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組合機(jī)床的機(jī)器整合和控制設(shè)計(jì)
D. M. Tilbury 和 S. Kota
組合機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械工程部和應(yīng)用技巧工程研究中心
密西根大學(xué)
Ann Arbor, MI 48109-2125
ftilbury,kotag@umich.edu
摘要：在文中，我們針對(duì)組合機(jī)床及其相關(guān)控制系統(tǒng)給出了一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序。
設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是一系列在給定的部位或者是部件上的操作，這些操作被分
解為一系列機(jī)器必須執(zhí)行的功能，每個(gè)功能對(duì)應(yīng)著一個(gè)機(jī)器控制組件，
一旦一個(gè)機(jī)器構(gòu)成了一系列的組件，整個(gè)機(jī)床就被連接起來(lái)了。控制設(shè)計(jì)
由操作序列控制組件、操作者接口控制組件和轉(zhuǎn)變模態(tài)的邏輯來(lái)完成。
關(guān)于組合機(jī)床的機(jī)器整合和控制設(shè)計(jì)以下是詳細(xì)的描述。
I.介紹
在今天的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)中，制造系統(tǒng)必須要快速適應(yīng)不同客戶的需求并盡可能地減少產(chǎn)品的生命周期。傳統(tǒng)的生產(chǎn)流水線只為高價(jià)值的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在一個(gè)固定的自動(dòng)化模式下操作，因此不能很快適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的改變。而在另一方面，傳統(tǒng)的以加工中心為基礎(chǔ)的彈性制造系統(tǒng)提供了廣義的彈性但是通常非常慢和昂貴而且不會(huì)因?yàn)樘厥猱a(chǎn)品和系列產(chǎn)品優(yōu)化。
密西根大學(xué)打算發(fā)展理論以便為組合機(jī)床系統(tǒng)促成技術(shù)[3][4]。新的系統(tǒng)能組合生產(chǎn)任意的新的部件，而非為某個(gè)部件而建立的專有制造系統(tǒng)。在文中, 我們描述一部整合機(jī)器和控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)組合的。
為了要完全地提供工件加工過(guò)程中所需要的功能和能力，RMTs 被設(shè)計(jì)成一個(gè)給定的部件。給定一系列要運(yùn)行的操作，RMTs 就可以藉由裝配適當(dāng)?shù)臋C(jī)器組件來(lái)組合起來(lái)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件在庫(kù)中都有一個(gè)控制部件與它相聯(lián)系。當(dāng)機(jī)械組件被裝配起來(lái)后，控制組件將會(huì)被連接起來(lái)，機(jī)器也就準(zhǔn)備好運(yùn)行了。廣泛而耗時(shí)的專有控制系統(tǒng)將不再需要。在第II部分我們將會(huì)描述如何來(lái)通過(guò)一系列基礎(chǔ)機(jī)械組件來(lái)設(shè)計(jì)該機(jī)床，這項(xiàng)研究部分被NSF-ERC 所支持并授予編號(hào)EEC95-92125。
用一種定義明確的方式銜接。第III部分描述了該控制是如何同樣通過(guò)一個(gè)控制組件庫(kù)被裝配。在第IV部分我們將對(duì)該模組工程在設(shè)計(jì)和控制方面進(jìn)行多層次的組合。文章第v部分將以對(duì)將來(lái)工作的展望來(lái)結(jié)尾。
II.機(jī)械設(shè)計(jì)
在制造系統(tǒng)配置的持續(xù)的工作在密西根大學(xué)論及開(kāi)始的問(wèn)題從零件(或部件) 描述和提取機(jī)器操作必須制造零件（部件）。操作根據(jù)公差被聚集，次序?qū)嵭?，而且需要系統(tǒng)周期，根據(jù)每個(gè)“群”都能夠在機(jī)床上獨(dú)立制造的意圖，在這里我們對(duì)圖1上所示的V6和V8的圓筒頭進(jìn)行一系列的鉆孔操作。被輸入到組合機(jī)床內(nèi)的設(shè)計(jì)程序是程序設(shè)計(jì)者為進(jìn)行這一操作而生成的位置數(shù)據(jù)。圖2顯示了包含定位和鉆孔信息在內(nèi)的樣品數(shù)據(jù)。
RMT設(shè)計(jì)程序包含了三個(gè)主要的設(shè)計(jì)階段：任務(wù)闡明、組件選擇和評(píng)估。在一段簡(jiǎn)短的文字回顧后，這三個(gè)階段將會(huì)在本部分概略說(shuō)明。
A． 相關(guān)研究
雖然組合在機(jī)械制造系統(tǒng)中只是一個(gè)相對(duì)新的概念，然而出版了的文章中卻
很少有關(guān)于組合機(jī)床設(shè)計(jì)的。但是，模組機(jī)床已經(jīng)上市多年，也有一些關(guān)于機(jī)械手、模組機(jī)械的文章，多少和組合機(jī)床的設(shè)計(jì)有一些關(guān)系。例如，Shinno 和 Ito[17][18][19][20] 計(jì)劃建立一個(gè)結(jié)構(gòu)組合機(jī)床的理論，他們將機(jī)床分解成簡(jiǎn)單的幾何形式，例如盒子、汽缸蓋等等。Yan 和Chen[21][1] 把這一個(gè)工作延長(zhǎng)到機(jī)械中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Ouyang 等人 [12] 運(yùn)用Ito的方法為模組機(jī)床的綜合而且發(fā)展列舉機(jī)床組件的一個(gè)方法。Paradis 和 Khosla[15] 決定了模組的裝配時(shí)如何最佳地配置任務(wù)。
Fig.1.二個(gè)樣品零件，需要進(jìn)行的操作是給汽缸蓋上鉆定位孔，在V8汽缸蓋上，在一條線上二個(gè)這樣的定位孔，在V6汽缸蓋上有8個(gè)孔。
Fig.2.圖1中被顯示的樣品零件鉆孔時(shí)的數(shù)據(jù)，CL文件是一個(gè)從CAD系列 （譬如IDEAS）中產(chǎn)生的，它包含主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和冷凍劑數(shù)據(jù)…
Chen[2]講述了為指定工作發(fā)現(xiàn)最佳化裝配結(jié)構(gòu)的方法，他的程序以影響裝配的矩陣為基礎(chǔ)。而且運(yùn)用了一個(gè)遺傳基因的運(yùn)算法則來(lái)以最佳化的方法解決問(wèn)題。在系統(tǒng)前面，羅杰和 Bottaci[16] 討論了組合制造系統(tǒng)的重要性，歐恩等人 [13]發(fā)明了模組制造系統(tǒng)綜合為教育的目標(biāo)規(guī)劃。在文中,運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的傳統(tǒng)方法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (也就是螺絲釘理論, 曲線圖理論, 等等。) 是用來(lái)獲取 RMTs 的特性的。 這些數(shù)學(xué)的功能作為拓?fù)渚C合,功能-分解, 而且映射程序; 細(xì)節(jié)功能在 [9] 中被發(fā)現(xiàn)。
B.任務(wù)闡明
RMT 的設(shè)計(jì)從任務(wù)闡明開(kāi)始, 哪些需要分析切削刀地點(diǎn)數(shù)據(jù)確定是必要完成的套作用需要的運(yùn)動(dòng)學(xué)行動(dòng)。分為三個(gè)步驟。首先, 圖表用來(lái)抽象地表示一個(gè)運(yùn)動(dòng)。這些圖表然后被分解成功能, 并且功能最后被映射機(jī)器存在在庫(kù)里的模塊。
機(jī)床結(jié)構(gòu)的圖表表示法考慮到供選擇配置的系統(tǒng)的列舉并且提供證明方法非同形圖表。圖表表示法并且被使用為簿記分配機(jī)器模塊到圖表元素。圖表包括一套端點(diǎn)被連接一起由邊緣。在使用一張圖表作為一個(gè)抽象表示法機(jī)械工具結(jié)構(gòu), 我們定義二種不同類型端點(diǎn): 類型0和類型1。端點(diǎn)代表一個(gè)物理對(duì)象與二個(gè)口岸; 各個(gè)口岸代表在哪里它可能附有的對(duì)象 。類型0的 端點(diǎn)輸入和輸出口成一條直線, 反之類型1的端點(diǎn)輸入和輸出口互相垂直。機(jī)器制造的任務(wù)就是通過(guò)刀具是平行還是垂直工件來(lái)說(shuō)明是類型0還是類型1的。
圖4 顯示一張圖表為類型0的任務(wù)。四個(gè)類型1的端點(diǎn)與幾個(gè)類型0的端點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)C形式的機(jī)械結(jié)構(gòu)。由于類型0 端點(diǎn)不會(huì)改變定位方向, 他們可能被各種各樣的組合當(dāng)成間隔號(hào)。根端點(diǎn)代表機(jī)床的基礎(chǔ)或?qū)印＿x擇根端點(diǎn)不是唯一的; 不同的選擇將收效在分明機(jī)床的設(shè)計(jì)上。結(jié)構(gòu)作用是分配端點(diǎn)到圖表; 運(yùn)動(dòng)學(xué)作用 (需要) 的地方被分配到邊緣。例如, 圖4 顯示一個(gè)例子怎樣平移行動(dòng) X; Y 和Z 方向可能被分配到圖表邊緣, 代表相對(duì)行動(dòng)在物理對(duì)象之間由邊緣的二個(gè)端點(diǎn)代表。
機(jī)床的基本的功能就是刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)學(xué)作用將由同類矩陣[ 11 ]來(lái)表示; 機(jī)床所需要的功能將被輸入在矩陣T 。機(jī)器制造行動(dòng)必要執(zhí)行一項(xiàng)指定的任務(wù)是從操作序列獲得。在圖2顯示的程序文件包含了刀具位置和運(yùn)動(dòng)在笛卡兒坐標(biāo)系下的同一系統(tǒng)。
Fig.3.高等操作序列，表示原因的產(chǎn)生和同作，序列的這一概要表現(xiàn)操作源于圖2顯示的CL數(shù)據(jù)，它將會(huì)用來(lái)設(shè)計(jì)序列控制。
Fig.4.一個(gè)表示機(jī)床結(jié)構(gòu)的圖，平移運(yùn)動(dòng)被分配到圖表邊緣，端點(diǎn)有結(jié)構(gòu)的功能性。
Fig.5.功能分解模板
例如, 第一個(gè)運(yùn)動(dòng)可以寫(xiě)成：
這里P1 代表機(jī)床的位置和刀具的安置, 而F1代表進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。從在任何二個(gè)毗鄰位置之間的改變,運(yùn)動(dòng)可以描述成：
其它運(yùn)動(dòng)描述相似。對(duì)應(yīng)于各類型機(jī)器操作, 一個(gè)模板被檢索如同一個(gè)起點(diǎn)在辨認(rèn)各種各樣運(yùn)動(dòng)學(xué)作用必要執(zhí)行用機(jī)器制造任務(wù)。例如, 模板為碾碎和鉆井操作表示, 運(yùn)動(dòng)學(xué)作用是必要的為成主軸革命, 工件進(jìn)給和工件安置。由使用這塊模板, 與確切進(jìn)給和安置的信息提供在處理計(jì)劃, 我們能獲得是必要的確切的運(yùn)動(dòng)學(xué)作用譬如工件自轉(zhuǎn), 依照表5的描述翻譯x; Y, 和Z 為進(jìn)給和翻譯Z 為工件安置。
每個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)作用被辨認(rèn)在作用分解階段被映射對(duì)圖表的邊緣描述上面。被分配作用到不同的邊緣能引起多種解答。由于純粹地平移行動(dòng)是可交換的, 他們的次序在圖表能被互換。在作用映射, 重要信息是螺絲拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)行動(dòng)(包括純凈的旋轉(zhuǎn)的行動(dòng)) 和機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
Fig.6.圖4的結(jié)構(gòu)曲線圖能夠被多種不同的模塊選擇。
Fig.7.機(jī)床模塊表示法。CAD 模型一張幻燈片為一種模件機(jī)械工件被顯示在左邊,它的矩陣被顯示在右邊。
C. 組件選擇
商業(yè)可利用的模塊從被挑選模塊庫(kù)為每個(gè)作用(結(jié)構(gòu)如同運(yùn)動(dòng)學(xué)) 被映射對(duì)圖表在任務(wù)闡明階段。數(shù)據(jù)被存放為各個(gè)模塊庫(kù)包括同源矩陣代表它的運(yùn)動(dòng)學(xué)或結(jié)構(gòu)作用, 轉(zhuǎn)彎傳染媒介由運(yùn)動(dòng)信息補(bǔ)充,一的范圍服從矩陣代表模塊突端, 模塊連通性信息, 和功率需要量(為活躍模塊譬如主軸和幻燈片) 。
第一步在模塊選擇將比較同類模塊的變革矩陣與任務(wù)要求矩陣這樣當(dāng)適當(dāng)模塊被選擇符合任務(wù)要求, 所有模塊矩陣產(chǎn)品應(yīng)該是相等的與需要任務(wù)矩陣: T = T1T2…Tn 。再, 那里也許是模塊許多可能的選擇為一指定的結(jié)構(gòu)配置。圖6 顯示怎么不同的幻燈片, 主軸, 并且結(jié)構(gòu)元素可能是裝配的達(dá)成協(xié)議對(duì)圖表圖4 。
一個(gè)幻燈片模塊, 以它的CAD 模型和變革矩陣, 被顯示在表7 。它是可勝任一線性行動(dòng)的方向, 由μ 1個(gè)表明它的變革矩陣。它的數(shù)據(jù)庫(kù)詞條, 被顯示在表里 I, 存放不僅它的變革矩陣而且制造商名字, 模型號(hào), 最初的位置, 力量水平, 和行動(dòng)數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)彎傳染媒介被增添信息關(guān)于極小, 最初, 和最大位移模塊。
D.評(píng)估
一套運(yùn)動(dòng)學(xué)可行的模塊一次是選擇, 有效的機(jī)器設(shè)計(jì)必須被評(píng)估。標(biāo)準(zhǔn)為組合機(jī)床的評(píng)估工具由上述系統(tǒng)的做法綜合包括工作信封, 自由度的數(shù)量, 模塊被使用的數(shù)量, 和動(dòng)態(tài)曲度。
運(yùn)動(dòng)學(xué)自由程度的數(shù)量機(jī)器的工具必須被保留對(duì)極小值必需見(jiàn)面要求, 減少驅(qū)動(dòng)力量和使誤差鏈減到最小。各個(gè)活躍例子展示設(shè)計(jì)由這方法學(xué)引起確切地有自由程度的數(shù)量必要執(zhí)行必需的機(jī)器操作在指定的部份 [ 10 ] 。引起使用這的機(jī)械工具設(shè)計(jì)圖1 的例子零件的方法學(xué)被顯示在表8 。
有效的設(shè)計(jì)必須被評(píng)估談到期望的準(zhǔn)確性。整個(gè)機(jī)器的曲度工具, 最重要的因素的當(dāng)中一個(gè)在表現(xiàn), 是根據(jù)模塊估計(jì)服從矩陣和連接的方法。
Fig.8.為二個(gè)不同零件設(shè)計(jì)的組合機(jī)床。
III. 控制設(shè)計(jì)
用模塊構(gòu)成機(jī)床,便形成控制。在這一工作中, 我們集中于邏輯控制為機(jī)器模塊的程序化和協(xié)調(diào); 分離系統(tǒng)形式主義被顯示在[ 6 ]上。用一個(gè)控制模塊聯(lián)系了各個(gè)活躍機(jī)器模塊; 我們提到這些作為機(jī)器控制模塊。在機(jī)器設(shè)計(jì), 那里是連接的被動(dòng)元素活躍元素一起。在控制設(shè)計(jì), 那里必需并且連接機(jī)器的模塊控制模塊。控制的整體建筑學(xué)系統(tǒng)為RMT 被顯示在表9 。結(jié)構(gòu)是相似為或者二個(gè)機(jī)器被顯示在上圖8; 為V-8 機(jī)器, 沒(méi)有Y軸方向的控制模塊。依照顯示, 機(jī)器控制模塊是在最低水平; 這交互式直接地以機(jī)械系統(tǒng)。用戶接口控制模塊是在最高的水平, 互動(dòng)與用戶通過(guò)電鈕和顯示。操作序列控制模塊被定義根據(jù)了高級(jí)操作序列為部份依照?qǐng)D3顯示。三個(gè)模塊處理方式開(kāi)關(guān)邏輯。在這個(gè)部分, 我們簡(jiǎn)要描述每個(gè)這些型控制模塊并且他們的互作用和協(xié)調(diào)。
A.機(jī)器控制模塊
各個(gè)機(jī)器控制模塊有一個(gè)明確定義的接口規(guī)格: 它接受分離事件命令從一個(gè)指定的集合, 和回歸分離事件反應(yīng)從被給集合。在控制模塊之內(nèi)將是所有連續(xù)易變控制, 譬如伺服操縱為軸。這連續(xù)控制被設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)PID 算法并且軸參量譬如慣性, 力量, 主角螺絲投, 來(lái)自機(jī)器模塊定義。在加法, 各個(gè)機(jī)器控制模塊將包含控制為任一個(gè)機(jī)器服務(wù)聯(lián)系了機(jī)器模塊, 譬如潤(rùn)滑或蓄冷劑。因而, 各個(gè)機(jī)器控制模塊是一位獨(dú)立性的控制器為它伴隨的機(jī)器模塊, 和可能被設(shè)計(jì)和獨(dú)立地測(cè)試機(jī)器的剩余。
機(jī)器控制模塊的設(shè)計(jì)必須完成只一次為各個(gè)機(jī)器模塊在圖書(shū)館里。每當(dāng)機(jī)器模塊被使用在機(jī)器設(shè)計(jì), 控制模塊可能被使用在伴生的控制設(shè)計(jì)?？刂颇K也許獨(dú)立地被使用, 與它自己的處理能力、I/O 和網(wǎng)絡(luò)連接控制系統(tǒng)的剩余, 或它也許被使用作為片斷整體機(jī)器控制器被實(shí)施集中化時(shí)尚。一個(gè)機(jī)器控制模塊的例子為幻燈片是顯示在上圖10 。有四命令模塊可能接受: 行動(dòng)向位置x, 中止, 凹凸部在正面 x, 和凹凸部在消極x 方向。當(dāng)它完成了必要的操作, 它返"done" 的命令。定時(shí)器是包括的(但沒(méi)顯示); 如果規(guī)定的時(shí)間過(guò)去了而一個(gè)完成命令都沒(méi)有返回, "error" 命令將返回。
Fig.10. 滑控制器。幻燈片控制器包括(在之內(nèi)箱子) 伺服控制器為幻燈片。當(dāng)幻燈片到達(dá)了命令的位置時(shí), "done" 命令返回。
B.操作序列
操作序列模塊被定義從高階序列從切削刀地點(diǎn)數(shù)據(jù)被提取顯示在上圖3 。這控制主要結(jié)構(gòu)模塊是狀態(tài)序列代表序列操作必須進(jìn)行在零件; 等待狀態(tài)是包括的在各步的完成。圖 11表示操作序列模塊為機(jī)器圖8(b) 和操作序列圖3 。簡(jiǎn)單錯(cuò)誤處理僅僅通過(guò)錯(cuò)誤用戶界面被合并在設(shè)計(jì)但不是顯示在上圖為樸素。如果"reset" 命令被接受, 主軸被關(guān)閉并且幻燈片被重新設(shè)置對(duì)它的位置。操作序列為V6 機(jī)器相似, 但有更多操作因?yàn)槟抢锸切枰绦蚧亩€(gè)線性軸。依照被顯示整體結(jié)構(gòu)圖9, 那里是二個(gè)口岸對(duì)操作序列控制模塊: 你連接到自動(dòng)方式控制模塊, 和另連接到?jīng)_突驗(yàn)查員。接口對(duì)操作序列控制模塊被顯示在表12 。
C.模塊控制結(jié)構(gòu)
用戶接口控制模塊與用戶相處融洽通過(guò)一套電鈕轉(zhuǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)斷斷續(xù)續(xù), 開(kāi)關(guān)在控制方式之間, 和單向通過(guò)操作序列。它的主函數(shù)是通過(guò)用戶命令通過(guò)對(duì)控制器的剩余, 并且顯示機(jī)器的現(xiàn)狀用戶。
機(jī)床控制器有幾個(gè)不同的方式。在自動(dòng)方式, 操作序列連續(xù)地執(zhí)行得; 其它方式也許執(zhí)行操作序列只一次。在步方式下, 電鈕命令必須是過(guò)去經(jīng)常創(chuàng)始操作序列的每步, 和在人工式, 更加美好的控制是可利用的通過(guò)凹凸部命令那移動(dòng)活躍元素每少量在一個(gè)時(shí)間。而不是重覆操作序列為每控制方式, 序列的一個(gè)表示法被使用。方式開(kāi)關(guān)邏輯確定適當(dāng)?shù)臅r(shí)候送"proceed" 命令給操作序列。
沖突驗(yàn)查員控制模塊的主函數(shù)是通過(guò)命令從操作序列和人工式模塊對(duì)適當(dāng)?shù)臋C(jī)器控制 模塊 。它得以進(jìn)入對(duì)機(jī)器的數(shù)據(jù)庫(kù)的模塊定義, 和可能使用那些檢查非法導(dǎo)致機(jī)械干涉的命令。由于明確定義的接口對(duì)低級(jí)機(jī)器控制模塊, 沖突驗(yàn)查員的設(shè)計(jì)能做使用高級(jí)控制命令。細(xì)節(jié)物理I/O 被處理在機(jī)器控制模塊。
如上所述, 各個(gè)控制模塊代表由接受某一語(yǔ)言的一臺(tái)有限狀態(tài)機(jī) (是允許的) 的事件順序。我們顯示了那以一些明確定義的條件在這些語(yǔ)言并且模塊連接, 整體控制結(jié)構(gòu)能被保證是無(wú)曲度[ 8 ]; 列舉聯(lián)合的邏輯控制器的可能的序列, 會(huì)是不切實(shí)際的, 不要求被證明。
Fig.11. 操作序列模塊, 顯示整體序列操作和事件。接口對(duì)模塊被顯示在表12 。重新設(shè)置命令可能在任何時(shí)候被接受; 只一些事件蹤影被簡(jiǎn)單顯示。錯(cuò)誤事件蹤影也被從圖中省去。
Fig.12. 操作序列控制模塊的結(jié)構(gòu)圖, 顯示接口和共有的事件。由模塊接受
的事件用斜體字表現(xiàn);與上層模塊共有的事件是其余的。
IV.組合機(jī)床
在庫(kù)中的機(jī)床模塊可能會(huì)在許多不同的機(jī)床設(shè)計(jì)被使用?？刂颇K聯(lián)系的各個(gè)機(jī)器模塊將被合并到整個(gè)機(jī)床的控制設(shè)計(jì)過(guò)程中各個(gè)模塊在他們被聯(lián)系之前都能夠被獨(dú)立地測(cè)試，因此通過(guò)變短設(shè)計(jì)循環(huán)周期和舷梯時(shí)間，機(jī)床模塊庫(kù)中的控制模塊可能極大減少一個(gè)新用機(jī)床制造系統(tǒng)的前置時(shí)間。
因?yàn)榱慵母淖?譬如顯示在上圖1中的V6和 V-8 氣缸蓋), 機(jī)床結(jié)構(gòu)將需要重新構(gòu)造, 或增加一根軸或改變主軸。當(dāng)這類型重組發(fā)生,需要被對(duì)操作序列控制模塊和沖突驗(yàn)查員做變動(dòng)(如果新機(jī)械干涉產(chǎn)生的話) 。
由于他們擁有一個(gè)明確定義的接口, 每個(gè)單獨(dú)控制模塊都能夠被獨(dú)立地更換成其他模塊。只要被重新設(shè)計(jì)的控制模塊也有同樣的離散接口, 最終的系統(tǒng)被保證是囊中之物。例如, 摩擦報(bào)償控制算法也許會(huì)添加在滑臺(tái)控制模塊上。這會(huì)增加那個(gè)模塊的表現(xiàn)力, 但在低級(jí)模塊之中肯定會(huì)有些許的變動(dòng)。
V. 結(jié)論和展望
歷史上, 機(jī)床設(shè)計(jì)是經(jīng)驗(yàn)所得 。在此次研究中, 我們描述了一個(gè)數(shù)學(xué)依據(jù)為組合的綜合評(píng)估機(jī)床以及和他們伴生的控制器。這種研究工作列舉兩個(gè)機(jī)床配置的產(chǎn)生和模件控制設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程從用機(jī)器制造的要求開(kāi)始。
機(jī)床綜合的被提出的理論是允許機(jī)器模塊庫(kù)是預(yù)先完成并且存放在數(shù)據(jù)庫(kù), 獨(dú)立性與控制器并且準(zhǔn)備被使用在任一個(gè)機(jī)器設(shè)計(jì)。該理論要保證所有運(yùn)動(dòng)學(xué)上可實(shí)行的不同的配置系統(tǒng)分別被列舉，以便減少錯(cuò)過(guò)一個(gè)好設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。
我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于Java 項(xiàng)目的自動(dòng)化機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程;當(dāng)前任務(wù)是合并控制設(shè)計(jì)程序在已有的框架之內(nèi)。我們還擴(kuò)展當(dāng)前可用機(jī)床和控制模塊庫(kù)以及形式上抽象從連續(xù)多變的控制到離散領(lǐng)域。
鳴謝
作者衷心地感謝各方支持和參加了這個(gè)項(xiàng)目的ERC工業(yè)成員無(wú)私的反饋 。MEAM 畢業(yè)生Eric Endsley, Morrison Lucas和Yong-Moon對(duì)工作的貢獻(xiàn)已被描述在文中。
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任務(wù)書(shū)
課題依據(jù):
1、 零件圖
2、 年產(chǎn)量6萬(wàn)件
3、 采用液壓機(jī)構(gòu)定位夾緊
4、 機(jī)床電液控制
任務(wù)要求:
1、 調(diào)研報(bào)告(2000字報(bào)告)一篇；
2、 翻譯課題相關(guān)外文資料5000(漢)字以上，兩篇；
3、 加工工序圖、專用夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及夾具裝配圖
4、 加工示意圖、機(jī)床聯(lián)系尺寸圖、生產(chǎn)效率計(jì)算卡
5、 多軸箱裝配圖
6、 機(jī)床液壓原理圖
7、 PLC控制圖設(shè)計(jì)
8、 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2萬(wàn)字以上；
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度計(jì)劃:
起 訖 日 期
工 作 內(nèi) 容
備 注
3.26～4.1
4.2～4.8
4.9～4.23
4.24～5.14
5.15～6.
6～6.
宣布畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，調(diào)研閱讀資料；
翻譯外文資料
調(diào)查研究、分析課題、整理調(diào)研報(bào)告
工藝方案確定，繪制工序圖、加工示意圖、后續(xù)工作中主要技術(shù)參數(shù)確定
繪制機(jī)床聯(lián)系尺寸圖、生產(chǎn)效率計(jì)算卡
多軸箱設(shè)計(jì)
機(jī)床液壓原理圖、PLC控制圖設(shè)計(jì)
撰寫(xiě)設(shè)計(jì)、計(jì)算說(shuō)明書(shū)、答辯準(zhǔn)備
畢業(yè)答辯
1周
1
2
3
4
1
0
0.5
摘要:組合機(jī)床及其自動(dòng)線所使用的通用部件是具有特定功能,按標(biāo)準(zhǔn)化,系列化,通用化原則設(shè)計(jì)、制造的組合機(jī)床基礎(chǔ)部件。每種通用部件有合理的規(guī)格尺寸系列，有適用的技術(shù)參數(shù)和完善的配套關(guān)系。組合機(jī)床設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)機(jī)床性能 要求配套液壓、氣壓和電控等系統(tǒng)，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，采用PLC控制液壓系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 組合機(jī)床 液壓系統(tǒng) PLC
Abstract：The aggregate machine-tool and its the general part which uses fromthe generatrix has the specific function, according tostandardization, seriation, universalized principle design,manufacture aggregate machine-tool foundation part. Each kind ofgeneral part has the reasonable specification size series, has thesuitable technical parameter and the consummation necessary relations.The aggregate machine-tool design should act according to engine bedsystem and so on performance requirement necessary hydraulic pressure,barometric pressure and electric control, this graduation project,uses the PLC control hydraulic system.
Key word： Aggregate machine-tool Hydraulic system PLC
目 錄
引言 …………………………………………………………………………………1
第一章 通用部件簡(jiǎn)介 …………………………………………………………2
1.通用部件的分類……………………………………………………………2
2.動(dòng)力滑臺(tái)與動(dòng)力箱…………………………………………………………3
3.組合機(jī)床支承部件…………………………………………………………4
第二章 組合機(jī)床的總體設(shè)計(jì)步驟 …………………………………………5
1組合機(jī)床工藝方案的制定 …………………………………………………5
2確定切削用量及選擇刀具 …………………………………………………6
3組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)—三圖一卡 ……………………………………………7
第三章 組合機(jī)床多軸箱設(shè)計(jì) ………………………………………………13
1概述…………………………………………………………………………13
2多軸箱的設(shè)計(jì)………………………………………………………………13
第四章夾具的設(shè)計(jì) ……………………………………………………16
第五章液壓原理圖 ……………………………………………………17
1液壓傳動(dòng)圖 ………………………………………………………17
2工作循環(huán)表 ………………………………………………………17
第六章PLC梯形圖 ………………………………………………………18
結(jié)論 ……………………………………………………………………19
致謝 ……………………………………………………………………19
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………19
前 言
組合機(jī)床是以通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專用部件，對(duì)一種或若干中工件按預(yù)先確定的工序進(jìn)行加工的機(jī)床。它能夠?qū)ぜM(jìn)行多刃多軸多面多工位同時(shí)加工。在組合機(jī)床上可以完成鉆孔、擴(kuò)孔、鏜孔、攻絲、車削、銑削、磨削及液壓等工序，隨著組合機(jī)床的發(fā)展它能完成的工藝范圍將日益擴(kuò)大。
組合機(jī)床所使用的通用部件具有特定功能，按標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化原則設(shè)計(jì)制造的組合機(jī)床基礎(chǔ)部件，每種通用部件有合理的規(guī)格尺寸系列，有適用的技術(shù)參數(shù)和完善的配套關(guān)系。
組合機(jī)床與通用機(jī)床、其它機(jī)床比較具有以下特點(diǎn)：
（1）組合機(jī)床上的通用部件和特征零件越占全部機(jī)床零部件的70%-80%，因此設(shè)計(jì)和制造周期短，經(jīng)濟(jì)效益好。
（2）用于組合機(jī)床采用多刀加工，機(jī)床自動(dòng)化程度高，因此比通用機(jī)床生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，勞動(dòng)強(qiáng)度低。
（3）組合機(jī)床的通用部件是經(jīng)過(guò)周密設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐考驗(yàn)的，又有專門廠家成批生產(chǎn)，它與一般專用機(jī)床比較，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工作可靠，使用和維修容易。
（4）組合機(jī)床加工工件，采用專用夾具，組合刀具和導(dǎo)向裝置等，產(chǎn)品加工質(zhì)量靠工藝裝備保證，對(duì)操作工人的技術(shù)水平要求不高。
（5）當(dāng)機(jī)床被加工的產(chǎn)品更新時(shí)，專用機(jī)床的大部分的部件報(bào)廢，組合機(jī)床的通用部件是根據(jù)國(guó)家檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的，并等效于國(guó)際檢驗(yàn)，因此其通用部件可以重復(fù)使用，不必另行設(shè)計(jì)和制造。
（6）組合機(jī)床易于聯(lián)成組合機(jī)床自動(dòng)線，以適應(yīng)大規(guī)模和自動(dòng)化生產(chǎn)需要。目前，我國(guó)組合機(jī)床以廣泛用于大批量生產(chǎn)和使用，例如：汽車、拖拉機(jī)、柴油機(jī)等。
第一章 通用部件簡(jiǎn)介
一.通用部件的分類
通用部件已列為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并等效為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)貫徹執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)有些企業(yè)有內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，但其主要技術(shù)參數(shù)及部件和聯(lián)系尺寸必須統(tǒng)一執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)部件通用化標(biāo)準(zhǔn)。
1.動(dòng)力部件
（1）主運(yùn)動(dòng)動(dòng)力部件—用來(lái)實(shí)現(xiàn)組合機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)。例如：刀具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
動(dòng)力箱：1TD12—1TD25，適用小型組合機(jī)床；1TD32—1TD80，適用大型組合機(jī)床。
多軸箱：主軸固定多軸箱；主軸可調(diào)多軸箱。
（2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件—實(shí)現(xiàn)刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
液壓滑臺(tái)：1HY系列液壓滑臺(tái)；1HYA系列長(zhǎng)臺(tái)面型液壓滑臺(tái)；1HYS系列液壓十字滑臺(tái)。
機(jī)械滑臺(tái)：1HJ系列機(jī)械滑臺(tái)；1HJC系列機(jī)械滑臺(tái)；NC-1HJ系列交流伺服數(shù)
機(jī)械滑臺(tái)。
（3）既能實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)，又能實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的部件。
動(dòng)力頭：1LHJb系列機(jī)械滑套式動(dòng)力頭；1LXJB系列箱體移動(dòng)式機(jī)械動(dòng)力頭；LHF系列風(fēng)動(dòng)動(dòng)力頭；1LZY系列多軸轉(zhuǎn)塔動(dòng)力頭。
（4）為單軸頭變化主軸轉(zhuǎn)速的跨系列通用部件：1XG系列傳動(dòng)裝置。
2.輸送部件
輸送部件是將工件由一個(gè)工位輸送到另一個(gè)工位的部件：1AHY系列液壓回
轉(zhuǎn)臺(tái)工作臺(tái)；1HYA系列長(zhǎng)臺(tái)面型液壓滑臺(tái)。
3.支承部件
支承部件是可用來(lái)安裝組合機(jī)床其它部件，它包括1CC系列滑臺(tái)，側(cè)底座；
1CD系列立柱側(cè)底座；1CL系列立柱及中間底座等。
4.控制部件
控制部件用來(lái)控制組合機(jī)床行動(dòng)循環(huán)。
5.輔助部件
除上述部件外的部件稱輔助部件，主要指用于潤(rùn)滑、冷卻和排屑等部件。
二.動(dòng)力滑臺(tái)與動(dòng)力箱
1.動(dòng)力滑臺(tái)是由滑座、滑鞍和驅(qū)動(dòng)裝置等組成，是實(shí)現(xiàn)組合機(jī)床直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力部件。
動(dòng)力滑臺(tái)的用途：根據(jù)被加工工件的工藝要求，可以在滑臺(tái)上安裝動(dòng)力箱、鉆削頭、銑削頭和鏜孔車端面頭等各種部件，以完成對(duì)工件的鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、螳孔、倒角、削端面、車端面、銑削及攻絲等工序，有時(shí)也作為輸送部件使用，配置多工位組合機(jī)床。
2.1TD系列動(dòng)力箱的用途
動(dòng)力箱是將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給多軸箱的動(dòng)力部件。動(dòng)力箱安裝在滑臺(tái)或其它進(jìn)給部件的結(jié)合面上，動(dòng)力箱前端結(jié)合面上安裝多軸箱，動(dòng)力箱的輸出軸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力箱的每個(gè)主軸及傳動(dòng)軸，使多軸箱完成各種工藝切削運(yùn)動(dòng)。
1TD系列動(dòng)力箱分兩種：第一種根據(jù)用于配置小型組合機(jī)床，其型號(hào)為1TD12—1TD25，本規(guī)格的動(dòng)力箱輸出軸有兩種傳動(dòng)形式，I型用輸出軸安裝的平鍵，齒輪輸出轉(zhuǎn)矩；II型用輸出軸端面鍵輸出轉(zhuǎn)矩。第二種動(dòng)力箱用于配置大型組合機(jī)床，其規(guī)格為1TD32—1TD80，其輸出軸只有平鍵，齒輪一種輸出轉(zhuǎn)矩的形式。
三.組合機(jī)床支承部件
組合機(jī)床支承部件包括中間底座，側(cè)底座，立柱，立柱底座，支架及墊塊等。支承部件主要用來(lái)安裝動(dòng)力部件及其它工作部件是組合機(jī)床的基礎(chǔ)部件。支承部件應(yīng)用于足夠的剛度，以保證各部件之間相對(duì)位置精度長(zhǎng)期正確，從而保證組合機(jī)床的加工精度。
組合機(jī)床的支承部件采用組合式，例如：臥式組合機(jī)床的床身，由中間底座與側(cè)底座裝配而成，而立式組合機(jī)床的床身由立柱及立柱底座裝配而成。此種裝配結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是加工和裝配工藝性好，調(diào)整和運(yùn)輸比較方便。但是，組合式結(jié)構(gòu)減弱了床身的整體剛性，這一缺點(diǎn)通常用加強(qiáng)部件之間的連接剛度來(lái)補(bǔ)償。
1.1CC系列滑臺(tái)側(cè)底座
1CC系列滑臺(tái)側(cè)底座用于安裝1HY系列液壓滑臺(tái)及各種機(jī)械滑臺(tái)側(cè)底座長(zhǎng)度按滑臺(tái)行程長(zhǎng)度分型并與其配套。滑座安裝在側(cè)底座上，側(cè)底座與中間底座用螺釘及銷（或鍵）連接成一體，滑臺(tái)與側(cè)底座之間裝有5mm厚的調(diào)整墊。采用調(diào)整墊鐵對(duì)機(jī)床的制造和維修都方便。因?yàn)楫?dāng)滑座導(dǎo)軌磨損后，或重新組裝機(jī)床時(shí)，只須取下滑臺(tái)將導(dǎo)軌面重新修刮或修磨，再重新更換調(diào)整墊厚度，可使機(jī)床達(dá)到應(yīng)有精度。
側(cè)底座的頂面具有與滑座結(jié)合的平面外在其周圍有收集冷卻液或潤(rùn)滑油用的溝槽，用管道將油液引回存儲(chǔ)槽中，側(cè)底座的另一側(cè)面有電氣壁盒，以供安裝電器元件用。一般電器壁盒與冷卻液存儲(chǔ)箱不應(yīng)靠近，以防電氣元件潮濕。
為了便于支承部件及整臺(tái)機(jī)床運(yùn)輸，側(cè)底座應(yīng)用走絲吊孔或吊環(huán)螺釘孔及放入撬杠用的底面凹槽。
2.中間底座
中間底座用于安裝運(yùn)輸部件和夾具等的支承部件。它可以與側(cè)底座支架和立柱等相接。
中間底座在配置組合機(jī)床時(shí)，往往不能用一種系列滿足不同使用要求，因此，中間底座無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化系列，尚須根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)專用的中間底座。
中間底座分為安裝固定夾具和安裝回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的兩種類型。
根據(jù)組合機(jī)床配置形式的不同，中間底座多種多樣。總之，隨著組合機(jī)床形式不同，中間底座在結(jié)構(gòu)，尺寸方面就有不同的要求。
中間底座的高度為560mm，也可選用630mm或710mm，本次設(shè)計(jì)底座選用560mm.
第二章 組合機(jī)床的總體設(shè)計(jì)
一.組合機(jī)床工藝方案的制定
工藝方案制定的正確與否，將決定機(jī)床能否達(dá)到體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。為了使工藝方案制定得合理，先進(jìn)，必須認(rèn)真分析被加工零件圖紙開(kāi)始，深入現(xiàn)場(chǎng)全面了解被加工零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加工部位，尺寸精度，表面粗糙度和技術(shù)要求，定位、夾緊要求，工藝方法和加工過(guò)程所采用的刀具、輔具，切削用量及生產(chǎn)率要求等，分析優(yōu)缺點(diǎn)。
1.零件的工藝分析
被加工零件為減速箱的箱體，加工頂面鉆孔，且要一次加工完成，因此需在專用機(jī)床上加工，并要保證它們之間的粗糙度和位置精度要求。
2.工藝方案的制定
1）初銑?52平面 2）初、半精銑?80平面
3）初銑頂面?zhèn)绕矫? 4）初磨頂面?13孔的上下表面，底面?13孔的上表面
5）初磨?80、?72的外表面
6）鉆底面?13、?8的孔 7）擴(kuò)底面?8的孔
8）鉆頂面?13、?8的孔 9）擴(kuò)頂面?8的孔
10）去毛刺，打號(hào)，清洗 12）終檢
3．工件的定位基準(zhǔn)選擇
根據(jù)上面工序的安排，定位基準(zhǔn)選擇“一面兩銷”進(jìn)行，其原因：
a可簡(jiǎn)單的消除工件的六個(gè)自由度，使工件獲得穩(wěn)定可靠的定位。
b有同時(shí)加工零件五個(gè)表面的可能，即能高度集中工序，又有利于提高各面孔的位置精度。
c“一面兩銷”可作為零件從粗加工到精加工全部工序的定位基準(zhǔn)，使零件整個(gè)工藝過(guò)程基準(zhǔn)統(tǒng)一，從而減少由基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的累積誤差，有利于保證零件加工精度。
d易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化定位，并有利于防止切屑落于定位基面上。
4.夾緊方案的制定
夾緊機(jī)構(gòu)由夾緊動(dòng)力，中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，夾緊元件三部分組成，夾緊動(dòng)力用于產(chǎn)生力源，并將作用力傳給中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。采用中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可改變作用力的大小和方向，同時(shí)能產(chǎn)生的鎖作用，以保證在加工過(guò)程中，當(dāng)力源消失時(shí)，工件在切削力或振動(dòng)作用下仍能可靠夾緊。夾緊元件剛用以承受由中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞的夾緊力。并與工件直接接觸而執(zhí)行夾緊動(dòng)作。工件夾緊時(shí)，夾緊裝置應(yīng)重點(diǎn)解決下列問(wèn)題：
（1）夾緊裝置在對(duì)工件夾緊時(shí)，不應(yīng)破壞工件的定位應(yīng)正確選擇夾緊力的方向及著力點(diǎn)。
（2）夾緊力的大小應(yīng)可靠，適當(dāng)。要保證工件在夾緊后的變形和受壓表面的損壞不能超過(guò)允許的范圍。
（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，夾緊動(dòng)作迅速，操作方便，省力，安全。
（4）夾緊力或夾緊行程在一定范圍內(nèi)可調(diào)整或補(bǔ)償。
二.確定切削用量及選擇刀具
切削用量選擇是否合理，對(duì)組合機(jī)床的加工精度、生產(chǎn)率、刀具的耐用度、機(jī)床的布局及正常工作均有很大的影響。
組合機(jī)床切削用量的選擇特點(diǎn)：
1.在大多數(shù)情況下，組合機(jī)床為多軸，多刀，多面同時(shí)加工，因此切削用量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)比一般萬(wàn)能機(jī)床單刀加工低30%左右。
2.組合機(jī)床多軸箱下，所有刀具共用一個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)，通常為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力滑臺(tái)，工作時(shí)，要求所以的刀具的每分鐘進(jìn)給量相同，且等于動(dòng)力滑臺(tái)的分鐘進(jìn)給量。
a 由于工件材料：HT200 HBS:200 ?8 深16mm ?13 深16mm
查鉆孔切削速度查得：鑄鐵：v=16～24m/min.
(1)a ?8孔的計(jì)算：
f=0.2mm/r 由L/D=16/8=2 選取v=18m/min 查表得Kv=0.9
可得：
切削力F=26×D×f0.8×HB0.6=1377.522N
切削扭矩： =10×D1.9×f0.8×HB0.6=3445.982N·mm
切削功率：
刀具耐用度：
b ?13孔的計(jì)算：
f=0.2mm/r 由L/D=16/13=1.23 選取v=16m/min 查表得Kv=0.9
可得：
切削力F=26×D×f0.8×HB0.6=2238.473N
切削扭矩： =10×D1.9×f0.8×HB0.6=8630.507N·mm
切削功率：
刀具耐用度 ：
總功率P=4x0.33+0.248=1.568Kw
三.組合機(jī)床總體設(shè)計(jì)—三圖一卡
1.被加工零件工序圖
被加工零件的工序圖是根據(jù)選定的工藝方案，表示一臺(tái)組合機(jī)床或自動(dòng)線完成的工藝內(nèi)容，加工部位尺寸、精度、表面粗糙度及技術(shù)要求，加工用定位基準(zhǔn)，夾緊符號(hào)及被加工零件的材料、硬度、重量等表示。不能用客戶提供的圖紙，而需在原零件圖的基礎(chǔ)上，突出被加工的內(nèi)容，加上必要的說(shuō)明繪制而成的，它是組合機(jī)床設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是制造，使用，檢驗(yàn)和調(diào)整機(jī)床的重要技術(shù)元件，圖上應(yīng)表示出：
（1）被加工零件的形狀和輪廓尺寸及本機(jī)床設(shè)計(jì)有關(guān)的部位的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸。
（2）加工用定位基準(zhǔn)，夾緊部位及夾緊方向，以便依此進(jìn)行夾具的定位支承，限位，夾緊，導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì)。
（3）本道工序加工部位尺寸、精度、表面粗糙度、形狀位置尺寸及技術(shù)要求，還包括本道工序?qū)η暗拦ば蛱岢龅囊蟆?
（4）必要的文字說(shuō)明，如被加工零件的編號(hào)名稱，硬度，重量，加工余量等
2.加工示意圖
1.加工示意圖的作用和內(nèi)容
零件的加工工藝方案要通過(guò)加工示意圖反映出來(lái)，加工示意圖表示被加工零件在機(jī)床尚的加工過(guò)程，刀具輔具的布置狀況以及工件，夾具，刀具等機(jī)床各部件間的相對(duì)位置關(guān)系，機(jī)床的工作行程及工作循環(huán)等。因此，加工示意圖是組合機(jī)床設(shè)計(jì)的主要圖紙之一。在總體設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位。它是刀具，輔具，夾具，多軸箱，液壓電氣裝置設(shè)計(jì)及通用部件選擇的主要原始資料；也是整臺(tái)組合機(jī)床布局和性能的原始要求，同時(shí)還是調(diào)整機(jī)床刀具及成車的依據(jù)，其內(nèi)容為：
（1）應(yīng)反映機(jī)床的加工方法，加工條件及加工過(guò)程。
（2）根據(jù)加工部位特點(diǎn)及加工要求，決定刀具類型，數(shù)量，結(jié)構(gòu)，尺寸（直徑
和長(zhǎng)度），包括鏜削加工是鏜桿直徑和長(zhǎng)度。
（3）決定主軸的結(jié)構(gòu)類型，規(guī)格尺寸及外伸長(zhǎng)度。
（4）選擇標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)專用的接桿，浮動(dòng)卡頭，導(dǎo)向裝置，攻絲靠模裝置，刀桿
托架等，并決定它們的結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸。
（5）標(biāo)明主軸，接桿，夾具（導(dǎo)向）與工件之間的聯(lián)系尺寸，配合及精度。
（6）根據(jù)機(jī)床要求的生產(chǎn)率及刀具，材料特點(diǎn)等，合理正確定并標(biāo)注各主軸的
切削用量。
2.加工示意圖零件的選擇
（1）刀具的選擇
刀具的選擇要求考慮工件加工尺寸精度，切削的排除，及生產(chǎn)率要求等因素。
由《機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》表11.29選擇：
莫氏錐柄長(zhǎng)麻花鉆：
（2）初定主軸類型、尺寸、外伸長(zhǎng)度和選擇接桿主軸形式主要取決于進(jìn)給力和主軸－刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的需要。主軸尺寸規(guī)格應(yīng)根據(jù)選定的切削用量計(jì)算出切削轉(zhuǎn)矩， 由d=13mm 查表3-5得：確定主軸直徑d=16mm. 取d=20mm。
（3）彈簧漲套：T0631-41 。
（4）除剛性主軸外，組合機(jī)床主軸與刀具之間常用兩種連接：一是接桿連接，也稱剛性連接，用于單導(dǎo)向進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸及倒角加工；二是浮動(dòng)卡頭連接，也稱浮動(dòng)連接，用于長(zhǎng)導(dǎo)向、雙導(dǎo)向和多導(dǎo)向進(jìn)行鏜、擴(kuò)、鉸孔，以減少主軸位置誤差及主軸徑向跳動(dòng)對(duì)加工精度的影響。
選接桿： T0635-01 B型。
3.影響聯(lián)系尺寸的關(guān)鍵刀具
保證加工終了時(shí)，多軸箱端面到工件端面之間的尺寸最小，來(lái)確定全部刀具，接桿，導(dǎo)向，刀具托架及工件之間的聯(lián)系尺寸。其中，須標(biāo)注主軸端部外徑和內(nèi)孔徑，外伸長(zhǎng)度，刀具各段直徑及長(zhǎng)度，導(dǎo)向的直徑，長(zhǎng)度配合，工件至夾具之間須標(biāo)注工件距離導(dǎo)套端面的距離，還需標(biāo)注刀具托架與夾具之間的尺寸，工件本身及加工部位的尺寸和精度等。
4.動(dòng)力部件的工作循環(huán)
動(dòng)力部件的工作循環(huán)是指：加工時(shí)，動(dòng)力部件從原始位置開(kāi)始到加工終了位置又返回到原始位置的動(dòng)力過(guò)程。一般包括快速引進(jìn)，工作進(jìn)給，快速退回等動(dòng)作，有時(shí)還有中間停止，多次往復(fù)進(jìn)給，跳躍進(jìn)給，死擋鐵停留等特殊要求，這是根據(jù)具體的加工工藝需要確定的。
5.動(dòng)力部件的工作行程
（1）工作進(jìn)給長(zhǎng)度L應(yīng)等于工件加工部位長(zhǎng)度與刀具切入長(zhǎng)度和切出長(zhǎng)度之和。參考《組合機(jī)床設(shè)計(jì)》表3－17得：切入長(zhǎng)度 =8mm.
由表3－24得：＝12mm.
(2)快速退回和攻退長(zhǎng)度之和等于快速引進(jìn)和進(jìn)給長(zhǎng)度之和。其長(zhǎng)度按加工具體要求而定。?13快進(jìn)取125mm；工進(jìn)35mm；快退取160mm .?8快進(jìn)取105mm;工進(jìn)35mm；快退取140mm。
（3）動(dòng)力部件總行程長(zhǎng)度除了應(yīng)保證要求的工作循環(huán)工作過(guò)程外，還要考慮裝卸調(diào)整刀具方便，及考慮前備量。前備量取35mm 。
3.機(jī)床聯(lián)系尺寸圖
一般來(lái)說(shuō)，組合機(jī)床是由標(biāo)準(zhǔn)的通用部件—?jiǎng)恿_(tái)、動(dòng)力箱、各種工藝、切削頭、側(cè)底座、立柱底座及中間底座加上專用部件—多軸箱、刀具、輔具系統(tǒng)、夾具、液電、冷卻、潤(rùn)滑、排屑系統(tǒng)組合裝配而成的。
聯(lián)系尺寸圖的主要內(nèi)容為：
（1）以適當(dāng)數(shù)量的視圖按同一比例畫(huà)出機(jī)床各主要組成部件的外形輪廓及相關(guān)位置，表明機(jī)床的配置型式及總體布局，主視圖的選擇應(yīng)與機(jī)床實(shí)際加工狀態(tài)一致。
（2）圖上應(yīng)盡量減少在必要的線條及尺寸應(yīng)標(biāo)注，但反映部件的聯(lián)系，專用部件及主要輪廓尺寸，運(yùn)動(dòng)部件的極限位置及行程尺寸必須完全。
（3）為便于開(kāi)展局部設(shè)計(jì)，聯(lián)系尺寸圖上應(yīng)標(biāo)注通用部件的規(guī)格，代號(hào)，電動(dòng)機(jī)型號(hào)，功率及轉(zhuǎn)速，并說(shuō)明機(jī)床部件的分組情況及總行程。
組合機(jī)床的動(dòng)力部件是配置組合機(jī)床的基礎(chǔ)，它主要包括用以實(shí)現(xiàn)刀具主軸旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力箱，各種工藝切削用量及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的運(yùn)功動(dòng)滑臺(tái)。
影響動(dòng)力部件選擇的主要因素為：切削功率，進(jìn)給力，進(jìn)給速度，行程，多軸箱輪廓，尺寸，動(dòng)力滑臺(tái)的精度和導(dǎo)軌材料，綜合這些因素，根據(jù)具體加工要求正確合理選擇動(dòng)力部件—?jiǎng)恿_(tái)和動(dòng)力箱，并以其為基礎(chǔ)進(jìn)行通用部件配置。
根據(jù)前面算的再查《組合機(jī)床設(shè)計(jì)》表2－15選1TD32動(dòng)力箱，電機(jī)型號(hào):Y112M-6,電動(dòng)機(jī)功率：P=2.2KW,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：n=940r/min,驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速：n=470r/min.動(dòng)力箱輸出軸距底面高度為124.5mm。
由表2－3結(jié)合附表1:選液壓動(dòng)力滑臺(tái)1HY63 ，臺(tái)面寬:B=250mm，
面長(zhǎng):1250mm，行程長(zhǎng):H＝630mm，導(dǎo)軌為鑄鐵材料，允許最大進(jìn)給力:5000N，快速行程速度:5mm，工進(jìn)速度6.5～250mm/min。
配套通用部件：滑臺(tái)側(cè)底座，附表19:其型號(hào)：1CD321,高度h=560mm，寬度=600mm，長(zhǎng)度L＝900mm
計(jì)算多軸箱輪廓尺寸
標(biāo)準(zhǔn)的通用鉆，鏜類多軸箱的厚度有兩種尺寸規(guī)格，立式為340mm
繪制機(jī)床聯(lián)系尺寸圖時(shí)，重要確定的尺寸是多軸箱的寬度B和高度H及最低主軸高度：
B=b+ H=h++
式中：b—工件再寬度方向相距最遠(yuǎn)的兩孔距離（mm）
—最邊緣主軸中心距箱外壁的距離（mm）
h—工件在高度方向相距最遠(yuǎn)的兩孔距離（mm）
—最低主軸高度。
為保證多軸箱有排布齒輪的足夠空間，推薦b1>70—100 mm，取b1=100mm，=124.5mm,H=900mm,h3=250mm,h4=630mm,h7=5mm,推薦>85140 mm。
=h2+H-(0.5+h3+h7+h4)＝10＋900－(0.5+250+5+560)=94.5mm
B=b+2b1=102+1002=302mm
H=h++b1==72+94.5+100=266.5mm
根據(jù)上述計(jì)算值，按多軸箱輪廓尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)最后確定多軸箱輪廓尺寸由P92表4－1，取B×H=400400mm。
動(dòng)力箱以及底面與動(dòng)力滑臺(tái)定位連接，在機(jī)床長(zhǎng)度方向上，通常動(dòng)力箱后端面應(yīng)與滑臺(tái)后端面平齊安裝。動(dòng)力滑臺(tái)與滑座在機(jī)床長(zhǎng)度方向的相對(duì)位置由加工終了時(shí)滑臺(tái)前端面到滑座前面的距離決定，是在機(jī)床長(zhǎng)度方向上各部件聯(lián)系尺寸的可調(diào)環(huán)節(jié)；對(duì)于通用的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力滑臺(tái)，尺寸的最大范圍為50mm，是動(dòng)力滑臺(tái)，滑座本身結(jié)構(gòu)決定的滑臺(tái)前端面到滑臺(tái)前端面的最小距離與前備量?jī)烧咧?。前者通常不?yīng)小于15－20mm，后者用補(bǔ)償?shù)毒咧啬ズ筝S向可調(diào)的尺寸并用于彌補(bǔ)機(jī)床制造和安裝誤差前備量取35mm；剛＝35＋35＝70mm。
為便于機(jī)床的調(diào)整和維修，滑臺(tái)與側(cè)底座在機(jī)床長(zhǎng)度方向上的相對(duì)位置由滑座前端面到側(cè)底座前端面的距離決定。若采用的側(cè)底座為標(biāo)準(zhǔn)型，則可由組合機(jī)床通用部件聯(lián)系尺寸標(biāo)準(zhǔn)中查得；若不能采用標(biāo)準(zhǔn)型側(cè)底座則可根據(jù)具體情況而定，取110mm。
中間底座輪廓尺寸其長(zhǎng)度方向尺寸安下式確定：
L=(+＋2＋)－2（＋＋）
＝(315+315+2340+126)-2(250+70+110)
＝576mm
4.機(jī)床生產(chǎn)率計(jì)算卡
機(jī)床負(fù)荷率等。根據(jù)選定得機(jī)床工作循環(huán)所需要的工作行程長(zhǎng)度，切削用量，動(dòng)力部件的速度及工進(jìn)速度等；就可以計(jì)算機(jī)床的生產(chǎn)率并編制生產(chǎn)率計(jì)算卡；用以反映機(jī)床的加工過(guò)程；完成每一動(dòng)作所需的時(shí)間，切削用量，機(jī)床生產(chǎn)率等
1.理想生產(chǎn)率Q1
指定成年生產(chǎn)綱領(lǐng)A（包括備量及廢品率在內(nèi)）所需求的機(jī)床生產(chǎn)率。它與全年工時(shí)總數(shù)有關(guān)，一般情況下，單班制生產(chǎn)K取2350h，兩班制生產(chǎn)取4600h，則Q1=（件/h）
Q1=60000/2350=25.53（件/h）
2.實(shí)際生產(chǎn)率Q
指所設(shè)計(jì)機(jī)床每小時(shí)實(shí)際可以生產(chǎn)的零件數(shù)量
Q=60/
求出：—生產(chǎn)一個(gè)零件所需的時(shí)間（min）
=t切+t輔=（L1/Vf1+L2/Vf2+T停）+（L順進(jìn)/Vfk+L快退/Vfk+T移+t卸裝）=1.431min
Q=60/=60/1.431=41.93（件/h）
3.機(jī)床負(fù)荷率μ負(fù)
當(dāng)Q1〈Q時(shí)，計(jì)算二者的比值即為負(fù)荷率
h負(fù)=Q1/Q
則h負(fù)=25.53/41.93=0.61
4. 機(jī)床生產(chǎn)率計(jì)算卡 見(jiàn)表1
第三章 組合機(jī)床多軸箱設(shè)計(jì)
1.概述
多軸箱是組合機(jī)床的主要部件之一，按專用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，由通用零件組成。其主要作用是根據(jù)被加工零件的加工要求，安排各主軸位置，并將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)由電機(jī)或動(dòng)力部件傳給各工作主軸，使之得到要求的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。
多軸箱按其結(jié)構(gòu)大小，可分為大型多軸箱和小型多軸箱兩類。大型又分為通用多軸箱和專用多軸箱兩種。
通用多軸箱主要由箱體，主軸，傳動(dòng)軸，齒輪，軸套等零件和通用（專用）的附加機(jī)構(gòu)組成。
在多軸箱體前后壁之間可安排厚度為24mm的齒輪三排或32mm的齒輪兩排；在多軸箱體后壁之間可安排一或兩排齒輪。
通用多軸箱體厚度為180mm，用于臥式的多軸箱前蓋厚度為55mm（基型），用于立式的多軸箱前蓋并作油池，加厚為70mm，基型后蓋厚度為90mm，其余三種厚度的后蓋（50，100，125mm),可根據(jù)多軸箱內(nèi)傳動(dòng)系統(tǒng)安排動(dòng)力部件與多軸箱的具體連接情況而定。
2.多軸箱的設(shè)計(jì)
多軸箱是組合機(jī)床的重要部件之一，它關(guān)系到整臺(tái)組合機(jī)床質(zhì)量的好壞。
具體設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)“三圖一卡”，仔細(xì)分析研究零件的加工部件，工藝要求，確定多軸箱與被加工零件，機(jī)床其它部分的相互關(guān)系。
1.繪制多軸箱設(shè)計(jì)原始依據(jù)圖
根據(jù)“三圖一卡”整理編匯，內(nèi)容包括多軸箱設(shè)計(jì)的原始要求和已知條件。
在編制此圖時(shí)從“三圖一卡”中已知：
（1）多軸箱輪廓尺寸400mm400mm
（2）工件輪廓尺寸及各孔位置尺寸
（3）工件與多軸箱相對(duì)位置尺寸
多軸箱圖一般應(yīng)包括以下內(nèi)容:
（1）所有主軸的位置尺寸及工件與多軸箱的相對(duì)尺寸,在標(biāo)注主軸的位置及相關(guān)尺寸時(shí),首先要注意多軸箱和被加工零件在機(jī)床上是面對(duì)面擺放的,因此多軸箱橫截面上的水平方向尺寸因與被加工零件工序圖的水平方向相反;其次,多軸箱上的坐標(biāo)尺寸基準(zhǔn)和被加工零件工序圖的尺寸基準(zhǔn)常不相重合,應(yīng)根據(jù)多軸箱和被加工零件的相對(duì)位置找出統(tǒng)一基準(zhǔn),并標(biāo)注出其相對(duì)位置關(guān)系尺寸.
（2）在圖中標(biāo)注主軸轉(zhuǎn)向由于標(biāo)注刀具多為右旋,因此要求主軸一般為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
（3）圖中應(yīng)標(biāo)出多軸箱的外形尺寸.
（4）列表標(biāo)明工件材料,加工表面要求,并標(biāo)出各主軸的工序內(nèi)容,主軸外伸部分尺寸和切削用量等.
（5）注明動(dòng)力箱型號(hào),功率P,轉(zhuǎn)速機(jī)和其它主要參數(shù).
2.主軸直徑和齒輪模樹(shù)的初步確定
m≥(30-32) （mm）
3.主軸的動(dòng)力計(jì)算
4.傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
（1）對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的一般要求
1) 盡量用一根中間軸帶動(dòng)很多根主軸,當(dāng)齒輪齒合中心距不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí),可用變位齒輪或略變傳動(dòng)比的方法解決.
2) 一般情況下,盡量不采用主軸帶動(dòng)主軸的方案,因?yàn)闀?huì)增加主動(dòng)軸的負(fù)荷,如遇到主軸分布密集而切削負(fù)荷又不大時(shí),為了減少中心軸,也可用一根主軸帶1-2根或更多根主軸的傳動(dòng)方案.
3) 為使結(jié)構(gòu)緊湊多軸箱體的齒輪傳動(dòng)副的最佳傳動(dòng)比為1-1.5,在多軸箱后蓋內(nèi)的第IV排(或第V排)齒輪,根據(jù)需要,其傳動(dòng)比可以取大些,但一般不超過(guò)33.5。
4) 根據(jù)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)距成反比的道理，一般情況下如驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，可采用逐步降速傳動(dòng)，如驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)可先使速度升高一點(diǎn)再降速，這樣可使傳動(dòng)鏈前面幾根軸齒輪上的齒輪應(yīng)盡量安排靠近前支承，以減少主軸的扭轉(zhuǎn)變形。
5）粗加工切削力大，主軸上的齒輪應(yīng)盡量安排靠近前支承，以減少主軸的扭轉(zhuǎn)變形。
6）齒輪安排數(shù)可按下面方法安排：
不同軸上齒輪不相碰，可放在箱體內(nèi)同一排上。
不同軸上齒輪與軸或軸套不相碰，可放在箱體內(nèi)不同排上。
齒輪與軸相碰，可放在后蓋內(nèi)。
2 計(jì)算主軸和傳動(dòng)軸的齒數(shù)
驅(qū)動(dòng)軸上齒數(shù)有一定限制（＝21－26） ?。?6，m=3
則總傳動(dòng)比：
第Ⅲ位：
1）假設(shè)中間傳動(dòng)軸 =27, m=3
由：和得：
=26；=27
2）手柄軸 =26；=27
第Ⅱ位：
1)主軸1.2.3.4 由A=51mm, 定義m=2,Z=26得
＝25
第Ⅰ位：
1）主軸5 由A=47mm，定義m=2,Z=25 得
=22
驗(yàn)算如下：
轉(zhuǎn)速相對(duì)損失在5%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。
第四章 夾具的設(shè)計(jì)
機(jī)床夾具是在機(jī)床上所使用的一種輔助裝置，用它來(lái)準(zhǔn)確迅速地確定工件與機(jī)床刀具間地相對(duì)位置，即將工件定位及夾緊，以完成加工所需地相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
使用夾具地最終目的是保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善工人勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品成本。
1.左臂殼體的定位基準(zhǔn)的選擇
由零件圖可知，零件底部的孔已經(jīng)加工，因此，以左臂殼體的下表面作為主要定位基面。為了提高加工效率，決定采用液壓式伸縮銷定位，同時(shí)為了縮短輔助時(shí)間采用液壓夾緊。
2 夾緊力的計(jì)算
查《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》表1－2－11 工件以平面定位，夾緊力與切削力方向垂直。
其中為基本安全系數(shù)1，2 為加工性質(zhì)系數(shù)1，2
為刀具鈍化系數(shù)1 為斷續(xù)切削系數(shù)1
＝0.16 ＝0.7
＝2.5
則＝＝2750N
現(xiàn)選用地腳式的液壓缸，查《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》：
故本夾具可安全工作。
結(jié)論
四年的大學(xué)生活接近尾聲，這是在學(xué)校最重要的設(shè)計(jì)——畢業(yè)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的題目是組合機(jī)床，組合機(jī)床對(duì)我來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較陌生的名詞，經(jīng)過(guò)這幾個(gè)月的摸索，終于了解到其中的一些知識(shí)。從繪制工序圖到主軸箱裝配圖一路走來(lái)，使我對(duì)設(shè)計(jì)組合機(jī)床的工藝過(guò)程有了深刻了解，也使我的胸中平添了幾分底氣，我相信以后碰到相同或類似的問(wèn)題，我會(huì)做得更快更好！
致謝
這次設(shè)計(jì)是在郭娟導(dǎo)師的精心指導(dǎo)下完成的。郭老師雖然很忙，但她還是抽出大量寶貴時(shí)間來(lái)關(guān)心我們。每當(dāng)我們?cè)谠O(shè)計(jì)上遇到什么問(wèn)題或是有什么想不通的，她都會(huì)細(xì)心地講解，直到我們懂為止，在此，獻(xiàn)上誠(chéng)摯的謝意。還要謝謝在設(shè)計(jì)中幫助我的同學(xué)，以及幫我答辯的各位老師！
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