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南 京 理 工 大 學 紫 金 學 院
畢業(yè)設計(論文)開題報告
學 生 姓 名：
華超
學 號：
060104241
專 業(yè)：
機械工程及自動化
設計(論文)題目：
數(shù)控銑床機械系統(tǒng)的設計
指 導 教 師:
黃曉華
2010年 3 月 19 日
開題報告填寫要求
1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經(jīng)指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；
2．開題報告內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見；
3．“文獻綜述”應按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15篇（不包括辭典、手冊）；
4．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
1．結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫
2000字左右的文獻綜述：
文 獻 綜 述
摘 要 本文簡要敘述了數(shù)控機床在當今社會生產(chǎn)中的重要作用。闡述了數(shù)控機床的定義及發(fā)展歷史，國內外現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，結合實際闡述了數(shù)控機床技術結構特點，及進行研究的意義。
關鍵詞 數(shù)控機床 結構特點 發(fā)展趨勢
1 引言
從20世紀中葉數(shù)控技術出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經(jīng)濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。
2 課題背景
制造技術是各國經(jīng)濟競爭的重要支柱之一，經(jīng)濟的成功在很大程度上得益于先進的制造技術，而機床是機械制造技術重要的載體，它標志著一個國家的生產(chǎn)能力和技術水平。機床工業(yè)是國民經(jīng)濟的一個重要先行部門，擔負這為國民經(jīng)濟各部門提供現(xiàn)代化技術裝備的任務，以1994年為例，全世界基礎的消費額達261.7億美元。其中美國的消費額56億美元、中國33.6億美元。所以，在我國國民經(jīng)濟建設中，機床工業(yè)起著重要的作用。然而在機械制造業(yè)中，大批大量生產(chǎn)時采用專用機床、組合機床、專用自動線等并配以相應的工裝，這些設備的初期投資費用大、生產(chǎn)準備時間長，并且不適應產(chǎn)品的更新?lián)Q代。單件小批生產(chǎn)時，由于產(chǎn)品多變而不宜采用專用機床，特別是在國防、航空、航天和深潛等部門，其零件的精度要求非常，幾何形狀也日趨復雜，且改型頻繁，生產(chǎn)周期短，這就要求迅速適應不同零件的加工。數(shù)控機床就是在這樣的背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的一種新型自動化機床，它較好的解決了小批量、品種多變化、形狀復雜和精度高的零件的自動化加工問題。隨著計算機技術，特別是微型計算機技術的發(fā)展及其在數(shù)控機床上的應用，機床數(shù)控技術正從普通數(shù)控向計算機數(shù)控發(fā)展。一個國家數(shù)控機床的擁有量（相對值），標志著這個國家機械制造業(yè)的現(xiàn)代化程度。數(shù)控銑床因其特有的加工方式及其加工范圍廣在數(shù)控機床中占有重大的比例，因此研究數(shù)控銑床機械系統(tǒng)具有重大意義[1-3]。
3 數(shù)控機床國內外發(fā)展現(xiàn)狀
當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高質量、高精、高效、自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計算機技術的進步，數(shù)控機床在20世紀80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早已成為四大國際機床展上各國機床制造商競相展示先進技術、爭奪用戶、擴大市場的焦點。中國加入WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強機床工業(yè)實力、加速數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實是緊迫而又艱巨的任務。 數(shù)控機床出現(xiàn)至今的50年，隨科技、特別是微電子、計算機技術的進步而不斷發(fā)展。美、德、日三國是當今世上在數(shù)控機床科研、設計、制造和使用上，技術最先進、經(jīng)驗最多的國家[5]。例如：在19世紀初時是1mm級，到20世紀初時提高到了0.01mm級。而近30年來，普通機械加工的精度已從0.01mm提高到0.005mm級，精密加工的精度已從1um級提高到0.02um級，超精密加工的精度已從0-0.01um級進入納米級。在表面粗糙度方面，日本用熒光碳素泡沫拋光劑和細微SiO2粉末拋光工作，成功獲得了小于0.0005um的表面粗糙度．過去們只注意表面粗糙度、紋理等表面特征，忽視了表面之下0.38mm范圍內的內部效應，即次表面效應對零件可靠性的影響。這方面尚需深入研究，采取相應措施，方能提高產(chǎn)品的質量和使用壽命及可靠性[6]。
長期以來，國產(chǎn)數(shù)控機床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進展緩慢，高檔依靠進口的局面，特別是國家重點工程需要的關鍵設備主要依靠進口，技術受制于人。究其原因，國內本土數(shù)控機床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產(chǎn)品設計水平、質量、精度、性能等方面與國外先進水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技術方面的差距則達到了10-15年。同時中國在應用技術及技術集成方面的能力也還比較低，相關的技術規(guī)范和標準的研究制定相對滯后，國產(chǎn)的數(shù)控機床還沒有形成品牌效應。同時，中國的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)目前還缺少完善的技術培訓、服務網(wǎng)絡等支撐體系，市場營銷能力和經(jīng)營管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁有自主知識產(chǎn)權的數(shù)控系統(tǒng)少之又少，制約了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國外公司在中國數(shù)控系統(tǒng)銷量中的80％以上是普及型數(shù)控系統(tǒng)。如果我們能在普及型數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品快速產(chǎn)業(yè)化上取得突破，中國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)就有望從根本上實現(xiàn)戰(zhàn)略反擊。同時，還要建立起比較完備的高檔數(shù)控系統(tǒng)的自主創(chuàng)新體系，提高中國的自主設計、開發(fā)和成套生產(chǎn)能力，創(chuàng)建國產(chǎn)自主品牌產(chǎn)品，提高中國高檔數(shù)控系統(tǒng)總體技術水平?！笆晃濉逼陂g，中國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)將步入快速發(fā)展期，中國數(shù)控機床行業(yè)面臨千載難逢的大好發(fā)展機遇，根據(jù)中國數(shù)控機床1996-2005年消費數(shù)量，通過模型擬合，預計2009年數(shù)控車床銷售數(shù)量將達8.9萬臺，年均增長率為16.5%。根據(jù)中國加工中心1996-2005年消費增長模型，預計2009年加工中心消費數(shù)量將達2.8萬臺，較2005年年均增長率為17.8%。但目前數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)還缺少完善的技術培訓、服務網(wǎng)絡等支撐體系，市場營銷能力和經(jīng)營管理水平也不高。更重要的是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁有自主知識產(chǎn)權的數(shù)控系統(tǒng)少之又少，制約了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[7-10]。
海外發(fā)展數(shù)控機床之經(jīng)驗，十分寶貴，大致可歸納為：政府扶植與市場經(jīng)濟相結合；重視人才，切實提高總體素質；打好技術基礎，主機設計、制造過硬；加強科研、不斷創(chuàng)新；講究實效，切實掌握技術關鍵；質優(yōu)可靠，用戶滿意；配套成龍，批量生產(chǎn)；分工合作，競爭力強?！八街梢怨ビ瘛?，研究分析海外經(jīng)驗，必將有助于國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展。按目標規(guī)劃，到2020年，我國將形成高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備主要產(chǎn)品的自主開發(fā)能力，總體技術水平進入國際先進行列，部分產(chǎn)品國際領先；建立起完整的功能部件研發(fā)和配套能力；形成以企業(yè)為主體、產(chǎn)學研相結合的技術創(chuàng)新體系；培養(yǎng)和建立一支高素質的研究開發(fā)隊伍；航空航天、船舶、汽車、發(fā)電設備制造所需要的高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備80%左右立足國內[11-12]。
4 今后發(fā)展方向
今后5—10年，數(shù)控機床的主要創(chuàng)新空間大體在以下領域：
（1）直接驅動技術的廣泛應用。驅動電動機與執(zhí)行部件之間沒有中間連接元件。例如電主軸、直線電動機、電滾珠絲杠、電回轉工作臺等。直接驅動技術大大簡化了機床的結構，發(fā)展新產(chǎn)品的開發(fā)過程，提高了機床的工作可靠性。
（2）新型基礎結構件設計。隨著部件運動速度的提高，運動慣性的負面影響加大，需要在保證機床剛度的前提下使移動部件輕量化，才能夠實現(xiàn)高速和高精度加工。因比，各種箱中箱結構、框架結構、焊接結構和新型材料的應用層出不窮。
（3）數(shù)控系統(tǒng)將面臨重大變革，新ISO標準STEP-NC即將出臺，開創(chuàng)無G代碼編程的新時代。除此之外，開放式和全數(shù)字伺服驅動是大勢所趨，納米、皮米插補已經(jīng)提到日程上來
（4）熱變形誤差補償技術越來越受到重視。熱源主要是電動機和摩擦副，要千方百計減少發(fā)熱。熱場的均勻化和恒溫化也是重要技術關鍵。
（5）借助開放式數(shù)控系統(tǒng)，加強工作地的信息化程度，具有視像、語音和移動通信功能，納入企業(yè)管理信息系統(tǒng)[16]。
5 結論
綜上所述，數(shù)控機床正處于變革時代，可創(chuàng)新點很多，只要加強基礎研究、認真學習和消化國外技術，擯棄妄自菲薄的心態(tài)，大有可為。中國機床工業(yè)不能安于現(xiàn)狀，當前的市場興旺不是永恒的，必須改變觀念，立足創(chuàng)新，迎頭趕上。
參考文獻
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畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
1 主要內容與待解決的問題
主要進行數(shù)控銑床總體結構設計、主軸的設計與校核、工作臺的設計、傳動結構的設計與校核、床身的設計、Z軸立柱設計、以及其他標準件的選型設計，初步掌握機床的運動設計（包括主軸箱、變速箱傳動鏈），動力計算（包括確定電機型號，主軸、傳動軸、齒輪的計算轉速），以及關鍵零部件的強度校核，獲得工程師必備設計能力的初步訓練，從而提高分析問題、解決問題盡快適應工程實踐的能力。
2 解決的主要問題
(1) 機床總體結構設計
本課題擬解決問題的思路是參照VMCL600加工中心的總體布局、機械傳動部分、進行優(yōu)化組合，設計出精度高、靈活性強的立式數(shù)控銑床。由于工作臺尺寸較大，可加工較重或尺寸較高的工件，故機床運動分配如下：主運動：刀具的旋轉運動；進給運動：工作臺X、Y方向的進給運動和銑刀頭帶著刀具Z方向的垂直進給運動；本機床采用床身框式立柱的“L” 型結構形式，主軸箱裝在框式立柱中間，設計成對稱形結構?？蚴搅⒅季忠葐瘟⒅俪惺芤粋€扭轉力矩和一個彎曲力矩，因而受力后變形較小，有利于提高加工精度；框式立柱布局的受熱與熱變形是對稱的，因此，熱變形對加工精度的影響小。Y向滑座相對于機床床身作進給運動，X向作相對于Y向作進給運動，工作臺固定在X向座上，工作臺不做垂直方向運動；主軸箱沿框式立柱在沿垂直軌道上下移動。由于機床尺寸較大，為了方便操作者的操作與觀察，將人機界面置為吊掛按鈕站。
(2) 數(shù)控銑床傳動系統(tǒng)解決方案
機床X、Y方向進給系統(tǒng)分別采用交流伺服電機驅動，通過電機與滾珠絲杠直接相連，將旋轉運動轉化為直線進給運動其傳動的機械裝置如圖 1所示。這種傳動方案采用負載能力強的交流伺服電機，直接通過絲杠帶動工作臺進給，傳動鏈短，剛度大，傳動精度高，是現(xiàn)代數(shù)控機床進給傳動的主要組成形式。
圖1.進給傳動的機械裝置
機床進給系統(tǒng)的支承、導向方式
Y方向進給系統(tǒng)由床身支承，采用一端固定、一端支撐的方式支承，固定端選用一對背對背安裝的角接觸球軸承，支撐端選用一對深溝球軸承。
X方向進給系統(tǒng)由Y方向進給系統(tǒng)支承，采用一端固定、一端支撐的方式支承，固定端選用一對背對背安裝的角接觸球軸承，支撐端選用一對深溝球軸承。
本機床屬于中型機床，導向方式采用矩形導軌，矩形導軌承載能力高，制造方便。本設計選用線性滾動導軌。
解決傳動軸的選用問題
這是傳動系統(tǒng)中的主要問題，傳動軸除應滿足強度要求外，還應滿足剛度要求。強度要求保證軸在反復載荷和扭轉載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機床主傳動系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此疲勞強度一般不是主要矛盾。除了載荷比較大的情況外，可以不必驗算軸的強度。剛度要求軸在載荷下（彎曲，軸向，扭轉）不致產(chǎn)生過大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉角）。如果剛度不夠，軸上的零件如齒輪，軸承等由于軸的變形過大而不能正常工作，或者產(chǎn)生振動和噪音，發(fā)熱，過早磨損而失效。因此，必須保證傳動軸有足夠的剛度。通常，先按扭轉剛度軸的直徑，畫出草圖后，再根據(jù)受力情況，結構布置和有關尺寸，驗算彎曲剛度。
傳動結構的設計和校核問題
設計主軸變速箱的結構包括傳動件（傳動軸、軸承、帶輪、齒輪、離合器和制動器等）、主軸組件、操縱機構、潤滑密封系統(tǒng)和箱體及其聯(lián)結件的結構設計與布置，用一張展開圖和若干張橫截面圖表示。課程設計由于時間的限制，一般只畫展開圖。主軸變速箱是機床的重要部件。設計時除考慮一般機械傳動的有關要求外，著重考慮以下幾個方面的問題。精度方面的要求，剛度和抗震性的要求，傳動效率要求，主軸前軸承處溫度和溫升的控制，結構工藝性，操作方便、安全、可靠原則，遵循標準化和通用化的原則。主軸變速箱結構設計時整個機床設計的重點，由于結構復雜，設計中不可避免要經(jīng)過反復思考和多次修改。在正式畫圖前應該先畫草圖。如圖2.
圖2.傳動系統(tǒng)結構草圖
(3) 工作臺的設計方案
工作臺裝在滑板的上面，工作臺底面安裝X 軸直線滾動導軌的滑塊及滾珠絲杠螺母座。X 軸伺服電機旋轉，可使工作臺沿X 軸直線運動。工作臺下面裝有2 個行程擋塊，和行程開關配合，控制X 軸校準點位置（X=0）和X 軸行程的極限位置（超程斷電）。工作臺上面有五條T 型槽，供裝夾工件、夾具、轉臺等。其中中間T 型槽為基準T 型槽，工作臺的左右兩端均裝有伸縮式防護罩。
(4) 數(shù)控銑床床身設計
床身由高強度低應力鑄鐵鑄成，滑板、工作臺、立柱等均裝在床身之上。床身上裝Y 軸直線滾動導軌、Y 軸滾珠絲杠和Y 軸伺服電機。Y 軸滾珠絲杠采用雙向消除軸向間隙結構。Y 軸滾珠絲杠副的安裝結構見圖3。床身上還裝有兩個行程擋塊，Y 軸校準點位置（Y=0）和Y 軸行程的極限位置，就由這兩個擋塊配合行程開關來確定。床身下部有六塊厚支承塊，通過裝在床身地腳處的調節(jié)螺釘，可調整機床水平。床身上面靠前部位，有四個M16 螺孔，可固定兩個專用起吊環(huán)，與立柱頂部的兩個吊環(huán)配合使用，以起吊整機。
圖3.Y軸滾珠絲杠副安裝結構圖
以上問題是銑床機械系統(tǒng)設計過程中會遇到的主要問題，在各個問題處理時都要結合理論和實際認真考慮，多翻閱資料，在于到難以解決的問題的時候要多向導師請教，及時把問題解決。
三 具體工作安排
1月18日～3月 1 日 開題調研并查詢相關的文獻資料
3月 2 日～3月19日 完成英文翻譯，并完成論文的開題報告的撰寫
3月20日～3月24日 數(shù)控銑床總體結構的設計
3月25日～3月30日 數(shù)控銑床主軸的設計校核
4月 1 日～4月11日 數(shù)控銑床工作臺的設計
4月11日～4月18日 數(shù)控銑床的傳動結構的設計與校核
4月19日～4月27日 數(shù)控銑床的床身的設計
4月28日～4月30日 畢業(yè)論文的中期檢查
5月 1 日～5月 5 日 數(shù)控銑床的Z軸立柱的設計
5月 6 日～5月10日 其他標準件的選型設計
5月11日～5月15日 裝配圖、部裝圖紙、零件圖紙的繪制以及校核修改
5月16日～5月18日 論文初稿撰寫
5月19日～5月21日 修改完成設計稿
5月22日～5月25日 畢業(yè)設計成果全部校驗
5月25日～6月 5 日 完成評審與答辯
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
指導教師意見：
1．對“文獻綜述”的評語：
該生通過查閱了大量的文獻資料，詳細闡述了數(shù)控機床的發(fā)展歷史、發(fā)展趨勢以及國內外的現(xiàn)狀，了解了數(shù)控機床設計內容，根據(jù)指導教師的要求提出了論文的需要完成的主要任務。整個文獻綜述內容比較充實、豐富，比較好地反映了數(shù)控機床的發(fā)展狀況，說明該生在畢業(yè)設計之前做了大量的文獻資料查閱工作，為后面進行具體設計奠定了較好的基礎，參考文獻格式正確，全文分析比較清晰，任務比較明確，較好地完成了文獻綜述的撰寫。綜合全文內容與表達，該文獻綜述評定為良好。
2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測：
該文主要設計數(shù)控銑床的機械系統(tǒng)，要求學生能夠靈活綜合使用前面所學到的知識，系統(tǒng)地設計一臺數(shù)控機床機械系統(tǒng)，對于一位在校的大學生而言，沒有系統(tǒng)地設計經(jīng)歷，是具有一定的難度，而且論文工作量較大，但是，學生在參考相關系列的數(shù)控銑床和參觀了該型號的數(shù)控銑床的基礎上，該設計所涉及的知識點都是機械設計課程的內容，因此，通過學生的努力與老師的指導，應該是可以完成畢業(yè)設計的任務要求的，而且這種設計與未來工廠的機床設計的流程是完全一致的，為學生不久進入企業(yè)進行相關設計打下基礎。
指導教師：
2010 年 3 月 25 日
所在專業(yè)審查意見：
負責人：
2010 年 3 月 27 日