数控立车进给系统及其平衡结构设计—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 ： 数控立车 Z 轴进给系统及平衡结构设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： D 机加工 123 学 号： 231120522 学生姓名 马鑫 指导教师 刘桂芝 2016 年 3 月 日 本科毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 马鑫 学 号 231120511 专 业 机械设计制造 及其自动化 指导教师姓名 刘桂芝 职 称 研究院级高工 所在院系 工 业 中心 课题来源 课题性质 课题名称 数控立车 Z 轴进给系统及平衡结构设计 毕业设计 内容和意义 采用比较法、文本细读法、综合分析法进行 数 控立车 进给 系统 及其平衡 结构的设计。 使其达到对进给运动的速度及刀具相对位置实现自动控制，并且使平衡机构能促进改善立式机床 Z 轴 的运动性能。 毕业设计的具体内容： 1、 机械制图 a)制立式加工中心 Z 轴驱动装配图 1 号图 1 张 b)绘制其它零件 纸） c)绘制立式加工中心 Z 轴运动简图 ,纸折合 0 号 （约 15 个零件） 2、 设计计算 Z 轴 （ 惯量匹配 、 转矩匹配 ）计算， Z 向（ 进给力 、 滚珠丝杠预拉伸量 ）计算， Z 向传动机构的平衡量的计算 3、 技术经济分析 a)各零件成本分 析 b) 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（论文 ） 本课题研究的意义： 本课题对 数控立车 Z 轴进给系统及其平衡结构 进行了设计，其意义如下： 1、 了解了立式车床的发展方向与作用 2、 提升了我们独立思考、创新与动手的能力 3、 对自己四年所学知识进行了综合的运用与总结归纳 4、 让自己更加灵活的运用自己学习的知识 5、 提高了了自己的实际运用能力 文献综述 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。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高 1数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入 21 世纪，我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入 激烈的市场竞争的压力。从技术层面上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。而从国际上来说，代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统 2，从某种意义上来说，反映了一 个国家的工业发展水平状况。 2003 年我国机床消费额达到 67 3 亿美元，居世界第一位，其中数控机床占57 (37 5 亿美元 )。国内生产数控机床 3681 3 台 (产值约 10 4 亿美元 )创历史新高。 但是，我国数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有很大差距技术含量较低的简易数控车床仍占主导地位，高档数控机床及功能部件大多数依靠进口。特别应该引起注意的是国产数控机床市场占有率逐年下降， 1 999 年是 33 6， 2003 年仅占 27 7，而进口额逐年上升， 1999 年为 8 7 8 亿美元 (7624 台 )， 2003 年达 27 1 亿美元 (23320 台 )，相当于同年国内数控机床产值的 2 7 倍。因此，尽管当前市场活跃、需求旺盛如果只顾眼前生产，不了解国外数控机床的发展趋势，提高自主开发能力，积极培育新产品那么在高潮过去以后，我国的机床工业将更加缺乏竞争力，有可能在家门口就被人家打得一败涂地。 3 随着新材料和新工艺的出现，对数控机床的要求越来越高，例如，铝合金的广泛应用，高速加工数控机床就成为当前的热点。数控机床的发展趋势是什么它有那些主要特征我认为，应首先满足用户以下要求： 1、精度和可靠性高，机床的性能是稳定的， 能够在不同运行条件下完成多种加工任务、并能够”保证“零件的加工质量而不是依靠加工后的检验工序。 2、工序集约化，在一台机床上尽可能加工完毕一个零件的所有工序，同时又保持机床的通用性，能够迅速适应加工对象的改变。 3、机床的信息化和智能化加工设备不仅提供”体力”，也有“头脑”能够独立自主地管理自己，并与企业的管理系统和人通信从而使企业管理人员和操作者、供应商和用户能够随时知道机床的状态和加工能力。 4、机床的效率高、运行成本低，环境污染少，人机界面友好。 3 数控车床几何精度主要包括主轴回转运动精度、线性 轴直线运动精度。 主轴轴承精度等级、主轴支承轴颈的圆度误差、主轴前后支承的同轴度误差、主轴箱体与主轴轴承系统的刚性、主轴及随其回转的零件的不平衡、主轴箱装配质量及主轴回 文献综述 转过程中热变形等因素影响了主轴的几何精度。机床床身底座刚性和动态特性一负荷切削下机床抗变形能力，导轨布置形式、导轨自身的几何精度、导轨润滑条件等因素影响了线性轴直线运动精度。 T 16462 4 2007 之线性轴定位精度是指在该轴行 程内任意 1 个点定位时的误差范围，它综合反映了机床存在的几何误差、运动误差、热变形误差等，它与机床的几何精度共同对机床切削精度产生重要的影响，是数控车床最关键的技术指标。线性轴重复定位精度，反映了该轴在行程内任意定位点的定位稳定性，这是衡量该轴能否稳定可靠工作的基本指标。影响数控车床位置精度主要有丝杠的导程误差、传动链的反向间隙误差、导轨的摩擦阻尼、滚珠丝杠轴系的装配精度、伺服电机的惯量匹配等因素。数控车床的电机、液压泵、卡盘油缸等连续运转的部件在运动过程中摩擦产生的热量会引起机床结构件的温度产生波动。一方面 ，这些结构件会因温度变化产生线性尺寸的膨胀或收缩；另一方面，由于零件结构的不对称性，在内部热应力的作用下，必然出现结构的扭曲变形。结构件热变形也是影响数控车床位置精度的一个重要因素。只有提高数控车床的几何精度和位置精度，其工作精度才有可能得到保证。数控车床工作精度不仅与机床自身静态精度有关，还与伺服系统跟踪误差、位置检测误差、刀具系统的位置误差、工件装夹误差有关。另外，加工工艺的合理性，操作者的编程水平也影响到零件加工的稳定性。因此，数控车床工作精度是一个综合影响的结果 4。 数控机床的进给运动是数字控制 的直接对象，机床的定位精度和轮廓加工精度都会受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，数控机床对进给系统中的传动装置和元件要求具有高的寿命、高的刚度、无传动间隙、高的灵敏度和低摩擦阻力的特点。 5 数控车床的进给运动方式和结构特点与普通车床、自动和半自动车床截然不同。它只用于伺服电动机（直流或交流）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 6。 车床的进给系统经实际使用、检验，效果良好，满足国家对普通车床的精度要求；能够方便的控制进给，实现数控，达到控制加工零件的形状 。通过必要的方法，包括上述的抗干扰方法，能有效的消除干扰，得到稳定的进给系统 7。 伺服电机便于控制、工作可靠、使用方便，将伺服电机用于车床的进给系统，达到方便地对横向、纵向进给进行控制，对于现实普通车床的自动化，提高其加工的精度和生产加工效率，减轻工人的劳动强度，有着非常重要的意义 8。滚珠丝杠是数控机床的一个主要部件，因其具有精密、高效的传动特点而被广泛使用。滚珠丝杠作为传动元件，其轴向刚度直接影响了数控机床的定位精度及机床的整体性能。滚珠丝杠系统的传动部分通常由伺服电动机与滚珠丝杠直连，或者由伺服 电动机经 文献综述 齿轮或同步带减速后再滚珠丝杠相连。滚珠丝杠的轴向刚度对数控机床进给系统的轴向定位精度有很大的影响，丝杠刚性不足会影响到加工工件的尺寸精度甚至导致加工缺陷。设计时需要考虑在不同的应用情况下选择合理的滚珠丝杠安装方式 9。 随着数控车床进给运动方式的不同，控制形式的不同，数控机床对伺服系统设计要求也有所不同。对于点位控制的机床，主要应满足定位精度，尽量减少定位所需时间。而对于轮廓控制的机床，除了要求具有较高的定位精度 外，尤其重要的应保证具有良好的动态响应特征 10。 通常，数控车床对伺服系统的设计基本要求为：定位精度要高，跟踪指令信号的响应要快；系统的稳定性要好。反映在伺服系统性能指标上，即稳定性、精度和快速响应特征 10。 影响整个伺服系统精度的因素除了伺服驱动单元和电动机外，也在很大程度上机械传动机构。因此，为保证进给伺服系统的准确性，以达到较高的定位精度指标，特别要求机械机构的传动间隙小、摩擦阻尼小。为此，对进给系统的机械传动要求提出以下要求。 1）减少摩擦阻尼 2）提高传动精度和刚度 3）消除传动间隙 4）减小运动 惯量 5）宽的进给调速范围 6）响应速度要快 7）稳定性好、寿命长 8）使用维护方便 11。 立式机床的主轴部件与垂直运动部件通常设计为一体。向下运动时的驱动力与重力方向一致，向上运动时的驱动力与重力方向相反，如果不消除重力的影响，不仅影响部件的运动平稳性，而且影响机床加工精度的保持性，同时可能会导致在一定工况条件下，对运动部件、刀具，工件、产生破坏性的危害。虽然现代立式数控机床的传动部件及驱动部件的性能有了极大的提高，运动部件的重力对驱动部件及传动部件的影响越来越小，但是目前的立式数控机床大多采用滚珠丝杠传动， 而滚珠丝杠基本无自锁，当控制系统失电时，运动部件会因重力而下滑，这是不容许的。因此，在分析现有平衡机构的基础上，提出的平衡机构创新设计方案是一种新的独特的垂直运动部件平衡即时同步机构 12。 参考文献： 1、 易红 北京：机械工业出版社， 2005 2、 吴祖育 上海：上海科学技术出版社， 1989： 203、 张曙 机电产品开发与创新， 2005， 5： 7、 喻湘存 ,熊曙初 北京：清华大学出版社， 2006 5、 全国数控培训网络天津分中心组编，数控 机床（第二版） 械工业出版社， 、 王爱玲等主编 北京：国防工业出版社（第二版）， 献综述 7、 陶晓杰 制造业自动化， 2000， 22（ 9）， 2 8、 孙宏成，易广建，静毅 004， 3： 1、 宋威 014,10:10、 文怀兴，夏田 机床设计实践指南 学工业出版社， 1、 熊军 北京：人民邮电出版社， 2、彭云平，李莉敏 2009（ 3） 研究内容 数控立车 Z 轴进给系统是机床在加工时直接带动刀具做直接运动的进给机构。本论文先从国内外数控机床的发展现状以及新趋势开始阐述，引到我国数控机床面临的挑战及发展机遇，并提出 发展方向 。进而对数控车床 进给 系统进行研究。主要从它的设计要求， 结构部件 ， 影响刚度，精度和动态性能的因素，伺服系统的分析，材料的选择， 进给 的特点以设计方面的注意点等方面进行分析研究。 研究计划 第 1 周 (搜集资料，学习文献，参观工场，学习国家标准 第 2 周 (提出思路和方法，完成技术路线、方案、要完成的任务 第 3 周 (成开题报告及外文材料翻译 第 4 周 (完成装配图草图设计，绘制进给系统运动简图 第 5 周 (完成 Z 轴的各项计算 第 6 周 (滚珠丝杠预拉 伸计算、平衡系统的配重确定、装配图设计 第 7 周 (业设计中期检查 第 8 周 (行零件图计算机绘图 第 9 周 (完成零件图计算机绘图 第 10 周 (各零件及课题成本分析，件成本及课题成本计算 第 11 周 (修改论文并定稿 第 12 周 (修改论文并定稿 第 13 周 (论文评审及答辩资格确定 第 15 周 (毕业设计（论文）答辩 第 16 周 (整理资 料存档 特色与创新 本论 文 特色与创新如下： 数控加工技术的应用是机械制造业的一次技术革命