畢業(yè)設(shè)計(jì)正文附錄范文

年4月19日畢業(yè)設(shè)計(jì)正文附錄文檔僅供參考附錄1開(kāi)題報(bào)告綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義加工中心（MachiningCenter,MC）是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測(cè)量及傳感技術(shù)以及通信診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)品。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(cè)量和調(diào)整時(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床3倍～4倍，因此說(shuō)，加工中心不但提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。1958年，美國(guó)卡尼，特雷克（Kearney&Trecker）公司首次把銑、鉆、鏜等多種工序集中于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，經(jīng)過(guò)換刀方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，成為世界上第一臺(tái)加工中心。該產(chǎn)品出現(xiàn)后，銷路驚人，引起了日、德、美、英、法、意等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的高度重視，競(jìng)相開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，不斷擴(kuò)大和完善機(jī)床的功能，成為數(shù)控機(jī)床中發(fā)展最快、需求量最大的商品之一。如今，世界上出現(xiàn)了立式、臥式、龍門式、落地式等各種加工中心，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大約有1000多個(gè)品種規(guī)格。未來(lái)加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速化、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。加工中心是數(shù)控機(jī)床的代表，是高新技術(shù)集成度高的典型機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備，中國(guó)的加工中心從70年代開(kāi)始，已有很大發(fā)展，但技術(shù)、品種和數(shù)量上都還遠(yuǎn)不能適應(yīng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要。隨著中國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了模具制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數(shù)控機(jī)床的使用越來(lái)越普遍，而加工中心更是以其高自動(dòng)化程度得到廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)前市場(chǎng)上生產(chǎn)和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中心幾乎是空白，而機(jī)械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學(xué)校等對(duì)小型加工中心存在著大量的需求。為加速中國(guó)加工中心的發(fā)展，需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)加工中心的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。在加工中心中，刀庫(kù)和機(jī)械手組成自動(dòng)換刀裝置（AutomaticToolChanger,簡(jiǎn)稱ATC），而自動(dòng)換刀裝置的好壞，將直接影響加工中心的好壞，從當(dāng)前情況看，加工中心的主機(jī)部分基本定型，變化不大，但自動(dòng)換刀裝置種類繁多，五花八門，是最難搞好的部分。它是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此各加工中心制造廠家都在下大力研制動(dòng)作迅速、可靠性高的自動(dòng)換刀裝置，以求在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中取得好效益，正因?yàn)樽詣?dòng)換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容，各廠家都在保密，極少公開(kāi)有關(guān)資料，特別機(jī)械手這部分更是如此。刀庫(kù)的形式和容量主要是為滿足機(jī)床的工藝范圍，當(dāng)前常見(jiàn)的刀庫(kù)類型如下：盤式刀庫(kù)此刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多。此換刀裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，換刀可靠性較好，缺點(diǎn)是換刀時(shí)間長(zhǎng)，適用于刀庫(kù)容量較小的加工中心上采用。鏈?zhǔn)降稁?kù)此刀庫(kù)結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)容量較大，鏈環(huán)的形狀可根據(jù)機(jī)床的布局制成各種形狀，也可將換刀位突出以便于換刀，能充分利用機(jī)床的占地空間，一般為軸向取刀，位置精度較低，造價(jià)也較高。格子箱式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)緊湊，刀庫(kù)空間利用率高，換刀時(shí)間較長(zhǎng)。布局不靈活，一般刀庫(kù)安裝在工作臺(tái)上，應(yīng)用者較少。直線式刀庫(kù)刀庫(kù)容量少，一般在十幾把左右，多用于自動(dòng)換刀數(shù)控車床，鉆床上也有采用。當(dāng)前常見(jiàn)的換刀機(jī)械手類型有：①單臂單手式機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，換刀各動(dòng)作均需順序進(jìn)行，時(shí)間不能重合，故換刀時(shí)間較長(zhǎng)。②雙手式機(jī)械手向刀庫(kù)還回用完的刀具和選取新刀，均可在主軸正在加工時(shí)進(jìn)行，故換刀時(shí)間可較短。③回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手這類機(jī)械手能夠同時(shí)抓住和拔、插位于主軸和刀庫(kù)里的刀具。與單臂單手式機(jī)械手相比，能夠縮短換刀時(shí)間。應(yīng)用最廣泛，形式也較多。④多手式機(jī)械手使用者較少。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題在確立數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范時(shí)，應(yīng)該考慮專業(yè)市場(chǎng)上的供求情況、顧客潛在的選擇，從有關(guān)商業(yè)文獻(xiàn)中獲得競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品所能達(dá)到的技術(shù)要求、價(jià)格等因素，最后再根據(jù)所要求的數(shù)控機(jī)床性能來(lái)確定自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)技術(shù)要求。所研究的主要內(nèi)容有：1、掌握加工中心的基本結(jié)構(gòu)、工作原理；2、刀庫(kù)、換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；3、刀庫(kù)電機(jī)的選擇及計(jì)算；4、繪制裝配圖、零件圖。研究所考慮的設(shè)計(jì)基本原則是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、容易制造，拆卸、裝配、維修方便，配件容易得到等。三、研究步驟、方法及措施1、查閱有關(guān)的立式加工中心自動(dòng)換刀裝置文獻(xiàn)或資料，掌握立式加工中心的基本結(jié)構(gòu)。2、刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)刀庫(kù)的作用是儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具，經(jīng)過(guò)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)與主軸刀具的交換。本課題中刀庫(kù)采用盤型刀庫(kù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)刀庫(kù)中儲(chǔ)存刀具的數(shù)目和最大刀具直徑計(jì)算出盤式刀庫(kù)的最小直徑，相鄰刀具間應(yīng)留有一定間隙。3、換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本課題研究采用的是單臂雙手式機(jī)械手，亦叫扁擔(dān)式機(jī)械手。這種機(jī)械手的拔刀、插刀動(dòng)作，大都由油缸動(dòng)作來(lái)完成。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，能夠采取油缸動(dòng)，活塞固定；或活塞動(dòng)，油缸固定的結(jié)構(gòu)形式。而手臂的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，則經(jīng)過(guò)活塞的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手臂的不同回轉(zhuǎn)角度，是由活塞的可調(diào)行程來(lái)保證。圖1單臂雙手式機(jī)械手4、傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)（1）利用單頭蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)，此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在使用中可隨時(shí)調(diào)整蝸輪蝸桿的傳動(dòng)間隙，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)位分度，保證刀庫(kù)工作的可靠性。相比之下，槽輪機(jī)構(gòu)具有沖擊小，工作平穩(wěn)性高，機(jī)械效率高，可在較高轉(zhuǎn)速下工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但定位精度不夠高。圖2刀庫(kù)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（2）利用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)蝸輪蝸桿的傳動(dòng)。5、刀庫(kù)電機(jī)的選擇按負(fù)載轉(zhuǎn)矩選加在伺服電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)比電動(dòng)機(jī)額定連續(xù)轉(zhuǎn)矩小。圓盤式刀庫(kù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法這種刀庫(kù)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要來(lái)自刀具重量的不平衡。計(jì)算方法有兩種：用平均重量的刀具插滿圓盤的半個(gè)圓，根據(jù)工藝要求所需的各種刀具，確定每個(gè)刀具的平均重量，而其重心則設(shè)定為離刀庫(kù)回轉(zhuǎn)中心2/3半徑處。將三把最重刀挨在一起，按加工中心規(guī)格規(guī)定的最大刀具重量計(jì)算，而其重心則設(shè)定為離刀庫(kù)回轉(zhuǎn)中心半徑處。如下圖所示：把如上計(jì)算的負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩的公式為：=/（）式中i—傳動(dòng)比—傳動(dòng)效率考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩的1.2～1.5倍，亦即2）按加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩選加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩T包括加速轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即>+，加速轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算：（Nm）式中n—刀庫(kù)選刀時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）—加速時(shí)間，一般取150~200ms—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，可從樣本中查到（）—負(fù)載慣量折算到電機(jī)軸上的慣量加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩T應(yīng)小于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，即T<3)校驗(yàn)檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果是否滿足下列關(guān)系式<，選用能滿足上述三項(xiàng)條件的伺服電機(jī)。圖3圓盤式刀庫(kù)刀具分布6、機(jī)械手換刀過(guò)程①刀套下轉(zhuǎn)90°②機(jī)械手轉(zhuǎn)75°③刀具松開(kāi)④機(jī)械手拔刀⑤交換兩刀具位置⑥機(jī)械手插刀⑦刀具夾緊⑧機(jī)械手反轉(zhuǎn)75°⑨刀套上轉(zhuǎn)90°換刀過(guò)程如下：圖4換刀過(guò)程示意圖四、研究工作進(jìn)度(一)、第一階段（1-4周）1、開(kāi)題報(bào)告（含文獻(xiàn)綜述、參考資料等）2、方案論證和方案設(shè)計(jì)（含初步的設(shè)計(jì)及計(jì)算）3、完成ppt文檔，準(zhǔn)備第一階段考核（二）、第二階段（5-10周）1、完成第一張A02、完成第二或第三張的草圖繪制（包括主要結(jié)構(gòu)）3、準(zhǔn)備外文翻譯資料4、完成ppt文檔，準(zhǔn)備第二階段考核（三）、第三階段（11-17周）1、繪制要求的其余設(shè)計(jì)圖紙2、完成外文翻譯資料3、撰寫說(shuō)明書(shū)準(zhǔn)備答辯五、主要參考文獻(xiàn)[1]機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三冊(cè)）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986[2]王愛(ài)玲主編.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，[3]林宋，田建君編.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，[4]沙杰編.加工中心結(jié)構(gòu)、調(diào)試與維護(hù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[5]廉元國(guó)，張永洪編.加工中心設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995[6]向金林.TH7130立式加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì).裝備制造技術(shù)，[7]陳芳，李繼中.盤式刀庫(kù)加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)控制.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，[8]黃澤正，劉沖，陳志輝.加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì).機(jī)械工程與自動(dòng)化，[9]曹秋霞，馬國(guó)亮.小型立式加工中心圓盤式刀庫(kù)的設(shè)計(jì).機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，[10]依蘭歐克拉，比京克.數(shù)控平面加工中心輪式刀庫(kù)自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì).成都紡織高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，[11]M.B.Ko.DesignofautomatictoolchangerforCNCmachines.M.Sc.thesis,MechanicalEngineeringDepartmet,METU,Ankara,Turkey1995[12]H.S.Yan.Amethodologyforcreativemechanismdesign.mechansismandmachine,1992附錄2文獻(xiàn)綜述課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀加工中心（MachiningCenter,MC）是適應(yīng)省力、省時(shí)和節(jié)能的時(shí)代要求而迅速發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床，它是綜合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、拖動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、測(cè)量及傳感技術(shù)以及通信診斷、刀具和編程技術(shù)的高科技產(chǎn)品。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(cè)量和調(diào)整時(shí)間，減少工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)存放時(shí)間，使機(jī)床的切削利用率高于通用機(jī)床3倍~4倍，因此說(shuō)，加工中心不但提高了工件的加工精度，而且是數(shù)控機(jī)床中生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度最高的綜合性機(jī)床。由于它在機(jī)械加工中的重要作用，各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都極為重視，在技術(shù)和產(chǎn)量上都發(fā)展很快。當(dāng)前全球加工中心年生產(chǎn)量為50,000～55,000臺(tái)左右，而且以日本、歐盟、美國(guó)及中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)等為最具代表性的生產(chǎn)基地。日本市場(chǎng)消費(fèi)能力強(qiáng)，年生產(chǎn)量超過(guò)10,000臺(tái)。主要機(jī)種為立式加工中心，年產(chǎn)量約5,000～6,000臺(tái)，而且不斷研發(fā)高速、高精密、五面加工、五軸聯(lián)動(dòng)加工等技術(shù)，滿足特殊與復(fù)雜曲面加工工件的要求，日本生產(chǎn)加工中心的廠家有MAZAK、大隈、莊田、三菱等公司。德國(guó)生產(chǎn)最佳品質(zhì)與高加工效益的加工中心，近年來(lái)生產(chǎn)量每年約在4,000～5,000臺(tái)左右。代表性機(jī)種為臥式加工中心，年生產(chǎn)量約1,500～2,000臺(tái)。其它加工中心年生產(chǎn)量約2,000～3,000臺(tái)左右，德國(guó)生產(chǎn)加工中心的廠家有西門子、MAKA、GEISS、科恩等公司。美國(guó)是全球機(jī)床生產(chǎn)代表性國(guó)家之一，但近年來(lái)由于其國(guó)內(nèi)消費(fèi)能力不足，再加上出口也面臨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致其生產(chǎn)有逐漸下滑的趨勢(shì)，年生產(chǎn)加工中心僅約為5,000～6,000臺(tái)左右，生產(chǎn)廠家有哈挺、MAG、Hurco等公司。臺(tái)灣是全球加工中心生產(chǎn)量最大的供貨基地，年生產(chǎn)量可達(dá)到16,000～18,000臺(tái)，其中有部分是空機(jī)臺(tái)，未加裝微機(jī)控制器等，平均單價(jià)有偏低的情形。韓國(guó)是全球加工中心主要生產(chǎn)國(guó)家之一。其加工中心主要用于韓國(guó)汽車工業(yè)、模具工業(yè)及機(jī)械工業(yè)，年生產(chǎn)加工中心在4,000～5,000臺(tái)左右。未來(lái)加工中心的生產(chǎn)基地則有可能是大陸，特別是日本、美國(guó)、德國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)已競(jìng)相到大陸設(shè)廠生產(chǎn)加工中心，再加上大陸本身的企業(yè)研發(fā)與制造，未來(lái)技術(shù)成熟、品質(zhì)穩(wěn)定、成本降低后，必將會(huì)成為全球重要供應(yīng)基地之一。20世紀(jì)70年代中國(guó)研制的加工中心，多數(shù)因配套件和設(shè)計(jì)、制造的缺陷而不能正常使用。進(jìn)入80年代后，由于引進(jìn)了日本FANUC、德國(guó)SIEMENS等公司的數(shù)控系統(tǒng)、直流進(jìn)給伺服電機(jī)和主軸電機(jī)及其伺服單元之后，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。但就整機(jī)而言，可靠性還不夠高。20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，隨著加工中心技術(shù)的進(jìn)步和配套的完善，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)注意到了采用標(biāo)準(zhǔn)功能部件來(lái)取代產(chǎn)品的某些部件，同時(shí)優(yōu)先選擇世界知名公司的名牌產(chǎn)品(如：數(shù)控系統(tǒng)、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、軸承、ATC裝置、液壓氣動(dòng)元件、電氣元件和檢測(cè)元件等)作為配套，提高了國(guó)產(chǎn)加工中心的檔次和可靠性，在一定程度上縮短了與國(guó)外同類產(chǎn)品的差距。當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)加工中心的可靠性與國(guó)外同類產(chǎn)品相比依然不高。除此以外，還有整機(jī)防護(hù)與密封、外觀粗糙、整體造型不盡如意等缺陷，在一定程度上影響了國(guó)產(chǎn)加工中心的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)加工中心的有沈陽(yáng)機(jī)床廠、大連機(jī)床廠、上海祥裕等廠家。研究主要成果90年代以來(lái)，國(guó)外一些機(jī)床廠家先后開(kāi)發(fā)出一批高速加工中心，其主要技術(shù)參數(shù)為：主軸最高轉(zhuǎn)速：一般為1～15000r/min，有的高達(dá)40000～60000r/min。坐標(biāo)軸的加工進(jìn)給最高速度：30～60m/min，快速移動(dòng)速度高達(dá)70～80m/min。換刀時(shí)間(刀-刀)普遍在1.5～3.5s，有的快到0.8～0.9s；托板交換時(shí)間普遍在6～8s。綜上所述，高速加工中心的出現(xiàn)使得單軸加工中心的效率趕上了多軸的組合機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床。因此，高效高柔性的加工中心已開(kāi)始在汽車工業(yè)中應(yīng)用，并成為重要的工藝裝備。當(dāng)前世界上比較有名的加工中心有：德國(guó)EX-CELL-OGMBH公司XHC240臥式加工中心、德國(guó)ChironWerke公司FZ12W立式加工中心、日本Mazak公司產(chǎn)品、日本新瀉鐵工所SPN50、SPN40加工中心、美國(guó)Giddings&Lewis公司RAM500型、RAM630型臥式加工中心和美國(guó)Ingersoll銑床公司HVM600型臥式加工中心等等。當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)加工中心的主要品種是立式加工中心和臥式加工中心。為市場(chǎng)提供的產(chǎn)品主要是立式加工中心。其規(guī)格(是指工作臺(tái)寬度，單位：mm)一般為300、400、500、630和800。其中，前三種屬于較小規(guī)格產(chǎn)量較大；后兩種屬于中大型產(chǎn)量較小。當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)立式加工中心擁有的規(guī)格基本上覆蓋了中小型立式加工中心的規(guī)格范圍。在中國(guó)，人們習(xí)慣上把數(shù)控機(jī)床按其技術(shù)水平的高低分為高、中、低三個(gè)檔次。所謂高檔數(shù)控機(jī)床是指高速度、高精度、五軸聯(lián)動(dòng)和工藝高度復(fù)合化的數(shù)控機(jī)床，包括部分重型機(jī)床；而所謂低檔數(shù)控機(jī)床主要是指以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主要特征的開(kāi)環(huán)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、鉆床和銑床，其精度和速度都不高；其它數(shù)控機(jī)床則屬于中檔數(shù)控機(jī)床，也就是人們常說(shuō)的通用普及型數(shù)控機(jī)床。國(guó)產(chǎn)加工中心大多數(shù)產(chǎn)品的檔次屬于此范疇。當(dāng)前，自動(dòng)換刀裝置中刀庫(kù)的種類有鏈?zhǔn)健⒈P式、格子箱式和直線式等形式。自動(dòng)換刀裝置分有機(jī)械手換刀和無(wú)機(jī)械手換刀兩種，其中機(jī)械手的種類大概有單臂單手式機(jī)械手、雙手式機(jī)械手、回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手、多手式機(jī)械手等形式。發(fā)展趨勢(shì)高速度、高效率眾所周知，機(jī)床向高速化方向發(fā)展，不但能夠大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。是進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)國(guó)內(nèi)外機(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，歐、美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元(電主軸，轉(zhuǎn)速15000－100000r/min)、高速且高加/減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件(快移速度60～120m/min，切削進(jìn)給速度高達(dá)60m/min)、高效率的自動(dòng)換刀裝置、高性能數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達(dá)到了新的技術(shù)水平。高精度追求加工中心的高精度，一直是世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家努力的方向。當(dāng)前，在機(jī)械加工高精度的要求下，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由±10μm提高到±5μm；精密級(jí)加工中心的加工精度則從±3～5μm提高到±1～1.5μm，甚至更高。高可靠性隨著數(shù)控機(jī)床應(yīng)用領(lǐng)域的日益普及，數(shù)控機(jī)床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造廠家和數(shù)控機(jī)床制造廠家十分注重和追求的目標(biāo)。數(shù)控機(jī)床也只有首先具有較高的可靠性，才能談得上高速度、高效率和高精度。這已經(jīng)是眾多的數(shù)控系統(tǒng)制造廠家和數(shù)控機(jī)床制造廠家達(dá)成的共識(shí)。當(dāng)前，國(guó)外先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)的MTBF值已達(dá)8萬(wàn)小時(shí)以上。存在問(wèn)題(1)技術(shù)水平上，與國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平相比大約落后10～15年，在高精尖技術(shù)方面則更大。(2)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力上，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)缺乏對(duì)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)前的數(shù)控技術(shù)的深入研究與開(kāi)發(fā)，特別是對(duì)加工中心應(yīng)用領(lǐng)域的拓展力度不強(qiáng)。(3)產(chǎn)業(yè)化水平上，市場(chǎng)占有率低，品種覆蓋率小，雖然近年來(lái)國(guó)產(chǎn)加工中心的產(chǎn)量增加較快，但從總體上看，還沒(méi)有形成規(guī)模生產(chǎn)；國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。(4)國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)MTBF(平均無(wú)故障時(shí)間)大都超過(guò)1萬(wàn)小時(shí)，但國(guó)際上知名品牌如：FANUC、SIEMENS等先進(jìn)企業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)MTBF已達(dá)8萬(wàn)小時(shí)。國(guó)產(chǎn)加工中心MTBF雖有少數(shù)廠達(dá)500小時(shí)，但國(guó)外加工中心的先進(jìn)水平已達(dá)800小時(shí)。(5)刀庫(kù)和機(jī)械手的可靠性還比較低，近年來(lái)雖有改進(jìn)，但用戶依然不放心。(6)位置精度，特別是重復(fù)定位精度還有待于進(jìn)一步提高。(7)至于外觀粗糙，漏油、漏水、漏氣等老問(wèn)題依然不同程度的存在。主要參考文獻(xiàn)[1]機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三冊(cè)）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986[2]王愛(ài)玲主編.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，[3]林宋，田建君編.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，[4]沙杰編.加工中心結(jié)構(gòu)、調(diào)試與維護(hù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[5]廉元國(guó)，張永洪編.加工中心設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995[6]向金林.TH7130立式加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì).裝備制造技術(shù)，[7]陳芳，李繼中.盤式刀庫(kù)加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)控制.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，[8]黃澤正，劉沖，陳志輝.加工中心自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì).機(jī)械工程與自動(dòng)化，[9]曹秋霞，馬國(guó)亮.小型立式加工中心圓盤式刀庫(kù)的設(shè)計(jì).機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，[10]依蘭歐克拉，比京克.數(shù)控平面加工中心輪式刀庫(kù)自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì).成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，[11]M.B.Ko.DesignofautomatictoolchangerforCNCmachines.M.Sc.thesis,MechanicalEngineeringDepartmet,METU,Ankara,Turkey1995[12]H.S.Yan.Amethodologyforcreativemechanismdesign.mechansismandmachine,1992附錄3設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控臥式加工中心上帶有盤型刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置穆斯塔法.伊爾汗.高克雷爾和繆特拉.比鄰干.科斯（收稿于1996年4月12日）摘要——自動(dòng)換刀裝置（ATC）是數(shù)控機(jī)床中用于交換的機(jī)床設(shè)備主軸上的刀具與刀庫(kù)上刀具的裝置。在這個(gè)文章中，介紹了一種數(shù)控臥式加工中心上自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)，該自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)是一個(gè)數(shù)控機(jī)床制造商要求。經(jīng)審查幾個(gè)替代方案，決定實(shí)施盤式換刀。該刀庫(kù)設(shè)計(jì)有24把刀具，最大刀具直徑為150毫米，最大刀具重量8公斤。所設(shè)計(jì)的自動(dòng)換刀裝置能夠在4秒內(nèi)交換最接近的刀具和在6秒內(nèi)交換相鄰最遠(yuǎn)的刀具。厄爾尼諾.菲爾科技有限公司保留所有版權(quán)，1997年。1.引言任何機(jī)床制造商必須或者支付任何特定數(shù)控專利的數(shù)控機(jī)床，或設(shè)計(jì)自己的系統(tǒng)來(lái)制造數(shù)控機(jī)床。購(gòu)買新技術(shù)是一項(xiàng)昂貴的選擇，而且它一般不容許作任何修改和在購(gòu)買到的系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)。機(jī)床制造商不出售自己開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，她們一般都愿意出售其遺棄的技術(shù)。因此，一個(gè)特定的數(shù)控機(jī)床制造商已開(kāi)始對(duì)新的數(shù)控臥式加工中心的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)進(jìn)行研究和改進(jìn)。這就需要設(shè)計(jì)這個(gè)機(jī)床新的自動(dòng)換刀系統(tǒng)。自動(dòng)換刀裝置能夠被定義為一個(gè)能夠根據(jù)機(jī)器控制單元提供的命令選擇和改變刀庫(kù)中刀具的裝置。擁有不同工作原理的各種自動(dòng)換刀裝置已用于由不同廠家生產(chǎn)的臥式加工中心上[1-17]。刀具存儲(chǔ)裝置一般是鏈?zhǔn)交虮P式（旋轉(zhuǎn)式）的類型。然而，現(xiàn)在有一些其它類型的刀庫(kù)，如球形，帶型等[17]。圓盤型刀庫(kù)可能按照盤式的功能被歸類。（1）在一個(gè)帶有換臂類型的刀庫(kù)中，這些刀具是經(jīng)過(guò)一個(gè)機(jī)械手從刀庫(kù)中取刀并與主軸上的刀具相交換的方法來(lái)交換的。因此，該盤型刀庫(kù)具有存儲(chǔ)索引的功能[1-5]。在圖1（a）[1]，圖1（b）[1]和圖1（c）[5]中展示了這種類型的一些例子。（2）無(wú)換臂機(jī)械手式刀庫(kù)動(dòng)作與有機(jī)械手式相似。這些刀具是經(jīng)過(guò)盤式刀庫(kù)本身來(lái)改變的[2，6-8]。2[1]中展示了這種類型的一個(gè)例子。正如圖所示，兩盤式刀庫(kù)和兩個(gè)主軸安裝在該應(yīng)用程序的一個(gè)立柱上。在帶有鏈?zhǔn)降稁?kù)的一個(gè)自動(dòng)換刀裝置上[9-16]，該刀具是由一換臂機(jī)械手來(lái)改變的。如下所示鏈?zhǔn)降稁?kù)可根據(jù)刀具在刀庫(kù)中相對(duì)于主軸的方向來(lái)歸類。（1）刀庫(kù)中刀具的軸線垂直于主軸而且刀庫(kù)位于立柱的右側(cè)或左側(cè)。因此，為改變刀具的方向，機(jī)械手帶動(dòng)刀具圍繞垂直于主軸的方向作旋轉(zhuǎn)使新刀和主軸相平行，如圖3（a）13所示。這種類型的另外一種倒裝情況，刀庫(kù)，也就是刀具安放的位置，圍繞它們自己的軸線旋轉(zhuǎn)來(lái)與主軸軸線相平行，如圖3（b）12所示。換刀機(jī)械手交換位于刀庫(kù)和主軸的刀具。（2）鏈?zhǔn)降稁?kù)刀具的軸線平行于主軸軸線，如圖3（c）12所示。切削刀具與主軸軸線平行的方向只有一個(gè)，刀具就在那個(gè)位置被交換。（3）刀庫(kù)中刀具軸平行于主軸軸線。位于主軸和刀庫(kù)之間的機(jī)械手朝主軸作直線運(yùn)動(dòng)和更換刀具，如圖3（d）16所示。在表1，不同的ATC和它們的最短刀具交換時(shí)間是根據(jù)業(yè)界文獻(xiàn)來(lái)給出的[2-5，7-14]。在表1中，“D+A”，“D”和“C+A”分別用來(lái)定義帶機(jī)械手的盤式刀庫(kù)、無(wú)機(jī)械手的盤式刀庫(kù)和帶機(jī)械手的鏈?zhǔn)降稁?kù)。在盤式刀庫(kù)中，隨著刀具的數(shù)量增加，該盤的直徑增加，這是空間角度點(diǎn)位置不定的情況。然而，在鏈?zhǔn)降稁?kù)里，同樣的空間刀具的數(shù)量大約是盤式刀庫(kù)的1.5倍[18]。該鏈?zhǔn)降稁?kù)能夠在一個(gè)非常狹小的空間存儲(chǔ)很多刀具。然而，鏈型刀庫(kù)與盤型刀庫(kù)相比要貴。2.自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)在弄清了數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)規(guī)范的階段，特定市場(chǎng)的供應(yīng)與需求，潛在客戶的喜好，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品的規(guī)模能夠從相關(guān)行業(yè)文獻(xiàn)獲得，比如數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品價(jià)格等，ATC的設(shè)計(jì)規(guī)格應(yīng)予以考慮。經(jīng)過(guò)考慮如簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，制造相對(duì)輕松，組裝，拆卸，維修，以及備件供應(yīng)等基本的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)控臥式加工中心上一種無(wú)機(jī)械手式盤型刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置被設(shè)計(jì)了出來(lái)[19]。如圖4所示，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)換刀裝置的刀具轉(zhuǎn)換過(guò)程包括如下基本步驟。第1步.主軸靠近刀庫(kù)將舊刀插入刀套（圖4（a））。第2步.隨后掛鉤釋放舊的刀具，該刀庫(kù)沿A-A方向前進(jìn)（圖4（b））。第3步.盡可能快地將新刀帶到刀具轉(zhuǎn)換位置，刀庫(kù)圍繞其旋轉(zhuǎn)軸順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，這取決于刀庫(kù)刀具的相對(duì)位置（圖4（c））。第4步.該刀庫(kù)撤回將新刀插入主軸（圖4（c））。第5步.當(dāng)控制單元收到主軸的信息，即掛鉤已安全地運(yùn)作新的刀具時(shí)，主軸開(kāi)始執(zhí)行新的加工周期（圖4（d））。在自動(dòng)換刀裝置類型確定以及工作原理應(yīng)用之后，對(duì)于沒(méi)有換臂機(jī)械手的盤式刀庫(kù)規(guī)格定義如下[20]。1.刀庫(kù)中存儲(chǔ)刀具的數(shù)量（刀庫(kù)容量）是24。2.當(dāng)相鄰的刀套都裝滿時(shí)，刀具的最大直徑為100毫米時(shí)。3.當(dāng)相鄰的刀套為空時(shí)，刀具的最大直徑為150毫米。4.該刀具包括刀柄的最大重量是8公斤。5.刀柄類型BT40[21]。6.在相距最近和相距最遠(yuǎn)距離上的刀具更換時(shí)間為分別為4秒和6秒。在下面的小節(jié)，介紹了典型ATC的基本組成部分。2.1盤型刀庫(kù)該盤型刀庫(kù)最小直徑是根據(jù)所存儲(chǔ)刀具的數(shù)量和最大刀具的直徑來(lái)進(jìn)行計(jì)算的。刀庫(kù)中連續(xù)刀具間應(yīng)留有間隙。該盤型刀庫(kù)的直徑計(jì)算為812毫米，并在相鄰刀具之間留6毫米間隙[19]。在計(jì)算出刀庫(kù)的直徑之后，刀庫(kù)的形狀大小也就確定了。由于頻繁加速和減速，低慣量非常重要。這可經(jīng)過(guò)使用輕型材料來(lái)解決。鋁被選中作為盤型刀庫(kù)的材料。薄壁圓盤結(jié)構(gòu)應(yīng)予以考慮，以確保必要的剛度。該盤式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，以降低鑄造模具的成本。一個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖如圖5[19]所示。2.2滑體在任何自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，有將刀具從主軸中拔出或插入一個(gè)新刀的提取和回縮動(dòng)作。在無(wú)機(jī)械手盤型刀庫(kù)的ATC中，該刀庫(kù)應(yīng)該做來(lái)回運(yùn)動(dòng)。這就需要滑體。這些動(dòng)作能夠很容易地經(jīng)過(guò)任何一個(gè)液壓或氣動(dòng)活塞來(lái)實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，有能實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)一些其它方法比如使用滾珠絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)?？墒?，當(dāng)只需要一個(gè)簡(jiǎn)單重復(fù)的動(dòng)作周期時(shí)此方法是極其昂貴的。由圖6可見(jiàn)，滑體被設(shè)計(jì)成中空，以減少重量[19]。在后方，有一個(gè)編碼器和體內(nèi)耦合空間。氣動(dòng)活塞被選定和實(shí)施推拉滑體。滑體的特殊部分是一個(gè)封閉蓋子的氣動(dòng)活塞的組裝?；w的滑動(dòng)部分被設(shè)計(jì)成正方形，但不是相配合的類型。對(duì)于使用方型滑體類型的原因是易于生產(chǎn)，有價(jià)格和有限空間的優(yōu)勢(shì)。2.3減震器對(duì)于每一個(gè)刀具的交換周期，刀庫(kù)經(jīng)過(guò)滑體進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，它占用了大部分的周期時(shí)間。為了減少這一時(shí)間，穿越高速度是首選。然而，減速問(wèn)題就出現(xiàn)了，必須在很短的距離吸收極高水平的動(dòng)能，以阻止系統(tǒng)不會(huì)造成過(guò)度的沖擊負(fù)荷或振動(dòng)。減震器可用于此目的。在設(shè)計(jì)中，采用氣動(dòng)活塞。由于空氣的可壓縮性，在緩沖操作時(shí)氣動(dòng)活塞有急劇上升接近行程終點(diǎn)的特性。在接近行程結(jié)束時(shí)大部分的能量被吸收[22]。因此，減震器是必須的。減震器前面所產(chǎn)生的壓力在活塞的整個(gè)行程中保持不變，由于特定的孔間距使速度降低到零。因此，抵制力保持恒定和均勻，因此直線減速得到實(shí)現(xiàn)[22]。2.4刀具的夾緊盤型刀庫(kù)上的刀具用夾爪存放在刀套里。該刀具經(jīng)過(guò)夾緊爪夾持。夾具經(jīng)過(guò)這樣一種方式設(shè)計(jì)以至于最大重量的刀具能夠被安全地夾持。由于盤式刀庫(kù)繞其自身軸旋轉(zhuǎn)，離心力添加到該刀具的重量上。這應(yīng)在所設(shè)計(jì)的夾緊系統(tǒng)中被考慮。該刀套和夾緊爪是根據(jù)刀具持有類型來(lái)設(shè)計(jì)的。夾緊爪應(yīng)該有適當(dāng)?shù)呐浜媳砻媾c指定的刀柄相配合。這些刀具經(jīng)過(guò)葉片和螺旋彈簧的組合存放在刀套內(nèi)，所設(shè)計(jì)的刀套能夠安全夾持刀具的最大重量為8公斤[19]。夾爪與BT40刀柄錐表面相配合[21]。2.5保護(hù)刀柄防止損壞的措施在自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)上，一些保護(hù)措施是必要的。如果任何碎片在刀具插入主軸之前粘連到該刀柄錐面，刀柄就不能準(zhǔn)確地裝在主軸上，將導(dǎo)致失效，不準(zhǔn)確和重復(fù)性問(wèn)題，而碎片可能會(huì)損壞主軸錐度。為了防止這些，刀柄應(yīng)由一個(gè)防護(hù)罩來(lái)保護(hù)，防護(hù)罩只在主軸到達(dá)換刀位置之前打開(kāi)（圖7）[19]。在切削過(guò)程中防護(hù)罩是保持關(guān)閉的。2.6電動(dòng)機(jī)和減速盤式刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)可經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)合用來(lái)實(shí)現(xiàn)。在確定電動(dòng)機(jī)的類型之后，功率和所需扭矩就能夠計(jì)算出來(lái)，以選擇合適的電機(jī)。經(jīng)過(guò)考慮定位精度和可重復(fù)性，交流無(wú)刷伺服馬達(dá)就可用來(lái)實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)[19]。被選中的馬達(dá)能夠給4.5牛米的額定扭矩和0.94千瓦的額定功率，在△t=60K和△t=100K時(shí)分別為5.5牛米及1.2千瓦。電機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘轉(zhuǎn)[23]。2.7減速刀庫(kù)和電動(dòng)機(jī)之間的減速可經(jīng)過(guò)蝸輪，行星齒輪傳動(dòng)，諧波傳動(dòng)等來(lái)提供?？焖俜磻?yīng)對(duì)于刀具精確定位于主軸孔徑中心從而更換刀具是必要的。同步帶是另一種能夠保證零反彈力量傳播的方法。可是，同步帶在一個(gè)非常小區(qū)域獲得很大減速是非常困難的。經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿能夠在一個(gè)非常小的區(qū)域獲得非常高的減速比。然而，蝸輪有反彈的問(wèn)題。另外，在高減速時(shí)，該系統(tǒng)的效率會(huì)突然下降。如果減速是用非常低效率的蝸輪實(shí)現(xiàn)的話，所需要電機(jī)的功率就會(huì)變大，這反過(guò)來(lái)增加了電機(jī)及其控制系統(tǒng)的成本。在零反彈蝸輪中，蝸輪是分體式的而且具有特殊的齒廓[24]。在低價(jià)格的行星齒輪系統(tǒng)中，消除反彈是經(jīng)過(guò)減少齒輪中心距直至達(dá)到最小間隙從而沒(méi)有過(guò)多噪音或升溫來(lái)達(dá)到的。由于干擾，這一般導(dǎo)致高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在正常反彈的條件下大大降低運(yùn)行效率。當(dāng)前世界上只有少數(shù)幾家生產(chǎn)零反彈齒輪的公司[25]。諧波傳動(dòng)是另一個(gè)零反彈的方式。諧波驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)能夠說(shuō)明如下[26]。（1）定位精度是相當(dāng)不錯(cuò)的。諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)保證在任何時(shí)候大約有占總數(shù)10％的齒保持嚙合，最大限度地減少了齒對(duì)齒誤差的影響。（2）因?yàn)橹C波傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它很容易進(jìn)入廠房制造，單調(diào)的直線式和車削操作所需的加工變得簡(jiǎn)單。（3）由于諧波齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，重量非常輕，裝配和拆卸都非常容易。（4）它比任何其它的零反彈齒輪便宜。由于上述優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)必要的計(jì)算，諧波驅(qū)動(dòng)被選中，并在自動(dòng)換刀裝置上實(shí)施[26]。假設(shè)盤式刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)一半，包括它消耗的加速和減速時(shí)間，是在2秒內(nèi)完成的，該刀庫(kù)的轉(zhuǎn)速計(jì)算為每分鐘16.67轉(zhuǎn)。這就要求一個(gè)