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南京工程學(xué)院
工 業(yè) 中 心
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
題目：數(shù)控立車(chē)Z軸進(jìn)給系統(tǒng)及平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： D機(jī)加工123 學(xué) 號(hào)： 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(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名
馬鑫
學(xué) 號(hào)
231120511
專(zhuān) 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造
及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師姓名
劉桂芝
職 稱(chēng)
研究院級(jí)高工
所在院系
工業(yè)中心
課題來(lái)源
D.自擬課題
課題性質(zhì)
A.工程設(shè)計(jì)
課題名稱(chēng)
數(shù)控立車(chē)Z軸進(jìn)給系統(tǒng)及平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)
內(nèi)容和意義?
采用比較法、文本細(xì)讀法、綜合分析法進(jìn)行數(shù)控立車(chē)進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。使其達(dá)到對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度及刀具相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并且使平衡機(jī)構(gòu)能促進(jìn)改善立式機(jī)床Z軸的運(yùn)動(dòng)性能。
畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容：
1、機(jī)械制圖
a)CAD繪制立式加工中心Z軸驅(qū)動(dòng)裝配圖1號(hào)圖 1張
b)繪制其它零件CAD圖紙）
c)繪制立式加工中心Z軸運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,CAD圖紙折合0號(hào)2.5張 （約15個(gè)零件）
2、設(shè)計(jì)計(jì)算
Z軸（慣量匹配、轉(zhuǎn)矩匹配）計(jì)算，Z向（進(jìn)給力、滾珠絲杠預(yù)拉伸量）計(jì)算，Z向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的平衡量的計(jì)算
3、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
a)各零件成本分析
b) 課題成本計(jì)算
4、翻譯有關(guān)外文資料
5、撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）
本課題研究的意義：
本課題對(duì)數(shù)控立車(chē)Z軸進(jìn)給系統(tǒng)及其平衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其意義如下：
1、了解了立式車(chē)床的發(fā)展方向與作用
2、提升了我們獨(dú)立思考、創(chuàng)新與動(dòng)手的能力
3、對(duì)自己四年所學(xué)知識(shí)進(jìn)行了綜合的運(yùn)用與總結(jié)歸納
4、讓自己更加靈活的運(yùn)用自己學(xué)習(xí)的知識(shí)
5、提高了了自己的實(shí)際運(yùn)用能力
文獻(xiàn)綜述
從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高[1]數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。
進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)機(jī)床制造業(yè)既面臨著提升機(jī)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(jī)，也遭遇到加入WTO后激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力。從技術(shù)層面上來(lái)講，加速推進(jìn)數(shù)控技術(shù)將是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。而從國(guó)際上來(lái)說(shuō)，代表機(jī)床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)[2]，從某種意義上來(lái)說(shuō)，反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。
2003年我國(guó)機(jī)床消費(fèi)額達(dá)到67．3億美元，居世界第一位，其中數(shù)控機(jī)床占57％(37．5億美元)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床3681 3臺(tái)(產(chǎn)值約10．4億美元)．創(chuàng)歷史新高。
但是，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國(guó)外還有很大差距．技術(shù)含量較低的簡(jiǎn)易數(shù)控車(chē)床仍占主導(dǎo)地位，高檔數(shù)控機(jī)床及功能部件大多數(shù)依靠進(jìn)口。特別應(yīng)該引起注意的是．國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)占有率逐年下降，1 999年是33．6％，2003
年僅占27．7％，而進(jìn)口額逐年上升，1999年為8．7 8億美元(7624臺(tái))，2003年達(dá)27．1億美元(23320臺(tái))，相當(dāng)于同年國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值的2．7倍。因此，盡管當(dāng)前市場(chǎng)活躍、需求旺盛．如果只顧眼前生產(chǎn)，不了解國(guó)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)，提高自主開(kāi)發(fā)能力，積極培育新產(chǎn)品．那么在高潮過(guò)去以后，我國(guó)的機(jī)床工業(yè)將更加缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，有可能在家門(mén)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(duì)數(shù)控機(jī)床的要求越來(lái)越高，例如，鋁合金的廣泛應(yīng)用，高速加工數(shù)控機(jī)床就成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)是什么它有那些主要特征我認(rèn)為，應(yīng)首先滿(mǎn)足用戶(hù)以下要求：1、精度和可靠性高，機(jī)床的性能是穩(wěn)定的，能夠在不同運(yùn)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(yàn)工序。2、工序集約化，在一臺(tái)機(jī)床上盡可能加工完畢一個(gè)零件的所有工序，同時(shí)又保持機(jī)床的通用性，能夠迅速適應(yīng)加工對(duì)象的改變。3、機(jī)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(dú)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(hù)能夠隨時(shí)知道機(jī)床的狀態(tài)和加工能力。4、機(jī)床的效率高、運(yùn)行成本低，環(huán)境污染少，人機(jī)界面友好。[3]
數(shù)控車(chē)床幾何精度主要包括主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)精度、線性軸直線運(yùn)動(dòng)精度。主軸軸承精度等級(jí)、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
英文期刊文章引用：作者. 題名. 期刊名, 出版年份，期號(hào)：起止頁(yè)碼
文獻(xiàn)綜述
轉(zhuǎn)過(guò)程中熱變形等因素影響了主軸的幾何精度。機(jī)床床身底座剛性和動(dòng)態(tài)特性一負(fù)荷切削下機(jī)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(rùn)滑條件等因素影響了線性軸直線運(yùn)動(dòng)精度。GB／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(gè)點(diǎn)定位時(shí)的誤差范圍，它綜合反映了機(jī)床存在的幾何誤差、運(yùn)動(dòng)誤差、熱變形誤差等，它與機(jī)床的幾何精度共同對(duì)機(jī)床切削精度產(chǎn)生重要的影響，是數(shù)控車(chē)床最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。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(diǎn)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(biāo)。影響數(shù)控車(chē)床位置精度主要有絲杠的導(dǎo)程誤差、傳動(dòng)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(jī)的慣量匹配等因素。數(shù)控車(chē)床的電機(jī)、液壓泵、卡盤(pán)油缸等連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)引起機(jī)床結(jié)構(gòu)件的溫度產(chǎn)生波動(dòng)。一方面，這些結(jié)構(gòu)件會(huì)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(duì)稱(chēng)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(chē)床位置精度的一個(gè)重要因素。只有提高數(shù)控車(chē)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(chē)床工作精度不僅與機(jī)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(cè)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(chē)床工作精度是一個(gè)綜合影響的結(jié)果[4]。
數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制的直接對(duì)象，機(jī)床的定位精度和輪廓加工精度都會(huì)受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)中的傳動(dòng)裝置和元件要求具有高的壽命、高的剛度、無(wú)傳動(dòng)間隙、高的靈敏度和低摩擦阻力的特點(diǎn)。[5]
數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與普通車(chē)床、自動(dòng)和半自動(dòng)車(chē)床截然不同。它只用于伺服電動(dòng)機(jī)（直流或交流）驅(qū)動(dòng)，通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)刀架完成縱向（Z軸）和橫向（X軸）的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[6]。
車(chē)床的進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際使用、檢驗(yàn)，效果良好，滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)普通車(chē)床的精度要求；能夠方便的控制進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)數(shù)控，達(dá)到控制加工零件的形狀。通過(guò)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(jìn)給系統(tǒng)[7]。
伺服電機(jī)便于控制、工作可靠、使用方便，將伺服電機(jī)用于車(chē)床的進(jìn)給系統(tǒng)，達(dá)到方便地對(duì)橫向、縱向進(jìn)給進(jìn)行控制，對(duì)于現(xiàn)實(shí)普通車(chē)床的自動(dòng)化，提高其加工的精度和生產(chǎn)加工效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，有著非常重要的意義[8]。滾珠絲杠是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)主要部件，因其具有精密、高效的傳動(dòng)特點(diǎn)而被廣泛使用。滾珠絲杠作為傳動(dòng)元件，其軸向剛度直接影響了數(shù)控機(jī)床的定位精度及機(jī)床的整體性能。滾珠絲杠系統(tǒng)的傳動(dòng)部分通常由伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直連，或者由伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)
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文獻(xiàn)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(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的軸向定位精度有很大的影響，絲杠剛性不足會(huì)影響到加工工件的尺寸精度甚至導(dǎo)致加工缺陷。設(shè)計(jì)時(shí)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(chē)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式的不同，控制形式的不同，數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求也有所不同。對(duì)于點(diǎn)位控制的機(jī)床，主要應(yīng)滿(mǎn)足定位精度，盡量減少定位所需時(shí)間。而對(duì)于輪廓控制的機(jī)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特征[10]。
通常，數(shù)控車(chē)床對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本要求為：定位精度要高，跟蹤指令信號(hào)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(biāo)上，即穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)特征[10]。
影響整個(gè)伺服系統(tǒng)精度的因素除了伺服驅(qū)動(dòng)單元和電動(dòng)機(jī)外，也在很大程度上機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此，為保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，以達(dá)到較高的定位精度指標(biāo)，特別要求機(jī)械機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)間隙小、摩擦阻尼小。為此，對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)要求提出以下要求。1）減少摩擦阻尼2）提高傳動(dòng)精度和剛度3）消除傳動(dòng)間隙4）減小運(yùn)動(dòng)慣量5）寬的進(jìn)給調(diào)速范圍6）響應(yīng)速度要快7）穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)8）使用維護(hù)方便[11]。
立式機(jī)床的主軸部件與垂直運(yùn)動(dòng)部件通常設(shè)計(jì)為一體。向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力與重力方向一致，向上運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，而且影響機(jī)床加工精度的保持性，同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致在一定工況條件下，對(duì)運(yùn)動(dòng)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(jī)床的傳動(dòng)部件及驅(qū)動(dòng)部件的性能有了極大的提高，運(yùn)動(dòng)部件的重力對(duì)驅(qū)動(dòng)部件及傳動(dòng)部件的影響越來(lái)越小，但是目前的立式數(shù)控機(jī)床大多采用滾珠絲杠傳動(dòng)，而滾珠絲杠基本無(wú)自鎖，當(dāng)控制系統(tǒng)失電時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件會(huì)因重力而下滑，這是不容許的。因此，在分析現(xiàn)有平衡機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出的平衡機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案是一種新的獨(dú)特的垂直運(yùn)動(dòng)部件平衡即時(shí)同步機(jī)構(gòu)[12]。
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文獻(xiàn)綜述
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研究?jī)?nèi)容
數(shù)控立車(chē)Z軸進(jìn)給系統(tǒng)是機(jī)床在加工時(shí)直接帶動(dòng)刀具做直接運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)。本論文先從國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀以及新趨勢(shì)開(kāi)始闡述，引到我國(guó)數(shù)控機(jī)床面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展機(jī)遇，并提出發(fā)展方向。進(jìn)而對(duì)數(shù)控車(chē)床進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行研究。主要從它的設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)部件，影響剛度，精度和動(dòng)態(tài)性能的因素，伺服系統(tǒng)的分析，材料的選擇，進(jìn)給的特點(diǎn)以設(shè)計(jì)方面的注意點(diǎn)等方面進(jìn)行分析研究。
研究計(jì)劃
第1周 (2.22-2.26)?搜集資料，學(xué)習(xí)文獻(xiàn)，參觀工場(chǎng)，學(xué)習(xí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
第2周 (2.29-3.04)?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 (3.07-3.11）完成開(kāi)題報(bào)告及外文材料翻譯
第4周 (3.14-3.18)?完成裝配圖草圖設(shè)計(jì)，繪制進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
第5周 (3.21-3.25)?完成Z軸的各項(xiàng)計(jì)算
第6周 (3.28-4.01)?滾珠絲杠預(yù)拉伸計(jì)算、平衡系統(tǒng)的配重確定、裝配圖設(shè)計(jì)
第7周 (4.04-4.08）畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查
第8周 (4.11-4.15）進(jìn)行零件圖計(jì)算機(jī)繪圖
第9周 (4.18-4.22)?完成零件圖計(jì)算機(jī)繪圖
第10周(4.25-4.29）各零件及課題成本分析，件成本及課題成本計(jì)算
第11周(5.02-5.06)?修改論文并定稿
第12周(5.09-5.13)?修改論文并定稿
第13周(5.16-5.20)?論文評(píng)審及答辯資格確定
第15周(5.23-5.27)?畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯
第16周(5.30-6.03) 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(jī)械制造業(yè)的一次技術(shù)革命，使機(jī)械制造的的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。數(shù)控機(jī)床發(fā)展的新趨勢(shì)，效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
本文從數(shù)控機(jī)床的歷史說(shuō)起延生至數(shù)控車(chē)床的創(chuàng)新與發(fā)展，分析了立式數(shù)控車(chē)床Z軸進(jìn)給系統(tǒng)的材料、剛度、伺服機(jī)構(gòu)以及其他構(gòu)成部件以解決數(shù)控機(jī)床Z軸的精度、平衡和生產(chǎn)效率問(wèn)題。
指導(dǎo)教師
意 見(jiàn)
指導(dǎo)教師簽名：
2016年 月 日
分中心意見(jiàn)
中心意見(jiàn)
分中心主任簽名：
年 月 日
教學(xué)主任簽名：
年 月 日