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本科畢業(yè)設(shè)計開題報告
題 目： 320mm數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
院 （系）： 機械工程學(xué)院
班 級： 機制08-1 班
姓 名： 吳彬
學(xué) 號： 2008021480
指導(dǎo)教師： 盧玉梅
教師職稱： 講師
黑龍江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計開題報告
題 目
320mm數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
來源
工程實際
1、研究目的和意義
我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的數(shù)控化率僅為6％。這些機床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國內(nèi)、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。
而相對于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床有以下明顯的優(yōu)越性：
1、可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
2、可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。
3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
4、可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。
5、擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
因此，采用數(shù)控機床，可以降低工人的勞動強度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)。 此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
由于以上優(yōu)越性，數(shù)控機床所占的比例逐漸增大。從2005年的市場消費內(nèi)容也可可看出,普通機床的市場份額在下降,數(shù)控機床則大幅度增長，尤其是中高檔數(shù)控機床供不應(yīng)求?？梢灶A(yù)見，未來幾年普通機床的市場份額將不斷下滑, 數(shù)控機床的消費會逐漸擴大。[2] 通過本次設(shè)計培養(yǎng)綜合運用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，解決工程實際問題的能力，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻(xiàn)閱讀、程序編制、使用手冊等基本技能及能力得到訓(xùn)練和提高。此外，力求完成課題之余，熟悉國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,增強對如何發(fā)展民族數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的感性認(rèn)識。
2、國內(nèi)外發(fā)展情況
數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
自從1951年計算機技術(shù)應(yīng)用于機床上，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控（NC）和計算機數(shù)控（CNC）兩個階段的發(fā)展。目前，數(shù)控系統(tǒng)正處于第六代――基于PC（PC－BASED）。
未來數(shù)控系統(tǒng)將呈以下發(fā)展趨勢：
1、 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。
2、向高速化和高精度化發(fā)展
3、向智能化方向發(fā)展
（1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)向高速化和高精度化發(fā)展
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。
（2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)
（4）引入動裝置智能化數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)
可以通過自動識別負(fù)載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行
我國數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀
??? 機床產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，裝備制造業(yè)發(fā)展的重中之重?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）將“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”確定為16個科技重大專項之一。通過國家相關(guān)計劃的支持，我國在數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)研究方面有了較大突破，創(chuàng)造了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果和核心技術(shù)。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
???（1）中高檔數(shù)控機床的開發(fā)取得了較大進展，在五軸聯(lián)動、復(fù)合加工、數(shù)字化設(shè)計以及高速加工等一批關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破，自主開發(fā)了包括大型、五軸聯(lián)動數(shù)控加工機床，精密及超精密數(shù)控機床以及一大批專門化高性能機床，并形成了一批中檔數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化基地。
???（2）關(guān)鍵功能部件的技術(shù)水平、制造質(zhì)量逐年穩(wěn)步提高，功能逐步完善，部分性能指標(biāo)接近國際先進水平，形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的功能部件。開發(fā)出了高速主軸單元、高速滾珠絲杠、重載直線導(dǎo)軌、高速導(dǎo)軌防護裝置、直線電機、數(shù)控轉(zhuǎn)臺、刀庫與機械手、A/C軸數(shù)控銑頭、高速工具系統(tǒng)、數(shù)字化量儀等高性能功能部件樣機，其中有的品種已實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。
???（3）中高檔數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)研究與應(yīng)用取得一定成果。通過自主研發(fā)或與國外開展技術(shù)合作，在中檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)上取得明顯進展。初步解決了多坐標(biāo)聯(lián)動、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)難題；為適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的配套要求，相繼開發(fā)出交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和主軸交流伺服控制系統(tǒng)，并形成了系列化產(chǎn)品。
與國外的差距
???（1）高檔數(shù)控機床的國內(nèi)供應(yīng)能力不足。
??? 盡管我國機床行業(yè)近年來取得了長足的發(fā)展，數(shù)控化率穩(wěn)步提高，但機床消費和生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)性矛盾仍然比較突出。目前，國內(nèi)對中高檔機床的需求量逐漸超過低檔機床。但國產(chǎn)數(shù)控機床以低檔為主，高檔數(shù)控機床絕大部分依賴進口。
???（2）自主創(chuàng)新能力不足。
??? 長期以來，我國機床制造業(yè)的基礎(chǔ)、共性技術(shù)研究工作主要在行業(yè)性的研究院所進行。能力薄弱，技術(shù)創(chuàng)新投入不足，引進消化吸收能力差，低水平生產(chǎn)能力過剩，自主創(chuàng)新能力不高，缺乏優(yōu)秀技術(shù)人才。雖然國產(chǎn)數(shù)控機床制造商通過技術(shù)引進、海內(nèi)外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進數(shù)控技術(shù)，但缺乏對基礎(chǔ)共性技術(shù)的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，企業(yè)的市場響應(yīng)速度慢。
???（3）產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性及服務(wù)等能力不強。
??? 國產(chǎn)機床在質(zhì)量、交貨期和服務(wù)等方面與國外著名品牌相比存在較大的差距。在質(zhì)量方面，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)MTBF與國際先進數(shù)控系統(tǒng)相差較大。國產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心的MTBF與國際上先進水平也有較大差距。在交貨期方面，絕大多數(shù)企業(yè)由于任務(wù)重拖期交貨。服務(wù)體系不健全，在市場開拓、成套技術(shù)服務(wù)、快速反應(yīng)能力等方面不能滿足市場快節(jié)奏和個性化的要求。
???（4）功能部件發(fā)展滯后。
??? 機床是由各種功能部件（主軸單元及主軸頭、滾珠絲杠副、回轉(zhuǎn)工作臺和數(shù)控伺服系統(tǒng)等）在床身、立柱等基礎(chǔ)機架上集裝而成的，功能部件是數(shù)控機床的重要組成部分。數(shù)控機床整體技術(shù)與數(shù)控機床功能部件的發(fā)展是相互依賴、共同發(fā)展的，所以功能部件的創(chuàng)新也深深地影響著數(shù)控機床的發(fā)展。我國數(shù)控機床功能部件已有一定規(guī)模，電主軸、主軸單元、數(shù)控系統(tǒng)等也有專門的制造廠家，其中個別產(chǎn)品的制造水平接近國際先進水平。但整體上，我國機床功能部件發(fā)展緩慢、品種少、產(chǎn)業(yè)化程度低，精度指標(biāo)和性能指標(biāo)的綜合情況還不過硬。目前，滾珠絲杠、數(shù)控刀架、電主軸等功能部件僅能滿足中低檔數(shù)控機床的配套需要。衡量數(shù)控機床水平的高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速精密電主軸、高速滾動功能部件等還依賴進口。
3、研究/設(shè)計的目標(biāo)：
現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度的方向發(fā)展，要求機床主傳動系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)速和更大的無極調(diào)速范圍；在切削加工中能自動變換速度，機床結(jié)構(gòu)要簡單，噪聲要小，動態(tài)性能要好，可靠性要高。數(shù)控車床作為高度自動化的機電一體化設(shè)備，其主傳動系統(tǒng)的設(shè)計一般應(yīng)滿足如下基本要求。
（1）使用性能要求 首先應(yīng)滿足機床的運動特性，如機床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)。傳動系統(tǒng)設(shè)計合理，操縱方便靈活、迅速、安全可靠。
（2）傳遞動力要求 主電動機和傳動機能提供和傳遞足夠的功率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動效率。
（3）工作性能要求 主傳動中所有零部件要有足夠的剛度、精度和抗震性，熱變形特性穩(wěn)定。
此外，還要求主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整和維修；工藝性好，便于加工和裝配；防護性能好；使用壽命長。
4、設(shè)計方案：
主傳動系統(tǒng)的傳動方式
機床主傳動系統(tǒng)可分為分級變速傳動和無極變速傳動。無極變速傳動可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳速度，能在運轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)通常采用無級變速傳動。
與普通機床相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直流主軸調(diào)速電動機，電動機調(diào)速范圍大，并可無極調(diào)速，使主軸箱結(jié)構(gòu)大為簡化。為了適應(yīng)不同的加工需要，數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)有以下三種傳動方式。
（1）由電動機直接驅(qū)動 主軸電動機與主軸通過聯(lián)軸器直接連接，或采用內(nèi)裝式主軸電動機直接驅(qū)動，。采用直接驅(qū)動可大大簡化主軸箱結(jié)構(gòu)，能有效地提高主軸剛度。這種傳動的特點是主軸轉(zhuǎn)速的變化、輸出轉(zhuǎn)矩與電動機的特性完全一致。但由于主軸的功率和轉(zhuǎn)矩特性直接決定于主軸電動機的性能，因而使這種變速傳動的應(yīng)用受到一定限制。
（2）采用定比傳動 主軸電動機經(jīng)定比傳動傳遞給主軸。定比傳動可采用帶傳動或齒輪傳動，。帶傳動具有傳動噪聲小、振動小的優(yōu)點，一般應(yīng)用在中、小型數(shù)控車床上。采用定比傳動擴大了直接驅(qū)動的應(yīng)用范圍，即在一定程度上能滿足主軸功率與轉(zhuǎn)鉅的要求，但其變速范圍仍與電動機的調(diào)速范圍相同。
（3）采用分檔變速傳動 采用分檔變速傳動主要是為了解決主軸電動機的功率特性與機床主軸功率特性的匹配。變速機構(gòu)一般仍采用齒輪副來實現(xiàn)，。通過電動機的無級變速，配合變速機構(gòu)可確保主軸的功率、轉(zhuǎn)矩要求。目前，電動機本身的調(diào)速范圍已達(dá)1:100—1:1000，所以多數(shù)機床的變速傳動機構(gòu)不超過2級。采用分檔變速傳動可適應(yīng)更多種類的刀具材料和更廣泛的工藝要求，并滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出，特別是保證低速時的轉(zhuǎn)矩和擴大恒功率的調(diào)速范圍。
經(jīng)綜合比較，所設(shè)計車床屬于中、小型，采用定比傳動方式較好。
5、方案的可行性分析：
320mm數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括確定車床的傳動方式，確定主軸的轉(zhuǎn)速，確定傳動軸的轉(zhuǎn)速及其他運動參數(shù)和動力參數(shù)的確定。車床主軸采用高精度主軸專用角接觸球軸承支承，并采用高速潤滑脂潤滑。車床的進給軸由混合式步進電機（或交流伺服電機）直接驅(qū)動滾珠絲杠副，帶動溜板運動。為了提高進給軸的動態(tài)響應(yīng)時間，減少摩擦和磨損，車床的移動副都采用了貼塑工藝。車床的移動導(dǎo)軌副和滾珠絲杠副的潤滑采用手動集中潤滑系統(tǒng)（或間歇式自動潤滑系統(tǒng)），方便了各潤滑點的潤滑。其主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、能保證一定的加工精度和表面質(zhì)量切較為經(jīng)濟。
通過綜合分析以上設(shè)計方法和設(shè)計制造難度，方案可行。
6、該設(shè)計的創(chuàng)新之處
所設(shè)計主傳動系統(tǒng)有更大的調(diào)速范圍，能實現(xiàn)無極調(diào)速。無級變速電機的性能進一步提高，價格下降，直接由電機通過皮帶將動力傳給主軸，這樣數(shù)控機床的主軸系統(tǒng)進一步簡化，速度進一步提高。特別是電主軸的應(yīng)用，真正將數(shù)控機床帶入了超高速時代。從而生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量等都有提高。而且傳動較平穩(wěn)，噪聲較低?？拐裥砸灿兴岣?。
7、設(shè)計產(chǎn)品的主要用途和應(yīng)用領(lǐng)域：
數(shù)控車床用于加工軸類或盤類的回轉(zhuǎn)體零件，可自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋等工序的切削加工。可加工高精度的曲面與端面螺紋。用的刀具主要是車刀、各種孔加工刀具（如鉆頭、鉸刀、鏜刀等）及螺紋刀具。數(shù)控車床和盤類零件上的回轉(zhuǎn)表面。數(shù)控車床加工零件的尺寸精度可達(dá)IT5—IT6，表面粗糙度可達(dá)Ra1.6μm以下。在汽車、船舶、飛機、模具等行業(yè)都有重要作用。
8、時間進程
3月19日-3月23日 整理實習(xí)日記、撰寫實習(xí)總結(jié)和準(zhǔn)備開題。
3月26日-3月30日 總體結(jié)構(gòu)確定。
4月2日-4月6日 主傳動系統(tǒng)傳動方式確定。
4月9日-4月13日 計算及選擇其運動參數(shù)和動力參數(shù)。
4月16日-4月20日 各零部件的設(shè)計計算。
4月23日-5月4日 繪制床頭箱裝配總圖。
5月7日-5月25日 繪制主要零部件圖。
5月28日-6月4日 修改圖紙，撰寫及核對說明書,準(zhǔn)備答辯。
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指導(dǎo)教師意見
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