数控加工中心刀库设计开题报告

辽宁省高等教育自学考试 数控技术 专业（本科段）毕业设计（论文）开题报告 设计题目： 数控加工中心刀库设计 助学单位 大连电子信息应用教育中心 姓 名 准考证号 指导教师 2013 年 12 月 28 日一、课题背景、目的与意义(1) 背景：数控技术从20世纪50年代初，在美国首先应用至今，已有五十多年的历史了，它从机床工业开始，如今已渗透到航空、造船等其他机械制造部门。从过去的单机控制发展到现在的成组控制，一条线控制以至整个车间和工厂的自动化控制，涉及的新技术和配套技术也越来越多，数控技术已成为机电工业不可忽视的新技术，而且随着信息社会的到来，这一技术还在不断深入和丰富之中。(2) 目的：数控加工中心是综合的高新技术产品。它柔和了机械、电子电工、计算机技术、控制工程等技术于一身。对刀库系统的设计是实现对工件表面进行连续加工的必要设备之一，配备了刀库之后可以自动进行镗、扩、绞、铣、销、钻等多工步的加工工步的加工，使加工中心集中多工序加工成为了可能，而刀库为加工中心的自动化换刀、多工位的加工提供了刀具的支持。刀库是换刀系统核心部件之一，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产效率、降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。随着加工中心的发展，国家企业对高速，大功率，高效率的要求，以及ATC的设计的去向和系统化的走向，刀库的设计显得尤为关键和重要了。(3) 意义：随着现在科技水平的提高，我国工业水平日益增长，综合国力不断提升，这样在机械自动化管理中，数控技术就越显其关键性的作用。在机械设备生产运营中数控技术作为其核心问题已经是衡量国家整体技术水平的重要标准。所以，在我国的制造中数控技术成为首要考虑并被广泛应用的技术，这样就使我国的工业制造同时满足战略角度和发展策略的要求，大大提高我国工业经济水平。目前，数控技术已经成为机械制造中的关键性成分，而且越来越受到国家社会的重视。在日益更新换代的科技新产品的压力下，传统机械制造水平已经很难满足发展的需要，加上以计算机为代表的现代科技业的发展，另外，在竞争激烈的市场经济压力下都能使机械制造业开始加大对技术的改革创新管理，以满足多样化的现代产品的发展和适应其换代的高速度。随着多品种小批量式产品的大量生产，外加各个企业单位对成本和交货的质量要求越来越高，使得现代制造技术必须具备高柔性。为了增强有关机械制造业的高程度适应外界影响的能力，并满足市场变化的需要，就必然引进现代数控技术，充分利用其灵活性，尽可能多地讲数控技术运用在机械制造业中，最终，提高机械设备的整体功能和效率，并促进设备的可靠性，使产品的质量上升到新的高度，适应激烈竞争的现代市场。国内现状我国数控技术起步于20世纪50年代末期，经历了初期的封闭式开发阶段，“六五”、“七五”期间的消化吸收、引进技术阶段，“八五”期间建立国产化体系阶段，“九五”期间产业化阶段，现已基本掌握了现代数控技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控专业人才，初步形成了自己的数控产业。目前，较具规模的企业有广州数控、航天数控、华中数控等，生产了具有中国特色的经济型、普及型数控系统。经半个世纪的发展，产品的性能和可靠性有了较大的提高，逐渐被用户认可，在市场上站稳了脚跟。但是由于系统技术含量低，产生的附加值少，不具备与进口系统进行全面抗衡的能力，只在低端市场占有一席之地，还不能为我国数控产业起到支撑的作用，与国外相比，还有不小的差距。主要问题有以下几方面：(1)技术创新成分低、消化吸收能力不足目前我国数控技术的研究主要还是依照国外开发的一些模式按部就班地进行。真正创新的成分不多，对国外技术的依赖度较高，对所引进技术的消化依旧停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有完全形成产品自主开发能力和技术创新能力。技术引进是加快我国控技术发展的一条重要途径，但引进的技术要实现从根本上提高我国数控技术水平，必须进行充分的消化吸收。消化吸收的力度不强，不但无法摆脱对国外技术的依赖，而且还会造成对国外技术依赖性增强的反作用。 (2)技术创新环境不完善我国尚未形成有利于企业技术创新的竞争环境。企业技术创新的动力来源于对经济利益的追求和外部市场的竞争压力，其技术创新意识不强。企业还没有建立良好的技术创新机制，绝大部分企业的技术创新组织仍处于一种分散状态，很难取得高水平的科研成果。 (3)产品可靠性、稳定性不高可靠性的指标一般采用平均无故障时间(MTBF，单位为h)，国外数控系统平均无故障时间在10 000 h以上，国产数控系统平均无故障时间仅为3 0006 000 h。这使得可靠性、稳定性上就与国外技术相差很大，必然影响产品的市场占有率 (4)网络化程度不够我国数控技术的网络化程度不够，目前主要用于NC程序传送，采用纸带阅读器、串口通讯技术，其集成化、远程故障排除、网络化水平有限。 (5)体系结构不够“开放” 大部分数控产品体系结构不够开放，用户接口不完善，少数具有开放功能的产品又不能形成真正的产品，只是停留在试验、试制阶段。用户不能根据自己的需要将积累的技术经验融入到系统中，无形中流失了很多对数控技术改进、创新和完善的资源。众所周知，国外的高档数控系统价格非常昂贵，如意大利Fidia仿形数控系统价格为60一70万元人民币，英国的雷尼绍仿形测头价格高达28万元人民币；德国Walter的数控工具磨床，仅一种刀具的编程软件即需l万美元。而华中数控与菲地亚相同档次的仿形数控系统价格约仅为其13。此外，若进口五轴联动以上的数控系统，还受到西方政府的管制，要对最终用户和最终用途进行调查，限制其使用，若认为与军事工业有关，则不予批准。即使我国民用工业能购进口这类设备，其价格也非常昂贵，仅一套CNC单元价格高达20多万元人民币，而华中数控五轴CNC，价格约为其14。另外开放式、网络化已成为当今数控系统发展的主要趋势。华中“世纪星”系列数控系统包括世纪星HNC一18i、HNC一19i、HNC一2I和HNC一22四个系列产品，均采用工业微机(IPC)作为硬件平台的开放式体系结构的创新技术路线，充分利用PC软、硬件的丰富资源，通过软件技术的创新，实现数控技术的突破。通过工业PC的先进技术和低成本保证数控系统的高性价比和可靠性。并充分利用通用微机已有软硬件资源和分享计算机领域的最新成果，如大容量存储器、高分辨率彩色显示器、多媒体信息交换、联网通讯等技术，使数控系统可以伴随PC技术的发展而发展，从而长期保持技术上的优势。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。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，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力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。因此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。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，其技术范围覆盖很多领域：机械制造技术；信息处理、加工、传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题，目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC、欧共体的OSACA、日本的OSEC，中国的ONC等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能)，形成系列化。并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EM0200l展中，日本山崎马扎克公司展出的“Cyber-Production Center”(智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈机床公司展出的“IT plaza”(信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子公司展出的“Open Manufactufing Environment”(开放式制造环境，简称OME)等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。随着人们环境保护意识的加强，对环保的要求越来越高。不仅要求在机床制造过程中不产生对环境的污染，也要求在机床的使用过程中不产生二次污染。在这种形势下，装备制造领域对机床提出了无冷却液、无润滑液、无气味的环保要求，机床的排屑、除尘等装置也发生了深刻的变化。上述绿色加工工艺愈来愈受到机械制造业的重视。目前在欧洲的大批量机械加工中，已有10一15的加工实行了干切削或准干切削。美国HARDING的QUEST系列车床、德国HUELLER的高速加工中心均采用了干切削技术；日本原洲公司加工中心采用了液氮冷却技术；日本富士公司的数控车床采用了冷风冷却技术。如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来l临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。STEPNC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEPNC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEPNC数控系统还可大大减少加工图纸(约75)、加工程序编制时间(约35)和加工时间(约50)。我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影向我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定。二、设计应用的原理和理论依据本次设计所涉及的是XKA5032A/C数控立式升降台铣床自动换刀装置（换刀机械手组成）。它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置，其整个换刀过程比较复杂。首先把加工过程中需要使用的全部刀具安装在标准的刀柄上，在机床外进行尺寸预调后，按一定的方式装入刀库。换刀时，现在刀库中进行选刀，由机械手从刀库和主轴上取出刀具，然后交换位置，把新刀插入主轴，旧到放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，其容量为六把刀具，采用盘型结构，安装机床的左侧立柱上。因为XKA5032A/C数控立式升降台铣床外形及其他性能参数等均与THK6363型自动换刀数控镗铣床相似，所以本机床的自动换刀装置的设计将效仿THK6363型自动换刀数控镗铣床换刀装置，设计成采用轴向放置的鼓盘式刀库形式和回转式双臂机械手组成。刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放在原来的刀座内，也可以按顺序放入下一个刀座内。该法不需要刀具识别装置，驱动装置也比较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果。顺序选刀是在加工之前，将加工零件所需刀具按照工艺要求依次插入刀库的刀套中，顺序不能有差错。加工时按顺序调刀。适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自动换刀装置。可知数控铣床用4把刀就可以完成大多数铣削加工。所以这个容量为六把刀的刀库，几乎不存在加工过程需要重复利用刀具的情况，所以刀具的选择方式为顺序选择刀具。两手互相垂直的回转式单臂双手机械手的优点是换刀动作可靠，换刀时间短，缺点刀柄精度要求高，结构复杂，联机调整的相关精度要求高，机械手离加工区较近。一般来说，这种机械手用于刀库刀座轴线与机床主轴轴线垂直，刀库为径向存取刀具形式的自动换刀装置，因此，XKA5032A/C数控立式升降台铣床的自动换刀装置中可采用这种机械手形式。三、设计方案论证分析XKA5032A/C数控立式升降台铣床主要由床身、升降台、工作台、立铣头、主传动、主变速、拉刀机构、液压系统、自动润滑系统、冷却系统、吊挂、电柜、等部分组成。机床本身并不带自动换刀装置。自动换刀装置作为一套独立的、完整的机床部件，设计依据是该机床的型式、工艺范围及刀具的种类和数量等。1. 1电动机初选（1） 选择电动机类型（2） 选择电动机容量（3） 确定电动机转速1.2确定传动装置的总传动比和分配传动比（1）总传动比（2）分配减速器的各级传动比 1.3确定各轴转速、转矩和功率（1）各轴转速（2）各轴输入功率（3）各轴输入转矩1.4电动机的校核（1）转矩校核（2）转速校核1.5刀库结构设计（1）齿轮传动的计算（2）轴的校核（3）滚动轴承的校核（4）蜗杆蜗轮的设计（5）键的校核1.6实现功能数控加工中心刀库设计1.7关键技术及难点主要传动部件设计刀库的设计换刀装置的设计电动机的选择1.8开发环境及系统实现系统开发环境：a. 硬件配置：，处理器：Core-i3；内存：4G；硬盘：500G；b. 操作系统：中文Windows 7；c. 开发工具：AutoCAD；d. 辅助软件：Microsoft Office ； e. 开发地点：；四、预期成果软件：该系统windows环境下的CAD设计图。文档：开题报告，中期报告，需求分析，详细的设计文档，测试文档，毕业论文五、工作进度计划1、第1-2周，实习调研、收集相关的资料完成开始报告2、第3周， 确定目标和制定总体设计方案3、第4-8周，根据设计方案进行机构设计及计算，画出机构装配图4、第9-11周，建立程序原型，调试系统程序5、第12周，撰写毕业设计说明书六、参考文献 1 胡仁喜，数控技术及其应用. 北京：机械工业出版社，20092 熊光华，数控机床. 北京：机械工业出版社，20013 王爱玲. 现代数控机床. 北京：浙江大学出版社，20044 孙训方，方孝淑，关来泰编. 材料力学. 北京：高等教育出版社，20025 成大先主编. 机械设计手册.北京：化学工业出版社，20026 朱龙根主编. 简明机械零件设计手册. 北京：机械工业出版社，20007 夏田. 数控加工中心设计. 北京：机化学工业出版社，20068 吴宗泽主编. 机械设计师手册. 北京：机械工业出版社，20029 余仲裕.数控技术.北京：机械工业出版社，200310 魏杰.数控机床结构.北京：化学工业出版社，200911 卜炎主编. 机械传动装置设计手册. 北京：机械工业出版社，199912 王爱玲.现代数控机床.北京：国防工业出版社，200113 王可.实用机床设计手册.辽宁：辽宁科技技术出版社，199914 高德文.数控加工中心.北京化学工业出版社，200315 谭春晖.加工中心换刀方式的选择.组合机床与自动化加工技术，200416 朱辉.曹光.画法几何与工程制图.上海上海科学技术出版社，2003指导教师意见：指导教师签名： 2014年 1月 7日