【正文】 1 前 言 隨著機械工業(yè)的不斷推進，計算機技術(shù)在機床設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用，數(shù)控機床獲得飛速發(fā)展。作為數(shù)控機床的典型代表，加工中心無論是在增進加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率還是在降低生產(chǎn)成本，擴大經(jīng)濟效益等諸多方面多都有明顯的效果。因此，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)外用戶都對加工中心的開發(fā)和研究給予極大地關(guān)注和重視，從而也加快了加工中心的發(fā)展速度，并且質(zhì)量水平、工作性能以及技術(shù)含量也不斷提高，在以加工中心為基礎(chǔ)組成的柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)得到發(fā)展之后，對加工中心又提出了更高層次的要求。 自動換刀裝置（簡稱 ATC）是加工 中心的重要組成單元，也是加工的典型特征。它存儲加工中心所需的刀具，在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，將所要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置，從而保證加工生產(chǎn)的連續(xù)高效型。由此可見ATC 的重要作用。 同時 ,在實際的設(shè)計計算中，傳統(tǒng)的手冊加筆加圖板的模式在講求效率的今天已經(jīng)跟不上社會的發(fā)展。隨著 2 信息技術(shù)的發(fā)展和計算機的普及，大量的計算機輔助設(shè)計軟件隨之產(chǎn)生，他幫助我們進行設(shè)計、造型、裝配、校核、仿真、制造，大大縮短了設(shè)計周期，加快了設(shè)計進程。而且通過計算機輔助設(shè)計軟件，得出的模型直觀、準(zhǔn)確。 本次畢業(yè)設(shè)計是龍門式可換頭五軸加工中心 3D 設(shè)計 刀庫和換刀裝置的探討和研究，為適應(yīng)目前機械設(shè)計的趨勢，縮短設(shè)計周期，加大設(shè)計的準(zhǔn)確性，我采用了美國 Autodesk 公司的 Mechanical Desktop 軟件直接進行造型設(shè)計，并在造型完成之后，采用 MSC 公司的Working Model 軟件進行動力學(xué)仿真，找出設(shè)計中的不足進而進一步優(yōu)化和完善設(shè)計。 總之，我以極其認(rèn)真的態(tài)度，進行了這項工作，在設(shè)計過程當(dāng)中，我得到 導(dǎo)師姜可 以及其他老師的耐心指導(dǎo)和幫助，再次表示衷心的感謝！由于本人才疏學(xué)淺，以及對實際生產(chǎn)了解甚少，設(shè)計當(dāng)中定有不足指出，懇請得到諸位老師的進一步指導(dǎo)，謝謝！ 3 第一章 課題概述 一、課題來源 1999 年底，北京機械工業(yè)學(xué)院、北京航天航空大學(xué)和桂林機床股份有限公司開始共同開發(fā)研制五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心。為了使該加工中心有高精度、高速度和高剛度，該項目引進了計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)（ CAD/CAM）、虛擬制造技術(shù)（ VM）、網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)（ NM）、計算機輔助工程技術(shù)（ CAE）及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)（ PDM）等現(xiàn)代設(shè)計和制造技術(shù)。本課題是該項目的一部分，即虛擬制造技術(shù)，主要內(nèi)容為：使用虛擬制造技術(shù)對設(shè)計方案進行虛擬建模、仿真， 模擬和 評估，在實際制 造之前解決可能遇到的諸如機床 功能、性能 以及 可加工性等 各種 問題， 從而進一步優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，盡量減少物理樣機的試生產(chǎn)和調(diào)試過程，最終盡可能使制造的第一個產(chǎn)品就是最優(yōu)產(chǎn)品。幫助企業(yè)以最快的速度、最好的質(zhì)量和最低的成本完成該項目，贏得市場競爭 二、課題內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容是龍門式可換頭五軸加工中心 3D 設(shè)計中的刀庫和換刀裝置部分設(shè)計、裝配與仿真。 三、設(shè)計（論文）的設(shè)計數(shù)據(jù)及來源： 基本數(shù)據(jù)（長度單位： ） 工作臺面積（寬 179。 長）： 1600179。 4000 工作臺縱向行程： 4000 滑枕行程： 橫向發(fā)： 1000； 縱向： 2500 主軸斷面到工作臺面的距離：最?。? 95； 最大： 1095； 4 主電機功率： 28 機床主軸轉(zhuǎn)速范圍（ ）： 010000 A（ B）軸擺角 177。 100186。、 C軸轉(zhuǎn)角 177。 180186。、刀庫容量 40 機床體積（長寬高）： 9400179。 4300179。 3900 工作臺最大承受重量： 10000K 數(shù)據(jù)來源： 桂林機床股份有限公司 XK2316/45X五軸聯(lián)動數(shù)控銑床 四、課題要求 1． 完成刀庫、自動換刀裝置的設(shè)計； 2． 學(xué)習(xí)三維設(shè)計軟件（）的應(yīng)用； 3． 完成刀庫系統(tǒng)及自動換刀機械部分的三維建模和裝配； 4． 完成 自動換刀系統(tǒng)的運動仿真。 五、 與選題有關(guān)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心是功能強，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高的機床，它廣泛應(yīng)用于航天、航海、汽車等領(lǐng)域，在現(xiàn)代工業(yè)中有非常重要的應(yīng)用價值。 在五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的開發(fā)過程中，自動萬能銑頭是關(guān)鍵技術(shù)，目前國內(nèi)只有很少數(shù)幾個廠家正在開發(fā)和生產(chǎn)自動萬能銑頭，主要還處于 5 搜集技術(shù)資料和研究階段。而國外一些發(fā)達國家中，自動萬能銑頭已經(jīng)普遍應(yīng)用于立式和龍門式數(shù)控銑床以及數(shù)控加工中心。使銑床達到五軸聯(lián)動，實現(xiàn)四面體和五面體加工，可以大大提高銑床的自動化水平和工藝范 圍以及工作效率。研究開發(fā)五軸加工中心要求具有較高的性能技術(shù)指標(biāo)，不僅要具有多坐標(biāo)復(fù)雜曲面的加工功能，而且還要滿足高速度、高剛度和高精度的要求。而發(fā)達國家在進出口技術(shù)含量高的五軸聯(lián)動加工中心方面，對我國進行限制，因此，五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的研究開發(fā)是一個難度比較的的項目。 加工中心的發(fā)展方向： ① 提高主軸轉(zhuǎn)速； 中小型加工中心主軸最大轉(zhuǎn)速大部分提高到 50006000 有的已達 40000 。 為此，許多加工中心采用陶瓷軸承、磁浮軸承。潤滑方式采用油霧潤滑，潤滑油的 值已達 15179。 105。主軸系 統(tǒng)進行嚴(yán)格的動平衡，對于軸承甚至電機進行鑲套油冷。 ② 提高進給速度； 目前加工中心快速進給速度已達 33 逐步靠近 50 為達到高速度，進給機構(gòu)中的滾珠絲杠采取預(yù)緊結(jié)構(gòu)，并使其保持發(fā)熱狀態(tài)，采用滾動導(dǎo)軌及 AC 伺服電機和32 位地數(shù)控裝置。為實現(xiàn)高速進給，數(shù)控裝置必須采用快速處理方式。例如采用數(shù)控高速轉(zhuǎn)換器，將數(shù)據(jù)快速 6 傳遞。 ③ 提高加工精度： 提高加工中心精度的方法是提高精度診斷技術(shù)、提高圓弧補償精度和機床定位精度。 ④ 縮短非加工時間： 現(xiàn)在許多小型加工中心刀具交換時間達 12 ，有的已達 0。 5 縮短非加工時間除了縮短刀具交換時間外，還要節(jié)省刀具移近工件的時間。例如，采用移動式立柱結(jié)構(gòu)，使工作臺面與操作者距離更近，操作者操縱機床時，操縱更靈活方便。采用接觸傳感器測量工件尺寸，有利于提高精度和節(jié)省時間。節(jié)省工件搬運時間，使工件在搬運過程中省時省力。切削加工時，采用合適的冷卻方式防止切屑進入機床的運動部分，使機床運轉(zhuǎn)可靠等，都是發(fā)揮機床性能的措施。 ⑤ 提高自動化程度； 為提高效率，機床硬件和軟件采用加工中心對話狀態(tài)，使其操作簡單，時間短，檢驗及時，錯誤少。 為進一步擴展加工中心的功能， 提高自動化程度，可在 7 加工中心上增加自動交換托盤等輔助設(shè)備及監(jiān)視機能裝置，構(gòu)成 FMC，將若干臺 FMC 相連，家上工件、刀具運輸機構(gòu)和工業(yè)機器人組成柔性制造系統(tǒng)。 ⑥ 特殊功能附件； 如零件自動測量裝置、尺寸調(diào)整裝置和鏜刀檢驗裝置、刀具破損監(jiān)測裝置、冷卻液供給裝和切削傳送裝置等。刀具破損檢測裝置是應(yīng)用聲反射的檢測方法，利用刀具在斷裂瞬間發(fā)生的超聲波便可判知刀具破損，該裝置可將切削引起的金屬撕裂聲和刀具破損產(chǎn)出的超聲波區(qū)分開。為適應(yīng)高速切削，有的還采用大流量冷卻方式，采用全封閉噴淋方式等。 世界各國著名廠家加工中 心特點： 聯(lián)邦德國 CHIROM 公司加工中心采用 12 把刀具，換刀時間不到 。 AXA 公司采用 16 把刀具，換刀時間為 ，瑞士 DIXI 公司機床刀庫裝刀 120 把。瑞士 公司四軸機床刀庫容量為 200 把。 世界各國大力發(fā)展以加工中心為主體、再加上多工位工 8 作臺交換裝置組成的柔性加工單元，實現(xiàn)了 24 小時無人化運轉(zhuǎn)。 第二章 虛擬制造 概念： 虛擬制造技術(shù)是一種面向 21 世紀(jì)的先進制造技術(shù)， 它以信息技術(shù)、仿真技術(shù) 和 虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支持，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡(luò) 中， 采用群組協(xié)同工作，通過 虛擬 模型來模 擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題， 在虛擬環(huán)境下 實現(xiàn)產(chǎn)品制造的 全 過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗，并進行過程管理與控制。 分類： 綜合國內(nèi)外學(xué)者們已有的觀點，都認(rèn)同把虛擬制造分為三類： ① 以 設(shè)計為 中 心的虛擬制造（ DesignCentered VM）； 這類研究是將制造信息加入到產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計過程中，并在計算機中進行數(shù)字化“制造”，仿真多種制造方案，檢驗其制造性或可裝配性，預(yù)測產(chǎn)品性能和報價、成本。其主要目的是通過“制造仿真”來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計及工藝過程， 盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題。 ② 以生產(chǎn)為 中 心的虛擬制造 (ProductionCentered VM)； 這類研究是將仿真能力加入到生產(chǎn)計劃模型中，其目的是方便和快捷地評價多種生產(chǎn)計劃，檢驗新工藝流程的可信度，產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，資源的需求狀況（包括購置新設(shè)備、征詢盟友等），從而優(yōu)化制造環(huán)境的配置和生產(chǎn)的供給計劃。 ③ 以控制為中心的虛擬制造 (ControlCentered VM)。 這類研究是將仿真能力增加到控制模型中，提供對實際生產(chǎn)過程仿真的環(huán)境。其目的是在考慮車間控制行為的基礎(chǔ)上，評估新的或改進的產(chǎn)品設(shè)計與 車間生產(chǎn)相關(guān)的活動，從而優(yōu)化制造過程，改進制造系統(tǒng)。 9 其中，由于 CAD 技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，以 CAD 為基礎(chǔ)的以設(shè)計為中心的虛擬制造得到了更快、更廣泛的應(yīng)用，同時，也更容易獲得實際效果。 盡管虛擬制造的出現(xiàn)只有短短的幾年時間 ，但 它對制造業(yè)的革命性的影響卻很快地顯示了出來，在科技界和企業(yè)界 已經(jīng) 成為研究的熱點之一。典型的例子有波音 777，其整機設(shè)計、部件測試、整機裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計算機上完成的，使其開發(fā)周期從過去 8 年時間縮短到 5年。近幾年，工業(yè)發(fā)達國家均著力于虛擬制造的研究與應(yīng)用。在美國，美國國家標(biāo)準(zhǔn) 局 NIST（ National Institute of Standards andTechnology）正在建立虛擬制造環(huán)境（稱之為國家先進制造實驗基地 National Advanced Manufacturing Testbed） , 波音公司與麥道公司聯(lián)手建立了機械設(shè)計自動化所，在德國， Darmstatt 技術(shù)大學(xué) Fraunhofer 計算機圖形研究所，加拿大的 Waterloo 大學(xué)，比利時的虛擬現(xiàn)實協(xié)會等均先后成立了研究機構(gòu)，開展虛擬制造技術(shù)的研究。 在國內(nèi)，虛擬制造的研究有了長足的發(fā)展，但與 工業(yè)發(fā)達國家 相比，差距依然很大，我國仍處于學(xué)習(xí)和借鑒國外技術(shù)的基礎(chǔ)上摸索適合我國國情的虛擬制造技術(shù)的研究；虛擬制造的應(yīng)用尚處于探索階段。根據(jù)調(diào)研的情況，國內(nèi)有機械科學(xué)研究院、清華大學(xué)國家 CIMS 工程技術(shù)研究中心的虛擬制造 實驗室、 大連理工大學(xué) CIMS 中心 在進行虛擬制造技術(shù)的研究，同時上海交通大學(xué) CIMS 研究所、西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)和南京理工大學(xué)等也在做相應(yīng)的研究。在虛擬制造的應(yīng)用方面，南京南分成套分析儀器有限責(zé)任公司就是典型的“虛擬制造”企業(yè)，廣東東莞市推出力量虛擬制造協(xié)作網(wǎng) (CMC 網(wǎng) )用于 鞋業(yè) 的 設(shè)計 與制造 。 虛擬制造被譽為 21 世紀(jì)的新型生產(chǎn)模式，是制造業(yè)迎接 21 世紀(jì)挑戰(zhàn)的有效技術(shù)，本課題就是利用以設(shè)計為中心的虛擬制造技術(shù)開發(fā)研制五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心。五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心是功能強，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高的機床，它廣泛應(yīng)用于航天、航海、汽車等領(lǐng)域，在現(xiàn)代工業(yè)中有非常重要的應(yīng)用價值。 在五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的開發(fā)過程中，自動萬能銑頭是關(guān)鍵技術(shù)，目前國內(nèi)只有很少數(shù)幾個廠家正在開發(fā)和生產(chǎn)自動萬能銑頭，主要還處于搜集技術(shù)資料和研究階段。而國外一些發(fā)達國家中，自動萬能銑頭已經(jīng)普遍應(yīng)用于立式和龍門式數(shù)控銑床以及數(shù)控加工 中心。使銑床達到五軸聯(lián)動，實現(xiàn)四面體和五面體加工，可以大大提高銑床的自動化水平和工藝范圍以及工作效率。研究開發(fā)五軸加工中心要求具有較高的性能技術(shù)指標(biāo)，不僅要具有多坐標(biāo)復(fù)雜曲面的加工功能，而且還要滿足高速度、高剛度和高精度的要求。而發(fā)達國家在進出口技術(shù)含量高的五軸聯(lián)動加工中心方面，對我國進行限制，因此，五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的研究開發(fā)是一個難度比較的的項目。 10 第三章 加工中心自動換刀裝置分析 第一節(jié) 概述 在加工中心中，刀庫和機械手組成自動換刀裝置（ ATC），而這個換刀裝置，正是加工中心區(qū)別于 NC 鏜銑床或 NC 銑床 的本質(zhì)所在， 它具有根據(jù)工藝要求自動更換所需刀具的功能。 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)。 它存儲加工中心所需的刀具，在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，將所要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置，從而保證加工生產(chǎn)的連續(xù)高效型，因此 自動換刀裝置的好壞，將直接影響加工中心的好壞。 各加工中心制造商都在下大力研制動作迅速、可靠性高的自動換刀裝置，以求在激烈的競爭中取得好效益， 從目前情況看，加工中心的主機部分基本定型，變化不大，但自動換刀裝置的種類繁多，五花八門，是最難搞好的部分。 正因為自動換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容，各廠家都 在保密，極少公開有關(guān)資料，尤其機械手部分更是如此。 自動換刀裝置是加工中心進行多工序集中加工的基本條件，是加工中心、車削中心和帶交換沖頭數(shù)控沖床的基本特征。它的任務(wù)是在每個工序變換前，做好刀具準(zhǔn)備，所以，它的工作質(zhì)量與整機質(zhì)量