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山东科技大学学士学位论文摘 要钣金业在我国正处于蓬勃发展的时期，它相较于其他加工制造业来说仍然属于一个门槛较低利润较高的行业。然而，近几年来随着劳动力成本不断上升，特别是在今年出现了严重的用工荒问题。要想让冲裁行业继续保持健康的发展势头，必须改善加工设备，购买高档数控产品。但是，目前国内使用的设备大多数是国产普通冲床或是经改造后的简易数控冲床，这些设备显然已经不能满足企业的需求了。目前我国许多机床厂家都能够生产数控冲床，但其价格昂贵，且其关键零部件基本上依赖于进口。因此我国机床厂家目前迫切需要开发出自己的产品以迎合市场的需求，帮助下游产业提高生产效率，降低生产成本。同时，也为自己的持续发展注入活力。其中开发转塔式数控冲床的一项关键技术是“数控转塔冲床转塔系统设计与分析”。因此开发出适用于钣金业生产的转塔系统具有重要的现实意义与广阔的应用前景。此课题正是在这种形式下为满足企业的需求而提出的。 本课题最终要实现的目标是：根据数控转塔式冲床的需要设计一种转塔轮盘系统，满足定位、夹紧、旋转的要求。该系统设计完成后要通过PRO/E软件建出实体模型，再通过ANSYS分析软件作进一步的分析，或者进一步做出系统的仿真。能够达到符合要求的运动轨迹，并且可以满足转塔冲床的加工精度及速度要求。关键词：数控转塔冲床；冲裁；PRO/E建模；有限元分析AbstractAt present, sheet metal industry is growing vigorously. Compared to other manufacture, it benefits from its low manufacturing cost but high profit. However, with the rising of labor cost, especially because of the severe problem of labor shortage in this year, it is quite necessary to perfect processing equipments and high-grade NC products in order to keep the cutting industry having a good developing momentum. But now, most of the punches being used at home are made in China or only simple NC punches being transformed, while these equipments can not meet the need of enterprises.Currently, though many domestic manufacturers of machine tools are capable of producing NC punches, yet the producing price is very expensive and the key components have to rely on importing. Therefore, domestic manufacturers of machine tools should develop their own products to meet the need of the market, help downstream industry improve productivity and cut manufacturing cost and also keep the vitality of the enterprises. One key technology of developing CNC turret punches is “the design and analysis of turret system for CNC turret punches”. With the wide perspective and practical significance, it is indispensable to develop turret systems which are suitable for the production of sheet metal. Therefore, the project of this paper is put forward according to present situation.It is suggested to establish a real model through PRO/E after finishing this design, and then to make a more precise analysis through the finite element analysis soft called ANSYS or to make a artifical system progressively .This can meet the demands of the moving trace and meets the needs of the Turret punchs precision after processing and the speed.Keywords: CNC turret punches; blanking; PRO/E modeling; finite element analysis目 录摘要.IAbstractII1 序论.1第一章 绪 论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，是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，是国防现代化的重要战略物质，是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业。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，提高对动态多变的市场的适用能力和竞争能力。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。此外，世界上各工业发达国家还将数控技术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。根据国民经济发展和国家重点建设工程的具体需求，设计制造“高、精、尖”重大数控装备，打破国外封锁，掌握数控装备关键技术，创出中国数控机床品牌，提高市场占有率是全面提升我国基础制造装备的核心竞争力的关键所在。1、1 数控技术和数控机床数字控制（Numerical ControlNC），简称数控，是一种自动控制技术，使用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法，它是综合应用了计算机技术、自动控制技术、测试技术及机械制造等方面的新技术而发展起来的一门综合性科学。最初的数控技术是从硬件数控开始，随着微型计算机的发展，硬件数控已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控（Computer Numerical Control），简称CNC，这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机代替原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存储、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。数控机床是典型的数字化控制设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成，如图1-1所示。它通过信息载体，将设计好的数控加工工步、加工路线、切削用量、行程等工艺过程以数控代码的形式传递给计算机，由计算机进行编译、数据处理，发出各种控制信号，并通过伺服系统控制机床动作。数控机床按机床的运动轨迹分类可分为：点位控制系统、直线切削控制系统以及连续切削控制系统，数控冲床属于典型的点位控制系统。信息载体计算机数控系统伺服系统机床图1-1 数控机床组成1、2 数控转塔冲床的分类按驱动击打头的工作原理来说，数控转塔冲床主要可分为三大类：1）机械驱动数控转塔冲床这是数控转塔冲床发展最早的一类机床，现在仍有一些厂家在生产和使用。典型代表有村田机械（MURATEC）的C系列、天田公司（AMADA）的ARIES系列、PEGA系列、COMA系列等。这类数控转塔冲床是通过一个主电机带动飞轮旋转，利用飞轮的惯性进行冲压，由离合器进行冲压控制。这类机床优点是结构简单，产品价格低，性能稳定；这类机床也存在着效率较低、不适宜成型冲压、耗电量较大、冲压噪音大等缺点。2）液压驱动数控转塔冲床 随着技术的发展，出现了液压式数控转塔冲床。这类机床由于其自身的许多优点，得到了广泛的应用。这类机床的典型代表有村田机械（MURATEC）的V系列、天田公司（AMADA）的VIPROS系列、通快公司（TRUMPF）的TC系列等。这类机床通过液压缸驱动击打头，由电液伺服阀进行冲压控制。所以在冲压速度上有了飞跃式的提升。主要优点表现在加工效率高、冲压噪音小等；但同时也存在多种不足，如对环境要求较高、耗电量大、维护困难、占地面积大等缺点。3）伺服电机驱动数控转塔冲床由于上述两类机床存在着种种不足，各厂家又开发出了第三代数控转塔冲床。这就是由伺服电机直接驱动的数控转塔冲床。这其中的典型代表就是村田公司的M2044EZ及M2048LT。相对液压式机床而言，其主要优点表现在机床结构紧凑、耗电量少、没有更换液压用油的烦恼，而且非常环保、噪音小、对环境要求低等。1、3 国内外数控冲床技术发展概况随着计算机技术的高速发展，传统的制造业发生了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专有型封闭开环控制模式向通用型开放实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制。加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控集成为一体，机床联网，实现了中央集成控制的群控加工。国外于1932年就生产出了常规电控的简易型冲模回转头压力机，直到1955年才开发出第一台NC数控转塔冲床，1970年又开发出来第一台CNC数控转塔冲床。之后随着数控技术的不断发展，数控转塔冲床也有了很大发展，性能不断提高，功能逐渐增强。目前，德国、日本和美国等发达国家数控转塔冲床的使用已非常普遍。随着当今制造业灵活快速制造的发展，数控转塔冲床也向着具有多种复合功能，更加稳定可靠，具有更大柔性，适用多品种小批量的方向发展。目前，世界上生产的数控转塔冲床的主要厂商大约有十余家，例如：美国的STRIPPIT公司，日本的AMADA，德国的TRUMPF，瑞士的RASKIN，瑞典的PULLMAX，芬兰的FINN-POWER公司等。数控转塔冲床在我国的研究起步比较晚，随着中国钣金业的蓬勃发展和国外高端技术的引进，越来越多的生产厂家掌握了数控冲床设计、制造技术，并转化为产品进入市场。目前，国内有能力提供4轴及以上数控冲床的企业主要包括济南捷迈，江都亚威，扬州的杨力和金方圆等。虽然国内的转塔冲床得到了很大的发展，但是和发达国家相比还比较落后，很多关键技术如数控系统、大功率伺服电机等还依赖于进口。课题设计的数控转塔冲床为伺服电机驱动式数控冲床，主轴采用伺服电机带动正弦机构，使滑块上下往复运动，冲击上转塔盘上所选定的上模而对板材进行冲裁加工，正弦机构可以有效地扩大伺服电机带动冲头的冲击力。上、下转盘由伺服电机经链轮链条同步带动。板料的移动可由滑动夹钳来完成，X、Y轴方向的运动是由伺服电机、滚珠丝杆副等驱动而实现。1、4 课题来源与现实意义数控冲床的应用范围相当广泛，几乎涉及到当今制造业的方方面面。从传统的电气开关柜、纺织机械、机床、电梯、空调、制冷设备、军事装备，到通讯柜、计算机、办公设备、家具、灯具、汽车、收割机械、航空航天、太阳能设备、环保设备、装修装饰等等。据统计，2004年国内新增数控冲床约800台，2005年新增数控冲床约950台，2006年新增数控冲床约1100台，2007年新增数控冲床约1250台，2008年新增数控冲床约1400台，可见企业对数控冲床的需求量不断增大。随着我国汽车工业的快速发展，加上新兴电子工业的强劲发展，为数控机床的发展提供了广阔的战场。虽然目前我国许多机床厂家都能够生产数控冲床，但其价格昂贵，且其关键零部件基本上依赖于进口。我国机床厂家目前迫切需要开发出自己的产品以迎合市场的需求，帮助下游产业提高生产效率，降低生产成本。同时，也为自己的持续发展注入活力。其中开发转塔式数控冲床的一项关键技术是“数控转塔冲床转塔系统设计与分析”。因此开发出适用于钣金业生产的转塔系统具有重要的现实意义与广阔的应用前景。此课题正是在这种形式下为满足企业的需求而提出的。1、5 研究内容本课题最终要实现的目标是：根据数控转塔式冲床的需要设计一种转塔轮盘系统，满足定位、夹紧、旋转的要求。该系统设计完成后要通过PRO/E软件建出实体模型，再通过ANSYS分析软件作进一步的分析，或者进一步做出系统的仿真。能够达到符合要求的运动轨迹，并且可以满足转塔冲床的加工精度及速度要求。本课题研究的主要内容安排如下：第一部分，主要研究数控机床技术的现状和发展状况，明确本课题的来源以及主要研究内容。第二部分，设计数控转塔冲床转塔系统的硬件部分，了解数控转塔系统的工作原理，以及设计的主要技术要求，做出该系统的总体设计方案。第三部分，CAD设计过程，运用Pro/E软件建立数控转塔冲床转塔系统的硬件模型，以及运动的仿真。检验自己所设计的转塔轮盘满足实际要求。第四部分，CAE分析过程，运用ANSYS软件对关键部分进行力学分析，检验自己所设计的转塔轮盘满足各项力学性能要求。第五部分，对所做的工作总结，提出了进一步的研究方向。第二章 数控转塔冲床转塔系统硬件设计随着数控技术的不断进步，在钣金加工领域，数控转塔冲床不但得到越来越广泛的应用，而且在结构、功能和性能上也取得了很大发展。本章就数控转塔冲床的转塔系统的硬件部分，进行详细的介绍和说明。2、1 数控转塔冲床的转塔及传动机构 转塔既相当于数控转塔冲床的刀具库，又相当于数控转塔冲床的自动选模机械手，转塔部件设计质量的好坏及传动精度，极大地影响数控转塔冲床的整体性能。该系统包括床身、上转塔、下转塔和转塔驱动机构，每套模具的上下模对应设置于上转塔、下转塔上，上转塔、下转塔分别通过上转塔座、下转塔座设置在床身上。转塔盘需要靠伺服电机供给一定形式的能量才能工作，两者之间往往需要加入传递动力和改变运动状态的传动装置。根据机械设计所学知识，传动的方式主要有：带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动。依据各种传动方式的特点和转塔盘的实际工作需求，链传动和同步带传动这两种方案均可满足要求，分析如下：方案一为链传动：在所述的上转塔、下转塔塔盘的轴上分别安装有相同的大链轮，床身上转动连接有传动轴，传动轴的两端分别设有相同的小链轮，该轴的上端通过联轴器与伺服电机相连接，为该传动系统提供动力，如图2-1所示。链传动是一种挠性传动，它由链条和链轮组成。通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力。与摩擦型的带传动相比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高；又因链条不需要像带那样张的很紧，所以作用于轴上的径向压力较小；链条采用金属材料制造，在同样的使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构较为紧凑；同时，链传动能在高温和潮湿的环境中工作。与齿轮传动相比，链传动的制造和安装精度较低，成本也低。在远距离传动时，其结构比齿轮结构轻便的多。链传动主要用在工作可靠，两轴相距较远，低速重载，工作环境恶劣，以及其他不宜采用齿轮传动的场合。图2-1 数控转塔系统的一种传动方式1-伺服电机 2-小链轮 3-大链轮 4-下转塔盘5-转塔定位气缸 6-上转塔盘 7-单向推力轴承 8-传动链方案二为同步带传动：分别将方案一中的链轮和链条换为同步带轮和同步带即可。同步带传动也称作为啮合型带传动。它通过传动带内表面上等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合来传递动力。与摩擦型带传动相比，同步带传动的带轮和传动带之间没有相对滑动，能够保证严格传动比。但同步带传动对中心距及其尺寸稳定性要求较高。考虑到该系统的尺寸结构以及成本等方面的原因，本设计采用链传动。2、2 滚子链传动的设计计算2、2、1 链传动的参数选择（1）链轮齿数小链轮齿数z1少，可减小外廓尺寸，但齿数过少，会增加运动的不均匀性和动载荷；链条在进入和退出啮合时，链节间的相对转角增大；链传动的圆周力增大，从总体上加速铰链和链轮的磨损。可见，小链轮的齿数z1不宜过少。链轮的最少齿数zmin=9，一般大于17。小链轮的齿数z1也不宜取的太大。在传动比给定时，z1大，大链轮齿数z2也相应增大，其结果不仅增大了传动的总体尺寸，而且还容易发生跳链和脱链，从另一方面限制了链条的使用寿命。由于链节数通常是偶数，为