牛皮切邊機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
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總體方案設(shè)計(jì)
國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
專用機(jī)床是一種專門適用于特定零件和特定工序加工的機(jī)床，而且往往是組成自動(dòng)生產(chǎn)線式生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，不可缺的機(jī)床品種。組合機(jī)床是專用機(jī)床的一種，它以標(biāo)準(zhǔn)化部件為基礎(chǔ)，配以少量的專用部件組成。而目前一些機(jī)床廠對(duì)其生產(chǎn)的通用機(jī)床若作改動(dòng)時(shí)，也習(xí)慣用專用機(jī)床來取代。比如數(shù)控車床由于盤改為專用設(shè)計(jì)的，這臺(tái)數(shù)控車床則不用原機(jī)床型號(hào)，而采取編專用機(jī)床號(hào)的辦法。由于專用機(jī)床是一種《量體裁衣》產(chǎn)品，具有高效自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，是大批量生產(chǎn)企業(yè)的理想裝備。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控技術(shù)的普及，專用機(jī)床的數(shù)控化發(fā)展也很快，專用機(jī)床在生產(chǎn)實(shí)踐中占有一定的比重。據(jù)有關(guān)資料介紹，日本2001年專用機(jī)床產(chǎn)值占機(jī)床產(chǎn)值的比達(dá)到8.8%；我國(guó)臺(tái)灣省這一數(shù)字達(dá)到6.9%;而我國(guó)僅為0.67%。所以，在當(dāng)前產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整中，發(fā)展專用機(jī)床是行業(yè)發(fā)展中的一個(gè)值得注意的問題。
專用機(jī)床及其自動(dòng)化生產(chǎn)線的制造，與大量生產(chǎn)汽車等性質(zhì)不一樣，也與普通機(jī)床的制造性質(zhì)不一樣，它具有兩個(gè)極其鮮明的特征：一是集成性。用戶訂購(gòu)專用機(jī)床都是要求交鑰匙工程，它集加工工藝（含工藝方法及工藝參數(shù)），機(jī)床、夾具、工具（包含輔助）的開發(fā)設(shè)計(jì)與選擇，檢驗(yàn)測(cè)量（包括進(jìn)入機(jī)床前的毛坯檢驗(yàn)、加工中及成品的檢驗(yàn)測(cè)量）物流的輸送，切屑和冷卻液的防護(hù)與處理等于一體。它不僅僅解決其中的某一問題，而是要解決好涉及較寬的技術(shù)領(lǐng)域可能遇到的每一個(gè)問題。二是單一性。專用機(jī)床幾乎都是單臺(tái)性生產(chǎn)，要根據(jù)用戶提出的要求，進(jìn)行一次性開發(fā)，一次性制造，而且還要保證一次性成功。
根據(jù)長(zhǎng)期有關(guān)從事專用機(jī)床及其自動(dòng)生產(chǎn)線開發(fā)制造的人員的體會(huì)，將專用機(jī)床制造業(yè)的工作歸納為以下八個(gè)特點(diǎn)：
A.技術(shù)難度大。由于它是集加工工藝、機(jī)床、夾具、輔具、刀具、檢驗(yàn)測(cè)量、物流等于一體，實(shí)現(xiàn)交鑰匙工程，從而涉及技術(shù)領(lǐng)域?qū)捛覐?fù)雜，又是一次性制造，要保證一次成功，所以技術(shù)難度大。
B.是經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)率高。專用機(jī)床（或自動(dòng)線）根據(jù)用戶訂單“量體裁衣”制造的，不可能有試制探索過程，要確保一次成功，有相當(dāng)大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。由于技術(shù)方案不當(dāng)，造成局部或整體報(bào)廢的情況屢見不鮮；由于一次性制造，在制造調(diào)試過程中難保不出現(xiàn)問題，解決這些總是需要時(shí)間，從而按期交貨也有一定的風(fēng)險(xiǎn)；由于裝備是專門為某一用戶訂做的，當(dāng)該用戶因種種原因不能如期付款、甚至無力付款時(shí)，勢(shì)必造成制造企業(yè)的損失；在現(xiàn)行的金融制度還無法約束對(duì)方，產(chǎn)品無法轉(zhuǎn)讓他人的情況下，經(jīng)營(yíng)顯而易見。
C.是協(xié)作困難大。由于是一次性制造，它不像汽車零部件那樣大量生產(chǎn)，也不像通用設(shè)備那樣批量生產(chǎn)，找協(xié)作廠家很困難。條件一般的企業(yè)，很難保證一次性制造出合格的產(chǎn)品；條件好的企業(yè)，又不愿當(dāng)配角，對(duì)這種委托協(xié)作看不上。
D.是技術(shù)依賴性強(qiáng)。專用機(jī)床及其自動(dòng)線從設(shè)計(jì)、工藝編制、生產(chǎn)制造到裝配調(diào)試的全過程，都需要一批有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員、管理人員和技術(shù)工人。
E.是利潤(rùn)空間小。在國(guó)外不同的生產(chǎn)模式的企業(yè)（指大量生產(chǎn)、批量生產(chǎn)或單件小批生產(chǎn)），其生產(chǎn)產(chǎn)品的效益相差不會(huì)太大，但國(guó)內(nèi)這幾種生產(chǎn)模式的企業(yè)效益卻相差懸殊。如果做一比較，就很能說明問題，假如國(guó)外的某種產(chǎn)品價(jià)格為1，相對(duì)國(guó)內(nèi)轎車價(jià)格則為1.15-1.25，對(duì)通用機(jī)床國(guó)內(nèi)的價(jià)格為0.7左右，而國(guó)內(nèi)專用機(jī)床的價(jià)格僅為0.3-0.4。
由于國(guó)情或用戶對(duì)專用機(jī)床制造業(yè)不夠理解等原因，專用機(jī)床的銷售價(jià)格總體偏低。近幾年，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)專用機(jī)床的單臺(tái)平均售價(jià)呈下降趨勢(shì)，以組合機(jī)床為例，其單臺(tái)平均售價(jià)從1996年的31萬多元下降到2000年的23萬多元，降幅達(dá)25%。在國(guó)外購(gòu)買一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的加工中心的費(fèi)用和為其配全成加工某種零件所需的夾具、刀具及相關(guān)輔具的費(fèi)用之比，一般是100:60左右，之所以后者占有如此高的比例，是因?yàn)槌丝紤]硬件的消耗外，更多是考慮技術(shù)的投入和由此而帶來的風(fēng)險(xiǎn)。而國(guó)內(nèi)這一比值一般用戶僅能接受100:25左右。如果在考慮5%的質(zhì)量保證金要在一年后才能拿到，這種種原因把產(chǎn)品的利潤(rùn)壓縮到極小的空間。
F.是技術(shù)成長(zhǎng)期長(zhǎng)。專用機(jī)床的設(shè)計(jì)制造涉及專業(yè)面廣，要具備較豐富的工藝知識(shí)，要比較熟悉用戶的制造工藝，要保證一次成功，培養(yǎng)一名熟練的主管設(shè)計(jì)師，要花幾年時(shí)間，才能做出好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、好的制造工藝，生產(chǎn)出好的產(chǎn)品，技術(shù)成長(zhǎng)期要長(zhǎng)。
G.是人員流動(dòng)困難。由于訂單不均衡，會(huì)引起生產(chǎn)的不均衡，國(guó)外除了零部件外協(xié)條優(yōu)越外，還有成熟的技術(shù)勞動(dòng)力市場(chǎng)，企業(yè)可以根據(jù)訂單情況輸出或吸收有關(guān)勞動(dòng)力，使這與企業(yè)生產(chǎn)相適應(yīng)。國(guó)內(nèi)則無法做到這一點(diǎn)，有時(shí)可以招些臨時(shí)工，但多數(shù)只能承擔(dān)一些輔助性工作，熟練技工則難以尋求。
H.是技術(shù)引進(jìn)困難，與國(guó)外合作難。由于專用機(jī)床是一次性設(shè)計(jì)制造，引進(jìn)技術(shù)若僅供一次使用，則成本太高，很難實(shí)現(xiàn)。到目前為止，我國(guó)專用機(jī)床制造業(yè)沒有一家談成合資，雖有接觸，但都僅限于具體項(xiàng)目的合作。
八個(gè)特點(diǎn)，八種原因，既相互關(guān)聯(lián)，又各具特性，但確實(shí)是影響我國(guó)專用機(jī)床制造業(yè)發(fā)展的重要方面。今天，我們要調(diào)整機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展專用機(jī)床是一項(xiàng)十分重要的工作。
為此，從總體戰(zhàn)略和技術(shù)路線兩個(gè)層次及數(shù)控系統(tǒng)、功能部件、數(shù)控整機(jī)等幾個(gè)具體方面探討了新世紀(jì)的發(fā)展途徑。
國(guó)外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工，是從40年代開始的，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)用于對(duì)機(jī)機(jī)翼加工路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)，它成了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。1974年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。從此，數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)中擔(dān)當(dāng)了十分重要的角色。
我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從1958年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進(jìn)了日本、美國(guó)、西班牙等國(guó)數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。目前，我國(guó)銑床的加工水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比設(shè)備陳舊，技術(shù)水平落后，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)力的發(fā)展，采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，已經(jīng)成為我國(guó)制造加工技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。
總體方案
由于該設(shè)計(jì)是專用機(jī)床設(shè)計(jì)，所以在考慮具體方案時(shí)，應(yīng)遵守的基本原則是在滿足使用要求的前提下，盡量降低成本。要求切削的工作效率高，機(jī)床的控制可靠，工作運(yùn)行平穩(wěn)，應(yīng)用范圍廣。
工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
由于機(jī)床采用了專門的控制軟件通過數(shù)控系統(tǒng)控制走刀的路徑。以直線路徑替代加工輪廓的各種曲線，大大提高了工作效率。所以將工作臺(tái)設(shè)計(jì)成圓形工作臺(tái)，使工作臺(tái)僅作平穩(wěn)，快速的圓周運(yùn)動(dòng)。
工作臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
由于工作臺(tái)要求是快速，平穩(wěn)，所以采用二級(jí)傳動(dòng)，以減輕步進(jìn)電機(jī)對(duì)工作臺(tái)的沖擊。由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿傳動(dòng)，再由蝸桿帶動(dòng)蝸輪軸，在通過一對(duì)斜齒帶動(dòng)工作臺(tái)作圓周運(yùn)動(dòng)，電機(jī)放在工作臺(tái)與機(jī)床主軸箱之間。
數(shù)控部分設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制。開環(huán)控制多用于負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。
機(jī)械部分設(shè)計(jì)
傳動(dòng)部分的說明
本次設(shè)計(jì)的牛皮切邊專用機(jī)床是雙工位機(jī)床，即由一獨(dú)立步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾軸絲杠，使得走刀路徑走直線運(yùn)動(dòng)，在由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)二個(gè)工作臺(tái)作圓周運(yùn)動(dòng)，完成加工任務(wù)。走刀路徑為X軸，二個(gè)工作臺(tái)分別為Y軸和Z軸。
總體設(shè)計(jì)如圖3-1所示：
圖3-1 機(jī)床尺寸聯(lián)系圖俯視圖
蝸輪的設(shè)計(jì)
采用圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)，其特點(diǎn)是：
a.齒廓凸凹齒合的形式，而共軛曲面的當(dāng)量曲率半徑達(dá)。單位齒面壓力小。因而接觸強(qiáng)度得到提高。
b.瞬時(shí)接觸線方向與相對(duì)滑動(dòng)速度方向的夾角比較大，有利于形成和保持共軛齒面間的動(dòng)壓油膜。能夠減小磨損，提高傳動(dòng)效率及可高性
c.基本齒廓為圓弧齒形，只要齒形參數(shù)選擇合適，就能增大齒跟厚度，提高齒的彎曲強(qiáng)度和抗沖擊能力。
d.設(shè)計(jì)方便，工藝簡(jiǎn)單。制造加工無需特殊專用機(jī)床。
e.采用蝸輪正變位，變位系數(shù)一般在0.5以上齒合性能好，能保證傳動(dòng)質(zhì)量，當(dāng)然也應(yīng)該注意防止大變位引起的理論齒合區(qū)減少，蝸輪齒面邊切區(qū)擴(kuò)大。以至齒頂尖等現(xiàn)象。
總之它具有承載能力大，傳動(dòng)效率高。使用壽命長(zhǎng)，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu) ...
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