毕 业 论 文 ﹙设 计﹚ 开 题 报 告
题 目 Y3150E型滚齿机数控改造及结构设计
学生姓名 学号 所在院(系) 专业班级 指导教师
2013年 3月 15 日
题 目 Y3150E型滚齿机数控改造及结构设计 一、选题的目的及研究意义
1.选题的目的
Y3150E型滚齿机采用纯机械的传动链，传动精度低，调整复杂，无法满足大批量、多品种、高精度齿轮的加工要求，针对这一问题，对其进行数控化改造。控制部分用可编程控制器为核心的数控系统，通过三轴联动实现主运动、展成运动、径向进给运动及附加运动的精确数字控制。从而有效的扩大加工范围，提高加工精度，提高机床的自动化程度以及生产效率，缩短生产和生产准备周期，并减轻工人劳动强度，改善劳动条件。
2.选题的研究意义
近年来,随着我国国民经济的迅速发展和国防建设的需要,对高档数控机床提出了急迫的大量需求。机床制造业是一国工业之基石,它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段,是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家,也无不高度重视。机床是一个国家制造业水平的象征，尤其是数控机床系统反映了一个国家的工业发展水平状况。
齿轮作为一种重要的传动零件，其作用主要有两个，一个是传递运动，另一个是传递动力，它广泛用于各类机器、仪表中。中国齿轮专业协会副会长王声堂这样来评价齿轮的重要性：“中国国徽上有一个齿轮和一根麦穗，分别象征工业与农业。齿轮是工业的象征，这就充分说明了齿轮在工业中的核心地位。” 另外，齿轮加工在国民经济发展中也占有重要位置，据统计：“十一五”期间，中国齿轮行业总产值由250亿元增长到500亿元，平均增长速度接近20%，五年间上升了一倍，排名世界第四，销售规模上亿元企业超50家，行业集中度明显提高。2006年中国齿轮行业的年产值是590亿。但是，传统的机械滚齿机床机械结构非常复杂，一台主电机不仅要驱动展成分度传动链，还要驱动差动和进给传动链，各传动链中的每一个传动元件本身的加工误差都会影响被加工齿轮的加工精度，同时为加工不同齿轮，还需要更换各种挂轮调整起来复杂费时 ，大大降低了劳动生产率。比如采用西门子三相同步伺服电机替代原滚齿机的内联传动链，即滚齿机主运动和进给运动直接用伺服电机驱动，进而简化机床结构、提高机床传动精度。采用伺服电机驱动代替传动齿轮箱取消了分齿挂轮和差动挂轮的选配计算，一方面缩短传动链、减少加工调整时间，提高了齿轮的加工效率；另一方面，取消了装卸挂轮的人工干预。改造后的滚齿机直接采用伺服电机驱动内联传动链两端件，取消中间传动齿轮，通过数控装置控制各电机的转速实现远程控制，向最终实现齿轮加工的集成化迈进。
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二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等
1.拟开展研究项目的背景
本课题来源于生产实际。齿轮是工业生产中的重要基础零件，其加工水平和能力反映了一个国家的工业水平。随着社会生产力和科学技术的发展，企业对齿轮的质量要求越来越高。对产品的更新速度要求越来越快。为了保证产品的质量，提高生产率和降低成本，要求齿轮加工机床不仅具有较好的通用性和灵活性，而且加工过程要尽可自动化。
从国内市场需求来看，工业化国家数控机床的发展已经进入稳定、实用和普遍推广的阶段，机床的数控化率已经成为衡量一个国家机床水平的重要指标。一方面，我们应该设计、生产一些适合本国国情的数控机床；另一方面，我们面临300多万台普通机床，可以将其中的一部分改造成经济型数控机床。所以，我国数控系统的需求潜力是很大的，发展前景是光明的。从我国的实际情况出发，紧密围绕国民经济各行各业发展的需要，大力发展量大面广的经济型数控系统，可以显著地提高经济效益和社会效益。
从经济型数控系统的特点来看，可概括为：品种多样、功能较全、可靠性较高、价格低廉、操作简单、维修方便等。尤为突出的三点是：1.节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比，一般可节省60%-80%的费用，大型机特殊设备尤为明显。一般大型机床改造秩序花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。2. 性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。3.提高生产效率。机床经数控改造后，即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3-7倍。对复杂零件而言，难度越高，功效提高得越多，且可以不用或少用工装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。
鉴于上述优点，经济型数控系统被许多企业看好。目前，我国步入市场经济不久，国有企业正处于改制时期，资金严重不足，民营企业刚刚成长，技术人才短缺，同样资金也很紧张。多数企业在短时间内不可能付出大量的资金购买中、高档数控，而大量的机械零件需要高速、高精度的设备来制造。此时，步进电机的经济型数控正好填补了这一空白。当前国内数控系统的发展趋势是：“跟踪高精度、发展普及型、扩大经济型”。发展经济型数控符合目前我国的实际情况，我们应该边发展边探索。针对经济型数控存在的问题，首先要加强管理，提高生产工艺水平，有效地组织起数控系统规模化生产，建立起数控系统质量监督体系及质量保证体系。在重视中、高档数控系统开发、生产的同时，花大力气组织好经济型数控系统的生产。
原Y3150E型滚齿机采用纯机械的传动链，传动精度低、调整复杂，无法满足大批量、多品种、高精度齿轮的加工要求，且机床电气故障比较突出，有些机床甚至无法使用，如淘汰了重新购置则投资太大。由于润滑充分，该机床的导轨、丝杠、丝母，滑台及工作台的蜗轮蜗杆等磨损不大，机床机械精度保持较好，具备进行改造的基本条件，且改造投资少、见效快，因此对普通滚齿机进行数控改造是经济可行的。
据统计，现在全国大约有五万台已陈旧滚齿机，加工不出GB10095-88标准的7级齿轮 。对旧滚齿机进行数控改造，一方面能充分利用企业自身资源，为企业节约资本，另一方面也能有效提高齿轮的生产水平，满足要求。非常适合我们国家企业的实际情况。滚齿是应用最广的切齿方法，滚齿机是应用最普遍的一种齿轮加工设备，在此情况下，本课题应运而生。
2.国内外滚齿机技术研究现状
滚齿机制造技术的发展可划分为机械式滚齿机和数控滚齿机两个阶段。
传统的机械传动式滚齿机，其特征为各主轴采用机械式的传动形式，包括差动、分齿、工件轴、滚刀轴和进给等。由于传动链固有的理论误差和安装间隙，造成速度很慢，精度很低。工作时，滚刀装在滚刀主轴上，由主电动机通过齿轮副和蜗轮副驱动作旋转运动；刀架可沿立柱导轧垂直移动，还可绕水平轴线调整一个角度。工件装在工件轴上，由分度蜗轮副带动旋转，与滚刀的运动一起构成展成运动。滚切斜齿轮时，差动机构使工件作相应的附加转动。工作台（或立柱）可沿床身导轨移动，以适应不同工件直径和作径向进给。
随着数控技术的发展，出现1-3个轴数控化的滚齿机，其中的一部分轴采用伺服电机数字化
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控制。直到20世纪80年代，世界上才出现真正意义上的六轴数控滚齿机。在过去的20年中，数控滚齿机的发展可以划分为四代：
第一代数控滚齿机的工件轴和滚刀轴等采用传统的蜗杆蜗轮副传动，速度依然较低，但精度有所提高。随着刀具技术的发展，切削线速度有了很大的提高，原来的滚齿机已不能满足刀具的高速切削要求，于是更快的第二代数控滚齿机诞生。其工件轴和滚刀轴采用齿轮副传动，速度有很大的提高。格里森凤凰牌125GH是第二代数控滚齿机的代表。
第三代数控滚齿机于90年代末出现， 它与世界上两大齿轮装备巨头的合并不无干系。差动机构滚齿机发明人H.Pfaute创办了PFAUTER公司，100多年来，PFAUTER公司不断探索，使滚齿机制造技术始终处于世界领先地位。1997年，世界著名锥齿轮制造商——美国格里森公司成功收购德国PFAUTER公司，通过技术的强强联手，第三代数控滚齿机GP系列诞生，其以全直驱技术的利用为特征，工件轴和滚刀轴的直接驱动实现了真正意义的全封闭环控制。直驱技术的使用，保证了高速度；电子齿轮箱和机械间隙的数控补偿，保证了高精度。这时数控滚齿机似乎进入顶峰。
近10年间，格里森公司有开发出第四代滚齿机GENESISTM 130，GENESISTM 130H比普通数控滚齿机的性能有了很大提升，这也是当今世界上唯一的第四代数控滚齿机。机床采用西门子840D数控系统，具有7个数控轴（X轴式径向轴，Y轴是切向轴，Z轴式轴向轴，A是刀架旋转轴，B是滚刀主轴，C是工件轴，Z2是尾架轴），其中，4个为联动轴（X、Z、B和C）；采用干切技术，高速钢滚刀切削；转速达955r/min，线速度达180m/min，完成单件全部（包括上下料）过程仅需19s；精度高于DIN Class7；用于精密加工时可达到DIN Class5甚至更高，真正达到高精度、高速度。
随着微处理机的发展，数控机床已向机电一体化方向发展，近年世界各发达国家竞相发展数控技术，集中了雄厚的资金和大批力展高级机电一体化技术和产品，实现生产高度自动化和柔性化幅度提高劳动生产率，降低产品成本，加速产品更新换代，从而适应市场激烈竞争的需要。历经几代进化，计算机数控系统不仅比原有的数控系统使用范围广、功能全、精度高，而且还有相当大的通用性，改善了对机床操作的控制，并开始向人工智能化发展。而现代数控系统的广泛应用，又促使机械加工行业的产品结构 、生产方式、管理体制和产业结构发生深刻的变化，也将促使人类劳动方式发生根本性的变化 。因此，目前世界上各工业发达国家，都把发展数控技术作为实现机械工业技术革新的战略重点，各种加工机械都朝着数控化的方向发展。但齿轮加工机床的数控化进展却非常缓慢，一个主要原因是数控系统本身满足不了齿轮加工机床所要求的严格速比关系。现代数控系统发展的新趋势为加速实现齿轮加工机床数控化提供了可能。现代数控系统具有以下新趋势：
(1)采用交流数字伺服系统
伺服系统的质量，直接关系到 CNC机床的加工精度。现代的数控系统，采用交流数字伺服系统。伺服电机的位置、速度及电流环路都实现了数字化，实现了几乎不受机械负荷波动影响的高速响应伺服系统。并且系统采用的交流伺服电机没有电刷，避免了滑动摩擦，运转时没有火花，坚固耐用，几乎不用维修，可用于恶劣环境，它的调速范围与宽调速直流伺服系统相近。由于现代控制技术的不断提高，系统内采用的数字脉宽调速装置可以以极低转速驱动电机运转，而这一点正是齿轮加工机床所追求的 适合于滚齿机伴随工件轴向进给，要求工件轴叠加一个附加运动 (速度较低)的需求。从交流伺服系统的发展趋势来看，它的控制精度和可靠性不断提高，调节性能和适应性不断增强，真正实现了全软件结构，为进一步实现数控加工的自动化和柔性化提供可能。从市场调查来看，在日本市场上交流伺服系统和直流伺服系统的所占比例为3：1还强，在1996年在北京 “第四届中国国际机床展览会”上几乎所有制造数控机床的日本厂商都推出了采用交流数字伺服系统的数控机床。又如，美国辛辛那提州的米拉克龙 (Milacron)公司生产的代表当今世界领先水平的A-2100系统就是采用了科尔摩根公司提供的交流伺服系统。国内也在交流伺服系统的研究方面作了大量工作 “八五”期间，国家主要大力扶植交流伺服系统，“九五”又相应地制定了有利于交流伺服系统发展的计划。由此可见，数字化和采用交流伺服系统是机床数控化的发展趋势。所以将数字式交流伺服系统引人到滚齿机的数控改装上是对国际领先技术的跟踪 也是对进一步实现滚齿机的数控化寻求途径。
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