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1、本科生毕业设计开题报告书题目数控机床立柱的CAD/CAM设计学生姓名王瑞学号200915020216专业班级机电09102班指导老师车晓毅2013年3月12日毕业设计题目数控机床立柱的CAD/CAM设计课题目的、意义及相关研究动态：一、目的及意义：当今世界，工业兴旺国家对机床工业高度重视，竞相开展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的开展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开剧烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随着微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速开展，各方用户提出更多需求，四大国际机床展早已成为各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、
2、扩大市场的焦点。中国参加WTo后，正式参与世界市场剧烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业开展，实是紧迫而又艰巨的任务。随着世界科技进步和机床工业的开展，数控机床作为机床工业的主流产品，已成为实现装备制造业现代化的关键设备，是国防军工装备开展的战略物资。数控机床的拥有量及其性能水平的上下，是衡量一个国家综合实力的重要标志。加快开展数控机床产业也是我国装备制造业开展的现实要求。根据中国机床工具工业协会组织用户调查说明，航天航空、国防军工制造业需要大型、高速、精密、多轴、高效数控机床；汽车、摩托车、家电制造业需求高效、高可靠性、高自动化的数控机床和成套柔性生产线；电站设备、造船、冶金石
3、化设备、轨道交通设备制造业需求高精度、重型为特征的数控机床；IT业、生物工程等高技术产业需求纳米级亚微米级超精密加工数控机床；工程机械、农业机械等传统制造行业的产业升级，特别是民营企业的蓬勃开展，需要大量数控机床进行装备。当今数控机床的开展，除了要求机床重量轻、本钱低、使用方便和具有良好工艺可能性外，还着重要求机床具有愈来愈高的加工性能。随着现代数控机床日益向着高速化、高性能、高精度方向开展，传统的设计方法己无法满足数控机床开展的要求1心数控机床床属于大型机械设备，在整个机床的各个组成局部中，机床立柱是一个极其重要的大件，它起着支撑工件和连接工作台、床身等关键零部件的作用。数控机床立柱结构的设
4、计尺寸和布局形式，决定了其本身的各个动态特性。往往由于立柱结构设计不合理，导致立柱的刚度缺乏，产生各种变形、振动,加工时刀具与工件间产生相对变形和振动，也使零件加工精度降低。立式车床用于加工径向尺寸大而轴向尺寸相对较小，形状复杂的大型和重型工件。如各种盘，轮和套类工件的圆柱面，端面，圆锥面，圆柱孔，圆锥孔等。亦可借助附加装置进行车螺纹，车球面，仿形，铳削和磨削等加工。与卧式车床相比,立式车床主轴轴线为垂直布局，工作台台面处于水平平面内，因此工件的夹装与找正比拟方便。这种布局减轻了主轴及轴承的荷载，因此立式车床能够较长期的保持工作精度。大量加工实践证明，将卧式车床立起来使用(变成了立式车床)反倒
5、显示出了更多的优越性，如占地面积小、排屑更加方便、承载能力增加等。同时立式车床还具有很好的主轴旋转精度和较强的切削能力，更加有利于实现生产的自动化，所以对立式车床的使用和需求也越来越多。立柱是数控立式车床重要结构部件之一，其结构特性对立式车床的性能影响很大，主要表达在加工精度、抗振性、切削效率、使用寿命等方面。因此，立柱结构的静、动态性能是决定整机性能的重要因素之一。由于立柱结构形状较复杂，采用一般方法对其进行静、动态特性计算比拟困难。如何对立柱等部件进行精确、合理、科学可行的计算，是机床结构设计过程中需要迫切解决的重要课题。因此，在设计数控机床立柱结构时，考虑立柱的动态特性显得尤为重要。针对
6、这些因素，有必要对数控机床的立柱局部进行结构优化，本课题对数控机床的立柱局部进行优化设计有重要的实际意义。二、研究动态：I、国外研究动态：国外的机床结构优化领域的研究比拟多，在结构优化、有限元分析、参数化设计方面都有不少研究，美国机械工程师学会OptimalsynthesisOfcompliantmechanismsusingsubdivisionandcommercialFEA,一文中，利用有限元软件分析机械结构，提出全程参数化设计，并对其进行拓扑优化，全面分析了设计变量在优化程序中的变数。国外机床结构优化设计存在以下特点：(1)设计与分析平行。从以满足一定性能要求为目标的结构选型、结构设计
7、,到具体设计方案的比拟及确定、设计方案的模拟试验等。床身结构设计的各个阶段均有结构分析的参与。床身结构分析贯穿了整个设计过程，这样确定的床身结构设计方案，根本就是定型方案国。(2)结构优化的思想被用于设计的各个阶段。(3)大量的虚拟试验代替实物试验。虚拟试验不仅可以在没有实物的条件下进行，而且实施迅速、信息量大。利用虚拟试验，一方面可以在多个设计方案中选择最优，减少设计的盲目性，另一方面可以及早发现在设计中的问题。从而减少设计本钱，缩短设计周期图。随着工业的开展，对数控机床的要求越来越高。在机床的设计中，需要对其组成部件进行严密的分析与计算。车床床身等支承件的重量要占车床总重量的20%到30%
8、,因此对支承件的单位重量刚度提出较高的要求。在重量轻的条件下，需保证支承件具有足够的静刚度，所以对支承件材料的分布、支承件壁厚和开孔位置的合理性提出了要求，有必要进行分析计算。2、国内研究动态：目前国内在机床结构优化领域的研究比拟活泼，机床结构优化设计的内容十分丰富，涉及内容很多，包括静力学，结构非线性分析，拓扑优化，模态分析，动力学分析等。目前有限元方法在机床结构设计中的应用主要有以下几个方面：(1)静力学分析。这是对二维或者三维机床零件承载后的应力和应变的分析，是有限元在机床设计中最根本、最常用的分析类型。(2)模态分析。这是动力学分析的一种，用于研究结构的固有频率和各振型等振动特性，进行
9、这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷回。(3)谐响应分析和瞬态动力学分析。这两类分析也属于动力学分析，用于研究机床对周期载荷和非周期载荷的动态响应。(4)热应力分析。用于研究结构内部温度的分布，以及机床内部的热应力。(5)接触分析。用于分析两个结构件接触时的接触面状态和法向力。国内的机床结构优化设计主要是应用在刚度和强度分析方面。广西大学陈文锋、毛汉领“MXBS.1320型高速外圆磨床动态性能的试验研究一文中，对MXBS.1320型高速外圆磨床的动态性能使用脉冲激振法进行了试验研究，得到磨床前几阶模态的频率和振型图，寻找出机床振动的薄弱环节和主要振源,并提出一些机床改造的措施。此外
10、还有对主要零部件进行有限元分析，优化零部件结构的设计。东南大学和无锡机床股份对内圆磨床M2120A床身结构进行有限元分析，得到床身前几阶的固有频率和振型，分析床身的内部筋板布置对结构动态特性的影响。张海伟，利用动态实验分析和理论模型分析两种方法对卧式加工中心的动态性能进行了分系，通过实验测试数据与理论计算结果比照分析，验证了理论模型的合理性，找出了机床的薄弱环节，并进行了结构优化。优化后分析结果证明机床结构的最大变形值都相应降低。陈庆堂，运用工程软件ANSYS的优化设计模块，根据主轴箱的实际工况及机床零件加工精度要求，在参数化建模及结构应力分析根底上，对XK713数控铳床轴箱结构以减轻重量为目
11、标进行优化设计。通过优化设计及分析，主轴箱结构重量减轻了23.2%,三个方向上刚度和应力得到了合理的分布。东南大学机械工程系，利用有限元法对机床床身进行静、动态分析，并使用渐进结构优化算法对床身结构进行基于基频约束和刚度约束的拓扑优化，为ESO方法在机床大件结构拓扑优化中的应用做了有益的尝试。王艳辉、伍建国等人，在“精密机床床身结构参数的优化设计一文中，在确定精密机床床身合理结构的根底上，利用ANSYS有限元软件提供的APDL参数化设计语言和优化设计方法，以床身的肋板布置和肋板厚度为设计参数，对床身进行结构设计参数的优化，确定了床身结构的合理参数。不仅大大提高了床身的动态性能：而且节省了材料，
12、降低了生产本钱网。课题的主要内容：主要内容：1、确定数控机床立柱体系结构的设计以及实现方案；2、确立数控机床立柱系统中关键局部的数学建模（包括相应的G功能代码、几何仿真过程中能实现的M代码等）；3、加工过程的动态建模；4、分析并编写零件加工程序；5、编制相应的仿真软件。研究方法、设计方案：1、研究方法：以WINDOWS为平台，以CAD软件为工作语言设计系统各个零件，在用UG绘制三维立体图，并对其进行装配，再用UG编写零件的加工程序，对其讲过仿真，实现数控代码的实时、动态的切削过程。2、设计方案:系统采用模块化设计，其总体结构方案如图11所示，各模块的功能如下：（1）利用CAD软件对整个系统的零
13、件进行设计。（2）用UG对各个零件进行三维建模。（3）装配各个零件，形成立柱的整体结构。（4）检查装配中零件设计的合理性及建模的正确性。（5）NC程序：利用UG对零件进行三维建模，并用UG编写用于加工仿真的程序。（6）插补算法：采用逐点比拟法对直线、圆弧进行插补运算。（7）仿真显示：利用UG提供的建模环境建立毛坯和刀具，并显示刀具运动轨迹。（8）最后对编写的程序进行仿真，分析刀路及加工出的零件是否符合要求。图1总设计图图2设计方案完成期限和预期进度：毕业设计课题调研阶段：（第12周）：课题调研及文献检索、完成英文翻译；毕业设计开题报告阶段：（第34周）：完成开题报告；毕业设计主要工作阶段第51
14、2周）；（1）完成系统的总体规划。（第56周）；（2）各零件的设计。（第79周）；（3）数控仿真。（第10周）；（4）完成设计说明书的撰写工作。（第1112周）；毕业设计辩论阶段：1第1315周）。主要参考资料：1Horrey,W.J.,Alexander,A.L.,Wickens,C.D.,2003,DoiseWorkloadModulatetheEffectsofIn-VehicleDisplayLocationonConcurrentDrivinandSideTaskPerformance,Procs,ofDSC.2现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册M.北京：机械工业出版社
15、，20063张良，杨为，陈小安，刘德永.CK6310型数控机床主轴箱动态特性研究J.机床与液压，2008(3)：12-174邵蕴秋.ANSYS8.0有限元分析实例导航报J.北京：中国铁道出版社，2004(2):20235张志文，韩清凯，刘亚忠.机械结构有限元分析M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，20066胡国良，任继文.ANSYS11.0有限元分析入门与提高M.北京：国防工业出版社，2009杨明亚，杨涛，汤本金，阴红，杨颖洁，周永良，卢灿举.机床立柱动态特性的分析8郭策，孙庆鸿，蒋书运，陈南，朱壮瑞，秦绪柏，王金娥.高速高精度数控车床主轴系统的温度场建模与仿真J炜0造业自动化，2003(4)：599何发诚，海燕.CK531OO数控单柱移动立式车床的技术性能与结构特点J.产品与技术,2005(4)：102010张兴朝，徐燕申.机床龙门式立柱结构参数化动态优选设计J吉林工业大学自然科学学报，2001(4)1321指导教师意见:签名:2013年4月13日开题报告会纪要
