毕业设计(论文)开题报告

学生姓名：   叶凯       学 号：      1202110127     
所在学院：            机械与动力工程学院                      
专    业：          机械设计制造及其自动化                    
设计(论文)题目：    伺服刀架的动静态特性分析                     
指导教师：                    洪荣晶                   

                  2015  年  3  月  9  日

开题报告填写要求

1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；
2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；
3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；
4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。

 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写
2000字左右的文献综述：
文 献 综 述
一、引言
    伺服刀架可保证工件通过一次装夹自动完成车削外圆、内孔、端面、圆弧、螺纹、沟槽等加工工序，适用于机床、家电、汽车、齿轮、冶金等行业。数控机床技术水平的高低、机床在金属切削加工中的产量和总拥有量的百分比等是衡量一个国家国民经济发展水平和工业制造装备整体水平的重要标志。
二、课题研究的意义及背景
    近几年,随着数控技术的迅猛发展,制造装备业也取得了长足的发展,国内大市场焕发勃勃生机。目前国内研发的数控机床在精度、速度、大型化和多轴联动等方面已经取得显著的发展,但与国外产品相比仍然存在很大的不足。我国数控机床约有三十年的历史,目前正处在高速发展期,采用的刀架多为液压凸轮刀架,关于伺服动力刀架技术的研究刚刚起步。随着对机床精度、速度、可靠性、复合化程度等的要求的提高,迫切需要自主研发目前主要依靠进口的伺服刀架和伺服动力刀架,以满足高档数控机床发展的需要。
    伺服刀架作为数控机床加工中心的关键功能部件,其结构和动静态性能直接影响到加工工件的精度和效率。因此，本课题的研究能加强对该方面的了解，为伺服刀架的研究与改进提供一些理论依据，以便于达到优化设计的目的。
三、国内外研究进展
    欧美等地数控机床的发展己有五十多年的历史,伺服刀架的发展约有二十年的历史，伺服动力刀架有十余年的历史,己进入成熟期，近乎垄断了全世界的刀架领域。
    从80年代到90年代,我国通过引进机床技术,提高我国在机床设计、制造及工艺、管理等各方面的水平。在国家政策的支持和推动下,国产数控机床已广泛应用于航空航天、汽车、船舶等各个重点领域。
表1 国内外刀架技术指标对比
 国内情况 国外情况
工位 12 26
刀方（mm） 20 25
30°分度时间（S） 0.32 0.17
45°分度时间 0.3 0.22
180°分度时间（S） 1 1.42
惯性（kg.m²） 40 32
刀盘最大扭矩（Nm） 3000 16000
分度精度（″） ±6 ±2
重复定位精度（″） ±2 ±6
动力刀具功率（KW） 8 10
动力刀具转速（rpm） 6000 18000
四、伺服刀架动静态特性
    车床在加工时会产生振动并辐射出噪声,这不仅不同程度地影响加工质量和设备寿命,而且其噪声还会污染环境、影响操作者的健康。有关切削振动和噪声机理目前已有一些研究,鉴于机理的复杂性和实验条件的限制,许多方面还有待于进一步探讨。随着数控技术的发展和机床传动系统的大大简化,空载噪声会得到明显的抑制,进而切削振动和噪声的影响会更加突出。由此可见,研究切削过程以及有关结构(如工件、刀具和刀架系统)的动态特性,对于减振降噪、可靠生产是具有深远意义的。
    刀架静态分析是计算刀架在静态载荷作用下结构的响应，即由于静态载荷引起的刀架的变形、应力和应变。由于刀架安装于刀盘上，在工作过程中它随着刀盘一起做高速旋转运动，如果只对刀架本身进行建模分析并不能完全的真实地反映刀架的工作状态，故可将其连同刀盘一起建模进行静力分析。
五、课题研究内容及技术路线
分析伺服刀架结构，动静态特性，利用仿真、建模、有限元分析等方法，并结合理论分析与试验的方法，通过利用CAD、Proe等工具尽可能的去了解伺服刀架，最终达到对刀架进行优化设计的目的。
具体路线方法：
    1.在实验室搭建具有模拟动静态载荷加载装置的可靠性试验系统,同时设计对试验系统和试验对象进行监测和集于上位机统一的控制系统。根据可靠性试验方案,采集试验数据,通过整理分析得到切削力和扭矩等载荷信息。通过具体实验能够更直观的了解伺服刀架的结构和运行原理。
    2.有限元分析。有限元方法是用于求解工程中各类问题的一种数值方法。有限元静力结构分析主要是用来求解外载荷引起的位移、反力、应力以及应变。根据是否考虑惯性和阻尼等因素对结构影响大小，有限元静力分析分为线性分析和非线性分析。用有限元方法进行动力学分析和静力学分析的本质区别在于作用在结构上的载荷，以及结构产生的位移、应变、应力等，前者是与时间t有关的，而后者与时间t无关的，动力分析还要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。但是就其有限元法的原理和方法步骤是基本相同的，不同是动态分析必须在结构振动理论基础上建立动力学方程，在单元特性分析中除了形成刚度矩阵外，还要形成质量矩阵与阻尼矩阵，以此来分析、求解特征值问题和动力响应问题。
    3.模态分析方法。首先利用三维建模软件建立伺服刀架的几何模型，采用有限元方法对伺服刀架进行模态分析，得到其固有频率和振型，通过分析伺服刀架的固有频率，得到了其临界转速；同时，伺服架的有限元模态分析结果也为后续的试验模态分析和谐响应分析提供了理论支持。模态分析是动力分析的基础，其任务是分析得到系统的固有特性，包括固有频率以及相应的振型，固有频率和振型是分析动态特性的重要参考指标，也是进行谐响应分析瞬态动力学分析的基础。
    4.分析不同工况下动力伺服刀架所受载荷的情况,对所受的切削力大小、频率、幅值及扭矩载荷大小等载荷参数进行细致研究,并在此基础上研发能够满足模拟实际工况的动态加载装置，分别对伺服刀架动静态特性进行分析。
刀架静态分析：
（1）前处理过程
（2）确定载荷及边界条件并求解
表2 不同中心高刀架静态加载试验要求
中心高H（mm） 63 80 100 125 160 200
切向力矩Fq（N.M） 600 1250 2500 3600 5000 8000
轴向压力矩Fz（N.m） 600 1250 2500 3600 5000 8000
最大弹性变形量R（μm） 25 35 52 100 114 150
刀架动态特性分析：
（1）刀架模态分析
（2）刀架整体谐响应分析
    5.结构优化设计。通过上述方法步骤对伺服刀架动静态特性进行分析后，设计出合适的伺服刀架，不断调整设计变量,从许多可行性设计方案中寻找出一种最优的设计方案。（结构优化设计三要素包括设计变量、约束条件和目标函数。）在实际过程中更直观了解到伺服刀架动静态特性研究的重要性，并运用到相关设计中，以达到进行本研究目的。

参考文献：
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 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
一.本课题所要研究和解决的问题
通过对伺服数控刀架设计研究，结合了刀架设计过程、 刀架理论分析、 有限元分
析、 实验过程及与其它结构刀架的对比，结合模型建立了解伺服刀架的优异性，更
直观具体的了解伺服刀架的动静态特性，并加以分析。
1.1基本内容
1）客观分析伺服刀架的结构特点和主要技术要求
2）分析伺服刀架的动静态特性
3）设计或提出更好的刀架结构，用proe画出三维模型
4）对新式刀架进行分析，验证其可行性
1.2主要问题
1）模型设计
2）特性分析
3）CAD、ProE三维设计

二．拟采用的研究手段
    1）通过大量伺服刀架参考文献的查阅，对研究现状有深入的了解；
    2）参照我国伺服刀架使用情况，对其动静态特性进行分析；
    3）参照相关公司的产品进行研究；
    4）应用CAD、ProE三维软件进行模型设计。

 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
指导教师意见：
1．对“文献综述”的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

                                       指导教师：              
                                                  年   月   日
所在专业审查意见：