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张芬
2009年3月18日
1选题背景
1.1课题研究的目的和意义：
课题来源于实验室项目的一个研究分支，目的是通过本次的设计工作，能够在对面向箱体加工的FMS应用的四轴加工中心的了解的基础上，实现对加工中心刀库的设计，并与同组人的对主轴部件、工作台、夹具的设计相应，最终设计出整个机床。
1.2柔性制造技术产生的背景
对于大批量、少品种的情况，一般采用自动流水线，包括物流设备和相对固定的加工工艺，这可称为固定自动化方式。
自动流水线通常相当昂贵，设备基本固定，不灵活，只能加工一个零件，或者几个相互类似的零件。
如果要改变产品的品种，自动流水线要作较大的改动，在投资和时间方面的耗费很大。
自动流水线的优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，缺点是成本高，不具有灵活性。
对于小批量、多品种的情况，一般可采用单台数控（NC）机床。
它可提供加工一族产品系列的灵活性。
从一种类型的零件转换到另一种类型的零件，不需要改变机床硬件，仅需要改变控制程序（NC程序）及夹具刀具。
NC机床加工产品生产率低，成本高；
优点是灵活性较大。
对于中等批量、中等品种的情况，就要考虑一个折中方案。
在金属品制造中，中等批量、中等品种的情况是最主要的一种情况。
根据美国统计资料，在金属加工工业中，这类情况约占75％。
因此如何解决这种情况下的制造问题，是一个十分关键的问题。
如果采用以上两种较为传统的方式，将会产生如下一系列不利情况：
1.机床利用率太低；
2.加工时间增长；
3.中间缓冲库存增大；
4.刀具利用率太低；
5.车间空间利用率太低等；
这些因素都将导致成本的提高。
因此，结合自动流水线与NC机床的特点，将NC机床与物料料输送设备通过计算机联系起来，形成一个系统，来解决中等批量、中等品种的问题。
这就形成了所谓“柔性制造系统”（FMS）。
可以讲，FMS是NC机床或设备自动化的延伸。
柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。
由加工、物流、信息流三个子系统组成。
采用FMS的主要技术经济效果是：
能按装配作业配套需要，及时安排所需零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在制品的库存量，及相应的流动资金占用量，缩短生产周期；
提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积；
减少直接劳动力，在少人看管条件下可实现昼夜24小时的连续“无人化生产”；
提高产品质量的一致性。
在这种背景下，柔性制造系统诞生了。
1.3柔性制造技术的国内外发展动态
按规模大小FMS可分为如下4类：
1.柔性制造单元（FMC）；
2.柔性制造系统（FMS）；
3.柔性制造线（FML）；
4.柔性制造工厂（FMF）。
FMS关键技术
1.计算机辅助设计
2.模糊控制技术
3.人工智能、
专家系统及智能传感器技术
4.人工神经网络技术
柔性制造系统未来将向发展各种工艺内容的柔性制造单元和小型FMS；
完善FMS的自动化功能；
扩大FMS完成的作业内容，并与计算机辅助设计和辅助制造技术（CAD/CAM）相结合，向全盘自动化工厂方向发展。
1.FMC将成为发展和应用的热门技术
这是因为FMC的投资比FMS少得多而经济效益相接近，更适用于财力有限的中小型企业。
目前国外众多厂家将FMC列为发展之重。
2.发展效率更高的FML
多品种大批量的生产企业如汽车及拖拉机等工厂对FML的需求引起了FMS制造厂的极大关注。
采用价格低廉的专用数控机床替代通用的加工中心将是FML的发展趋势。
3.朝多功能方向发展
由单纯加工型FMS进一步开发以焊接、装配、检验及钣材加工乃至铸、锻等制造工序兼具的多种功能FMS。
FMS是实现未来工厂的新颖概念模式和新的发展趋势，是决定制造企业未来发展前途的具有战略意义的举措。
目前反映工厂整体水平的FMS是第一代FMS，90年代此种状况仍将会持续下去，日本从1991年开始实施的“智能制造系统”（IMS）国际性开发项目，属于第二代FMS；
而真正完善的第二代FMS预计至21世纪才会实现。
届时，智能化机械与人之间将相互融合、柔性地全面协调从接受订单货至生产、销售这一企业生产经营的全部活动。
80年代中期以来，FMS获得迅猛发展，几乎成了生产自动化之热点。
一方面是由于单项技术如NC加工中心、工业机器人、CAD/CAM、资源管理及高度技术等的发展，提供了可供集成一个整体系统的技术基础；
另一方面，世界市场发生了重大变化，由过去传统、相对稳定的市场，发展为动态多变的市场，为了从市场中求生存、求发展，提高企业对市场需求的应变能力，人们开始探索新的生产方法和经营模式。
近年来，FMS作为一种现代化工业生产的科学“哲理”和工厂自动化的先进模式已为国际上所公认，可以这样认为：
FMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础，将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程，在计算机及其软件的支撑下，构成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统，以实现全局动态最优化，总体高效益、高柔性，并进而赢得竞争全胜的智能制造系统。
FMS作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技，为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图，将成为21世纪机构制造业的主要生产模式。
1.4加工中心概述
加工中心（MachiningCenter）是数控机床中典型机电一体化高技术产品，同时又是先进制造技术不可缺少的工艺设备。
它综合了微电子，计算机、自动控制，精密测量、机床制造等方面技术及相关配套的最新成就，是当代机床工业发展方向和先进生产力的标志，多坐标（5坐标）以上联动的加工中心还是重要的战略物资。
加工中心是一种工序几种，工艺复合的数控机床。
他集铣床、钻穿、和镗床的加工功能与一体，在加工过程中能够自动更换刀具，对一次装夹的工件，完成铣、钻、镗、扩、铰、攻螺纹和车螺纹等加工工序。
工件经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。
加工中心与专用机床和组合机床的区别是：
用加工中心加工零件时，当需要更换零件时，只需改变加工程序和刀辅具即可进行生产，用这种设备加工零件，属于柔性化生产方式，它适合于多品种小批量的生产和新产品的试制；
用机床和组合机床加工零件几乎要更新全部的工艺装备，属于刚性生产方式，不能实现多品种小批量的柔性化生产。
由于加工中心具有高效率、高质量、高柔性、低劳动强度等优点，因此得到机械制造业的欢迎，销路十分惊人，并引起工业化国家的高度重视，纷纷出台有关政策，鼓励扶持数控机床、加工中心的发展。
随着以铣床为基础的加工中心的出现，以卧式镗床和坐标镗床为基础的加工中心也得到迅速的发展。
1.4.1加工中心的分类
世界上生产的加工中心约有1000多个品种规则，尚无统一的分类方法。
习惯上的分类方法大致有两种，一种是按工艺用途进行分类，另一种是结合工艺用途，按机床总体布局进行分类
1.）按工艺用途分类
大致可分为镗铣加工中心、钻削加工中心、车削加工中心、激光加工中心、复合加工中心和板金加工中心6大类
2.）按机床布局进行分类
大致可分为立式加工中心、卧式加工中心、大型加工中心、车削加工中心、柔性加工单元、柔性生产线和柔性加工系统6类
1.4.2加工中心构成
一台加工中心是由机床（机械部分）和控制系统（电气部分）两部分组成，机床是加工中星的主体，控制系统是加工中心的核心。
加工中心的主机通常是由三大基础部件组（床身、立柱和工作台）和主轴部件、刀具存储自动交换系统（ATC）及其它辅助功能部件组成。
有的加工中心还具有托盘（工作台）自动交换系统（APC）。
1.5四轴加工中心在FMS中的应用：
作为单机使用的普通加工中心，是在操作人员的管理下运行的，操作人员不仅要装夹和校正工件、输入数控程序、配备切削刀具，还要密切注视加工过程中的机床运行状态、刀具状态、加工质量状态。
普通加工中心要求操作人员进行这类干预，因此不适应柔性制造自动化系统的需要。
加工中心的如下功能对FMS的设计方案和运行效果有重要影响：
1.刀具储存和自动换刀
加工中心的固定刀库具有自动换刀功能。
加工中心的固定刀库有四种常见形式:
盘式刀库，链式刀库，盒式刀库，架式刀库。
2.工件自动交换
把加工的工件从加工中心伴奏，吧待加工的工件送给加工中心，FMS的这
种工具爱你交换作业是由设备自动完成的。
为了支持工件自动交换，加工中心的工作台上安装了一套自动夹具。
3.接触传感器
由于加工中心经常交换刀具，所以采用非接触电磁感应方式来传送触发
信号。
接触传感器可完成如下作业：
工件自动找正，刀具破损检测。
4.加工尺寸检测与自动补偿
给加工中心增加自动检测补偿功能，FMS的零件加工尺寸精度就能得到有
效保证。
5.功率监控
包括切削状态的功率监视和切削状态的自适应控制。
2课题内容
2.1基本任务
设计面向箱体加工的FMS中的四轴加工中心的刀库，并对刀库关键零件进行设计。
2.2设计方案选择
刀库刀具交换系统的一部分，加工中心的刀具交换系统也称为自动换刀装置（ATC），它通常是由刀库和机械手组成。
自动换刀装置是加工中心不可缺少的组成部分，也是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键。
加工中心有立式、卧式、龙门式几种，所以这些机床的刀库和自动换刀装置也各式各样，加工中心上的刀库类型有鼓轮式刀库，链式刀库，格子箱式刀库和直线刀库等。
毂轮式刀库：
应用较广，它包括刀具轴线与鼓轮式平行（或垂直，或成锐角）。
这种刀库的结构紧凑，但因刀具单环排列、定向利用率低，大容量刀库的外径较大，转动惯量大，选刀时运动间长。
因此这种刀库的容量较小，一般不超过32把刀具。
链式刀库：
容量较大，当采用多环链式刀库时，刀库的外形较紧凑，占用空间较小，适用于做大容量刀库。
在增加存储刀具数目时，可增加链条的长度，而不增加链轮直径，因此，链轮的圆周速度不会增加，且刀库的运动惯量不像鼓轮式刀库增加的那么多。
格子箱式刀库：
刀库容量大，结构紧凑，空间利用率高，但布局不灵活，通常将刀库安放于工作台上。
有时甚至在使用一侧的刀具时，必须更换另一侧的刀座板。
直线式刀库：
结构简单，刀库容量较小，一般用于数控车床，数控钻床，个别加工中心也有采用。
换刀机械手分为单臂单手式，单臂双手式和双手式机械手，单臂单手式结构简单，换刀时间较长，适用于刀具主轴与刀库刀套平行，刀库刀套轴线与主轴轴线平行，以及刀库刀套轴线与主轴轴线垂直的场合。
单臂双手式机械手可同时抓住主轴和刀库中的刀具，并进行拔出，插入，换刀时间短，广泛应用于加工中心上的刀库刀套轴线与主轴平行的场合。
双手式机械手结构较复杂，换刀时间短，这种机械手除了完成拔刀，插刀外，还起运输刀具的作用。
机床刀架自动换刀装置的要求
1.满足工艺过程提出的要求
2.在刀架、刀库上能牢固的安装刀具，在刀架上安装刀具还应能精确的调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应保证交换前后都处于正确的位置
3.刀架、刀库、换刀机械手都应有足够的刚度
4.可靠性高
5.换刀时间尽可能短
6.操作安全方便
结合所给题目，由于所要求设计的刀库有自动换刀装置，且刀具容量20把左右，考虑到面向箱体的加工中心一般设计为卧式加工中心，初步决定采用毂轮式刀库无机械手换刀方案，配合卧式加工中心，结构简单，经济性好，适合于加工中小型加工中心。
换刀动作如下：
图2.1换刀方
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