【精品】開題報告

1、華中科技大學(xué)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(jī) 械 學(xué) 院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 姓 名： 葉進(jìn) 學(xué) 號： 6 指導(dǎo)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(shè)計工作，能夠在對面向箱體加工的FMS應(yīng)用的四軸加工中心的了解的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對加工中心刀庫的設(shè)計，并與同組人的對主軸部件、工作臺、夾具的設(shè)計相應(yīng)，最終設(shè)計出整個機(jī)床。1.2柔性制造技術(shù)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(shè)備和相對固定的加工工藝，這可稱為固定自動化方式。自

2、動流水線通常相當(dāng)昂貴，設(shè)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(fèi)很大。自動流水線的優(yōu)點是生產(chǎn)率很高，由于設(shè)備是固定的，所以設(shè)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(jī)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(zhuǎn)換到另一種類型的零件，不需要改變機(jī)床硬件，僅需要改變控制程序(NC程序)及夾具刀具。NC機(jī)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。在金屬品制造中，中等批量、中等品種的情況

3、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(guān)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(jī)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(dǎo)致成本的提高。因此，結(jié)合自動流水線與NC機(jī)床的特點，將NC機(jī)床與物料料輸送設(shè)備通過計算機(jī)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，F(xiàn)MS是NC機(jī)床或設(shè)備自動化的延伸。柔性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲運(yùn)系統(tǒng)

4、和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對象變換的自動化機(jī)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(shù)經(jīng)濟(jì)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(yīng)的流動資金占用量，縮短生產(chǎn)周期；提高設(shè)備的利用率，減少設(shè)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(zhì)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(shù)的國內(nèi)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(

5、FMF)。FMS關(guān)鍵技術(shù) 1.計算機(jī)輔助設(shè)計 2.模糊控制技術(shù)3.人工智能、 專家系統(tǒng)及智能傳感器技術(shù) 4.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 柔性制造系統(tǒng)未來將向發(fā)展各種工藝內(nèi)容的柔性制造單元和小型FMS；完善FMS的自動化功能；擴(kuò)大FMS完成的作業(yè)內(nèi)容，并與計算機(jī)輔助設(shè)計和輔助制造技術(shù)(CAD/CAM)相結(jié)合，向全盤自動化工廠方向發(fā)展。1.FMC將成為發(fā)展和應(yīng)用的熱門技術(shù)這是因為FMC的投資比FMS少得多而經(jīng)濟(jì)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。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

6、機(jī)等工廠對FML的需求引起了FMS制造廠的極大關(guān)注。采用價格低廉的專用數(shù)控機(jī)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(jìn)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；而真正完善的第二代FMS預(yù)計至21世紀(jì)才會實現(xiàn)。屆時，智能化機(jī)械與人之間將相互融

7、合、柔性地全面協(xié)調(diào)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，F(xiàn)MS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(shù)如NC加工中心、工業(yè)機(jī)器人、CAD/CAM、資源管理及高度技術(shù)等的發(fā)展，提供了可供集成一個整體系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)；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(yīng)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，F(xiàn)MS作為一種現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)“哲理”和工廠自動化的先進(jìn)模式已為國際上所公認(rèn)，可以這樣認(rèn)為：FMS是在自動化技術(shù)、信息技術(shù)及制造技術(shù)的

8、基礎(chǔ)，將以往企業(yè)中相互獨(dú)立的工程設(shè)計、生產(chǎn)制造及經(jīng)營管理等過程，在計算機(jī)及其軟件的支撐下，構(gòu)成一個覆蓋整個企業(yè)的完整而有機(jī)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(jìn)而贏得競爭全勝的智能制造系統(tǒng)。FMS作為當(dāng)今世界制造自動化技術(shù)發(fā)展的前沿科技，為未來機(jī)構(gòu)制造工廠提供了一幅宏偉的藍(lán)圖，將成為21世紀(jì)機(jī)構(gòu)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(jī)床中典型機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品，同時又是先進(jìn)制造技術(shù)不可缺少的工藝設(shè)備。它綜合了微電子，計算機(jī)、自動控制，精密測量、機(jī)床制造等方面技術(shù)及相關(guān)配套的最新成就，是當(dāng)代機(jī)床工業(yè)發(fā)展方向和先進(jìn)生產(chǎn)力的標(biāo)志

9、，多坐標(biāo)（5坐標(biāo)）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(fù)合的數(shù)控機(jī)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(kuò)、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(jī)床按不同工序，自動選擇和更換刀具，自動改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對工件的運(yùn)動軌跡及其他輔助機(jī)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(jī)床和組合機(jī)床的區(qū)別是：用加工中心加工零件時，當(dāng)需要更換零件時，只需改變加工程序和刀輔具即可進(jìn)行生產(chǎn)，用這種設(shè)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)

10、品的試制；用機(jī)床和組合機(jī)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(zhì)量、高柔性、低勞動強(qiáng)度等優(yōu)點，因此得到機(jī)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(guān)政策，鼓勵扶持?jǐn)?shù)控機(jī)床、加工中心的發(fā)展。隨著以銑床為基礎(chǔ)的加工中心的出現(xiàn)，以臥式鏜床和坐標(biāo)鏜床為基礎(chǔ)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。習(xí)慣上的分類方法大致有兩種，一種是按工藝用途進(jìn)行分類，另一種是結(jié)合工藝用途，按機(jī)床總體布局進(jìn)行分類1.）按工藝用途分類大致可分為鏜銑

11、加工中心、鉆削加工中心、車削加工中心、激光加工中心、復(fù)合加工中心和板金加工中心6大類2.）按機(jī)床布局進(jìn)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(gòu)成一臺加工中心是由機(jī)床（機(jī)械部分）和控制系統(tǒng)（電氣部分）兩部分組成，機(jī)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(jī)通常是由三大基礎(chǔ)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(yīng)用：作為單機(jī)使用的普通加工中心，是

12、在操作人員的管理下運(yùn)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(jī)床運(yùn)行狀態(tài)、刀具狀態(tài)、加工質(zhì)量狀態(tài)。普通加工中心要求操作人員進(jìn)行這類干預(yù)，因此不適應(yīng)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(shè)計方案和運(yùn)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?zhǔn)降稁?，盒式刀庫，架式刀庫?. 工件自動交換把加工的工件從加工中心伴奏，吧待加工的工件送給加工中心，F(xiàn)MS的這種工具愛你交換作業(yè)是由設(shè)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.

13、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(yīng)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(bǔ)償給加工中心增加自動檢測補(bǔ)償功能，F(xiàn)MS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(yīng)控制。2課題內(nèi)容2.1基本任務(wù)設(shè)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(guān)鍵零件進(jìn)行設(shè)計。2.2設(shè)計方案選擇刀庫刀具交換系統(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(jī)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(guān)鍵

14、。加工中心有立式、臥式、龍門式幾種，所以這些機(jī)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?zhǔn)降稁?，格子箱式刀庫和直線刀庫等。轂輪式刀庫：應(yīng)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動慣量大，選刀時運(yùn)動間長。因此這種刀庫的容量較小，一般不超過32把刀具。鏈?zhǔn)降稁欤喝萘枯^大，當(dāng)采用多環(huán)鏈?zhǔn)降稁鞎r，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(yùn)動慣量不像鼓輪式刀庫增加的那么多。格子箱

15、式刀庫：刀庫容量大，結(jié)構(gòu)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(cè)的刀具時，必須更換另一側(cè)的刀座板。直線式刀庫：結(jié)構(gòu)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(jī)械手分為單臂單手式，單臂雙手式和雙手式機(jī)械手，單臂單手式結(jié)構(gòu)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，以及刀庫刀套軸線與主軸軸線垂直的場合。單臂雙手式機(jī)械手可同時抓住主軸和刀庫中的刀具，并進(jìn)行拔出，插入，換刀時間短，廣泛應(yīng)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(jī)械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，換刀時間短，這種機(jī)械手除了完成拔刀，插刀外，

16、還起運(yùn)輸?shù)毒叩淖饔谩?機(jī)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(yīng)能精確的調(diào)整刀具的位置，采用自動交換刀具時，應(yīng)保證交換前后都處于正確的位置3. 刀架、刀庫、換刀機(jī)械手都應(yīng)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(jié)合所給題目，由于所要求設(shè)計的刀庫有自動換刀裝置，且刀具容量20把左右，考慮到面向箱體的加工中心一般設(shè)計為臥式加工中心，初步?jīng)Q定采用轂輪式刀庫無機(jī)械手換刀方案，配合臥式加工中心，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)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(jìn)度安排第1周第2周： 查閱資料，熟悉設(shè)計任務(wù)；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(shè)計，繪制刀庫總圖；第8周第13周： 刀庫組件設(shè)計，繪制刀庫裝配圖；第14周第16周： 關(guān)鍵零件設(shè)計，繪制零件圖；第17周第20周： 撰寫論文，答辯4參考文獻(xiàn)1楊叔子主編.機(jī)械加工