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1、华中科技大学开 题 报 告题目:面向箱体加工的FMS中四轴加工中心的刀库院 系：机械 学 院专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名：叶进学 号： 012005028316指导老师：张 芬2009年 3月18日1选题背景1。1课题研究的目的和意义：课题来源于实验室项目的一个研究分支，目的是通过本次的设计工作，能够在对面向箱体加工的FMS应用的四轴加工中心的了解的基础上，实现对加工中心刀库的设计，并与同组人的对主轴部件、工作台、夹具的设计相应，最终设计出整个机床。1.2柔性制造技术产生的背景对于大批量、少品种的情况，一般采用自动流水线，包括物流设备和相对固定的加工工艺，这可称为固定自动化方式。自
2、动流水线通常相当昂贵，设备基本固定，不灵活,只能加工一个零件，或者几个相互类似的零件。如果要改变产品的品种，自动流水线要作较大的改动，在投资和时间方面的耗费很大。自动流水线的优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，缺点是成本高，不具有灵活性. 对于小批量、多品种的情况，一般可采用单台数控（NC）机床。它可提供加工一族产品系列的灵活性。从一种类型的零件转换到另一种类型的零件，不需要改变机床硬件，仅需要改变控制程序(NC程序）及夹具刀具。NC机床加工产品生产率低，成本高；优点是灵活性较大。对于中等批量、中等品种的情况,就要考虑一个折中方案。在金属品制造中,中等批量、中等品种的情况
3、是最主要的一种情况。根据美国统计资料，在金属加工工业中,这类情况约占75.因此如何解决这种情况下的制造问题,是一个十分关键的问题。如果采用以上两种较为传统的方式,将会产生如下一系列不利情况：1. 机床利用率太低；2. 加工时间增长；3. 中间缓冲库存增大；4. 刀具利用率太低；5. 车间空间利用率太低等； 这些因素都将导致成本的提高。因此，结合自动流水线与NC机床的特点，将NC机床与物料料输送设备通过计算机联系起来，形成一个系统，来解决中等批量、中等品种的问题。这就形成了所谓“柔性制造系统（FMS).可以讲，FMS是NC机床或设备自动化的延伸。柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和
4、一组数字控制加工设备组成,能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。由加工、物流、信息流三个子系统组成。采用FMS的主要技术经济效果是:能按装配作业配套需要,及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期；提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积;减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”;提高产品质量的一致性。在这种背景下，柔性制造系统诞生了。1。3柔性制造技术的国内外发展动态按规模大小FMS可分为如下4类：1。柔性制造单元（FMC）;2。柔性制造系统(FMS)；3。柔性制造线（FML）；4.柔性制造工厂(F
5、MF)。FMS关键技术1。计算机辅助设计2.模糊控制技术3。人工智能、专家系统及智能传感器技术4.人工神经网络技术柔性制造系统未来将向发展各种工艺内容的柔性制造单元和小型FMS；完善FMS的自动化功能；扩大FMS完成的作业内容，并与计算机辅助设计和辅助制造技术(CAD/CAM）相结合，向全盘自动化工厂方向发展。1。FMC将成为发展和应用的热门技术这是因为FMC的投资比FMS少得多而经济效益相接近,更适用于财力有限的中小型企业。目前国外众多厂家将FMC列为发展之重。2。发展效率更高的FML多品种大批量的生产企业如汽车及拖拉机等工厂对FML的需求引起了FMS制造厂的极大关注。采用价格低廉的专用数控
6、机床替代通用的加工中心将是FML的发展趋势。3.朝多功能方向发展由单纯加工型FMS进一步开发以焊接、装配、检验及钣材加工乃至铸、锻等制造工序兼具的多种功能FMS.FMS是实现未来工厂的新颖概念模式和新的发展趋势，是决定制造企业未来发展前途的具有战略意义的举措。目前反映工厂整体水平的FMS是第一代FMS，90年代此种状况仍将会持续下去,日本从1991年开始实施的“智能制造系统”(IMS)国际性开发项目，属于第二代FMS;而真正完善的第二代FMS预计至21世纪才会实现。届时，智能化机械与人之间将相互融合、柔性地全面协调从接受订单货至生产、销售这一企业生产经营的全部活动。80年代中期以来，FMS获得
7、迅猛发展,几乎成了生产自动化之热点.一方面是由于单项技术如NC加工中心、工业机器人、CAD/CAM、资源管理及高度技术等的发展,提供了可供集成一个整体系统的技术基础;另一方面，世界市场发生了重大变化，由过去传统、相对稳定的市场,发展为动态多变的市场，为了从市场中求生存、求发展，提高企业对市场需求的应变能力，人们开始探索新的生产方法和经营模式.近年来，FMS作为一种现代化工业生产的科学“哲理”和工厂自动化的先进模式已为国际上所公认，可以这样认为：FMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础，将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程，在计算机及其软件的支撑下,构成一个覆盖整个企业
8、的完整而有机的系统，以实现全局动态最优化,总体高效益、高柔性，并进而赢得竞争全胜的智能制造系统。FMS作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技，为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图，将成为21世纪机构制造业的主要生产模式.1。4加工中心概述加工中心（Machining Center） 是数控机床中典型机电一体化高技术产品，同时又是先进制造技术不可缺少的工艺设备。它综合了微电子，计算机、自动控制,精密测量、机床制造等方面技术及相关配套的最新成就，是当代机床工业发展方向和先进生产力的标志，多坐标（5坐标)以上联动的加工中心还是重要的战略物资。加工中心是一种工序几种,工艺复合的数控机床。他集铣床、
9、钻穿、和镗床的加工功能与一体，在加工过程中能够自动更换刀具，对一次装夹的工件，完成铣、钻、镗、扩、铰、攻螺纹和车螺纹等加工工序.工件经一次装夹后,数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。加工中心与专用机床和组合机床的区别是：用加工中心加工零件时，当需要更换零件时,只需改变加工程序和刀辅具即可进行生产，用这种设备加工零件,属于柔性化生产方式，它适合于多品种小批量的生产和新产品的试制；用机床和组合机床加工零件几乎要更新全部的工艺装备，属于刚性生产方式,不能实现多品种小批量的柔性化生产
10、。由于加工中心具有高效率、高质量、高柔性、低劳动强度等优点，因此得到机械制造业的欢迎，销路十分惊人，并引起工业化国家的高度重视，纷纷出台有关政策，鼓励扶持数控机床、加工中心的发展.随着以铣床为基础的加工中心的出现，以卧式镗床和坐标镗床为基础的加工中心也得到迅速的发展。1。4。1加工中心的分类世界上生产的加工中心约有1000多个品种规则，尚无统一的分类方法.习惯上的分类方法大致有两种,一种是按工艺用途进行分类,另一种是结合工艺用途，按机床总体布局进行分类1.）按工艺用途分类大致可分为镗铣加工中心、钻削加工中心、车削加工中心、激光加工中心、复合加工中心和板金加工中心6大类2.）按机床布局进行分类大
11、致可分为立式加工中心、卧式加工中心、大型加工中心、车削加工中心、柔性加工单元、柔性生产线和柔性加工系统6类1.4.2 加工中心构成一台加工中心是由机床（机械部分）和控制系统（电气部分）两部分组成，机床是加工中星的主体，控制系统是加工中心的核心。加工中心的主机通常是由三大基础部件组（床身、立柱和工作台)和主轴部件、刀具存储自动交换系统(ATC）及其它辅助功能部件组成。有的加工中心还具有托盘（工作台)自动交换系统（APC)。1.5四轴加工中心在FMS中的应用:作为单机使用的普通加工中心，是在操作人员的管理下运行的，操作人员不仅要装夹和校正工件、输入数控程序、配备切削刀具，还要密切注视加工过程中的机
12、床运行状态、刀具状态、加工质量状态。普通加工中心要求操作人员进行这类干预，因此不适应柔性制造自动化系统的需要。加工中心的如下功能对FMS的设计方案和运行效果有重要影响：1. 刀具储存和自动换刀加工中心的固定刀库具有自动换刀功能.加工中心的固定刀库有四种常见形式：盘式刀库，链式刀库,盒式刀库，架式刀库。2. 工件自动交换把加工的工件从加工中心伴奏，吧待加工的工件送给加工中心，FMS的这种工具爱你交换作业是由设备自动完成的。为了支持工件自动交换，加工中心的工作台上安装了一套自动夹具。3. 接触传感器由于加工中心经常交换刀具，所以采用非接触电磁感应方式来传送触发信号。接触传感器可完成如下作业：工件自
13、动找正，刀具破损检测。4. 加工尺寸检测与自动补偿给加工中心增加自动检测补偿功能，FMS的零件加工尺寸精度就能得到有效保证。5. 功率监控包括切削状态的功率监视和切削状态的自适应控制。2课题内容2。1基本任务设计面向箱体加工的FMS中的四轴加工中心的刀库，并对刀库关键零件进行设计.2.2设计方案选择刀库刀具交换系统的一部分，加工中心的刀具交换系统也称为自动换刀装置（ATC），它通常是由刀库和机械手组成。自动换刀装置是加工中心不可缺少的组成部分，也是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键。加工中心有立式、卧式、龙门式几种，所以这些机床的刀库和自动换刀装置也各式各样，加工中心上的刀库类型有鼓轮式刀
14、库，链式刀库，格子箱式刀库和直线刀库等。毂轮式刀库：应用较广，它包括刀具轴线与鼓轮式平行（或垂直，或成锐角）。这种刀库的结构紧凑，但因刀具单环排列、定向利用率低，大容量刀库的外径较大，转动惯量大，选刀时运动间长。因此这种刀库的容量较小,一般不超过32把刀具。链式刀库:容量较大，当采用多环链式刀库时,刀库的外形较紧凑,占用空间较小，适用于做大容量刀库.在增加存储刀具数目时,可增加链条的长度，而不增加链轮直径，因此，链轮的圆周速度不会增加,且刀库的运动惯量不像鼓轮式刀库增加的那么多。格子箱式刀库:刀库容量大，结构紧凑，空间利用率高,但布局不灵活,通常将刀库安放于工作台上。有时甚至在使用一侧的刀具时
15、，必须更换另一侧的刀座板.直线式刀库:结构简单，刀库容量较小，一般用于数控车床，数控钻床,个别加工中心也有采用。换刀机械手分为单臂单手式,单臂双手式和双手式机械手，单臂单手式结构简单，换刀时间较长，适用于刀具主轴与刀库刀套平行，刀库刀套轴线与主轴轴线平行，以及刀库刀套轴线与主轴轴线垂直的场合。单臂双手式机械手可同时抓住主轴和刀库中的刀具，并进行拔出，插入，换刀时间短,广泛应用于加工中心上的刀库刀套轴线与主轴平行的场合。双手式机械手结构较复杂，换刀时间短,这种机械手除了完成拔刀，插刀外，还起运输刀具的作用。 机床刀架自动换刀装置的要求1. 满足工艺过程提出的要求2. 在刀架、刀库上能牢固的安装刀具,在刀架上安装刀具还应能精确的调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应保证交换前后都处于正确的位置3. 刀架、刀库、换刀机械手都应有足够的刚度4. 可靠性高5. 换刀时间尽可能短6. 操作安全方便结合所给题目，由于所要求设计的刀库有自动换刀装置，且刀具容量20把左右,考虑到面向箱体的加工中心一般设计为卧式加工中心，初步决定采用毂轮式刀库无机械手换刀方案,配合卧式加工中心,结构简单,经济性好，适合于加工中小型加
