论文总字数：21648字

摘 要

可重构机床具有经济的实现机床重构的功能，对于多品种，小型化的零件生产具有不可比拟的优势，是未来机床发展的趋势所在。本文以一级齿轮减速箱为加工对象，通过对可重构机床的重构，实现一级减速箱的加工。论文具体进行了以下研究：

1. 通过对可重构机床的运动分析，研究机床的模块组成，实现六种机床的重构。通过分析立式车床的运动分析，选择合适模块，重构出立式车床。
2. 对重构立式车床的模块进行选择，对车床的主传动系统，进给系统，伺服系统的计算选型和校核，重构出能完成加工任务的立式车床。
3. 对于重构出的立式车床进行有限元分析，判断重构出的车床是否具有可行性。

关键词：可重构机床 立式车床 有限元分析 数控加工

Abstract

Reconfigurable machine tool has the function of realizing machine tool reconstruction economically. It has incomparable advantages for the production of many kinds and small parts, which is the trend of machine tool development in the future.This paper takes the first gear reducer as the processing object and realizes the processing of the first gear reducer through the reconstruction of the reconfigurable machine tool.The following research is carried out in this paper：

(1) through the motion analysis of the reconfigurable machine tool, the module composition of the machine tool is studied, and the reconstruction of six machine tools is realized.The vertical lathe is reconstructed by analyzing the motion of vertical lathe, selecting suitable module.

(2) to reconstruct the module selection of vertical lathe, the lathe main transmission system, feed system, servo system of the selection calculation and checking, can reconstruct the vertical lathe machining task.

（3）A finite element analysis is conducted on the reconstructed vertical lathe to determine whether the reconstructed lathe is feasible.

Key Words: Reconfigurable machine tool；Vertical lathe；Finite element analysis；

NC machining 

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1可重构机床的前景 1

1.2可重构机床的概念 2

1.2.1 可重构机床的定义 2

1.2.2可重构机床的特性 2

1.3可重构机床与其他现有机床的区别 2

1.3.1可重构机床与组合机床的区别 3

1.3.2可重构机床与加工中心的区别 3

1.3.3可重构机床与模块化机床的区别 3

1.4小结 4

第二章 总体设计 5

2.1可重构机床的设计原则 5

2.1.1设计原则 5

2.2加工对象分析 5

2.2.1加工对象 5

2.2.2 加工任务分析 6

2.3可重构机床的运动分析及模块库组建 6

2.3.1机床的运动分析 7

2.3.2 建立机床的模块库 10

2.3.3 选择模块重构立车 11

2.4 接口设计 12

2.5经济性分析 12

2.6小结 13

第三章 立式车床实现 14

3.1加工对象分析 14

3.1.1加工零件的工序分析 14

3.2总体方案的确定 15

3.2.1设计总体方案时应考虑的因素 15

3.2.2立车总体方案设计 15

3.3 立车主传动系统的设计 16

3.3.1主轴传动系统的选择 16

3.4进给传动部件的计算和选型 19

3.4.1滚珠丝杠的选型 19

3.4.2校核滚珠丝杠 22

3.5伺服电动机的计算与选型 23

3.5.1 伺服电机选型 23

3.5.2 交流伺服电机的校核 25

3.6 小结 27

第四章.立式车床的有限元分析 29

4.1立式车床的有限元模型建立 29

4.2立车的有限元分析 30

第五章 结论 34

参考文献 35

致谢 37

第一章 绪论

1.1可重构机床的前景

在15世纪初，为了方便对武器和钟表的加工，人们研制出了机床的雏形。在经过工业革命的发展后，机床有了更加细致的结构和更复杂的部件。到到了1797年，英国人莫兹利创制成的车床由丝杠传动刀架进行传动，能实现机动进给和车削螺纹，这是机床结构的一次重大变革。直至近代，机床的种类和型号越来越丰富，生产出了我们工业社会中的大部分零件。[1]。

从机床的发展中可以看出：机床的发展是为了适应对零件的加工，当零件越来越多样化，精度要求越来越高，机床的种类也越来越多，型号也越来越丰富。但是到了21世纪，面对工业4.0 时代的来临，客户们需要的零件结构会越来越复杂，类型越来越多，世界上的制造业也将会面对更加复杂化的市场。面对这种情况，如果制造企业还是像以前一样，组装出一种机床来适应一类零件的加工，成本会随着零件类型的复杂化而越来越大，小型制造企业和个人用户根本无法承受这种高昂的成本。因此可重构机床(Reconfigurable Machine Tools，RMT)的理念被提了出来[2]。

可重构机床是一种柔性机床，是一种为了满足客户需求而研制出的机床。它根据客户提出的不同的加工要求通过自身结构部件灵活转换及其重组组合来适应用户的需求。而传统的机床往通常是刚性机床，他们的适应性很低，往往只能用来加工一种或几种类型的零件。相比于传统的刚性机床，可重构机床不仅能担任大型的，单一化的生产，也能适用于小型化，品种多样化的制造生产[3][4]。当客户的需求发生改变时或客户的需求不同时，当前的机床无法满足生产，传统制造企业只能选择购买新的机床，或者花费大量成本和时间来改造机床。而可重构机床却能轻松改变机床的类别，根据不同用户对零件的需求迅速对机床进行重构，升级改造，快速进行制造生产。

可重构机床不单单是适应企业的制造生产，还是可重构制造系统技术和灵敏制造技术中关键的一部分。可重构制造系统乃是2020年前世界工业范围内面临的十大关键技术之首，而对可重构机床的开发研究是可重构制造技术和灵敏制造技术的基础部分。面对工业4.0时代的来临，在工业制造向着智能化的方向前进的时代，制造企业也应该随着时代进行发展和变革，将可重构机床作为未来的发展重心所在[5]。

1.2可重构机床的概念

1.2.1 可重构机床的定义

20世纪末，人们开始认识到了可重构机床，它的提出者是一位来自于美国密歇根大学的学者。经过多年的发展，人们对可重构机床的研究越来越深入，对机床的机械系统、控制器、模块化组成等等方面的设计也有了相当的进展和分歧，但是可重构机床的概念一直不曾改变。可重构机床是为了能快速重构而设计的，是一种通过用户的需求对机床的结构、布局乃至加工功能进行经济地重构的机床。例如，当加工零件为轴时，可以快速经济地将机床重构为车床；当加工零件为齿轮时，又可以将机床重构成铣齿机[6][7]。

1.2.2可重构机床的特性

可重构机床是根据用户需求的变化而改变的，它具有快速经济适应客户对于零件所要求的的独特性、自由性的能力。面对着零件越来越多样化、个性化，机床种类和型号越来越丰富的问题，可重构机床能够重构出大部分种类的机床，可以按照用户需求加工零件，能有效解决成本和加工能力之间的矛盾。

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