回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計及其技術(shù)研究【含5張cad圖紙+文檔全套資料】
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畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告
1.結(jié)合畢業(yè)設(shè)計情況,根據(jù)所查閱的文獻資料,撰寫2000字左右的文獻綜述:
數(shù)控機床是一種科技含量高、精密度高專門用于加工制造復(fù)雜繁瑣曲面的機床,這種機床系統(tǒng)對一個國家的軍事、科研、航空、航天、精密器械、高精醫(yī)療設(shè)備等各行各業(yè)有著舉足輕重的影響力[1]?,F(xiàn)在,人們普遍認(rèn)為,數(shù)控加工中心是用來解決船用螺旋槳、葉輪、葉片和重型發(fā)電機轉(zhuǎn)子、大型柴油機曲軸及汽輪機轉(zhuǎn)子等等復(fù)雜曲面加工的唯一手段。隨著我國制造業(yè)的發(fā)展,加工中心的需求也在增加,特別是四軸、五軸聯(lián)動的加工中心?;剞D(zhuǎn)工作臺是五軸聯(lián)動的重要功能部件,它能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)軸和擺動軸的兩坐標(biāo)定位。而且數(shù)控車床今后將向中高擋發(fā)展[2],中檔采用普及型數(shù)控刀架配套,高檔采用動力型刀架,兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種,預(yù)計近年來對數(shù)控刀架需求量將大大增加。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺是一種可以實現(xiàn)圓周進給和分度運動的工作臺,它常被使用于臥式的鏜床和加工中心上,可提高加工效率,完成更多的工藝,它主要由原動力、齒輪傳動、蝸桿傳動、工作臺等部分組成,并可進行間隙消除和蝸輪加緊,是一種很實用的加工工具[3]。
1.1、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)類型
通過大量資料查閱可知,國內(nèi)外有關(guān)數(shù)控多軸聯(lián)動回轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)的主要方法有:通過滾動齒蝸輪蝸桿副回轉(zhuǎn)工作臺、利用直接傳動電機驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺、釆用伺服電機驅(qū)動齒輪齒條副回轉(zhuǎn)工作臺等途徑。
1.1.1、滾動齒蝸輪蝸桿副回轉(zhuǎn)工作臺
機械制造工業(yè)中蝸輪蝸桿副傳動有著十分廣泛的應(yīng)用。蝸輪蝸桿傳動相當(dāng)于螺旋傳動,為多齒嚙合傳動,具有自鎖性。該途徑有著傳動比大、工作平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、無噪聲、承載能力高、效率低、無強制冷卻潤滑時不能長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)等顯著特點蝸輪蝸傳動時,嚙合輪齒間的相對滑動速度大,故摩擦損耗大、效率低[4][10]。另一方面,相對滑動速度大使齒面磨損嚴(yán)重、發(fā)熱嚴(yán)重,為了散熱和減小磨損,常釆用價格較為昂貴的減摩性與抗磨性較好的材料及良好的潤滑裝置,因而成本較高。關(guān)于提高蝸輪副效率,降低溫升、提高耐磨性,已經(jīng)成了提升蝸輪蝸桿副使用價值的關(guān)鍵性所在。然而帶有自鎖傳動的是普通圓柱蝸桿,它的傳動效率較低;無自鎖傳動T=0.7~0.9。其在工作過程中齒面磨損較為嚴(yán)重,溫度也容易升高,并會造成能源的浪費。由于輪齒為組合結(jié)構(gòu),通常不適用于較小模數(shù)的傳動,否則將給加工、制造帶來不便。同時,這種結(jié)構(gòu)的間隙補償及控制問題解決起來較為困難,因此其并不適用于高速高精度回轉(zhuǎn)工作臺。
圖1、滾動齒渦輪蝸桿副回轉(zhuǎn)工作臺
1.1.2、電機直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺
直接傳動電機驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺是由工作臺臺體和與其相匹配的專用伺服驅(qū)動裝置組成,它通過可編程序控制器對其進行控制。電機直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺[5][6]的主要部件包括:高分辨率光學(xué)編碼器、高精度步進電機及液壓懸浮支承軸承[7][11]等構(gòu)成。這種機構(gòu)的驅(qū)動精度高、反應(yīng)靈敏,目前國內(nèi)外一些中高精度的回轉(zhuǎn)工作臺采用直接驅(qū)動的方式。但是這種由電機直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)在低速大功率切削力作用下,為保證其切削所需的扭矩,往往需要配置大功率的電機,這就使得雙軸工作臺整體結(jié)構(gòu)較大。
圖2、電機直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺
1.1.3、伺服電機驅(qū)動齒輪齒條副回轉(zhuǎn)工作臺
齒輪齒條副回轉(zhuǎn)工作臺是通過伺服電機驅(qū)動,它是通過伺服電機來帶動齒輪[10]的旋轉(zhuǎn),齒輪則帶動齒條作直線運動,然后利用齒條帶動齒輪進行旋轉(zhuǎn),最終帶動回轉(zhuǎn)工作臺的旋轉(zhuǎn)[8][9][11]。伺服系統(tǒng)主要依靠脈沖來定位,伺服電機通過脈沖信號實現(xiàn)位移,其原理是每接收到1個脈沖,就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖所對應(yīng)的相應(yīng)角度。已知伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能,因此伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度,都會發(fā)出相應(yīng)數(shù)量的脈沖,然后能和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng),這樣一來,系統(tǒng)就會記錄收發(fā)多少脈沖給伺服電機,然后就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)精確的定位。
圖3、伺服電機驅(qū)動齒輪齒條副回轉(zhuǎn)工作臺
1.2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
我國“十一五”期間,在高端數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得了一系列重大突破,
五軸聯(lián)動技術(shù)、復(fù)合加工技術(shù)及裝備的實際應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。 高精度和高分辨率的精密微位移工作臺系統(tǒng)[12]在近代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)占有極為重要的地位。它直接影響精密、超精密切削加工水平、精密水平及超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)水平。同時它的各項技術(shù)指標(biāo)是各國高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。雙軸工作臺系統(tǒng)的定位精度和行程范圍直接影響到生產(chǎn)加工的精度。同時,工作臺的速度、加速度及啟停過程的穩(wěn)定時間則影響到設(shè)備的效率,成為系統(tǒng)的重要指標(biāo)。 在已研制的精密及超精密工作臺中,往往只追求某個性能指標(biāo),其整體性能存在缺陷,如工作臺運動性能的高精度與運行速度往往不能兼顧,精度越高,系統(tǒng)的分辨率越高,當(dāng)運行速度提高到一定程度時,傳感器的信號頻率將超過控制系統(tǒng)的采樣頻率。因此高精度高速度的多軸聯(lián)動工作臺的控制系統(tǒng)必須具有高的采樣頻率和極短的工作周期。這樣的控制系統(tǒng)對軟硬件的要求都極高,勢必造成很大的技術(shù)難度或高昂的成本。
對于多軸聯(lián)動工作臺[13]來說,如果其定位精度和分辨率要求在亞微米級或納米級時,其工作環(huán)境對工作臺的影響也是不容忽視的問題。溫度的變化直接影響到工作臺的定位精度,環(huán)境的振動影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性,溫度與濕度的變化影響到傳感器的精度。因此,亞微米多軸聯(lián)動工作臺對工作環(huán)境要求極高,對溫度及濕度的變化一般控制到 20±0.1℃和濕度 60±5%以內(nèi),更高精度的工作臺則要求控制到溫度變化20±0.01℃以內(nèi)。而恒溫車間的建造價格極高,為達到極小的溫度變化,多采用多級恒溫車間嵌套的措施等。 成都寧江機床(集團)股份有限公司展出了一臺 THM63100IV 精密臥式五軸聯(lián)動加工中心。該機獲得 CCMT2008[14]春燕獎,寧江機床集團股份有限公司自主研發(fā)的THM63100IV 精密臥式五軸聯(lián)動加工中心,融合了臥式加工中心技術(shù)和五軸聯(lián)動加工中心技術(shù)[15],擴大了產(chǎn)品的使用范圍。X /Y /Z 軸行程分別為 1300mm/1000mm/1100mm,工作臺為立臥連續(xù)回轉(zhuǎn)工作臺(A 軸、B 軸),可擺動角度為 0°~90°,A 軸分度數(shù)0.001°×90000,工作臺 B 軸分度數(shù) 0.001°×360000,定位精度 0.006mm。其回轉(zhuǎn)工作臺的定位精度與國內(nèi)同類相比應(yīng)該說很不錯了,但是與國外高精度機床[16]相比還有一定的差距(如瑞士米克朗高精度銑削加工中心,其重復(fù)定位精度 ≤ 1μm)。沈陽機床、大連機床、秦川機床、江蘇多棱、濟南二機床、北京機電研究院、寧江機床、桂林機床、北京一機床[17]等企業(yè)產(chǎn)品,已獲得國內(nèi)市場的認(rèn)同。
1.3關(guān)鍵技術(shù)
數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的定位精度和速度平穩(wěn)性是高檔數(shù)控機床的重要指標(biāo)。對于高精度的機械加工,要求數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺具有穩(wěn)定的速度以及較高的工作精度。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的傳動技術(shù)、間隙調(diào)節(jié)技術(shù)和剎緊定位技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、機械傳動消隙技術(shù)[18]是設(shè)計回轉(zhuǎn)夠工作臺的主要內(nèi)容,具體安排從以下三個方面作為切入點研究:
1.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計)---回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計是否合理,結(jié)構(gòu)是否緊湊直接影響到回轉(zhuǎn)工作臺精度;零部件傳動間隙如何合理的調(diào)節(jié);
1.3.2 回轉(zhuǎn)工作臺驅(qū)動裝置設(shè)計&選擇---驅(qū)動裝置的科學(xué)布置,可減弱驅(qū)動裝置工作時的振動對工作臺的影響等內(nèi)容,此外合理分配傳動結(jié)構(gòu),并與驅(qū)動裝置相互配合,使二者在性能上能達到最佳。
1.3.3 為了使設(shè)計說明書更加直觀飽滿,也為了鍛煉自己的三維作圖能力,利用Solid Works三維制圖軟件,嘗試?yán)L制出回轉(zhuǎn)工作臺立體結(jié)構(gòu)圖,使得回轉(zhuǎn)工作臺在視覺上更加形象直觀。
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畢 業(yè) 設(shè) 計 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):
2.1研究擬解決的問題
本課題主要研究回轉(zhuǎn)工作臺的原理和其機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計,并對以上部分運用AUTOCAD做圖。本次畢業(yè)設(shè)計的題目是數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計。通過對數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計,使我不僅能夠設(shè)計出數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺,而且能夠掌握機械設(shè)計的方法和步驟。本課題研究的主要內(nèi)容包括:確定數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的傳動方案;驅(qū)動力計算及其他相關(guān)計算;零件設(shè)計與校核;零件圖的繪制與三維模型建立。設(shè)計的主要難度在于回轉(zhuǎn)工作臺幾項關(guān)鍵技術(shù):數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的傳動技術(shù)、間隙調(diào)節(jié)技術(shù)和剎緊定位技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、機械傳動消隙技術(shù)等,并對其關(guān)鍵技術(shù)的研究。
研究具體內(nèi)容包括:
1、 對回轉(zhuǎn)工作臺進行結(jié)構(gòu)方案的確定以及其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計,包括傳動方案選擇,驅(qū)動方案等;
2、 分析影響回轉(zhuǎn)工作臺精度的因素,掌握回轉(zhuǎn)工作臺幾項關(guān)鍵技術(shù),整體上提高回轉(zhuǎn)工作臺精度。
3、對回轉(zhuǎn)工作臺內(nèi)部關(guān)鍵零部件設(shè)計、校核以及標(biāo)準(zhǔn)件的合理選用。
4、總體設(shè)計達到簡單、合理、實用,可行性強的特點。
其中技術(shù)線路圖如下
圖4 方案設(shè)計技術(shù)線路圖
2.2 擬采用的研究手段
回轉(zhuǎn)工作臺是數(shù)控機床的核心部件,回轉(zhuǎn)工作臺的性能好壞直接決定這數(shù)控機床本身的精度。本次課題能夠全面的調(diào)動起我們所學(xué)的各個方面的機械知識。
1、資料搜集制定總體方案。查閱大量資料,熟悉數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵技術(shù),了解國內(nèi)外此產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀;關(guān)注生產(chǎn)數(shù)控機床知名廠家,獲取相關(guān)產(chǎn)品的一些技術(shù)參數(shù),并進行分析;熟悉幾種典型規(guī)格的回轉(zhuǎn)臺,將其主要的關(guān)鍵技術(shù)與指導(dǎo)老師進行探討;
2、 回轉(zhuǎn)臺設(shè)計。針對具體的機床回轉(zhuǎn)臺的設(shè)計任務(wù);查詢有關(guān)機床設(shè)計的手冊或書籍及國家標(biāo)準(zhǔn),注意對典型機構(gòu)的靈活應(yīng)用,盡量將回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單;利用AutoCAD、solidworks等建模軟件進行輔助設(shè)計;注重產(chǎn)品精度、剛度的保證,零件設(shè)計力求合理、工藝性簡單
3、 撰寫設(shè)計說明書并繪制機械總裝配圖-包括總裝配圖、零件圖等。
本課題的設(shè)計是對自己一次全面的鍛煉與提升,在設(shè)計上要有所創(chuàng)新,盡自己最大的努力做好每一個細(xì)節(jié),合理設(shè)計每一個零件,很好的裝配好整個工作臺系統(tǒng)。
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指導(dǎo)教師意見:
報告表明,該同學(xué)近期查閱了一些文獻資料,通過閱讀和學(xué)習(xí),對數(shù)控機床及兩自由度回轉(zhuǎn)工作臺有了一些新的認(rèn)識,對數(shù)控工作臺的研究現(xiàn)狀以及新的產(chǎn)品的技術(shù)也有了一定的了解,并擬定相應(yīng)的研究方案和設(shè)計思路。
開題報告書寫規(guī)范基本達到要求。
指導(dǎo)教師:
2016年3月22日
所在系審查意見:
同意開題
系主任: 2016年 3 月 22 日
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