微型数控铣床设计

火火大火大学本科毕业论文（设计）开题报告论文题目：微型数控铣床结构设计学 院专业、班级：学生姓名：指导教师（职称）：一、选题依据题目：微型数控铣床（立式）结构设计。研究领域：微型立式数控铣床的结构设计。设计工作的理论意义和应用价值：传统的加工系统中，即使最终产品的尺寸很小，机床与其所加工、装配的零件尺寸相比还是很大。比如手表、照相机，手机等零件一般长几毫米、重几毫克，而使用的机床却达几米。而机床的动力和材料消耗近似地与其体积成正比，因此配置与其所加工零件尺寸不相称的大机床，浪费了能源、空间和资源。再者，由于航空航天、电子、医疗等行业和部门，有许多微小零件采用传统机床无法加工或加工困难，尤其在空间狭小、微重力、真空等特殊环境下，必须由微型机床实现。设计微型数控铣床具有体积小、精度高、重量轻、能耗低、灵敏度高、性能稳定惯性小等优点，可以大大节省生产中的能源、空间和资源。而且微型数控铣床具有集微型机构，微型传感器特点，不但可以加工高精度的各种微小零件，甚至可以加工通信电路和电源等微型器件或系统［1、2］。目前研究的概况和发展趋势：近年来，随着航空航天、国防工业、微电子技术、生物医疗装备技术的发展，民用和国防等领域对各种微小型化产品的需求不断增加，对微型制造机械的要求也越来越高，国外发达国家早已开始了对微型机械的研究，美国MIT、Berkeley、Stanford和NSF的15名科学家在上世纪八十年代末提出“小机器、大机遇：关于新兴领域一微动力学的报告”的国家建议书，声称“由于微动力学（微系统）在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其它国家的竞争中走在前面”，建议中央财政预支费用为5000万美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和MENS作为技术发展的三大重点，1998年开始，资助MIT,加州大学等八所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与发展。日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型机械大型研究计划。欧洲工业发达国家也相继对微型机械的研究开发进行了重点投资，德国自1998年开始微加工十年计划项目，科技部每年拨款4万马克支持”微系统技术”研究，并把微型机械列为本世纪科技发展重点。法国也于1993年启动7000万法郎的“微系统与技术”项目。为了加强欧洲开发MENS的力量，一些欧洲公司已组成MENS开发集团。这些发达国家在微型数控铣床领域取得了丰硕的成果，日本通产省工业技术院技术研究所（MEL）于1996年开发了世界第一台微型车床，这台微型机床长32mm、宽25mm、高，重量为100g，主轴电机额定功率为，切削黄铜获得表面粗糙度，圆度，随后经过改进采用由OlympusOpticalCo.,Ltd.开发的微型线性编码器检测滑动导轨的运动，通过闭环控制运动分辨率达，同时装备了袖珍式用户数控装置，提高了加工精度和柔性，成为目前世界上最小的微型数控车床。加工直径D200um黄铜圆柱体，表面粗糙度约为，圆柱度误差约为。试验中的功率消耗低于普通机床的1/500。MEL研制出的微型铣床甚至可以加工出外径①900um,内径为①700um的轴承套。韩国首尔国立大学的学者等人研制了一台五轴微型铣床，该铣床尺寸规格为294mmX220mmX328mm，具有三个直线平台，二个旋转平台，主轴为空气涡轮主轴，并用此微型铣床加工了一些微型薄壁(厚度25^m,高650^m)和微立柱(30^mX30^mX320^m),显示出了很好的加工性能。日本金沪大学从3维微小型零件加工的角度出发也研制了一台与微小零件相匹配的微型机床，这台微型机床可以放在光学显微镜下观察加工情况，最小进给分辨率可达4nm。日本通产省工业技术院机械技术研究所研究了机床大幅度小型化的节能效果后认为:机床尺寸缩小为1/10时，车间动力消耗可减少到1/100。我国对微型数控机床的研究才刚刚起步，目前仅哈尔滨工业大学、南京航空航天大学和上海交通大学的科研院所开展了相关方面的研究我国有很多机构对微型机床开展了相应的研究，哈尔滨工业大学精密工程研究所研制的微型精密三轴联动立式铣床被用户满意接受，该铣床建立了问嵌入PC型开放式跑数控系统，开发了界面友好的控制软件并集成了视频采集模块。但与国外的技术相比还存在很大差距，我国研制的微型数控机床在稳定性、精度、灵敏度的特性与国外还相差很远。随着随着各种工业产品的微型化激战以及微机电系统应用的日益广泛，数控机床的微型化也开始提到日程上来。1995年全球微型机械的销售额为15亿美元，有人预计到2020年，相关产品产值将达到800亿美元，显然微型机械及其加工技术有着巨大的市场和经济效益。⑶[4]微型立式数控铣床不是传统数控铣床直接微型化，它远超出了传统铣床的概念和范畴。微型数控铣床在尺度效应、结构、材料、制造方法和工作原理等方面，都与传统铣床截然不同。微系统的尺度效应、物理特性研究、设计、制造和测试研究是微系统领域的重要研究内容。微系统设计技术、微型机械组装和封装技术、微系统的表征和测试技术是微型立式数控铣床发展的几个前沿技术，微系统设计技术主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和拟实技术、微系统建模等，微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究也是设计研究不可缺少的课题，如：力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。微型机械组装和封装技术主要指沾接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术和自对准组装技术，具有三维可动部件的封装技术、真空封装技术等新封装技术的探索。微系统的表征和测试技术主要有结构材料特性测试技术，微小力学、电学等物理量的测量技术，微型器件和微型系统性能的表征和测试技术，微型系统动态特性测试技术，微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。微型立式数控铣床的发展趋势主要体现在如下几个方面：由于微型数控铣床尺寸的微小化，机构的机械性能、运动特性以及各种物理特性等基础理论技术方面的问题急需解决，借助计算机技术对微型设备、装备或机构建模、仿真、优化等，以提供一个微型化的设计准则。吸收其它相关学科的研究成果，开发新型功能材料，研制能耗低、尺寸小。集成度高的结构，使执行元件及传动装置不断微型化。开展微型化、高性能化、复合化功能装置以及控制系统和相应传感器的研究。狭小空间内的精细操作、微组装技术，以微型化、低耗能化为目标的加工与组装一体化技术的研究。可以通过提高CNC系统控制精度、误差补偿技术实现高精度的加工，即赋予立式微型数控铣床自优化、自监控、自诊断和预维护功能，机床加工过程是在一系列尺寸、温度和振动传感器的监视下进行的，在偏离设定值时会自动调整工作参数，超出极限值时能够报警或停止工作。如此之外，微型立式数控铣床还应朝着高速化和高精度的方向发展。所谓高速化包括主轴转速的高速化，进给率的进给速率高，运算速度高以及高速的换刀速度。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，对微型数控铣床加工的高速化要求越来越高。微型数控铣床精度的要求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。可以通过提高CNC系统控制精度、误差补偿技术实现高精度。可以通过实现多轴联动提高自由度从而实现对复杂零件的加工［5］。微型机械技术是20世纪末兴起、21世纪初开始快速发展的高科技前沿领域。随着微型机械的研究进展，其在机、电、光等系统集成方面的内涵将更加丰富。与不同学科的交叉和应用的结合，微型机械技术都可能产生相应的分支及新的研究开发热点，带动新的学科和新科技的发展。这个领域已经受到世界各先进国家的广泛重视。它的现实及潜在的应用将会给国民经济和国家安全带来巨大的好处，在全球范围内，市场呈指数上升的趋势，在我国也将成为国民经济新的增长点。二、设计研究的内容重点解决的问题对微型立式数控铣床总体方案的设计。完成运动和进给系统的机械结构设计。拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）。微型立式数控铣床的总体方案设计。微型立式数控铣床的主传动系统设计。微型立式数控铣床进给传动系统设计。微型立式数控铣床的导轨设计。微型立式数控铣床回转工作台。微型立式数控铣床辅助装置设计［6、7］。设计预期取得的成果完成微型立式数控铣床进行总体结构方案设计，依据总体设计方案确定出微型立式数控铣床各部件的主要技术参数，完成各部分零部件的选型，根据选型的零件和总体结构设计方案完成微型立式数控铣床的总装配图、微型立式数控铣床的三维结构图，完成整个课题设计任务，以及详细的说明书一份。三、设计工作安排拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；首先阅读大量相关文献资料，教材及新闻背景资料，包括机械设计的原理及方法，微型数控铣床现有技术水准，国际水平探讨方面的书籍、报刊，对微型数控铣床的结构有一定的了解，本课题的设计，首先应初步估算工作台的重量、最大行程、及铣削工件的最大切削力，进行机床总体布局；确定主要技术参数，完成机床主传动系统及主轴部件的设计，主传动系统是由主轴电动机、传动系统和主轴部件组成，完成滚珠丝杠、导轨、步进电机、减速装置的设计；主轴组件是由主轴、轴承、传动件和固定件等部分组成。最后完成伺服进给系统的设计［8］。设计进度计划第一周〜第二周：查阅资料，完成开题报告。第三周〜第四周：查找一篇与本课题相关的外文文献，完成外文翻译。第五周〜第六周：学习掌握微型机床结构的特点和要求，提出微型铣床总体设计方^^。第七周〜第八周：根据总体设计方案，确定主要技术参数。第九周〜第十周：查阅各部件各部分的选型零件，详细到各零件的技术参，进行零件的选型。完成主传动系统、进给系统、导轨、辅助装置的方案设计。第十一周〜第十二周：根据选型的零件和总体结构设计方案，完成总装配草图。第十三周〜第十四周：整理上述草图设计工作，完成微型铣床的三维结构图形表达。第十五周：整理数据，撰写、修改设计说明书；打印。第十六周：答辩。四、需要阅读的参考文献王琪民.微型机械导论[M].北京：中国科学技术大学出版社.2003:36-86董爱梅.教学型微型铣床的机械系统设计[J].机械研究与应用,2005,7（2）:24-28孙雅洲.微型化制造设备与微型制造系统[J].中国机械工程,2002,12（4） 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