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畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：
文 獻 綜 述
1.1國內(nèi)外機床主軸研究現(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)博覽會金獎 ;廣東工業(yè)大學(xué)高速加工和機床研究所也開發(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———安陽萊必泰機械有限公司 ,它擁有先進的電主軸、機床主軸設(shè)計和制造技術(shù)。該公司研制生產(chǎn)的加工中心電主軸 ,采用先進技術(shù) ,配有矢量閉環(huán)控制系統(tǒng) ,能對主軸實行恒功率調(diào)速 ,準停制動。功率為 3.7～ 2 5kW ,恒功率段 15 0 0～ 12 0 0 0r/min。采用進口高速精密軸承 ,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、低溫升等優(yōu)點 ,系99國家火炬計劃項目。
（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)水平代表了這個領(lǐng)域的世界先進水平。
這些公司生產(chǎn)的電主軸較之國內(nèi)生產(chǎn)的有以下幾個特點 :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)達國家已生產(chǎn)了多種商品化高速機床。如瑞士米克朗公司 ,就是世界上著名的精密機床制造商。它生產(chǎn)的機床配備最高達 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和軸承進行冷卻 ,并通過高壓油霧對復(fù)合陶瓷軸承進行潤滑。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 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 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 ,如主軸電機矢量控制、交流伺服控制技術(shù)、精確定向技術(shù)、快速啟動、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 ,遠不能滿足國內(nèi)數(shù)控機床和加工中心發(fā)展的需求。所以目前國產(chǎn)的高轉(zhuǎn)速、高精度數(shù)控機床和加工中心所用的電主軸 ,仍然主要從國外進口。
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)速達到140000r／min，英國WestWind公司的PCB鉆孔機電主軸D1733更是達到了250000r／min；加工中心用電主軸，瑞士FISCHER最高轉(zhuǎn)速達到42000r／min，意大利CAMFIOR達到了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)實際使用的需要，多數(shù)數(shù)控機床需要同時能夠滿足低速粗加工時的重切削、高速切削時精加工的要求，因此，機床電主軸應(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到65kW(S1)，用于航空器制造和模具加工；更有電主軸功率達到80kW 的報道。
3） 進一步向高精度、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。如主軸徑向跳動在0.001mm 以內(nèi)、軸向定位精度<0.0005mm以下。同時，由于采用了特殊的精密主軸軸承、先進的潤滑方法以及特殊的預(yù)負荷施加方式，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，降低軸承振動加速度水平，為了監(jiān)視和限制軸承上的振動，安裝了振動監(jiān)測模塊，以延長電主軸工作壽命。
4） 快速啟動、停止響應(yīng)速度加快
為縮短輔助時間，提高效率，要求數(shù)控機床電主軸的啟、停時間越短越好，因此需要很高的啟動和停機加(減)速度。目前，國外機床電主軸的啟、停加速度可達到lg以上，全速啟、停時間在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，得到越來越廣泛的推廣和應(yīng)用；滾動軸承的預(yù)負荷施加方式除了剛性預(yù)負荷(又稱定位預(yù)負荷)、彈性預(yù)負荷(又稱定壓預(yù)負荷)之外，又發(fā)展了一種智能預(yù)負荷方式，即利用液壓油缸對軸承施加預(yù)負荷，并且可以根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速、負載等具體工況控制預(yù)負荷的大小，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，有角向停機精確定位(準停)、C軸傳動、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、軸向定位精密補償、換刀自動動平衡技術(shù)等。在智能化方面，主要表現(xiàn)在各種安全保護和故障監(jiān)測診斷措施，如換刀聯(lián)鎖保護、軸承溫度監(jiān)控、電機過載和過熱保護、松刀時軸承卸荷保護、主軸振動信號監(jiān)測和故障異常診斷、軸向位置變化自動補償、砂輪修整過程信號監(jiān)測和自動控制、刀具磨損和損壞信號監(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)，識別過載，統(tǒng)計電主軸工作壽命。
參考文獻
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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。
（2）熟悉銑床主軸單元的關(guān)鍵技術(shù)，掌握其相關(guān)知識及選型、應(yīng)用、設(shè)計方法等。
（3）學(xué)會CAD設(shè)計軟件，完成相應(yīng)的工程圖設(shè)計。
（4）編寫說明書。
2.2擬采用的設(shè)計方案
（1）本次設(shè)計擬采用數(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)動器的選擇：由于本次設(shè)計要求主軸工作轉(zhuǎn)速達8000r/min，輸出功率達5KW，可采用深圳步科的伺服驅(qū)動器。具體的相關(guān)的技術(shù)參數(shù)如下：控制器等級，0.75Kw～75Kw；調(diào)速范圍，0r/min～15000r/min（四級電機）；0r/min～30000r/min（二級電機）；本次的電機的主功率為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)計相結(jié)合的研究方法。針對銑床主軸單元設(shè)計主要采取以下方法：
①收集國內(nèi)外相關(guān)研究資料，對其進行詳細分析并總結(jié)各自方案的優(yōu)缺點；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。
②通過對機構(gòu)進行總體分析并詳細設(shè)計，初步確定本設(shè)計的研究思路。
③總結(jié)自己的思路，并與指導(dǎo)老師、同學(xué)們進行交流，最終確保本畢業(yè)設(shè)計思路的正確性和可行性。
④在做畢業(yè)設(shè)計的過程中，如果遇到疑問或問題，及時與老師溝通交流；最終完成銑床主軸變速箱設(shè)計。
⑤撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，準備答辯。
進度安排：
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，準備答辯
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指導(dǎo)教師意見：
報告表明，該同學(xué)近期查閱了大量文獻資料，特別是企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)資料，對數(shù)控機床、電主軸等有了一些新認識。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
負責(zé)人：
2016 年 3 月 22 日