1、華中科技大學(xué)開 題 報(bào) 告題目：面向箱體加工的FMS中四軸加工中心的刀庫院系：機(jī) 械 學(xué) 院專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化姓名：葉進(jìn)學(xué)號(hào)：012005028316指導(dǎo)老師：張芬2009 年 3 月18 日.1 選題背景1.1 課題研究的目的和意義：課題來源于實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的一個(gè)研究分支， 目的是通過本次的設(shè)計(jì)工作， 能夠在對面向箱體加工的 FMS應(yīng)用的四軸加工中心的了解的基礎(chǔ)上， 實(shí)現(xiàn)對加工中心刀庫的設(shè)計(jì)，并與同組人的對主軸部件、工作臺(tái)、夾具的設(shè)計(jì)相應(yīng)，最終設(shè)計(jì)出整個(gè)機(jī)床。1.2 柔性制造技術(shù)產(chǎn)生的背景對于大批量、少品種的情況，一般采用自動(dòng)流水線，包括物流設(shè)備和相對固定的加工工藝， 這可稱為固定自動(dòng)

2、化方式。自動(dòng)流水線通常相當(dāng)昂貴， 設(shè)備基本固定，不靈活，只能加工一個(gè)零件，或者幾個(gè)相互類似的零件。如果要改變產(chǎn)品的品種，自動(dòng)流水線要作較大的改動(dòng)，在投資和時(shí)間方面的耗費(fèi)很大。自動(dòng)流水線的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率很高， 由于設(shè)備是固定的， 所以設(shè)備利用率也很高， 缺點(diǎn)是成本高，不具有靈活性。對于小批量、 多品種的情況， 一般可采用單臺(tái)數(shù)控 (NC)機(jī)床。它可提供加工一族產(chǎn)品系列的靈活性。 從一種類型的零件轉(zhuǎn)換到另一種類型的零件， 不需要改變機(jī)床硬件，僅需要改變控制程序 (NC 程序 ) 及夾具刀具。 NC機(jī)床加工產(chǎn)品生產(chǎn)率低，成本高；優(yōu)點(diǎn)是靈活性較大。對于中等批量、中等品種的情況， 就要考慮一個(gè)折中方案。

3、在金屬品制造中，中等批量、中等品種的情況是最主要的一種情況。 根據(jù)美國統(tǒng)計(jì)資料， 在金屬加工工業(yè)中，這類情況約占 75。因此如何解決這種情況下的制造問題，是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題。 如果采用以上兩種較為傳統(tǒng)的方式， 將會(huì)產(chǎn)生如下一系列不利情況：1. 機(jī)床利用率太低；2. 加工時(shí)間增長；3. 中間緩沖庫存增大；4. 刀具利用率太低；5. 車間空間利用率太低等；這些因素都將導(dǎo)致成本的提高。因此，結(jié)合自動(dòng)流水線與 NC機(jī)床的特點(diǎn)，將 NC機(jī)床與物料料輸送設(shè)備通過計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來，形成一個(gè)系統(tǒng)，來解決中等批量、中等品種的問題。這就形成了所謂“柔性制造系統(tǒng)” (FMS)。可以講， FMS是 NC機(jī)床或設(shè)備自動(dòng)

4、化的延伸。柔性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、 物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)。由加工、物流、信息流三個(gè)子系統(tǒng)組成。采用 FMS的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果是： 能按裝配作業(yè)配套需要， 及時(shí)安排所需零件的加工，實(shí)現(xiàn)及時(shí)生產(chǎn)， 從而減少毛坯和在制品的庫存量， 及相應(yīng)的流動(dòng)資金占用量，縮短生產(chǎn)周期；提高設(shè)備的利用率，減少設(shè)備數(shù)量和廠房面積；減少直接勞動(dòng)力，在少人看管條件下可實(shí)現(xiàn)晝夜 24 小時(shí)的連續(xù)“無人化生產(chǎn)”；提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。在這種背景下，柔性制造系統(tǒng)誕生了。1.3 柔性制造技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài);.按規(guī)模大小 FMS可分為如下 4 類：1. 柔性制造

5、單元 (FMC)；2. 柔性制造系統(tǒng) (FMS)；3. 柔性制造線 (FML)；4. 柔性制造工廠 (FMF)。FMS關(guān)鍵技術(shù)1. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)2. 模糊控制技術(shù)3. 人工智能、 專家系統(tǒng)及智能傳感器技術(shù)4. 人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)柔性制造系統(tǒng)未來將向發(fā)展各種工藝內(nèi)容的柔性制造單元和小型 FMS；完善FMS的自動(dòng)化功能；擴(kuò)大 FMS完成的作業(yè)內(nèi)容，并與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造技術(shù) (CAD/CAM)相結(jié)合，向全盤自動(dòng)化工廠方向發(fā)展。1.FMC將成為發(fā)展和應(yīng)用的熱門技術(shù)這是因?yàn)?FMC的投資比 FMS少得多而 經(jīng)濟(jì)效益相接近，更適用于財(cái)力有限的中小型 企業(yè) 。目前國外眾多廠家將 FMC列為發(fā)展之重

6、。2. 發(fā)展效率更高的 FML多品種大批量的生產(chǎn)企業(yè)如汽車及拖拉機(jī)等工廠對 FML 的需求引起了FMS制造廠的極大關(guān)注。采用價(jià)格低廉的專用數(shù)控機(jī)床替代通用的加工中心將是 FML的發(fā)展趨勢。3. 朝多功能方向發(fā)展由單純加工型 FMS進(jìn)一步開發(fā)以焊接、裝配、檢驗(yàn)及鈑材加工乃至鑄、鍛等制造工序兼具的多種功能FMS。FMS是實(shí)現(xiàn)未來工廠的新穎概念模式和新的發(fā)展趨勢，是決定制造企業(yè)未來發(fā)展前途的具有戰(zhàn)略意義的舉措。目前反映工廠整體水平的FMS是第一代 FMS，90 年代此種狀況仍將會(huì)持續(xù)下去，日本從 1991 年開始實(shí)施的“智能制造系統(tǒng)”(IMS) 國際性開發(fā)項(xiàng)目， 屬于第二代 FMS；而真正完善的第二

7、代FMS預(yù)計(jì)至 21 世紀(jì)才會(huì)實(shí)現(xiàn)。 屆時(shí)，智能化機(jī)械與人之間將相互融合、柔性地全面協(xié)調(diào)從接受訂單貨至生產(chǎn)、銷售這一企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的全部活動(dòng)。80 年代中期以來， FMS獲得迅猛發(fā)展，幾乎成了生產(chǎn)自動(dòng)化之熱點(diǎn)。一方面是由于單項(xiàng)技術(shù)如NC加工中心、 工業(yè)機(jī)器人、 CAD/CAM、資源管理及高度技術(shù)等的發(fā)展，提供了可供集成一個(gè)整體系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)；另一方面，世界市場發(fā)生了重大變化，由過去傳統(tǒng)、相對穩(wěn)定的市場，發(fā)展為動(dòng)態(tài)多變的市場，為了從市場中求生存、求發(fā)展，提高企業(yè)對市場需求的應(yīng)變能力，人們開始探索新的生產(chǎn)方法和經(jīng)營模式。近年來，F(xiàn)MS作為一種現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的科學(xué) “哲理”和工廠自動(dòng)化的先進(jìn)模式已為國

8、際上所公認(rèn)，可以這樣認(rèn)為： FMS是在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的基礎(chǔ)，將以往企業(yè)中相互獨(dú)立的工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造及經(jīng)營管理等過程， 在計(jì)算機(jī)及其軟件的支撐下，構(gòu)成一個(gè)覆蓋整個(gè)企業(yè)的完整而有機(jī)的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)全局動(dòng)態(tài)最優(yōu)化，總體高效益、高柔性，并進(jìn)而贏得競爭全勝的智能制造系統(tǒng)。 FMS作為當(dāng)今世界制造自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的前沿 科技，為未來機(jī)構(gòu)制造工廠提供了一幅宏偉的藍(lán)圖，將成為 21 世紀(jì)機(jī)構(gòu)制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式。;.1.4 加工中心概述加工中心（ Machining Center） 是數(shù)控機(jī)床中典型機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品，同時(shí)又是先進(jìn)制造技術(shù)不可缺少的工藝設(shè)備。 它綜合了微電子， 計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制

9、，精密測量、機(jī)床制造等方面技術(shù)及相關(guān)配套的最新成就， 是當(dāng)代機(jī)床工業(yè)發(fā)展方向和先進(jìn)生產(chǎn)力的標(biāo)志，多坐標(biāo)（ 5 坐標(biāo)）以上聯(lián)動(dòng)的加工中心還是重要的戰(zhàn)略物資。加工中心是一種工序幾種，工藝復(fù)合的數(shù)控機(jī)床。他集銑床、鉆穿、和鏜床的加工功能與一體， 在加工過程中能夠自動(dòng)更換刀具，對一次裝夾的工件， 完成銑、鉆、鏜、擴(kuò)、鉸、攻螺紋和車螺紋等加工工序。工件經(jīng)一次裝夾后， 數(shù)字控制系統(tǒng)能控制機(jī)床按不同工序， 自動(dòng)選擇和更換刀具，自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、 進(jìn)給量和刀具相對工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其他輔助機(jī)能，依次完成工件幾個(gè)面上多工序的加工。加工中心與專用機(jī)床和組合機(jī)床的區(qū)別是：用加工中心加工零件時(shí)，當(dāng)需要更換零件時(shí)，只

10、需改變加工程序和刀輔具即可進(jìn)行生產(chǎn)，用這種設(shè)備加工零件，屬于柔性化生產(chǎn)方式， 它適合于多品種小批量的生產(chǎn)和新產(chǎn)品的試制；用機(jī)床和組合機(jī)床加工零件幾乎要更新全部的工藝裝備，屬于剛性生產(chǎn)方式， 不能實(shí)現(xiàn)多品種小批量的柔性化生產(chǎn)。由于加工中心具有高效率、高質(zhì)量、高柔性、低勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，因此得到機(jī)械制造業(yè)的歡迎， 銷路十分驚人， 并引起工業(yè)化國家的高度重視， 紛紛出臺(tái)有關(guān)政策，鼓勵(lì)扶持?jǐn)?shù)控機(jī)床、 加工中心的發(fā)展。 隨著以銑床為基礎(chǔ)的加工中心的出現(xiàn)，以臥式鏜床和坐標(biāo)鏜床為基礎(chǔ)的加工中心也得到迅速的發(fā)展。;.1.4.1 加工中心的分類世界上生產(chǎn)的加工中心約有 1000 多個(gè)品種規(guī)則，尚無統(tǒng)一的分類方法。

11、習(xí)慣上的分類方法大致有兩種， 一種是按工藝用途進(jìn)行分類， 另一種是結(jié)合工藝用途，按機(jī)床總體布局進(jìn)行分類1.）按工藝用途分類大致可分為鏜銑加工中心、鉆削加工中心、車削加工中心、激光加工中心、復(fù)合加工中心和板金加工中心 6 大類2.）按機(jī)床布局進(jìn)行分類大致可分為立式加工中心、臥式加工中心、大型加工中心、車削加工中心、柔性加工單元、柔性生產(chǎn)線和柔性加工系統(tǒng) 6 類1.4.2加工中心構(gòu)成一臺(tái)加工中心是由機(jī)床（機(jī)械部分）和控制系統(tǒng)（電氣部分）兩部分組成，機(jī)床是加工中星的主體，控制系統(tǒng)是加工中心的核心。加工中心的主機(jī)通常是由三大基礎(chǔ)部件組（床身、立柱和工作臺(tái)）和主軸部件、刀具存儲(chǔ)自動(dòng)交換系統(tǒng)（ ATC）及

12、其它輔助功能部件組成。有的加工中心還具有托盤（工作臺(tái)）自動(dòng)交換系統(tǒng)（ APC）。1.5 四軸加工中心在FMS中的應(yīng)用 ：作為單機(jī)使用的普通加工中心，是在操作人員的管理下運(yùn)行的，操作人員不僅要裝夾和校正工件、 輸入數(shù)控程序、 配備切削刀具， 還要密切注視加工過程中的機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)、 刀具狀態(tài)、加工質(zhì)量狀態(tài)。 普通加工中心要求操作人員進(jìn)行這類干預(yù)，因此不適應(yīng)柔性制造自動(dòng)化系統(tǒng)的需要。加工中心的如下功能對FMS的設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行效果有重要影響：1. 刀具儲(chǔ)存和自動(dòng)換刀加工中心的固定刀庫具有自動(dòng)換刀功能。加工中心的固定刀庫有四種常見形式 : 盤式刀庫，鏈?zhǔn)降稁?，盒式刀庫，架式刀庫?. 工件自動(dòng)交換把加工

13、的工件從加工中心伴奏， 吧待加工的工件送給加工中心， FMS的這種工具愛你交換作業(yè)是由設(shè)備自動(dòng)完成的。為了支持工件自動(dòng)交換，加工中心的工作臺(tái)上安裝了一套自動(dòng)夾具。3. 接觸傳感器由于加工中心經(jīng)常交換刀具，所以采用非接觸電磁感應(yīng)方式來傳送觸發(fā)信號(hào)。接觸傳感器可完成如下作業(yè)：工件自動(dòng)找正，刀具破損檢測。4. 加工尺寸檢測與自動(dòng)補(bǔ)償給加工中心增加自動(dòng)檢測補(bǔ)償功能， FMS的零件加工尺寸精度就能得到有效保證。5. 功率監(jiān)控包括切削狀態(tài)的功率監(jiān)視和切削狀態(tài)的自適應(yīng)控制。2 課題內(nèi)容2.1 基本任務(wù)設(shè)計(jì)面向箱體加工的FMS 中的四軸加工中心的刀庫，并對刀庫關(guān)鍵零件進(jìn);.行設(shè)計(jì)。2.2 設(shè)計(jì)方案選擇刀庫刀具

14、交換系統(tǒng)的一部分， 加工中心的刀具交換系統(tǒng)也稱為自動(dòng)換刀裝置（ ATC），它通常是由刀庫和機(jī)械手組成。自動(dòng)換刀裝置是加工中心不可缺少的組成部分，也是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關(guān)鍵。加工中心有立式、 臥式、龍門式幾種， 所以這些機(jī)床的刀庫和自動(dòng)換刀裝置也各式各樣， 加工中心上的刀庫類型有鼓輪式刀庫， 鏈?zhǔn)降稁欤?格子箱式刀庫和直線刀庫等。轂輪式刀庫：應(yīng)用較廣，它包括刀具軸線與鼓輪式平行（或垂直，或成銳角） 。這種刀庫的結(jié)構(gòu)緊湊，但因刀具單環(huán)排列、定向利用率低，大容量刀庫的外徑較大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，選刀時(shí)運(yùn)動(dòng)間長。因此這種刀庫的容量較小，一般不超過32 把刀具。鏈?zhǔn)降稁欤喝萘枯^大，當(dāng)采用多環(huán)鏈

15、式刀庫時(shí)，刀庫的外形較緊湊，占用空間較小，適用于做大容量刀庫。 在增加存儲(chǔ)刀具數(shù)目時(shí)， 可增加鏈條的長度， 而不增加鏈輪直徑，因此，鏈輪的圓周速度不會(huì)增加， 且刀庫的運(yùn)動(dòng)慣量不像鼓輪式刀庫增加的那么多。;.格子箱式刀庫：刀庫容量大，結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高，但布局不靈活，通常將刀庫安放于工作臺(tái)上。有時(shí)甚至在使用一側(cè)的刀具時(shí)，必須更換另一側(cè)的刀座板。直線式刀庫：結(jié)構(gòu)簡單，刀庫容量較小，一般用于數(shù)控車床，數(shù)控鉆床，個(gè)別加工中心也有采用。;.換刀機(jī)械手分為單臂單手式， 單臂雙手式和雙手式機(jī)械手， 單臂單手式結(jié)構(gòu)簡單，換刀時(shí)間較長， 適用于刀具主軸與刀庫刀套平行， 刀庫刀套軸線與主軸軸線平行，以及刀庫刀

16、套軸線與主軸軸線垂直的場合。 單臂雙手式機(jī)械手可同時(shí)抓住主軸和刀庫中的刀具，并進(jìn)行拔出，插入，換刀時(shí)間短，廣泛應(yīng)用于加工中心上的刀庫刀套軸線與主軸平行的場合。雙手式機(jī)械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜， 換刀時(shí)間短，這種機(jī)械手除了完成拔刀， 插刀外，還起運(yùn)輸?shù)毒叩淖饔?。機(jī)床刀架自動(dòng)換刀裝置的要求1. 滿足工藝過程提出的要求2. 在刀架、刀庫上能牢固的安裝刀具，在刀架上安裝刀具還應(yīng)能精確的調(diào)整刀具的位置，采用自動(dòng)交換刀具時(shí)，應(yīng)保證交換前后都處于正確的位置3. 刀架、刀庫、換刀機(jī)械手都應(yīng)有足夠的剛度4. 可靠性高5. 換刀時(shí)間盡可能短6. 操作安全方便結(jié)合所給題目， 由于所要求設(shè)計(jì)的刀庫有自動(dòng)換刀裝置， 且刀具容量

17、20 把左右，考慮到面向箱體的加工中心一般設(shè)計(jì)為臥式加工中心， 初步?jīng)Q定 采用轂輪式刀庫無機(jī)械手換刀方案 ，配合臥式加工中心，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)性好，適合于加工中小型加工中心。換刀動(dòng)作如下：圖 2.1 換刀方案圖;.3 進(jìn)度安排第 1 周第 2 周：查閱資料，熟悉設(shè)計(jì)任務(wù)；第 3 周第 4 周：翻譯外文資料，撰寫開題報(bào)告；第 5 周第 7 周：總體方案設(shè)計(jì)，繪制刀庫總圖；第 8 周第 13 周： 刀庫組件設(shè)計(jì)，繪制刀庫裝配圖；第 14 周第 16 周： 關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)，繪制零件圖；第 17 周第 20 周： 撰寫論文，答辯4 參考文獻(xiàn)1 楊叔子主編 . 機(jī)械加工工藝師手冊 . 北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 ,20012 許祥泰