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1、 遼寧省高等教育自學考試 數(shù)控技術 專業(yè)（本科段） 畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計題目： 數(shù)控加工中心刀庫設計 助學單位 大連電子信息應用教育中心 姓 名 準考證號 指導教師 2013 年 12 月 28 日 一、課題背景、目的與意義 (1) 背景：數(shù)控技術從20世紀50年代初，在美國首先應用

2、至今，已有五十多年的歷史了，它從機床工業(yè)開始，如今已滲透到航空、造船等其他機械制造部門。從過去的單機控制發(fā)展到現(xiàn)在的成組控制，一條線控制以至整個車間和工廠的自動化控制，涉及的新技術和配套技術也越來越多，數(shù)控技術已成為機電工業(yè)不可忽視的新技術，而且隨著信息社會的到來，這一技術還在不斷深入和豐富之中。 (2) 目的：數(shù)控加工中心是綜合的高新技術產(chǎn)品。它柔和了機械、電子電工、計算機技術、控制工程等技術于一身。對刀庫系統(tǒng)的設計是實現(xiàn)對工件表面進行連續(xù)加工的必要設備之一，配備了刀庫之后可以自動進行鏜、擴、絞、銑、銷、鉆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為了可能，而刀庫為加工中心的自動

3、化換刀、多工位的加工提供了刀具的支持。刀庫是換刀系統(tǒng)核心部件之一，其主要作用在于減少加工過程中的非切削時間，以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，進而提升機床乃至整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。隨著加工中心的發(fā)展，國家企業(yè)對高速，大功率，高效率的要求，以及ATC的設計的去向和系統(tǒng)化的走向，刀庫的設計顯得尤為關鍵和重要了。 (3) 意義：隨著現(xiàn)在科技水平的提高，我國工業(yè)水平日益增長，綜合國力不斷提升，這樣在機械自動化管理中，數(shù)控技術就越顯其關鍵性的作用。在機械設備生產(chǎn)運營中數(shù)控技術作為其核心問題已經(jīng)是衡量國家整體技術水平的重要標準。所以，在我國的制造中數(shù)控技術成為首要考慮并被廣泛應用的技術，這樣就使我國的工業(yè)制造

4、同時滿足戰(zhàn)略角度和發(fā)展策略的要求，大大提高我國工業(yè)經(jīng)濟水平。目前，數(shù)控技術已經(jīng)成為機械制造中的關鍵性成分，而且越來越受到國家社會的重視。在日益更新?lián)Q代的科技新產(chǎn)品的壓力下，傳統(tǒng)機械制造水平已經(jīng)很難滿足發(fā)展的需要，加上以計算機為代表的現(xiàn)代科技業(yè)的發(fā)展，另外，在競爭激烈的市場經(jīng)濟壓力下都能使機械制造業(yè)開始加大對技術的改革創(chuàng)新管理，以滿足多樣化的現(xiàn)代產(chǎn)品的發(fā)展和適應其換代的高速度。隨著多品種小批量式產(chǎn)品的大量生產(chǎn)，外加各個企業(yè)單位對成本和交貨的質(zhì)量要求越來越高，使得現(xiàn)代制造技術必須具備高柔性。為了增強有關機械制造業(yè)的高程度適應外界影響的能力，并滿足市場變化的需要，就必然引進現(xiàn)代數(shù)控技術，充分利用其靈

5、活性，盡可能多地講數(shù)控技術運用在機械制造業(yè)中，最終，提高機械設備的整體功能和效率，并促進設備的可靠性，使產(chǎn)品的質(zhì)量上升到新的高度，適應激烈競爭的現(xiàn)代市場。 國內(nèi)現(xiàn)狀 我國數(shù)控技術起步于20世紀50年代末期，經(jīng)歷了初期的封閉式開發(fā)階段，“六五”、“七五”期間的消化吸收、引進技術階段，“八五”期間建立國產(chǎn)化體系階段，“九五”期間產(chǎn)業(yè)化階段，現(xiàn)已基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術，建立了數(shù)控開發(fā)、生產(chǎn)基地，培養(yǎng)了一批數(shù)控專業(yè)人才，初步形成了自己的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。目前，較具規(guī)模的企業(yè)有廣州數(shù)控、航天數(shù)控、華中數(shù)控等，生產(chǎn)了具有中國特色的經(jīng)濟型、普及型數(shù)控系統(tǒng)。經(jīng)半個世紀的發(fā)展，產(chǎn)品的性能和可靠性有了較大的提高，

6、逐漸被用戶認可，在市場上站穩(wěn)了腳跟。但是由于系統(tǒng)技術含量低，產(chǎn)生的附加值少，不具備與進口系統(tǒng)進行全面抗衡的能力，只在低端市場占有一席之地，還不能為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)起到支撐的作用，與國外相比，還有不小的差距。主要問題有以下幾方面： (1)技術創(chuàng)新成分低、消化吸收能力不足目前我國數(shù)控技術的研究主要還是依照國外開發(fā)的一些模式按部就班地進行。真正創(chuàng)新的成分不多，對國外技術的依賴度較高，對所引進技術的消化依舊停留在掌握已有技術和提高國產(chǎn)化率上，沒有完全形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術創(chuàng)新能力。技術引進是加快我國控技術發(fā)展的一條重要途徑，但引進的技術要實現(xiàn)從根本上提高我國數(shù)控技術水平，必須進行充分的消化吸收。消化

7、吸收的力度不強，不但無法擺脫對國外技術的依賴，而且還會造成對國外技術依賴性增強的反作用。 (2)技術創(chuàng)新環(huán)境不完善我國尚未形成有利于企業(yè)技術創(chuàng)新的競爭環(huán)境。企業(yè)技術創(chuàng)新的動力來源于對經(jīng)濟利益的追求和外部市場的競爭壓力，其技術創(chuàng)新意識不強。企業(yè)還沒有建立良好的技術創(chuàng)新機制，絕大部分企業(yè)的技術創(chuàng)新組織仍處于一種分散狀態(tài)，很難取得高水平的科研成果。 (3)產(chǎn)品可靠性、穩(wěn)定性不高可靠性的指標一般采用平均無故障時間(MTBF，單位為h)，國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間在10 000 h以上，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時間僅為3 000—6 000 h。這使得可靠性、穩(wěn)定性上就與國外技術相差很大，必然影響

8、產(chǎn)品的市場占有率 (4)網(wǎng)絡化程度不夠我國數(shù)控技術的網(wǎng)絡化程度不夠，目前主要用于NC程序傳送，采用紙帶閱讀器、串口通訊技術，其集成化、遠程故障排除、網(wǎng)絡化水平有限。 (5)體系結(jié)構(gòu)不夠“開放” 大部分數(shù)控產(chǎn)品體系結(jié)構(gòu)不夠開放，用戶接口不完善，少數(shù)具有開放功能的產(chǎn)品又不能形成真正的產(chǎn)品，只是停留在試驗、試制階段。用戶不能根據(jù)自己的需要將積累的技術經(jīng)驗融入到系統(tǒng)中，無形中流失了很多對數(shù)控技術改進、創(chuàng)新和完善的資源。 眾所周知，國外的高檔數(shù)控系統(tǒng)價格非常昂貴，如意大利Fidia仿形數(shù)控系統(tǒng)價格為60一70萬元人民幣，英國的雷尼紹仿形測頭價格高達28萬元人民幣；德國Walter的數(shù)控工具磨床

9、，僅一種刀具的編程軟件即需l萬美元。而華中數(shù)控與菲地亞相同檔次的仿形數(shù)控系統(tǒng)價格約僅為其1／3。此外，若進口五軸聯(lián)動以上的數(shù)控系統(tǒng)，還受到西方政府的管制，要對最終用戶和最終用途進行調(diào)查，限制其使用，若認為與軍事工業(yè)有關，則不予批準。即使我國民用工業(yè)能購進口這類設備，其價格也非常昂貴，僅一套CNC單元價格高達20多萬元人民幣，而華中數(shù)控五軸CNC，價格約為其1／4。 另外開放式、網(wǎng)絡化已成為當今數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢。華中“世紀星”系列數(shù)控系統(tǒng)包括世紀星HNC一18i、HNC一19i、HNC一2I和HNC一22四個系列產(chǎn)品，均采用工業(yè)微機(IPC)作為硬件平臺的開放式體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新技術路線，充

10、分利用PC軟、硬件的豐富資源，通過軟件技術的創(chuàng)新，實現(xiàn)數(shù)控技術的突破。通過工業(yè)PC的先進技術和低成本保證數(shù)控系統(tǒng)的高性價比和可靠性。并充分利用通用微機已有軟硬件資源和分享計算機領域的最新成果，如大容量存儲器、高分辨率彩色顯示器、多媒體信息交換、聯(lián)網(wǎng)通訊等技術，使數(shù)控系統(tǒng)可以伴隨PC技術的發(fā)展而發(fā)展，從而長期保持技術上的優(yōu)勢。 在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多

11、變市場的適應能力和競爭能力。工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅大力發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。因此大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展，提高綜合國力和國家地位的重要途徑。數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，其技術范圍覆蓋很多領域：①機械制造技術；②信息處理、加工、傳輸技術；③自動控制技術；④伺服驅(qū)動技術；⑤傳感器技術；⑥軟件技術等。為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題，目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，如美國的NGC、歐共體

12、的OSACA、日本的OSEC，中國的ONC等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象(數(shù)控功能)，形成系列化。并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。 網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成

13、的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在EM0200l展中，日本山崎馬扎克公司展出的“Cyber-Production Center”(智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC)；日本大隈機床公司展出的“IT plaza”(信息技術廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子公司展出的“Open Manufac—tufing Environment”(開放式制造環(huán)境，簡稱OME)等，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。隨著人們環(huán)境保護意識的加強，對環(huán)保的要求越來越高。不僅要求在機床制造過程中不產(chǎn)生對環(huán)境

14、的污染，也要求在機床的使用過程中不產(chǎn)生二次污染。在這種形勢下，裝備制造領域?qū)C床提出了無冷卻液、無潤滑液、無氣味的環(huán)保要求，機床的排屑、除塵等裝置也發(fā)生了深刻的變化。上述綠色加工工藝愈來愈受到機械制造業(yè)的重視。目前在歐洲的大批量機械加工中，已有10％一15％的加工實行了干切削或準干切削。美國HARDING的QUEST系列車床、德國HUELLER的高速加工中心均采用了干切削技術；日本原洲公司加工中心采用了液氮冷卻技術；日本富士公司的數(shù)控車床采用了冷風冷卻技術。如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范

15、(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學計劃和規(guī)范的制定，預示了數(shù)控技術的一個新的變革時期的來l臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。STEP—NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術領域的一次革命，對于數(shù)控技術的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。首先，STEP—NC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術開放式、網(wǎng)絡化發(fā)展的方向。其次，STEP—NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙(約75％)、加工程序編制時間(約35％)和加

16、工時間(約50％)。 我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，要掌握先進制造核心技術，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術的制造中心的地位，這樣將會嚴重影Ⅱ向我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定。 二、設計應用的原理和理論依據(jù) 本次設計所涉及的是XKA503

17、2A/C數(shù)控立式升降臺銑床自動換刀裝置（換刀機械手組成）。它是多工序數(shù)控機床上應用最廣泛的換刀裝置，其整個換刀過程比較復雜。首先把加工過程中需要使用的全部刀具安裝在標準的刀柄上，在機床外進行尺寸預調(diào)后，按一定的方式裝入刀庫。換刀時，現(xiàn)在刀庫中進行選刀，由機械手從刀庫和主軸上取出刀具，然后交換位置，把新刀插入主軸，舊到放回刀庫。存放刀具的刀庫具有較大的容量，其容量為六把刀具，采用盤型結(jié)構(gòu)，安裝機床的左側(cè)立柱上。因為XKA5032A/C數(shù)控立式升降臺銑床外形及其他性能參數(shù)等均與THK6363型自動換刀數(shù)控鏜銑床相似，所以本機床的自動換刀裝置的設計將效仿THK6363型自動換刀數(shù)控鏜銑床換刀裝置，設

18、計成采用軸向放置的鼓盤式刀庫形式和回轉(zhuǎn)式雙臂機械手組成。 刀具按預定工序的先后順序插入刀庫的刀座中，使用時按順序轉(zhuǎn)到取刀位置。用過的刀具放在原來的刀座內(nèi)，也可以按順序放入下一個刀座內(nèi)。該法不需要刀具識別裝置，驅(qū)動裝置也比較簡單，工作可靠。但刀庫中每一把刀具在不同工序中不能重復使用，為了滿足加工需要只有增加刀具的數(shù)量和刀庫的容量，這就降低了刀具和刀庫的利用率。此外，裝刀時必須十分謹慎，如果刀具不按順序裝在刀庫中，將會產(chǎn)生嚴重的后果。順序選刀是在加工之前，將加工零件所需刀具按照工藝要求依次插入刀庫的刀套中，順序不能有差錯。加工時按順序調(diào)刀。適合加工批量較大、工件品種數(shù)量較少的中、小型自動換刀裝置

19、?？芍獢?shù)控銑床用4把刀就可以完成大多數(shù)銑削加工。所以這個容量為六把刀的刀庫，幾乎不存在加工過程需要重復利用刀具的情況，所以刀具的選擇方式為順序選擇刀具。 兩手互相垂直的回轉(zhuǎn)式單臂雙手機械手的優(yōu)點是換刀動作可靠，換刀時間短，缺點刀柄精度要求高，結(jié)構(gòu)復雜，聯(lián)機調(diào)整的相關精度要求高，機械手離加工區(qū)較近。一般來說，這種機械手用于刀庫刀座軸線與機床主軸軸線垂直，刀庫為徑向存取刀具形式的自動換刀裝置，因此，XKA5032A/C數(shù)控立式升降臺銑床的自動換刀裝置中可采用這種機械手形式。 三、設計方案論證分析 XKA5032A/C數(shù)控立式升降臺銑床主要由床身、升降臺、工作臺、立銑頭、主傳動、主變速、拉

20、刀機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、自動潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、吊掛、電柜、等部分組成。機床本身并不帶自動換刀裝置。自動換刀裝置作為一套獨立的、完整的機床部件，設計依據(jù)是該機床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數(shù)量等。 1. 1電動機初選 （1） 選擇電動機類型 （2） 選擇電動機容量 （3） 確定電動機轉(zhuǎn)速 1.2確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比 （1）總傳動比 （2）分配減速器的各級傳動比 1.3確定各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率 （1）各軸轉(zhuǎn)速 （2）各軸輸入功率 （3）各軸輸入轉(zhuǎn)矩 1.4電動機的校核 （1）轉(zhuǎn)矩校核 （2）轉(zhuǎn)速校核 1.5刀庫結(jié)構(gòu)設計 （1）齒輪傳動的計算 （2）

21、軸的校核 （3）滾動軸承的校核 （4）蝸桿蝸輪的設計 （5）鍵的校核 1.6實現(xiàn)功能 數(shù)控加工中心刀庫設計 1.7關鍵技術及難點 主要傳動部件設計 刀庫的設計 換刀裝置的設計 電動機的選擇 1.8開發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)實現(xiàn) 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境： a. 硬件配置：，處理器：Core-i3；內(nèi)存：4G；硬盤：500G； b. 操作系統(tǒng)：中文Windows 7； c. 開發(fā)工具：AutoCAD； d. 輔助軟件：Microsoft Office ； e. 開發(fā)地點：； 四、預期成果 軟件：該系統(tǒng)windows環(huán)境下的CAD設計圖。 文檔：開題報告，中期報告，需求

22、分析，詳細的設計文檔，測試文檔，畢業(yè)論文 五、工作進度計劃 1、第1-2周，實習調(diào)研、收集相關的資料完成開始報告 2、第3周， 確定目標和制定總體設計方案 3、第4-8周，根據(jù)設計方案進行機構(gòu)設計及計算，畫出機構(gòu)裝配圖 4、第9-11周，建立程序原型，調(diào)試系統(tǒng)程序 5、第12周，撰寫畢業(yè)設計說明書 六、參考文獻 [1] 胡仁喜，數(shù)控技術及其應用. 北京：機械工業(yè)出版社，2009 [2] 熊光華，數(shù)控機床. 北京：機械工業(yè)出版社，2001 [3] 王愛玲. 現(xiàn)代數(shù)控機床. 北京：浙江大學出版社，2004 [4] 孫訓方，方孝淑，關來泰編. 材料力學. 北京：高等教育出版

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