开题报告-新一代数控机床结构的演变及创新发展初探

学院毕业论文开题报告学生姓名学号系别机械工程系专业机械设计制造及其自动化论文题目新一代数控机床结构的演变及创新发展初探指导教师2013年03月20日毕业论文开题报告1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述文献综述一数控机床的发展历程1数控机床的诞生数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司（PARSONSCO在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（SERVOMECHANISMLABORATORYOFTHEMASSACHUSETTSINSTITUTEOFTECHNOLOGY合作，开始从事数控机床的研制工作。经过3年时间的研究，于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。其数控系统全部采用采用电子管元件，数控装置体积比机床本体还要大。后又经过3年的改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。直到20世纪50年代末，由于价格和技术上的原因，数控机床仅局限在航空工业中使用，品种也多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。12数控机床结构的发展21电主轴主轴部件是机床的心脏，是保证机床工作精度的关键部件。传统机床主轴的驱动方式是电机轴线和主轴的轴线互相平行，电机通过皮带或齿轮间接地驱动主轴。近年随着高速加工的应用，传统的主轴间接驱动方式开始不能满足数控机床性能的求。由于当主轴转速提高到一定水平后，传动皮带开始受离心力的作用而膨胀，传动效率急剧下降，传动齿轮的发热和噪音问题也开始变得严重。于是一种新型功能部件电主轴的出现，从根本上解决了主轴直接驱动的问题。电主轴是将电机的转子和主轴集成为一个整体。中空的、直径较大的转子轴同时也是机床的主轴，它有足够的空间容纳刀具夹紧机构或送料机构。典型的数控加工中心的电主轴结构如图1所示。电主轴有许多优点它可以实现很高的转速和大范围的速度调节；动态响应表现优异；电主轴的结构紧凑，大大减少机床设计和装配调试的工作量。2图1电主轴结构图高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速机床的核心部件。从目前发展现状来看，主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方便地配置到多种加工中心及高速机床上，而且越来越多地采用电主轴类型。电主轴技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具动平衡等。高速大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴，这种结构基本上取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节，其主轴由内装式电机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的“零传动”。这是一种由内装式电机和机床主轴“合二为一”的传动形式，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴（BUILDINMOTORSPINDLE），或称高速电主轴（HIGHSPEEDMOTORIZEDSPINDLE）高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改善主轴的动平衡，减少振动和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。在高速主轴单元中，由于机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度的要求。另外，高速机床主轴单元的动态特性也在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。当切削过程出现较大的振动时，会使刀具出现剧烈的磨损或破损，也会增加主轴轴承所承受的动载荷，降低轴承的精度和寿命，影响加工精度和表面质量。因此，主轴单元应具有较好的抗振性。高速运转下，主轴单元的振动问题是非常突出的，采用电主轴是最佳的选择。电主轴系统有三项性能指标是非常重要的，即使用寿命、主轴前端径向刚度和临界转速。早在20世纪50年代，就己出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。随着高速切削发展的需要和功率电子器件、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器；加上混合陶瓷球轴承的出现，使得在20世纪80年代末、90年代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。322驱动系统221滚珠丝杠传动丝杠螺母机构是最古老的机械传动副之一，丝杠螺母传动副具有驱动力矩放大和自锁特性，因此自从机床出现以来，就广泛用于驱动机床的各种移动部件，以实现刀具或工件的进给运动。早期数控加工机床的配置、技术规格、操作方式、工艺要求等均沿袭传统机床，只是利用计算机控制伺服电机的转动，代替手轮或电机的旋转运动，机床驱动方式并没有发生根本的变化。然而，由于传统的丝杠螺母副是滑动摩擦副，传动效率低下、改变运动方向时存在间隙等缺点就明显地暴露出来，成为数控机床进一步发展的瓶颈。因此，需要发展新一代的、高效和高精度的直线驱动装置来满足数控机床对加工精度和效率的要求。图2早期车床中的丝杠传动图3滚珠丝杆目前最主流的数控机床直线驱动装置是滚珠丝杠螺母传动副加伺服电机。滚珠丝杠副由丝杠、螺母和滚珠组成，丝杠的旋转运动通过滚珠与螺母的接触，将旋转运动转变成直线运动。由于滚动摩擦的摩擦阻力很小，驱动同样部件所需的动力仅为滑动丝杠副的1/3。滚动丝杠在传动效率高的同时，在高进给速度、高荷载下的发热量也大大降低。除了摩擦阻力小以外，滚珠丝杠副无背隙、无爬行的特性一举解决了数控机床提高加工精度的障碍。滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动摩擦副那样的爬行现象，当滚珠丝杠副预紧后，由于预紧力可使轴向间隙达到负值，不单是可以消除背隙，丝杠传动副的刚性也得到提高。4滚珠丝杠副自其技术成熟并产业化以来，已经历了100多年的历史，在中国也有近50年的发展。其产品功能随主机的发展不断扩展和提高。由于滚珠丝杠副本身的独特结构，使得双电机双丝杠驱动方式能完成同步运动的功能，同时还可提高伺服进给系统在高速时的平稳性，改善动能特性，因此双电机双丝杠驱动是一些高速机床的重要特色。例如美国CINCINNATILAMB公司的HPC800HP高速卧式加工中心，该机床的X、Y、Z轴均采用双丝杠传动技术，行程为1425/1100/1265MM，进给速度达80/80/60M/MIN，加速度达15/15/1G。此外，德国DMG公司的DMC63H，瑞士DIXI公司的DHP805X，日本牧野公司（MAKINO）的A55E等，也采用双电机、双丝杠驱动。5222直线电机近年，面对数控机床发展上更高切削速度、更高的生产效率和更大的工艺范围这三种趋势，基于滚珠丝杠副的机床驱动方式开始不能完全满足机床高性能的需要，机床设计师开始寻找新的驱动方式。直线电机驱动是最有潜力取代滚珠丝杠的新驱动模式，有赖于上世纪80年代末永磁材料、功率器件、控制技术及传感技术发展，直线伺服电机的性能不断提高，成本日益下降，为在机床上广泛应用创造了条件。直线电机是旋转电机在结构方面的一种变形，是将伺服电机沿其径向剖开，然后拉平铺在整个运动轨迹上。直线电机驱动装置与滚珠丝杠副加伺服电机驱装置动相比，主要有如下几个特点一是速度特性好，直线电机的进给速度最高可达200M/MIN以上，远比滚珠丝杠驱动装置快。二是定位精度高，由于直线电机是直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差；三是反应速度快、灵敏度高，随动性好，整个直线电机驱动装置只有动子进行运动，惯性质量小，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；四是结构简单、工作安全可靠、寿命长，由于直线电机不需要丝杠、轴承、联轴器等附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，加以直线电机为无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，较少出现故障。除了带来更高的切削速度和更高的生产效率外，直线电机的另一亮点是解决滚珠丝杠副对工艺范围的限制。滚珠丝杠驱动受丝杠制造工艺所限，6M以上行程的丝杠制造工艺和性能上都不理想。而采用直线电机驱动，定子可无限加长，且制造工艺简单，已有大型高速加工中心X轴长达40M以上。4尽管直线电动机不需要中间传动环节就可获得直线运动,在很多方面比旋转电动机有优势,但直线电动机的发展一直非常缓慢。直到1965年以后,随着材料性能和科学技术的进步,直线电动机才得到快速发展,其实用机械才开始出现。例如自动绘图仪,磁头定位驱动装置等，直线电机从最早提出到现在已经有170年的历史,在这一百多年的历史过程中,直线电机经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个阶段。6德国DMG公司是采用直线电机较早的公司之一，并在其许多产品中由于直线电机而确实带来了性能的显著提高。比如卧式加工中心DMC6080HLINEAR，其所有轴都采用了直线电机，快移速度高达100M/MIN，加速度达16G；与动柱式机床相比，移动负载降低50，静止部件的重量增加100，动态性能提高了40；采用两体式的专利技术DOUBLOCK结构，结合直线电机使得机床具有极高的精度保持性，磨损极小并维护容易。实测表明在XY平面内，完成20MM整圆的圆弧插补，圆度误差为3584M，而采用传统滚珠丝杠结构则圆度误差达976M。在激光加工机床中，由于没有切削力，对X、Y轴的移动速度要求更高，因此直线电机的应用也更普遍。DMG公司的LASERTEC80FINECUTTING把高动态精密制造技术和先进的激光技术相结合，用激光精密切削薄板、管和三维工件；LASERTEC80POWERDRILL则用于航空领域用汽轮机部件和动力设备的精密钻孔。以上两种设备的X、Y轴均由直线电机驱动，快移速度达120M/MIN，加速度超过12G。523带有刀库和换刀装置的加工中心加工中心最初是从数控铣床发展而来的。20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院MIT伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于1957年投入使用。第一台加工中心是1958年由美国卡尼特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。二十世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。7加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，其特点是数控系统能控制机床自动地更换刀具，连续的对各工件加工表面自动进行车、铣、钻、扩、铰、镗、攻螺纹等多种工序的加工，适用于加工凸轮、箱体、支架、盖板、模具等各种复杂型面的零件。自动换刀装置的用途是按照加工需要，自动地更换装在主轴上的刀具。自动换刀装置主要有回转刀架和带刀库的自动换刀装置两种形式。加工中心常用的刀库有鼓轮式和链式刀库两种。鼓轮式刀库结构简单、紧凑，应用较多。链式刀库多为轴向取刀，适用于要求刀库容量较大的数控机床。8加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。它的综合加工能力较强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量工件，其效率是普通设备的510倍，特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工，对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用。特别是对于必需采用工装和专机设备来保证产品质量和效率的工件，采用加工中心加工，可以省去工装和专机。这会为新产品的研制和改型换代节省大量的时间和费用，从而使企业具有较强的竞争能力。93数控系统的发展1952年,美国飞机工业的零件制造中,为了能采用电子计算机对加工轨迹进行控制和数据处理,美国空军与麻省理工学院MRR合作,研制出的第一台工业三坐标数控铣床。这是第一代数控系统,其数控系统采用的是电子管,体积庞大,功耗大。随着晶体管的问世,电子计算机开始应用晶体管元件和印刷电路板,从而使数控系统进入第二代。20世纪60年代,出现了集成电路,数控系统进入了第三代。这时的数控机床还都比较简单,以点位控制机床为多,数控系统还属于硬逻辑数控系统NC级别。随着计算机技术的发展,数控系统开始采用小型计算机,这种数控系统称为计算机数控系统CNC,数控系统进入第四代。70年代,美国、日本等发达国家推出了以微处理为核心的数控系统MNC,统称为CNC,这是第五代数控系统。10目前，现今市场上CNC系统（以FANUC，SIEMENS等为代表）的硬件和软件绝大多数是专用的、互不兼容的，系统的体系结构也不尽相同，这就造成了不同厂家控制系统的相对独立、彼此封闭。随着技术的进步，市场竞争的加剧，这种专用体系结构的数控系统越来越暴露出其固有的缺陷。由于这类数控系统没在强有力的体系结构给予支撑，因而存在着许多的缺点，系统的封闭性使得对其扩充和修改极为有限，往往不能满足设备制造的特殊要求，软件的升级困难，二次开发也具有相当的难度。因此，为了降低开发成本，缩短开发周期，提高CNC系统软件的重构能力，许多学者专家提出了开放式数控系统的概念。在这些开放式系统中普遍采用模块化、层次化的结构，使系统各部件具有可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点。硬件方面，尽量选用通用的部件，如选用工业PC机、数字化智能伺服控制器等；软件方面，应用最新的计算机技术，特别是软件复用技术，大大缩减软件开发的时间、人力、物力和财力消耗，降低开发难度与复杂度，提高软件质量和可靠性等，从而实现系统的开放性，便于数控系统的重构。基于工业PC的数控系统是一种新型的开放式数控系统，可以满足开发者和用户适应环境改变或新技术出现而要求修改、扩展系统功能的要求，可以较好地适应现代控制系统发展的需求。其硬、软件体系结构均有别于传统的数控系统，其核心部件为工业PC机，可以方便地利用商用机丰富的软件资源及最新的发展成果，联网通讯方便、系统开发周期短，因此工业PC机已成为当前数控领域新产品开发和产品更新换代中普遍采用的新一代系统平台。11二当前的一些新型数控机床产品举例1大连机床集团HDM系列卧式加工中心HDM系列卧式加工中心产品介绍HDM系列卧式加工中心是大连机床集团自主开发的新一代数控机床。机床的机械手在换刀过程中将主轴松、拉刀通过液压缸连动实现快速换刀，工作台交换的全过程采用油压提升及利用工作台电机传动实现快速交换。机床主体构件采用了高强度铸铁，三向导轨采用大规格高刚性滚柱导轨。三向轴进给采用了高速丝杠、配合丝杠中空冷却技术和温度补偿技术以及高精度直线光栅尺全闭环控制等先进技术，组合出本机床高精度、高刚性、高效率的一流品质。主轴采用内部两档变速的高速直联主轴保证机床高、低速的加工性能及高速加工。122日本马扎克INTEGREX100IVSERIES复合加工机床INTEGREX100IVSERIES复合加工机床产品介绍复合加工机INTEGREX运用3DCAD进行高刚性设计的INTEGREX100IV，对于以前需要通过多台机床分工序加工的复杂形状工件，可一次装夹进行全工序的加工。更加高速，高精度通过在全移动轴X/Y/Z上采用线性导轨，实现了高速、高精度的加工。两个回转轴B/C轴的最小分度指令为00001（分度能力比以前提高10倍），大大地提高了定位精度。下刀塔通过下刀塔台技术规格的平衡切割法，除了缩短车削时间之外，还可以提高车削精度及表面粗度。同时，通过使用独自的转塔构造，1把刀具就可以应对第1主轴和第2主轴两方面的加工，9把刀INTEGREX200,300,400IVT/ST系列实际上就可以做18把刀的工作。而且，还可以选用选项功能安装带转动刀具的下刀具台。第2主轴利用第2主轴S/ST，可以自动进行从第1主轴到第2主轴的工件交接，自动进行第2工序的工件背面加工。由于INTEGREX100III的第2主轴选项与第1主轴同样大小，同样转速，所以可以进行左右同等能力的复合加工。133德国DMGDMC60UDUOBLOCK五轴万能加工中心DMC60UDUOBLOCK五轴万能加工中心产品介绍短暂的换刀时间，以及极高的机床精度，使得这种生产型5轴加工中心成为高效5轴加工领域内的新里程碑。DUOBLOCK解决方案通过快速的链式刀库和回转托盘交换装置及高精度数控回转工作台和选配B轴数控摆动铣头实现了具备5轴全能性的高效组合。以很小的占用空间提供从600X700X600MM至1,600X1,250X1,000MM大型、畅通性良好的工作区域是该结构设计的另一大亮点。除了带有两个托盘的快速、标配托盘交换装置之外，还可以选配圆形存储器RS4、RS5或RS10DMC60U。14三重型数控机床产品举例1日本三菱龙门五面加工中心MVRD系列龙门五面加工中心MVRD系列产品介绍超群的切削力滑动面宽，实现稳定的动作。（X轴静压滑动面、Y轴滚柱导轨、ZW轴滑动面）构件设计采用3维FEM分析。通过合理的加强筋形状和配置，能够发挥稳定的切削能力，并可确保刚性。压倒性的速度X轴快速进给24M/MIN、Y轴快速进给30M/MIN、Z轴快速进给15M/MIN、W轴快速进给3M/MIN采用高速ATC，ATC可以设在W轴任意位置。提高了AAC的动作速度。152天津第二机床厂CKD系列18吨大型数控卧式车床CKD系列18吨大型数控卧式车床产品介绍该机床采用SIEMENS802DS1数控系统控制交流伺服电机，通过精密滚珠丝杠将动力传至高精度电动刀架，进行两坐标连续控制的半闭环系统。主传动采用直流调速电动机驱动，床头箱实现液压两档无级变速该机床可完成各种形状的轴类及盘类工件的内、外圆、端面、圆锥面、圆弧面和各种公、英制螺纹的加工。16参考文献1王爱玲机床数控技术北京高等教育出版社，2006102张曙，卫汉华机床主轴部件的创新工业设计，2009，0814153田华数控机床高速电主轴结构设计及性能分析硕士学位论文成都四川大学，20064张曙，卫汉华机床直线驱动装置的创新工业设计，2009,0712135王爱玲，李梦群，庞学慧等数控加工技术新篇北京电子工业出版社，20082306张利那数控机床用直线电机的优化设计研究硕士学位论文邯郸河北工程大学，20117HTTP/BAIKESOCOM/DOC/5350307HTML8沈兴全，吴淑琴，王爱玲等现代数控编程技术及应用北京国防工业出版社，20092249HTTP/WWWBUSNCCOM/FLASH/XIN/NAMEHTM10程国标开放式数控系统研究硕士学位论文上海复旦大学，200811彭亚娜开放式数控系统研究硕士学位论文成都电子科技大学，200412HTTP/WWWDMTGCOM/13HTTP/WWWMAZAKJP/CHINESE/PRODUCTS/MULTITASKING/52