数控卧式镗铣床刀库结构设计【链式刀库 60把刀】

喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜欢就充值下载吧。。资源目录里展示的文件全都有，，请放心下载，，有疑问咨询QQ:414951605或者1304139763 ======================== 链式自动换刀臂的多阶段优化设计 KIM Jae-Hyun, LEE Choon-Man 韩国昌原国立大学机电学院，昌原641-773， 中南大学出版社和柏林海德堡施普林格出版社2012 摘要：为了提高加工效率，刀具更换时间需要有所减少。因此，用于连接到一个自动换刀加工中心的换刀时间将减少。同时自动换刀系统是加工中心的一个重要部分，作为驱动源。使用商业代码ANSYS Workbench V12试图解释自动换刀装置的静态属性，对和自动换刀臂的优化设计进行了多级优化设计。依靠自动换刀的形状的优化建议，并对结果进行了验证，获得可接受的改进。它是能够获得一个与初始模型的比较，最大变形，最大应力和质量分别减少10.46%，12.89%和9.26%的优化模型。同时，实验设计方法也与常规的实验设计方法进行了多级优化比较。 关键词：自动换刀装置；优化设计；结构分析；交换臂 1 引言 最近，在机械制造行业中，模具和机械零件已经变成了小批量生产系统。同时，需要提高生产率和切割速度。然而，从实践观点看，高质量和低成本是有针对性的实际的立场。因此，对于这样的目标追求实现机床高速加工，实现自动化，缩短交货时间。结果，它是可能的检查状态的工具和工件在机床使用适当的传感器。此外，加工中心的自动换刀装置（ATC）和一个托盘自动交换装置（APC）旨在操作无人值守厂24 小时，自动换刀装置存储用于加工中心的杂志和变化的工具自动为所需的工具。改变这样的管制的工具正是安装在主轴[1]。 同时，它代表了一种先进的优势，由于对机床的干扰少，加工中心操作者可以从事其他工作。也就是说，运营商可以控制其他机床或准备下一个工件，从而减少生产时间。 在这项研究中使用的链式ATC代表着许多工具都存储在一个特征模块。在工具的改变，两个臂移动到旋转180°在直接转换的方式配置工具更改到下一个工具[2]。因此，有必要同时确保结构特点和设计轻量化。 在实际的工业领域，优化设计是非常重要的。因此，提出了各种机械零件优化各种优化方法[3]。 宋等人[ 4 ]提出的轴承短优化设计提高学报的人工生命算法。阿莱尔等人[ 5 ]结合结构优化的拓扑和形状的进行推导。BAGCI和艾库特[ 6 ]提出田口优化验证数控铣削的最佳表面粗糙度。兰博迪[ 7 ]提出了一种基于模拟退火算法的桁架结构优化设计。塞库尔斯基[ 8 ]表明，遗传算法是一种有效的多目标优化工具的拓扑结构同时设计优化的设计工具。 SEO等人[ 9 ]提出的形状优化和基于ISO几何分析的设计的延伸。 在优化空管部门，其结构特点的因素和轻量化是彼此相反[ 10 ]。它显示一个权衡，如果追求提高结构轻巧，结构特点，将是一个弱点，如果改进的结构特点，对轻量化的实现是很困难的。因此，为了满足这些相反的因素和优化，以不同方式等臂形状优化是通过实验设计了[ 11 ]。 在这项研究中，获得更为优化的模型比以前的研究[ 11 ]，一个多阶段进行的优化设计。优化设计是利用商业分析程序，CATIA V5和ANSYS Workbench，和分析的有效性是通过比较初始和传统优化模型在这项研究中实现的优化模型研究。 2 AT的结构 ATC由三个元素组成，如杂志，更换部分，和臂部。部分杂志是一种装置，储存大量的工具和修改工具使用伺服电机。该变换器部分配备伺服电机，旋转臂。臂部的啮合工具在加工中心的旋转180°主轴和杂志显示臂形变化的工具。 图1说明了ATC模拟利用CATIA V5 R17的整个结构。 图1 就ATC链式结构图 手臂的初始模型进行结构分析。在进行有限元分析的参考，使用商业分析程序进行了初步的有限元分析模型，利用ANSYS Workbench的V12。分析是通过最小化在臂的附加部分进行。在分析方法上，一个十六进制主导的方法应用于一个有限元分析共51794个节点和13496元素。图2显示了手臂的初始有限元模型。 图2 初始有限元模型的手臂 在分析的边界条件，在ATC臂中心孔的支持，和重力加速度的应用到整个身体。在负载条件下，负载147 N适用于夹两端考虑工具的最大重量。 结构分析的结果示于图3。在夹具的初始模型两端的最大变形量为5.7487μM。同时，最大应力在截面边缘产生，这推动了空管部门后4.1762兆帕的的手指。 图3 结构分析：（一）臂的变形分布；（b）的应力分布 3 ARM的多阶段优化 静态顺应性FX（= D / F）可通过静刚度的得出了。特别是，在一些机械结构的机床和工业机器人要求高精度和加工效率，就成为最重要的静态特性以及结构的重量，这些因素是综合评价，同时。正如上面提到的，静态优化的问题被确定为这两个目标函数的静态特性和重量最小化的问题[12]。 因此，在这项研究中，优化是为满足每个目标函数的一个多级的方式进行。第一阶段为提高静态特征的阶段。通过定义设计因素，减少变形，可诱导的最佳模型。第二阶段是确定为实现其轻量化的一个阶段。基于第一阶段提出的优化模型，形状优化是针对它的重量减少了10%行。 3.1第一阶段的臂优化设计 在第一阶段的优化设计，优化设计的目的是最大限度地减少臂的变形。 图4说明了手臂的设计变量。 图4 ATC臂因素 臂的尺寸和形状优化设计的一般形式可以通过定义目标函数和约束条件下的函数[13-15]。为实现对ATC臂的优化设计，形式化定义如下： 其中X代表的设计变量，并σ和δ显示应力和变形，分别。同时，σa和σb为显示的应力和变形的允许值，分别为。一方面，A，B，和C的设计变量。设计变量的配置±30毫米，不到目前的碰撞干涉的影响在结构上的设计。 在最佳设计，最佳的解决方案可以最大限度地减少臂的变形使用CATIA V5的产品工程优化。表1给出了优化结果。 图5说明了该优化设计的臂的结构分析结果。在分析中的边界条件被配置为作为初始模型同样存在。 表1 优化结果减小变形 图5 减少变形的结构分析优化的ARM的：（a）变形分布；（b）的应力分布 3.2第二级臂优化设计 实现手臂的轻量化是降低工件成本的重要因素。同时，可以通过引入一个轻量级的结构[ 16 ]改善经济。因此，实现手臂的轻量化优化设计是在第二阶段进行。在降低质量的目标是10%的基础上的最佳设计的第一阶段提出的模型的手臂。为减少手臂的质量，形状优化采用ANSYS Workbench进行形状优化功能。为优化设计的形式化可以如下： 在Z是一个设计变量,δσ和显示压力和变形,分别和σa和δa津贴的应力和变形值。同时,设计变量Φr是配置找到所有部分的质量减少可能除了部分,它有一些局限性在设计。 图6说明了最佳的解决方案，最大限度地减少臂的变形结果。如图6所示，提出了“部分删除“代表一个质量可部分去除它。根据研究结果，可部分除去到最高水平。图7显示了基于形状优化结果的臂轻量化提出的最佳形状。 图6 基于ANSYS的形状优化结果 图7臂设计 结构分析使用所提出的优化设计进行。同时，在分析中的边界条件被施加作为现有的初始模型相同的。 图8显示了结构分析的结果，这是通过施加的最佳形状进行。 图8结构分析的轻量化优化臂：（a）变形分布；（b）的应力分布 该模型的最大变形采用优化设计，从5.748减少7μM在初始模型提出了5μ5.147 m高达10.46%，产生在夹子端作为初始模型相同的。同时，最大应力降低4.176 2兆帕在初始模型3.637 9兆帕高达12.89%。此外，质量从7.871 2公斤的初始模型，提出了减少到7.142 5公斤，多达9.26%。 表2给出了比较的结果的优化设计[ 11 ]采用多级优化设计实现了在这项研究中进行的实验设计。 表2 结果比较 在本研究中得到的结果与实验设计的结果比较，最大变形，最大应力，和质量的1.38%，12.61%，和5.63%的降低，分别为。因此，可以看出，使用CATIA、ANSYS进行本研究多级设计使得有可能吸引更多的改进优化设计比现有的研究。 4 结论 1）采用多级优化设计，可以获得一个优化模型，与初始模型的比较最大变形，最大应力和质量分别减少10.46%，12.89%，9.26%，。 2）在多级优化设计和进行实验设计与优化设计的比较，最大变形，最大应力和质量分别减少了1.38%，12.61%和5.63%。 3）通过比较常规方法的结果的实验设计方法，提出了采用多级优化设计，验证了优化设计是否正确进行。 4）基于CATIA、ANSYS商业软件使用多级优化设计验证，预计可应用于机床的结构优化设计。 参考文献 [1] LEE S W, LEE H K. 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(in Korean) 10 一 设计（论文）进展状况 1.1 外文翻译 目前已经完成对外文Multi-stage optimum design of magazine type automatic tool changer arm（链式自动换刀库的多阶段优化设计）的翻译。其中，英文原文两千七百余字，翻译完成后汉字五千四百余字。 1.2 初步对所要设计的刀库有所了解 数控机床为了进一步提高生产率，进一步压缩非切削时间，现代的机床逐步发展为在一台机床上一次装夹中完成多工序或全部工序的加工。数控机床为了能在工件一次装夹中完成多个工步，以缩减辅助时间和减少多次安装工件引起的误差，通常带有自动换刀系统。对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置称为自动换刀装置（Automatic Tool Changer，ATC）。自动换刀（Automatic Tool Change 简称ATC）系统由控制系统和换刀装置组成。自动换刀装置的功能，对整机的加工效率有很大的影响。 本次设计所需要的数控卧式镗铣床刀库由四排带刀套的链条组成，每排链条有15把刀套，刀库最大容量为60把刀。良好的结构设计能够实现刀库中刀具的快速移动，提高机床的加工效率。数控机床的自动换刀装置的结构形式多种多样，选择何种形式，主要取决于机床的种类、工艺范围以及刀具的种类和数量等。本课题中的JCS-013型数控卧式镗铣床将采用的是带刀库的自动换刀形式。 其装配图如图所示： 图1 JCS-013刀库装配图1 图2 JCS-013刀库装配图2 图3 JCS-013刀库装配图3 1.3 短期目标 通过对上方三幅装配图的观察，初步了解设计所需，为后期工作做好准备。 二 存在问题及解决措施 2.1 刀套位置的选择 因刀库由四排带刀套的链条组成，每排链条有15把刀套，刀库最大容量为60把刀，每一排刀套位置互相一一对应，因此找刀程序分为两步：一是手架升降找刀排，二是在一排内选刀。所以，刀套位置的设计尤其重要，需仔细的考虑好。 2.2 链条移动速度的设计 为了保证正确的自动换刀，链条移动找刀时，刀套每次必须停在同一位置上，因此刀套必须有精确地定位，链条的移动速度必须精确的设计好， 2.3 部分资料的缺乏 由于没有实物的存在，设计部分会异常的辛苦，所以需要多和老师及同学讨论研究，多查资料，以求完成本次设计。 三 后期工作安排 根据目前设计的完成情况，后期的10-15周的工作安排如下： (1) 尽快完成数据的设计； (2) 根据得到的数据绘出所需要的装配图和零件图； (3) 完成答辩报告及论文； (4) 为最后答辩做好准备。 指导教师签字： 年 月 日 注：1. 正文：宋体小四号字，行距20磅；标题：加粗 宋体四号字 2. 中期报告由各系集中归档保存，不装订入册。 4 一 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况） 1 题目背景和意义 面对市场竞争的压力，如何提高机械制造业的生产效率是为重中之重，而刀库的出现，促使减少了机械加工时换刀具所使用的时间，大大的提高了生产效率。数控卧式镗铣床是一种具有自动换刀装置和任意分度数控转台的数字控制机床，工件在一次装夹后能自动完成几个侧面的的多种工序的加工。 数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础设备，它的一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的给功能引起世人瞩目，它开创了机械产品机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升[1]。 2 国内外相关研究情况 近年来自动换刀刀库的发展俨然己超越其为综合切削加工机床配套的角色,在其特有的技术领域中发展出符合机床高精度、高效能、高可靠度及多任务复合等概念之独特产品，以其多样化产品的功能,左右了综合切削加工机床在生产效能及产品精度的表现。其产品的发展趋势为:(1)高效能的产品:发展符合高荷重、高容量、高速化概念的刀库产品。(2)轻量化、低成本的产品，发展符合重量轻、成本低的刀库产品。在此概念基础下,刀库产品的发展现况为[2] (l)超重刀具负荷刀库的发展 发展出刀链系统能承载重量70kg以上的超重刀具,拥有强力锁刀装置的稳固刀链架构,可防止重型刀具于运转中坠落。 (2)高效率且定位精确的驱动及选刀系统的发展 发展出高精度系统配置日系高质量!高定位精度的伺服电机及减速机,以符合选刀迅速!换刀精确的主要性能需求[3]。 (3)多型式刀具容载刀库的发展 发展出同时可容纳多种型式刀具(如15050及15060)的刀链系统,也被视为是必须时常变换使用多种主轴之加工中心的必备装置。 (4)不同型式刀具及任意点之换刀系统的发展 可以同时夹取不同型式刀具(如15050及15060),因应需求必须有不同的刀具"为了缩短换刀时间,多点式或任意点式ZMW风电机轮毅加工工艺!专用刀具及刀库的研究与设计之换刀系统是有必要的[4]。 (5)轻量化 低成本架构刀库的发展:发展出轻量化的塑钢射出刀套架构,整体重量较传统刀库减轻100kg以上,成本大幅降低之刀库。 (6)大型及高容量刀库的发展 在机床多功能之趋势演化下,大量的刀具被使用在同一台机床上,刀库之架构必须兼顾换刀效率及储刀效能,多变的刀库型体(可容纳120/180/200把以上刀具)及多样精密之换刀系统(如各种立式!卧式!立卧单点及多点式换刀系统),是其主要之特色[5]。 二 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法 1)本课题研究的主要内容； 2)了解数控卧式镗铣床刀库结构的性能要求； 3)了解数控卧式镗铣床刀库结构的工作原理，进行结构设计和计算分析； 4)设计指标：链条快速移动速度为8米/分钟，慢速移动速度为0.2米/分钟，刀库容量为60把刀； 5)拟采用的研究方案、研究方法或措施 刀库是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是各种各样。加工中心上的刀库类型分类：（1）盘式刀库；（2）链式刀库；（3）鼓轮式刀库。 特点 （1）盘式刀库:刀具呈环行排列，空间利用率低，容量不大但结构简单。 图1 盘式刀库 （2）链式刀库:结构紧凑，容量大，链环的形状也可随机床布局制成各种形式而灵活多变，还可将换刀位突出以便于换刀。 图2 链式刀库 （3）鼓轮式刀库:占地小，结构紧凑，容量大，但选刀、取刀动作复杂。 图3鼓轮式刀库 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[6]。 结合所给题目，初步决定采用链式刀库双手式机械手换刀方案。采用系统化设计方法，将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。 三 完成毕业论文的工作步骤与时间安排（按周次填写） （1）1—3周：调研并收集资料； （2）3—5周：确定设计方案和整体结构特点； （3）6—9周：完成结构设计计算； （4）10—12周：完成装配图、三维建模和仿真； （5）13-15周：完成论文撰写，准备答辩。 四 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 五 所在系意见： 系主管领导： 年 月 日 注：1. 正文：宋体小四号字，行距20磅。 2. 开题报告由各系集中归档保存。 参考文献 [1]Chang W C, Van Y T. 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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 录 第1章 绪 论 1 1.1本课题在国内外的研究动态 1 1.1.1刀库产品目前的水平 2 1.1.2刀库系统的发展趋势 2 1.1.3刀库系统的发展方向 3 1.2课题的目的、意义和开展研究工作的设想 3 1.2.1课题的目的 3 1.2.2开展研究工作的设想 3 1.2.3课题设计方案的选择和设计手段 4 第2章 刀库传动系统设计 6 2.1刀库主要设计参数 6 2.2刀库驱动液压马达的选择 6 2.2.1刀库负载转矩TF计算 6 2.2.2确定液压马达转数 8 2.3齿轮设计参数 9 2.3.1 选择齿轮材料、热处理方法及精度等级 9 2.3.2 按齿面接触疲劳强度设计齿轮 9 2.3.3主要参数选择和几何尺寸计算 11 2.3.4 齿根校核 12 2.3.5 轴的设计 13 2.3.6滚动轴承的选择与校核计算 18 2.3.7 键联接的选择及其校核计算 19 第3章 链参数计算 21 3.1传送链的设计 21 3.2链式轴的设计 22 3.3轴承的选型及校核 24 3.4链强度计算 26 3.4.1 链传动的运动特性 26 3.4.2 链传动的动载荷 27 3.4.3 链传动的受力分析 28 3.4.4 滚轮接触强度的计算 29 第4章 刀库准停系统的设计 30 结 论 32 参考文献 33 致 谢 34 毕业设计（论文）知识产权声明 35 毕业设计（论文）独创性声明 36