數(shù)控車床設(shè)計開題報告

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題 目： 數(shù)控車床（最大加工直徑為500mm）縱向進(jìn)給系統(tǒng)三維設(shè)計及加工 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 系 機(jī)電 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 機(jī)制094班 學(xué) 號： 5901109158 姓 名： 李德旺 指導(dǎo)教師： 范美仁 填表日期： 2013 年 2 月 28 日一、 選題的依據(jù)及意義：1，選題的依據(jù)數(shù)控車床作為集機(jī)械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術(shù)為一體的機(jī)電液氣一體化的典型產(chǎn)品，是一種高精度、高效率的自動化機(jī)床。配備多工位刀塔或動力刀塔，機(jī)床就具有廣泛的加工藝性能，可加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋、槽、蝸桿等復(fù)雜工件。是機(jī)械制

2、造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī)。是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中不可缺少的加工設(shè)備在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，能解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、零件多變的加工問題，且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備。世界各國信息產(chǎn)業(yè)、生物產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對市場的適應(yīng)能力和競爭能力。工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅大力發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在高精尖數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。因此大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先

3、進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。我國機(jī)床產(chǎn)業(yè)經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)連續(xù)8年成為第一大進(jìn)口國和消費(fèi)國。雖然我國目前是機(jī)床制造大國，卻存在制造工藝偏向低端化的態(tài)勢。據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示：2010年，我國機(jī)床貿(mào)易逆差只有80.42億美元，而到了2011年，我國機(jī)床產(chǎn)業(yè)貿(mào)易逆差竟高達(dá)113.9億美元，逐年增長的進(jìn)口數(shù)量有增無減。而進(jìn)口數(shù)量的增長，意味著我國機(jī)床產(chǎn)業(yè)目前如同一個“虛胖子”。而這種差距的主要原因是，一方面，近幾年，我國普通機(jī)床需求和供給的爆發(fā)性增長，制約了用戶整體工藝水平的提升，也減緩了機(jī)床行業(yè)整體制造水平的提升速度。另一方面是國

4、內(nèi)企業(yè)自主創(chuàng)新能力不足，無法滿足重型機(jī)床單件等技術(shù)要求較高產(chǎn)品市場上的需求，這也是我國機(jī)床產(chǎn)品存在的結(jié)構(gòu)問題。我國機(jī)床制造起步較晚，專業(yè)人才匱乏等短板在短時間內(nèi)無法彌補(bǔ)。減弱對進(jìn)口依賴，就應(yīng)該大力引進(jìn)和培養(yǎng)人才，加大對機(jī)床研發(fā)的投資力度才是解決之道。國產(chǎn)機(jī)床是否能突破進(jìn)口機(jī)床的圍困，還看未來我國高端機(jī)床制造是否能夠達(dá)到世界領(lǐng)先水平。學(xué)校能為中國未來的機(jī)床研發(fā)源源不斷的提供人才和動力，因而本次畢業(yè)設(shè)計圍繞數(shù)控機(jī)床的設(shè)計來選題。 2，選題的意義 數(shù)控機(jī)床融合了機(jī)械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術(shù)，能為我們提供一個將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐的一個平臺。使我們對著三年來所學(xué)做一次融合，增強(qiáng)我們的實

5、踐能力和設(shè)計能力。作為機(jī)械專業(yè)的一名學(xué)生，應(yīng)該背負(fù)起打破目前機(jī)床主要依賴進(jìn)口局面的責(zé)任。本次選題能為我提供機(jī)床設(shè)計領(lǐng)域試手的機(jī)會，培養(yǎng)對這一領(lǐng)域的興趣，為未來我國高端機(jī)床制造做貢獻(xiàn)。二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢： 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床功能越來越多樣化，現(xiàn)在先進(jìn)的數(shù)控車床同時也能夠?qū)崿F(xiàn)銑等其他功能。所以我們只要了解數(shù)控機(jī)床國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，也就能看到數(shù)控車床的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢。1，數(shù)控機(jī)床國內(nèi)研究現(xiàn)狀:中國的數(shù)控機(jī)床起步較晚, 1958年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床,現(xiàn)在我國已經(jīng)建立了以中、低檔數(shù)控機(jī)床為主的產(chǎn)業(yè)體系。一些較高檔次的數(shù)控系統(tǒng)，如5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、6軸數(shù)控高速滾齒機(jī)等高精度數(shù)控機(jī)床、加工中

6、心也相繼研制成功并投入商用。如北京機(jī)電研究院新研制出型號為5c-vmc1250的5軸聯(lián)動加工中心;昆明機(jī)床公司已銷售配備了國產(chǎn)航天數(shù)控集團(tuán)4軸聯(lián)動或5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)的th5466型立式加工中心14臺；用國產(chǎn)高檔數(shù)控國家工程研究中心的“藍(lán)天”7軸控制5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)改造的日本五坐標(biāo)舊加工中心，已在沈陽黎明飛機(jī)發(fā)動機(jī)公司運(yùn)行了2年多；國產(chǎn)4聯(lián)動“藍(lán)天”數(shù)控系統(tǒng)改造的日本牧野舊銑床，在天津機(jī)車車輛機(jī)械廠，一天開兩班運(yùn)行了7年。用“華中”的5聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)配套的數(shù)控銑床，在濟(jì)南鑄鍛所已用于加工葉輪多年。由濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)承擔(dān)的兩個國家重大專項課題“高速龍門五軸加工中心”和“雙擺角數(shù)控萬能銑頭”日在濟(jì)南同時

7、通過由工業(yè)和信息化部牽頭組織的國家驗收;國產(chǎn)高級型系統(tǒng)華中的曲面直接插補(bǔ)（sdi）功能,用軟件算法實現(xiàn)復(fù)雜軌跡的直接插補(bǔ)，以實現(xiàn)高精、高速加工，為加工誤差補(bǔ)償和智能控制打下基礎(chǔ)。另外，在并聯(lián)機(jī)床方面，我國也已經(jīng)進(jìn)入了實用階段，開發(fā)了自主版權(quán)的虛擬軸機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)和軟件，這是我國機(jī)床創(chuàng)新方面的又一重大成果。此外，我國機(jī)床制造業(yè)在網(wǎng)絡(luò)制造技術(shù)方面也取得了長足的發(fā)展，如華中數(shù)控系統(tǒng)股份公司與桂林機(jī)床股份公司聯(lián)合研制出一套由4臺機(jī)床組成的相同功能的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)，為實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程的智能化奠定了較堅實的基礎(chǔ)。在國家政策的大力扶持下，近幾年國內(nèi)數(shù)控機(jī)床發(fā)展迅猛。北京機(jī)電院和北京航空航天大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的jt20

8、10型數(shù)控系統(tǒng)，可以用一個系統(tǒng)，控制總軸數(shù)多達(dá)50的多臺機(jī)床組成的成套機(jī)群。 但是我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展也存在許多問題： l 數(shù)控車床。國產(chǎn)的大多為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，約占總數(shù)的80%左右，多功能數(shù)控車床和車削中心生產(chǎn)量較少；而國外生產(chǎn)的基本上是多功能數(shù)控車床和車削中心。國外車削中心具有雙主軸、雙刀塔、y軸、c軸，甚至還裝有b軸，功能多，可供用戶選擇。國外數(shù)控車床的主軸轉(zhuǎn)速和主軸功率一般都高于國產(chǎn)數(shù)控車床。另外還能生產(chǎn)提供適合于高強(qiáng)度耐熱合金加工和鈦合金加工的大功率、高剛度數(shù)控車床和車削中心以及以車代磨的精密數(shù)控車床和車削中心，而此類產(chǎn)品國內(nèi)基本處于空白。l 加工中心。與國外產(chǎn)品相比，差距主要在機(jī)床的高

9、速、高效和精密上。對于高速加工中心，國外機(jī)床在進(jìn)給驅(qū)動上，滾珠絲杠驅(qū)動的加工中心快速進(jìn)給大多在40m/min以上，最高已達(dá)到90m/min。直線電機(jī)驅(qū)動的加工中心已實用化，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。國內(nèi)加工中心快速進(jìn)給大多在30m/min左右，個別達(dá)到60m/min。直線電機(jī)驅(qū)動的加工中心僅試制出樣品。國外高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般都在1200025000r/min。在結(jié)構(gòu)上都采用適應(yīng)于高速加工要求的獨(dú)特箱中箱結(jié)構(gòu)或龍門式結(jié)構(gòu)。在加工精度上，國外臥式加工中心都裝有機(jī)床精度溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，加工精度比較穩(wěn)定，而國內(nèi)尚在研發(fā)中。國外加工中心定位精度基本上按德國標(biāo)準(zhǔn)驗收，行程1000mm以下，定位精度可控制在0.

10、0060.01mm以內(nèi)，而國內(nèi)定位精度相對較低。l 制造技術(shù)。我國機(jī)床制造企業(yè)的制造技術(shù)如主軸的精磨加工、主軸箱精加工、導(dǎo)軌精加工等方面基本上與國外相當(dāng)，但是總體制造技術(shù)與國外相比差距很大。2，數(shù)控機(jī)床國外研究現(xiàn)狀:國外數(shù)控機(jī)床在數(shù)控機(jī)床精密化方面，美國的水平最高，不僅生產(chǎn)中小型精密機(jī)床，而且由于國防和尖端技術(shù)的需要，研究開發(fā)了大型精密機(jī)床。其代表產(chǎn)品有l(wèi)ll實驗室研制成功的dtm一3型精密車床和lodtm大型光學(xué)金剛石車床，它們是世界公認(rèn)水平最高的、達(dá)到當(dāng)前技術(shù)最前沿的大型精密機(jī)床。其它國家也相應(yīng)研制成功各種類似的裝備，如英國的cranfield、日本的東芝機(jī)械等?？傮w來說，國外高速高精與多

11、軸加工成為數(shù)控機(jī)床的主流，納米控制已經(jīng)成為高速高精加工的潮流。多任務(wù)和多軸加工數(shù)控機(jī)床越來越多地應(yīng)用到能源、航空航天等行業(yè)。機(jī)床與機(jī)器人的集成應(yīng)用日趨普及，且結(jié)構(gòu)形式多樣化，應(yīng)用范圍擴(kuò)大化，運(yùn)動速度高速化，多傳感器融合技術(shù)實用化，控制功能智能化，多機(jī)器人協(xié)同普及化。智能化加工與監(jiān)測功能不斷擴(kuò)充，車間的加工監(jiān)測與管理可實時獲取機(jī)床本身的狀態(tài)信息，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)測機(jī)床的狀態(tài)，提前進(jìn)行相關(guān)的維護(hù)，避免事故的發(fā)生，減少機(jī)床的故障率，提高機(jī)床的利用率。最新的機(jī)床誤差檢測與補(bǔ)償技術(shù)能夠在較短的時間內(nèi)完成對機(jī)床的補(bǔ)償測量，與傳統(tǒng)的激光干涉儀相比，對機(jī)床誤差的補(bǔ)償精度能夠提高34倍，同時效率得到大幅度提升。

12、最新的cad/cam技術(shù)為多軸多任務(wù)數(shù)控機(jī)床的加工提供了強(qiáng)有力的支持，可以大幅度提高加工效率。刀具技術(shù)發(fā)展迅速，眾多刀具的設(shè)計涵蓋了整個加工過程，并且新型刀具能夠滿足平穩(wěn)加工以及抗振性能的要求。有代表性的數(shù)控系統(tǒng)有：發(fā)那科公司最新的fs30i/31i/32i/35i-modelb數(shù)控系統(tǒng)、mitsubishi公司的m700v、 siemens公司推出的最新系統(tǒng)828d與840dsl等。 3，數(shù)控車床發(fā)展趨勢數(shù)控機(jī)床總的發(fā)展趨勢是：高精、高速、高效、柔性、智能和集成化，并注重工藝適用性和經(jīng)濟(jì)性。具體可歸納如下： 1)持續(xù)地提高經(jīng)濟(jì)加工精度 1 9502o年50年內(nèi)加工精度提升100倍左右，即平均

13、每8年加工精度提高一倍，當(dāng)前的普通加工精度已達(dá)到20世紀(jì)50年代的精密加工水平。加工中心加工典型件的尺寸精度和形位精度國際先進(jìn)水平為o002o003mm 2)推進(jìn)全面高速化實現(xiàn)高效制造切削速度不斷地提高車、銑45號鋼由1 950年的80100mmin至2000年普遍達(dá)到500600mmin50年內(nèi)切削速度提高了5倍多。高速化加工已從單一的高速切削發(fā)展至全面高速化不僅要縮短切削時間，也要力求降低輔助時間和技術(shù)準(zhǔn)備時間。3)復(fù)合加工機(jī)床促進(jìn)新一代高效機(jī)床的形成復(fù)合數(shù)控機(jī)床具有良好的工藝適用性，有力地支持了準(zhǔn)時制造(jit)。下面幾種復(fù)合加工機(jī)床基本代表了世界機(jī)床的發(fā)展方向：以車削為基礎(chǔ)的復(fù)合加工機(jī)

14、床：在車削中心基礎(chǔ)上集成了銑削、鉆削和攻絲、鏜削、磨削以及滾齒和插齒等工藝方法成為車銑復(fù)合加工機(jī)床。以銑削為基礎(chǔ)的復(fù)合加工機(jī)床：在加工中心的基礎(chǔ)上集成了車削、鉆削和攻絲、鏜削、磨削以及滾齒和插齒等工藝方法成為銑車復(fù)合加工機(jī)床。其它復(fù)合加工機(jī)床：如以磨削為基礎(chǔ)的和磨頭回轉(zhuǎn)式(或可換式)復(fù)合加工機(jī)床。未來的復(fù)合加工機(jī)床將結(jié)合數(shù)控技術(shù)、軟件技術(shù)、信息技術(shù)、可靠性技術(shù)的發(fā)展，向構(gòu)件簡約化、結(jié)構(gòu)緊湊化、配置模塊化和部件商品化方向發(fā)展。 4)工藝適用性的專門化數(shù)控機(jī)床正不斷涌現(xiàn)通過對機(jī)床布局和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，使不同類型的零件加工具有最佳的適用性。避免不能發(fā)揮最佳性能和存在功能冗余現(xiàn)象。 5)智能化和集成化成為

15、數(shù)字化制造的重要支撐技術(shù)信息技術(shù)的發(fā)展及其與傳統(tǒng)機(jī)床的相融合使機(jī)床朝著數(shù)字化、集成化和智能化的方向發(fā)展。數(shù)字化制造裝備、數(shù)字化生產(chǎn)線、數(shù)字化工廠的應(yīng)用空間將越來越大；而采用智能技術(shù)來實現(xiàn)多信息融合下的重構(gòu)優(yōu)化的智能決策、過程適應(yīng)控制、誤差補(bǔ)償智能控制、復(fù)雜曲面加工運(yùn)動軌跡優(yōu)化控制、故障自診斷和智能維護(hù)以及信息集成等功能，將大大提升成形和加工精度、提高制造效率。6)向大型化和微小化兩極發(fā)展能源裝備的大型化及航空航天事業(yè)等的發(fā)展需要重型立式臥式加工中心和銑車中心。超精密加工微納米技術(shù)則需要發(fā)展能適應(yīng)微小型尺寸和微納米精度的新型工藝和裝備。航空航天、lt和國防高新技術(shù)需求推進(jìn)了超精加工技術(shù)及設(shè)備的發(fā)

16、展。20世紀(jì)80年代美國的大型超精密金剛石車床的加工平面度達(dá)o01 25“m，最大加工直徑為21 00mm。 8)配套裝置和功能部件的品種質(zhì)量日臻完善三、 本課題研究內(nèi)容1， 機(jī)床切屑過程中力的研究進(jìn)給系統(tǒng)是由電機(jī)產(chǎn)生動力，通過其他傳動元件傳到刀架上使刀具和工件產(chǎn)生相對運(yùn)動。下面是一些與設(shè)計要求相關(guān)的力的研究：l 要滿足在床身上最大加工直徑500mm的設(shè)計要求，要研究切屑力與加工直徑的關(guān)系。從實際經(jīng)驗可知：加工直徑越大，所需要的切屑力越大，所以要研究切屑力與加工直徑之間具體滿足怎樣的關(guān)系。l 根據(jù)設(shè)計要求的最大加工直徑可以大概得到切屑力的大小，接著要研究切屑力的產(chǎn)生。一般其動力來自電機(jī)，經(jīng)過其

17、他傳動機(jī)構(gòu)傳給刀架。因而要研究數(shù)控機(jī)床的傳動機(jī)構(gòu)。l 現(xiàn)代數(shù)控設(shè)備廣泛采用滾珠絲杠螺母進(jìn)行傳動，特別是傳動精度要求高的設(shè)備，而且滾珠絲杠已經(jīng)是一個相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，因而接著要研究如何選擇滿足條件的滾珠絲杠螺母。也就是要研究絲桿尺寸與所承受的力關(guān)系。l 由于電機(jī)軸傳出的力矩較小，而絲桿所要的力矩較大。因而要研究在力矩不足的情況下如何解決這一矛盾。2， 相關(guān)機(jī)構(gòu)外形尺寸確定研究：l 設(shè)計要求中要求最大加工長度750-1000mm，因而要研究加工長度與那些因素有關(guān)，具體存在什么關(guān)系。l 工作架主要通過絲桿帶動，因而要綜合研究絲桿工作長度、支撐以及傳動尺寸的關(guān)系。l 要研究縱向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)在機(jī)床上的總體布局

18、。3， 其他與設(shè)計參數(shù)要求有關(guān)的研究：l 縱向刀架快移速度主要由數(shù)控程序控制，但他與縱向系統(tǒng)的絲桿、傳動機(jī)構(gòu)以及電機(jī)等部件有很大關(guān)系。因而要研究快移速度與相關(guān)機(jī)構(gòu)的關(guān)系。l 縱向最大進(jìn)給速度與快移速度類似，但其所受的力更為復(fù)雜，以此同時對加工工件的質(zhì)量和加工效率有很大關(guān)系。因而要研究如何控制在一個合理的值。l 縱向定位精度對零件的加工有很大影響，因而要研究定位精度與那些因素有關(guān)，有什么關(guān)系。4， 與三維設(shè)計有關(guān)的研究：l 本次設(shè)計要求用三維軟件實現(xiàn)設(shè)計加工，因而要學(xué)習(xí)三維軟件的相關(guān)操作。l 機(jī)械產(chǎn)品一般都有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因而要研究與本次設(shè)計有關(guān)的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。如：制圖標(biāo)準(zhǔn)等。l 有些零部件需要外購

19、，因而要研究如何選擇企業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。四、 本課題研究方案1、 研究題目：數(shù)控車床（最大加工直徑為500mm）縱向進(jìn)給系統(tǒng)三維設(shè)計及加工 2、 研究內(nèi)容的界定： 本次設(shè)計主要內(nèi)容是：數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計計算，同時用三維軟件畫出三維圖并運(yùn)用三維軟件編寫出部分零部件的數(shù)控加工程序，在條件滿足時加工出部分零部件。3、 理論依據(jù)：前人不斷實踐和實驗總結(jié)的結(jié)論和經(jīng)驗公式、各種國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) （如機(jī)械設(shè)計手冊等）、運(yùn)用于機(jī)械設(shè)計的計算機(jī)技術(shù)(如三維設(shè)計軟件等)。4、 研究步驟和大體方案：分析設(shè)計任務(wù)根據(jù)任務(wù)內(nèi)容查找相應(yīng)的資料查找設(shè)計實例并作為參照總體方案： 根據(jù)任務(wù)要求，縱向進(jìn)給選擇開環(huán)系統(tǒng)足以滿足定位要求，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過齒輪帶動滾珠絲杠螺母副運(yùn)動，從而帶動刀架在導(dǎo)軌上實現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動。數(shù)控車床縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)計算：（1） 滾珠絲杠螺母副設(shè)計計算（2） 導(dǎo)軌選用（3） 此輪傳動設(shè)計（4） 步進(jìn)電機(jī)選擇（5） 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計三維實體造型設(shè)計零件圖及其數(shù)控程序設(shè)計編寫說明書5、 研究方法