铣加工中心换刀机构设计开题报告及文献综述.docx
铣加工中心换刀机构设计含proe三维及6张CAD图
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铣加工中心换刀机构设计含proe三维及6张CAD图,加工,中心,机构,设计,proe,三维,CAD
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一、选题依据1、研究领域加工中心是指备有刀库，具有自动换刀功能，对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。本设计涉及到的研究领域是机电一体化和机构设计内容。2、论文（设计）工作的理论意义和应用价值加工中心是高度机电一体化产品，加工中心集传统的车床、铣床、钻床为一体， 在机械加工方面具有很大的作用，特别是制作零件方面，通过编程来控制加工的速度及进给量，加工出来的零件具有较高的精度，有的还带刀库可自动换刀，工作效率非常高，可以实现自动化、无人化生产操作，能带来可观的经济效益。加工中心它通过刀具的自动交换，可以一次装夹完成多工序的加工，实现了工序的集中和工艺的复合， 从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率，减少了零件安装，定位次数，提高了加工精度。3、目前研究的概况和发展趋势加工中心的工作原理是根据零件图纸制定工艺方案，采用手工或计算机自动编制零件加工程序，把零件所需的机床各种动作及全部工艺参数变成机床的数控装置能接受的信息代码,并把这些代码存储在信息载体(穿孔带、磁盘等)上，将信息载体送到输入装置。读出信息并送入数控装置，或利用计算机和加工中心直接进行通信，实现零件程序的输入和输出进人数控装置的信息经过一系列处理和运算转变为脉冲信号。有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构进行转换和放大，再经过传动机构。驱动机床有关零部件使刀具和工件严格执行零件程序所规定的相应运动还有的信号送到可编程序控制器中用于顺序控制机床的其他辅助动作，实现刀具自动更换。1952 年，麻省理工学院在一台立式铣床上，装上了一套试验性的数控系统，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床。1962 年研制出第一台 5 轴联动加工中心。1967 年，英国首先把几台数控机床连接成具 有 柔 性 的 加 工 系 统 ， 这 就 是 所 谓 的 柔 性 制 造 系 统(FlexibleManufacturingSystem-FMS)之后，美、欧、日等也相继进行开发及应用。 1974 年以后，随着微电子技术的迅速发展，微处理器直接用于数控机床，使数控的软件功能加强，发展成计算机数字控制机床(简称为 CNC 机床)，进一步推动了数控机床的普及应用和大力发展。我国是从 1958 年开始研究数控技术,虽然目前我国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低水平，与国外先进水平相比仍存在着较大的差距。进入 21 世纪，随着数控技术的发展，带有自动换刀系统的加工中心在现代制造业中起着愈来愈重要的作用，对加工中心的需求愈来愈多，它能缩短产品的制造周期， 提高产品的加工精度，适合柔性加工。自动换刀系统一般由刀库、机械手和驱动装置11组成。一般来说，刀库容量可大可小，其装刀数量在 20180 把之间。刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置，供换刀机械手完成新旧刀具的交换。当刀库容量大时，常远离主轴配置且整体移动不易，这就需要在主轴和刀库之间配置换刀机构来执行换刀动作。完成此功能的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。具体来说，它的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的装置，一般由步进电机或液压(或气液机构)或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的刀与主轴上的刀的交换工作。由于数控加工中心的刀库容量、换刀可靠性及换刀速度直接影响到加工中心的效率，而自动换刀就是进一步压缩非切削时间，提高生产效率，改善劳动条件。所以数控机床为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商共同追求的目标，所以向高可靠性方面发展已经不可忽视。为不断满足复杂工件所提出的加工要求,多轴联动加工中心的发展也日新月异。最初的多轴联动加工中心,是在立柱上加一个连续分度头或连续转台来实现四轴联动的,但这不能解决复杂异形件加工的需要,特别是叶片与叶轮，因此五轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。五轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和竞争的焦点。数控系统也有了较快的发展，数控系统的发展具体表现在硬件的不断变革,操作系统的更新也十分迅速,软盘驱动器与显示器的分辨率亦同步提高,系统的可靠性更有较大延长随着网络通信功能的不断增强,加工中心的应用范围将更加广泛。步入 21 世纪，随着我国综合经济实力的快速提高，加工中心市场进入了快速发展期，汽车及其零部件、通用机械、航空航天、模具等各行业对加工中心的需求大幅上升，国产加工中心择优选择国内外数控系统、功能部件等配套件，加快了产业化步伐， 质量大幅度提高，性价比具有优势，逐步得到了国内用户的肯定和认可。同时，企业加大了产品开发研究的资金投入，一批国内急需长期依赖进口的高档加工中心，如高速加工中心、五轴加工中心等取得了突破，有的已进入批量生产。本设计所涉及的换刀机构在加工中心中起着至关重要的作用，随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的各个组成部分提出了更高的性能指标。当今的数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题1) 铣加工中心结构设计方案；2) 换刀机构三维结构设计；3) 换刀机构控制系统设计；4) 换刀机构整套图纸表达。2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）1）查阅相关资料，掌握加工中心及各个部件的工作原理，提出整体设计方案；2）通过对设计进行计算，确定相关设计参数；3）对换刀装置机构进行详细设计；4）针对控制系统进行设计5）编写设计说明书。3.本论文（设计）预期取得的成果通过学习及查阅有关资料掌握加工中心工作原理及整体设计方案。把数控技术和加工中心的知识相结合，设计出符合加工需求的加工中心换刀机构。同时确保加工中心的精度、效率、自动化等综合性得到提高。使换刀机构的换刀时间有所提高，结构简单，精度增加，提高通用性和可靠性，进一步提高自动化的程度，使加工中心性能和复合性都有所提高，并且能够提高其设计价值。最终可以很好的完成设计要求，实现设计目的。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；主要设计参数：X，Y，Z 轴的行程分别是 600，300，400mm；进给精度 0.001mm；X，Y，Z 轴的移动速度分别是 2.5，2，1mm/min；工作台面尺寸 3201000mm；脉冲当量 0.1mm/步；重复定位精度 0.1 mm。1.铣加工中心结构设计方案；2.关键参数计算和选择；3.换刀机构三维设计；4.换刀机构控制系统设计；5.编写设计说明书；6.外文翻译一篇。2.论文（设计）进度计划第 1 周：布置设计任务,明确设计要求；查阅相关资料,了解课题研究领域；第 2 周：撰写开题报告；确定外文翻译文章。第 3 周：修改开题报告，完成文献综述。第 4 周：完成外文翻译，开题答辩。第 5 周：铣加工中心机床结构设计方案；第 6 周：了解换刀机构功能、要求和结构；第 7 周：换刀机构结构三维设计；第 8 周：换刀机构结构三维设计；第 9 周：换刀机构结构三维设计；第 10 周：换刀机构结构三维设计；中期检查；第 11 周：关键参数计算和选择；第 12 周：换刀机构控制系统设计；第 13 周：换刀机构控制系统设计；第 14 周：整理资料，编写设计说明书；第 15 周：修改完善整套设计，评阅，准备答辩；第 16 周：评阅，修改，答辩。四、需要阅读的参考文献1杨仙.数控技术M. 北京，机械工业出版社,2012.2 张玉峰.浅谈我国数控机床的现状与发展趋势J. 金属加工(冷加工). 2010(21)3龚仲华.现代数控机床设计典例M. 北京，机械工业出版社,2014.4 韩越梅.加工中心自动换刀装置的研究进展J. 装备制造技术. 2010(05)5 李加明,陶卫军,冯虎田.自动换刀装置发展现状及其关键技术J. 机床与液压2013(05)6魏杰.数控机床结构M.北京，化学工业出版社,2009.7文怀兴.数控机床系统设计M. 北京，化学工业出版社,2011.8李宗斌.加工中心换刀机械手的设计与计算J.组合机床与自动化加工系统,19（12）:2-79刘延俊,关浩，周德繁.液压与气压传动M.北京，高等教育出版社,2007.10张祺,侯力,刘松等.加工中心换刀机械手控制系统研究J.组合机床与自动化加工技术,2010（8）：42-44.11 李加明,陶卫军,冯虎田.自动换刀装置发展现状及其关键技术J.机床与液压. 2013(05)12张建民.机电一体化系统设计M. 北京，高等教育出版社,2014.13 李艳生,张延恒,孙汉旭,赵顺利.自动换刀装置动态特性测试技术研究及实现J. 振动.测试与诊断. 2014(02).14 高永强,李全普,李凯.加工中心机械手换刀与主轴凸轮松刀的联动技术J. 制造技术与机床. 2011(12)15 李加明,陶卫军,冯虎田.自动换刀装置发展现状及其关键技术J. 机床与液压. 2013(05)16 Mutellip Ahmat,Iliham Abduruyim.THE MODELING AND ANALYSIS OFGEOMETRIC ERRORFOR MACHINING CENTER BY HOMOGENEOUSCOORDINATE TRANSFORMATION METHOD J. University,21，2006.17 Jui-Pin Hung,Yuan-Lung Lai,Ching-Yuan Lin,Tzu-Liang Lo.Modeling the machining stability of a vertical milling machine under the influence of the preloaded linear guideJ. International Journal of Machine Tools and Manufacture . 2011 (9)附：文献综述文献综述一、概述数字控制是 20 世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法。采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床加工中心（MachiningCenter,简称 MC）。加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求而发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现在控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可以在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工。由于加工中心能集中完成多种工序， 因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床 34 倍，达 80%以上。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度的综合性机床。随着电子技术的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，加工中心的功能日趋完善，这些功能包括：刀具寿命的监视功能，刀具磨损和损伤的监视功能， 切削状态的监视功能，切削异常的监视、报警和自动停机功能，自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等。加工中心还与载有随行夹具的自动托板进行有机连接，并能进行切屑自动处理，使得加工中心成为柔性制造系统、计算机集成制造系统合自动化工厂的关键设备和基本单元。二、数控加工中心的基本组成和工作原理加工中心自问世至今世界各国出现了各种类型的加工中心，虽然外形结构各异，但从总体来看主要由以下几大部分组成。（1）基础部分：由床身、立柱和工作台等大件组成，它们是加工中心结构中的基础部件。这些大件有铸铁件，也有焊接的钢结构件，它们要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负荷，因此必须具备更高的静动刚度，也是加工中心中质量和体积最大的部件。（2）主轴部件：由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启动、停止等动作和转速均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具进行切削。主轴部件是切削加工的功率输出部件，是加工中心的关键部件，其结构的好坏，对加工中心的性能有很大的影响。（3）数控系统：加工中心的数控系统由 CNC 装置，可编程序控制器，伺服驱动系统以及面板操作系统组成。它是执行顺序控制动作和加工过程的控制中心。CNC 装置是一种位置控制系统，其控制过程是根据输入的信息进行数据处理，插补运算以获得理想的运动轨迹信息，然后输出到执行部件，加工出所需要的工件。（4）自动换刀装置（ATC）：换刀系统主要由刀库，机械手等部件组成。如需要更换刀具时，数控系统发出指令后，由机械手从刀库中取出相应的刀具装入主轴孔内， 然后再把主轴上的刀具送回到刀库完成整个换刀动作（5）辅助装置：包括润滑，冷却，排屑，防护，冲压，气动和检测系统等部分。这些装置虽然不直接参与切削运动，但是加工中心不可或缺的部分。对加工中心的加工效率，加工精度和可靠性起着保障作用。加工中心的工作原理是根据零件图纸制定工艺方案，采用手工或计算机自动编制零件加工程序，把零件所需的机床各种动作及全部工艺参数变成机床的数控装置能接受的信息代码,并把这些代码存储在信息载体(穿孔带、磁盘等)上，将信息载体送到输入装置。读出信息并送入数控装置，或利用计算机和加工中心直接进行通信，实现零件程序的输入和输出进人数控装置的信息经过一系列处理和运算转变为脉冲信号。有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构进行转换和放大，再经过传动机构。驱动机床有关零部件使刀具和工件严格执行零件程序所规定的相应运动还有的信号送到可编程序控制器中用于顺序控制机床的其他辅助动作，实现刀具自动更换。三、数控机床的发展现状数控机床是当代机械制造业的主流装备，国产数控机床的发展经历了30年跌宕起伏，已经由成长期进入了成熟期，可提供市场1,500种数控机床，覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域，产品种类可与日、德、意、美等国并驾齐驱。特别是在五轴联动数控机床、数控超重型机床、立式卧式加工中心、数控车床、数控齿轮加工机床领域部分技术已经达到世界先进水平。其中， 五轴(坐标)联动数控机床是数控机床技术的制高点标志之一。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于2 台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。国产五轴联动数控机床品种日趋增多，国际强手对中国限制的五轴联动加工中心、五轴数控铣床、五轴龙门铣床、五轴落地铣镗床等均在国内研制成功，改变了国际强手对数控机床产业的垄断局面。从技术发展水平来看。随着“高档数控机床与基础制造装备重大专项”重点任务陆续完成，我国国产机床数控化率由“十五”末的35.5%提高到“十一五”末的51.9%。我国在数控系统方面已经开发出多轴多通道、总线式高档数控装置产品。武汉华中数控股份有限公司、沈阳高精数控技术有限公司等单位已完成50多套开放式全数字高档数控装置的生产。国产数控机床产品覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域。特别是在五轴联动数控机床、数控超重型机床、立式卧式加工中心、数控车床、数控齿轮加工机床领域，部分技术已经达到世界先进水平。国产五轴联动数控机床品种日趋增多，五轴联动加工中心、五轴数控铣床、五轴龙门铣床、五轴落地铣镗床等均在国内研制成功，改变了国际强手对数控机床产业的垄断局面，加速了我国从机床生产大国走向机床制造强国的进程。从市场需求情况来看。目前中国是世界上最大的数控机床进口国和消费国，2010 年，中国机床消费同比增长43%，达到284.8亿美元，进口约为94亿美元，中国成为世界第一大机床消费国。虽然“十一五”期间机床行业实现了较快发展，但高档数控机床产值仅约占金属加工机床行业产值的1015%，面对巨大的消费市场，国内机床生产企业的生产能力无法满足迅速膨胀的市场需求，多数高档数控机床产品仍需大量从国外进口。国外数控机床技术发展较早，其发展现状可概括为以下几点：（1）高速高精与多轴加工成为数控机床的主流，纳米控制已经成为高速高精加工的潮流。（2）多任务和多轴加工数控机床越来越多地应用到能源、航空航天等行业。（3）机床与机器人的集成应用日趋普及，且结构形式多样化，应用范围扩大化，运动速度高速化，多传感器融合技术实用化，控制功能智能化，多机器人协同普及化。（4）智能化加工与监测功能不断扩充，车间的加工监测与管理可实时获取机床本身的状态信息，分析相关数据， 预测机床的状态，提前进行相关的维护，避免事故的发生，减少机床的故障率，提高机床的利用率。（5）最新的机床误差检测与补偿技术能够在较短的时间内完成对机床的补偿测量，与传统的激光干涉仪相比，对机床误差的补偿精度能够提高34倍，同时效率得到大幅度提升。（6）最新的CAD/CAM技术为多轴多任务数控机床的加工提供了强有力的支持，可以大幅度提高加工效率。（7）刀具技术发展迅速，众多刀具的设计涵盖了整个加工过程，并且新型刀具能够满足平稳加工以及抗振性能的要求。四、数控机床的发展趋势今后世界上数控机床将以较高的速度发展，在金切机床中几乎所有品种均可实现数控化；数控系统向高度集成(采用 64 位 CPU)、高分辨率(0.1um)、小型化方向发展I 加工中心的定位精度在 5tun 以内，主轴转速达 1 万转min 以上，最高迭 45 万转min，快速进给速度达 lOOmmin。机械加工向工序复合化、智能化方向发展。未来工厂将广泛应用数控机床、柔性加工单元和柔性加工生产线，最终实现计算机集成制造系统。工厂可以灵活地根据用户需要，在短时间内设计、制造出全新的产品，实现更高精度、效率和效益。1、高精度化。国外效控系统的设定单位由 1um 发展到 0.1um 和 0.01um。1992 年7 月，日本 FANUC 公司在庆祝该公司成立二十周年的新成果展示会上，展示了实现纳米加工的整套技术，实现了 0.001um脉冲的控制系统，能牍利执行每个脉冲当量为0001um 的伺服单元，伺服电机、气浮丝杠、气浮主轴等部件，能检测纳米级精度的高精度检测反馈系统。据资料介绍，这是世界上第一个真正实现纳米加工的成套技术。2、高速化。快速行程已从 24mmin 提高到 240mmin(当设计单位为 1um 时)， 加工中心的切削进给速度可达 10mmin 以上。数控系统已从 16 位微机发展到 32 位、64 位机，或用 40 多个 CPU 的结构。FANUC 公司开发的 15B 数控系统就采用了 64 位微机的 RISC 技术(压缩、优化程序、消除跟踪误差)。3、高可靠性。FANUC 公司的计算机数控系统的平均无故障工作时 (MTBF)是 0.01 次月台，即实现了 100 个月里出现一次故障的高可靠性 t 从而使机器人也实现了0.013 次月台的高可靠性(另一种说法是国外数控系统的 MTBF 在 1 万小时以上)。4、系统化。在新厂筹建和老厂扩建过程中，人们已注意到了耍在系统工程观念指导下来添置数控机床、柔性加工单位及柔性制造系统、机器人等机电一体化产品。德国的维勒尔公司已经给世界各国提供了上百条柔性制造系统。FANUC 公司还在筑波科学城中按计算机集成制造系统(O1MS)的五层结构建成 CIMS 模式的工厂。富士通公司建立了绍津 CIMS 工厂，富士电机也建立了吹上 C1MS 工厂德国的西门子公司建立了 CIMS 数控系统制造厂。5、微型化。FANUC 公司由于采用了 64 位傲处理嚣、RISC 技术、SMT 技术(表面涂装技术)，用液晶显示器代替 CRT 及三维立体安装等新技术已将 16、18 等新数控系统鳍小到原有数控系统的 1/3。同时，已开始与其
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