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開 題 報(bào) 告
一、 課題介紹
近些年來，隨著機(jī)械工業(yè)在我國的迅猛發(fā)展，被稱為工作“母機(jī)”的金屬切削機(jī)床也有了前所未有的進(jìn)步。2003年開始，中國就成了全球最大的機(jī)床消費(fèi)國，也是世界上最大的數(shù)控機(jī)床進(jìn)口國。磨床是機(jī)械加工后道工序的關(guān)鍵設(shè)備。車、銑、刨、鏜床等金切機(jī)床上難以加工的淬硬材料和難加工材料或達(dá)不到精度要求的機(jī)械零件都在磨床上加工。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)品的加工精度越來越高，表面粗糙度越來越低， 使得磨床在國民經(jīng)濟(jì)各部門的作用越來越大。因而專用于導(dǎo)軌和平面加工的導(dǎo)軌磨床的需求量越來越大。而且， 國內(nèi)外實(shí)踐證明，用磨削方法加工的導(dǎo)軌表面，在工作中能很好形成油膜，耐磨性亦比刮研的導(dǎo)軌面高， 況且磨削加工機(jī)床導(dǎo)軌面比刮研的方法生產(chǎn)率要高。盡管近年來國內(nèi)的導(dǎo)軌磨床有了較大的發(fā)展，但與國外設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的先進(jìn)的導(dǎo)軌磨床相比尚有很大的差距，特別是在精度和自動(dòng)化方面，從而導(dǎo)致每年必須進(jìn)口相當(dāng)數(shù)量的數(shù)控導(dǎo)軌磨床。由此可見，加大力度設(shè)計(jì)和研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控導(dǎo)軌磨床是必要的也是必須的。下面首先簡單介紹一下國內(nèi)外數(shù)控導(dǎo)軌磨床的發(fā)展情況。
課題名稱：數(shù)控導(dǎo)軌磨床設(shè)計(jì)
課題背景：
目前，在國際上德國、日本和瑞典的機(jī)床制造水平最高。其中德國、瑞典在制造精度方面處于領(lǐng)先地位，日本則在產(chǎn)量和自動(dòng)化方面占有優(yōu)勢。在諸多龍門導(dǎo)軌磨床制造廠之中， 以德國瓦德利希·柯堡(Waldrich Coburg)公司水平最高。該公司從70年代開始發(fā)展數(shù)控導(dǎo)軌磨床。近年來在S系列的基礎(chǔ)上， 相繼開發(fā)了SPS系列部分自動(dòng)華化龍門導(dǎo)軌磨床、SNC系列全自動(dòng)導(dǎo)軌磨床和SZ系列超級(jí)自動(dòng)化的磨削中心。SPS 系列磨床采用Siemens 810M 數(shù)控系統(tǒng)， 控制萬能磨頭垂直(z軸)和水平(y軸)運(yùn)動(dòng)， 以及萬能磨頭在垂直平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)( 軸)； 控制周邊磨頭的垂直( 軸)和水平軸 軸)的運(yùn)動(dòng)。SNC系列壘自動(dòng)導(dǎo)軌磨床采用Siemens 850M或880M 的數(shù)控系統(tǒng)。除少數(shù)監(jiān)督功能外， 自動(dòng)完成全部磨削加工， 開發(fā)了導(dǎo)軌磨床的專用軟件， 其最多控制軸可達(dá)l1軸。SZ系列超級(jí)自動(dòng)他磨削中心，采用Siemens 850或880M 數(shù)控系統(tǒng)， 橫粱固定， 用一個(gè)萬能磨頭， 其功率可達(dá)l 8．5kW 和22kW。垂直拖板的行程可達(dá)l250mm。裝備有砂輪庫， 可自動(dòng)換砂輪和砂輪罩殼， 具有雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)， 以提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。除裝卸工件外， 機(jī)床自動(dòng)完成全部磨削加工。包括砂輪的自動(dòng)修正和補(bǔ)償， 按NC要求進(jìn)行砂輪的動(dòng)平衡， 磨頭主軸的自動(dòng)定位，按NC要求實(shí)現(xiàn)機(jī)床的磨削自動(dòng)工作循環(huán)。
盡管近年來國內(nèi)的導(dǎo)軌磨床有了較大的發(fā)展，但與國外設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的先進(jìn)的導(dǎo)軌磨床相比尚有很大的差距。主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：1．裝備方面機(jī)床精度，切削效率，自動(dòng)化程度， 吸塵防護(hù)以及操作性能與國外有關(guān)資料介紹的還有很大差距。另外， 機(jī)床的一些基礎(chǔ)件， 如各種液壓、氣動(dòng)聞，電子元件等可靠性不好， 從而影響了整機(jī)的性能。特別是：機(jī)床關(guān)鍵零部件，如導(dǎo)軌，箱體件，齒輪副，絲杠，軸等的加工工藝與國外相比還很落后，不能滿足高精密機(jī)床的要求。2．加工方面國內(nèi)生產(chǎn)的導(dǎo)軌磨床的磨削精度， 表面粗糙度， 表面波紋度等與國外先進(jìn)水平相比尚存在一定差距。特別是：對(duì)于導(dǎo)軌磨床這種精密機(jī)床來說， 加工工件表面的波紋度越來越引起有關(guān)人士的關(guān)注。盡管近年來國內(nèi)許多專家，學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究， 但至今還沒有一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)波紋度的標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的測試手段和測試議器、3．測量方面：與國外先進(jìn)水平相比， 國內(nèi)在對(duì)用導(dǎo)軌磨床加工好的導(dǎo)軌副的測量技術(shù)也是落后的。國外普遍在生產(chǎn)車間直接采用精密測量設(shè)備來測量機(jī)床導(dǎo)軌，如激光測最儀，電子水平儀， 電子千分尺 三坐標(biāo)測量機(jī)等。而國內(nèi)對(duì)于導(dǎo)軌副的測量還沒有普遍采用自動(dòng)測量。目前國內(nèi)數(shù)控導(dǎo)軌磨床的主要生產(chǎn)廠家有：上海重型機(jī)床廠、杭州機(jī)床集團(tuán)、長春第一機(jī)床廠等。
工作內(nèi)容和要求：
主要內(nèi)容:
設(shè)計(jì)數(shù)控導(dǎo)軌磨床MM5216的總布置圖、周邊磨頭部件圖、關(guān)鍵零件圖、電氣控制原理圖。
設(shè)計(jì)工作量
1. 設(shè)計(jì)圖量：A0 4張，其中
總布置圖 A0 1張
周邊磨頭部件圖 A0 1張
關(guān)鍵零件圖折合 A0 1張
電氣控制原理圖 A01張
2．設(shè)計(jì)說明書2.5萬字以上
3．英文翻譯5000漢字
4．編程語句100句以上
課題的重點(diǎn)和難點(diǎn)：
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):
導(dǎo)軌磨床整體采用雙柱式龍門框架結(jié)構(gòu)，由床身、工作臺(tái)、立柱、橫梁、滑板、磨頭等主要部件組成。床身浮置于地基之上，磨削受熱之后，可以在水平方向內(nèi)自由伸縮，從而提高了工件在垂直方向的直線度。
其次，工作臺(tái)與立柱之間采用分離型結(jié)構(gòu)，以減小工作臺(tái)由于熱變形而對(duì)立柱、橫梁的影響，提高了磨頭的運(yùn)動(dòng)精度。
另外，床身、工作臺(tái)為雙V型自定位導(dǎo)軌，使工作臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中受到對(duì)稱摩擦力，消除了一V一平導(dǎo)軌由于摩擦不對(duì)稱而產(chǎn)生的彎曲和震動(dòng)，提高了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線性，工作臺(tái)導(dǎo)軌表面貼塑。其特點(diǎn)是摩擦因數(shù)小，耗能低；動(dòng)靜摩擦因數(shù)接近，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好；阻尼特性好，能吸收振動(dòng)，抗陣性好，有自身潤滑作用，沒有潤滑油也能正常工作，使用壽命長；結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)修理方便，磨損后容易更換，經(jīng)濟(jì)性好。工作臺(tái)上的一條V型導(dǎo)軌體與其底部用螺釘緊固，另一條V型導(dǎo)軌體2用橫向鍵1與其保持橫向滑動(dòng)定位，稱為自位導(dǎo)軌，由于這一條V型導(dǎo)軌體是橫向可浮動(dòng)的，工作臺(tái)和床身配合的二個(gè)V型導(dǎo)軌中心距能自動(dòng)修正，補(bǔ)償由導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)熱而引起的中心距變化。工作臺(tái)的縱向進(jìn)給由液壓系統(tǒng)來控制。
MM52160的橫梁固定在立柱上，磨頭的橫向進(jìn)給由橫梁絲杠帶動(dòng)水平滑板運(yùn)動(dòng)來完成；磨頭的垂直進(jìn)給則由垂直滑板與水平滑板之間的絲杠螺母副來傳遞運(yùn)動(dòng)。磨頭的水平及垂直運(yùn)動(dòng)均采用滾動(dòng)導(dǎo)軌，以消除爬行， 導(dǎo)軌體為淬硬鋼條，提高壽命和精度保持性。周邊磨頭主軸只在水平位置上工作，特點(diǎn)是功率大，精度高，能獲得較高的表面光潔度。主軸軸承結(jié)構(gòu)采用液體靜壓軸承，具有較高的主軸回轉(zhuǎn)精度。
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
導(dǎo)軌磨床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的工程，這里僅對(duì)其兩個(gè)磨頭的水平和垂直進(jìn)給控制系統(tǒng)進(jìn)行簡單原理設(shè)計(jì)。根據(jù)加工工藝需要，周邊磨頭有五種進(jìn)給方式：快速移動(dòng)、慢速移動(dòng)、周期進(jìn)給、連續(xù)進(jìn)給以及微量進(jìn)給；萬能磨頭有三種進(jìn)給方式快速移動(dòng)、慢速移動(dòng)和微量進(jìn)給。但周邊磨頭和萬能磨頭不能夠同時(shí)工作，因此可以只用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，通過電磁離合器來選擇需要控制的磨頭，用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)通過位移和速度傳感器將磨頭的工作狀態(tài)反饋給單片機(jī)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
周邊和萬能磨頭的主電機(jī)選用可變頻調(diào)速的三項(xiàng)異步電機(jī)，通過變頻器來實(shí)現(xiàn)速度變化的調(diào)節(jié)。液體靜壓導(dǎo)軌、液體靜壓潤滑軸承及工作臺(tái)縱向移動(dòng)均采用液壓系統(tǒng)來控制。
可能用到的主要知識(shí)和技能：
磨削原理及磨削變形對(duì)加工精度的影響，零件、材料強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的計(jì)算，液壓原理及相關(guān)計(jì)算，機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械零部件設(shè)計(jì)以及機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。同時(shí)，需要有一定的計(jì)算機(jī)繪圖能力。
需要自學(xué)的知識(shí)和技能：
單片機(jī)原理及接口技術(shù)；伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)及選擇方法；機(jī)械精度設(shè)計(jì)以及導(dǎo)軌磨床常用結(jié)構(gòu)等。
二、 工作計(jì)劃
2005.9-2006.2 學(xué)習(xí)指定的選修課程，查閱文獻(xiàn)資料，翻譯外文資料。
2006.3.20-2006.3.27 畢業(yè)實(shí)習(xí)，理解課題的關(guān)鍵技術(shù)，查閱相關(guān)資料。
2006.3.28-2006.4.18 總布置圖設(shè)計(jì)，確定各關(guān)鍵參數(shù)。
2006.4.19-2006.5.19 周邊磨頭部件裝配圖設(shè)計(jì)
2006.5.20-2006.6.10 電氣控制原理圖設(shè)計(jì)，零件圖設(shè)計(jì)。
2006.6.11-2006.6.20 撰寫設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備答辯，答辯。
三、 參考文獻(xiàn)
1．磨床設(shè)計(jì)
2．機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)
3．?dāng)?shù)控機(jī)床
4．機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)
5．機(jī)電傳動(dòng)與控制
6．單片機(jī)原理及應(yīng)用
7．步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)產(chǎn)品說明書
8．液壓傳動(dòng)與控制
9. 機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)
10．導(dǎo)軌磨床機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
11. 龍門導(dǎo)軌磨床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
12. 淺述我國導(dǎo)軌磨床的發(fā)展途徑