，殷国富.苏龙龙门加工中心立柱性能分析与拓扑优化设计组合机床与自动化加工技术.2013(2):50-5310丁长春，殷国富，方辉.徐德炜龙门加工中心立柱静力学分析与结构优化设计方法机械设计与制造.2011(3):3-411王宪，徐增豪，余为民.韦连山大型龙门加工中心工作台进给系统设计机械制造.2007,45(10):3-512徐晓滨.高架桥式龙门加工中心滑台结构的动态优化设计组合机床与自动化加工技术.2007(5):61-6313郑佳明.高架桥式高速五坐标龙门加工中心动力学仿真研究.东南大学.200614刘士玉.五轴联动龙门加工中心现状与发展策略制造技术与机床.2008(8):37-4015季彬彬，张森，杨玉萍，邱自学，刘传进.GMF3022龙门加工中心横梁的模态及谐响应分析组合机床与自动化加工技术,2013(10):36-3816S Z