機(jī)床主軸設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究-數(shù)控銑床的主軸結(jié)構(gòu)【含8張cad圖紙+文檔全套資料】
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告
1.結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)課題情況,根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料,撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述:
文 獻(xiàn) 綜 述
1.1國內(nèi)外機(jī)床主軸研究現(xiàn)狀
(1)國內(nèi)研究現(xiàn)狀
目前國內(nèi)研究高速電主軸的科研機(jī)構(gòu)有我國河南省洛陽軸承研究所 ,他們能自行研究開發(fā)電主軸 ,其DmN值達(dá)到了很高的水平 ;廣州鉅聯(lián)高速電主軸有限公司研發(fā)的大功率靜壓軸承電主軸曾獲得日內(nèi)瓦國際專利技術(shù)博覽會(huì)金獎(jiǎng) ;廣東工業(yè)大學(xué)高速加工和機(jī)床研究所也開發(fā)了數(shù)控銑床高速電主軸。其主要技術(shù)指標(biāo)為 :電主軸的額定功率是 13.5kW ,最高轉(zhuǎn)速為 180 0 0r/min ,在額定轉(zhuǎn)速 5 0 0r/min時(shí)產(chǎn)生最大輸出轉(zhuǎn)矩為 85Nm。在我國的安陽市 ,有一家中外合資的電主軸生產(chǎn)廠家———安陽萊必泰機(jī)械有限公司 ,它擁有先進(jìn)的電主軸、機(jī)床主軸設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。該公司研制生產(chǎn)的加工中心電主軸 ,采用先進(jìn)技術(shù) ,配有矢量閉環(huán)控制系統(tǒng) ,能對主軸實(shí)行恒功率調(diào)速 ,準(zhǔn)停制動(dòng)。功率為 3.7~ 2 5kW ,恒功率段 15 0 0~ 12 0 0 0r/min。采用進(jìn)口高速精密軸承 ,旋轉(zhuǎn)件經(jīng)高精度平衡。該系列產(chǎn)品具有高精度、高剛度、高速度、低噪聲、低振動(dòng)、低溫升等優(yōu)點(diǎn) ,系99國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目。
(2)國外研究現(xiàn)狀
國外高速電主軸技術(shù)由于研究較早 ,技術(shù)水平也處于領(lǐng)先地位 ,電主軸已越來越多地應(yīng)用到工業(yè)制造業(yè)中。著名的有瑞士的Fisher公司、Ibag公司、德 國的GMN公司、Hofer公司、Siemens公司、意大利Faemat公司、Gamfior公司及美國Ingersoll公司、日本Okuma公司和Fanuc公司等,它們的技術(shù)水平代表了這個(gè)領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平。
這些公司生產(chǎn)的電主軸較之國內(nèi)生產(chǎn)的有以下幾個(gè)特點(diǎn) :①功率大、轉(zhuǎn)速高。②采用高速、高剛度軸承。國外高速精密主軸上采用高速、高剛度軸承 ,主要有陶瓷軸承和液體動(dòng)靜壓軸承 ,特殊場合采用空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承。③精密加工與精密裝配工藝水平高。④配套控制系統(tǒng)水平高。這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)等。并在此基礎(chǔ)之上,這些外國廠家如美國、日本、德國、意大利和瑞士等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已生產(chǎn)了多種商品化高速機(jī)床。如瑞士米克朗公司 ,就是世界上著名的精密機(jī)床制造商。它生產(chǎn)的機(jī)床配備最高達(dá) 6 0 0 0 0r/min的高速電主軸 ,可以滿足不同的切削要求 ,所有的電主軸均裝有恒溫冷卻水套對主軸電機(jī)和軸承進(jìn)行冷卻 ,并通過高壓油霧對復(fù)合陶瓷軸承進(jìn)行潤滑。所有的電主軸均采用矢量控制技術(shù) ,可以在低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出大扭矩。
國產(chǎn)電主軸和國外產(chǎn)品相比較 ,無論是性能、品種和質(zhì)量都有較大差距 ,國產(chǎn)電主軸產(chǎn)品和國外的相比較 ,主要存在以下差距 :(1)國外電主軸低速段的輸出扭矩最大可達(dá) 30 0Nm ,而我國目前僅在 10 0Nm以內(nèi)。(2 )在高轉(zhuǎn)速方面 ,國外用于加工中心的電主軸轉(zhuǎn)速已達(dá) 75 0 0 0r/min ,我國則多在15 0 0 0r/min以內(nèi)。(3)電主軸的軸承潤滑 ,國外普遍采用油氣潤滑 ,而我國仍用油脂潤滑。(4 )其他配套技術(shù)也有較大差距 ,如主軸電機(jī)矢量控制、交流伺服控制技術(shù)、精確定向技術(shù)、快速啟動(dòng)、停止等。(5 )在產(chǎn)品的品種、規(guī)格、數(shù)量和制造規(guī)模等方面 ,國產(chǎn)電主軸仍然處于小量研發(fā)試制階段 ,沒有形成系列化、專業(yè)化 ,遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)數(shù)控機(jī)床和加工中心發(fā)展的需求。所以目前國產(chǎn)的高轉(zhuǎn)速、高精度數(shù)控機(jī)床和加工中心所用的電主軸 ,仍然主要從國外進(jìn)口。
1.2主軸技術(shù)的發(fā)展趨勢
1)繼續(xù)向高速度、高剛度方向發(fā)展
由于高速切削和實(shí)際應(yīng)用的需要,隨著主軸軸承及其潤滑技術(shù)、精密加工技術(shù)、精密動(dòng)平衡技術(shù)、高速刀具及其接口技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)控機(jī)床用電主軸高速化已成為目前發(fā)展的普遍趨勢,如鉆、銑用電主軸,瑞士IBAG的HF42的轉(zhuǎn)速達(dá)到140000r/min,英國WestWind公司的PCB鉆孔機(jī)電主軸D1733更是達(dá)到了250000r/min;加工中心用電主軸,瑞士FISCHER最高轉(zhuǎn)速達(dá)到42000r/min,意大利CAMFIOR達(dá)到了75000r/min。在電主軸的系統(tǒng)剛度方面,由于軸承及其潤滑技術(shù)的發(fā)展,電主軸的系統(tǒng)剛度越來越大,滿足了數(shù)控機(jī)床高速、高效和精密加工發(fā)展的需要。
2) 向高速大功率、低速大轉(zhuǎn)矩方向發(fā)展
根據(jù)實(shí)際使用的需要,多數(shù)數(shù)控機(jī)床需要同時(shí)能夠滿足低速粗加工時(shí)的重切削、高速切削時(shí)精加工的要求,因此,機(jī)床電主軸應(yīng)該具備低速大轉(zhuǎn)矩、高速大功率的性能。如意大利CAMFIOR、瑞士Step—Tec、德國GMN等制造商生產(chǎn)的加工中心用電主軸,低速段輸出轉(zhuǎn)矩到200Nm以上的已經(jīng)不是難事,德國CYTEC的數(shù)控銑床和車床用電主軸的最大扭矩更是達(dá)到了630N·m;在高速段大功率方面,一般在l0~50kW;CYTEC電主軸的最大輸出功率為50kW;瑞士Step—Tec電主軸的最大功率更是達(dá)到65kW(S1),用于航空器制造和模具加工;更有電主軸功率達(dá)到80kW 的報(bào)道。
3) 進(jìn)一步向高精度、高可靠性和延長工作壽命方向發(fā)展
用戶對數(shù)控機(jī)床的精度和使用可靠性提出了越來越高的要求,作為數(shù)控機(jī)床核心功能部件之一的電主軸,要求其本身的精度和可靠性隨之越來越高。如主軸徑向跳動(dòng)在0.001mm 以內(nèi)、軸向定位精度<0.0005mm以下。同時(shí),由于采用了特殊的精密主軸軸承、先進(jìn)的潤滑方法以及特殊的預(yù)負(fù)荷施加方式,電主軸的壽命相應(yīng)得到了延長,其使用可靠性越來越高。Step—Tec的電主軸還加裝了加速度傳感器,降低軸承振動(dòng)加速度水平,為了監(jiān)視和限制軸承上的振動(dòng),安裝了振動(dòng)監(jiān)測模塊,以延長電主軸工作壽命。
4) 快速啟動(dòng)、停止響應(yīng)速度加快
為縮短輔助時(shí)間,提高效率,要求數(shù)控機(jī)床電主軸的啟、停時(shí)間越短越好,因此需要很高的啟動(dòng)和停機(jī)加(減)速度。目前,國外機(jī)床電主軸的啟、停加速度可達(dá)到lg以上,全速啟、停時(shí)間在ls以內(nèi)。
5) 軸承及其預(yù)加載荷方式、潤滑方式多樣化
除了常規(guī)的鋼制滾動(dòng)軸承外,近年來陶瓷球混合軸承越來越得到廣泛的應(yīng)用,潤滑方式有油脂、油霧、油氣等,尤其是油氣潤滑方法(又Oil-air),由于具有適應(yīng)高速、環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn),得到越來越廣泛的推廣和應(yīng)用;滾動(dòng)軸承的預(yù)負(fù)荷施加方式除了剛性預(yù)負(fù)荷(又稱定位預(yù)負(fù)荷)、彈性預(yù)負(fù)荷(又稱定壓預(yù)負(fù)荷)之外,又發(fā)展了一種智能預(yù)負(fù)荷方式,即利用液壓油缸對軸承施加預(yù)負(fù)荷,并且可以根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速、負(fù)載等具體工況控制預(yù)負(fù)荷的大小,使軸承的支承性能更加優(yōu)良。在非接觸形式軸承支承的電主軸方面,如磁浮軸承、氣浮軸承電主軸(瑞士IBAG等)、液浮軸承電主軸(美國Ingersoll等)等已經(jīng)有系列商品供應(yīng)市場。
6)向多功能、智能化方向發(fā)展
在多功能方面,有角向停機(jī)精確定位(準(zhǔn)停)、C軸傳動(dòng)、換刀中空吹氣、中空通冷卻液、軸端氣體密封、低速轉(zhuǎn)矩放大、軸向定位精密補(bǔ)償、換刀自動(dòng)動(dòng)平衡技術(shù)等。在智能化方面,主要表現(xiàn)在各種安全保護(hù)和故障監(jiān)測診斷措施,如換刀聯(lián)鎖保護(hù)、軸承溫度監(jiān)控、電機(jī)過載和過熱保護(hù)、松刀時(shí)軸承卸荷保護(hù)、主軸振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測和故障異常診斷、軸向位置變化自動(dòng)補(bǔ)償、砂輪修整過程信號(hào)監(jiān)測和自動(dòng)控制、刀具磨損和損壞信號(hào)監(jiān)控等,如Step-Tec 電主軸安裝有診斷模塊,維修人員可通過紅外接口讀取數(shù)據(jù),識(shí)別過載,統(tǒng)計(jì)電主軸工作壽命。
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 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研究或解決的問題
(1)通過對自己所查找的相關(guān)資料,了解掌握銑床主軸的基本知識(shí)。
(2)熟悉銑床主軸單元的關(guān)鍵技術(shù),掌握其相關(guān)知識(shí)及選型、應(yīng)用、設(shè)計(jì)方法等。
(3)學(xué)會(huì)CAD設(shè)計(jì)軟件,完成相應(yīng)的工程圖設(shè)計(jì)。
(4)編寫說明書。
2.2擬采用的設(shè)計(jì)方案
(1)本次設(shè)計(jì)擬采用數(shù)控銑床的電主軸,其結(jié)構(gòu)如圖所示:
圖1 數(shù)控銑床主軸結(jié)構(gòu)圖
(2)主軸伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇:由于本次設(shè)計(jì)要求主軸工作轉(zhuǎn)速達(dá)8000r/min,輸出功率達(dá)5KW,可采用深圳步科的伺服驅(qū)動(dòng)器。具體的相關(guān)的技術(shù)參數(shù)如下:控制器等級(jí),0.75Kw~75Kw;調(diào)速范圍,0r/min~15000r/min(四級(jí)電機(jī));0r/min~30000r/min(二級(jí)電機(jī));本次的電機(jī)的主功率為5Kw,轉(zhuǎn)速8000r/min。
(3)確定主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù):確定主軸的軸徑、主軸前端懸伸量和主軸主要支承間的跨距。
(4)利用CAD軟件繪制工程圖。
2.3擬采用的研究思路和手段
初步擬采用理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合的研究方法。針對銑床主軸單元設(shè)計(jì)主要采取以下方法:
①收集國內(nèi)外相關(guān)研究資料,對其進(jìn)行詳細(xì)分析并總結(jié)各自方案的優(yōu)缺點(diǎn);通過對比國內(nèi)外研究情況,提出自己的看法,擁有自己的創(chuàng)新點(diǎn)。
②通過對機(jī)構(gòu)進(jìn)行總體分析并詳細(xì)設(shè)計(jì),初步確定本設(shè)計(jì)的研究思路。
③總結(jié)自己的思路,并與指導(dǎo)老師、同學(xué)們進(jìn)行交流,最終確保本畢業(yè)設(shè)計(jì)思路的正確性和可行性。
④在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中,如果遇到疑問或問題,及時(shí)與老師溝通交流;最終完成銑床主軸變速箱設(shè)計(jì)。
⑤撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書,準(zhǔn)備答辯。
進(jìn)度安排:
2月29日-3月3日:查閱資料
3月4日-3月21日 :撰寫開題報(bào)告
3月22日-5月18日:確定優(yōu)化方案
5月19日-6月1日: 完成畢業(yè)論文初稿
6月2日—6月5日:根據(jù)指導(dǎo)老師意見,修改論文初稿,完成終稿,準(zhǔn)備答辯
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見:
報(bào)告表明,該同學(xué)近期查閱了大量文獻(xiàn)資料,特別是企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)資料,對數(shù)控機(jī)床、電主軸等有了一些新認(rèn)識(shí)。對國內(nèi)外采用了什么新技術(shù),關(guān)鍵技術(shù)等還有些不足。
但對設(shè)計(jì)任務(wù)基本明確。
同意開題。
指導(dǎo)教師:
2016 年 3 月 22 日
所在學(xué)院審查意見:
同意開題
負(fù)責(zé)人:
2016 年 3 月 22 日
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