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hys开题
毕业设计(论文)
开题报告
题目CJK6132数控机床的设计
主运动的设计
系别:
机械工程系
专业班级:
机械设计制造及自动化
姓名:
学号:
指导教师:
二〇〇九年三月二十三日
一、选题的背景和意义(所选课题的历史背景、国内外研究现状和发展趋势)
数控机床就是在数字控制下,能在尺寸精度和几何精度两方面完成金属毛坯零件加工成所需要形状的工作母机的总称。
数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。
数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品,是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。
它的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。
数控车床是数控机床的主要品种之一,它在数控机床中占有非常重要的位置,几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。
从目前的情况来看,高档数控车床产品的大规模应用,在相当多的企业里,不论是技术上还是在人员上都还不成熟。
企业为了与竞争对手抗衡,必须进行经济而有效的生产,同时又降低成本。
因此,安全可靠、自动化程度高、物美价廉的经济型数控车床就成为普通车床的最好替代产品,在国内长期需求旺盛。
我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代,通过"六五"期间引进数控技术,"七五"期间组织消化吸收"科技攻关",我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩.特别是最近几年,我国数控产业发展迅速,1998~2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%—34.9%。
尽管如此,进口机床的发展势头依然强劲,从2002年开始,中国连续三年成为世界机床消费第一大国,机床进口第一大国,2004年中国机床消费高达94.6亿美元,但进出口逆差严重,国产机床市场占有率连年下降,1999年是33.6%,2003年仅占27.7%。
1999年机床进口额为8.78亿美元(7624台),2003年达27.1亿美元(23320台),相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。
国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显,70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。
由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力,究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够,制造水平依然落后,服务意识与能力欠缺,数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。
我们应看清形势,充分认识国产数控机床的不足,努力发展先进技术,加大技术创新与培训服务力度,以缩短与发达国家之间的差距。
数控机床的发展趋势,概括地说,就是具有高速、精密、多轴及功能复合化特点。
其主要技术特点是:
其装备有主动换刀装置和计算机控制系统。
工件经一次装夹后,可以连续自动完成车、钻、扩等多种工序,并且实现了对复杂型面零件的自动化加工。
当今数控机床的重点发展方向有两个:
高速数控机床,以高速度来达到高效率。
目前的国际水平是主轴转速≤25000rpm,加、减速度≤2.5g,快速移动≤160m/min,要达到这个新的水平,数控机床的驱动、机械传动、机械结构、刀具都要有很大的改进。
机床的主轴必须使用电主轴,主轴承一般采用陶瓷轴承,难点是冷却、润滑,使用寿命一般20,000h。
驱动一般采用直线电机加线性导轨(也有用静压导轨的),90m/min,1g的机床也有用大螺距双滚珠丝杆预张紧方案的双伺服电机驱动的。
机械结构一般采用框架箱式结构。
刀具采用高硬度高耐热刀具,刀柄采用HSK对柄。
以数控机床专机化或者是专用机床数控化来解决柔性和高效率的矛盾。
目前,欧美汽车生产大多采用由高速加工中心组成的敏捷生产系统,这种系统可以100%的柔性混流多品种生产,由多个称作岛式的柔性加工单元组成,每个岛由多台同类机床及将机床连接起来的机械手组成,采用带电子贮存器的随托盘与机床进行信息交换。
值得注意的是这些设备供应商不仅掌握了设备制造的专有技术,而且都非常重视汽车制造工艺流程的开发,他们能够向用户提供交钥匙工程,拥有自己的系统开发能力。
机床的可靠性指标极为先进,单机开动率达98%以上。
采用这种生产系统,汽车制造厂家的新产品的工业化投放周期大大缩短。
我国对数控技术的研究,虽然已掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术,其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础,部分技术已商品化、产业化,并初步形成了数控产业基地,建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍,但是高端数控技术的研究开发,尤其是产业化方面的技术水平现状与我国的需求还有比较大的差距。
为什么要设计此类数控车床呢?
因为随着我国国民经济的不断发展,我国制造业领域涌现出了许多私营企业,这些企业的规模普遍不大,没有太多的资本。
一些全功能数控系统,其功能虽然丰富,但成本高,对于这些中小型企业来说购置困难,但是中小型企业为了发展生产,希望对原有机床进行改造,进行数控化、自动化,以提高生产效率。
我国机床工业的发展现状是机床拥有量比较大、工业生产规模小,突出的任务就是用较少的资金迅速改变机械工业落后的生产面貌,使之尽可能提高自动化程度,保证加工质量,减轻劳动强度,提高经济效益。
我国是拥有300多万台机床的国家,而这些机床又大量是多年累积生产的通用机床,自动化程度低,要想在近几年内用自动和精密设备更新现有机床,不论是资金还是我国机床厂的能力都是办不到的。
因此,普通机床的数控改造,大有可为。
它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平,已成为我国设备技术改造主要方法之一。
目前,我国经济型数控系统发展迅速,研制了几十种简易数控系统,有力地促进了我国数控事业的发展。
经济型数控机床系统就是结合现实的生产实际,我国的国情,在满足系统基本功能的前提下,尽可能地降低价格。
经济型数控车床有许多优点:
1)适用于多品种、中小批量产品的适应性强。
在普通车床上加工的产品,大都可在经济型数控车床上进行。
加工不同零件,只要改变加工程序,很快适应和达到批量生产的要求。
2)相对于普通车床,经济型数控车床能提高产品质量,降低废品损失。
数控有较高的加工精度,加工出的产品尺寸一致性好,合格率高。
3)采用数控车床,能解决复杂的加工精度,还能节约大量工装费用,降低生产成本。
4)采用此类车床,还能减轻工人劳动强度将工人从紧张、繁重的体力劳动中解脱出来。
5)可以提高工人素质,促进技术进步。
数控系统的出现扩大了工人的视野,带动了学习微电子技术的热潮,为工人由“体力型”向“智力型”过渡创造了条件,促进了工厂的技术进步。
6)增强了企业应变能力,为提高企业竞争能力创造了条件。
企业应用经济型数控设备对设备进行升级后,提高了加工精度和批量生产的能力,同时又保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性,提高设备自身对产品更新换代所需要的应变能力,增强企业的竞争能力。
7)其降格便宜,且性能价格比适中,与进口标准数控车床相比,前者只需两三万元左右,后者则需十万甚至几十万元。
因此,它特别适合于在设备中占有较大比重的普通车床,适合在生产第一线大面积推广。
柳州是广西工业重镇,汽车、工程机械、冶金是柳州市支柱产业。
汽车工业产值已达200亿元,其中零配件产值达100亿元。
国内三大汽车集团均在柳州设立基地,柳州已成为国内汽车生产、销售竟争的前沿。
在这种形势下,这几年汽车行业和工程机械行业的快速发展,机床的需求量增长很快,特别是数控机床的需求量增长比例较大。
目前不但大中企业技术改造需要大量数控机床,而且一些私营企业、学校也需要大量数控机床。
据调查,各企业数控机床占有率由原来的1%上升到5%以上。
根据预测5年内各企业机床数控比率要上升到20~30%。
据对柳州市几家机床销售公司调查统计,2003年柳州市的销售额大2~3亿元,数控等高精尖设备占了40%。
由此可见,柳州市甚至于广西的数控机床市场十分广阔,发展数控机床意义重大。
二、研究的基本内容和拟解决的主要问题
设计本数控车床,总体布局和结构形式与普通车床类似,主要还是由床身、床头箱、刀架、进给系统、液压、冷却、润滑等部分组成。
但与普通车床不同的是,动力源拟采用主轴电机和交流伺服电机,并选择匹配的数控系统使控制系统实现CNC,从而能连续控制刀架的纵向(Z轴)和横向(X轴)进给运动,完成对各类回转体零件内外型面的加工,如车削圆柱、圆锥、圆弧及各类螺纹等。
进给系统,与普通车床的进给系统也有质的区别,没有传统的进给箱、溜板箱、挂轮箱,而是直接由伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架,实现进给运动。
控制系统拟采用半闭环控制方式,这种控制系统,相比较于开环系统,它具有较高的精度,而闭环系统的设计和调整都有较大的难度,设计和调整的不好,很容易造成系统的不稳定。
半闭环控制系统的检测元件装在电机或丝杠的端头,系统的闭合环路内不包括机械传动环节,因此可获得稳定的控制特性,再采用高分辨率的测量元件(如脉冲编码器),便可获得比较满意的精度和速度。
因此,这种设计方案使得主运动和进给运动系统机械机构大大简化,即此种方案是可行的。
其它如机床导轨采用耐磨铸铁并进行高频淬火处理;选配立式电动刀架、手动卡盘、手动尾架;床鞍及中拖板导轨结合面贴塑处理。
在设计经济型数控车床横向(X轴)进给传动部分时,拟定采用驱动电机经变速的方式减速驱动滚珠丝杠带动刀架横向移动。
电机和丝杠螺母固定在中拖板上。
当然,在驱动电机的转矩足够大,且结构许可的情况下,也可以不用减速驱动机构,由电机直接与丝杠副相连,这样可使机构简化,减少转动惯量,减少产生定位误差的环节。
但因电机与丝杠必须同轴,使零件加工精度要求提高,安装困难加大,所以在设计中还是采用减速机构。
采用减速机构,不仅可达到所需的脉冲当量,还可满足结构要求和增大扭矩的特性。
本次设计的CJK6132数控车床是一款经济型普及数控车床,数控系统控制主传动及纵、横向进给传动。
主轴由双速电机驱动,机械(手动)变速。
纵、横向进给传动由交流伺服电机驱动,精密滚珠丝杠传动,实现高速μm级控制。
床鞍及中拖板贴塑处理,使移动部件能够得到精确微量移动,有利于提高加工精度。
床身导轨高频淬火处理,整体式床座,全封闭钣金防护,机床的刚性、加工精度等得到全面、有效提高,功能涵盖所有普通车床和仿形车床的所有工作,加工质量和生产率大幅度提高,是一种较理想的半自动化车床,可适用于各行各业,具有较高性价比,操作使用简便,比较适合我国国情的一种数控自动化机床。
CJK6132数控车床的性能及主要参数
◎机床采用GTC2E数控系统(可根据用户要求选配系统)。
X轴和Y轴采用交流侍服驱动,可实现高速Mm级控制。
◎机床采用整体床脚。
床身导轨超音频淬火,精密磨削。
床鞍导轨面贴塑,运行平稳,摩擦系数小,具自润滑特点。
◎机床结构紧凑,钢性好,密度高,能自动完成对内外圆柱面、端面、切槽、圆锥面、圆弧面及螺纹的切削加工。
操作方便,加工质量稳定,效率高,适合各种机械产品复杂零件的批量加工。
主要技术规格
◎床身上最大工件回转直径320mm
◎最大工件长度750mm
◎刀架上最大车削直径180mm
◎最大车削长度625mm
◎主轴孔径40mm
◎主轴转速范围22-2000r/min
◎纵向快速移动6m/min
◎横向快速移动3m/min
◎最大纵向行程625mm
◎最大横向行程160mm
◎刀架工位数4
◎主电机功率2.2/2.8kw
◎机床外形尺寸(长x宽x高)1890mmx835mmx1580mm
三、研究方法及措施
在本次设计中,采用双速电机传动设计,机床主传动可采用液压操纵机构,可实现十二级转速。
机床主轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理,传动比稳定,运转噪音低。
机床主轴为二支撑结构,前支撑采用C级高精度轴承,润滑油润滑,提高了回转精度,使机床主轴具有良好的精度和刚性。
机床采用单片式电磁刹车离合器,解决主轴的刹车及离合问题,离合器安装于主轴箱带轮处,使床头箱内结构大为简化,便于维修。
机床两轴进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式,在滑板与床鞍及床鞍与床身之间的滑动面处贴有TSF导轨板,滑动磨擦系数非常小,有助于提高了机床的快速响应性能及生产效率。
机床采用立式四工位刀架,该刀架布刀方便,刚性好。
进给方面,采用开环数控系统,即步进电机数控进给方式。
采用步进电机开环数控系统已基本能满足进给精度的要求。
主传动由于采用了电机双速传动方案,使机构大大简化,可以较好的隔离电机及变速箱的震动,解决了热变形对主轴的影响,提高机床的加工精度。
再者,数控系统可以采用单片机技术,其可靠性高,成本低,经济性好。
在总体性能上可以达到经济精密数控机床之列,达到较好的性价比。
该机床可以加工各种轴类、盘类零件,可以车削各种螺纹、圆弧、圆锥及回转体的内外曲面。
作为通用型机床,特别适合汽车工业、摩托车行业、电子工业、航天、军工等行业,对旋转体类零件进行高效、大批量、高精度加工时采用。
机床采用机、电、液一体化结构,整体布局紧凑合理,便于维修和保养,外形符合人机工程学的原理,宜人性好,便于操作。
本设计中的数控车床主传动系统的特点就是主电机采用双速电机,这样可以简化箱体内的结构。
操纵方式并非是完全数控,而是在一定范围内实现十二级手动变速。
主传动由动力源、变速装置及执行元件(如主轴、刀架、工作台等)部分组成。
主传动系统属于外联系传动链。
主传动包括动力源(电动机)、变速装置、定比传动机构、主轴组件、操纵机构等十部分组成。
1、动力源
电动机或液压马达,它给执行件提供动力,并使其获得一定的运动速度和方向。
2、定比传动机构
具有固定传动比的传动机构,用来实现降速、升速或运动联接,本设计中采用齿轮和带传动。
3、变速装置
传递动力、运动以及变换运动速度的装置,本设计中采用一个双速电机和两个滑移齿轮变速组使主轴获得12级转速。
4、主轴组件
机床的执行件之一,它由主轴支承和安装在主轴上的传动件等组成。
5、开停装置
用来实现机床的启动和停止的机构,本设计中采用直接开停电动机来实现主轴的启动和停止。
6、制动装置
用来控制主轴迅速停止转动的装置,以减少辅助时间。
本设计中采用电磁式制动器。
7、换向装置
用来变换机床主轴的旋转方向的装置。
本设计中采用电动机直接换向。
8、操纵机构
控制机床主轴的开停、换向、变速及制动的机构。
本设计中,开停、换向和制动采用电控制;变速采用液压控制。
9、润滑与密封
为了保证主传动的正常工作和良好的使用寿命,必须有良好的润滑装置和可靠的密封装置。
本设计中采用箱外循环强制润滑,主轴组件采用迷宫式密封。
10、箱体
上述个机构和装置都装在箱体中,并应保证其相互位置的准确性。
本设计中采用灰铁铸造箱体。
11、刀架
数控机床中为了实现对刀架的自动控制,采用制动转位刀架。
其中机床主传动设计重点在:
(一)、主要技术参数的确定
1.尺寸参数
2.运动参数
3、主轴转速的确定
4、转速范围及公比
的确定
5、结构式与结构网的确定
6、转速图的拟定
7、传动比参数的确定
(二)、传动系统图的拟定
(三)、电动机的选择
(四)、齿轮传动的设计计算
(五)、主轴的设计计算
(六)、主轴组件的设计算数
总体的设计方案就是对传动方案进行比较,绘出转速图,对箱体及内部结构进行设计,包括轴和齿轮的设计、校核等。
设计时一要注意设计的科学性和条理性,另一点就是要注意和实际的结合。
设计的依据主要是以经验或类比为基础的传统(经验)设计方法。
作为一名即将毕业的大学生,经验自然是我们所欠缺的,所以除了老师的指导,最主要的就是借鉴书上的设计方法。
书上虽然不会有完全相同的示例,但一些其他类型的主轴箱设计方法在这个课题上同样适用,适用也只是大体上的适用,具体到一些细节的设计就需我们自己查设计手册了。
比如说其中涉及到CJK6132数控车床的三维动态仿真(UG设计)就需自己解决。
虽然我们很缺乏设计的经验,但还应处处从实际出发。
从大处讲,联系实际是指在进行机床工艺可能性的分析、参数拟定和方案确定中,既要了解当今的先进生产水平和可能趋势,更应了解我国实际生产水平,使设计的机床、机器在社会上发挥最佳的效益。
从小处讲,指对设计的机床零部件的制造、装配和维修要进行认真的、切实的考虑和分析,对推荐的设计数据和资料要结合实际情况进行取舍。
通过设计实践,了解和掌握结合实际、综合思考的设计方法。
四、研究工作的步骤、进度
(1)英文资料翻译,查找资料。
(1-2周)
(2)毕业实习。
(3-4周)
(3)毕业实习报告,开题报告。
(5-6周)
(四)总体设计、设计计算等。
(7-9周)
(五)详细设计、设计计算等。
(10-13周)
(六)整理设计说明书,准备答辩。
(14-15周)
(七)答辩。
五、主要参考文献(其中外文文献不少于2篇)
[1]清华大学曹金榜、易锡麟、张玉峰、陈养田、张春编.机床主轴变速箱设计指导.北京:
机械工业出版社,1987
[2]华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学编.机械设计图册.上海:
上海科学技术出版社,1979
[3]吴振彪主编.机电综合设计指导.北京:
中国人民大学出版社,2000
[4]顾熙棠、迟建山、胡宝珍主编.金属切削机床(下册).上海:
上海科学技术出版社,2000
[5]《机床设计手册》编写组编.机床设计手册(一至三册).北京:
机械工业出版社,1986
[6]StephenP.TimoshekoandJamesM.Gere,Mechanicsofmaterials,VanNostrandreinholdCompanyLtd.,1978.
[7]DozentChengtaoYang“BearbeitungderKegelcfichfllaecheyonMo—torventil”tzfuerMetallbearbeitung78JahrgangAugust1984.
[8]BrandonJA,AI—ShareefKJH.OnthevalidityofsassumptionsinthedesignofmachinetoolspindlebearinInt.J.Mach.ToolsMgnufact.199131
(2):
235—248.
六、导师评语:
签字:
年月日
七、专业负责人意见
签字:
年月日
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