Y3150E型滾齒機數(shù)控改造及結(jié)構(gòu)設(shè)計開題報告

1、畢 業(yè) 論 文 設(shè) 計 開 題 報 告題 目 Y3150E型滾齒機數(shù)控改造及結(jié)構(gòu)設(shè)計 學生姓名 學號 所在院(系) 專業(yè)班級 指導教師 2013年 3月 15 日題 目Y3150E型滾齒機數(shù)控改造及結(jié)構(gòu)設(shè)計一、選題的目的及研究意義1.選題的目的Y3150E型滾齒機采用純機械的傳動鏈，傳動精度低，調(diào)整復雜，無法滿足大批量、多品種、高精度齒輪的加工要求，針對這一問題，對其進行數(shù)控化改造?？刂撇糠钟每删幊炭刂破鳛楹诵牡臄?shù)控系統(tǒng)，通過三軸聯(lián)動實現(xiàn)主運動、展成運動、徑向進給運動及附加運動的精確數(shù)字控制。從而有效的擴大加工范圍，提高加工精度，提高機床的自動化程度以及生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)和生產(chǎn)準備周期，并減輕

2、工人勞動強度，改善勞動條件。2.選題的研究意義近年來,隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和國防建設(shè)的需要,對高檔數(shù)控機床提出了急迫的大量需求。機床制造業(yè)是一國工業(yè)之基石,它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段,是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達工業(yè)化國家,也無不高度重視。機床是一個國家制造業(yè)水平的象征，尤其是數(shù)控機床系統(tǒng)反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平狀況。齒輪作為一種重要的傳動零件，其作用主要有兩個，一個是傳遞運動，另一個是傳遞動力，它廣泛用于各類機器、儀表中。中國齒輪專業(yè)協(xié)會副會長王聲堂這樣來評價齒輪的重要性：“中國國徽上有一個齒輪和一根麥穗，分別象征工業(yè)與農(nóng)業(yè)。齒輪是工業(yè)的象征，這就充

3、分說明了齒輪在工業(yè)中的核心地位?！?另外，齒輪加工在國民經(jīng)濟發(fā)展中也占有重要位置，據(jù)統(tǒng)計：“十一五”期間，中國齒輪行業(yè)總產(chǎn)值由250億元增長到500億元，平均增長速度接近20%，五年間上升了一倍，排名世界第四，銷售規(guī)模上億元企業(yè)超50家，行業(yè)集中度明顯提高。2006年中國齒輪行業(yè)的年產(chǎn)值是590億。但是，傳統(tǒng)的機械滾齒機床機械結(jié)構(gòu)非常復雜，一臺主電機不僅要驅(qū)動展成分度傳動鏈，還要驅(qū)動差動和進給傳動鏈，各傳動鏈中的每一個傳動元件本身的加工誤差都會影響被加工齒輪的加工精度，同時為加工不同齒輪，還需要更換各種掛輪調(diào)整起來復雜費時 ，大大降低了勞動生產(chǎn)率。比如采用西門子三相同步伺服電機替代原滾齒機的內(nèi)

4、聯(lián)傳動鏈，即滾齒機主運動和進給運動直接用伺服電機驅(qū)動，進而簡化機床結(jié)構(gòu)、提高機床傳動精度。采用伺服電機驅(qū)動代替?zhèn)鲃育X輪箱取消了分齒掛輪和差動掛輪的選配計算，一方面縮短傳動鏈、減少加工調(diào)整時間，提高了齒輪的加工效率；另一方面，取消了裝卸掛輪的人工干預。改造后的滾齒機直接采用伺服電機驅(qū)動內(nèi)聯(lián)傳動鏈兩端件，取消中間傳動齒輪，通過數(shù)控裝置控制各電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)遠程控制，向最終實現(xiàn)齒輪加工的集成化邁進。二、綜述與本課題相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、研究方法及應用領(lǐng)域等1.擬開展研究項目的背景本課題來源于生產(chǎn)實際。齒輪是工業(yè)生產(chǎn)中的重要基礎(chǔ)零件，其加工水平和能力反映了一個國家的工業(yè)水平。隨著社會生產(chǎn)力和科學

5、技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)對齒輪的質(zhì)量要求越來越高。對產(chǎn)品的更新速度要求越來越快。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)率和降低成本，要求齒輪加工機床不僅具有較好的通用性和靈活性，而且加工過程要盡可自動化。從國內(nèi)市場需求來看，工業(yè)化國家數(shù)控機床的發(fā)展已經(jīng)進入穩(wěn)定、實用和普遍推廣的階段，機床的數(shù)控化率已經(jīng)成為衡量一個國家機床水平的重要指標。一方面，我們應該設(shè)計、生產(chǎn)一些適合本國國情的數(shù)控機床；另一方面，我們面臨300多萬臺普通機床，可以將其中的一部分改造成經(jīng)濟型數(shù)控機床。所以，我國數(shù)控系統(tǒng)的需求潛力是很大的，發(fā)展前景是光明的。從我國的實際情況出發(fā)，緊密圍繞國民經(jīng)濟各行各業(yè)發(fā)展的需要，大力發(fā)展量大面廣的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)

6、，可以顯著地提高經(jīng)濟效益和社會效益。從經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的特點來看，可概括為：品種多樣、功能較全、可靠性較高、價格低廉、操作簡單、維修方便等。尤為突出的三點是：1.節(jié)省資金。機床的數(shù)控改造同購置新機床相比，一般可節(jié)省60%-80%的費用，大型機特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機床改造秩序花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結(jié)構(gòu)進行徹底改造升級，也只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。2. 性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應力變形而影響精度。3.提高生產(chǎn)效率。機床經(jīng)數(shù)控改造后，即可實現(xiàn)加工的自動化，效率可比傳統(tǒng)機床提高3-7倍。對復雜零件而言，難度越高，功效提高得越

7、多，且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用，而且可以縮短生產(chǎn)準備周期。鑒于上述優(yōu)點，經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)被許多企業(yè)看好。目前，我國步入市場經(jīng)濟不久，國有企業(yè)正處于改制時期，資金嚴重不足，民營企業(yè)剛剛成長，技術(shù)人才短缺，同樣資金也很緊張。多數(shù)企業(yè)在短時間內(nèi)不可能付出大量的資金購買中、高檔數(shù)控，而大量的機械零件需要高速、高精度的設(shè)備來制造。此時，步進電機的經(jīng)濟型數(shù)控正好填補了這一空白。當前國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是：“跟蹤高精度、發(fā)展普及型、擴大經(jīng)濟型”。發(fā)展經(jīng)濟型數(shù)控符合目前我國的實際情況，我們應該邊發(fā)展邊探索。針對經(jīng)濟型數(shù)控存在的問題，首先要加強管理，提高生產(chǎn)工藝水平，有效地組織起數(shù)控系統(tǒng)規(guī)模化生產(chǎn)，建

8、立起數(shù)控系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)督體系及質(zhì)量保證體系。在重視中、高檔數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)、生產(chǎn)的同時，花大力氣組織好經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的生產(chǎn)。原Y3150E型滾齒機采用純機械的傳動鏈，傳動精度低、調(diào)整復雜，無法滿足大批量、多品種、高精度齒輪的加工要求，且機床電氣故障比較突出，有些機床甚至無法使用，如淘汰了重新購置則投資太大。由于潤滑充分，該機床的導軌、絲杠、絲母，滑臺及工作臺的蝸輪蝸桿等磨損不大，機床機械精度保持較好，具備進行改造的基本條件，且改造投資少、見效快，因此對普通滾齒機進行數(shù)控改造是經(jīng)濟可行的。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在全國大約有五萬臺已陳舊滾齒機，加工不出GB10095-88標準的7級齒輪 。對舊滾齒機進行數(shù)控改造，一方

9、面能充分利用企業(yè)自身資源，為企業(yè)節(jié)約資本，另一方面也能有效提高齒輪的生產(chǎn)水平，滿足要求。非常適合我們國家企業(yè)的實際情況。滾齒是應用最廣的切齒方法，滾齒機是應用最普遍的一種齒輪加工設(shè)備，在此情況下，本課題應運而生。2.國內(nèi)外滾齒機技術(shù)研究現(xiàn)狀 滾齒機制造技術(shù)的發(fā)展可劃分為機械式滾齒機和數(shù)控滾齒機兩個階段。傳統(tǒng)的機械傳動式滾齒機，其特征為各主軸采用機械式的傳動形式，包括差動、分齒、工件軸、滾刀軸和進給等。由于傳動鏈固有的理論誤差和安裝間隙，造成速度很慢，精度很低。工作時，滾刀裝在滾刀主軸上，由主電動機通過齒輪副和蝸輪副驅(qū)動作旋轉(zhuǎn)運動；刀架可沿立柱導軋垂直移動，還可繞水平軸線調(diào)整一個角度。工件裝在工

10、件軸上，由分度蝸輪副帶動旋轉(zhuǎn)，與滾刀的運動一起構(gòu)成展成運動。滾切斜齒輪時，差動機構(gòu)使工件作相應的附加轉(zhuǎn)動。工作臺（或立柱）可沿床身導軌移動，以適應不同工件直徑和作徑向進給。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)1-3個軸數(shù)控化的滾齒機，其中的一部分軸采用伺服電機數(shù)字化控制。直到20世紀80年代，世界上才出現(xiàn)真正意義上的六軸數(shù)控滾齒機。在過去的20年中，數(shù)控滾齒機的發(fā)展可以劃分為四代：第一代數(shù)控滾齒機的工件軸和滾刀軸等采用傳統(tǒng)的蝸桿蝸輪副傳動，速度依然較低，但精度有所提高。隨著刀具技術(shù)的發(fā)展，切削線速度有了很大的提高，原來的滾齒機已不能滿足刀具的高速切削要求，于是更快的第二代數(shù)控滾齒機誕生。其工件軸和滾刀軸采

11、用齒輪副傳動，速度有很大的提高。格里森鳳凰牌125GH是第二代數(shù)控滾齒機的代表。第三代數(shù)控滾齒機于90年代末出現(xiàn)， 它與世界上兩大齒輪裝備巨頭的合并不無干系。差動機構(gòu)滾齒機發(fā)明人H.Pfaute創(chuàng)辦了PFAUTER公司，100多年來，PFAUTER公司不斷探索，使?jié)L齒機制造技術(shù)始終處于世界領(lǐng)先地位。1997年，世界著名錐齒輪制造商美國格里森公司成功收購德國PFAUTER公司，通過技術(shù)的強強聯(lián)手，第三代數(shù)控滾齒機GP系列誕生，其以全直驅(qū)技術(shù)的利用為特征，工件軸和滾刀軸的直接驅(qū)動實現(xiàn)了真正意義的全封閉環(huán)控制。直驅(qū)技術(shù)的使用，保證了高速度；電子齒輪箱和機械間隙的數(shù)控補償，保證了高精度。這時數(shù)控滾齒機

12、似乎進入頂峰。近10年間，格里森公司有開發(fā)出第四代滾齒機GENESISTM 130，GENESISTM 130H比普通數(shù)控滾齒機的性能有了很大提升，這也是當今世界上唯一的第四代數(shù)控滾齒機。機床采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，具有7個數(shù)控軸（X軸式徑向軸，Y軸是切向軸，Z軸式軸向軸，A是刀架旋轉(zhuǎn)軸，B是滾刀主軸，C是工件軸，Z2是尾架軸），其中，4個為聯(lián)動軸（X、Z、B和C）；采用干切技術(shù)，高速鋼滾刀切削；轉(zhuǎn)速達955r/min，線速度達180m/min，完成單件全部（包括上下料）過程僅需19s；精度高于DIN Class7；用于精密加工時可達到DIN Class5甚至更高，真正達到高精度、高速度。

13、隨著微處理機的發(fā)展，數(shù)控機床已向機電一體化方向發(fā)展，近年世界各發(fā)達國家競相發(fā)展數(shù)控技術(shù)，集中了雄厚的資金和大批力展高級機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品，實現(xiàn)生產(chǎn)高度自動化和柔性化幅度提高勞動生產(chǎn)率，降低產(chǎn)品成本，加速產(chǎn)品更新?lián)Q代，從而適應市場激烈競爭的需要。歷經(jīng)幾代進化，計算機數(shù)控系統(tǒng)不僅比原有的數(shù)控系統(tǒng)使用范圍廣、功能全、精度高，而且還有相當大的通用性，改善了對機床操作的控制，并開始向人工智能化發(fā)展。而現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的廣泛應用，又促使機械加工行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 、生產(chǎn)方式、管理體制和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻的變化，也將促使人類勞動方式發(fā)生根本性的變化 。因此，目前世界上各工業(yè)發(fā)達國家，都把發(fā)展數(shù)控技術(shù)作為實現(xiàn)機械工業(yè)

14、技術(shù)革新的戰(zhàn)略重點，各種加工機械都朝著數(shù)控化的方向發(fā)展。但齒輪加工機床的數(shù)控化進展卻非常緩慢，一個主要原因是數(shù)控系統(tǒng)本身滿足不了齒輪加工機床所要求的嚴格速比關(guān)系?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢為加速實現(xiàn)齒輪加工機床數(shù)控化提供了可能?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)具有以下新趨勢：(1)采用交流數(shù)字伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的質(zhì)量，直接關(guān)系到 CNC機床的加工精度?，F(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)，采用交流數(shù)字伺服系統(tǒng)。伺服電機的位置、速度及電流環(huán)路都實現(xiàn)了數(shù)字化，實現(xiàn)了幾乎不受機械負荷波動影響的高速響應伺服系統(tǒng)。并且系統(tǒng)采用的交流伺服電機沒有電刷，避免了滑動摩擦，運轉(zhuǎn)時沒有火花，堅固耐用，幾乎不用維修，可用于惡劣環(huán)境，它的調(diào)速范圍與寬調(diào)速直流伺服

15、系統(tǒng)相近。由于現(xiàn)代控制技術(shù)的不斷提高，系統(tǒng)內(nèi)采用的數(shù)字脈寬調(diào)速裝置可以以極低轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，而這一點正是齒輪加工機床所追求的 適合于滾齒機伴隨工件軸向進給，要求工件軸疊加一個附加運動 (速度較低)的需求。從交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢來看，它的控制精度和可靠性不斷提高，調(diào)節(jié)性能和適應性不斷增強，真正實現(xiàn)了全軟件結(jié)構(gòu)，為進一步實現(xiàn)數(shù)控加工的自動化和柔性化提供可能。從市場調(diào)查來看，在日本市場上交流伺服系統(tǒng)和直流伺服系統(tǒng)的所占比例為3：1還強，在1996年在北京 “第四屆中國國際機床展覽會”上幾乎所有制造數(shù)控機床的日本廠商都推出了采用交流數(shù)字伺服系統(tǒng)的數(shù)控機床。又如，美國辛辛那提州的米拉克龍 (Mila

16、cron)公司生產(chǎn)的代表當今世界領(lǐng)先水平的A-2100系統(tǒng)就是采用了科爾摩根公司提供的交流伺服系統(tǒng)。國內(nèi)也在交流伺服系統(tǒng)的研究方面作了大量工作 “八五”期間，國家主要大力扶植交流伺服系統(tǒng)，“九五”又相應地制定了有利于交流伺服系統(tǒng)發(fā)展的計劃。由此可見，數(shù)字化和采用交流伺服系統(tǒng)是機床數(shù)控化的發(fā)展趨勢。所以將數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)引人到滾齒機的數(shù)控改裝上是對國際領(lǐng)先技術(shù)的跟蹤 也是對進一步實現(xiàn)滾齒機的數(shù)控化尋求途徑。(2)實現(xiàn)了多軸控制曲線、曲面及特殊型面的加工，刀庫的控制，多刀加工都要求數(shù)控機床能實現(xiàn)多軸聯(lián)動控制。而滾齒機在加工齒輪時需要滾刀回轉(zhuǎn)、工作臺回轉(zhuǎn)、滾刀的垂直進給走刀、工作臺進給及滾刀沿刀具

17、軸向移位等五個運動的協(xié)調(diào)運動，相當于控制系統(tǒng)對五根軸進行同時控制。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般可控制軸數(shù)為3-15軸，同時控制軸數(shù)為3-6軸。這樣就為解決滾齒機以連續(xù)展成法加工齒輪時所需保證的兩個基本要求提供了有效對策，為實現(xiàn)滾齒機數(shù)控化提供了另一個有力的保障。(3)CNC的智能化在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中，引進了適應控制技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)能檢測對自己影響的信息。并通過軟件控制自動連續(xù)調(diào)整有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，形成新的優(yōu)化組合，達到改進系統(tǒng)運動狀態(tài)的目的，實現(xiàn)生產(chǎn)的高度自動化。另外，通過改變系統(tǒng)控制參數(shù)以適應各種加工的需求，實現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化。而要實現(xiàn)滾齒加工的集成化，這兩點也是它所需求的。(4)有很強的通訊功能現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng) 還

18、能與其它 CNC系統(tǒng)通信，或者與上級計算機通信，實現(xiàn)FMS進線的要求。所以除了RS-232接口外，還有RS-422和DNC等多種通信接口。隨著柔性自動化技術(shù)的發(fā)展，齒輪加工機床也將逐步地由單機走向柔性線( FMS )，進而形成自動化工廠 (FA)或者計算機集成制造系統(tǒng) (CIMS)。這樣就要求控制系統(tǒng)有較高的通信功能，而現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)具有的較強通信功能，為滾齒機與上位計算機通信實現(xiàn)遠程控制提供了可能，為進一步實現(xiàn)齒輪加工的CIMS奠定基礎(chǔ)。(5)不斷的提高可靠性現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的平均無故障工作時間已達到NTBF=3000-36000h (5個月)。表明現(xiàn)代控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性已顯著提高，節(jié)約了系

19、統(tǒng)的故障維修時間，提高了加工效率。綜上所述，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展為滾齒機的數(shù)控改造提供了強有力的技術(shù)支持 。在本課題中我所選用的是SINUMERIK 802D數(shù)控系統(tǒng)，它將所有CNC、PLC、HMI 和通訊任務集成于一身。免維護的硬件集成了PROFIBUS接口用于驅(qū)動和I/O模塊并具有速裝結(jié)構(gòu)的超薄操作面板；可控制最多4個數(shù)字進給軸和1個主軸。802D 配備SIMODRIVE 611UE 和帶編碼器的1FK7伺服電機作為進給驅(qū)動和1PH7主軸電機。三、對本課題將要解決的主要問題及解決問題的思路與方法、擬采用的研究方法（技術(shù)路線）或設(shè)計（實驗）方案進行說明，論文要寫出相應的寫作提綱1.本課題將要解

20、決的主要問題及解決問題的思路與方法1）本課題要解決的主要問題（1）對Y3150E滾齒機導軌精度進行修正；（2）對Y3150E滾齒機的絲杠傳動部件進行替換；（3）搭建新的控制系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)需求選擇系統(tǒng)中的測量、檢測元件的型號。2）解決的思路和方法 （1）解決思路對于本課題，應分為三大塊來解決。首先明確Y3150E型滾齒機基本結(jié)構(gòu)及工作過程，理清改造中涉及的驅(qū)動電機、傳動副的設(shè)計思路和計算方法。其次，就是擬定傳動方案和傳動系統(tǒng)圖。最后就是采用可編程控制器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，通過三軸聯(lián)動實現(xiàn)主運動、展成運動、徑向進給運動及附加運動的精確數(shù)字控制。這樣該課題的任務就得到了徹底的完成。 （2）解決方法

21、（1）把課本上的相關(guān)知識學好，查閱資料，搜集相關(guān)的信息并閱讀信息對問題由一個系統(tǒng)的了解； （2）構(gòu)建初步的系統(tǒng)框架； （3）在研究過程中邊設(shè)計邊改進； （4）做大量實驗，不懂得地方請教專家、上網(wǎng)查資料或?qū)嵉刈咴L。2.擬采用的研究方法（技術(shù)路線）或設(shè)計（實驗）方案設(shè)計方案：首先明確Y3150E型滾齒機基本結(jié)構(gòu)及工作過程，了解其工作原理；其次就是擬定傳動方案和傳動系統(tǒng)圖；最終實現(xiàn)機械系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的精確配合。4、 檢索與本課題有關(guān)參考文獻資料的簡要說明1孫桓.陳作模.葛文杰.機械原理M.北京,高等教育出版社,2006.52牛鳴岐.王保民. 王振甫.機械原理課程設(shè)計手冊M.重慶,重慶大學出版社,20

22、05.63濮良貴.機械設(shè)計 M.北京,高等教育出版社,2008.74陸鳳儀.機械原理課程設(shè)計M.北京,機械工業(yè)出版社,2002.75李運華.機電控制M.北京,北京航空航天大學出版社,2003.6 6芮延年.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計M.北京,北京機械工業(yè)出版社,2004.57鄧星鐘.機電傳動控制（第三版）M.武漢,華中科技大學出版社,2001.58裴仁清.機電一體化原理M.上海,上海大學出版社,1998.59李堯忠.軸承清洗機液壓系統(tǒng)的設(shè)計M.北京,高等教育出版社,2009.610朱龍根.機械系統(tǒng)設(shè)計（第二版）M.北京,機械工業(yè)出版社,2002.611朱龍根.簡明機械零件設(shè)計手冊（第二版）M.北京,機械工業(yè)出版社,2002.712陳建剛.機電控制技術(shù)M.長沙,國防科技大學出版社,201013 甘永立.幾何量公差與檢測M,上海,上?？茖W技術(shù)出版社,200514 P Shi，E Stigns. Highly sensitive angular measurement wit