本科畢業(yè)論文(設計)開題報告 論 文 題 目： 銑加工中心換刀機構設計學 院： 機械工程學院 專 業(yè) 、班 級：機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： 指導教師（職稱）： 年 12 月 29 日 填 畢業(yè)論文（設計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 （設計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據(jù) 1. 論文（設計）題目及研究領域； 2. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值； 3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設計）研究的內(nèi)容 1.重點解決的問題； 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 3. 本論文（設計）預期取得的成果。三、論文（設計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）； 2. 論文（設計）進度計劃。四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據(jù)所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調(diào)研、實驗或?qū)嵙暤幕A上遞交相關的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎。 五、其他要求 1. 開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2. 開題報告必須經(jīng)學院教學指導委員會審查通過； 3. 開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文（設計）工作，否則不允許參加答辯； 4. 開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師； 5. 開題報告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打印）。 12 一、選題依據(jù) 1、研究領域 加工中心是指備有刀庫，具有自動換刀功能，對工件一次裝夾后進行多工序加工的數(shù)控機床。本設計涉及到的研究領域是機電一體化和機構設計內(nèi)容。 2、論文（設計）工作的理論意義和應用價值 加工中心是高度機電一體化產(chǎn)品，加工中心集傳統(tǒng)的車床、銑床、鉆床為一體， 在機械加工方面具有很大的作用，特別是制作零件方面，通過編程來控制加工的速度及進給量，加工出來的零件具有較高的精度，有的還帶刀庫可自動換刀，工作效率非常高，可以實現(xiàn)自動化、無人化生產(chǎn)操作，能帶來可觀的經(jīng)濟效益。加工中心它通過刀具的自動交換，可以一次裝夾完成多工序的加工，實現(xiàn)了工序的集中和工藝的復合， 從而縮短了輔助加工時間，提高了機床的效率，減少了零件安裝，定位次數(shù)，提高了加工精度。 3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢 加工中心的工作原理是根據(jù)零件圖紙制定工藝方案，采用手工或計算機自動編制零件加工程序，把零件所需的機床各種動作及全部工藝參數(shù)變成機床的數(shù)控裝置能接受的信息代碼,并把這些代碼存儲在信息載體(穿孔帶、磁盤等)上，將信息載體送到輸入裝置。讀出信息并送入數(shù)控裝置，或利用計算機和加工中心直接進行通信，實現(xiàn)零件程序的輸入和輸出． 進人數(shù)控裝置的信息經(jīng)過一系列處理和運算轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號。有的信號送到機床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機構進行轉(zhuǎn)換和放大，再經(jīng)過傳動機構。驅(qū)動機床有關零部件使刀具和工件嚴格執(zhí)行零件程序所規(guī)定的相應運動．還有的信號送到可編程序控制器中用于順序控制機床的其他輔助動作，實現(xiàn)刀具自動更換。 1952 年，麻省理工學院在一臺立式銑床上，裝上了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了同時控制三軸的運動。這臺數(shù)控機床被大家稱為世界上第一臺數(shù)控機床。1962 年研制出第一臺 5 軸聯(lián)動加工中心。1967 年，英國首先把幾臺數(shù)控機床連接成具 有 柔 性 的 加 工 系 統(tǒng) ， 這 就 是 所 謂 的 柔 性 制 造 系 統(tǒng)(FlexibleManufacturingSystem--FMS)之后，美、歐、日等也相繼進行開發(fā)及應用。 1974 年以后，隨著微電子技術的迅速發(fā)展，微處理器直接用于數(shù)控機床，使數(shù)控的軟件功能加強，發(fā)展成計算機數(shù)字控制機床(簡稱為 CNC 機床)，進一步推動了數(shù)控機床的普及應用和大力發(fā)展。我國是從 1958 年開始研究數(shù)控技術,雖然目前我國是世界上機床產(chǎn)量最多的國家，但數(shù)控機床的產(chǎn)品競爭力在國際市場中仍處于較低水平，與國外先進水平相比仍存在著較大的差距。 進入 21 世紀，隨著數(shù)控技術的發(fā)展，帶有自動換刀系統(tǒng)的加工中心在現(xiàn)代制造業(yè)中起著愈來愈重要的作用，對加工中心的需求愈來愈多，它能縮短產(chǎn)品的制造周期， 提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工。自動換刀系統(tǒng)一般由刀庫、機械手和驅(qū)動裝置 組成。一般來說，刀庫容量可大可小，其裝刀數(shù)量在 20～180 把之間。刀庫的功能是存儲刀具并把下一把即將要用的刀具準確地送到換刀位置，供換刀機械手完成新舊刀具的交換。當?shù)稁烊萘看髸r，常遠離主軸配置且整體移動不易，這就需要在主軸和刀庫之間配置換刀機構來執(zhí)行換刀動作。完成此功能的機構包括送刀臂、擺刀站和換刀臂，總稱為機械手。具體來說，它的功能是完成刀具的裝卸和在主軸頭與刀庫之間的傳遞。驅(qū)動裝置則是使刀庫和機械手實現(xiàn)其功能的裝置，一般由步進電機或液壓(或氣液機構)或凸輪機構組成。機械手完成刀庫里的刀與主軸上的刀的交換工作。由于數(shù)控加工中心的刀庫容量、換刀可靠性及換刀速度直接影響到加工中心的效率，而自動換刀就是進一步壓縮非切削時間，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件。所以數(shù)控機床為了能在工件一次裝夾中完成多道加工工序，縮短輔助時間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動換刀裝置。隨著數(shù)控機床網(wǎng)絡化應用的發(fā)展，數(shù)控機床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造商和數(shù)控機床制造商共同追求的目標，所以向高可靠性方面發(fā)展已經(jīng)不可忽視。為不斷滿足復雜工件所提出的加工要求,多軸聯(lián)動 加工中心的發(fā)展也日新月異。最初的多軸聯(lián)動加工中心,是在立柱上加一個連續(xù)分度頭或連續(xù)轉(zhuǎn)臺來實現(xiàn)四軸聯(lián)動的,但這不能解決復雜異形件加工的需要,特別是葉片與葉輪，因此五軸聯(lián)動控制的加工中心和數(shù)控銑床已經(jīng)成為當前的一個開發(fā)熱點。五軸聯(lián)動機床以其無可替代的性能優(yōu)勢已經(jīng)成為各大機床廠家積極開發(fā)和競爭的焦點。數(shù)控系統(tǒng)也有了較快的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展具體表現(xiàn)在硬件的不斷變革,操作系統(tǒng)的更新也十分迅速,軟盤驅(qū)動器與顯示器的分辨率亦同步提高,系統(tǒng)的可靠性更有較大延長隨著網(wǎng)絡通信功能的不斷增強,加工中心的應用范圍將更加廣泛。 步入 21 世紀，隨著我國綜合經(jīng)濟實力的快速提高，加工中心市場進入了快速發(fā)展期，汽車及其零部件、通用機械、航空航天、模具等各行業(yè)對加工中心的需求大幅上升，國產(chǎn)加工中心擇優(yōu)選擇國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)、功能部件等配套件，加快了產(chǎn)業(yè)化步伐， 質(zhì)量大幅度提高，性價比具有優(yōu)勢，逐步得到了國內(nèi)用戶的肯定和認可。同時，企業(yè)加大了產(chǎn)品開發(fā)研究的資金投入，一批國內(nèi)急需長期依賴進口的高檔加工中心，如高速加工中心、五軸加工中心等取得了突破，有的已進入批量生產(chǎn)。 本設計所涉及的換刀機構在加工中心中起著至關重要的作用，隨著科學技術的發(fā)展，世界先進制造技術的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術的應用，對數(shù)控機床的各個組成部分提出了更高的性能指標。當今的數(shù)控機床正在不斷采用最新技術成就，朝著高速化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。 二、論文（設計）研究的內(nèi)容 1. 重點解決的問題 1) 銑加工中心結構設計方案； 2) 換刀機構三維結構設計； 3) 換刀機構控制系統(tǒng)設計； 4) 換刀機構整套圖紙表達。 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） 1） 查閱相關資料，掌握加工中心及各個部件的工作原理，提出整體設計方案； 2） 通過對設計進行計算，確定相關設計參數(shù)； 3） 對換刀裝置機構進行詳細設計； 4） 針對控制系統(tǒng)進行設計 5） 編寫設計說明書。 3. 本論文（設計）預期取得的成果 通過學習及查閱有關資料掌握加工中心工作原理及整體設計方案。把數(shù)控技術和加工中心的知識相結合，設計出符合加工需求的加工中心換刀機構。同時確保加工中心的精度、效率、自動化等綜合性得到提高。使換刀機構的換刀時間有所提高，結構簡單，精度增加，提高通用性和可靠性，進一步提高自動化的程度，使加工中心性能和復合性都有所提高，并且能夠提高其設計價值。最終可以很好的完成設計要求，實現(xiàn)設計目的。 三、論文（設計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）；主要設計參數(shù)： X，Y，Z 軸的行程分別是 600，300，400mm；進給精度 0.001mm；X，Y，Z 軸的移動速度分別是 2.5，2，1mm/min；工作臺面尺寸 320×1000mm；脈沖當量 0.1mm/步；重復定位精度 0.1 mm。 1. 銑加工中心結構設計方案； 2. 關鍵參數(shù)計算和選擇； 3. 換刀機構三維設計； 4. 換刀機構控制系統(tǒng)設計； 5. 編寫設計說明書； 6. 外文翻譯一篇。 2. 論文（設計）進度計劃 第 1 周：布置設計任務,明確設計要求；查閱相關資料,了解課題研究領域； 第 2 周：撰寫開題報告；確定外文翻譯文章。 第 3 周：修改開題報告，完成文獻綜述。 第 4 周：完成外文翻譯，開題答辯。 第 5 周：銑加工中心機床結構設計方案； 第 6 周：了解換刀機構功能、要求和結構； 第 7 周：換刀機構結構三維設計； 第 8 周：換刀機構結構三維設計； 第 9 周：換刀機構結構三維設計； 第 10 周：換刀機構結構三維設計；中期檢查； 第 11 周：關鍵參數(shù)計算和選擇； 第 12 周：換刀機構控制系統(tǒng)設計； 第 13 周：換刀機構控制系統(tǒng)設計； 第 14 周：整理資料，編寫設計說明書； 第 15 周：修改完善整套設計，評閱，準備答辯； 第 16 周：評閱，修改，答辯。 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 楊仙.數(shù)控技術[M]. 北京，機械工業(yè)出版社,2012. [2] 張玉峰.淺談我國數(shù)控機床的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 金屬加工(冷加工). 2010(21) [3]龔仲華.現(xiàn)代數(shù)控機床設計典例[M]. 北京，機械工業(yè)出版社,2014. [4] 韓越梅.加工中心自動換刀裝置的研究進展[J]. 裝備制造技術. 2010(05) [5] 李加明,陶衛(wèi)軍,馮虎田.自動換刀裝置發(fā)展現(xiàn)狀及其關鍵技術[J]. 機床與液壓 2013(05) [6] 魏杰.數(shù)控機床結構[M].北京，化學工業(yè)出版社,2009. [7] 文懷興.數(shù)控機床系統(tǒng)設計[M]. 北京，化學工業(yè)出版社,2011. [8] 李宗斌.加工中心換刀機械手的設計與計算[J].組合機床與自動化加工系統(tǒng),19 （12）:2-7 [9] 劉延俊,關浩，周德繁.液壓與氣壓傳動[M].北京，高等教育出版社,2007. [10] 張祺,侯力,劉松等.加工中心換刀機械手控制系統(tǒng)研究[J].組合機床與自動化加工技術,2010（8）：42-44. [11] 李加明,陶衛(wèi)軍,馮虎田.自動換刀裝置發(fā)展現(xiàn)狀及其關鍵技術[J].機床與液壓. 2013(05) [12] 張建民.機電一體化系統(tǒng)設計[M]. 北京，高等教育出版社,2014. [13] 李艷生,張延恒,孫漢旭,趙順利.自動換刀裝置動態(tài)特性測試技術研究及實現(xiàn)[J]. 振動.測試與診斷. 2014(02).. [14] 高永強,李全普,李凱.加工中心機械手換刀與主軸凸輪松刀的聯(lián)動技術[J]. 制造技術與機床. 2011(12) [15] 李加明,陶衛(wèi)軍,馮虎田.自動換刀裝置發(fā)展現(xiàn)狀及其關鍵技術[J]. 機床與液壓. 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 guide[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture . 2011 (9) 附：文獻綜述 文獻綜述 一、概述 數(shù)字控制是 20 世紀中期發(fā)展起來的一種自動控制技術，是用數(shù)字化信號進行控 制的一種方法。采用數(shù)控技術進行控制的機床，稱為數(shù)控機床加工中心（Machining Center,簡稱 MC）。加工中心是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數(shù)控機床。它是適應省力、省時和節(jié)能的時代要求而發(fā)展起來的，它綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、氣動技術、拖動技術、現(xiàn)在控制理論、測量及傳感技術以及通訊診斷、刀具和應用編程技術的高技術產(chǎn)品，將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能聚集在一臺加工設備上，且增設有自動換刀裝置和刀庫，可以在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)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(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內(nèi)外倒角、環(huán)形槽及攻螺紋等加工。由于加工中心能集中完成多種工序， 因而可減少工件裝夾、測量和調(diào)整時間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運存放時間，使機床的切削利用率高于通用機床 3~4 倍，達 80%以上。所以說，加工中心不僅提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機床中生產(chǎn)率和自動化程度的綜合性機床。 隨著電子技術的迅速發(fā)展，以及各種性能良好的傳感器的出現(xiàn)和運用，加工中心的功能日趨完善，這些功能包括：刀具壽命的監(jiān)視功能，刀具磨損和損傷的監(jiān)視功能， 切削狀態(tài)的監(jiān)視功能，切削異常的監(jiān)視、報警和自動停機功能，自動檢測和自我診斷功能及自適應控制功能等。加工中心還與載有隨行夾具的自動托板進行有機連接，并能進行切屑自動處理，使得加工中心成為柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)合自動化工廠的關鍵設備和基本單元。 二、數(shù)控加工中心的基本組成和工作原理 加工中心自問世至今世界各國出現(xiàn)了各種類型的加工中心，雖然外形結構各異， 但從總體來看主要由以下幾大部分組成。 （1） 基礎部分：由床身、立柱和工作臺等大件組成，它們是加工中心結構中的基礎部件。這些大件有鑄鐵件，也有焊接的鋼結構件，它們要承受加工中心的靜載荷以及在加工時的切削負荷，因此必須具備更高的靜動剛度，也是加工中心中質(zhì)量和體積最大的部件。 （2） 主軸部件：由主軸箱、主軸電動機、主軸和主軸軸承等零件組成。主軸的啟動、停止等動作和轉(zhuǎn)速均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具進行切削。主軸部件是切削加工的功率輸出部件，是加工中心的關鍵部件，其結構的好壞，對加工中心的性能有很大的影響。 （3） 數(shù)控系統(tǒng)：加工中心的數(shù)控系統(tǒng)由 CNC 裝置，可編程序控制器，伺服驅(qū)動系統(tǒng)以及面板操作系統(tǒng)組成。它是執(zhí)行順序控制動作和加工過程的控制中心。CNC 裝置是一種位置控制系統(tǒng)，其控制過程是根據(jù)輸入的信息進行數(shù)據(jù)處理，插補運算以獲得理想的運動軌跡信息，然后輸出到執(zhí)行部件，加工出所需要的工件。 （4） 自動換刀裝置（ATC）：換刀系統(tǒng)主要由刀庫，機械手等部件組成。如需要更換刀具時，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令后，由機械手從刀庫中取出相應的刀具裝入主軸孔內(nèi)， 然后再把主軸上的刀具送回到刀庫完成整個換刀動作 （5） 輔助裝置：包括潤滑，冷卻，排屑，防護，沖壓，氣動和檢測系統(tǒng)等部分 。這些裝置雖然不直接參與切削運動，但是加工中心不可或缺的部分。對加工中心的加工效率，加工精度和可靠性起著保障作用。 加工中心的工作原理是根據(jù)零件圖紙制定工藝方案，采用手工或計算機自動編制零件加工程序，把零件所需的機床各種動作及全部工藝參數(shù)變成機床的數(shù)控裝置能接 受的信息代碼,并把這些代碼存儲在信息載體(穿孔帶、磁盤等)上，將信息載體送到輸入裝置。讀出信息并送入數(shù)控裝置，或利用計算機和加工中心直接進行通信，實現(xiàn)零件程序的輸入和輸出． 進人數(shù)控裝置的信息經(jīng)過一系列處理和運算轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號。有的信號送到機床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機構進行轉(zhuǎn)換和放大，再經(jīng)過傳動機構。驅(qū)動機床有關零部件使刀具和工件嚴格執(zhí)行零件程序所規(guī)定的相應運動．還有的信號送到可編程序控制器中用于順序控制機床的其他輔助動作，實現(xiàn)刀具自動更換。 三、數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)控機床是當代機械制造業(yè)的主流裝備，國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展經(jīng)歷了30年跌宕起 伏，已經(jīng)由成長期進入了成熟期，可提供市場1,500種數(shù)控機床，覆蓋超重型機床、高精度機床、特種加工機床、鍛壓設備、前沿高技術機床等領域，產(chǎn)品種類可與日、德、意、美等國并駕齊驅(qū)。特別是在五軸聯(lián)動數(shù)控機床、數(shù)控超重型機床、立式臥式加工中心、數(shù)控車床、數(shù)控齒輪加工機床領域部分技術已經(jīng)達到世界先進水平。其中， 五軸(坐標)聯(lián)動數(shù)控機床是數(shù)控機床技術的制高點標志之一。它集計算機控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術于一體，應用于復雜曲面的高效、精密、自動化加工，是發(fā)電、船舶、航天航空、模具、高精密儀器等民用工業(yè)和軍工部門迫切需要的關鍵加工設備。五軸聯(lián)動數(shù)控機床的應用，其加工效率相當于2 臺三軸機床，甚至可以完全省去某些大型自動化生產(chǎn)線的投資，大大節(jié)約了占地空間和工作在不同制造單元之間的周轉(zhuǎn)運輸時間及費用。國產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控機床品種日趨增多，國際強手對中國限制的五軸聯(lián)動加工中心、五軸數(shù)控銑床、五軸龍門銑床、五軸落地銑鏜床等均在國內(nèi)研制成功，改變了國際強手對數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的壟斷局面。 從技術發(fā)展水平來看。隨著“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備重大專項”重點任務陸續(xù)完成，我國國產(chǎn)機床數(shù)控化率由“十五”末的35.5%提高到“十一五”末的51.9%。我國在數(shù)控系統(tǒng)方面已經(jīng)開發(fā)出多軸多通道、總線式高檔數(shù)控裝置產(chǎn)品。武漢華中數(shù)控股份有限公司、沈陽高精數(shù)控技術有限公司等單位已完成50多套開放式全數(shù)字高檔數(shù)控裝置的生產(chǎn)。國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品覆蓋超重型機床、高精度機床、特種加工機床、鍛壓設備、前沿高技術機床等領域。特別是在五軸聯(lián)動數(shù)控機床、數(shù)控超重型機床、立式臥式加工中心、數(shù)控車床、數(shù)控齒輪加工機床領域，部分技術已經(jīng)達到世界先進水平。國產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控機床品種日趨增多，五軸聯(lián)動加工中心、五軸數(shù)控銑床、五軸龍門銑床、五軸落地銑鏜床等均在國內(nèi)研制成功，改變了國際強手對數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的壟斷局面，加速了我國從機床生產(chǎn)大國走向機床制造強國的進程。 從市場需求情況來看。目前中國是世界上最大的數(shù)控機床進口國和消費國，2010 年，中國機床消費同比增長43%，達到284.8億美元，進口約為94億美元，中國成為世界第一大機床消費國。雖然“十一五”期間機床行業(yè)實現(xiàn)了較快發(fā)展，但高檔數(shù)控機床產(chǎn)值僅約占金屬加工機床行業(yè)產(chǎn)值的10～15%，面對巨大的消費市場，國內(nèi)機床生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)能力無法滿足迅速膨脹的市場需求，多數(shù)高檔數(shù)控機床產(chǎn)品仍需大量從國外進口。 國外數(shù)控機床技術發(fā)展較早，其發(fā)展現(xiàn)狀可概括為以下幾點：（1）高速高精與多軸加工成為數(shù)控機床的主流，納米控制已經(jīng)成為高速高精加工的潮流。（2）多任務和多軸加工數(shù)控機床越來越多地應用到能源、航空航天等行業(yè)。（3）機床與機器人的集成應用日趨普及，且結構形式多樣化，應用范圍擴大化，運動速度高速化，多傳感器融合技術實用化，控制功能智能化，多機器人協(xié)同普及化。（4）智能化加工與監(jiān)測功能不斷擴充，車間的加工監(jiān)測與管理可實時獲取機床本身的狀態(tài)信息，分析相關數(shù)據(jù)， 預測機床的狀態(tài)，提前進行相關的維護，避免事故的發(fā)生，減少機床的故障率，提高機床的利用率。（5）最新的機床誤差檢測與補償技術能夠在較短的時間內(nèi)完成對機床 的補償測量，與傳統(tǒng)的激光干涉儀相比，對機床誤差的補償精度能夠提高3～4倍，同時效率得到大幅度提升。（6）最新的CAD/CAM技術為多軸多任務數(shù)控機床的加工提供了強有力的支持，可以大幅度提高加工效率。（7）刀具技術發(fā)展迅速，眾多刀具的設計涵蓋了整個加工過程，并且新型刀具能夠滿足平穩(wěn)加工以及抗振性能的要求。 四、數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 今后世界上數(shù)控機床將以較高的速度發(fā)展，在金切機床中幾乎所有品種均可實現(xiàn) 數(shù)控化；數(shù)控系統(tǒng)向高度集成(采用 64 位 CPU)、高分辨率(0.1um)、小型化方向發(fā)展I 加工中心的定位精度在 5tun 以內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速達 1 萬轉(zhuǎn)／min 以上，最高迭 4—5 萬轉(zhuǎn)／min，快速進給速度達 lOOm／min。機械加工向工序復合化、智能化方向發(fā)展。未來工廠將廣泛應用數(shù)控機床、柔性加工單元和柔性加工生產(chǎn)線，最終實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)。工廠可以靈活地根據(jù)用戶需要，在短時間內(nèi)設計、制造出全新的產(chǎn)品，實現(xiàn)更高精度、效率和效益。 1、高精度化。國外效控系統(tǒng)的設定單位由 1um 發(fā)展到 0.1um 和 0.01um。1992 年 7 月，日本 FANUC 公司在慶祝該公司成立二十周年的新成果展示會上，展示了實現(xiàn)納米加工的整套技術，實現(xiàn)了 0.001um／脈沖的控制系統(tǒng)，能牘利執(zhí)行每個脈沖當量為0．001um 的伺服單元，伺服電機、氣浮絲杠、氣浮主軸等部件，能檢測納米級精度的高精度檢測反饋系統(tǒng)。據(jù)資料介紹，這是世界上第一個真正實現(xiàn)納米加工的成套技術。 2、高速化?？焖傩谐桃褟?24m／min 提高到 240m／min(當設計單位為 1um 時)， 加工中心的切削進給速度可達 10m／min 以上。數(shù)控系統(tǒng)已從 16 位微機發(fā)展到 32 位、64 位機，或用 40 多個 CPU 的結構。FANUC 公司開發(fā)的 15B 數(shù)控系統(tǒng)就采用了 64 位微機的 RISC 技術(壓縮、優(yōu)化程序、消除跟蹤誤差)。 3、高可靠性。FANUC 公司的計算機數(shù)控系統(tǒng)的平均無故障工作時 (MTBF)是 0.01 次／月·臺，即實現(xiàn)了 100 個月里出現(xiàn)一次故障的高可靠性 t 從而使機器人也實現(xiàn)了 0.013 次／月·臺的高可靠性(另一種說法是國外數(shù)控系統(tǒng)的 MTBF 在 1 萬小時以上)。4、系統(tǒng)化。在新廠籌建和老廠擴建過程中，人們已注意到了耍在系統(tǒng)工程觀念 指導下來添置數(shù)控機床、柔性加工單位及柔性制造系統(tǒng)、機器人等機電一體化產(chǎn)品。德國的維勒爾公司已經(jīng)給世界各國提供了上百條柔性制造系統(tǒng)。FANUC 公司還在筑波科學城中按計算機集成制造系統(tǒng)(O1MS)的五層結構建成 CIMS 模式的工廠。富士通公司建立了紹津 CIMS 工廠，富士電機也建立了吹上 C1MS 工廠}德國的西門子公司建立了 CIMS 數(shù)控系統(tǒng)制造廠。 5、微型化。FANUC 公司由于采用了 64 位傲處理囂、RISC 技術、SMT 技術(表面涂裝技術)，用液晶顯示器代替 CRT 及三維立體安裝等新技術．已將 16、18 等新數(shù)控系統(tǒng)鰭小到原有數(shù)控系統(tǒng)的 1/3。同時，已開始與其它公司，政府部門合作，開展了徽型機器人的研制工作。用于醫(yī)學頓域的傲型機器人要能進入人體，執(zhí)行打通血管阻塞的任務，還要在任務完成后自動退出人體。 6、智能化。視覺、觸覺、模糊邏輯控制等智能化工作仍在積極進行。如 FANUC 公司展示的 7 軸雙腕智能化機器人。日本在無人化工廠的研制上長期保持 l～2 個示范工廠的狀態(tài)現(xiàn)已打破，目前已有 7 個無人化工廠。FANUC 公司在無人化工廠的研制上每年投入 1 億美元的研制費。 7、由傳統(tǒng)的萬能機床向機床功能專用化和產(chǎn)品多樣化發(fā)展。由于機床的萬能性和多功能性，造成機床結構復雜、制造周期長、成本也相應提高。用戶往往只需要都分功能，但付出的卻是多功能的代價，功能浪費了，根不經(jīng)濟。現(xiàn)在機 l 床制造業(yè)從品種少、批量大的生產(chǎn)轉(zhuǎn)換為多品種、專業(yè)化和小批量生產(chǎn)。對每一種具體的機床產(chǎn)品來說，它的功能應該是有限的，適合用戶特定需要的，盡量步帶不必要的功能。如加工中心的刀庫，原來一般為 60 把刀，后考慮多數(shù)用戶需要的刀數(shù)還不到一半，生 產(chǎn)企業(yè)把刀庫容量降到 25 把刀或以下。 8、以模塊化設計實現(xiàn)產(chǎn)品多樣化，功能專用化，已成為當前機床發(fā)展的主流。這類機床是較為專用化的機床。這類機床在機床鎊售額中所占的比重，過去 5～10 年為 3%，現(xiàn)在已達到 10%，再過 5～lO 年，將達到 50%以上。生產(chǎn)企業(yè)要為每個不同的用戶專門設計機床，而規(guī)格和功能完全相同的機床將缸來愈少。甚至于以后有可能不再出現(xiàn)。 9、發(fā)展經(jīng)濟型數(shù)控機床和加工中心也成為當前數(shù)控機床發(fā)展的一種趨勢。經(jīng)濟型(國外多稱為廉價型)數(shù)控機床，加工中心，是美國、日本等國的機床業(yè)作為一個參與市場競爭的新策略而再現(xiàn)的。起初這些企業(yè)為擴大銷售市場，眼光從西方轉(zhuǎn)向東方什對中國大陸和東南亞這一片市場，如以功能復雜、檔次高而價格昂貴的效控機床、加工中心在市場上競爭并不有利，相反，以價廉和便于操作的數(shù)控機床來適應，則更加符合于這些地區(qū)的實際需要。 10、“電子—— 機械”商品化。一般認為機電一律化商品，機械部分成本較高。現(xiàn)在國際市場上機電一體化商品中的“電子”部分的比啻 I 不斷增加。FANUC 公司正準備將成本中的電子都分增加到占 60%，機械部分占 40%，即形成以“電子”為主， 以“機械”為輔的機電一體化商品。 銑加工中心換刀機構設計 附錄 1：外文翻譯 基于 CAXA 的數(shù)控加工刀具選擇的研究 阮曉光；袁思聰；蔡安江；張當飛， 西安建筑技術大學機械工程學院，西安 710055，中國 摘要：文章介紹了相比于傳統(tǒng)加工中心刀具的數(shù)控加工中心刀具的特點，分析了數(shù)控加工刀具的選擇和選擇的因素。與此同時，被制造軟件 CAXA2004 證明的例子，數(shù)控加工中心刀具的正確選擇能充分發(fā)揮數(shù)控加工的優(yōu)勢,提高企業(yè)的經(jīng)濟效率和生產(chǎn)水平。 關鍵詞: 數(shù)控加工；銑刀；CAXA 1 引言 近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，為了提高競爭力,新技術被企業(yè)有意識地應用于改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，數(shù)控機床在機械加工行業(yè)被使用得越來越廣泛。在加工中心中，因為其功能齊全以及沒有刀庫和自動刀具改變設備，它成為了現(xiàn)如今在世界上被廣泛生產(chǎn)和使用的數(shù)控機床之一[1]。刀具的選擇在數(shù)控加工過程中是一項重要的內(nèi)容，它不僅會影響數(shù)控機床的加工效率,也會直接影響加工的質(zhì)量。CAD / CAM 技術的發(fā)展,可以直接在數(shù)控加工中使用 CAD 設計數(shù)據(jù),尤其是計算機與數(shù)控機床的連接，它使整個設計過程、工藝設計和編程能在電腦上完成,不需要輸出特殊工藝。 現(xiàn)在,自動編程功能被許多 CAD / CAM 軟件提供，工藝設計的相關問題通過這些軟件在編程接口被提示，列如如刀具的選擇,加工路徑規(guī)劃,切削參數(shù)的決定,編程人員，數(shù)控程序能被自動的生成以及被傳送到數(shù)控機床去完成加工只要相關參數(shù)被編程人員設置[2]。 所以，數(shù)控機床上的數(shù)控刀具的選擇在人機交互狀態(tài)下被完成，數(shù)控機床與傳統(tǒng)機床形成鮮明的對比，還需要編程人員必須精通刀具選擇的基本原則，在加工過程中數(shù)控機床的特性必須被充分考慮已確保刀具的選擇是正確的。 2 數(shù)控加工刀具的特點 2.1 數(shù)控刀具的定義和需求 數(shù)控刀具指的是與先進和高效的數(shù)控機床相匹配的各種切削刀具的總稱, 它是不可或缺的關鍵的配套產(chǎn)品,傳統(tǒng)的刀具被數(shù)控機床刀具所取代由于數(shù)控機床刀具的高效率、高精度、高速度、耐磨、高耐用性和良好的綜合切削性能。數(shù)控機床刀具必須適應數(shù)控機床的高速度,高效率和高自動化程度，它一般包括通用刀具,常見的連接刀柄和一些特別的刀柄。刀柄必須連接在刀和機床電源之間，因此它能逐漸地標準化和序列化。 2.2 數(shù)控機床刀具與傳統(tǒng)機床刀具之間的比較 與傳統(tǒng)的機床相比,數(shù)控刀具有許多不同的需求,主要特點如下[2、3]: - 37 - 1） 高剛度、精度高、抗振和熱變形小。 2） 快速改變刀具的互換性好。 3） 刀具堅固,切削性能穩(wěn)定可靠。 4 刀具的尺寸對于調(diào)整刀具轉(zhuǎn)換的時間有所減少。 5） 刀具能夠卷起碎片并破壞碎片以便有利于切削的消除。 6） 序列化、標準化有利于編程和刀具管理。 7） 刀具的切削效率高。 8） 數(shù)控刀具的加工精度高，重復定位精度高。 9） 刀具的在線監(jiān)測和尺寸補償系統(tǒng)能相應的配備。 3 數(shù)控加工刀具的選擇和選擇時應考慮的因素 3.1 數(shù)控刀具的選擇 工作效率能被提高，數(shù)控刀具具的正確選擇數(shù)控刀具資源的合理配置能被保證, 這樣不僅避免了由于個單獨的刀具閑置引起的資源浪費，也避免由于頻繁使用單獨的刀具引起的加工精度無法被保證已經(jīng)相互包含。刀具的選擇應連接于數(shù)控編程的人機交互狀態(tài)。刀具選擇的一般規(guī)則是:安裝容易調(diào)整,剛性好,耐用性和精度高。在前提的要求下加工、短刀處理應該盡快選擇去提高刀具加工的剛性。 當選擇刀具時，刀具的尺寸必須能適應工件表面的尺寸。端銑刀通常用于處理周圍的輪廓；硬質(zhì)合金銑刀通常用于銑削平面；高速鋼銑刀通常用于加工凸平臺；鑲齒硬質(zhì)合金刀片通常用于粗糙表面的處理和粗加工，環(huán)形銑刀,球頭銑刀，錐形銑刀通常用于加工表面的分層和改變斜角輪廓形狀。 因為在自由表面處理中最終的球頭刀具的切削速度是零，為了保證加工精度, 加工空間往往變得非常近,所以球頭工具通常用于曲面的精加工。組合刀具在加工表面的質(zhì)量和切削效率方面是優(yōu)于球頭刀具的。在上述的前提下加工，無論是粗加工還是弧形的加工，組合刀具應當被選中。此外,刀具的耐用性是和刀具的價格相關的， 必須注意到雖然選擇好的刀具會增加成本，但加工質(zhì)量和加工效率也會有所提高，所以整個加工成本降低很多。 在加工中心,刀庫上各種刀具安裝,刀具的選擇和改變在任何時候根據(jù)程序的規(guī)定進行。所以標準的刀具處理必須被使用去確保鉆孔，擴孔，銑削以及其它工序的刀具能快速準確地安裝在機床主軸或刀庫上。編程人員應該知道結構大小調(diào)整方法和調(diào)整工具的范圍來確定編程時徑向和軸向尺寸。目前,我們的國家在加工中心上使用TSG。 工具系統(tǒng)的刀處理(三個規(guī)范)和錐柄(4 個規(guī)格),包括 16 種不同的刀處理。 在經(jīng)濟型 CNC 加工過程中,因為刀的切割、測量和交換更多的是由人手動操作。因此,切割刀具的指令必須被合理安排[2]。 3.2 刀具選擇時應該考慮的因素 在刀具的規(guī)格和類型的選擇時，主要考慮的因素如下幾點： 1)生產(chǎn)的本質(zhì);2)機器的類型;3)數(shù)控加工的方案;4)工件的尺寸和形狀;5)加工表面的粗糙度;6)加工精度; 7)工件的材料。在選擇數(shù)控機床加工的刀具時,還應考慮以下幾個方面的問題: 1）數(shù)控刀具的類型規(guī)格和精度等級應該能夠滿足加工的要求，刀具材料應與工件的材料相匹配；2）良好的切削性能;3)精度高;4)可靠性高;5)高耐用性;6)良好的切削碎片和切削剝離的性能。 4 刀具的選擇和自動編程示例 4.1 制造工程師[4]基于 CAXA2004 時刀具的選擇 如圖一[5]所示，五角星高 45mm，直徑 220mm，加工過程工藝卡如表 1 所示， 根據(jù)刀具的選擇原則和選擇刀具時應該考慮的因素，數(shù)控加工工藝卡如表 2 所示，其中，40 個步驟有數(shù)控銑削完成。 圖一 五角星的三維表面建模圖 表 1 加工過程卡 表 2 數(shù)控加工刀具卡 4.2 CAXA2004 制造工程師在自動編程加工代碼生成 1)生成粗加工 G 代碼N10G90G54G00Z100. 000 N12S25000M03 N14X0. 000Y0. 000Z100. 000 ? ? N4674G00Z100. 000 N4676X0. 000Y0. 000 N4678M05 N4680M30 2）生成精加工 G 代碼N10G90G54G00Z100. 000 N12S3000M03 N14X0. 000Y0. 000Z100. 000 N16X － 14. 303Y4. 384 ? ? N760G01Z10. 100F100 N762G00Z100. 000 N764X0. 000Y0. 000 N766M05 N768M30 通過刀具選擇的原則和刀具選擇應考慮的影響因素的分析去選擇合適的刀具。以下支持: 減少了程序調(diào)試時間,減少了機器工作時間,減少和縮短加工時間; 通過數(shù)控刀具的選擇，不僅可以縮短生產(chǎn)時間,也可以避免重復夾緊和人工刀具帶來的人為變化誤差,提高加工精度和加工復雜工件的能力; 直觀編程的結果,加工速度快,通過切割的模擬和刀具的干涉檢查,以及程序編譯的成功可以大大減少機器調(diào)整時間和測試時間。 5 結論 數(shù)控機床在實際生產(chǎn)中的廣泛應用,定量生產(chǎn)線的形成,數(shù)控編程已經(jīng)成為數(shù)控加工[6]的關鍵問題。 加工中心機床是一個相對復雜的系統(tǒng),程序員必須懂得在人機交互狀態(tài)下根據(jù)實際情況做出正確的選擇。只有對加工中心刀具的結構和選擇有足夠的知識和理解,才可以在實際工作中靈活使用,確保加工零件的質(zhì)量和加工效率,充分發(fā)揮數(shù)控機床的優(yōu)點,提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和生產(chǎn)水平。 引用 [1]Du H w .加工中心選擇和工具應用程序。上海汽車技術學院報紙,(1):2004 [2]WU W G,Xin Z j .金屬切削和刀具的原理。北京:國防工業(yè)出版社,2009 [3] Fan J J， Liu R X， Guo Z J.在數(shù)控機床中刀具的合理選擇?，F(xiàn)代制造技術和設備，(4):54、2007 [4] Chen M， Liu G， Zhong J W．CAXA 制造工程數(shù)控加工。北京:北京航空航天大學出版社,2006 年版 ［5］ Li C．數(shù)控加工舉例。沈陽:遼寧科學技術出版社,3,2005 [6] He Z C. 數(shù)控工具和削減參數(shù)的引入。大眾科學, (1):125，2010 附錄 2：外文原文 銑加工中心換刀機構設計 壓縮包內(nèi)含CAD圖紙和三維建模及說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985 銑加工中心換刀機構設計 總計：   摘 要 加工中心是一種配以刀具庫和自動換刀系統(tǒng)的高自動化、高柔性的加工設備。自動換刀系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成，PLC 控制換刀機構完成自動換刀，一次能完成多種工藝。在數(shù)控機床內(nèi)，加工中心運用廣泛，因此對換刀機構的設計研究是很有意義的。 本設計主要對主軸以及換刀機構進行設計計算。根據(jù)設計要求，參考設計手冊， 進行了主軸的直徑選取、扭矩校核和使用壽命驗算等計算。為了有利于自動裝卸刀具， 主軸內(nèi)還設計有自動夾緊裝置和切屑清除裝置。換刀機構采用回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械 手，由液壓缸來完成對換刀動作的驅(qū)動。另外，本設計還研究了電氣控制系統(tǒng)，采用PLC 對其進行控制，合理選用了單片機并設計了電氣控制線路。 本次設計自動換刀裝置是數(shù)控銑加工中心的重要部件，完成和其它的部件裝配后，可以有效提高切削功率以及加工效率，并能使得換刀時間縮短，提升刀具的是重復定位精度。 關鍵詞： 加工中心；主軸；換刀裝置；PLC I ABSTRACT The machining center is a highly automated, highly flexible processing equipment with a tool magazine and automatic tool changer system. Automatic tool changer system consists of control system and tool changer. PLC makes the tool changer complete the automatic tool change.At the same time,it can complete a variety of processes. In the CNC machine tool, the processing center is widely used, so the design of the tool change is very meaningful. The paper designs and calculates the spindle and tool change mechanism. According to the design requirements, refer to the design manual, the diameter of the spindle is selected, the torque of the spindle is checked and the life of the spindle is checked. In order to facilitate to load and unload tool automatically，the spindle is also designed with automatic clamping device and chip removal device. The tool changer adopts a rotary single-arm, two-handed manipulator, and the hydraulic cylinder is used to complete the driving of the tool change. In addition, the design also the electrical control system which controlled by PLC.What's more,it selects single chip reasonably and designes the electrical control circuit. Automatic tool changer is an important part of CNC milling machining center. After the completion of assembly with other parts, it can effectively improve the cutting power and processing efficiency. It can also shorten the time of changing tools and raise the repeatability of the tool. Key words: Machine Center ; Principle axis ;Tool Changer;PLC 目 錄 1. 緒論 1 1.1 數(shù)控機床的概述 1 1.2 數(shù)控機床的特點 1 1.3 加工中心的原理 2 1.4 數(shù)控技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 3 1.5 本設計研究內(nèi)容 4 2. 加工中心換刀機構方案設計 5 3. 主軸及換刀機構的設計計算 7 3.1 主軸的性能分析 7 3.2 刀具自動裝卸及切屑清除裝置 7 3.3 主軸準停裝置 8 3.4 主軸部分零件的設計計算 8 3.5 換刀機構的設計 13 3.6 液壓缸的計算 15 4. 加工中心硬件的選擇設計 19 4.1 CPU 的選擇 19 4.2 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展 19 4.3 I/O 接口的擴展 19 4.4 步進電機驅(qū)動器的選擇 20 4.5 液壓缸的控制 21 5. 結 論 22 參 考 文 獻 23 致 謝 24 附錄 1：外文翻譯 25 附錄 2：外文原文 30 II 銑加工中心換刀機構設計 1. 緒 論 1.1 數(shù)控機床的概述 作為高度一體化的產(chǎn)品，加工中心包括傳統(tǒng)車床、銑床、鉆床等，對機械加工有著較大的影響。它依靠編程來實現(xiàn)對加工速度和進給量的控制，加工后，零部件擁有很高的精度以及高的工作效率，同時對經(jīng)濟效益有良好的促進作用。加工中心可以一次性的加工多個工序，不僅可以實現(xiàn)工序的集中而且還能實現(xiàn)工藝的復合，因此能減少加工的時間，增加效率，減少安裝次數(shù)和定位次數(shù)。就目前而言，在數(shù)控機床的范圍內(nèi)加工中心的生產(chǎn)的量是最多的，同時也是應用最廣泛的。因此對換刀機構的設計研究很有研究價值。 進入新世紀以來，我國的綜合實力日益增強，加工中心市場發(fā)展愈發(fā)迅速，汽車行業(yè)，機械行業(yè)以及航天行業(yè)等方面對加工中心的依賴日益增加，我國也開始自己研發(fā)生產(chǎn)加工中心，對數(shù)控系統(tǒng)以及一些零部件進行擇優(yōu)選擇，不僅提高了生產(chǎn)質(zhì)量而且還提高了性價比，漸漸地在國內(nèi)受到認可和肯定。 伴隨科技的不斷進步，對機械產(chǎn)品的精度要求也是與日俱增。在造船、宇航、等領域需要的機械零件的要求是高精度，小批量。加工此類產(chǎn)品工序繁瑣，復雜度高， 普通的機床已經(jīng)無法完成這種復雜的加工。因此，一種新型的機床—數(shù)控機床由此誕生。強適應性、高加工精度、穩(wěn)定的加工質(zhì)量穩(wěn)定和高的生產(chǎn)效率是這種機床的顯著特點。數(shù)控機床結合了多方位的資源，其中包括計算機、自動控制以及新型機械結構技術等，機床控制的發(fā)展也會向數(shù)控機床靠攏。 廣泛采用自動機床、組合機床等被大批量的自動化生產(chǎn)采用，能夠?qū)崿F(xiàn)多把刀具、多個工位、多個加工面同時加工，這樣就提高了生產(chǎn)效率和自動化程度。然而這些生產(chǎn)并不能在小批量生產(chǎn)中應用，因為在小批量生產(chǎn)中，產(chǎn)品的品種經(jīng)常變換，因此柔性對于生產(chǎn)線是十分重要的。可以說，數(shù)控機床的出現(xiàn)同時滿足了兩方面的要求，一是剛性生產(chǎn)線，二是柔性生產(chǎn)線。 1.2 數(shù)控機床的特點 除少數(shù)使用步進電動機驅(qū)動的簡易數(shù)控機床以及作為特殊用途的數(shù)控機床外，一般來說，數(shù)控機床具有以下特點： 1 加工精度高 數(shù)控機床加工精度比普通機床高主要由以下幾個方面體現(xiàn)： 1） 數(shù)控機床的脈沖當量小，位置分辨率高。 2） 數(shù)控系統(tǒng)具備誤差自動補償功能。 3） 數(shù)控機床的傳動系統(tǒng)與機床結構設計都具有比普通機床更高的剛度和穩(wěn)定性，部件的制造和裝配精度均比較高，提高了機床本身的精度和穩(wěn)定性。 - 24 - 4)數(shù)控機床采用了自動加工方式，避免了加工過程中的人為誤差。 2 機床的柔性強 在數(shù)控機床上，改變加工零件只需要重新編制程序，就能實現(xiàn)對不同零件的加工， 它為多品種，小批量生產(chǎn)加工以及新產(chǎn)品試制提供了極大的便利。同時，由于數(shù)控機床通過多軸聯(lián)動，具備曲線曲面的加工能力，擴大了機床的適用范圍。特別對于普通機床難以加工或無法加工的復雜零件，利用數(shù)控機床可以充分發(fā)揮功能，提高加工精度和效率。因此，對加工對象變化的適應性好，柔性比普通機床強。 3 自動化程度高，勞動強度低 數(shù)控機床對零件的加工是根據(jù)事先編制好的程序自動完成的。在正常加工過程中，操作者只要進行極為簡單的操作，即可完成零件的自動加工，不需要進行繁雜的重復性手工操作，操作者的勞動強度可大大減輕。此外，數(shù)控機床一般具有較好的安全防護、自動排屑、自動冷卻和自動潤滑裝置，使操作者的勞動條件也得到了很大改善。 4 生產(chǎn)率高 數(shù)控機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高，一般為普通機床的 3～5 倍，對某些復雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。 5 良好的經(jīng)濟效益 數(shù)控機床雖然設備價格較高，分攤到每個零件的加工費用較普通機床高，但使用數(shù)控機床加工，可以通過上述優(yōu)點體現(xiàn)出整體效益。特別是數(shù)控機床的加工精度穩(wěn)定， 減少了廢品，降低了生產(chǎn)成本；此外，數(shù)控機床還可一機多用，節(jié)省廠房面積和投資。因此，使用數(shù)控機床，通常可以獲得良好的經(jīng)濟效益。 6.有利于現(xiàn)代化管理 采用數(shù)控機床加工，能準確地計算零件加工工時和費用，簡化了檢驗工、夾具， 減少了半成品的管理環(huán)節(jié)，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 1.3 加工中心的原理 在數(shù)控機床上加工零件時,首先應根據(jù)零件的形狀和尺寸分段,然后根據(jù)工藝要求確定加工程序,坐標移動量,并確定相應的進給速度和主運動速度等參數(shù),最后將程序輸入微機,完成編程運行過程.伺服機構根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的信息指令,驅(qū)動機床有關部件,使刀具和工件嚴格按照程序設定的相對運動,從而使機床精確的加工出符合圖紙要求的工件。 加工中心一般分為以下幾個組成部分:程序編制、數(shù)控裝置、伺服機構、機床本件。程序編制雖然不是加工中心的一個具體部件,但是它的作用已經(jīng)遠遠的超過了一個部件的作用。在加工復雜零件時,程序的編制是非常重要的,它是有效利用數(shù)控機床的關鍵。數(shù)控裝置實施數(shù)控機床的計算和控制系統(tǒng),它接受編制的程序之后,控制有關部件做出所需的動作,完成加工任務。伺服機構是數(shù)控機床在機床結構方面有別于別 的機床的地方,屬于加工中心的一個特殊的部件。機床組件包括有液壓部件和機械加工的相關部件。 1.4 數(shù)控技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.3.1 數(shù)控（NC）階段 早期的時候，計算機還沒完全發(fā)展起來，運算的速度無法保證能夠?qū)C床進行實時控制。這時就需要借助數(shù)字邏輯電路來完成，將這些電路組成機床專用的計算機， 來作為數(shù)控系統(tǒng)，簡稱數(shù)控（NC）。在元器件不斷開發(fā)的過程中，一共走過了三個階段，分別是 1952 年的電子管到 1959 年的晶體管再到 1959 年的小規(guī)模集成電路。 1.3.2 計算機數(shù)控（CNC）階段 上世紀 70 年代，小型計算機業(yè)發(fā)展迅速，可以被通用，同時也可以大批量的生產(chǎn)。由于小型計算機日趨成熟，人們開始使用它成為數(shù)控系統(tǒng)的核心，這標志著正式進入計算機數(shù)字控制的階段。眾所周知，計算機上的兩個最重要的核心部件是控制器和運算器，它們是由美國公司 INTEL 在上世紀 80 年代初融合在一塊芯片上所制作完成的，人們稱它為微處理器或者是中央處理單元，簡稱為 CPU。上世紀 90 年代末， 個人計算機（PC 機）的得到非常迅速的發(fā)展，在處理能力和處理速度上面有了很大的提升和優(yōu)化，已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件。 上世紀 50 年代末我國開始研究數(shù)控技術，到上世紀 60 年代中，我國一直處于研發(fā)階段。之后我國開始致力于晶體管數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)。1970 后，我國在數(shù)控技術的領域開始全面快速的發(fā)展，包括車床、銑床等各種車床，齒輪加工、點等各種復雜高精度要求的加工，同時我國在數(shù)控加工中心的領域內(nèi)取得了很大的成果。與此同時，數(shù)控機床也在模具生產(chǎn)中廣泛應用由于它結構簡便，成本低等優(yōu)點。上世紀80 年代，我國向日本學習了一些先進的數(shù)控技術，并將這些先進的數(shù)控系統(tǒng)和完善的伺服驅(qū)動機引入到國內(nèi)，同時也向德國和美國這些技術發(fā)達的國家學習了先進的數(shù)控技術。因此我國在機床的質(zhì)量和性能上有了很大的提高。上世紀 90 年代后，低檔次的數(shù)控系統(tǒng)逐漸被淘汰，高檔的機床開始穩(wěn)步發(fā)展。雖然我國目前可以生產(chǎn)各個種類的數(shù)控機床，但總體來說，平均水平還是不高，較為先進的可以生產(chǎn)加工超精密的產(chǎn)品，而一些落后的技術就很難跟上世界的步伐。但倘若國家政府開始重視，達到領先水平也是可以期盼的。最后，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三個階段，分別是 1970 年的小型計算機，1974 年的微處理器和 1990 年的基于 PC 三個階段。 1.3.3 數(shù)控技術的發(fā)展方向 伴隨著科學的不斷發(fā)展，技術的不斷革新，人們對數(shù)控技術的性能提出了更高的要求。要求數(shù)控機床的精度要越來越高，速度越來越快，智能性和可靠性越來越高。主要在以下幾個方面展現(xiàn)： ⑴ 高速度與高精度化 速度和精度是展現(xiàn)數(shù)控機床先進程度的兩個重要性能，它們不僅能影響產(chǎn)品的質(zhì)量，也會影響生產(chǎn)的效率，尤其在超切削速度很高以及加工很高精度產(chǎn)品的條件下， 這就要求機床坐標軸有更快的位移速度以及更高的定位精度。當然，高速度和高精度也是互相牽制的，加工精度越高位移速度也就越難保證。現(xiàn)代數(shù)控機床的進給速度已經(jīng)可以達到 lμ m (100 一 2 40m / min）、0 01μ m (24m /min）、0.01m (400 一800mm/min)。以下幾個方面的措施研究用于滿足高速度以及高精度的要求: ⑵ 多功能化 1） 為了使設備的利用率能有所提高，數(shù)控機床通常要具有多個功能。 2） 為了使工作效率以及利用率有所提升，前后臺需要達到能同時工作的能力。 3） 除具有通信口、DNC 功能，現(xiàn)代數(shù)控機床還應該有網(wǎng)絡功能。 ⑶ 智能化 1） 自適應控制技術的引進。在改變加工過程的時候，系統(tǒng)可以按照實時測出的工參數(shù)，從而去調(diào)整校正整個機器運轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)，這樣就能使加工的時候各組件趨于更完善的工作狀態(tài)，這也是自適應控制技術的目的。 2） 當機器發(fā)生問題的時候能夠自身進行診斷問題所在，并對其進行修復的功能主要是通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部安置的程序來實現(xiàn)的，這種程序可以幫助在線的做出故障診斷，當有故障發(fā)生的時候，整個機器將自動的停止運作，并與此同時，CRT 開始工作，進行對故障發(fā)出警報，提示有故障發(fā)生，然后運用用“冗余”技術，使得發(fā)生故障的模塊自動的脫離機器，使得正常的待機模塊與機器相連接。 3） 使用紅外、聲發(fā)射、激光等檢測手段有助于對自動的檢測刀具壽命以及完成換刀時候的自動化。當發(fā)現(xiàn)一些如工件的質(zhì)量不符合要求，刀具開始磨損等問題的時候，系統(tǒng)會及時的報警，并對已經(jīng)產(chǎn)生的誤差進行補償，并對損壞的刀具進行更換從而使得產(chǎn)品的質(zhì)量能夠得到保證。 1.5 本設計研究內(nèi)容 本畢業(yè)設計選擇的題目是“銑床加工中心換刀機構設計”，本次設計主要包括主軸設計，換刀機械手設計，電器控制圖。主要技術參數(shù)及技術要求： X，Y，Z 軸的行程分別是 600，300，400mm；進給精度 0.001mm；X，Y，Z 軸的移動速度分別是2.5，2，1mm/min；工作臺面尺寸 320×1000mm；脈沖當量 0.01mm/步；重復定位精度 0.01mm。 2. 換刀機構的方案設計 為了方便實現(xiàn)換刀的過程，選擇了用一根軸來帶動機械手的轉(zhuǎn)動，其次為了穩(wěn)定的實現(xiàn)換刀的功能，機械手臂通過螺紋聯(lián)接在主軸上。在控制方式的選擇上，選擇液壓傳動，相比于其它的傳動方式更有利于對換刀的自動控制。 原理如圖 2.1 所示。在換刀的時候，機械手主要完成以下幾個動作，分別是抓住刀具，將刀具拔出，對刀具進行更換，將刀具插入，使機械手復位這幾個動作。 1：液壓缸 2：液壓缸 3：液壓缸 4：機械手抓 5：擋板 6：齒輪 7：花鍵套 圖 2.1 換刀機構原理圖 8：齒輪 自動換刀的過程說明： 抓刀：需要抓刀時，缸 2 左腔進油。在推力的作用下，裝有齒條的桿就開始向右 移動。在向右移動的過程中，齒條便與齒輪 8 相嚙合，前者使得后者開始旋轉(zhuǎn)。齒輪 8 連接一個花鍵套 7，它們的連接方式是銷鍵聯(lián)接，于是花鍵套 7 一開始轉(zhuǎn)動。液壓 缸 2 桿上的右端和行動軌跡線上分別設有一個擋板和行程開關，當它倆接觸的時候， 此時主軸就旋轉(zhuǎn)一定的角度，并使得主機械手 4 實現(xiàn)抓刀。 拔刀：拔刀時缸 1 上腔進油，在推力的作用下，主軸開始向下移動，向下移動過 程中，花鍵套 7 便和齒輪 8 分開，當行程開關和主軸上的擋板 5 相接觸時，花鍵套 7 和齒輪 6 銷鍵聯(lián)接。這時機械手 4 就將刀具同時拔出。 換刀：換刀時，缸 3 左腔進油。在推力的作用下，裝有齒條的桿就開始向右移動。 向右移動的過程中，齒條與齒輪 6 相互嚙和，前者使得后者開始轉(zhuǎn)動。齒輪 6 連接一個花鍵套 7，它們的連接方式是銷鍵聯(lián)接動，主軸開始旋轉(zhuǎn)。當桿上的擋板接觸到行程開關時，這時主軸轉(zhuǎn)過的角度為 180 度，于是就完成是換刀的動作。 插刀：插刀的時候，缸 1 下腔進油。在推力的作用下，主軸開始向上移動，這時 花花鍵套 7 便和齒輪 6 分開，當主軸上的擋板 5 接觸到行程開關的時候， 7 與 8 開 始聯(lián)接。這時機械手 4 就在主軸的孔中插入刀具，同時將刀具插入刀套的孔中，這樣就實現(xiàn)了插刀。 復位：復位的時候缸 2 右腔進油。在推力的作用下，裝有齒條的桿就開始向左， 移動。齒輪 8 開始轉(zhuǎn)動，齒輪 8 與花鍵套 7 連接，前者的轉(zhuǎn)動就能帶動后者的轉(zhuǎn)動， 從而帶動主軸的轉(zhuǎn)動。液壓缸 2 桿上的右端有一個擋塊，當它碰到右邊的行程快關的 時候，主軸轉(zhuǎn)過的角度是 75 度，同時機械手 4 松刀。此時缸 3 右腔進油，在推力的 作用下，桿向左移動，液壓缸 2 活塞桿上的右端有一個擋塊，當它碰到左邊的行程快關的時候停止進油，這樣就實現(xiàn)了復位。 銑加工中心換刀機構設計 3 主軸及換刀機構的設計計算 3.1 主軸的性能分析 主軸是機床上很重要的部件。它的性能往往可以影響整個機床的性能。由于主軸的轉(zhuǎn)速范圍很大且主要的切削力由主軸來承受，因此主軸組件需要滿足以下幾點要求： （1） 旋轉(zhuǎn)精度高 （2） 剛度強。 （3） 溫升和熱變形小。 （4） 抗振性好 （5） 精度保持性好。 當然，以上這些要求有時候不能同時達到，比如旋轉(zhuǎn)精度越高，剛度就很難有所保證；旋轉(zhuǎn)的速度越快，溫升也會隨之加速等。所以具體要滿足哪些要求要看具體情況進行分析。 3.2 刀具自動裝卸及切屑清除裝置 主軸的性能除了要滿足高精度以及高剛度外，還需要安裝一些裝置使得刀具可以實現(xiàn)自動的安裝卸下，同時能使得主軸孔內(nèi)的切屑能夠得到有效的清除。實現(xiàn)裝夾錐柄刀具的 7：24 的錐孔安裝在主軸的前端。端面鍵有兩個作用，一是可以用于刀具定位，二是可以傳遞扭矩，刀具自動夾緊裝置安裝在主軸內(nèi)，它的目的是完成刀具的自動裝卸。該機床設有拉緊機構可以實現(xiàn)對刀具的自動夾緊。當?shù)毒弑还潭〞r，液壓缸上腔進油，彈簧被向上推并且活塞被鎖定，桿運動軌跡是向上。拉桿的徑向孔中有四個鋼球，它們開始進入拉釘?shù)沫h(huán)形凹槽。使得心軸被拉桿緊固，并且固定在軸上通過摩擦力的方式。在刀具更換時，刀具被釋放，液壓缸的上部腔室與油接觸，活塞將桿向下推，使它向下，從而使得壓縮彈簧;當鋼球隨著桿向下移動到較大的直徑進入主軸孔時。不能夠?qū)^部有約束限制作用，然后刀夾開始松動，緊接著機械手收到信號便把刀取下。同時，壓縮空氣管從管道通過活塞和桿孔進入主軸裝刀孔，移除屑或碎屑，這樣刀具夾緊的精度就可以被保證。新刀被安放在主軸上后，液壓缸被接通， 液壓油進入液壓缸，與此同時，刀夾被彈簧拉緊。當?shù)毒邤Q緊時，信號將由行程開關被發(fā)出。在換刀的時候，主軸孔中的碎屑能被及時的清除是很重要的。 3.3 主軸準停裝置 為了使主軸可以精確在固定的軸向位置上停止，準停裝置將被安裝在機床的主軸部件上。這種裝置可以使得在換刀的時候主軸上的端面鍵的母線與刀夾上鍵槽的 母線相對齊，也可以保證在裝刀的時候，刀夾相對于主軸的位置不會發(fā)生變化。這樣有利于安裝精度的提高，并對孔的加工有促進作用。在本設計中，電氣準停裝置安裝于主軸部件上，圖 3.1 展示了它的工作原理，多楔帶輪和主軸連接，前者能帶動后者一起轉(zhuǎn)動，厚墊片起固定作用，將它安放在帶輪的端面上，并將一個小體積的永久磁鐵安裝在厚墊片上。磁傳感器安裝在需要主軸準確停止的相應位置上。當機器要停止換刀時，CNC 系統(tǒng)發(fā)出信號，這時主軸電動機將立刻減速，當主軸轉(zhuǎn)動的速度減少到最低，這時厚墊片上的永久磁鐵便與磁傳感器相對準，磁傳感器將會發(fā)出指令，使得主軸停止在準確的位置上。這個信號經(jīng)過放大器然后被放大，被放大后的信號經(jīng)過定向電路，定向電路得到信號并執(zhí)行它便開始控制主軸電動機， 前者使后者可以準確的在規(guī)定的軸向位置上停止。這種裝置可以大大提高重復精度，并能控制在±1°范圍的范圍內(nèi)。 1. 多楔帶輪 2. 磁傳感器 3. 永久磁鐵 4. 墊片 5. 主軸 圖 3.1 電氣準停裝置工作原理圖 3.4 主軸部分零件的設計計算 3.4.1 主軸電機的選取 （1） 銑削力 Fc 的計算 F z Fc =C t0.86 Bz f D-0.86 由機床數(shù)控技術表 13-1 查得CF = 637 0.86 -0.86 Fc =CF t Bz fz D （3.1） = 637′ 200.86 ′5′ 4′ 0.10.72 ′ 40-0.86 = 1337 （2） 銑削功率 Pc 的計算 銑加工中心換刀機構設計 F z P = C ·10-5 · t 0.86nBzf D-0.86 由表 13-1 查得CF = 3.5 F z P = C ·10-5 · t 0.86nBzf D-0.86 = 3.5′10-5 ′ 200.86 ′3000′5′ 4′ 0.10.72 ′ 400.14 = 8.8KW  （3.2） 主電動機的功率  E P = 1.15PC hm  = 8.8 0.75  = 11.7KW  （3.3） 選功率為P = 12KW的 FANUCα 12 型交流電機 3.4.2 帶傳動的計算 （1） 求Pca 查得工作情況系數(shù) KA = 1.2 ，故 （3.4） Pca = K P = 1.2′12 = 14.4KW A （2） 選窄 V 帶帶型 根據(jù) Pca、n1 選SPA 型 （3） 確定帶輪基準直徑 由表8 - 7 以及表8 - 9 進行選取， D1 = 110mm 從動輪基準直徑 D2 驗算帶的速度 D2 = iD1 = 1.9 ′110 = 209mm D2取210mm V = pD1n1 60 ′1000 = p ′110 ′1440 60 ′1000 = 8.29 < 35m/s 由計算得，帶的速度合適。 （4） 窄V帶基準長度和傳動中心距的確定。  （3.5） 根據(jù)0.（7 D1 +D2）< a0 < 2(D1 +D2 ) 初步確定中心距a0 = 300mm 計算帶所需的基準長度 p (D - D )2 L' d = 2a + (D + D ) + ?2 1 0 2 2 1 4a0 2 = 2′ 300 + p (210 +110) + (210-100) = 1111mm 2 4′ 300 （3.6） 基準長度 Ld = 1120mm 可以參照機械設計表 8-3 選取由機械設計式 8-21 計算實際中心距 a L - L' d a = a0 + d 2 = 300 + 1120 - 1111 2 = 304.5mm （5） 驗算主動輪上的包角 a1  （3.7） a = 1800 - D2 - D1 ′ 600 1 a （6） 計算V帶根數(shù)z = 1800 - 210 - 110 ′ 600 304.5 = 160.30 > 1200 所以包角合適  （3.8） z = Pca (P0 + DP0）Ka KL  （3.9） 由n1 = 1440r / min 、 p1 = 110 、i=1.9,查表 8-4 和表 8-5 得 P0 = 1.6012KW 、 DP0 = 0.02KW 由機械設計表 8-1 得 Ka = 0.89 表 8-10 得 KL = 0.96 則 z =?3.9 (1.6012 + 0.02) ′ 0.89 ′ 0.96 （3.10） 取 z=3 根 （7） 計算預緊力 F0 = 2.80 F = 500 pca ( 2.5 -1）+ qV 2 0 vz Ka （3.11） 由機械設計表 8-3 得 q=0.07Kg/m,故 F0 = 500 14.4 8.44 ′ 3 ′ ( 2.5 0.89 -1）+ 0.07 ′ 8.442 = 519.39N （8） 計算作用在軸上的壓軸力 Q Q = 2zF0  sin a1 2  160.30 = 2 ′ 3 ′ 519.39 sin = 3078N 3.4.3 軸的強度剛度校核計算 （1） 主軸整體結構強度校核： d1 = 100mm d3 = 272mm  2 d2 = 153mm d4 = 140mm （3.12） 各截面彎矩 計算彎矩  M zⅠ = 37 /1127 ′163.21 = 5.36N.m M zⅡ = 109 ′163.21/1127 = 15.79N.m M ZⅢ = 163.21 M ZⅣ = 76 ′163.21/1094 = 11.34 M ca = = 校核軸的強度 = 165.07N.m （3.13） s ca = = M ca / w / w ￡ [s -1 ]MPa  （3.14） 根據(jù)機械設計軸的類型表 15-4 得： w = 0.1d 3 = 0.1′ (100 ′10-3 )3 = 0.1′10-3 s ca = M ca / w = 165.07 / 0.1′10-3 = 1.65MPa [s -1 ] = 0.43s b = 0.43′ 637 = 273.91MPa 軸的材為 45 號鋼，查表得 s b = 637MPa sca < [s-1 ] ：軸的彎曲強度符合要求。 （2） 軸的彎曲剛度校核計算： ①根據(jù)公式計算： 銑加工中心換刀機構設計 dV = = = 56mm ②軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計算： a. 扭角的計算： 參照（機械設計》公式 15-15 可以得到軸的扭轉(zhuǎn)變形：  （3.15） j = 5.73′104 其中 T: 軸所受的扭矩，N.mm; T GIP G; 軸的材料得到剪切彈性模量，Mpa,對于鋼材 G = 8.1′104 Mpa pd 4 IP = 32 j = 5.73′104 T GIP = 5.73′104 ′ 17.94 4  604 （3.16） 8.1′10 ′ 32 b. 計算軸的彎曲剛度 計算截面I處的撓度： = 0.0003130 < [j ]= 0.30 yⅠ 軸的剛度滿足要求 = -Pb[l(x - a)3 / b + (l 2 + b2 )x - x3 ] / 6EIl = -0.2′ 294′ 64 ′[(0.422 + 0.22 ) ′ 0.22 - 0.223 ] / 6′ 2.15′103 ′ 3.14 ′（56 ±′10-3）′ 0.42 = 0.00263mm < 0.1d = 0.1′ 0.5 = 0.05  （3.17） 3.4.4 軸承的壽命計算： （1） 軸承的受力分析： ① 徑向力 由于是雙支撐軸承 R1V R2V ②兩軸承的當量動載荷: = RA / 2 = 188.17 / 2 = 94.09N = RB / 2 = 141.13 / 2 = 70.57N 由于軸承不受軸向力 徑向動荷系數(shù)  X 1 = 1 X 2 = 1  Y1 = 0 Y2 = 0 因為在軸承運動的時候不受到?jīng)_擊或受到的沖擊很小,那么就可以按照按表 13-6 選取得 f p = 1.1 （2） 壽命計算： P1 = P2 = f P (x1 R1 + Y1 A1 ) = 1.1′ 94.09 = 103.50 P f (x2 R2 + Y2 A2 ) = 1.1′ 70.57 = 77.63 P1 > P2 所以按軸承 A 的壽命計算 壽命計算公式： 3.5 換刀機構的設計  L = 106 (c / P)e / 60n h = 106 (48810 / 94.09)3 / 60 ′ 3000 = 774 ′106 (h)  (3.18) 3.5.1 換刀機構的結構設計: 本設計中，選用的換刀機械手是回轉(zhuǎn)式單臂雙使機械手，換刀手如圖 3.1，它的三維實體圖如圖 3.2 所示。 圖 3.1 換刀手 銑加工中心換刀機構設計 圖 3.2 回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手三維實體圖 圖 3.3 換刀機構三維實體圖 換刀幾個號三維實體圖如圖 3.3 所示，機械手臂通過螺紋來連接在主軸上，這樣主軸的轉(zhuǎn)動就可以帶動手臂的轉(zhuǎn)動，為了保證轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性，使用圓柱銷來定位，并用螺母來使它固定。手抓和手臂通過兩個螺釘來固定連接。 3.5.2 控制方式的選擇: 本設計中，選用的控制方式是液壓傳動，目的是這樣有利于完成對換刀過程的自動控制。主要由四個部分構成液壓系統(tǒng)，具體如下： (1) 液壓泵：它的功能是把機械能轉(zhuǎn)化成液壓能。 (2) 執(zhí)行元件：它的功能是把液壓能轉(zhuǎn)化成機械能。 (3) 控制元件：憑借控制液體的壓力，流量以及方向去控制執(zhí)行元件的運動速度，控制元件的方向以及作用力等。 (4) 輔助元件：除了液壓泵，執(zhí)行元件，控制元件以外的其它元件，如：管道， 管接頭，油箱等。 液壓傳動的優(yōu)點：比起機械傳動以及電氣傳動有如下的優(yōu)點： (1)液壓傳動中的各類元件構造簡單，有利于布置其位置。 (2)易于控制，其調(diào)速的變動范圍較大。 (3) 當元件的負荷超載的時候，可以自動保護。 (4) 由于采用的介質(zhì)是礦物油，這樣就能起到潤滑的作用，可以延長使用壽命。(5)有利于完成直線運動。 3.6 液壓缸的計算 1 液壓缸工作壓力的確定 液壓缸主要承受的三個方面的負載如實際的工作負載、運動時的受到的摩擦力以及慣性力等。液壓設備根據(jù)用途的不同，工作條件的不同以及不同的壓力范圍來確定工作負載。液壓缸的公稱壓力由《液壓傳動系統(tǒng)及設計》表 9—5 可知，有如下幾種標準； 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 10 16 25 單位： MPa 在本次設計中擬選用 Pn = 4.0MPa 2 計算液壓缸活塞以及活塞桿的直徑 液壓缸的負載率 y = 實際使用推力 理論額定推力 ψ 通常的取值范圍是 0.5～0.7，本設計選用的值是 0.6。  （3.19） 2 j = A = V = D 速比 選取j = 1.32  1 2 2 1 A V D2 - d 2 (3.20) 于是 經(jīng)轉(zhuǎn)換得  d = 0.5D 2 D 1.32 = D2 - d 2 當液壓缸返回的時候，這時作用在活塞上的力 F: F = Fa + Fb + Fc + Fd 其中 Fa 是外負載力，取 Fa = 1000N Fb是回油阻力， DP 取 0.5MPa。  （3.21） F = p D2 DP = 3.14 ′ 0.5 ′106 D2 = 4 ′105 D2 b 4 4 （3.22） Fc 是密封圈在受到摩擦的情況下所遇到的阻力，公式如下 Fc = fDPp (DbD KD + dbd Kd ) （3.23） f 的取值范圍為 0.05～0.2 a DP 是密封圈兩側的壓力差 DP = P - P0 = 4MPa - 0.5MPa = 3.5MPa = 3.5′106 P （3.24） 根據(jù)書本取bD = bd = 0.006 ， KD = Kd = 0.25 這樣帶入公式 Fc = f DPp (DbDKD + dbd Kd ) = 0.15′ 3.5′106 ′ 3.14 ′(D ′ 0.006 ′ 0.25 + 0.5D ′ 0.006 ′ 0.25) = 3700D 取 Fd =50Kg，a=1m/s  Fd = mg + ma = m(g + a) （3.25） 這樣就有 = 50 ′ (10 + 1) = 550N F = Fa + Fb + Fc + Fd = 1000 + 0.39 ′106 D2 + 3700D + 550 = 0.39 ′106 D2 + 3700D +1550  （3.26） （3.27） 當液壓油進入到有桿的那個腔內(nèi)的時候，活塞所受到的力為； F = ( A P - A P )h = p [D2 (P - P ) - d 2 P]h 2 2 1 0 m 4 0 m （3.28） m hm 是液壓缸的機械效率，取h = 0.92 把上述值帶入公式 F = p [D2 (P - P ) - d 2 P]h 2 4 0 m = 3.14 [D2 (4MP - 0.5MP ) - (0.5D)2 4MP ]′ 0.92 4 a a a = 3.14 ′ 2.5 ′106 D2 ′ 0.92 = 1.8 ′106 D2 4  （3.29） 2 根據(jù)公式 F = j F 即0.39 ′106 D2 + 3700D +1550 = 0.6 ′1.8′106 D2 這樣就得到關于 D 的方程0.71′106 D2 - 3700D -1550 = 0 解方程可得到 D = 將其圓整得 D=50mm  2 ′ 0.71′106 = 0.0494m = 49.4mm  （3.30） 于是活塞桿的直徑為d = 0.5D = 0.5′ 50 = 25mm 3、缸筒壁厚根據(jù)公式: 選用 Pmax = 32MPa d 3 Pmax D 2.3s P - 3Pmax  （3.31） s = 缸筒材料的屈服強度 = s s P 安全系數(shù) n (3.32) 查表可知，45 號鋼s s = 600MPa ，n 是安全系數(shù)，擬取 n=4 所以 s = s s = 600MPa = 150MP p n 4 a d 3 Pmax D 2.3s P - 3Pmax = 32 ′ 0.05 2.3 ′150 - 3 ′ 32 = 1.6 249 = 6.5mm 考慮到安全帶因素，取δ = 8mm 。 （3） 液壓缸的驗算 ①液壓缸的額定壓力 Pn： （3.34） s (D 2 - D 2 ) D 2 n P ￡ 0.35 s 1 1 = 600(0.0662 - 0.052 ) 0.35 = 89.47MPa 0.0662  (3.35) 其中 D1 是液壓缸的外徑 D1 = D + 2d = 0.05 + 2′ 0.008 = 0.066m Pn = 4MPa < 89.47MPa 4 液壓缸的驗算 所以符合要求。 ① 液壓缸的額定壓力 Pn 不能超過極限值 s (D 2 - D 2 ) D 2 n P ￡ 0.35 s 1 1 = 600(0.0662 - 0.052 ) 0.35 = 89.47MPa 0.0662  (3.24) D1 ;液壓缸的外徑 D1 = D + 2d = 0.05 + 2′ 0.008 = 0.066m 在本次設計中取值 Pn = 4MPa < 89.47MPa 所以滿足要求 ②Pn 和塑性變形壓力之間的關系：： Pn ￡ 0.35 - 0.42PPL  （3.25） 其中 Ppl 是液壓缸的塑性變形壓力 P ￡ 2.3s log D1 = 2.3′ 600 log 0.066 = 166.4MP PL s D 0.05 a （3.26） 這樣就有 Pn ￡ 0.35 - 0.42PPL = 0.35′166.4 = 58.24MPa  （3.27） 由于 Pn = 4MPa < 58.24MPa  ，故滿足設計要求。 銑加工中心換刀機構設計 4. 加工中心硬件的選擇設計 4.1 CPU 的選擇 在主控制器的選擇上，結合性價比考慮，本設計中選用單片機是 8031。8031 有很強的功能，這個系列的產(chǎn)品將 CPU、I/O 端口和部分 RAM 等集中在一起。在些許外設器件的輔助下就能形成一個完整的微型計算機控制。此外開發(fā)手段具有多樣性，指令系統(tǒng)有很強大的功能，同時具有靈活性以及許多的硬件資料。8031 在工業(yè)控制中有很大的優(yōu)勢，有著相當普遍的應用。 4.2 程序，數(shù)據(jù)存儲器的擴展 單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片，其型號分別為：2716、2732、2764、27128、27256 等，其容量分別位 2k、4k、8k、16k、32k。在選擇芯片時， 要考慮 CPU 與 EPROM 時序的匹配。即 8031 所能讀取的時間必須大于 EPROM 要求的讀取時間。此外，還要考慮最大讀出速度、存儲器的容量。在滿足容量要求應盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用 2764 作為擴展芯片。 2764 與 8031 主要是三總線的聯(lián)接。2764 中的低 8 位地址線通過地址寄存器 74LS373 與 8031P0 口相聯(lián)。當?shù)刂芳拇嬖试S信號 ALE 位高電平，則 P0 口輸出地址有效。8 位數(shù)據(jù)線直接與 8031 P0 口相聯(lián)；高 5 位地址線分別與 P2.0～P2.4 相聯(lián)， OE 引腳直接同 8031PSEN 引腳相聯(lián)，片選信號 CE 接地，以便總能選中。由于 8031 只能選通外部程序存儲器，因而其 EA 引腳接地。 由于 8031 內(nèi)部 RAM 只有 128 字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴展片 外的數(shù)據(jù)存儲器。單片機應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴展電路一般采用 6116 和 6264 靜態(tài) RAM 數(shù)據(jù)存儲器，其選用的規(guī)則與 EPROM 程序存儲器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用 6264 芯片作為數(shù)據(jù)存儲器的外擴芯片。 6264 低 8 位地址線通過地址鎖存器 74LS373 與 8031 P0 口相接，高 5 位地 址線分別與 P2.0～P2.4 相聯(lián)，8 位數(shù)據(jù)線直接接至 8031 P0 口，讀寫控制引腳OE、WR 與 8031 的讀寫控制引腳 RD、WR 直接相聯(lián)，片選端 CE1 通過譯碼電路與 8031 相聯(lián)。 4..3 I/O 接口的擴展 8031 單片機共有四個 8 位并行 I/O 口，但可供用戶使用的只有 P1 口及部 分 P3 口線。因此在大部分應用系統(tǒng)中都不可避免地要進行 I/O 口的擴展。通用可編程接口芯片 8255 具有 2k 位的靜態(tài) RAM，3 個 8 位可編程并行 I/O 口、一個 14 位的計數(shù)器。由于 8255 與單片機的接口簡單，是單片機系統(tǒng)廣泛使用的芯片。 8255 與 8031 的聯(lián)接可歸結為三總線的聯(lián)接。8255 本身具有地址鎖存信號控制線和地址鎖存器，故可直接將地址、數(shù)據(jù)線 AD0～AD7 直接與 8031 口線對應的相聯(lián)，8255的 ALE 與 8031 的 ALE 直接相聯(lián)，高 8 位地址的 P2.5～P2.7 經(jīng)譯碼器 74LS138 提供8255 的片選信號 CE,A 0 和 A 1 分別和 8031 的 A 0 和 A 1 相連，其它讀寫信號 WR、RD 也都對應相聯(lián)。8255 的地址與 8031 統(tǒng)一編址。 4.4 步進電機驅(qū)動器的選擇 圖 4.4 步進電機 算機和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔步進電機是一種用脈沖信號控制的電動機。在負載能力及動態(tài)特性范圍內(nèi)，電動機的角位移僅與控制脈沖成正比。在多數(shù)情況下，用步進電機作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)不需要A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟性數(shù)控機床最主要的一種伺服驅(qū)動元件。 在該控制系統(tǒng)中擬選用的是集成的步進電機驅(qū)動器，它的內(nèi)部包括環(huán)行脈 沖分配器，光電隔離保護電路和功率放大電路。這樣就簡化了硬件之間的連接， 使線路簡單，連接可靠。 脈沖分配器又叫做環(huán)形分配器，是驅(qū)動步進電機必不可少的環(huán)節(jié)。步進電機的控制方式由環(huán)形分配器實現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列脈沖指令按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各項繞組，實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。在數(shù)控系統(tǒng)中使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。而在本系統(tǒng)中使用的是軟件脈沖分配， 通過編程來達到脈沖分配的目的，從而控制步進電機的各項繞組。 隔離和放大電路：在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后控制步進電機的勵磁繞組。由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏），電流也較大， 如果將輸出信號直接與功率放大器相聯(lián)，將會引起強電器干擾，輕則影響計算機程序的正常進行，重則導致計離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是 4.4 功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，必須將輸出的信號放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)。驅(qū)動器的型號由選擇的步進電機的類型和型號決定。 4.4 液壓缸的控制 為了能實現(xiàn)換刀過程的自動化，就需要把行程開關的狀態(tài)讀進計算機內(nèi)部，通過程序判斷，輸出指令，來控制電磁換向閥的線圈，進而控制閥芯的位置，來決定液壓油的流向和活塞的運動方向。因為擴展后的 8255 的 I/O 口還不能滿足要求，就需要在擴展一片 8255，它的接線方式和上一片 8255 的接線方式大致相同。PB 口的 8 個I/O 分別接 8 個行程開關的狀態(tài)，為輸入口。PC 口其中的四個口接液壓缸的電磁換向閥線圈，為輸出口。 5 結 論 本次設計介紹了數(shù)控機床出現(xiàn)的背景，它的產(chǎn)生以及現(xiàn)狀，然后介紹了數(shù)控機床的特點，分析了數(shù)控技術的發(fā)展趨勢。 通過對刀具切削力的計算，選取主軸電機為 FANUCα 12 型交流電機 P=12KW； 通過帶傳動的計算，確定了帶輪的各種基本參數(shù)；通過主軸性能的分析去對部分零件進行設計計算，計算主軸各個截面的彎曲扭矩去選用何時主軸工件的部件；接著校核主軸的剛度強度并進行選材；換刀機構最終的三維示圖如圖 5.1 所示，機械手通過螺紋連接在主軸上，液壓缸推動齒條移動，后者與齒輪嚙合，齒輪隨之轉(zhuǎn)動，于是帶動花鍵套與主軸一起轉(zhuǎn)動。 它完成一系列換刀動作是通過三個液壓缸和一些必要的控制設備來完成，先設計計算了液壓缸的參數(shù)；然后設計選擇程序控制的 CPU，選用的單片機型號是 8031，選用 PLC 程序來完成對各個部件的控制。 參考文獻 [1] 邵俊鵬,懂玉紅.機床數(shù)控技術[M] .哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,1996 年 [2] 陳國新.數(shù)控機床技術發(fā)展趨勢分析[J].當代經(jīng)濟.2004(7),p23-27 [3] 吳軍,王躍宏,馬慶鑫.數(shù)控機床的發(fā)展方向和趨勢[J].數(shù)控機床市場,2005(3),p68-72 [4]許石.數(shù)控加工中心雙刀庫自動換刀的控制方法與實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代制造,2007.6,p43-47 [5]黃澤正,劉沖,陳志輝.加工中心自動換刀裝置的設計[J].機械工程與自動化,2007（1） [6]戴曙.數(shù)控機床主軸組件設計[J].制造技術與機床.1995(1),p52-54 [7] 唐佩琪.加工中心維修實例四則[M].機電一體化 1996 年 06 期 [8] 劉煒.數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)[J] .機床與液壓,2005（5），p32－36 [9]周澤華主編.金屬切削原理[M].上海:上?？茖W技術出版社,1993 年 [10]葉允文、葉慶泰主編.諧波齒輪傳動的理論和設計[M].北京:機械工業(yè)出版社.1985.9 [11]濮良貴、紀名剛主編.機械設計(第六版)[M].北京:高等教育出版社.1996 年 [12] 楊黎明主編.機電一體化系統(tǒng)設計手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,1997 年 1 月 [13] 陳榕林,陸同理主編.新編機械工程師手冊[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,1994 年 7 月[14]陳劍鶴,朱江主編.機電一體化系統(tǒng)設計[M].武漢:華中理工大學出版社,1999 年 1 月[15]工程制圖手冊 1---6 冊[M]. 北京:機械工業(yè)出版社 [16]黃遵熹主編.MCS-51 單片機原理與應用[M].西安:西北工業(yè)大學出版社.1997.5 [17]石如庚.數(shù)控木工銑床的運動分配和加工中心簡介[J].木工機床 1996 年 01 期 [18] Mutellip Ahmat,Iliham Abduruyim.THE MODELING AND ANALYSIS OFGEOMETRIC ERRORFOR MACHINING CENTER BY HOMOGENEOUSCOORDINATE TRANSFORMATION METHOD [J] University,21， 2006 致 謝 通過本次畢業(yè)設計讓我對課堂的理論知識有了更深層次的理解，并將其連貫起來運用到實際中去，學會融會貫通