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毕业设计（论文）学生开题报告课题名称小型数控工作台设计课题来源课题类型指导教师学生姓名学 号专业班级一本课题的研究现状、研究目的及意义1.研究现状：国际机床市场的消费主流是数控机床。1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控机床、数控铣床为主转数向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。世界X-Y数控工作台发展动向纳为下述几点：工序复合化、精密化的高速化、低价格化。总而言之，目前，X-Y数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化以成为数控机床发展的趋势和方向。中国作为一个制作大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国中国作为一个制作大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力缩短与发达国家之间的差距。的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现X-Y数控机床产品从低端到高端、从初级产品到高精尖端产品制作的变化。2.研究目的及意义：数控机床是用数控指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它广泛应用于机械制造和自动化领域，数控机床的应用不但给传统的制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控机床的不断发展和应用领域的扩大，所以X-Y数控工作台设计对国计民生的一些重要行业（IT汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用。目前国内中小企业多采用经济型X-Y数控机床系统，其加工速度慢、编程复杂、人机界面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。因此研制和开发一套X-Y数控冲床数控系统，用于装配新冲床或对经济型数控冲床进行改造，能够有效的改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对提高企业生产效率、改善工人的工作环境有很大的实际意义，工作台是机床上必不可少的部件，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场需求，使之更有效的发挥经济效益和设计效益。3.传动形式分析：目前主流的直线传动形式有丝杠螺母及齿轮齿条传动。齿轮齿条传动将旋转运动转变为直线运动，但是，这样的机构可以反向驱动，也就是齿条做直线运动来带动齿轮旋转，适合大距离的传递，如机床导轨底下带动托板箱移动的就是齿轮齿条传动。齿轮齿条传动具有承载力大、传动效率较高等特点，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，2m/s，丝杆传动也可以将旋转运动转变为往复的直线运动，直线运动的速度由丝杆的导程、以及丝杆转速决定，适合做精密的传动，如机床工作台的移动。普通梯形丝杠可以自锁，这是最大优点，但是传动效率低下，比齿轮齿条形式低许多，所以不适合高速往返传动。缺点是时间久了传动间隙大，回程精度差，用在垂直传动较合适。在长距离重负载直线运动上，丝杆有可能强度不够，就会导致机器出现震动、抖动等情况，严重的，会导致丝杆弯曲、变形、甚至断裂等等；而齿条就不会有这样的情况，齿条可以长距离无限接长并且高速运转而不影响齿条精度（当然这个跟装配、床身本身精度都有关系），丝杆就做不到这一点，但在短距离直线运动中，丝杆的精度明显要比齿条高得多。另外就是，齿条齿轮传动对于丝杠螺母结构设计来讲要相对简单一些。通过以上分析不难发现，两种传动方式各有优缺点，针对本课题的设计要求，决定采用齿轮齿条形式作为本次设计的传动类型。课题类型：（1）A工程实践型；B理论研究型；C科研装置研制型；D计算机软件型；E综合应用型（2）X真实课题；Y模拟课题；（1）、（2）均要填，如AY、BX等。二本课题的研究内容主要设计参数： X-轴行程350mm、最小移动单位5微米、工作速度800mm/min。Y-轴行程300mm、最小移动单位5微米、工作速度800mm/min。传动系统（齿轮齿条）结构部分设计1.齿轮齿条材料选择：齿条材料的种类很多，在选择过程中应考虑的因素也很多，主要以以下几点作为参考原则：a. 齿轮齿条的材料必须满足工作条件的要求。b. 应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形方法及热处理和制造工艺。c. 正火碳钢，不论毛坯制作方法如何，只能用于制作载荷平稳或轻度冲击工作下的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调制碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。d. 金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为3050HBS或者更多。钢材的韧性好，耐冲击，还可通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故适用于来制造齿轮。由于该齿轮承受载荷比较大，应采用硬齿面（硬度350HBS），故选取合金钢，以满足强度要求，进行设计计算。2.各系数的确定：计算齿轮强度用的载荷系数K，包括使用系数、动载系数、齿间载荷分配系数及齿向载荷分配系数，即1）使用系数是考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加载荷影响的系数。该齿轮传动的载荷状态为轻微冲击，工作机器为机床工作台，所以使用系数取1.35。2）动载系数齿轮传动不可避免地会有制造及装配误差，轮齿受载后还要产生弹性变形，对于直齿轮传动，轮齿在啮合过程中，不论是有双对齿啮合过渡到单对齿啮合，或是有单对吃啮合过渡到双对齿啮合的期间，由于啮合齿对的刚度变化，也要引起动载荷。为了计及动载荷的影响，引入了动载系数，由于速度v很小，取1.0。3）齿间载荷分配系数一对相互啮合的斜齿（或直齿）圆柱齿轮，有两对（或多对）齿同时工作时，则载荷应分配在这两对（或多对）齿上。对于直齿轮及修形齿轮，取。4）齿轮载荷分布系数当轴承相对于齿轮做不对称配置时，受灾前，轴无弯曲变形，齿轮啮合正常，两个节圆柱恰好相切；受载后，轴产生弯曲变形，轴上的齿轮也就随之偏斜，这就使作用在齿面上的载荷沿接触线分布不均匀。计算齿轮强度时，为了计及齿面上载荷沿接触线分布不均匀的现象，通常以系数来表征齿面上载荷分布不均匀的程度对齿轮强度的影响。根据机械设计表10-4取。综上所述，最终确定齿轮系数=1.35111.37=1.83.齿轮传动的设计计算：我国对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角为=20。为使齿轮免于根切，对于=20的标准直齿轮，应取z17，这里取z=20。由于齿轮做悬臂布置，取=0.6。齿轮的设计计算公式：开式齿轮磨损系数，（机械设计手册（3卷）14-134）转矩 ，则将1式、2式及各参数代入计算公式得：解得：；取m=1 齿面接触疲劳强度计算公式：由于本传动为齿轮齿条传动，传动比近似无穷大，所以，为弹性影响系数，单位，其数值查机械设计表，取=189.8。计算，试求齿轮分度圆直径：=通过模数计算得：m=1，z=20 所以分度圆直径d=120=20mm所以取两者偏大值d=20mm计算齿宽 =0.620=12mm齿高 h=2.25m=2.251=2.25mm最终确定齿轮数据：模数m=1，齿数z=20，分度圆直径d=20mm，齿高h=2.25mm，齿宽b=12mm 根据X/Y轴行程分别为350mm/300mm，由齿条齿数可暂定X/Y轴得齿条齿数为120/100。三本课题研究的实施方案、进度安排1. 实施方案1) 导轨副的选用要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度不是很高，因此选用直线滑动导轨副，它具有结构简单，制造、检验和维修方便，导轨面较宽，承载能力大，刚度高。2) 齿轮齿条副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过齿轮齿条副转换成直线运动，需要满足0.005mm冲当量和mm的定位精度，承载力大，传动精度较高，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，2m/s，短距离传动速度可以很高，噪音低。3) 步进电动机的选用与计算本设计选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=2，则步进电动机的最大静转矩应满足： 初选步进电动机的型号为110BYG350-AF，查得该型号电动机的最大静转矩。4) 检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、Y两个方向的加工范围相差不大，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、齿轮齿条副、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。2. 进度安排第01-04周 毕业设计，完成设计任何，查阅相关资料；第05-06周 设计计算、开题报告；第07-12周 机械设计；第13-14周 外文资料翻译，文档修改、定稿与打印，准备答辩。开题报告(2) 已查阅的主要参考文献1 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.清华大学出版社,20032 李广弟,朱月秀，王秀山.单片机基础.北京航空航天大学出版社,20013 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,20024 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,20025 李建勇.机电一体化技术.科学出版社.20046 王爱玲，白恩远，赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,20017 徐灏.机械设计手册（3）.机械工业出版社,20038 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,20049 徐灏等.机械设计手册M.北京:机械工业出版社,200010 濮良贵 ,记名刚.机械设计
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