1、華中科技大學開 題 報 告題目：面向箱體加工的fms中四軸加工中心的刀庫院系：機 械 學 院專業(yè)：機械設計制造及其自動化姓名：葉進學號：012005028316指導老師：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：課題來源于實驗室項目的一個研究分支， 目的是通過本次的設計工作， 能夠在對面向箱體加工的 fms應用的四軸加工中心的了解的基礎上， 實現(xiàn)對加工中心刀庫的設計，并與同組人的對主軸部件、工作臺、夾具的設計相應，最終設計出整個機床。1.2 柔性制造技術產(chǎn)生的背景對于大批量、少品種的情況，一般采用自動流水線，包括物流設備和相對固定的加工工藝， 這可稱為固定自動

2、化方式。自動流水線通常相當昂貴， 設備基本固定，不靈活，只能加工一個零件，或者幾個相互類似的零件。如果要改變產(chǎn)品的品種，自動流水線要作較大的改動，在投資和時間方面的耗費很大。自動流水線的優(yōu)點是生產(chǎn)率很高， 由于設備是固定的， 所以設備利用率也很高， 缺點是成本高，不具有靈活性。對于小批量、 多品種的情況， 一般可采用單臺數(shù)控 (nc)機床。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換到另一種類型的零件， 不需要改變機床硬件，僅需要改變控制程序 (nc 程序 ) 及夾具刀具。 nc機床加工產(chǎn)品生產(chǎn)率低，成本高；優(yōu)點是靈活性較大。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，是一個十分關鍵的問題。 如果采用以上兩種較為傳統(tǒng)的方式， 將會產(chǎn)生如下一系列不利情況：1. 機床利用率太低；2. 加工時間增長；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；這些因素都將導致成本的提高。因此，結合自動流水線與 nc機床的特點，將 nc機床與物料料輸送設備通過計算機聯(lián)系起來，形成一個系統(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)?？梢灾v， fms是 nc機床或設備自動

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)、 物料儲運系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設備組成，能適應加工對象變換的自動化機械制造系統(tǒng)。由加工、物流、信息流三個子系統(tǒng)組成。采用 fms的主要技術經(jīng)濟效果是： 能按裝配作業(yè)配套需要， 及時安排所需零件的加工，實現(xiàn)及時生產(chǎn)， 從而減少毛坯和在制品的庫存量， 及相應的流動資金占用量，縮短生產(chǎn)周期；提高設備的利用率，減少設備數(shù)量和廠房面積；減少直接勞動力，在少人看管條件下可實現(xiàn)晝夜 24 小時的連續(xù)“無人化生產(chǎn)”；提高產(chǎn)品質量的一致性。在這種背景下，柔性制造系統(tǒng)誕生了。1.3 柔性制造技術的國內外發(fā)展動態(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關鍵技術1. 計算機輔助設計2. 模糊控制技術3. 人工智能、 專家系統(tǒng)及智能傳感器技術4. 人工神經(jīng) 網(wǎng)絡技術柔性制造系統(tǒng)未來將向發(fā)展各種工藝內容的柔性制造單元和小型 fms；完善fms的自動化功能；擴大 fms完成的作業(yè)內容，并與計算機輔助設計和輔助制造技術 (cad/cam)相結合，向全盤自動化工廠方向發(fā)展。1.fmc將成為發(fā)展和應用的熱門技術這是因為 fmc的投資比 fms少得多而 經(jīng)濟效益相接近，更適用于財力有限的中小型 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)如汽車及拖拉機等工廠對 fml 的需求引起了fms制造廠的極大關注。采用價格低廉的專用數(shù)控機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進一步開發(fā)以焊接、裝配、檢驗及鈑材加工乃至鑄、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持續(xù)下去，日本從 1991 年開始實施的“智能制造系統(tǒng)”(ims) 國際性開發(fā)項目， 屬于第二代 fms；而真正完善的第二

7、代fms預計至 21 世紀才會實現(xiàn)。 屆時，智能化機械與人之間將相互融合、柔性地全面協(xié)調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。80 年代中期以來， fms獲得迅猛發(fā)展，幾乎成了生產(chǎn)自動化之熱點。一方面是由于單項技術如nc加工中心、 工業(yè)機器人、 cad/cam、資源管理及高度技術等的發(fā)展，提供了可供集成一個整體系統(tǒng)的技術基礎；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，fms作為一種現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的科學 “哲理”和工廠自動化的先進模式已為國

8、際上所公認，可以這樣認為： fms是在自動化技術、信息技術及制造技術的基礎，將以往企業(yè)中相互獨立的工程設計、生產(chǎn)制造及經(jīng)營管理等過程， 在計算機及其軟件的支撐下，構成一個覆蓋整個企業(yè)的完整而有機的系統(tǒng)，以實現(xiàn)全局動態(tài)最優(yōu)化，總體高效益、高柔性，并進而贏得競爭全勝的智能制造系統(tǒng)。 fms作為當今世界制造自動化技術發(fā)展的前沿 科技，為未來機構制造工廠提供了一幅宏偉的藍圖，將成為 21 世紀機構制造業(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)控機床中典型機電一體化高技術產(chǎn)品，同時又是先進制造技術不可缺少的工藝設備。 它綜合了微電子， 計算機、自動控制

9、，精密測量、機床制造等方面技術及相關配套的最新成就， 是當代機床工業(yè)發(fā)展方向和先進生產(chǎn)力的標志，多坐標（ 5 坐標）以上聯(lián)動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，工藝復合的數(shù)控機床。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更換刀具，對一次裝夾的工件， 完成銑、鉆、鏜、擴、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)能控制機床按不同工序， 自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉速、 進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助機能，依次完成工件幾個面上多工序的加工。加工中心與專用機床和組合機床的區(qū)別是：用加工中心加工零件時，當需要更換零件時，只

10、需改變加工程序和刀輔具即可進行生產(chǎn)，用這種設備加工零件，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；用機床和組合機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、高質量、高柔性、低勞動強度等優(yōu)點，因此得到機械制造業(yè)的歡迎， 銷路十分驚人， 并引起工業(yè)化國家的高度重視， 紛紛出臺有關政策，鼓勵扶持數(shù)控機床、 加工中心的發(fā)展。 隨著以銑床為基礎的加工中心的出現(xiàn)，以臥式鏜床和坐標鏜床為基礎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 多個品種規(guī)則，尚無統(tǒng)一的分類方法。

11、習慣上的分類方法大致有兩種， 一種是按工藝用途進行分類， 另一種是結合工藝用途，按機床總體布局進行分類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、復合加工中心和板金加工中心 6 大類2.）按機床布局進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加工中心構成一臺加工中心是由機床（機械部分）和控制系統(tǒng)（電氣部分）兩部分組成，機床是加工中星的主體，控制系統(tǒng)是加工中心的核心。加工中心的主機通常是由三大基礎部件組（床身、立柱和工作臺）和主軸部件、刀具存儲自動交換系統(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）自動交換系統(tǒng)（ apc）。1.5 四軸加工中心在fms中的應用 ：作為單機使用的普通加工中心，是在操作人員的管理下運行的，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床運行狀態(tài)、 刀具狀態(tài)、加工質量狀態(tài)。 普通加工中心要求操作人員進行這類干預，因此不適應柔性制造自動化系統(tǒng)的需要。加工中心的如下功能對fms的設計方案和運行效果有重要影響：1. 刀具儲存和自動換刀加工中心的固定刀庫具有自動換刀功能。加工中心的固定刀庫有四種常見形式 : 盤式刀庫，鏈式刀庫，盒式刀庫，架式刀庫。2. 工件自動交換把加工

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)是由設備自動完成的。為了支持工件自動交換，加工中心的工作臺上安裝了一套自動夾具。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方式來傳送觸發(fā)信號。接觸傳感器可完成如下作業(yè)：工件自動找正，刀具破損檢測。4. 加工尺寸檢測與自動補償給加工中心增加自動檢測補償功能， 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)的自適應控制。2 課題內容2.1 基本任務設計面向箱體加工的fms 中的四軸加工中心的刀庫，并對刀庫關鍵零件進;.行設計。2.2 設計方案選擇刀庫刀具

14、交換系統(tǒng)的一部分， 加工中心的刀具交換系統(tǒng)也稱為自動換刀裝置（ atc），它通常是由刀庫和機械手組成。自動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鍵。加工中心有立式、 臥式、龍門式幾種， 所以這些機床的刀庫和自動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， 鏈式刀庫， 格子箱式刀庫和直線刀庫等。轂輪式刀庫：應用較廣，它包括刀具軸線與鼓輪式平行（或垂直，或成銳角） 。這種刀庫的結構緊湊，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，轉動慣量大，選刀時運動間長。因此這種刀庫的容量較小，一般不超過32 把刀具。鏈式刀庫：容量較大，當采用多環(huán)鏈

15、式刀庫時，刀庫的外形較緊湊，占用空間較小，適用于做大容量刀庫。 在增加存儲刀具數(shù)目時， 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增加， 且刀庫的運動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，結構緊湊，空間利用率高，但布局不靈活，通常將刀庫安放于工作臺上。有時甚至在使用一側的刀具時，必須更換另一側的刀座板。直線式刀庫：結構簡單，刀庫容量較小，一般用于數(shù)控車床，數(shù)控鉆床，個別加工中心也有采用。;.換刀機械手分為單臂單手式， 單臂雙手式和雙手式機械手， 單臂單手式結構簡單，換刀時間較長， 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。 單臂雙手式機械手可同時抓住主軸和刀庫中的刀具，并進行拔出，插入，換刀時間短，廣泛應用于加工中心上的刀庫刀套軸線與主軸平行的場合。雙手式機械手結構較復雜， 換刀時間短，這種機械手除了完成拔刀， 插刀外，還起運輸?shù)毒叩淖饔谩C床刀架自動換刀裝置的要求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能精確的調整刀具的位置，采用自動交換刀具時，應保證交換前后都處于正確的位置3. 刀架、刀庫、換刀機械手都應有足夠的剛度4. 可靠性高5. 換刀時間盡可能短6. 操作安全方便結合所給題目， 由于所要求設計的刀庫有自動換刀裝置， 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計為臥式加工中心， 初步?jīng)Q定 采用轂輪式刀庫無機械手換刀方案 ，配合臥式加工中心，結構簡單，經(jīng)濟性好，適合于加工中小型加工中心。換刀動作如下：圖 2.1 換刀方案圖;.3 進度安排第 1 周第 2 周：查閱資料，熟悉設計任務；第 3 周第 4 周：翻譯外文資料，撰寫開題報告；第 5 周第 7 周：總體方案設計，繪制刀庫總圖；第 8 周第 13 周： 刀庫組件設計，繪制刀庫裝配圖；第 14 周第 16 周： 關鍵零件設計，繪制零件圖；第 17 周第 20 周： 撰寫論文，答辯4 參考文獻1 楊叔子主編 . 機械加工工藝師手冊 . 北京 : 機械工業(yè)出版社 ,20012 許祥泰