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鏈?zhǔn)阶詣?dòng)換刀臂的多階段優(yōu)化設(shè)計(jì)
KIM Jae-Hyun, LEE Choon-Man
韓國(guó)昌原國(guó)立大學(xué)機(jī)電學(xué)院，昌原641-773，
中南大學(xué)出版社和柏林海德堡施普林格出版社2012
摘要：為了提高加工效率，刀具更換時(shí)間需要有所減少。因此，用于連接到一個(gè)自動(dòng)換刀加工中心的換刀時(shí)間將減少。同時(shí)自動(dòng)換刀系統(tǒng)是加工中心的一個(gè)重要部分，作為驅(qū)動(dòng)源。使用商業(yè)代碼ANSYS Workbench V12試圖解釋自動(dòng)換刀裝置的靜態(tài)屬性，對(duì)和自動(dòng)換刀臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。依靠自動(dòng)換刀的形狀的優(yōu)化建議，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，獲得可接受的改進(jìn)。它是能夠獲得一個(gè)與初始模型的比較，最大變形，最大應(yīng)力和質(zhì)量分別減少10.46%，12.89%和9.26%的優(yōu)化模型。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法也與常規(guī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了多級(jí)優(yōu)化比較。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)換刀裝置；優(yōu)化設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)分析；交換臂
1 引言
最近，在機(jī)械制造行業(yè)中，模具和機(jī)械零件已經(jīng)變成了小批量生產(chǎn)系統(tǒng)。同時(shí)，需要提高生產(chǎn)率和切割速度。然而，從實(shí)踐觀點(diǎn)看，高質(zhì)量和低成本是有針對(duì)性的實(shí)際的立場(chǎng)。因此，對(duì)于這樣的目標(biāo)追求實(shí)現(xiàn)機(jī)床高速加工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，縮短交貨時(shí)間。結(jié)果，它是可能的檢查狀態(tài)的工具和工件在機(jī)床使用適當(dāng)?shù)膫鞲衅?。此外，加工中心的自?dòng)換刀裝置（ATC）和一個(gè)托盤自動(dòng)交換裝置（APC）旨在操作無(wú)人值守廠24 小時(shí)，自動(dòng)換刀裝置存儲(chǔ)用于加工中心的雜志和變化的工具自動(dòng)為所需的工具。改變這樣的管制的工具正是安裝在主軸[1]。
同時(shí)，它代表了一種先進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，由于對(duì)機(jī)床的干擾少，加工中心操作者可以從事其他工作。也就是說(shuō)，運(yùn)營(yíng)商可以控制其他機(jī)床或準(zhǔn)備下一個(gè)工件，從而減少生產(chǎn)時(shí)間。
在這項(xiàng)研究中使用的鏈?zhǔn)紸TC代表著許多工具都存儲(chǔ)在一個(gè)特征模塊。在工具的改變，兩個(gè)臂移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)180°在直接轉(zhuǎn)換的方式配置工具更改到下一個(gè)工具[2]。因此，有必要同時(shí)確保結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)輕量化。
在實(shí)際的工業(yè)領(lǐng)域，優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的。因此，提出了各種機(jī)械零件優(yōu)化各種優(yōu)化方法[3]。
宋等人[ 4 ]提出的軸承短優(yōu)化設(shè)計(jì)提高學(xué)報(bào)的人工生命算法。阿萊爾等人[ 5 ]結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化的拓?fù)浜托螤畹倪M(jìn)行推導(dǎo)。BAGCI和艾庫(kù)特[ 6 ]提出田口優(yōu)化驗(yàn)證數(shù)控銑削的最佳表面粗糙度。蘭博迪[ 7 ]提出了一種基于模擬退火算法的桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。塞庫(kù)爾斯基[ 8 ]表明，遺傳算法是一種有效的多目標(biāo)優(yōu)化工具的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同時(shí)設(shè)計(jì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)工具。
SEO等人[ 9 ]提出的形狀優(yōu)化和基于ISO幾何分析的設(shè)計(jì)的延伸。
在優(yōu)化空管部門，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的因素和輕量化是彼此相反[ 10 ]。它顯示一個(gè)權(quán)衡，如果追求提高結(jié)構(gòu)輕巧，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將是一個(gè)弱點(diǎn)，如果改進(jìn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)輕量化的實(shí)現(xiàn)是很困難的。因此，為了滿足這些相反的因素和優(yōu)化，以不同方式等臂形狀優(yōu)化是通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了[ 11 ]。
在這項(xiàng)研究中，獲得更為優(yōu)化的模型比以前的研究[ 11 ]，一個(gè)多階段進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)是利用商業(yè)分析程序，CATIA V5和ANSYS Workbench，和分析的有效性是通過(guò)比較初始和傳統(tǒng)優(yōu)化模型在這項(xiàng)研究中實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化模型研究。
2 AT的結(jié)構(gòu)
ATC由三個(gè)元素組成，如雜志，更換部分，和臂部。部分雜志是一種裝置，儲(chǔ)存大量的工具和修改工具使用伺服電機(jī)。該變換器部分配備伺服電機(jī)，旋轉(zhuǎn)臂。臂部的嚙合工具在加工中心的旋轉(zhuǎn)180°主軸和雜志顯示臂形變化的工具。
圖1說(shuō)明了ATC模擬利用CATIA V5 R17的整個(gè)結(jié)構(gòu)。
圖1 就ATC鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)圖
手臂的初始模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。在進(jìn)行有限元分析的參考，使用商業(yè)分析程序進(jìn)行了初步的有限元分析模型，利用ANSYS Workbench的V12。分析是通過(guò)最小化在臂的附加部分進(jìn)行。在分析方法上，一個(gè)十六進(jìn)制主導(dǎo)的方法應(yīng)用于一個(gè)有限元分析共51794個(gè)節(jié)點(diǎn)和13496元素。圖2顯示了手臂的初始有限元模型。
圖2 初始有限元模型的手臂
在分析的邊界條件，在ATC臂中心孔的支持，和重力加速度的應(yīng)用到整個(gè)身體。在負(fù)載條件下，負(fù)載147 N適用于夾兩端考慮工具的最大重量。
結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果示于圖3。在夾具的初始模型兩端的最大變形量為5.7487μM。同時(shí)，最大應(yīng)力在截面邊緣產(chǎn)生，這推動(dòng)了空管部門后4.1762兆帕的的手指。
圖3 結(jié)構(gòu)分析：（一）臂的變形分布；（b）的應(yīng)力分布
3 ARM的多階段優(yōu)化
靜態(tài)順應(yīng)性FX（= D / F）可通過(guò)靜剛度的得出了。特別是，在一些機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人要求高精度和加工效率，就成為最重要的靜態(tài)特性以及結(jié)構(gòu)的重量，這些因素是綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)。正如上面提到的，靜態(tài)優(yōu)化的問(wèn)題被確定為這兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的靜態(tài)特性和重量最小化的問(wèn)題[12]。
因此，在這項(xiàng)研究中，優(yōu)化是為滿足每個(gè)目標(biāo)函數(shù)的一個(gè)多級(jí)的方式進(jìn)行。第一階段為提高靜態(tài)特征的階段。通過(guò)定義設(shè)計(jì)因素，減少變形，可誘導(dǎo)的最佳模型。第二階段是確定為實(shí)現(xiàn)其輕量化的一個(gè)階段?；诘谝浑A段提出的優(yōu)化模型，形狀優(yōu)化是針對(duì)它的重量減少了10%行。
3.1第一階段的臂優(yōu)化設(shè)計(jì)
在第一階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是最大限度地減少臂的變形。
圖4說(shuō)明了手臂的設(shè)計(jì)變量。
圖4 ATC臂因素
臂的尺寸和形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般形式可以通過(guò)定義目標(biāo)函數(shù)和約束條件下的函數(shù)[13-15]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)ATC臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)，形式化定義如下：
其中X代表的設(shè)計(jì)變量，并σ和δ顯示應(yīng)力和變形，分別。同時(shí)，σa和σb為顯示的應(yīng)力和變形的允許值，分別為。一方面，A，B，和C的設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量的配置±30毫米，不到目前的碰撞干涉的影響在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)。
在最佳設(shè)計(jì)，最佳的解決方案可以最大限度地減少臂的變形使用CATIA V5的產(chǎn)品工程優(yōu)化。表1給出了優(yōu)化結(jié)果。
圖5說(shuō)明了該優(yōu)化設(shè)計(jì)的臂的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。在分析中的邊界條件被配置為作為初始模型同樣存在。
表1 優(yōu)化結(jié)果減小變形
圖5 減少變形的結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化的ARM的：（a）變形分布；（b）的應(yīng)力分布
3.2第二級(jí)臂優(yōu)化設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)手臂的輕量化是降低工件成本的重要因素。同時(shí)，可以通過(guò)引入一個(gè)輕量級(jí)的結(jié)構(gòu)[ 16 ]改善經(jīng)濟(jì)。因此，實(shí)現(xiàn)手臂的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)是在第二階段進(jìn)行。在降低質(zhì)量的目標(biāo)是10%的基礎(chǔ)上的最佳設(shè)計(jì)的第一階段提出的模型的手臂。為減少手臂的質(zhì)量，形狀優(yōu)化采用ANSYS Workbench進(jìn)行形狀優(yōu)化功能。為優(yōu)化設(shè)計(jì)的形式化可以如下：
在Z是一個(gè)設(shè)計(jì)變量,δσ和顯示壓力和變形,分別和σa和δa津貼的應(yīng)力和變形值。同時(shí),設(shè)計(jì)變量Φr是配置找到所有部分的質(zhì)量減少可能除了部分,它有一些局限性在設(shè)計(jì)。
圖6說(shuō)明了最佳的解決方案，最大限度地減少臂的變形結(jié)果。如圖6所示，提出了“部分刪除“代表一個(gè)質(zhì)量可部分去除它。根據(jù)研究結(jié)果，可部分除去到最高水平。圖7顯示了基于形狀優(yōu)化結(jié)果的臂輕量化提出的最佳形狀。
圖6 基于ANSYS的形狀優(yōu)化結(jié)果
圖7臂設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)分析使用所提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行。同時(shí)，在分析中的邊界條件被施加作為現(xiàn)有的初始模型相同的。
圖8顯示了結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，這是通過(guò)施加的最佳形狀進(jìn)行。
圖8結(jié)構(gòu)分析的輕量化優(yōu)化臂：（a）變形分布；（b）的應(yīng)力分布
該模型的最大變形采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，從5.748減少7μM在初始模型提出了5μ5.147 m高達(dá)10.46%，產(chǎn)生在夾子端作為初始模型相同的。同時(shí)，最大應(yīng)力降低4.176 2兆帕在初始模型3.637 9兆帕高達(dá)12.89%。此外，質(zhì)量從7.871 2公斤的初始模型，提出了減少到7.142 5公斤，多達(dá)9.26%。
表2給出了比較的結(jié)果的優(yōu)化設(shè)計(jì)[ 11 ]采用多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在這項(xiàng)研究中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。
表2 結(jié)果比較
在本研究中得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果比較，最大變形，最大應(yīng)力，和質(zhì)量的1.38%，12.61%，和5.63%的降低，分別為。因此，可以看出，使用CATIA、ANSYS進(jìn)行本研究多級(jí)設(shè)計(jì)使得有可能吸引更多的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)比現(xiàn)有的研究。
4 結(jié)論
1）采用多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以獲得一個(gè)優(yōu)化模型，與初始模型的比較最大變形，最大應(yīng)力和質(zhì)量分別減少10.46%，12.89%，9.26%，。
2）在多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的比較，最大變形，最大應(yīng)力和質(zhì)量分別減少了1.38%，12.61%和5.63%。
3）通過(guò)比較常規(guī)方法的結(jié)果的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，提出了采用多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)是否正確進(jìn)行。
4）基于CATIA、ANSYS商業(yè)軟件使用多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證，預(yù)計(jì)可應(yīng)用于機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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10
一 設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展?fàn)顩r
1.1 外文翻譯
目前已經(jīng)完成對(duì)外文Multi-stage optimum design of magazine type automatic tool changer arm（鏈?zhǔn)阶詣?dòng)換刀庫(kù)的多階段優(yōu)化設(shè)計(jì)）的翻譯。其中，英文原文兩千七百余字，翻譯完成后漢字五千四百余字。
1.2 初步對(duì)所要設(shè)計(jì)的刀庫(kù)有所了解
數(shù)控機(jī)床為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，進(jìn)一步壓縮非切削時(shí)間，現(xiàn)代的機(jī)床逐步發(fā)展為在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾中完成多工序或全部工序的加工。數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多個(gè)工步，以縮減輔助時(shí)間和減少多次安裝工件引起的誤差，通常帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)。對(duì)工件的多工序加工而設(shè)置的存儲(chǔ)及更換刀具的裝置稱為自動(dòng)換刀裝置（Automatic Tool Changer，ATC）。自動(dòng)換刀（Automatic Tool Change 簡(jiǎn)稱ATC）系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成。自動(dòng)換刀裝置的功能，對(duì)整機(jī)的加工效率有很大的影響。
本次設(shè)計(jì)所需要的數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)由四排帶刀套的鏈條組成，每排鏈條有15把刀套，刀庫(kù)最大容量為60把刀。良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)刀庫(kù)中刀具的快速移動(dòng)，提高機(jī)床的加工效率。數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，選擇何種形式，主要取決于機(jī)床的種類、工藝范圍以及刀具的種類和數(shù)量等。本課題中的JCS-013型數(shù)控臥式鏜銑床將采用的是帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀形式。
其裝配圖如圖所示：
圖1 JCS-013刀庫(kù)裝配圖1
圖2 JCS-013刀庫(kù)裝配圖2
圖3 JCS-013刀庫(kù)裝配圖3
1.3 短期目標(biāo)
通過(guò)對(duì)上方三幅裝配圖的觀察，初步了解設(shè)計(jì)所需，為后期工作做好準(zhǔn)備。
二 存在問(wèn)題及解決措施
2.1 刀套位置的選擇
因刀庫(kù)由四排帶刀套的鏈條組成，每排鏈條有15把刀套，刀庫(kù)最大容量為60把刀，每一排刀套位置互相一一對(duì)應(yīng)，因此找刀程序分為兩步：一是手架升降找刀排，二是在一排內(nèi)選刀。所以，刀套位置的設(shè)計(jì)尤其重要，需仔細(xì)的考慮好。
2.2 鏈條移動(dòng)速度的設(shè)計(jì)
為了保證正確的自動(dòng)換刀，鏈條移動(dòng)找刀時(shí)，刀套每次必須停在同一位置上，因此刀套必須有精確地定位，鏈條的移動(dòng)速度必須精確的設(shè)計(jì)好，
2.3 部分資料的缺乏
由于沒(méi)有實(shí)物的存在，設(shè)計(jì)部分會(huì)異常的辛苦，所以需要多和老師及同學(xué)討論研究，多查資料，以求完成本次設(shè)計(jì)。
三 后期工作安排
根據(jù)目前設(shè)計(jì)的完成情況，后期的10-15周的工作安排如下：
(1) 盡快完成數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)；
(2) 根據(jù)得到的數(shù)據(jù)繪出所需要的裝配圖和零件圖；
(3) 完成答辯報(bào)告及論文；
(4) 為最后答辯做好準(zhǔn)備。
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
注：1. 正文：宋體小四號(hào)字，行距20磅；標(biāo)題：加粗 宋體四號(hào)字
2. 中期報(bào)告由各系集中歸檔保存，不裝訂入冊(cè)。
4
一 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況）
1 題目背景和意義
面對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，如何提高機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)效率是為重中之重，而刀庫(kù)的出現(xiàn)，促使減少了機(jī)械加工時(shí)換刀具所使用的時(shí)間，大大的提高了生產(chǎn)效率。數(shù)控臥式鏜銑床是一種具有自動(dòng)換刀裝置和任意分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)字控制機(jī)床，工件在一次裝夾后能自動(dòng)完成幾個(gè)側(cè)面的的多種工序的加工。
數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，它的一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的給功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。另一方面，通過(guò)持續(xù)的研究，信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步提升[1]。
2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況
近年來(lái)自動(dòng)換刀刀庫(kù)的發(fā)展儼然己超越其為綜合切削加工機(jī)床配套的角色,在其特有的技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展出符合機(jī)床高精度、高效能、高可靠度及多任務(wù)復(fù)合等概念之獨(dú)特產(chǎn)品，以其多樣化產(chǎn)品的功能,左右了綜合切削加工機(jī)床在生產(chǎn)效能及產(chǎn)品精度的表現(xiàn)。其產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)為:(1)高效能的產(chǎn)品:發(fā)展符合高荷重、高容量、高速化概念的刀庫(kù)產(chǎn)品。(2)輕量化、低成本的產(chǎn)品，發(fā)展符合重量輕、成本低的刀庫(kù)產(chǎn)品。在此概念基礎(chǔ)下,刀庫(kù)產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)況為[2]
(l)超重刀具負(fù)荷刀庫(kù)的發(fā)展
發(fā)展出刀鏈系統(tǒng)能承載重量70kg以上的超重刀具,擁有強(qiáng)力鎖刀裝置的穩(wěn)固刀鏈架構(gòu),可防止重型刀具于運(yùn)轉(zhuǎn)中墜落。
(2)高效率且定位精確的驅(qū)動(dòng)及選刀系統(tǒng)的發(fā)展
發(fā)展出高精度系統(tǒng)配置日系高質(zhì)量!高定位精度的伺服電機(jī)及減速機(jī),以符合選刀迅速!換刀精確的主要性能需求[3]。
(3)多型式刀具容載刀庫(kù)的發(fā)展
發(fā)展出同時(shí)可容納多種型式刀具(如15050及15060)的刀鏈系統(tǒng),也被視為是必須時(shí)常變換使用多種主軸之加工中心的必備裝置。
(4)不同型式刀具及任意點(diǎn)之換刀系統(tǒng)的發(fā)展
可以同時(shí)夾取不同型式刀具(如15050及15060),因應(yīng)需求必須有不同的刀具"為了縮短換刀時(shí)間,多點(diǎn)式或任意點(diǎn)式ZMW風(fēng)電機(jī)輪毅加工工藝!專用刀具及刀庫(kù)的研究與設(shè)計(jì)之換刀系統(tǒng)是有必要的[4]。
(5)輕量化
低成本架構(gòu)刀庫(kù)的發(fā)展:發(fā)展出輕量化的塑鋼射出刀套架構(gòu),整體重量較傳統(tǒng)刀庫(kù)減輕100kg以上,成本大幅降低之刀庫(kù)。
(6)大型及高容量刀庫(kù)的發(fā)展
在機(jī)床多功能之趨勢(shì)演化下,大量的刀具被使用在同一臺(tái)機(jī)床上,刀庫(kù)之架構(gòu)必須兼顧換刀效率及儲(chǔ)刀效能,多變的刀庫(kù)型體(可容納120/180/200把以上刀具)及多樣精密之換刀系統(tǒng)(如各種立式!臥式!立臥單點(diǎn)及多點(diǎn)式換刀系統(tǒng)),是其主要之特色[5]。
二 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法
1)本課題研究的主要內(nèi)容；
2)了解數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)結(jié)構(gòu)的性能要求；
3)了解數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)結(jié)構(gòu)的工作原理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析；
4)設(shè)計(jì)指標(biāo)：鏈條快速移動(dòng)速度為8米/分鐘，慢速移動(dòng)速度為0.2米/分鐘，刀庫(kù)容量為60把刀；
5)擬采用的研究方案、研究方法或措施
刀庫(kù)是刀具交換系統(tǒng)的一部分，加工中心的刀具交換系統(tǒng)也稱為自動(dòng)換刀裝置（ATC）,它通常是由刀庫(kù)和機(jī)械手組成。自動(dòng)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。
加工中心有立式、臥式、龍門式幾種，所以這些機(jī)床的刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置也是各種各樣。加工中心上的刀庫(kù)類型分類：（1）盤式刀庫(kù)；（2）鏈?zhǔn)降稁?kù)；（3）鼓輪式刀庫(kù)。
特點(diǎn)
（1）盤式刀庫(kù):刀具呈環(huán)行排列，空間利用率低，容量不大但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
圖1 盤式刀庫(kù)
（2）鏈?zhǔn)降稁?kù):結(jié)構(gòu)緊湊，容量大，鏈環(huán)的形狀也可隨機(jī)床布局制成各種形式而靈活多變，還可將換刀位突出以便于換刀。
圖2 鏈?zhǔn)降稁?kù)
（3）鼓輪式刀庫(kù):占地小，結(jié)構(gòu)緊湊，容量大，但選刀、取刀動(dòng)作復(fù)雜。
圖3鼓輪式刀庫(kù)
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(jiǎn)單，換刀時(shí)間較長(zhǎng)，適用于刀具主軸與刀庫(kù)刀套平行，刀庫(kù)刀套軸線與主軸軸線平行，以及刀庫(kù)刀套軸線與主軸軸線垂直的場(chǎng)合。單臂雙手機(jī)械手可同時(shí)抓住主軸和刀庫(kù)中的刀具，并進(jìn)行拔出、插入，換刀時(shí)間短，廣泛應(yīng)用于加工中心上的刀庫(kù)刀套軸線與主軸平行的場(chǎng)合。雙手式機(jī)械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，換刀時(shí)間短，這種機(jī)械手除了完成拔刀、插刀外，還起運(yùn)輸?shù)毒叩淖饔肹6]。
結(jié)合所給題目，初步?jīng)Q定采用鏈?zhǔn)降稁?kù)雙手式機(jī)械手換刀方案。采用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。
三 完成畢業(yè)論文的工作步驟與時(shí)間安排（按周次填寫）
（1）1—3周：調(diào)研并收集資料；
（2）3—5周：確定設(shè)計(jì)方案和整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；
（3）6—9周：完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算；
（4）10—12周：完成裝配圖、三維建模和仿真；
（5）13-15周：完成論文撰寫，準(zhǔn)備答辯。
四 指導(dǎo)教師意見(jiàn)（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)）
指導(dǎo)教師：
年 月 日
五 所在系意見(jiàn)：
系主管領(lǐng)導(dǎo)：
年 月 日
注：1. 正文：宋體小四號(hào)字，行距20磅。
2. 開題報(bào)告由各系集中歸檔保存。
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明
秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的成果，不包含他人已申請(qǐng)學(xué)位或其他用途使用過(guò)的成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了致謝。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名：
指導(dǎo)教師簽名：
日期：2013年 5 月
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數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
九十年代以來(lái)，數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及發(fā)展，高速加工中心作為新時(shí)代數(shù)控機(jī)床的代表，已在機(jī)床領(lǐng)域廣泛。
面對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，如何提高機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)效率是為重中之重，而刀庫(kù)的出現(xiàn)，促使減少了機(jī)械加工時(shí)換刀具所使用的時(shí)間，大大的提高了生產(chǎn)效率。數(shù)控臥式鏜銑床是一種具有自動(dòng)換刀裝置和任意分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)字控制機(jī)床，工件在一次裝夾后能自動(dòng)完成幾個(gè)側(cè)面的的多種工序的加工。
數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，它的一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的給功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。另一方面，通過(guò)持續(xù)的研究，信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步提升。
數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，它的一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的給功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。另一方面，通過(guò)持續(xù)的研究，信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步提升在借鑒和參考大量有關(guān)刀庫(kù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)后，結(jié)合實(shí)際情況，決定采用鏈?zhǔn)降稁?kù)雙手式機(jī)械手換刀方案，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械原理等有關(guān)知識(shí)對(duì)JCS-013型數(shù)控臥式鏜銑床刀庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用AutoCAD 2007中文版對(duì)刀庫(kù)及關(guān)鍵零件進(jìn)行繪制。
關(guān)鍵詞：加工中心；刀庫(kù)；數(shù)控加工
III
西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
CNC horizontal boring and milling machine tool structure design
Abstract
Since the 1990s,CNC machine technology has made the rapid and universial development,as a new era of the representatives of NC machine tools.
Faced with the pressure of market competition, how to improve the mechanical manufacturing industry production efficiency is the priority among priorities, and the knife, to reduce the mechanical processing tool changer used time, greatly improves the production efficiency. CNC horizontal boring and milling machine is a kind of automatic tool changer and arbitrary indexing turntable digital control machine tool, workpiece can automatically complete the various processes in several side in a fixture.
CNC machine tools and manufacturing system composed of CNC machine is an important equipment to transform traditional industries, the construction of digital enterprise, it has attracted a lot of attention. CNC machine tools to performance, the flexible automation excellence excellent and stable accuracy, celerity and diversified to the functional attracted worldwide attention, it pioneered the development of mechanical products mechanical and electrical integration precedent, so the numerical control technology is a core technology in advanced manufacturing technology. On the other hand, through continuous research, information technology applications to promote the further deepening of CNC machine tools.
According to actual condition,I introduce the chain knife library of robot hands cutter replacement plan after referencing to the vast library mechanical structure of the sword.According to the Mechanical Design,the Mechanical Principle and other relevant knowledge,there are some designs about JCS-013 type nc horizontal boring and milling machine tool store and I have drew the key parts of library using AutoCAD 2007.
Keywords: machining center; Tool house;NC
目 錄
第1章 緒 論 1
1.1本課題在國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài) 1
1.1.1刀庫(kù)產(chǎn)品目前的水平 2
1.1.2刀庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.1.3刀庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展方向 3
1.2課題的目的、意義和開展研究工作的設(shè)想 3
1.2.1課題的目的 3
1.2.2開展研究工作的設(shè)想 3
1.2.3課題設(shè)計(jì)方案的選擇和設(shè)計(jì)手段 4
第2章 刀庫(kù)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6
2.1刀庫(kù)主要設(shè)計(jì)參數(shù) 6
2.2刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的選擇 6
2.2.1刀庫(kù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TF計(jì)算 6
2.2.2確定液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù) 8
2.3齒輪設(shè)計(jì)參數(shù) 9
2.3.1 選擇齒輪材料、熱處理方法及精度等級(jí) 9
2.3.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪 9
2.3.3主要參數(shù)選擇和幾何尺寸計(jì)算 11
2.3.4 齒根校核 12
2.3.5 軸的設(shè)計(jì) 13
2.3.6滾動(dòng)軸承的選擇與校核計(jì)算 18
2.3.7 鍵聯(lián)接的選擇及其校核計(jì)算 19
第3章 鏈參數(shù)計(jì)算 21
3.1傳送鏈的設(shè)計(jì) 21
3.2鏈?zhǔn)捷S的設(shè)計(jì) 22
3.3軸承的選型及校核 24
3.4鏈強(qiáng)度計(jì)算 26
3.4.1 鏈傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性 26
3.4.2 鏈傳動(dòng)的動(dòng)載荷 27
3.4.3 鏈傳動(dòng)的受力分析 28
3.4.4 滾輪接觸強(qiáng)度的計(jì)算 29
第4章 刀庫(kù)準(zhǔn)停系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30
結(jié) 論 32
參考文獻(xiàn) 33
致 謝 34
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 35
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 36