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鏈?zhǔn)阶詣訐Q刀臂的多階段優(yōu)化設(shè)計
KIM Jae-Hyun, LEE Choon-Man
韓國昌原國立大學(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，刀具更換時間需要有所減少。因此，用于連接到一個自動換刀加工中心的換刀時間將減少。同時自動換刀系統(tǒng)是加工中心的一個重要部分，作為驅(qū)動源。使用商業(yè)代碼ANSYS Workbench V12試圖解釋自動換刀裝置的靜態(tài)屬性，對和自動換刀臂的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了多級優(yōu)化設(shè)計。依靠自動換刀的形狀的優(yōu)化建議，并對結(jié)果進(jìn)行了驗證，獲得可接受的改進(jìn)。它是能夠獲得一個與初始模型的比較，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，實驗設(shè)計方法也與常規(guī)的實驗設(shè)計方法進(jìn)行了多級優(yōu)化比較。
關(guān)鍵詞：自動換刀裝置；優(yōu)化設(shè)計；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，需要提高生產(chǎn)率和切割速度。然而，從實踐觀點(diǎn)看，高質(zhì)量和低成本是有針對性的實際的立場。因此，對于這樣的目標(biāo)追求實現(xiàn)機(jī)床高速加工，實現(xiàn)自動化，縮短交貨時間。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)膫鞲衅鳌４送?，加工中心的自動換刀裝置（ATC）和一個托盤自動交換裝置（APC）旨在操作無人值守廠24 小時，自動換刀裝置存儲用于加工中心的雜志和變化的工具自動為所需的工具。改變這樣的管制的工具正是安裝在主軸[1]。
同時，它代表了一種先進(jìn)的優(yōu)勢，由于對機(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，運(yùn)營商可以控制其他機(jī)床或準(zhǔn)備下一個工件，從而減少生產(chǎn)時間。
在這項研究中使用的鏈?zhǔn)紸TC代表著許多工具都存儲在一個特征模塊。在工具的改變，兩個臂移動到旋轉(zhuǎn)180°在直接轉(zhuǎn)換的方式配置工具更改到下一個工具[2]。因此，有必要同時確保結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計輕量化。
在實際的工業(yè)領(lǐng)域，優(yōu)化設(shè)計是非常重要的。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)計提高學(xué)報的人工生命算法。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和艾庫特[ 6 ]提出田口優(yōu)化驗證數(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。塞庫爾斯基[ 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)同時設(shè)計優(yōu)化的設(shè)計工具。
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)，將是一個弱點(diǎn)，如果改進(jìn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對輕量化的實現(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)化是通過實驗設(shè)計了[ 11 ]。
在這項研究中，獲得更為優(yōu)化的模型比以前的研究[ 11 ]，一個多階段進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計是利用商業(yè)分析程序，CATIA V5和ANSYS Workbench，和分析的有效性是通過比較初始和傳統(tǒng)優(yōu)化模型在這項研究中實現(xiàn)的優(yōu)化模型研究。
2 AT的結(jié)構(gòu)
ATC由三個元素組成，如雜志，更換部分，和臂部。部分雜志是一種裝置，儲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說明了ATC模擬利用CATIA V5 R17的整個結(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。分析是通過最小化在臂的附加部分進(jìn)行。在分析方法上，一個十六進(jìn)制主導(dǎo)的方法應(yīng)用于一個有限元分析共51794個節(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，最大應(yīng)力在截面邊緣產(chǎn)生，這推動了空管部門后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，這些因素是綜合評價，同時。正如上面提到的，靜態(tài)優(yōu)化的問題被確定為這兩個目標(biāo)函數(shù)的靜態(tài)特性和重量最小化的問題[12]。
因此，在這項研究中，優(yōu)化是為滿足每個目標(biāo)函數(shù)的一個多級的方式進(jìn)行。第一階段為提高靜態(tài)特征的階段。通過定義設(shè)計因素，減少變形，可誘導(dǎo)的最佳模型。第二階段是確定為實現(xiàn)其輕量化的一個階段?；诘谝浑A段提出的優(yōu)化模型，形狀優(yōu)化是針對它的重量減少了10%行。
3.1第一階段的臂優(yōu)化設(shè)計
在第一階段的優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計的目的是最大限度地減少臂的變形。
圖4說明了手臂的設(shè)計變量。
圖4 ATC臂因素
臂的尺寸和形狀優(yōu)化設(shè)計的一般形式可以通過定義目標(biāo)函數(shù)和約束條件下的函數(shù)[13-15]。為實現(xiàn)對ATC臂的優(yōu)化設(shè)計，形式化定義如下：
其中X代表的設(shè)計變量，并σ和δ顯示應(yīng)力和變形，分別。同時，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)計變量。設(shè)計變量的配置±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。
在最佳設(shè)計，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說明了該優(yōu)化設(shè)計的臂的結(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第二級臂優(yōu)化設(shè)計
實現(xiàn)手臂的輕量化是降低工件成本的重要因素。同時，可以通過引入一個輕量級的結(jié)構(gòu)[ 16 ]改善經(jīng)濟(jì)。因此，實現(xiàn)手臂的輕量化優(yōu)化設(shè)計是在第二階段進(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)計的形式化可以如下：
在Z是一個設(shè)計變量,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,設(shè)計變量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。
圖6說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
結(jié)構(gòu)分析使用所提出的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行。同時，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，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，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[ 11 ]采用多級優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)了在這項研究中進(jìn)行的實驗設(shè)計。
表2 結(jié)果比較
在本研究中得到的結(jié)果與實驗設(shè)計的結(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)行本研究多級設(shè)計使得有可能吸引更多的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計比現(xiàn)有的研究。
4 結(jié)論
1）采用多級優(yōu)化設(shè)計，可以獲得一個優(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）在多級優(yōu)化設(shè)計和進(jìn)行實驗設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的比較，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）通過比較常規(guī)方法的結(jié)果的實驗設(shè)計方法，提出了采用多級優(yōu)化設(shè)計，驗證了優(yōu)化設(shè)計是否正確進(jìn)行。
4）基于CATIA、ANSYS商業(yè)軟件使用多級優(yōu)化設(shè)計驗證，預(yù)計可應(yīng)用于機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
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10
一 設(shè)計（論文）進(jìn)展?fàn)顩r
1.1 外文翻譯
目前已經(jīng)完成對外文Multi-stage optimum design of magazine type automatic tool changer arm（鏈?zhǔn)阶詣訐Q刀庫的多階段優(yōu)化設(shè)計）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 初步對所要設(shè)計的刀庫有所了解
數(shù)控機(jī)床為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，進(jìn)一步壓縮非切削時間，現(xiàn)代的機(jī)床逐步發(fā)展為在一臺機(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工步，以縮減輔助時間和減少多次安裝工件引起的誤差，通常帶有自動換刀系統(tǒng)。對工件的多工序加工而設(shè)置的存儲及更換刀具的裝置稱為自動換刀裝置（Automatic Tool Changer，ATC）。自動換刀（Automatic Tool Change 簡稱ATC）系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成。自動換刀裝置的功能，對整機(jī)的加工效率有很大的影響。
本次設(shè)計所需要的數(shù)控臥式鏜銑床刀庫由四排帶刀套的鏈條組成，每排鏈條有15把刀套，刀庫最大容量為60把刀。良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)刀庫中刀具的快速移動，提高機(jī)床的加工效率。數(shù)控機(jī)床的自動換刀裝置的結(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的自動換刀形式。
其裝配圖如圖所示：
圖1 JCS-013刀庫裝配圖1
圖2 JCS-013刀庫裝配圖2
圖3 JCS-013刀庫裝配圖3
1.3 短期目標(biāo)
通過對上方三幅裝配圖的觀察，初步了解設(shè)計所需，為后期工作做好準(zhǔn)備。
二 存在問題及解決措施
2.1 刀套位置的選擇
因刀庫由四排帶刀套的鏈條組成，每排鏈條有15把刀套，刀庫最大容量為60把刀，每一排刀套位置互相一一對應(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)計尤其重要，需仔細(xì)的考慮好。
2.2 鏈條移動速度的設(shè)計
為了保證正確的自動換刀，鏈條移動找刀時，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，鏈條的移動速度必須精確的設(shè)計好，
2.3 部分資料的缺乏
由于沒有實物的存在，設(shè)計部分會異常的辛苦，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。
三 后期工作安排
根據(jù)目前設(shè)計的完成情況，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；
(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：宋體小四號字，行距20磅；標(biāo)題：加粗 宋體四號字
2. 中期報告由各系集中歸檔保存，不裝訂入冊。
4
一 畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）
1 題目背景和意義
面對市場競爭的壓力，如何提高機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)效率是為重中之重，而刀庫的出現(xiàn)，促使減少了機(jī)械加工時換刀具所使用的時間，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換刀裝置和任意分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺的數(shù)字控制機(jī)床，工件在一次裝夾后能自動完成幾個側(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)中的一項核心技術(shù)。另一方面，通過持續(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 國內(nèi)外相關(guān)研究情況
近年來自動換刀刀庫的發(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、成本低的刀庫產(chǎn)品。在此概念基礎(chǔ)下,刀庫產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)況為[2]
(l)超重刀具負(fù)荷刀庫的發(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的發(fā)展
發(fā)展出同時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!專用刀具及刀庫的研究與設(shè)計之換刀系統(tǒng)是有必要的[4]。
(5)輕量化
低成本架構(gòu)刀庫的發(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)刀庫減輕100kg以上,成本大幅降低之刀庫。
(6)大型及高容量刀庫的發(fā)展
在機(jī)床多功能之趨勢演化下,大量的刀具被使用在同一臺機(jī)床上,刀庫之架構(gòu)必須兼顧換刀效率及儲刀效能,多變的刀庫型體(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)控臥式鏜銑床刀庫結(jié)構(gòu)的性能要求；
3)了解數(shù)控臥式鏜銑床刀庫結(jié)構(gòu)的工作原理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算分析；
4)設(shè)計指標(biāo)：鏈條快速移動速度為8米/分鐘，慢速移動速度為0.2米/分鐘，刀庫容量為60把刀；
5)擬采用的研究方案、研究方法或措施
刀庫是刀具交換系統(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。
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是各種各樣。加工中心上的刀庫類型分類：（1）盤式刀庫；（2）鏈?zhǔn)降稁?；?）鼓輪式刀庫。
特點(diǎn)
（1）盤式刀庫:刀具呈環(huán)行排列，空間利用率低，容量不大但結(jié)構(gòu)簡單。
圖1 盤式刀庫
（2）鏈?zhǔn)降稁?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?
（3）鼓輪式刀庫:占地小，結(jié)構(gòu)緊湊，容量大，但選刀、取刀動作復(fù)雜。
圖3鼓輪式刀庫
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，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)降稁祀p手式機(jī)械手換刀方案。采用系統(tǒng)化設(shè)計方法，將設(shè)計看成由若干個設(shè)計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設(shè)計要素具有獨(dú)立性，各個要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設(shè)計系統(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)計計算；
（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（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師：
年 月 日
五 所在系意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)：
年 月 日
注：1. 正文：宋體小四號字，行距20磅。
2. 開題報告由各系集中歸檔保存。
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畢業(yè)設(shè)計（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明
畢業(yè)設(shè)計（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（論文）是我個人在導(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（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果，不包含他人已申請學(xué)位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了致謝。
畢業(yè)設(shè)計（論文）與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。
畢業(yè)設(shè)計（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)控臥式鏜銑床刀庫結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘 要
九十年代以來，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代數(shù)控機(jī)床的代表，已在機(jī)床領(lǐng)域廣泛。
面對市場競爭的壓力，如何提高機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)效率是為重中之重，而刀庫的出現(xiàn)，促使減少了機(jī)械加工時換刀具所使用的時間，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換刀裝置和任意分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺的數(shù)字控制機(jī)床，工件在一次裝夾后能自動完成幾個側(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)中的一項核心技術(shù)。另一方面，通過持續(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)中的一項核心技術(shù)。另一方面，通過持續(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)刀庫的機(jī)械結(jié)構(gòu)后，結(jié)合實際情況，決定采用鏈?zhǔn)降稁祀p手式機(jī)械手換刀方案，根據(jù)機(jī)械設(shè)計與機(jī)械原理等有關(guān)知識對JCS-013型數(shù)控臥式鏜銑床刀庫進(jìn)行設(shè)計，采用AutoCAD 2007中文版對刀庫及關(guān)鍵零件進(jìn)行繪制。
關(guān)鍵詞：加工中心；刀庫；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（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本課題在國內(nèi)外的研究動態(tài) 1
1.1.1刀庫產(chǎn)品目前的水平 2
1.1.2刀庫系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 2
1.1.3刀庫系統(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)計方案的選擇和設(shè)計手段 4
第2章 刀庫傳動系統(tǒng)設(shè)計 6
2.1刀庫主要設(shè)計參數(shù) 6
2.2刀庫驅(qū)動液壓馬達(dá)的選擇 6
2.2.1刀庫負(fù)載轉(zhuǎn)矩TF計算 6
2.2.2確定液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù) 8
2.3齒輪設(shè)計參數(shù) 9
2.3.1 選擇齒輪材料、熱處理方法及精度等級 9
2.3.2 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計齒輪 9
2.3.3主要參數(shù)選擇和幾何尺寸計算 11
2.3.4 齒根校核 12
2.3.5 軸的設(shè)計 13
2.3.6滾動軸承的選擇與校核計算 18
2.3.7 鍵聯(lián)接的選擇及其校核計算 19
第3章 鏈參數(shù)計算 21
3.1傳送鏈的設(shè)計 21
3.2鏈?zhǔn)捷S的設(shè)計 22
3.3軸承的選型及校核 24
3.4鏈強(qiáng)度計算 26
3.4.1 鏈傳動的運(yùn)動特性 26
3.4.2 鏈傳動的動載荷 27
3.4.3 鏈傳動的受力分析 28
3.4.4 滾輪接觸強(qiáng)度的計算 29
第4章 刀庫準(zhǔn)停系統(tǒng)的設(shè)計 30
結(jié) 論 32
參考文獻(xiàn) 33
致 謝 34
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 35
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 36