|
|
一、毕业设计（论文）选题的目的和意义。[ ⑴ 课题名称；⑵ 有关的研究方向的历史、现状和发展情况分析；⑶ 前人在本选题研究领域中的工作成果简述]
1、毕业设计（论文）题目：XKA5750数控立式铣床升降台结构设计
2、本课题研究的目的
（1）通过本课题的研究使学生们得到机械原理，机械设计，CAD制图，PRE制图等课程的综合训练。
（2）通过对本课程的研究使同学们机械装备工程设计的一般方法及一般规律，综合运用所学知识解决实际问题的方法，工作思路等主要方面的训练。
（3）培养独立调查研究，科技检索，方案论证，规范话科技写作等方面的能力。
3、本课题研究的意义
企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新的产品，以最低的价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通铣床已不适应多品种、小批量生产要求，数控铣床综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工高精度、形状复杂，生产周期要求短的零件。数控铣床在机械加工行业中的应用越来越广泛，数控铣床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控铣床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。
当今社会，追求经济，效率，利润等等，铣床机构的设计影响到整台铣床的传动稳定度、传动精度、零部件相互连接尺寸变化、零件的更换和调整、故障率等等，也就直接影响到铣床的销量，企业的盈利，此设计主要是XKA5750数控立式铣床升降台进给系统的结构设计，合理的结构设计可以提高铣床的工艺水平和产品的质量，减少操作者的劳动强度，降低生产周期，满足生产厂高精度的产品要求。
4、本研究方向的历史、现状及发展趋势
数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域的一个崭新时代的到来，数控系统是数控产品的核心技术之一，数控铣床是机械和电子技术相结合的产物,作为初加工设备，主要用于材料切割下料。
4.1 现有的发展条件
从数控发展史看，早期数控铣床是对普通数控铣床系统进给系统的改造，而后逐步发展成一种全新的加工设备。目前我国主要数控机床生产企业年产能力为1000台，期间经济型数控机床为5000台以上，到“九五”末期，数控机床生产达到15000台，数控生产能力为15000套，其中经济型数控系统约为6500套。我国主要数控机床配套企业已初具规模，其中，机床控制刀架、滚珠丝杠、滚珠导轨、机床电锯都引进了技术、能成为主机配套。我国主要数控机床生产厂通过“八五”和“九五”期间的技术改造，数控机床生产能力有了很大提高，进口了一批关键价格设备，提高了关键的加工质量和效率，新建了一批装配调试厂房，改善了数控机床制造的装备条件，基本具备了产业生产能力。
4.2 国外数控机床技术现状
高速高精与多轴加工成为数控机床的主流，纳米控制已经成为高速高精加工的潮流。
多任务和多轴加工数控机床越来越多地应用到能源、航空航天等行业。
机床与机器人的集成应用日趋普及，结构形式多样化，应用范围扩大化，运动速度高速化，多传感器融合技术实用化，控制功能智能化，多机器人协同普及化。
智能化加工与监测功能不断扩充，车间的加工监测与管理可实时获取机床本身的状态信息，分析相关数据，预测机床的状态，提前进行相关的维护，避免事故的发生，减少机床的故障率，提高机床的利用率。
最新的机床误差检测与补偿技术能够在较短的时间内完成对机床的补偿测量，与传统的激光干涉仪相比，对机床误差的补偿精度能够提高3～4倍，同时效率得到大幅度提升。
最新的CAD/CAM技术为多轴多任务数控机床的加工提供了强有力的支持，可以大幅度提高加工效率。
刀具技术发展迅速，众多刀具的设计涵盖了整个加工过程，并且新型刀具能够满足平稳加工以及抗振性能的要求。
4.3 数控系统的未来发展趋势
国际上，数控系统的发展趋势正朝着高精度、高可靠性、多功能化、智能化、集成化、具有开放性、网络化数控系统、并联机床及数控系统的方向发展。
平面数字化、运行高速化、加工高精化、功能复合化、数控智能化、伺服驱动高性能控制成为国外数控系统的发展趋势。继续向开放式、基于PC的第六代方向发展，向高速化和高精度化发展，向智能化发展等等
二、设计或研究主要内容和重点，预期达到的目标及拟解决的主要问题和技术关键，有何创新之处。（此部分为重点阐述内容）
图2-1 XKA5750数控铣床
（1） 预期的目标
设计如上图2-1所示的XKA5750数控铣床的升降台系统，并要满足以下得技术参数：
垂直电机功率 横向进给电动机扭矩 垂直进给行程 横向进给行程
13N.m 9.3N.m 500mm 700mm
（2） 主要内容
设计垂直进给、横向进给的传动系统，对主要零件进行结构设计计算，进行铣床升降台的结构设计。
（3） 主要要求
设计铣床升降台的机构并绘制机构运动简图；设计传动系统并画出传动系统方案图，绘制装配图和主要零件图。
创新之处
在以往机床的设计基础上，将螺纹传动的螺杆传动变成滚珠丝杠传动，增大转化效率，减小摩擦等等优点；
垂直进给和横向进给传动系统中，伺服电机都不采取与滚珠丝杠直接相连。而是采取梯形同步带传动，垂直进给传动系统中还采用了直齿锥齿轮的传动。
三、研究方案：[ ⑴ 技术方案（有关方法、技术路线、技术措施）；⑵ 实施方案所需的条件（技术条件、试验条件等）]
图3-1 XKA5750数控立式铣床传动系统图
1 技术方案
1.1 垂直（Z）进给方向实现方案
图3-2 垂直进给方向系统传动简图
如图3-2垂直进给方向系统传动图，由左侧交流伺服电动机经过传动比的梯形同步带轮传动，经过一级传动将动力传到锥齿轮，在经过第二次减速，传动比将动力传给滚珠丝杠，由丝杠的旋转运动转化成直线运动，带动升降滑座上下运动，左侧锥齿轮轴上安装制动器，实现升降台的减速、停止，即整个设计实现了铣床工作台的垂直进给。
滚珠丝杠副采用丝杠一端固定一端自由，螺母固定的方式安装，且滚珠丝杠副采用预紧。
1.2 铣床升降台的横向（Y）进给方向实现方案
图3-3横向系统传动图
如上图3-3横向系统传动图，由左侧交流伺服电动机提供动力，经过传动比的梯形同步带轮传动，将动力传给与带轮轴直接相连的滚珠丝杠，再由丝杆的旋转运动转化成升降台的水平运动，从而实现了的工作台水平运动。
滚珠丝杠副采用丝杠一端固定一端滑动，螺母移动的方式安装，且滚珠丝杠副采用预紧。
2 实施的条件
有扎实的机械专业知识，能对铣床的相关参数进行计算，并了解各通用零部件，具备相应的设计知识；对各类控制器的功能和特点有一定的了解，能够在合理的位置安装限位开关。
3 方案确定
本文需要设计XKA5750数控立式铣床的升降台垂直进给、横向进给的传动系统，设计铣床升降台的机构并绘制机构运动简图，设计传动系统系统，并画出传动系统方案图，绘制装配图和主要零件。
3.1 垂直进给传动系统的设计方向
电机的选型：根据垂直进给系统电机扭矩选取交流伺服电机的型号。
滚珠丝杠的选型：通过对滚珠丝杠精度选取、切削力计算、最大载荷计算、垂直方向导轨摩擦力计算、滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算、作用在丝杠上的最大动载荷计算选取符合垂直进给方向的滚珠丝杠的型号，然后通过压杆稳定的校核、刚度的验算、效率计算校核所选用的滚珠丝杠是否符合要求，如不符合要求，则重新选型，重新校核，最后画出丝杠的结构图及装配图。
梯形同步带的选型：通过计算出各轴和各丝杠的转速，转矩和功率，确定梯形同步带的计算功率 ，再根据和电机转速，查《机械设计手册》选取带型，然后计算带轮的相关参数，如：大小带轮的齿数、节圆直径、外径、轴间距。
直齿锥齿轮的设计：选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数，按齿面接触疲劳强度设计直齿锥齿轮，确定齿轮的齿数、模数、齿宽、齿顶高系数、齿根高系数、压力角等参数，再经过齿面接触疲劳强度和齿根弯曲强度的校核验证所选定的锥齿轮的材料、齿数、模数是否符合要求，如果不符合要求则重新设计。
交流伺服电机的校核：计算折算到电机轴上的转动惯量以及负载力矩，根据交流伺服电机的三大使用要求最大切削负载转矩不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量应与负载惯量相匹配；快速移动时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩，校核所选电机是否满足加速力矩要求、快进以及工进时的扭矩要求。
轴的设计：根据轴上安装零件以及零件的定位形式设计轴、确定轴径以及每一段轴的长度，在经过受力分析计算轴上载荷，算出轴上的总弯矩和扭矩，再按弯扭合成力校核轴是否安全。
轴承的选型和校核：通过受力分析，轴承既要承受轴向荷载又要承受径向荷载，所以选择角接触球轴承，在分析轴承上所受到力的大小验算轴承寿命是否满足XKA5750的使用要求。如不满足则重新选择型号，重新校核强度。
制动器的选型：由于滚珠丝杠没有自锁功能，所以选择制动装置，根据制动器的选择条件选择制动器。
3.2 横向进给进给传动系统的设计
交流伺服驱动电机选型、滚珠丝杠的选型、梯形同步带的选型方法和垂直进给方向的选型方法一样，设计步骤相同。
使用AutoCAD2007制图软件，画出主要零件图和装配图，使用Pro/Engineer Wildfire 4.0 三维制图软件对数控铣床的结构进行三维建模，以便更直观地展现设计思想和后期的装配。
四、主要参考文献目录
[1] 田绪东，管殿柱. Pro/Engineer Wildfire 4.0 三维机械设计[M]. 机械工业出版社，2010.01.
[2] 王文斌. 机械设计手册[S]. 机械工业出版社，2006.08.
[3] 纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2010.09.
[4] 王蓝美，冯秋官，耿耀红，机械制图[M].北京：高等教育出版社，2007.12.
[5] 张永茂，王继荣.AutoCAD2007中文版机械绘图实用教程[M].机械工业出版社，2008.02.
[6] 王竹祥，赵康德.升降台铣床垂向丝杠副的结构性能分析[D].China Academic Joumal Electronic Pubishing House All rights reserved,2012.
[7] 孙卫青, 力建勇. 机电一体化技术[M].科学出版社，2011.04.
[8] 胡秋.数控机床伺服进给系统的设计[A].中国工程物理研究所机械制造工艺研究所.1001-3881(2006)6-055-2.
[9] 过庆明,常雪梅,林 海.如何在数控机床进给系统中选择交流伺服电机[J].齐齐哈尔第一机床厂重型车床研究所, ,2004.02.
[10] 周志红，文怀兴，杨东生.滚珠丝杠安装方式的研究[J].制造技术与机床，2007.08.
[11] 胡占齐，杨莉.机床数控技术[M].第2版.北京：机械工业出版社，2007
[12] 增值新，吕明.机械制造技术基础[M].武汉理工大学出版社，2009.7
[13] 陈于萍，周兆元.互换性与测量技术基础[M].机械工业出版社，2009.1
[14] 洪钟德. 简明机械设计手册[M]. 同济大学出版社，2002.5.
[15] 陈立德，牛玉丽.机械设计基础课程设计指导书[M]．高等教育出版社,2005.
[16] 孙桓，陈作模. 机械原理（第六版）[M]. 北京：高等教育出版社，2001.5.
[17] 刘鸿文. 简明材料力学[M]. 北京：高等教育出版社，1992.9.
[18] 古今学. 我国数控产业的现状与发展举措[J]. 国土资源高等职业教育研究所，2010.
五、毕业设计（论文）工作进度计划。（必须包含一定工作量的计算机知识综合应用环节）
第一阶段：毕业设计前准备
1、开题论证阶段：查找资料，确定毕业设计实施方案。 1～2周（共2周）
2、分析、研究、设计、实施、报告编写阶段。 3～11周（共9周）
3、指导教师审阅论文，提出修改意见，学生编辑修论文，学生论文打印稿经指导老师评定之后交给评阅教师评阅。 12～14周（共3周）
4、毕业答辩阶段 15周（共1周）
5、毕业设计工作总结阶段。 16～17周（共2周）
第一阶段：毕业设计前准备（3月1日-4月01日）
第1周：阅读毕业设计指导书及任务书，查找与设计有关的资料。
第2周：确定毕业设计实施方案，编写开题报告及工作计划书。
第二阶段：分析、设计、实施、报告编写阶段（3月15日-5月16日）
第3—5周（3.5-3.26）：对题目进行分析,进行运动分析和结构分析等初定设计方案。
第6—7周（3.27-4.8）：选择适合的垂直进给和横向进给的传动方案，选择合适的带传动系统，齿轮系统、滚珠丝杆、轴承等。
第8—10周（4.9-5.6）：计算滚珠丝杆、带轮和齿轮和各轴的尺寸，并且对各部分的滚珠丝杆、带轮、齿轮、轴承进行强度校核、寿命校核，以及步进电机的选取，最后用CAD、PRO/E软件绘制零件图形。
第11周（5.7-5.13）：在校核的基础上进行修改不满足要求的零件，确定选用的各个零件，并用CAD、PRO/E绘制出零件及结构图形。
第12周（5.14-5.20）：用CAD、PRO/E画出所有的装配图和零件图，适当调整设计参数。
第13周（5.21-5.27）：解决设计的相关细节问题，撰写毕业设计论文。
第三阶段：论文审核修改阶段（5月28日-6月3日）
第14周（5.28-6.3）：论文审核，修改毕业设计。
第四阶段：毕业答辩阶段（6月5日-6月13日）
第16周：毕业设计答辩装订，提交毕业设计各资料。
六、6月1日~6月10日
论文答辩，总结阶段。
六、指导教师审核意见
指导教师签字：
年 月 日
七、开题答辩结论和审核意见
教研室主任签字：
年 月 日
