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本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告
論文題目：三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計
學(xué)生姓名：
專 業(yè)：
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指導(dǎo)教師：
一． 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展
科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高要求。機械加工工藝過程的自動化是實現(xiàn)上述要求的最主要的措施之一。它不僅提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、還能夠大大改善工人的勞動條件。
大批量的自動化生產(chǎn)廣泛采用自動機床、組合機床和專用機床以及專用自動生產(chǎn)線，實行多刀、多工位同時加工，以達到高效率和高自動化。但這些都屬于剛性自動化，在面對小批量生產(chǎn)時并不是適用，因為小批量生產(chǎn)需要經(jīng)常變化產(chǎn)品的種類，這就要求生產(chǎn)線具有柔性。而從某種程度上說，數(shù)控機床的出現(xiàn)正是很大的滿足了這一要求。
1952年，美國麻省理工學(xué)院成功的研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動，利用脈動乘法器原理的實驗性數(shù)控系統(tǒng)，并把它裝在一臺立式銑床上。當(dāng)時用的電子元件是電子管，這就是世界上的第一臺數(shù)控機床。1959年，數(shù)控裝置中廣泛采用電子管和印刷電路板，從而跨入數(shù)控的第二代。1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路，由于它體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高，從此數(shù)控發(fā)展到第三代。1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上首次展出的數(shù)控系統(tǒng)采用計算機數(shù)控系統(tǒng)的機床，這便是數(shù)控的第四代。1974年，出現(xiàn)了第五代數(shù)控系統(tǒng)（MNC微處理機控制系統(tǒng)）。
我國是從1958年開始研制數(shù)控技術(shù)的，一直到60年代中期處于研制、開發(fā)時期。當(dāng)時，一些高等院校、科研單位研制出實驗樣機，開發(fā)也是從電子管開始的。1965年國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控技術(shù)。從70年代開始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。在這一時期，數(shù)控線切割機床由于結(jié)果簡單、使用方便、價格低廉，在模具加工中得到了推廣。80年代我國數(shù)控機床有了新的發(fā)展。90年代以及接下來主要是向高檔數(shù)控機床發(fā)展
數(shù)控技術(shù)是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法。目前，在工業(yè)發(fā)達國家，無論在國防工業(yè)或民用工業(yè)，數(shù)控機床的應(yīng)用均已相當(dāng)普遍。數(shù)控機床已不在局限用來加工單件、小批以及形狀復(fù)雜的零件。
數(shù)控加工中心機床，它是在一般數(shù)控鏜銑床上加裝刀庫和自動換刀裝置。可以連續(xù)地對零件進行各加工面的銑、鉆、鉸、鏜以及攻絲的加工。減少了機床的占地面積，壓縮了半成品的庫存量，減少工序間的輔助時間，有效地提高了生產(chǎn)率。
可以預(yù)見，高級自動化技術(shù)將進一步證明數(shù)控機床的價值，并且正在更為廣闊的開拓著數(shù)控機床的應(yīng)用領(lǐng)域。
二． 數(shù)控銑床的工作原理
用數(shù)控銑床加工零件時，首先應(yīng)編制該零件的加工程序，這是數(shù)控銑床的工作指令。將加工程序輸入數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變速、啟動、停止、進給運動的方向、速度和位移量，以及工件裝夾和冷卻潤滑的開關(guān)等動作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴格按照加工工序規(guī)定的順序、運動軌跡加工出符合要求的零件。
三． 數(shù)控銑床的組成
數(shù)控銑床的組成：機床、數(shù)控裝置、控制介質(zhì)、伺服系統(tǒng)、測量裝置等組成。
機床：三坐標(biāo)數(shù)控磨床應(yīng)具有更好的剛性和抗振性，因此床身采用密封式箱型結(jié)構(gòu)，在床身底內(nèi)腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，當(dāng)發(fā)生振動時，利用阻尼材料之間的相對摩擦耗散振動能量。
數(shù)控裝置：數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，是高技術(shù)密集型產(chǎn)品。它的功能是接受輸入裝置輸入的加工信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件對代碼進行處理后，輸入相應(yīng)的指令脈沖，驅(qū)動伺服系統(tǒng)，來控制機床的各個運動部件按規(guī)定的要求實現(xiàn)各個運動。
控制介質(zhì)：用于記載各種加工信息的載體，以控制機床的運動，實現(xiàn)零件的加工。數(shù)控介質(zhì)有穿孔帶、穿孔卡、磁帶及磁盤等，也可通過通信接口直接輸入所需各種信息。三坐標(biāo)數(shù)控銑床采用通信接口直接輸入所需各種信息。用鍵盤將加工程序直接鍵入，并且可在數(shù)碼顯示器或CRT顯示器上顯示出來。
伺服系統(tǒng)：由伺服電動機和伺服驅(qū)動裝置組成，是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。作用是把來自數(shù)控裝置的各種指令轉(zhuǎn)換成機床移動部件的運動速度、運動方向和位移量。伺服系統(tǒng)要求有良好的快速響應(yīng)性能，進給速度范圍要大，靈敏而準(zhǔn)確的跟蹤指令功能和轉(zhuǎn)速，在較大的范圍內(nèi)要求有良好的工作穩(wěn)定性。此數(shù)控銑床的驅(qū)動元件為交流三相異步電動機。
測量裝置：是將床身的實際位置、速度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號反饋回數(shù)控裝置。以校核執(zhí)行部件實際運動速度、方向和位移量，并使之與加工指令相一致。
四． 設(shè)計題目及技術(shù)要求
設(shè)計題目是三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計。從總體布局和結(jié)構(gòu)形式，與普通銑床相似，主要還是由床身，主軸箱，刀架，進給系統(tǒng)，液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)等部分組成。但是，由于動力源采用了交流伺服電機，控制系統(tǒng)實現(xiàn)了CNC，所以，使得主運動和進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)大大簡化。尤其是進給系統(tǒng)，與普通銑床的進給系統(tǒng)有質(zhì)的區(qū)別，沒有傳統(tǒng)的進給箱，板箱和掛輪架，而是直接由伺服電機通過滾球絲杠驅(qū)動溜板和刀架，實現(xiàn)進給運動。
主要設(shè)計要求：三坐標(biāo)數(shù)控銑床，進給精度0.01mm，X、Y、Z坐標(biāo)進給速度2m/min，X、Y、行程300mm,Z行程250mm，工作臺尺寸420×300mm。
五． 數(shù)控銑床各組成部分的分析
1． X、Y工作臺
X、Y工作臺的組成：X、Y工作平臺傳動機構(gòu)；X向齒輪減速和滾珠絲杠傳動方向（Y向和X向相同）；驅(qū)動機構(gòu)：X、Y向兩個電機。
X、Y工作臺的工作原理：通過控制X、Y向電機驅(qū)動傳動機構(gòu)，從而帶動X、Y工作平臺沿X、Y向運動。
2． 主軸
主軸部件包括主軸軸承、傳動件和相應(yīng)的緊固件。主軸的端部是標(biāo)準(zhǔn)的。傳動件如齒輪、帶輪等與一般的機械零件相同。機床主軸部件，三個方向的進給及其它部件滾動軸承，均采用潤滑脂潤滑。
3． 導(dǎo)軌
由運動和承導(dǎo)件組成。運動件：需要做直線運動的零部件。承導(dǎo)件：用于支承并限制運動件，使其只能按給定的要求和規(guī)定的方向作直線運動。設(shè)計中可采用滑動導(dǎo)軌，對導(dǎo)軌要求有以下幾點：
（1） 要有一定的導(dǎo)向精度。
（2） 要有良好的耐磨性。
（3） 要有足夠的剛度。
（4） 有減小熱變形影響。
（5） 要使運動輕便平穩(wěn)。
（6） 要有一定的工藝性。
主要用來支承和引導(dǎo)部件沿一定的軋道運動。要求導(dǎo)向精度高，耐磨性能好，足夠的剛度。本設(shè)計采用塑料導(dǎo)軌，鑲粘塑料導(dǎo)軌已廣泛用于數(shù)控機床。其摩擦系數(shù)小，且動、靜摩擦差很小，能防止低速爬行現(xiàn)象；耐磨性、抗撕傷能力強；加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好；工藝簡單，成本底；并有良好的自潤滑性和抗震性。塑料導(dǎo)軌多與淬硬剛導(dǎo)軌相配使用。
滑動導(dǎo)軌間隙的調(diào)整：采相應(yīng)的用刮、磨結(jié)合面或加墊片的方法以獲得相應(yīng)的間隙；鑲條調(diào)整，這是側(cè)向間隙常用的調(diào)整方法，鑲條有直鑲條和斜鑲條兩種。采用矩形導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌的特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗和修理較易，新導(dǎo)軌制造精度高，但導(dǎo)軌經(jīng)磨損后不能自動補償，導(dǎo)向性不如三角形導(dǎo)軌好。
三坐標(biāo)數(shù)控銑床采用貼塑導(dǎo)軌，這是一種金屬對塑料的摩擦形式。屬于滑動摩擦導(dǎo)軌，導(dǎo)軌一滑移面上貼有一層抗磨軟帶，導(dǎo)軌的另一滑移面上貼為淬火磨削面，軟帶是以聚四氟乙烯為基材，添加合金粉和高氧化物的高分子復(fù)合材料。塑料導(dǎo)軌剛性好、動靜摩擦系數(shù)差值小、耐磨性好、無爬行、抗振性好、化學(xué)的穩(wěn)定性好、維護修理方便、經(jīng)濟性好。
塑料導(dǎo)軌和其它導(dǎo)軌相比，有以下特點：
（1） 摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定性比鑄鐵導(dǎo)軌低一個數(shù)量級；
（2） 動靜摩擦系數(shù)相近，運動平穩(wěn)性和爬行性能較鑄鐵導(dǎo)軌副好；
（3） 吸收振動具有良好的阻尼性，優(yōu)于接觸剛度較低的滾動導(dǎo)軌和易于飄浮的靜壓導(dǎo)軌；
（4） 耐磨性好，有自身潤滑作用，無潤滑油也能工作，灰塵磨粒的遷入性好；
（5） 化學(xué)的穩(wěn)定性好，耐高、低溫、耐強酸強堿、強氟化劑及各種有機溶劑；
（6） 維護修理方便，軟帶磨損后更易更換；
（7） 經(jīng)濟性好、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，約為滾動導(dǎo)軌成本的1/120。三成復(fù)合材料DU 導(dǎo)軌板成本的1/4。
三個方向的導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副由自動間隙潤滑油泵進行定時潤滑，潤滑油泵安裝在立柱側(cè)面，通過分油器將潤滑油分送到各潤滑點上。
4． 進給裝置
三坐標(biāo)數(shù)控銑床的進給運動是數(shù)字控制的直接對象，不論點位控制還是連續(xù)控制，被加工工件的最后坐標(biāo)精度和輪廓精度都受到進給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，要注意以下三點進給運動要求：
（1） 減少運動件的摩擦力。進給系統(tǒng)雖有許多元件，但摩擦阻力主要來自絲杠和導(dǎo)軌。絲杠和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的滾動化是減少摩擦的重要措施之一。
（2） 提高傳動精度和剛度。在進給系統(tǒng)中滾珠絲杠和支承結(jié)構(gòu)是決定其傳動精度和剛度的主要部件，因此，必須首先保證它們的加工精度。
（3） 減少運動慣量。進給系統(tǒng)中每個元件的慣量對伺服機構(gòu)的啟動和制動特性都有直接的影響。尤其是處于高速運轉(zhuǎn)的零件，其慣性的影響更大。
5． 滾動絲杠
滾珠絲杠螺母副：在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動元件，以減少摩擦。當(dāng)絲杠與螺母相對運動時，滾珠沿螺旋槽向前滾動，在絲杠上滾過數(shù)圈以后通過回程引導(dǎo)裝置，逐個地又滾回到絲杠與螺母之間，構(gòu)成一個閉和回路。它的優(yōu)點是：
（1） 摩擦系數(shù)小，傳動效率高，η可達0.92-0.96，所需傳動轉(zhuǎn)矩小。
（2） 靈敏度高，傳動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生爬行，隨動精度和定位精度高。
（3） 磨損小，壽命長，精度保持性好。
（4） 可通過預(yù)緊和間隙消除措施提高軸向剛度和反向精度。
（5） 運動具有可逆性，不僅可以將旋轉(zhuǎn)運動。
6． 進給伺服系統(tǒng)
進給伺服系統(tǒng)的組成：有驅(qū)動控制單元、驅(qū)動元件、機械傳動部件、執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動控制單元和驅(qū)動元件組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)；檢測元件與反饋電路組成檢測裝置亦稱檢測系統(tǒng)。進給伺服系統(tǒng)中采用的驅(qū)動裝置為直流伺服電機。
7． 微處理器
用來集中控制，分時處理數(shù)控系統(tǒng)的各項任務(wù)。單微處理器機構(gòu)的基本組成包括：微處理器和總線、存儲I/O接口、MDI/CRT接口、位置控制器、PC。微機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要就是上述幾個部分的具體設(shè)計。
六 參考資料
1．?dāng)?shù)控機床設(shè)計手冊；
2．機械設(shè)計手冊；
3．機電傳動控制；
4．標(biāo)準(zhǔn)件手冊。
5. 機電一體化設(shè)計手冊
七 進度計劃
第一階段：完成所選課程，完成英文翻譯。
第二階段：完成畢業(yè)設(shè)計的總體規(guī)劃，查閱相關(guān)資料。
第三階段： 完成X-Y工作臺設(shè)計及相關(guān)計算。
第四階段： 完成磨頭設(shè)計。
第五階段： 完成控制系統(tǒng)設(shè)計。
第六階段： 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，出圖，準(zhǔn)備答辯。