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數(shù)控車床主傳動(dòng)及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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上海電機(jī)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
課題名稱 車削中心主傳動(dòng)及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué) 院 機(jī)械學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械電子工程
班 級 BJ0908
學(xué) 號(hào) BJ090806
姓 名 孫自強(qiáng)
指導(dǎo)教師 周俊嫵
定稿日期： 2013 年3 月 1日
2
數(shù)控車床主傳動(dòng)及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 選題目的及意義
數(shù)控機(jī)床是一種高科技的機(jī)電一體化產(chǎn)品,是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密測量及現(xiàn)在機(jī)械制造技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)控機(jī)床作為實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和未來工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)已成為現(xiàn)在制造技術(shù)中不可缺少的生產(chǎn)手段,是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。數(shù)控機(jī)床已成為現(xiàn)在機(jī)械制造業(yè)中的主要技術(shù)裝備。
機(jī)床是工業(yè)之母，它的技術(shù)含量的高低直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量的高低。隨著產(chǎn)品質(zhì)量的精密化、個(gè)性化，產(chǎn)品品種的多樣化，這對機(jī)床設(shè)備的要求越來越高！當(dāng)前我國正在大力發(fā)展先進(jìn)制造和振興裝備制造業(yè)，我們看到當(dāng)前在越來越多的企業(yè)采用數(shù)控設(shè)備，在此可見此題的時(shí)代意義！同時(shí)它涉及多門機(jī)械課程，可以說此次設(shè)計(jì)是對過去四年學(xué)習(xí)的檢驗(yàn)和提高！通過此次設(shè)計(jì)能夠提高個(gè)人的專業(yè)素質(zhì)和培養(yǎng)同學(xué)們的團(tuán)體協(xié)作精神！此次結(jié)合實(shí)際分工做主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我們知道此部分在整個(gè)系統(tǒng)中有著重要的作用，它的精確性、可靠性直接決定著數(shù)控車床的精確性、可靠性；同時(shí)此部分在設(shè)計(jì)過程中要求作者有著良好的專業(yè)功底和求實(shí)精神；總之此選題具有一定實(shí)際可操作性和實(shí)際意義！
2 （文獻(xiàn)綜述）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
20世紀(jì)50年代初第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，使制造技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了日新月異的局面。特別是近20年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和微電子技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)也發(fā)生了革命性的變化。數(shù)控技術(shù)正在朝著高精度、高速度、高柔性、高可靠性以及復(fù)合化的方向發(fā)展。當(dāng)前數(shù)控技術(shù)在德國和日本發(fā)展相當(dāng)順利，無論在理論還是實(shí)踐應(yīng)用都處于領(lǐng)先水平，然而我國比他們有相當(dāng)大的差距，國內(nèi)數(shù)控設(shè)備在很大程度上依賴國外進(jìn)口！不過經(jīng)過幾十年的努力我們已取得了一定的發(fā)展，據(jù)最新報(bào)道華中數(shù)控的技術(shù)在許多方面已與國外的差距縮小很多，可以預(yù)見只要我們堅(jiān)持自主創(chuàng)新、勇攀高峰的精神，我們一定能夠在此領(lǐng)域有一席之地的！
近年來，隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢、如主軸轉(zhuǎn)速的高速化、功能結(jié)構(gòu)的復(fù)合化和肉性化。在高速化的方面，采用了電主軸，又稱內(nèi)置式電動(dòng)機(jī)主軸單元，就是將高速電動(dòng)機(jī)置于機(jī)床主軸部件內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需要的工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、主軸一體化功能；另外，在復(fù)合化和肉性化方面，主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)生了很大的變化，數(shù)控車床由單主軸發(fā)展為雙主軸，在此基礎(chǔ)上增設(shè)附加控制軸——C軸，成為車削中心，并可配備刀庫和其他輔助功能。在車削中心基礎(chǔ)上增加自動(dòng)裝卸工件的機(jī)械手和更換卡盤裝置等，則成為適合于中小批量加工自動(dòng)化的車削肉性制造單元。由此可見，現(xiàn)代數(shù)控加工完全打破了傳統(tǒng)工藝規(guī)程規(guī)定，由機(jī)床單一化走向多元化、復(fù)合化。
3 研究內(nèi)容
1.課題主要任務(wù)
2.總體設(shè)計(jì)方案擬定
3車削中心主傳動(dòng)及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
交流伺服電機(jī)→帶傳動(dòng)→主軸（同軸安裝脈沖編碼器，安裝在主軸后面）
3.1.1交流伺服電機(jī)的計(jì)算與選型
3.1.2 同步帶的計(jì)算與選型
3.1.3主軸的主要尺寸計(jì)算
3.1.4主軸滾動(dòng)軸承的計(jì)算與選型
3.1.5主軸鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1.6潤滑與密封
3.1.7脈沖編碼器的選擇
3.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)→帶傳動(dòng)→絲杠傳動(dòng)→螺母位移→工作臺(tái)位移
3.2.1 X軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1）滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型
2）直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型
3）同步帶的計(jì)算與選型
4）步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型
3.2.2 Y軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1）滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型
2）直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型
3）同步帶的計(jì)算與選型
4）步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型
3.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.3.1 總體方案設(shè)計(jì)
3.3.2 微機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源和控制器構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
3.3.3 微機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制器控制驅(qū)動(dòng)器使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)工作臺(tái)工作。
4 研究方案
4.1 主傳動(dòng)
4.1.1 控制系統(tǒng)——單片機(jī)的選型
控制系統(tǒng)在此采用單片機(jī)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.它的體積小、質(zhì)量輕便于攜帶；
2.USB接口通訊及供電，通訊速度快，無需外接電源；
3.有電源狀態(tài)指示燈，可直觀了解編程器當(dāng)前狀態(tài)；
4.可靠性好，在制造芯片時(shí)將已開發(fā)好的程序?qū)懭隦OM, 用戶本身無法改變；
5.易于擴(kuò)展，芯片外部有許多供擴(kuò)展用的三總線以及并行、串行I/0管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)；
6.價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件
4.1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——交流伺服電機(jī)的選型
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在此采用交流伺服電機(jī)。
交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動(dòng)機(jī)一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)很快就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。 通入勵(lì)磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。?同時(shí)交流伺服電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護(hù)和保養(yǎng)要求低。
2.定子繞組散熱比較方便。
3.慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。
4.同功率下有較小的體積和重量。
5.適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。
4.1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)——同步帶的選型
傳動(dòng)系統(tǒng)在此采用同步帶。
4.2 進(jìn)給傳動(dòng)
X軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)
4.2.1 控制系統(tǒng)——單片機(jī)的選型
控制系統(tǒng)同主傳動(dòng)，采用單片機(jī)
4.2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——步進(jìn)電機(jī)的選型
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同主傳動(dòng)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)
控制程序通過控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有快速啟停、高精度、能夠直接接受數(shù)字信號(hào)和不需要位移傳感器就可達(dá)到較精確定位等特點(diǎn)，因而在需要精確定位的場合得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)相對普通電機(jī)來說，他可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入端輸入的脈沖數(shù)量和頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的角度和速度控制，無需反饋信號(hào)。
4.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)——同步帶、滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選型
同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動(dòng)力。 傳輸用同步帶傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大，一般可達(dá)1:10。允許線速度可達(dá)50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。其作用：傳動(dòng)比準(zhǔn)確,傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果好。
滾珠絲杠螺母副由絲杠、螺母、滾珠和反向器（滾珠循環(huán)反向裝置）四部分組成。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋軌道滾動(dòng)，為防止?jié)L珠從滾珠道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動(dòng)的閉合通道。其所起作用：將直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，運(yùn)動(dòng)靈活；動(dòng)、靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動(dòng)阻力小，而不易產(chǎn)生爬行；可預(yù)緊，剛度高；壽命長；精度高；潤滑方便，可采用脂潤滑，一次填裝，長期使用；有專業(yè)長生產(chǎn)，可以直接外購選用。其所起作用：起導(dǎo)向的作用。
傳動(dòng)系統(tǒng)采用同步帶、滾珠絲杠螺母副和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。因?yàn)闈L珠絲杠螺母副和線滾動(dòng)導(dǎo)軌副具有以下特點(diǎn)：
滾珠絲杠螺母副特點(diǎn)：
1）傳動(dòng)具有可逆性。
2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力小，靈敏度高。
3）軸向剛度高、反向定位精度高。
4）摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，同步性好。
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副具有以下特點(diǎn)：
1）摩擦系數(shù)小
2）易爬行
3）動(dòng)效率高
4）構(gòu)緊湊，安裝預(yù)緊方便
4.3 Y軸進(jìn)給傳動(dòng)
4.3.1 控制系統(tǒng)——單片機(jī)的選型
控制系統(tǒng)同主傳動(dòng)，采用單片機(jī)
4.3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——步進(jìn)電機(jī)的選型
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同主傳動(dòng)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)
4.3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)——同步帶、滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選型
傳動(dòng)系統(tǒng)同X軸進(jìn)給傳動(dòng)，采用同步帶、滾珠絲杠螺母副和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副
4.4 控制部分
4.41總體方案設(shè)計(jì)
4.4.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源和控制器構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
單片機(jī)→驅(qū)動(dòng)器→步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖
4.4.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
進(jìn)給系統(tǒng)流程圖
5 計(jì)劃進(jìn)度安排
2012年12月10日-12月17日 收集、研究資料；
2012年12月18日-12月31日 開題，擬定總體設(shè)計(jì)方案；
2013年1月1日-1月31日 修改、完善開題報(bào)告；完成文獻(xiàn)翻譯；
2013年2月1日-3月31日 系統(tǒng)有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制總裝配圖；
2013年4月1日-4月15日 繪制主要零件的零件圖；
2013年4月16日-4月30日 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，繪制微機(jī)控制接線圖；
2013年5月1日-5月20日 撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書；
2013年5月21日-5月25日 修改及準(zhǔn)備答辯；
6 參考文獻(xiàn)
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指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
開題答辯小組意見
1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實(shí)用價(jià)值；□意義不大。
2、論文的難度：□偏高；□適當(dāng)；□偏低。
3、論文的工作量：□偏大；□適當(dāng)；□偏小。
4、設(shè)計(jì)或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。
5、學(xué)生對文獻(xiàn)資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。
6、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的綜合能力和表達(dá)能力：
□好；□較好；□一般；□較差。
7、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的創(chuàng)新能力：
□好；□較好；□一般；□較差。
8、對論文選題報(bào)告的總體評價(jià)：□好；□較好；□一般；□較差
（在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號(hào)“√”）
建議結(jié)論
評議小組組長簽名：
評議小組組員簽名：
年 月 日