数控车床X轴进给系统结构设计-开题报告

南京工程学院工 业 中 心本科毕业设计（论文）开题报告题 目 ： 数控车床 X 轴进给系统设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： D 机加工 122 学 号：学生姓名： 指导教师： 2016 年 3 月 2 日本科毕业设计(论文) 开题报告学生姓名 学 号 专 业 机械设计制造及其自动化指导教师姓名 职 称研究员级高级工程师所在院系 工业中心课题来源 D.自拟课题 课题性质 A.工程设计课题名称 数控车床 X 轴进给系统设计毕业设计的内容和意义 采用文献分析法、类比法等方法进行数控车床 X 轴进给系统的设计，使 X 轴获得更好的稳定性，准确的 X 轴进给系统能提高系统的稳定性，该部件的性能直接影响工件的加工质量和切削生产率,是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。毕业设计的具体内容：1、调研并熟悉课题及有关资料，写出开题报告。2、设计要求：机械制图、设计计算3、技术经济分析：各零件成本分析、课题成本计算4、翻译有关外文资料5、撰写毕业设计说明书本课题研究的意义：本课题对数控车床 X 轴进给系统进行了设计，其意义如下：1.随着数控车床的高速发展，以高速、高精、高可靠性、环保等方面为基础，制造出更好的数控车床，一台好的数控机床需要一个好的 X 轴进给系统，确保稳定的横向进给。2.X 轴进给系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。进行这一设计主要是为了进一步地提高数控车床横向进给机构的定位精度、重复定位精度。该部件的性能直接影响工件的加工质量和切削生产率,是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。3.一开始对于这个课题是陌生的，通过找资料、咨询老师、询问同学等方法，归纳关于数控车床 X 轴进给的资料，提高了自己的查找能力，阅读能力。4.四年来，我学习了很多专业课，对于其中的专业知识有些是掌握的不牢靠，通过这次毕业设计，丰富了自己，提高了自己。本次毕业设计的宗旨也是让我自己觉察到自己的不足，遇到问题自己要分析问题，咨询老师。本次设计也综合考查了我运用所学知识进行发现问题、分析问题和解决问题的能力。文献综述一、引言从 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。随着计算机技术和现代设计技术的飞速发展以及装备制造业对数控机床的大量需求，数控机床的应用范围在不断扩大并不断发展以更适应生产加工的需要。“十二五”是国产数控机床发展的一个新机遇期，全球已经走出金融危机造成的经济最困难时期，国内需求拉动的效果非常明显。“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项已全面启动和实施。 数控车床是在数控机床中占有比例较大、自动化程度较高、结构较复杂的先进加工设备，因此有必要了解数控车床技术发展现状和趋势，为进一步促进我国数控车床的发展、提高我国数控车床技术水平做好准备 1。二、数控机床的发展趋势1.高速化、高精度化、高可靠性高速化:提高进给速度与提高主轴转速。 高精度化:其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(高可靠性:一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束 2。2.复合化数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。3.智能化、网络化智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化;为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化;简化编程、简化操作方面的智能化;还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。4.柔性化、集成化当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是:从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛 FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。5.复合化机床复合化程度越来越高，一台复合式机床就相当于一条生产线。6.重视新技术标准、规范的建立英文期刊文章引用：作者. 题名. 期刊名, 出版年份，期号：起止页码文献综述三、数控机床国内现状及不足我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得了很大的发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。据统计，目前我国可供市场的数控机床有1500 种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。这标志着国内数控机床已进入快速发展的时期 3。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在 800010000r/min 以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用 CAD 等技术，很多企业已开始和计划实施应用 ERP、MRPII 和电子商务。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了 5-10 年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了 10-15 年。同时我国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，我国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展 4。国内现状的不足组要体现在以下四个方面1.缺乏政府相关政策的引导。我国数控机床产业化低，与国外发达国家数控机床产业相比仍有很大差距。2.先进技术引进却未消化。国外技术重引进、轻消化吸收的问题仍很突出。要注重国外先进技术的引进、消化、吸收与自主创新能力提高的有机结合。3.缺乏高素质专家人才。严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；缺乏吸引高层次、高素质人才创新创业的环境，造成数控机床领域共性关键技术的持续创新能力不足。美、德、日三国是技术最先进、经验最多的国家。美国的特点是网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。4.产学研相结合体系未形成适应市场经济需求的以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系尚未形成，无法有效整合相关技术、产业和资源优势，形成合力开展联合攻关，共同打造技术创新平台。数控机床的机械结构设计、制造的配套环节、集成技术和制造工艺等方面比较落后。据统文献综述计，我国大型高性能超精机床每年生产不足千台，不到德国、日本的 1/205。四、数控机床国外发展现状1.高速高精与多轴加工成为数控机床的主流，纳米控制已经成为高速高精加工的潮流。2.多任务和多轴加工数控机床越来越多地应用到能源、航空航天等行业。3.机床与机器人的集成应用日趋普及，且结构形式多样化，应用范围扩大化，运动速度高速化，多传感器融合技术实用化，控制功能智能化，多机器人协同普及化。4.智能化加工与监测功能不断扩充，车间的加工监测与管理可实时获取机床本身的状态信息，分析相关数据，预测机床的状态，提前进行相关的维护，避免事故的发生，减少机床的故障率，提高机床的利用率。5.最新的机床误差检测与补偿技术能够在较短的时间内完成对机床的补偿测量，与传统的激光干涉仪相比，对机床误差的补偿精度能够提高 34 倍，同时效率得到大幅度提升。6.最新的 CAD/CAM 技术为多轴多任务数控机床的加工提供了强有力的支持，可以大幅度提高加工效率。7.刀具技术发展迅速，众多刀具的设计涵盖了整个加工过程，并且新型刀具能够满足平稳加工以及抗振性能的要求。五关于数控车床的传动精度数控机床的加工精度最终要靠机床本身的精度来保证,数控机床精度包括几何精度、定位精度、重复定位精度和切削精度。几何精度,又称静态精度,是综合反映数控机床关键零部件经组装后的综合几何形状误差。数控机床几何精度检验使用的检验工具和检验方法类似于普通机床,但检测要求更高。定位精度,是表明所测量的机床各运动部位在数控装置控制下,运动所能达到的精度。根据实测的定位精度数值,可以判断出机床自动加工过程中能达到的最好的工件加工精度。重复定位精度,是指在数控机床上反复运行同一程序代码所得到的位置精度的一致程度。切削精度,是对对机床的几何精度和定位精度在切削加工条件下的一项综合检查。上述精度主要由数控系统和机床生产厂家在生产制造过程以及机床安装调试过程中予以保证,但数控机床的定位精度和重复定位精度会随着机床的使用而发生较大的变化,因此在机床的使用过程中,定期或在有必要的时候对定位精度和重复定位精度进行检验是数控从业人员必须掌握的技术。笔者提出了一种在生产实际中应用方便而且能够完全满足检验要求的定位精度和重复定位精度检验方法 6。文献综述6.数控车床的进给要求数控车床的进给传动方式用于伺服电动机驱动，通过滚珠丝杠带动刀架完成纵向（Z轴）和横向（X 轴）的进给运动 7。1.提高传动部件的刚性 数控机床的直线运动定位精度和分辨率必须达到微米级，回转运动的定位精度和分辨率必须达到角秒级，伺服电动机的驱动转矩，尤其是起动、制动时的转矩也很大。假设传动部件的刚度不强，一定会使传动部件发生弹性变形，影响系统的定位精度、动态稳定性和响应快速性。而加大滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠螺母副、支承部件进行预紧，进行预拉伸等，均为提高传动系统刚度的有效办法 8。2.减小传动部件的惯量 驱动电动机，传动部件的惯量直接决定进给系统的加速度，这是影响进给系统快速性的主要原因。尤其是高速加工的数控机床，因为对进给系统的加速度要求比较高，所以，在满足系统强度和刚度的条件下，要减小零部件的质量、直径，以降低惯量，提高快速性 9。3.减小传动部件的间隙 在开环、半闭环进给系统中，传动部件的间隙直接影响进给系统的定位精度；在闭环系统中，它是系统的主要非线性环节，影响系统的稳定性，所以，要采取有效措施消除传动系统的间隙。消除传动部件间隙的措施是对齿轮副、丝杠螺母副、联轴器、蜗轮蜗杆副以及支承部件进行预紧或消除间隙。而采取措施后将可能增加摩擦阻力，降低机械部件的寿命，因此，必须统筹各种因素，使间隙减小到允许范围。4.减小系统的摩擦阻力 进给系统的摩擦阻力会降低传动效率，产生发热；同时，它还直接影响系统的决速性；因为摩擦力的存在，动、静摩擦系数的变化，会导致传动部件的弹性变形，产生非线性的摩擦死区，影响系统的定位精度和闭环系统的动态稳定性。采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、直线滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等高效执行部件，能减少系统的摩擦阻力，提高运动精度，避免低速爬行 10。通过提高传动部件的刚性，如加大滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠螺母副、支承部件进行预紧，进行预拉伸等，均为提高传动系统刚度的有效办法，再通过滚珠丝杠预拉伸的计算得出更加精确数值，保证刚性。通过减小传动部件的惯量，传动部件的惯量直接决定进给系统的加速度，这是影响进给系统快速性的主要原因，再通过惯量匹配的计算，得出精确地惯量匹配数值，一般来说，惯量越小越好。通过减小传动部件的间隙增加阻力，降低机械部件的寿命 11。通过减小系统的摩擦阻力，摩擦力会影响系统的定位精度和闭环的动态稳定性，通过转矩匹配的计算，用来克服导轨摩擦、传动摩擦、机械切削力以及重力的作用，提高运动精度。文献综述参考文献1、罗学科,谢富春.数控原理与数控机床M.北京:化学工业出版社, 2004.2、王爱玲.现代数控机床.北京：国防工业出版社，20033、权秀敏，尹显明.数控技术发展趋势，西南科技大学制造学院.北京：新技术新工艺，2007（6）.4、丁学生.我国数控车床现状和发展.北京.中国机床工具，2006,115、2020 年的中国制造技术发展研究.北京：先进制造技术动态，2004（4）6、李郝林，方键编.机床数控技术.北京：机械工业出版社，20037、朱正伟.数控机床机械系统.中国劳动社会保障出版社，20058、冯琪林.综述数控机床对进给伺服驱动的要求.中国科技信息，2005（23）9、胡秋.数控机床伺服进给系统的设计.机床与液压，200410、李宏胜.机床数控技术及应用.北京.高等教育出版社，2001.11、Herbert SB. Method used to salvage warehouse subjected to severe settlement and practice J. Periodical Structure and Construction, 1997,02研究内容1.X 向进给系统设计方案设计2.尺寸设计通过设计计算得出a) X 轴向惯量匹配的计算b) X 轴向转矩匹配的计算 c) X 向进给力的计算d) X 向滚珠丝杠预拉伸量的计算3.支撑在机床进给伺服系统设计中，都存在着对滚珠丝杆传动进行设计。对于本次设计选用滚珠丝杆，滚珠丝杠具有摩擦小，传动效率高；传动灵敏、不易产生爬行、定位精度高等。由于丝杆主要承受轴向力，所以大多采用推力轴承作支承。4.绘图通过计算后得出的结论，拟画图纸，计算机绘制课题装配图、零件 CAD 图、绘制 X轴传动简图研究计划研究周期与时间安排毕业设计起止日期：3.026.12（第 1 周第 15 周）第 1 周 (2.22-2.26) 收集资料，学习有关书籍文献，参观工厂，搜集设计过程中所要遵照的有关国家标准并进行学习第 2 周 (2.29-3.04) 提出完成课题的基本思路和方法，暨完成该课题所采用的技术路线、方案，要设计和完成的任务完成第 3 周 (3.07-3.11） 开题报告及外文材料翻译第 4 周 (3.14-3.18) 完成装配图草图设计，绘制进给系统运动简图第 5 周 (3.21-3.25) 完成 X 轴向惯量,转矩,匹配的计算和 X 向进给力,X 向滚珠丝杠预拉伸量的计算