南京工程學(xué)院 工 業(yè) 中 心 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題 目 ： 數(shù)控立車 Z 軸進給系統(tǒng)及平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： D 機加工 123 學(xué) 號： 231120522 學(xué)生姓名 馬鑫 指導(dǎo)教師 劉桂芝 2016 年 3 月 日 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )開題報告 學(xué)生姓名 馬鑫 學(xué) 號 231120511 專 業(yè) 機械設(shè)計制造 及其自動化 指導(dǎo)教師姓名 劉桂芝 職 稱 研究院級高工 所在院系 工 業(yè) 中心 課題來源 課題性質(zhì) 課題名稱 數(shù)控立車 Z 軸進給系統(tǒng)及平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計 內(nèi)容和意義 采用比較法、文本細讀法、綜合分析法進行 數(shù) 控立車 進給 系統(tǒng) 及其平衡 結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 使其達到對進給運動的速度及刀具相對位置實現(xiàn)自動控制，并且使平衡機構(gòu)能促進改善立式機床 Z 軸 的運動性能。 畢業(yè)設(shè)計的具體內(nèi)容： 1、 機械制圖 a)制立式加工中心 Z 軸驅(qū)動裝配圖 1 號圖 1 張 b)繪制其它零件 紙） c)繪制立式加工中心 Z 軸運動簡圖 ,紙折合 0 號 （約 15 個零件） 2、 設(shè)計計算 Z 軸 （ 慣量匹配 、 轉(zhuǎn)矩匹配 ）計算， Z 向（ 進給力 、 滾珠絲杠預(yù)拉伸量 ）計算， Z 向傳動機構(gòu)的平衡量的計算 3、 技術(shù)經(jīng)濟分析 a)各零件成本分 析 b) 課題成本計算 4、 翻譯有關(guān)外文資料 5、 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書（論文 ） 本課題研究的意義： 本課題對 數(shù)控立車 Z 軸進給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu) 進行了設(shè)計，其意義如下： 1、 了解了立式車床的發(fā)展方向與作用 2、 提升了我們獨立思考、創(chuàng)新與動手的能力 3、 對自己四年所學(xué)知識進行了綜合的運用與總結(jié)歸納 4、 讓自己更加靈活的運用自己學(xué)習(xí)的知識 5、 提高了了自己的實際運用能力 文獻綜述 從 20 世紀中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高 1數(shù)控機床的特點及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。 進入 21 世紀，我國機床制造業(yè)既面臨著提升機械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機，也遭遇到加入 激烈的市場競爭的壓力。從技術(shù)層面上來講，加速推進數(shù)控技術(shù)將是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵。而從國際上來說，代表機床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng) 2，從某種意義上來說，反映了一 個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。 2003 年我國機床消費額達到 67 3 億美元，居世界第一位，其中數(shù)控機床占57 (37 5 億美元 )。國內(nèi)生產(chǎn)數(shù)控機床 3681 3 臺 (產(chǎn)值約 10 4 億美元 )創(chuàng)歷史新高。 但是，我國數(shù)控機床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國外還有很大差距技術(shù)含量較低的簡易數(shù)控車床仍占主導(dǎo)地位，高檔數(shù)控機床及功能部件大多數(shù)依靠進口。特別應(yīng)該引起注意的是國產(chǎn)數(shù)控機床市場占有率逐年下降， 1 999 年是 33 6， 2003 年僅占 27 7，而進口額逐年上升， 1999 年為 8 7 8 億美元 (7624 臺 )， 2003 年達 27 1 億美元 (23320 臺 )，相當(dāng)于同年國內(nèi)數(shù)控機床產(chǎn)值的 2 7 倍。因此，盡管當(dāng)前市場活躍、需求旺盛如果只顧眼前生產(chǎn)，不了解國外數(shù)控機床的發(fā)展趨勢，提高自主開發(fā)能力，積極培育新產(chǎn)品那么在高潮過去以后，我國的機床工業(yè)將更加缺乏競爭力，有可能在家門口就被人家打得一敗涂地。 3 隨著新材料和新工藝的出現(xiàn)，對數(shù)控機床的要求越來越高，例如，鋁合金的廣泛應(yīng)用，高速加工數(shù)控機床就成為當(dāng)前的熱點。數(shù)控機床的發(fā)展趨勢是什么它有那些主要特征我認為，應(yīng)首先滿足用戶以下要求： 1、精度和可靠性高，機床的性能是穩(wěn)定的， 能夠在不同運行條件下完成多種加工任務(wù)、并能夠”保證“零件的加工質(zhì)量而不是依靠加工后的檢驗工序。 2、工序集約化，在一臺機床上盡可能加工完畢一個零件的所有工序，同時又保持機床的通用性，能夠迅速適應(yīng)加工對象的改變。 3、機床的信息化和智能化加工設(shè)備不僅提供”體力”，也有“頭腦”能夠獨立自主地管理自己，并與企業(yè)的管理系統(tǒng)和人通信從而使企業(yè)管理人員和操作者、供應(yīng)商和用戶能夠隨時知道機床的狀態(tài)和加工能力。 4、機床的效率高、運行成本低，環(huán)境污染少，人機界面友好。 3 數(shù)控車床幾何精度主要包括主軸回轉(zhuǎn)運動精度、線性 軸直線運動精度。 主軸軸承精度等級、主軸支承軸頸的圓度誤差、主軸前后支承的同軸度誤差、主軸箱體與主軸軸承系統(tǒng)的剛性、主軸及隨其回轉(zhuǎn)的零件的不平衡、主軸箱裝配質(zhì)量及主軸回 文獻綜述 轉(zhuǎn)過程中熱變形等因素影響了主軸的幾何精度。機床床身底座剛性和動態(tài)特性一負荷切削下機床抗變形能力，導(dǎo)軌布置形式、導(dǎo)軌自身的幾何精度、導(dǎo)軌潤滑條件等因素影響了線性軸直線運動精度。 T 16462 4 2007 之線性軸定位精度是指在該軸行 程內(nèi)任意 1 個點定位時的誤差范圍，它綜合反映了機床存在的幾何誤差、運動誤差、熱變形誤差等，它與機床的幾何精度共同對機床切削精度產(chǎn)生重要的影響，是數(shù)控車床最關(guān)鍵的技術(shù)指標。線性軸重復(fù)定位精度，反映了該軸在行程內(nèi)任意定位點的定位穩(wěn)定性，這是衡量該軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標。影響數(shù)控車床位置精度主要有絲杠的導(dǎo)程誤差、傳動鏈的反向間隙誤差、導(dǎo)軌的摩擦阻尼、滾珠絲杠軸系的裝配精度、伺服電機的慣量匹配等因素。數(shù)控車床的電機、液壓泵、卡盤油缸等連續(xù)運轉(zhuǎn)的部件在運動過程中摩擦產(chǎn)生的熱量會引起機床結(jié)構(gòu)件的溫度產(chǎn)生波動。一方面 ，這些結(jié)構(gòu)件會因溫度變化產(chǎn)生線性尺寸的膨脹或收縮；另一方面，由于零件結(jié)構(gòu)的不對稱性，在內(nèi)部熱應(yīng)力的作用下，必然出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的扭曲變形。結(jié)構(gòu)件熱變形也是影響數(shù)控車床位置精度的一個重要因素。只有提高數(shù)控車床的幾何精度和位置精度，其工作精度才有可能得到保證。數(shù)控車床工作精度不僅與機床自身靜態(tài)精度有關(guān)，還與伺服系統(tǒng)跟蹤誤差、位置檢測誤差、刀具系統(tǒng)的位置誤差、工件裝夾誤差有關(guān)。另外，加工工藝的合理性，操作者的編程水平也影響到零件加工的穩(wěn)定性。因此，數(shù)控車床工作精度是一個綜合影響的結(jié)果 4。 數(shù)控機床的進給運動是數(shù)字控制 的直接對象，機床的定位精度和輪廓加工精度都會受到進給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，數(shù)控機床對進給系統(tǒng)中的傳動裝置和元件要求具有高的壽命、高的剛度、無傳動間隙、高的靈敏度和低摩擦阻力的特點。 5 數(shù)控車床的進給運動方式和結(jié)構(gòu)特點與普通車床、自動和半自動車床截然不同。它只用于伺服電動機（直流或交流）驅(qū)動，通過滾珠絲杠帶動刀架完成縱向（ Z 軸）和橫向（ X 軸）的進給運動 6。 車床的進給系統(tǒng)經(jīng)實際使用、檢驗，效果良好，滿足國家對普通車床的精度要求；能夠方便的控制進給，實現(xiàn)數(shù)控，達到控制加工零件的形狀 。通過必要的方法，包括上述的抗干擾方法，能有效的消除干擾，得到穩(wěn)定的進給系統(tǒng) 7。 伺服電機便于控制、工作可靠、使用方便，將伺服電機用于車床的進給系統(tǒng)，達到方便地對橫向、縱向進給進行控制，對于現(xiàn)實普通車床的自動化，提高其加工的精度和生產(chǎn)加工效率，減輕工人的勞動強度，有著非常重要的意義 8。滾珠絲杠是數(shù)控機床的一個主要部件，因其具有精密、高效的傳動特點而被廣泛使用。滾珠絲杠作為傳動元件，其軸向剛度直接影響了數(shù)控機床的定位精度及機床的整體性能。滾珠絲杠系統(tǒng)的傳動部分通常由伺服電動機與滾珠絲杠直連，或者由伺服 電動機經(jīng) 文獻綜述 齒輪或同步帶減速后再滾珠絲杠相連。滾珠絲杠的軸向剛度對數(shù)控機床進給系統(tǒng)的軸向定位精度有很大的影響，絲杠剛性不足會影響到加工工件的尺寸精度甚至導(dǎo)致加工缺陷。設(shè)計時需要考慮在不同的應(yīng)用情況下選擇合理的滾珠絲杠安裝方式 9。 隨著數(shù)控車床進給運動方式的不同，控制形式的不同，數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)設(shè)計要求也有所不同。對于點位控制的機床，主要應(yīng)滿足定位精度，盡量減少定位所需時間。而對于輪廓控制的機床，除了要求具有較高的定位精度 外，尤其重要的應(yīng)保證具有良好的動態(tài)響應(yīng)特征 10。 通常，數(shù)控車床對伺服系統(tǒng)的設(shè)計基本要求為：定位精度要高，跟蹤指令信號的響應(yīng)要快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好。反映在伺服系統(tǒng)性能指標上，即穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)特征 10。 影響整個伺服系統(tǒng)精度的因素除了伺服驅(qū)動單元和電動機外，也在很大程度上機械傳動機構(gòu)。因此，為保證進給伺服系統(tǒng)的準確性，以達到較高的定位精度指標，特別要求機械機構(gòu)的傳動間隙小、摩擦阻尼小。為此，對進給系統(tǒng)的機械傳動要求提出以下要求。 1）減少摩擦阻尼 2）提高傳動精度和剛度 3）消除傳動間隙 4）減小運動 慣量 5）寬的進給調(diào)速范圍 6）響應(yīng)速度要快 7）穩(wěn)定性好、壽命長 8）使用維護方便 11。 立式機床的主軸部件與垂直運動部件通常設(shè)計為一體。向下運動時的驅(qū)動力與重力方向一致，向上運動時的驅(qū)動力與重力方向相反，如果不消除重力的影響，不僅影響部件的運動平穩(wěn)性，而且影響機床加工精度的保持性，同時可能會導(dǎo)致在一定工況條件下，對運動部件、刀具，工件、產(chǎn)生破壞性的危害。雖然現(xiàn)代立式數(shù)控機床的傳動部件及驅(qū)動部件的性能有了極大的提高，運動部件的重力對驅(qū)動部件及傳動部件的影響越來越小，但是目前的立式數(shù)控機床大多采用滾珠絲杠傳動， 而滾珠絲杠基本無自鎖，當(dāng)控制系統(tǒng)失電時，運動部件會因重力而下滑，這是不容許的。因此，在分析現(xiàn)有平衡機構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出的平衡機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方案是一種新的獨特的垂直運動部件平衡即時同步機構(gòu) 12。 參考文獻： 1、 易紅 北京：機械工業(yè)出版社， 2005 2、 吳祖育 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社， 1989： 203、 張曙 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新， 2005， 5： 7、 喻湘存 ,熊曙初 北京：清華大學(xué)出版社， 2006 5、 全國數(shù)控培訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)天津分中心組編，數(shù)控 機床（第二版） 械工業(yè)出版社， 、 王愛玲等主編 北京：國防工業(yè)出版社（第二版）， 獻綜述 7、 陶曉杰 制造業(yè)自動化， 2000， 22（ 9）， 2 8、 孫宏成，易廣建，靜毅 004， 3： 1、 宋威 014,10:10、 文懷興，夏田 機床設(shè)計實踐指南 學(xué)工業(yè)出版社， 1、 熊軍 北京：人民郵電出版社， 2、彭云平，李莉敏 2009（ 3） 研究內(nèi)容 數(shù)控立車 Z 軸進給系統(tǒng)是機床在加工時直接帶動刀具做直接運動的進給機構(gòu)。本論文先從國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀以及新趨勢開始闡述，引到我國數(shù)控機床面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展機遇，并提出 發(fā)展方向 。進而對數(shù)控車床 進給 系統(tǒng)進行研究。主要從它的設(shè)計要求， 結(jié)構(gòu)部件 ， 影響剛度，精度和動態(tài)性能的因素，伺服系統(tǒng)的分析，材料的選擇， 進給 的特點以設(shè)計方面的注意點等方面進行分析研究。 研究計劃 第 1 周 (搜集資料，學(xué)習(xí)文獻，參觀工場，學(xué)習(xí)國家標準 第 2 周 (提出思路和方法，完成技術(shù)路線、方案、要完成的任務(wù) 第 3 周 (成開題報告及外文材料翻譯 第 4 周 (完成裝配圖草圖設(shè)計，繪制進給系統(tǒng)運動簡圖 第 5 周 (完成 Z 軸的各項計算 第 6 周 (滾珠絲杠預(yù)拉 伸計算、平衡系統(tǒng)的配重確定、裝配圖設(shè)計 第 7 周 (業(yè)設(shè)計中期檢查 第 8 周 (行零件圖計算機繪圖 第 9 周 (完成零件圖計算機繪圖 第 10 周 (各零件及課題成本分析，件成本及課題成本計算 第 11 周 (修改論文并定稿 第 12 周 (修改論文并定稿 第 13 周 (論文評審及答辯資格確定 第 15 周 (畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯 第 16 周 (整理資 料存檔 特色與創(chuàng)新 本論 文 特色與創(chuàng)新如下： 數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用是機械制造業(yè)的一次技術(shù)革命