本科生毕设数控机床.docx
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本科生毕设数控机床
阀门碟版加工数控机床工业设计
Valvediscmachiningncmachineindustrialdesign
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摘要
当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。
长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点.
近年来，我国数控产业发展迅速，但是，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。
由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺,系统生产应用推广不力等。
针对这些问题，我们一方面要加强一些科学技术的创新和开发，另一方面也要多向国外学习和借鉴，取长补短，这样才能使国内的数控机床更加完善，更加全面的发展，以下是一些发展的趋势和方向：
（1）造型上面要符合现代人的审美和时尚的观点。
造型新颖是未来机床设计的主要方向之一，现代人们在追求功能满足的前提下更下注重造型设计。
（2）功能上面要全面满足数控机床的使用功能，功能是机床存在的根本之所在，如果功能不满足要求那么其他一些将无从谈起。
（3）人机上面要做以人为本的设计理念，数控机床本身也是为人类而服务的，要在机床的操作，使用，维修，润滑等等一些列方面考虑人机问题，以便更好地为人服务。
（4）价格上面要做到尽量合情合理，既能够让人接受，也体现了机床本身的使用价值。
（5）排放上面要做到最大化的节能减排，环保问题仍然是人类生存的首要问题，不能因小失大，不能因为追求人类暂时的利益而破坏长远利益。
（6）安全性问题：
安全问题是现代安全生产的首要问题，每年机械伤人的事例不胜枚举，在现代各个行业的运作中人身安全永远是第一位的，所以机床的安全不容忽视，要足够重视。
关键词：
数控机床;发展趋势;安全
Abstract
Onmachinetoolindustryintoday'sworld,industrialdevelopedcountriesattachgreatimportanceto,theracetothedevelopmentofelectromechanicalintegration,highprecision,highefficiency,highautomatedadvancedmachinetools,toacceleratethedevelopmentofindustryandnationaleconomy.Foralongtime,Europe,America,andcompetingeachotherintheinternationalmarket,andhasformedaninvisiblefront,especiallyalongwiththeprogressofmicroelectronics,computertechnology,numericalcontrolmachinetoolinthe1980saftertheaccelerateddevelopment,hasbecomethebigfourinternationalmachinetoolshowinmachinetoolmanufacturersfromallovertheworldcompetetoshowthefocusoftheadvancedtechnology,fortheuser,expandingthemarket.
Hasbeendevelopingrapidlyinrecentyears,ourcountrynumericalcontrolindustry,however,importmachineofmomentumremainsstrong,startingin2002,China'sfirstpowerforthreeconsecutiveyearstobecometheworldmachinetoolconsumption,machinetoolimportsthefirstbigcountry,Chinamachinehostconsumptionasmuchas$9.46billionin2004,morethan70%ofallsuchequipmentandthemostfeaturesaredependentonimports.ToseedomesticCNCmachinetools,especiallyinhigh-gradenumericalcontrolmachinetoolisstilllackofmarketcompetitiveness,investigateitsreasonmainlyliesinthedepthoftheresearchanddevelopmentofdomesticCNCmachinetoolsisnotenough,productionlevelisstillbackward,lackofserviceconsciousnessandability,lackofsystemapplicationproductpromotion,
Keywords:
Numericalcontrolmachinetools;Developmenttrend;Securityissues
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1我国数控机床的发展现状1
1.2国外机床的发展状况1
1.3SET因素分析2
1.4未来数控机床的发展趋势2
1.5本课题设计的可行性5
1.5.1市场发展前景分析5
1.5.2相关技术分析5
1.6本机床设计的目的，意义，主要思想8
第2章方案设计9
2.1市场调查分析9
2.1.1用户深度访谈9
2.1.2用户需求分析11
2.1.3使用群体特征调查分析12
2.2数控机床创新设计指标分析12
2.2.1安全性与尺寸参数性12
2.2.2数控机床壳体材料性与工艺性13
2.2.3造型与色彩14
2.3产品需求重要性分析14
2.4技术经济分析15
2.5产品功能分析17
2.5.1功能分类17
2.5.2功能实现方式18
第3章产品文化和使用环境状况分析19
3.1产品的文化19
3.1.1数控机床的发展19
3.1.2数控机床的发展趋势21
3.2产品的使用环境分析21
3.3产品的使用情况分析24
3.3.1使用类似产品的动作24
3.3.2使用类似产品习惯25
3.3.3使用类似产品的注意事项26
3.4使用产品的典型故事27
第4章产品系统设计29
4.1方案实施的步骤与产品功能的确定29
4.2草图设计30
4.2.1草图设计方案30
4.2.2草图设计方案综合评价33
4.2.3最终设计方案确定34
4.3结构系统34
第5章三维建模及模型制作36
5.1电脑三维建模及渲染36
5.1.1犀牛建模36
5.1.2HYPERSHOT渲染37
5.2产品结构总体设计38
5.3.1总装配图38
5.3.2本机床的人机分析38
5.3.3产品可维护性设计39
第6章结论40
参考文献41
致谢42
附录I43
附录II44
展板设计144
附录Ⅴ44
第1章绪论
1.1我国数控机床的发展现状
我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩[1]。
特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1998～2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。
尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口[2]。
由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等[3]。
我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距[4]。
1.2国外机床的发展状况
在国外，数控机床的发展现状可以概括如下几点：
（1）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。
（2）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。
（3）机床与机器人的集成应用日趋普及，且结构形式多样化，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[5]。
（4）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。
（5）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[6]。
（6）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[7]。
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。
1.3SET因素分析
此表描述数控机床的SET因素分析，从社会，经济，技术三方面的因素解释了数控机床的发展有待于改变，设计一款创新型机床不仅是现代工业生产的需要，也是现代社会发展的需要。
表1-1数控机床SET因素表
数控机床设计SET因素分析列表
社会的（S）
经济的（E）
技术的（T）
工业社会的发展
企业的投资
科技技术的前进
追求高效的理念
国家的投资
新型材料出现与合成
机械加工的要求
自己本身价值
先进的制造行业
综合以上情况分析表明，（见表1-1）社会需要一些新型实用创新的机床，来满足机械加工和工业行业的需求。
并且有一定的市场前景与社会预见性！
1.4未来数控机床的发展趋势
1.4.1高速化
随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。
（1）主轴转速：
机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min；
（2）进给率：
在分辨率为0.01μm时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；
（3）运算速度：
微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。
由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24～240m/min的进给速度；
（4）换刀速度：
目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。
德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s[8].
1.4.2高精度化
数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。
（1）提高CNC系统控制精度：
采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01μm/脉冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；
（2）采用误差补偿技术：
采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。
研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%～80%；
（3）采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量[9]。
1.4.3功能复合化
复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。
根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。
工艺复合型机床如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。
采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。
加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。
德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。
随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。
在2005年中国国际机床展览会（CIMT2005）上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床（包括双主轴、双刀架、9轴控制等）以及可实现4～5轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等[10]。
1.4.4控制智能化
随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。
具体体现在以下几个方面：
（1）加工过程自适应控制技术：
通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性；
（2）加工参数的智能优化与选择：
将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的；
（3）智能故障自诊断与自修复技术：
根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位；
（4）智能故障回放和故障仿真技术：
能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验；
（5）智能化交流伺服驱动装置：
能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。
这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行；
（6）智能4M数控系统：
在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量（Measurement）、建模（Modelling）、加工（Manufacturing）、机器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化[11]。
1.5本课题设计的可行性
1.5.1市场发展前景分析
数控机床的市场前景分析如图1-1所示：
图中反映了数控机床的市场需求关系，从市场概况，市场供需，价格关系，进出口结论预测等角度反映了数控机床的发展趋势，以及未来发展前景。
图1-1市场前景分析
根据1-1的图表显示影响机床市场占有率的因素用价格，材质，色彩，创新性等等，为了设计出更好的机床我们应该重以上几个方面进行改进和完善[12]。
1.5.2相关技术分析
现有数控机床的相关技术如下：
（1）电主轴技术
电主轴的轴承：
轴承是决定主轴寿命和承载能力的关键部件，其性能对电主轴的使用功能极为重要。
目前电主轴采用的轴承主要有陶瓷球轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。
陶瓷球轴承是应用广泛且经济的轴承，它的陶瓷滚珠质量轻、硬度高，可大幅度减小轴承离心力和内部载荷，减少磨损，从而提高轴承寿命。
德国GMN公司和瑞士STEP-TEC公司用于加工中心和铣床的电主轴全部采用了陶瓷球轴承。
流体静压轴承为非直接接触式轴承，具有磨损小、寿命长、回转精度高、振动小等优点，用于电主轴上，可延长刀具寿命、提高加工质量和加工效率。
美国Ingersoll公司在其生产的电主轴单元中主要采用其拥有专利技术的流体静压轴承。
磁悬浮轴承依靠多对在圆周上互为180o的磁极产生径向吸力（或斥力）而将主轴悬浮在空气中，使轴颈与轴承不接触，径向间隙为1mm左右。
当承受载荷后，主轴空间位置会产生微小变化，控制装置根据位置传感器检测出的主轴位置变化值改变相应磁极的吸力（或斥力）值，使主轴迅速恢复到原来的位置，从而保证主轴始终绕其惯性轴作高速回转，因此其高速性能好、精度高，但由于价格昂贵，至今没有得到广泛应用[13]。
电主轴的冷却：
由于电主轴将电机集成于主轴单元中，且其转速很高，运转时会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差，从而影响电主轴的正常工作。
因此，必须采取一定措施控制电主轴的温度，使其恒定在一定值内。
目前一般采取强制循环油冷却的方式对电主轴的定子及主轴轴承进行冷却，即将经过油冷却装置的冷却油强制性地在主轴定子外和主轴轴承外循环，带走主轴高速旋转产生的热量。
另外，为了减少主轴轴承的发热，还必须对主轴轴承进行合理的润滑[14]。
电主轴的驱动：
当前，电主轴的电动机均采用交流异步感应电动机，由于是用在高速加工机床上，启动时要从静止迅速升速至每分钟数万转乃至数十万转，启动转矩大，因而启动电流要超出普通电机额定电流5～7倍。
其驱动方式有变频器驱动和矢量控制驱动器驱动两种。
变频器的驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率与转矩成正比。
最新变频器采用先进的晶体管技术可实现主轴的无级变速。
矢量控制驱动器的驱动控制为：
低速端为恒转矩驱动，中、高速端为恒功率驱动[15]。
电主轴的基本参数：
电主轴的基本参数包括：
套筒直径、最高转速、输出功率、转矩和刀具接口等，其中套筒直径为电主轴的主要参数。
在国外，电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品，由一些技术水平很高的专业工厂生产，如瑞士的FISCHER公司、德国的GMN公司、美国的PRECISE公司、意大利的GAMFIOR公司、日本的NSK公司等[16]。
（2）直接驱动技术
直接驱动就是将直接驱动旋转电机（DDR）或直接驱动直线电机（DDL）直接耦合或连接到从动负载上，从而实现与负载的刚性耦合。
全新直接驱动技术使得电机可直接连接被驱动负载，而无须像常规伺服电机那样需要通过机械传动部件（如滚珠螺杆/导螺杆、齿条与齿轮、传动带/皮带轮、以及减速器），从而可为客户的机械传动系统带来零维护和清洁的机械组件、更高的精度、更高的可靠性、以及平稳安静的操作等诸多优势[17]。
直接驱动旋转电机：
有时也称作转矩电机，可将负载直接连接到电机上，能在相对较低的速度时产生较高转矩。
DDR能够为客户带来的好处有：
（1）DDR可以减少零部件数量，缩短组装时间;
（2）DDR可将精度提高50倍，具备更高的伺服性能和更大的带宽，不需要惯量“匹配”；（3）DDR既没有需要张紧和调节的皮带，也没有会发生泄漏并需要润滑的齿轮，所以几乎不需要维护；（4）DDR的精度和重复性不会像机械分度器那样随时间而下降；（5）DDR不存在会断裂的机械传输部件；（6）运行噪音可降低高达20db。
直线电机驱动：
v直线电机的工作原理：
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。
它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，
由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。
在实际应用时，将初级和次级制造成不同长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。
直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。
考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。
近几年直线电动机在机床进给伺服系统中的应用在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起“直线电动机热”。
在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的优点：
高速响应、高精度、动刚度高、速度快、加减速过程短、行程长度不受限制、运动安静、噪音低以及效率高。
直接驱动技术是高速高精数控机床的理想驱动模式，受到机床厂家的重视，技术发展迅速。
近年来，国际上几十家公司展出了直线电动机驱动的高速机床，一些制造厂商已将机床运动加速度提高到2～3g，快速移动速度提高到150～240m/min。
MAZAK公司将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度8马赫，主轴最高转速80000r/min,快速移动速500m/min,加速度6g。
这标志着，以直线伺服为代表的第二代高速机床，已克服了直线电机的发热、防护和成本高的缺点，逐步走向实用[18]。
1.6本机床设计的目的，意义，主要思想
本机床设计的主要目的是设计出造型更加美观，使用更加人机，价格更加合理，更加节能环保的数控机床，方便更好地为人服务。
本课题的主要设计思想是始终保持人性化设计思念，注重产品使用过程的人机交互，方便使用中与使用后的操作[19]。
而且在外观上进行突破，力求在造型上面有所创新，适合新一代的个性消费需求，另外在工作原理进行突破，依照目前技术进行适当的概念设计，开发出一款新型实用的现在化机床。
第2章方案设计
2.1市场调查分析
2.1.1用户深度访谈
（1）数控机床在生活中重要性
数控机床是我们工业生产中重要的生产加工工具，它高效、省力、加工精度高，在工业加工行业的起着不可代替作用。
现代数控机床不仅追求能够满足使用功能要求，而且更加注重美观材质和人机方面的要求。
（2）现有数控机床最大的问题
据了解，现有数控机床在在加工精度问题上还是很令人不满意，设计者应从加工精度和技术改善的角度来提高机床的加工精度，这就需要从机床的材质，形态，和相关技术上面解决此类问题。
（3）现有的数控机床还存在的问题
现有数控机床除了加
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