开题报告 --新一代数控机床结构的演变及创新发展初探

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1、 毕业论文开题报告 学学 生生 姓姓 名：名： 学学 号：号： 系系 别别： 机械工程系 专专 业业 ： 机械设计制造及其自动化 论论 文文 题题 目目： 新一代数控机床结构的演变 及创新发展初探 指 导 教 师指 导 教 师 : : 2013 年 03 月 20 日 1 毕毕 业业 论论 文文 开开 题题 报报 告告 1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文 献综述 文文 献献 综综 述述 一 数控机床的发展历程 1.数控机床的诞生 数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司（Parsons Co.) 在 研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的机床时

2、，提出了研制数控机床的初始设想。1949 年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实 验室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology) 合作，开始从事数控机床的研制工作。经过3年时间的研究，于1952年试制成功世界上 第一台数控机床试验性样机。 这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制 铣床。其数控系统全部采用采用电子管元件，数控装置体积比机床本体还要大。后又经 过3年的改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。直到20世纪50年代末，由于价 格

3、和技术上的原因，数控机床仅局限在航空工业中使用，品种也多为连续控制系统。到 了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业 开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。1 2.数控机床结构的发展 2.1 电主轴 主轴部件是机床的心脏，是保证机床工作精度的关键部件。传统机床主轴的驱动方 式是电机轴线和主轴的轴线互相平行，电机通过皮带或齿轮间接地驱动主轴。 近年随着高速加工的应用， 传统的主轴间接驱动方式开始不能满足数控机床性能的 求。由于当主轴转速提高到一定水平后，传动皮带开始受离心力的作用而膨胀，传动效 率急剧下降，传动齿轮的发热和噪音问题也开始变得

4、严重。于是一种新型功能部件电 主轴的出现，从根本上解决了主轴直接驱动的问题。电主轴是将电机的转子和主轴集成 为一个整体。中空的、直径较大的转子轴同时也是机床的主轴，它有足够的空间容纳刀 2 具夹紧机构或送料机构。典型的数控加工中心的电主轴结构如图 1 所示。电主轴有许 多优点 ：它可以实现很高的转速和大范围的速度调节 ；动态响应表现优异 ；电主轴 的结构紧凑，大大减少机床设计和装配调试的工作量。 2 图1 电主轴结构图 高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速机床的核心部 件。从目前发展现状来看，主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方便地配置到多 种加工中心及高速机床上，

5、而且越来越多地采用电主轴类型。电主轴技术包括高速主轴 轴承、无外壳主轴电机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以 及刀具动平衡等。 高速大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴， 这种结构基本上取消了 带传动和齿轮传动等中间传动环节，其主轴由内装式电机直接驱动，从而把机床主传动 链的长度缩短为零，实现了机床主轴的“零传动” 。这是一种由内装式电机和机床主轴 “合二为一” 的传动形式， 即采用无外壳电机， 将其空心转子直接套装在机床的主轴上， 带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内， 形成内装式电机主轴 （ Build-in Motor Spindle） ，或称高速电主

6、轴（ High-speed Motorized Spindle）. 高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改善主轴的动平衡， 减少振动和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。 在高速主轴单元中，由于机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对主轴单元 提出了较高的静刚度和工作精度的要求。另外，高速机床主轴单元的动态特性也在很大 程度上决定了机床的加工质量和切削能力。当切削过程出现较大的振动时，会使刀具出 现剧烈的磨损或破损，也会增加主轴轴承所承受的动载荷，降低轴承的精度和寿命，影 3 响加工精度和表面质量。因此，主轴单元应具有较好的抗振性。高速运转下，主轴单元 的振动问题是非常突出的，采用电主轴是最佳的选择。 电主轴系统有三项性能指标是非常重要的，即使用寿命、主轴前端径向刚度和临界 转速。 早在20世纪50年代，就己出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的 是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。随着高速切削发展的需要和 功率电子器件、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控 制驱动器；加上