2506 地下升降式自动化立体车库设计
2506 地下升降式自动化立体车库设计,地下,升降,自动化,立体车库,设计
I地下升降式自动化立体车库设计摘 要本设计是根据我国近几年来房地产业的蓬勃发展和老百姓私家车的急剧增多,私家车数量的急剧增加与车(位)库设置严重滞后的矛盾应运而生的自动化车库。地下升降式自动化立体车库,是充分利用小区地下空间设置的新型车库,其型号为单层 2 个车位。车库下降后可完全居于地面之下,车库表面能与周边完全融为一体。并且每个车库均属独立空间,升降自如,停(取)车极为方便,快捷,是充分利用地下空间改造或兴建的安全、新型、便捷式车库。该车库设计新颖、独特、巧妙,实用性强,可以大大缓解小区车库(位)严重不足的矛盾。 本说明书共分五章,着重设计计算了钢丝绳及滑轮组机构、载车板、升降机构、横移入库机构以及库架等主要系统的设计计算。关键词:载车板 升降系统 横移 机构IIAbstractThe design is based on the developmrnt according to our country in the last few years real estate industry vigorous development and the common people private vehicle, the private vehicle quantity sharp growth and the vehicle (position) the storehouse establishment serious lag contradiction arises at the historic moment automated garage. The underground elevating automation three-dimensional garage, is the full use plot underground space establishment new garage, its model for single-layer 2 berth. After the garage drops may reside in under completely the ground, the garage surface energy and peripheral merges into one organic whole completely. And each garage is the space-independent, the fluctuation freely, stops (takes) the vehicle to be extremely convenient, quick, is the full use underground space transformation or the constructing security, new, the convenient -like garage. This garage design novel, is unique, is ingenious, usable, may alleviate the plot garage greatly (position) the serious insufficient contradiction. This instruction booklet altogether divides five chapters, the emphatically design calculation steel wire and the block and tackle organization, carried the template, the elevating mechanism, move horizontally the warehousing organization as well as storehouse and so on the main system design calculation. Key words: carries jacking system moves horizontally organizationIII目 录摘 要IAbstract II第 1 章 绪论 1第 2 章 车库的结构设计计算和零件选 22.1 钢材的选用22.1.1 库上边框钢材的选择 22.1.2 库架支撑钢的选择 22.1.3 上下层支撑钢的选择 32.1.4 升降台辅助支钢的选择 32.1.5 链轮支撑钢的选择 32.1.6 链轮辅助支撑钢的选择 32.1.7 滑轮支撑钢的选择 32.1.8 滑轮辅助支撑钢的选择 42.1.9 上下层支撑钢横向连接钢的选择42.1.10 滑轮支撑钢横向连接钢的选择 42.1.11 链轮支撑钢横向连接钢的选择 42.1.12 载车板横向边缘钢 52.2 载车板的结构和尺寸的设计算 5 2.3 升降系统各零部件的结构设计和尺寸确定72.3.1 升降台结构的初步设计 72.3.2 钢丝绳的设计计算 82.3.3 钢丝绳夹的选择 112.3.4 滑轮及其组件的设计计算 122.3.5 卷筒的设计计算和尺寸确定 172.3.6 升降链及链轮的选择 212.3.7 升降用电动机及变速器的设计计算及型号选择242.3.8 升降电动传动链及连轮的连轮的设计计算25IV2.4 横移机构结构的设计和各零部件的设计计算以及选择282.4.1 轨道和导轮的设计计算292.4.2 横移电动机的设计计算及型号选择322.4.3 带及带轮的选择342.4.4 联轴器的选择372.5 库钢架结构的设计38第 3 章 车库其它配备要求403.1 电控系统403.1.1 控制系统组成403.1.2 控制系统的运行方式413.1.3 控制系统的故障检测413.2 安全设置413.3 照明 423.4 通风 423.5 排水 423.6 消防 42第 4 章 经济可行性分析 444.1 市场需求 444.2 初步可行性研究 454.2.1 投资机会调查统计 454.2.2 经济成本核算 45第 5 章 专题论文 465.1 除雪工作装置的概述 465.2 多段式可越障除雪工作装置(改进型除雪工作装置)475.2.1 多段式可越障除雪工作装置优点 475.2.2 多段式可越障除雪工作装置的结构组成485.2.3 工作装置的工作原理495.2.4 多段式样可越障除雪工作装置的使用要求495.3 其它形式的除雪工作装置505.3.1 转子式除雪装置505.3.2 犁式除雪装置50V5.3.3 多功能除雪装置515.4 除雪工作装置与车辆的匹配525.4.1 专用车525.4.2 兼用型牵引车辆53总 结55致 谢56参考文献57附录 1 外文译文58附录 2 外文原文670第 1 章 绪论本设计是为适应现代化进程和解决小区车库(位)严重不足而设计研制的一种新型家庭用自动化立体车库。该车库结构主要由钢丝绳及滑轮组机构、载车板、升降机构、横移入库机构以及库架等部分组成。其工作原理为:1 车辆入库:操作控制系统,升降台载着载车板通过升降系统以 4mm/min的速度提升到达与地面相平处停止,车辆通过车库进口端开进,经升降台到达载车板定位处。车辆停好位后,司机从库侧面走出。操作控制系统,升降台提升着载车板和车辆向地下以 4mm/min 的速度垂直下降。当载车板的导轮与地下轨道相吻合时,升降系统停止运作,此时车库顶盖(附带与两侧升降台上)盖住库顶且库顶与地面相平。随后通过电磁阀传感横移系统,载车板上的电机通过带传动系统带动导轮沿着导轨横向移动,而导轮与载车板是一体的,所以载车板载着车辆和导轮同步向左或向右移入库中两侧中的一个库中,通过传感系统找正位置,横移停止运作。车辆入库结束。总共用时一分中左右。2 车辆出库:操作控制系统,横移机构带动对应的载车板及上面的车辆横向从小车库移出,沿轨道到达升降台指正位置,升降系统运作,升降台载着载车板和车辆向上移动,同时车库盖打开。当升降台上面与地面相平时,上升停止。司机从库口的左右两侧进到车内,开走。随后操作控制系统,车辆入库,入库过程同上。在不使用车库的情况下,车库顶盖盖住库顶,从上面看去与地面相平,并且与附近路面和谐一致,既可以走人也可以通车辆。另外升降系统采用钢丝绳传动,由链起升降平衡的作用。 1第 2 章 车库的结构设计计算和零件选择2.1 钢材的选用机械设计手册 2.1.1 车库上边框钢材的选择选择冷弯等边槽钢(GB/T6728-2002) 。通过查表 3.1-158 根据实际物理需求,选择 HBt=30020010。理论质量为 10.221kg/m.横截面面积S=13.021 ,重心 X。=1.517. 材料选择优质碳素结构钢 20 钢。2cm图 21 矩形冷弯空心型钢结构2.1.2 库架支撑钢的选择选择矩形冷弯空心型钢结构(GB/T6723-1986) 。通过查表 3.1-165,根据实际需求选择尺寸 HBt=30020010。理论重量为 72.7kg/m 横截面面积S=92.6 .材料选择优质碳素结构钢 20 钢。确定长度为 3500mm,数量为 4 根。2cm2得质量为 。1472.35107.8mkg2.1.3 上下层支撑钢的选择选择矩形冷弯空心型钢结构(GB/T6723-1986) 。通过查表 3.1-165,根据实际需求选择尺寸 HBt=160808。理论重量为 26.81kg/m 横截面面积S=33.64 . 材料选择优质碳素结构钢 20 钢。确定长度为 3000mm,数量为 42cm根。得质量为 246.8132.7kg2.1.4 升降台辅助支撑钢的选择选择矩形冷弯空心型钢结构(GB/T6723-1986) 。通过查表 3.1-165,根据实际需求选择尺寸 HBt=100505。理论重量为 10.484kg/m 横截面面积S=13.365 . 材料选择优质碳素结构钢 20 钢。确定长度为 1000mm,数量为2cm4 根。得质量为 3410.841.936kg2.1.5 链轮支撑钢的选择选择矩形冷弯空心型钢结构(GB/T6723-1986) 。通过查表 3.1-165,根据实际需求选择尺寸 HBt=120506。理论重量为 15.097kg/m 横截面面积S=19.232 . 材料选择优质碳素结构钢 20 钢。确定长度为 500mm,数量为 42cm根。得质量为 415.097.3.194kg2.1.6 链轮辅助支撑钢的选择选择矩形冷弯空心型钢结构(GB/T6723-1986) 。通过查表 3.1-165,根据实际需求选择尺寸 HBt=120506。理论重量为 15.097kg/m 横截面面积3S=19.232 . 材料选择优质碳素结构钢 20 钢。确定长度为 750mm,数量为 42cm根。得质量为 6415.097.45.291kg2.1.7 滑轮支撑钢的选择选择矩形冷弯空心型钢结构(GB/T6723-1986) 。通过查表 3.1-165,根据实际需求选择尺寸 HBt=120506。理论重量为 15.097kg/m 横截面面积S=19.232 . 材料选择优质碳素结构钢 20 钢。确定长度为 750mm,数量为 42cm根。得质量为 。6415.097.45.291kg2.1.8 滑轮辅助支撑钢的选择选择矩形冷弯空心型钢结构(GB/T6723-1986) 。通过查表 3.1-165,根据实际需求选择尺寸 HBt=60304。理论重量为 4.826kg/m 横截面面积S=6.147 . 材料选择优质碳素结构钢 20 钢。确定长度为 750mm,数量为 42cm根。得质量为 74.8260.75.39kg2.1.9 上下层支撑钢横向连接钢的选择选择矩形冷弯空心型钢结构(GB/T6723-1986) 。通过查表 3.1-165,根据实际需求选择尺寸 HBt=100505。理论重量为 10.484kg/m 横截面面积S=13.365 . 材料选择优质碳素结构钢 20 钢。确定长度为 1850mm,数量为2cm2 根。得质量为 。810.4.853.790kg2.1.10 滑轮支撑钢横向连接钢的选择选择矩形冷弯空心型钢结构(GB/T6723-1986) 。通过查表 3.1-165,根据实际需求选择尺寸 HBt=60304。理论重量为 4.826kg/m 横截面面积4S=6.147 . 材料选择优质碳素结构钢 20 钢。确定长度为 1850mm,数量为 22cm根。得质量为 。94.8261.57.862kg2.1.11 链轮支撑钢横向连接钢的选择选择矩形冷弯空心型钢结构(GB/T6723-1986) 。通过查表 3.1-165,根据实际需求选择尺寸 HBt=60304。理论重量为 4.826kg/m 横截面面积S=6.147 .材料选择优质碳素结构钢 20 钢. 确定长度为 1850mm,数量为 22cm根。得质量为 .104.8261.57862kg图 22 矩形冷弯空心型钢结构2.1.12 载车板横向边缘钢选择冷弯等边槽钢(GB/T6728-2002) 。通过查表 3.1-158 根据实际物理需求,选择 HBt=100504.0。理论质量为 5.788kg/m.横截面面积5S=7.373 , 重心 X。=1.448. 材料选择优质碳素结构钢 20 钢。确定长度为2cm4700mm,数量为 2 根。得质量为. .125.784.072mkg(以上理论质量都是按钢的密度为 7.85g/ = )3c2kgm2.2 载车板的结构和尺寸的设计算机械设计手册 由于本设计存车容量为 470018501450 中型车,考虑力学性能,设计结构尺寸如图 2.3。 整体由冷弯空心型钢、冷弯等边槽钢和钢板焊接而成。 低部三横梁钢材选用矩形冷弯空心型钢结构(GB/T6723-1986) 。通过查表3.1-165,根据实际需求选择尺寸 HBt=160808。理论重量为26.81kg/m 横截面面积 S=33.64 。材料选择优质碳素结构钢 20 钢. 确定长2cm度为 1850mm,数量为 3 根。得质量为 .1236.815479kg车板边梁选择冷弯等边槽钢(GB/T6728-2002) 。通过查表 3.1-158 根据实际物理需求,选择 HBt=100504.0。理论质量为 5.788kg/m.横截面面积 S=7.373 , 重心 X。=1.448. 材料选择优质碳素结构钢 20 钢. 确定长度2cm为 4700mm,数量为 2 根。得质量为. .125.784.072mkg中部支撑刚选择矩形冷弯空心型钢结构(GB/T6723-1986) 。通过查表3.1-165,根据实际需求选择尺寸 HBt=100505。理论重量为10.484kg/m 横截面面积 S=13.365 .材料选择优质碳素结构钢 20 钢确定长2c度为 1690mm,数量为 2 根。得质量为. 130.481.6935.42mkg钢板材料采用 ZG06Cr13Ni14Mo.体积为 质量为.7.0m6= 14m7850 .675.1kg23 载车板结构示意图2.3 升降系统各零部件的结构设计和尺寸确定本系统主要通过电动机带动钢丝绳通过滑轮提升或下放载车板。结构主要由升降台、钢丝绳及滑轮组件、链和链轮组件、卷筒组件、电动系统等组成。72.3.1 升降台结构的初步设计通过查机械手册 3第 28 篇要求,对升降台结构设计计算。其初步结构主要由螺栓、矩形边梁钢、链连轮、滑轮、 钢板 、连接板支撑钢等组成 机构如下图 24 升降台结构2.3.2 钢丝绳的设计计算。 机械设计手册 2 1机构工作类型的选择由于本车库为家庭用车库,工作时间 145000N0F所选钢丝绳规格合格。通过表 8.1-34 选择起重机型线接触钢丝绳 型号钢丝绳。619S2.3.3 钢丝绳夹的选择图 26 钢丝绳夹根据表 8.1-35 选择A=37.0 B=37 C=74 R=10.5 H=92螺母 M16 材料为 KTH350-10(GB/T5976-1986)钢丝绳夹的使用方法由表 8.1-38 查得每个接头处的钢丝绳夹最少为 4 个,其安装结构及尺寸如下图:11图 27 钢丝绳夹的安装位置其中 A=(67)d。=120140mm 取 A=130mm。2.3.4 滑轮及其组件的设计计算1 材料和结构的选择滑轮用来对钢丝绳进行导向和支撑,以改变绳索及其传递拉力的方向或平衡绳索分支的拉力。由于本设计的滑轮承受载荷中等,选择材料为 ZG230-450,制成实体滑轮。2 滑轮主要尺寸的确定绳槽半径 R 是根据钢丝绳直径 d 的最大允许偏差为 确定的。钢丝绳07绕进和绕出滑轮槽时偏斜的最大角度(即钢丝绳中心线和与滑轮轴垂直的平面之间的角度)应不大于 。04绳槽表面的精度为 。滑轮的6.5aR主要尺寸通过表 8.1-63 确定滑轮槽断面尺寸1211234604.5605.1BECRMS图 28 滑轮基本尺寸(JB/T9005.11999)根据表 8.1-64 确定滑轮的直径选择 D=400mm3 滑轮形式的确定由于结构好密封比较严密选择 A 型结构。图 29 滑轮基本尺寸通过查表 8.1-65 选择滑轮轴承尺寸13310B560D2宽 度 16A21NF60B4872S由表 8.166 选择轮毂尺寸1R920d取 35H10B48DM129152D1735D6B75.F0R螺 栓 孔 数 n=4螺 钉 孔 数 n=84 滑轮强度的计算图 210 滑轮受力分析14假定轮缘是多支点梁,绳索拉力 F 使轮缘产生弯曲绳拉力的合力(N)(22sinpF3)式中 F绳索拉力,为 7500N绳索在滑轮上的包角的圆心角。为 45o所以 452sin70sin70.2p N轮缘最大弯矩( )Nm(2ax16pFLM4)式中 L两轮辐间的轮缘弧长(mm) mm2213.40578D所以 max.16320.116pFNm轮缘最大弯曲应力( )aMP(25)maxsin82wpLW式中 W轮缘抗弯断面摸数( )3许用弯曲应力,应该小于 100 wp aP所以 max7501sin56.3210828aaFLMP辐条内压应力( )MP当绳索拉力合力方向与辐条中心线重合时,辐条中产生的压应力最大15(26)2sinccpFA式中 A辐条断面面积( ) ,取 A=700 2m2m断面折减系数,取 0.1许用压应力为 100cpaMP所以 452sin70sin2810.1oc acpaFMPA 滑轮满足要求。5 滑轮组件的设计查机械设计手册 3按 ZB/T J80006.31987。选择 A 型,如上面示意图所示。带有深沟球轴承和圆柱滚子轴承两个形式的滚动轴承(严密密封)有内轴套的滑轮。根据上面得到的滑轮的滑轮直径和壁厚选择 310B56D滚动轴承分别选择 6216 和 NF216.680D71416图 211 滑轮组件 为了减少摩擦与磨损,同时有起到冷却、吸振、防锈,以及降低噪音。由于轴承的转动速度不大于 4m/s 选择毛毡密封(从动轮)和皮碗密封。滑轮轴向的固定采用紧固螺母固定。2.3.5 卷筒的设计计算和尺寸确定1 卷筒类型的选择选择周边大齿轮式(JB/T9006.21999) 。其结构特点是卷筒轴不受转矩,17只承受弯矩。一般为开式传动。选择图 8.1-3A 型结构。2卷筒几何尺寸的确定选择单层卷绕双联卷筒。通过表 8.147 对卷筒几何尺寸进行计算。卷筒上有螺旋槽部分长计算公式(27)max010()HLzpDD卷筒名义直径,通过表 8.148 选择 400mmd 钢丝绳直径,d=20最大起升高度, 取 2000mm maxHmaxHa 滑轮组倍率,a=1.D0=D+d卷筒计算直径,由钢丝绳中心算起的卷筒直径。Z1.5为固定钢绳的安全圈系数,取 1.6P 绳槽槽距,查表 8.149,P=22。根据表 8.150 选取卷筒的部分尺寸,卷筒槽形选标准槽形即可。选择基本尺寸 D=400 D1=370 D2=360 D3=17 L1=70 L2=28所以 012()(708)754sLLmm020(1.6)28.563.147Lm取(28)18图 212 卷筒基本尺寸由于卷筒选取 A 型单层双联卷筒结构,卷筒长度计算公式(29)012()sLLmL1 无绳槽卷筒端部尺寸(又结构需要决定) L2 固定钢绳所需长度 所以 012()(7028)7541sLm3、卷筒的技术条件a、材料HT200 灰铸铁。铸铁件需经时效处理一消除内应力铸钢件应进行退火处理b、表面质量卷筒不得有裂纹,成品卷筒的表面上不得有影响使用性能和有损外观的显著缺陷c、尺寸公差和表面粗糙度同一卷筒上的螺旋槽的底经差不得超过d、形位公差卷筒上配合圆(D 1)的圆度比 t1、同轴度 t2、左右螺旋槽的径向圆跳动t3 以及端面圆挑动 t4,不得大于 GB/T1184 中的下列值:(210)12D孔 的 公 差 带不低于 8 级;2t(211)31.0;4、钢丝绳在卷筒上的固定绳端在卷筒上的固定必须安全可靠。在这里采用压板固定。19图 213 压板式固定它的构造简单,检查拆卸方便。钢丝绳的压板按表 8.154 选取这种压板使用于各种原股钢丝绳的绳端的固定。图 214 压班基本尺寸A=65mmB=60 mmC=20 mmD=22 mm20F=5.0 mmG=21.0 mmR=10.0 mmd=20 mm5卷筒最小直径的计算计算公式Dmin=hd (212)Dmin 按钢丝绳中心计算的滑轮和卷筒的最小直径h 与机构工作级别和钢丝绳有关的系数查表 8.161h=18Dmin =1820=360钢丝绳绕进绕出滑轮槽时偏角的最大角不大于 40钢丝绳绕进绕出卷筒时钢丝绳离螺旋槽两侧的角度不大于 9.506.卷筒强度计算卷筒的材料一般采用不低于 HT200 铸铁。忽略卷筒自重力,卷筒在钢丝绳最大拉力作用下,使卷筒产生压、弯曲和扭应力,其中压应力最大。由于 L3D 时只计算压应力。因为是单层卷绕,压应力应按下式计算(213)max1bcFAp0.75bbccmax1 1单 层 卷 绕 卷 筒 压 应 力 ( MP)F -钢 丝 绳 最 大 拉 力 ( N)卷 筒 壁 厚 ( )A 应 力 减 小 系 数 , 一 般 取 A-许 用 应 力 , 铸 铁 抗 拉 强 度 极 限查设计手册 1表 3.16, (214)10bMP211653bcMPmax170.6.3942FAMPp卷筒合格2.3.6 升降链及链轮的选择1链的类型选择本设计链起到平衡和传动的作用,因此通过表 14.21 根据实际需要选短节距精密滚子链(简称滚子链) ,其结构特点:由外链节和内链节铰接而成。销轴和外链板、套筒和内链板为静配合;滚子空套在套筒上可以自由转动,以减少啮合 时的摩擦和磨损,并可以缓和冲击。2滚子链的基本参数和尺寸根据实际需要选择 12A 型链条,尺寸如图 215:图 215 滚子链结构尺寸节距 P=19.05mm滚子直径 d 1=11.91mm内节内宽 b 1=12.57mm销轴直径 d 2=5.96mm套筒孔径 d 3=5.98mm22链条通道高度 h 1=18.34mm内链板高度 h 2=18.08mm外链板高度 h 3=15.62mm过渡链尺寸 l 1=7.9mm l2=9014mm c=0.1mm排距 P t=22.783.滚子链链轮的基本参数和主要尺寸(GB/T12341997)图 216 滚子链链轮结构尺寸查表 14.23 初选 Z=18,已经选择链条的型号为 12A 型。通过查表14.22 查得配用链条的节距 P=19.05mm滚子链外径 排距1.9rdm2.78zPm确定分度圆的直径 d:(215)00.519.8sinsiPZ齿顶圆直径 :ad(216)maxin1.2509.7125.01.92.606() 514rdPmZ由于 121.60mm1.确定设计功率(221)11802sin2364sin742zoFNdP功率计算公式为 (222)dAPK式中:为设计功率,单位为 Kw;d齿轮减速电动机YCJ配套电机(0.5515)减速器:输出转矩为93400Nm输出转速为15600r/minIP44IC0141 IMB3符合自动化立体车库的设计需要34为工作情况系数,其值见表 10-10;由于所受载荷变动小,空,AK轻载启动而且每天工作小时 编辑委员会编.运输机械设计选用手册.化学工业出版社下册 199215.梁庚煌主编. 运输机械设计选用手册下册.教育出版社.199016.编写组编. 电机修理实用技术数据手册. 教育出版社.199017.蕃臣林主编.电机检修实用手册. 教育出版社.199218.编委会编.中国机械设计大典.江西科学技术出版社.1990D.R. 伍德利(英). 物料搬运.上海市机械工程学会组织翻译.北京:机械工业出版社,197558附录 1 外文译文数控技术和装备发展趋势及对策机械论文装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业)的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别,不在于生产什么,而在于怎样生产,用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料,而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术,以提高制造能力和水平,提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资,不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业,而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之,大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,即所谓的数字化装备,其技术范围覆盖很多领域:(1)机械制造技术;(2)信息处理、加工、传输技术;(3)自动控制技术;(4)伺服驱动技术;(5)传感器技术;(6)软件技术等。591 数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,他对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用,因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要研究热点有以下几个方面14。11 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一,国际生产工程学会(CIRP)将其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域,年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒/辆,而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一;在航空和宇航工业领域,其加工的零部件多为薄壁和薄筋,刚度很差,材料为铝或铝合金,只有在高切削速度和切削力很小的情况下,才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装,使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从 EMO2001 展会情况来看,高速加工中心进给速度可达 80m/min,甚至更高,空运行速度可达 100m/min 左右。目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国 CINCINNATI 公司的 HyperMach 机床进给速度最大达 60m/min,快速为100m/min,加速度达 2g,主轴转速已达 60 000r/min。加工一薄壁飞机零件,60只用 30min,而同样的零件在一般高速铣床加工需 3h,在普通铣床加工需8h;德国 DMG 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达 12*!000r/mm 和1g。在加工精度方面,近 10 年来,普通级数控机床的加工精度已由 10m 提高到 5m,精密级加工中心则从 35m,提高到 11.5m,并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。在可靠性方面,国外数控装置的 MTBF 值已达 6 000h 以上,伺服系统的MTBF 值达到 30000h 以上,表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工,与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展,应用领域进一步扩大。1.2 五轴联动加工和复合加工机床快速发展采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅光洁度高,而且效率也大幅度提高。一般认为,1 台 5 轴联动机床的效率可以等于 2 台 3 轴联动机床,特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时,5 轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因,其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍,加之编程技术难度较大,制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现,使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化,其制造难度和成本大幅度降低,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床(含 5 面加工机床)的发展。在 EMO2001 展会上,新日本工机的 5 面加工机床采用复合主轴头,可实现4 个垂直平面的加工和任意角度的加工,使得 5 面加工和 5 轴加工可在同一台机床上实现,还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国 DMG 公司展出61DMUVoution 系列加工中心,可在一次装夹下 5 面加工和 5 轴联动加工,可由CNC 系统控制或 CAD/CAM 直接或间接控制。1.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势。21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方面的智能化,如智能化的自动编程、智能化的人机界面等;还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究,如美国的NGC(未来的工作站/ 机器控制)、欧共体的OSACA、日本的OSEC,中国的ONC等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能) ,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机,如在EMO2001展中,日本山崎马扎克(Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”(智能生产控制中心,简称CPC);日本大隈(Okuma)机床公司展出“IT plaza” (信息技术广场,简称IT广场);德国西门子(Siemens)公司展出的开放制造环境,简称OME)等,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。621.4 重视新技术标准、规范的建立1.4.1 关于数控系统设计开发规范如前所述,开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性,美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划,并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定,世界 3 个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定,预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在 2000 年也开始进行中国的 ONC 数控系统的规范框架的研究和制定。1.4.2 关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的 50 年间的信息交换都是基于 ISO6983 标准,即采用 G,M 代码描述如何(how)加工,其本质特征是面向加工过程,显然,他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此,国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准ISO14649(STEPNC),其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制,能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型,从而实现整个制造过程,乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC 的出现可能是数控技术领域的一次革命,对于数控技术的发展乃至整个制造业,将产生深远的影响。首先,STEP-NC 提出一种崭新的制造理念,传统的制造理念中,NC 加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下,NC程序可以分散在互联网上,这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次,STEP-NC 数控系统还可大大减少加工图纸(约 75)、加工程序编制时间(约35)和加工时间(约 50)。目前,欧美国家非常重视 STEP-NC 的研究,欧洲发起了 STEP-NC 的 IMS 计划(1999.1.12001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的 20 个63CAD/CAM/CAPP/CNC 用户、厂商和学术机构。美国的 STEP Tools 公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者,他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model),其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了 SIEMENS、FIDIA 以及欧洲 OSACA-NC 数控系统的原型样机上进行了验证。2 对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于 1958 年,近 50 年的发展历程大致可分为 3 个阶段:第一阶段从 1958 年到 1979 年,即封闭式发展阶段。在此阶段,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期,即引进技术,消化吸收,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段,由于改革开放和国家的重视,以及研究开发环境和国际环境的改善,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间,即实施产业化的研究,进入市场竞争阶段。在此阶段,我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期,国产数控机床的国内市场占有率达 50,配国产数控系统(普及型)也达到了 10。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关,总体来看取得了以下成绩。1.奠定了数控技术发展的基础,基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术,其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础,部分技术已商品化、产业化。2.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上,建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南64第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。3.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步,但我们也要清醒地认识到,我国高端数控技术的研究开发,尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快,但横向比(与国外对比)不仅技术水平有差距,在某些方面发展速度也有差距,即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看,对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。1.技术水平上,与国外先进水平大约落后 1015 年,在高精尖技术方面则更大。2.产业化水平上,市场占有率低,品种覆盖率小,还没有形成规模生产;功能部件专业化生产水平及成套能力较低;外观质量相对差;可靠性不高,商品化程度不足;国产数控系统尚未建立自己的品牌效应,用户信心不足。3.可持续发展的能力上,对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱;数控技术应用领域拓展力度不强;相关标准规范的研究、制定滞后。分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。1.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足;对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足;对我国数控技术应用水平及能力分析不够。2.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多,从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少;没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。3.机制方面。不良机制造成人才流失,又制约了技术及技术路线创新、产品创新,且制约了规划的有效实施,往往规划理想,实施困难。654.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强,核心技术的工程化能力不强。机床标准落后,水平较低,数控系统新标准研究不够。3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考3.1 战略考虑我国是制造大国,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移,即要掌握先进制造核心技术,否则在新一轮国际产业结构调整中,我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价,交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”,而非掌握核心技术的制造中心的地位,这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题,首先从社会安全看,因为制造业是我国就业人口最多的行业,制造业发展不仅可提高人民的生活水平,而且还可缓解我国就业的压力,保障社会的稳定;其次从国防安全看,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质,对我国实现禁运和限制,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。3.2 发展策略从我国基本国情的角度出发,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标,用系统的方法,选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向,即以数控终端产品为主,以整机(如量大面广的数66控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等)带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件(数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等)的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品;当然,没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面,要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合,以“做得出、用得上、卖得掉”为目标,按国家意志实施攻关,以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面,强调创新,强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品,为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。参考文献:1 中国机床工具工业协会 行业发展部.CIMT2001 巡礼J.世界制造技术与装备市场,2001(3):18-20.2 梁训王宣 ,周延佑.机床技术发展的新动向J.世界制造技术与装备市场,2001(3):21-28.3 中国机床工具工业协会 数控系统分会.CIMT2001 巡礼J.世界制造技术与装备市场,2001(5):13-17.4 杨学桐,李冬茹,何文立,等?距世纪数控机床技术发展战略研究M.北京:国家机械工业局,200067附录 2 外文原文Numerical control technology and equipment trend of development and countermeasure For mechanical paperThe equipment industry technical level and the modernized degree were deciding the entire national economy level and the modernized degree, the numerical control technology and the equipment are the development emerging high technology and new technology industry and the state-of-art industry (for example defense industry industries and so on information technology and industry, biological technology and industry, aviation, astronautics) enables the technology and the most basic equipment. Marx had said “each kind of economical time difference, does not lie in produces any, but how lies in produces, with any means of labor production”. The technique of manufacture and the equipment is the humanity produces active the most basic producer goods, but the numerical control technology also is advanced now the technique of manufacture and the equipment most core technology. Now the various countries manufacturing industry widely uses the numerical control technology, sharpens the manufacturing capacity and the level, enhances to the dynamic changeable market adaptiveness and competitive ability. In addition in the world various industries developed country also lists as the national strategic resources the numerical control technology and the numerical contro
收藏