1、1前 言随着机械工业的不断推进，计算机技术在机床设备上得到广泛的应用，数控机床获得飞速发展。作为数控机床的典型代表，加工中心无论是在增进加工质量，提高生产效率还是在降低生产成本，扩大经济效益等诸多方面多都有明显的效果。因此，随着市场经济的发展，国内外用户都对加工中心的开发和研究给予极大地关注和重视，从而也加快了加工中心的发展速度，并且质量水平、工作性能以及技术含量也不断提高，在以加工中心为基础组成的柔性制造单元和柔性制造系统得到发展之后，对加工中心又提出了更高层次的要求。自动换刀装置（简称 ATC）是加工中心的重要组成单元，也是加工的典型特征。它存储加工中心所需的刀具，在数控系统的控制下，将所
2、要用的刀具准确地送到换刀位置，从而保证加工生产的连续高效型。由此可见 ATC 的重要作用。同时,在实际的设计计算中，传统的手册加笔加图板的模式在讲求效率的今天已经跟不上社会的发展。随2着信息技术的发展和计算机的普及，大量的计算机辅助设计软件随之产生，他帮助我们进行设计、造型、装配、校核、仿真、制造，大大缩短了设计周期，加快了设计进程。而且通过计算机辅助设计软件，得出的模型直观、准确。本次毕业设计是龙门式可换头五轴加工中心 3D 设计-刀库和换刀装置的探讨和研究，为适应目前机械设计的趋势，缩短设计周期，加大设计的准确性，我采用了美国 Autodesk 公司的 Mechanical Desktop
3、 软件直接进行造型设计，并在造型完成之后，采用 MSC 公司的 Working Model 软件进行动力学仿真，找出设计中的不足进而进一步优化和完善设计。总之，我以极其认真的态度，进行了这项工作，在设计过程当中，我得到导师姜可以及其他老师的耐心指导和帮助，再次表示衷心的感谢！由于本人才疏学浅，以及对实际生产了解甚少，设计当中定有不足指出，恳请得到诸位老师的进一步指导，谢谢！3第一章 课题概述一、课题来源1999 年底，北京机械工业学院、北京航天航空大学和桂林机床股份有限公司开始共同开发研制五轴联动数控加工中心。为了使该加工中心有高精度、高速度和高刚度，该项目引进了计算机辅助设计与制造技术（CA
4、D/CAM） 、虚拟制造技术（VM ） 、网络化制造技术（ NM） 、计算机辅助工程技术（CAE）及产品数据管理技术（PDM）等现代设计和制造技术。本课题是该项目的一部分，即虚拟制造技术，主要內容为：使用虚拟制造技术对设计方案进行虚拟建模、仿真，模拟和评估，在实际制造之前解决可能遇到的诸如机床功能、性能以及可加工性等各种问题，从而进一步优化设计参数，尽量减少物理样机的试生产和调试过程，最终尽可能使制造的第一个产品就是最优产品。帮助企业以最快的速度、最好的质量和最低的成本完成该项目，赢得市场竞争二、课题内容本次毕业设计内容是龙门式可换头五轴加工中心 3D 设计中的刀库和换刀装置部分设计、装配与仿
5、真。三、设计（论文）的设计数据及来源：基本数据（长度单位： ）工作台面积（宽长）： 16004000工作台纵向行程：4000滑枕行程： 横向发： 1000； 纵向： 2500主轴断面到工作台面的距离：最小： 95； 最大：1095；4主电机功率： 28 机床主轴转速范围（ ）： 0-10000A（B）轴摆角100、C 轴转角180、刀库容量 40机床体积（长宽高）： 940043003900工作台最大承受重量： 10000K数据来源：桂林机床股份有限公司 XK2316/4-5X 五轴联动数控铣床四、课题要求1 完成刀库、自动换刀装置的设计；2 学习三维设计软件（）的应用；3 完成刀库系统及自动
6、换刀机械部分的三维建模和装配；4 完成自动换刀系统的运动仿真。五、与选题有关的国内外发展现状和趋势五轴联动数控加工中心是功能强，结构复杂，技术含量高的机床，它广泛应用于航天、航海、汽车等领域，在现代工业中有非常重要的应用价值。在五轴联动数控加工中心的开发过程中，自动万能铣头是关键技术，目前国内只有很少数几个厂家正在开发和生产自动万能铣头，主要还处于5搜集技术资料和研究阶段。而国外一些发达国家中，自动万能铣头已经普遍应用于立式和龙门式数控铣床以及数控加工中心。使铣床达到五轴联动，实现四面体和五面体加工，可以大大提高铣床的自动化水平和工艺范围以及工作效率。研究开发五轴加工中心要求具有较高的性能技术
7、指标，不仅要具有多坐标复杂曲面的加工功能，而且还要满足高速度、高刚度和高精度的要求。而发达国家在进出口技术含量高的五轴联动加工中心方面，对我国进行限制，因此，五轴联动数控加工中心的研究开发是一个难度比较的的项目。加工中心的发展方向： 提高主轴转速；中小型加工中心主轴最大转速大部分提高到 5000-6000 有的已达 40000 。 为此，许多加工中心采用陶瓷轴承、磁浮轴承。润滑方式采用油雾润滑，润滑油的 值已达 15105。主轴系统进行严格的动平衡，对于轴承甚至电机进行镶套油冷。 提高进给速度；目前加工中心快速进给速度已达 33 逐步靠近 50 为达到高速度，进给机构中的滚珠丝杠采取预紧结构，
8、并使其保持发热状态，采用滚动导轨及 AC 伺服电机和32 位地数控装置。为实现高速进给，数控装置必须采用快速处理方式。例如采用数控高速转换器，将数据快6速传递。 提高加工精度：提高加工中心精度的方法是提高精度诊断技术、提高圆弧补偿精度和机床定位精度。 缩短非加工时间：现在许多小型加工中心刀具交换时间达 1-2 ，有的已达 0。5 缩短非加工时间除了缩短刀具交换时间外，还要节省刀具移近工件的时间。例如，采用移动式立柱结构，使工作台面与操作者距离更近，操作者操纵机床时，操纵更灵活方便。采用接触传感器测量工件尺寸，有利于提高精度和节省时间。节省工件搬运时间，使工件在搬运过程中省时省力。切削加工时，采
9、用合适的冷却方式防止切屑进入机床的运动部分，使机床运转可靠等，都是发挥机床性能的措施。 提高自动化程度；为提高效率，机床硬件和软件采用加工中心对话状态，使其操作简单，时间短，检验及时，错误少。为进一步扩展加工中心的功能，提高自动化程度，可在7加工中心上增加自动交换托盘等辅助设备及监视机能装置，构成 FMC，将若干台 FMC 相连，家上工件、刀具运输机构和工业机器人组成柔性制造系统。 特殊功能附件；如零件自动测量装置、尺寸调整装置和镗刀检验装置、刀具破损监测装置、冷却液供给装和切削传送装置等。刀具破损检测装置是应用声反射的检测方法，利用刀具在断裂瞬间发生的超声波便可判知刀具破损，该装置可将切削引
10、起的金属撕裂声和刀具破损产出的超声波区分开。为适应高速切削，有的还采用大流量冷却方式，采用全封闭喷淋方式等。世界各国著名厂家加工中心特点：联邦德国 CHIROM 公司加工中心采用 12 把刀具，换刀时间不到 。AXA 公司采用 16 把刀具，换刀时间为 ，瑞士 DIXI 公司机床刀库装刀 120 把。瑞士公司四轴机床刀库容量为 200 把。8世界各国大力发展以加工中心为主体、再加上多工位工作台交换装置组成的柔性加工单元，实现了 24 小时无人化运转。第二章 虚拟制造概念：虚拟制造技术是一种面向 21 世纪的先进制造技术，它以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持，在高性能计算机及高速网络中，采
11、用群组协同工作，通过虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题，在虚拟环境下实现产品制造的全过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。分类：综合国内外学者们已有的观点，都认同把虚拟制造分为三类： 以设计为中心的虚拟制造（Design-Centered VM） ；这类研究是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行数字化“制造” ，仿真多种制造方案，检验其制造性或可装配性，预测产品性能和报价、成本。其主要目的是通过“制造仿真”来优化产品设计及工艺过程，尽早发现设计中的问题。 以生产为中心的虚拟制造(Producti
12、on-Centered VM)；这类研究是将仿真能力加入到生产计划模型中，其目的是方便和快捷地评价多种生产计划，检验新工艺流程的可信度，产品的生产效率，资源的需求状况（包括购置新设备、征询盟友等） ，从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。 以控制为中心的虚拟制造(Control-Centered VM)。这类研究是将仿真能力增加到控制模型中，提供对实际生产过程仿真9的环境。其目的是在考虑车间控制行为的基础上，评估新的或改进的产品设计与车间生产相关的活动，从而优化制造过程，改进制造系统。其中，由于 CAD 技术的应用和发展，以 CAD 为基础的以设计为中心的虚拟制造得到了更快、更广泛的应用，同
13、时，也更容易获得实际效果。尽管虚拟制造的出现只有短短的几年时间，但它对制造业的革命性的影响却很快地显示了出来，在科技界和企业界已经成为研究的热点之一。典型的例子有波音 777，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去 8 年时间缩短到 5年。近几年，工业发达国家均着力于虚拟制造的研究与应用。在美国，美国国家标准局 NIST（National Institute of Standards andTechnology）正在建立虚拟制造环境（称之为国家先进制造实验基地 National Advanced Manufacturing Testbed）,
14、 波音公司与麦道公司联手建立了机械设计自动化所，在德国， Darmstatt 技术大学 Fraunhofer 计算机图形研究所，加拿大的 Waterloo 大学，比利时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研究。在国内，虚拟制造的研究有了长足的发展，但与工业发达国家相比，差距依然很大，我国仍处于学习和借鉴国外技术的基础上摸索适合我国国情的虚拟制造技术的研究；虚拟制造的应用尚处于探索阶段。根据调研的情况，国内有机械科学研究院、清华大学国家 CIMS 工程技术研究中心的虚拟制造实验室、大连理工大学 CIMS 中心在进行虚拟制造技术的研究，同时上海交通大学 CIMS 研究所、西安交
15、通大学、北京航空航天大学、浙江大学和南京理工大学等也在做相应的研究。在虚拟制造的应用方面，南京南分成套分析仪器有限责任公司就是典型的“虚拟制造”企业，广东东莞市推出力量虚拟制造协作网(CMC 网) 用于鞋业的设计与制造。虚拟制造被誉为 21 世纪的新型生产模式，是制造业迎接 21 世纪挑战的有效技术，本课题就是利用以设计为中心的虚拟制造技术开发研制五轴联动数控加工中心。五轴联动数控加工中心是功能强，结构复杂，技术含量高的机床，它广泛应用于航天、航海、汽车等领域，在现代工业中有非常重要的应用价值。在五轴联动数控加工中心的开发过程中，自动万能铣头是关键技术，目前国内只有很少数几个厂家正在开发和生产
16、自动万能铣头，主要还处于搜集技术资料和研究阶段。而国外一些发达国家中，自动万能铣头已经普遍应用于立式和龙门式数控铣床以及数控加工中心。使铣床达到五轴联动，实现四面体和五面体加工，可以大大提高铣床的自动化水平和工艺范围以及工作效率。研究开发五轴加工中心要求具有较高的性能技术指标，不仅要具有多坐标复杂曲面的加工功能，而且还要满足高速10度、高刚度和高精度的要求。而发达国家在进出口技术含量高的五轴联动加工中心方面，对我国进行限制，因此，五轴联动数控加工中心的研究开发是一个难度比较的的项目。第三章 加工中心自动换刀装置分析第一节 概述在加工中心中，刀库和机械手组成自动换刀装置（ATC） ，而这个换刀装
17、置，正是加工中心区别于 NC 镗铣床或 NC 铣床的本质所在，它具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能。 它是加工中心的象征，又是加工中心成败的关键环节。它存储加工中心所需的刀具，在数控系统的控制下，将所要用的刀具准确地送到换刀位置，从而保证加工生产的连续高效型，因此自动换刀装置的好坏，将直接影响加工中心的好坏。各加工中心制造商都在下大力研制动作迅速、可靠性高的自动换刀装置，以求在激烈的竞争中取得好效益，从目前情况看，加工中心的主机部分基本定型，变化不大，但自动换刀装置的种类繁多，五花八门，是最难搞好的部分。正因为自动换刀装置是加工中心的核心内容，各厂家都在保密，极少公开有关资料，尤其机械手部
18、分更是如此。自动换刀装置是加工中心进行多工序集中加工的基本条件，是加工中心、车削中心和带交换冲头数控冲床的基本特征。它的任务是在每个工序变换前，做好刀具准备，所以，它的工作质量与整机质量直接有关。自动换刀装置的投资占整机的 30%-50% ，在加工中心使用中，50%的故障都出自自动换刀装置，因此，用户应尽可能选用结构简单，可靠性好的自动好的自动换刀装置。第二节 分类一、按换刀方法分：加工中心的自动换刀形式可分为有机械手换刀方式和无机械手换刀方式两大类。有机械手换刀方式：加工中心的 ATC 大多采用有刀库-机械手换刀方式。它是由机械手把刀库上的刀具送到主轴上，再把主轴上已用过的刀具返送到刀库上。其特点是刀库的配置、位置及数量比较灵活，它可根据不同的要配置
