vmc850自动换刀系统开题报告

1、毕业设计（论文）开题报告学 号：11011326学 生：指导教师：专业班级：2011机械设计制造及其自动化13班题 目：VMC850加工中心总体设计及立柱进给系统/刀库系统设计学 院：机电工程学院 开题时间：2015年 月 日2015年月日毕业设计题目VMC850加工中心总体设计及立柱进给系统/刀库系统设计题目类型工程设计题目来源科研一、毕业设计的选题意义与背景加工中心：是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。高速加工中心不断提高的工作性能是制造业得以高效和高精度加工的重要前提。从高速加工中心不断创新的过程中可以看出，充分利用当今技术领域里的最新成就，特别是利用驱动技术和控制

2、技术的最新成果，是不断提高加工中心高速性能、动态特性和加工精度的关键。VMC850的立柱结构与其进给系统对于其加工过程的效率和精度具有重要意义。如何确保其工作的顺利进行和在保证工作效率的前提下，进一步提高加工精度是现在数控机床所要解决的重大问题之一。自动换刀系统是VMC850加工中心的主要附件之一。其换刀时间及换刀时的准停问题对于加工中心的工作效率起着部分决定性作用。如何解决机械手在规定时间内准确的完成换刀动作是亟待解决的技术问题。刀库的结构设计直接影响加工中心所占空间及工作人员工作时的操作。所以自动换刀系统设计及其结构设计对于加工中心的自动化程度起着决定性作用。二、毕业设计的主要内容及技术指

3、标（一）主要内容：1加工中心的总体方案设计 2刀库及换刀机械手系统设计与结构设计 3加工中心立柱进给系统设计（二）技术指标1.立柱进给系统 Z轴切削进给速度：110000 mm /min Z轴快速移动速度：24000 mm /min 定位精度JB/T8771.4-1998：±0.02全长 mm重复定位精度JB/T8771.4-1998：±0.012/全长mm伺服电机及控制系统采用FANUC公司配套的伺服电机及控制系统2.自动换刀系统刀库容量：20把刀柄型号：BT40最大刀具长度/重量/直径：500mm/7Kg/80mm 换刀时间：2s 刀库线速度：30m/min三、毕业设计

4、的关键问题及难点本次设计的重点是VMC850的附件自动换刀系统的设计。1.加工中心的总体方案设计（与其他组员的合作内容）；2.立柱进给系统设计的关键问题：（1）滚珠丝杠的选型及合理的复合设计要求提及的各项指标；（2）导轨形式的选型和安装。3.立柱结构设计的关键问题：（1）立柱结构的轻量化设计；（2）立柱结构的刚度如何才能达到使用所需要求。4.自动换刀系统设计与结构设计（1）换刀系统刀对刀时间的确定和各动作的时间分配；（2）机械手传动系统中联动凸轮的参数确定及结构设计；（3）盘型刀库的结构设计和精确准停的结构设计。四、毕业设计方案的制定1.加工中心总体方案设计（与其他组员合作内容）（1）右视图（

5、2）正视图（3）左视图2立柱进给系统设计及结构设计（1）立柱导轨： 由于装料高度为1000mm，主轴端面至工作台最低高度为150mm，考虑主轴凸台高度为100mm，并考虑主轴箱运动至最低导轨处有余量，则导轨最低端高度为1200mm。主轴箱运动至最高处时，主轴端面里工作台面高度为690mm，考虑主轴箱高度为600mm，以及导轨运动余量（50mm），则导轨最高处高度为2440mm，即立柱导轨总长度为2440-1200=1240mm。（2）滚珠丝杠： 初选滚珠丝杠外径d=40mm，查THK公司生产的丝杠螺母，按最长螺母尺寸（L1=163mm）计算，并考虑一定的运动余量（上、下各50mm），由于Z轴行

6、程为540mm，则丝杠总长度L163+540+100=803mm，取丝杠螺纹部分长度L2=810mm。取支承端距螺纹部分长度为L3=100mm，且考虑联轴器所需轴长为100mm，则滚珠丝杠支承距离L=810+100+100+100=1110mm。以上为立柱外形尺寸的设计参数，具体丝杠选型、伺服电机选择及结构设计待定。3.自动换刀系统设计自动换刀系统包括机械手传动系统和刀库传动系统。机械手传动系统采用凸轮联动方式完成机械手所有换刀动作。刀库形式采用盘式刀库，其传动系统主要采用蜗杆减速器进行传动。（1） 机械手传动系统图如下： 刀库传动系统图如下：（2） 机械手换刀时间确定及动作时间分配：1） 机

7、械手换刀时间确定：刀对刀时间为2s。机械手的所有动作由滚齿凸轮进行传动及控制机械手轴的上下移动，圆柱分度凸轮控制机械手轴的转动和平面沟槽凸轮控制刀套翻转来共同完成。抓刀手的动作过程包括：抓刀、拔刀、换刀、插刀、归位五个阶段，其中圆柱分度凸轮控制机械手的抓刀、旋转180°换刀和归位，滚齿凸轮控制机械手的拔刀和插刀动作。根据机械手的五个动作阶段，相应的圆柱分度凸轮也经历五个运动转角过程，分别为：换刀机械手旋转角抓刀；：换刀机械手沿轴向伸出距离f完成拔刀；：换刀机械手旋转180°换刀；4：换刀机械手沿轴向缩回距离f插刀；5：换刀机械手反转角复位。由于凸轮在制造和安装过程中，总存在

8、一定的啮合间隙和传动误差，所以，在凸轮运动的最前端和最后段个加入一段静止期，从而消除由于传动误差带来的影响，两静止期转角分别设为0和6。由上知，抓刀，换刀，复位5为凸轮的分度期，在分度期取较大的分度期转角对机构运转情况有利。则最终确定圆柱分度凸轮的各段转角为：=5=54°，=60°，=132°，4=48°，0=6=6°。机械手转角循环图如下：机械手直进循环图如下：2） 动作时间分配：分度期时间：tf1=tf3=0.3093s tf2=0.7560s停歇期时间：td1=td4=0.0344s td2=0.3436s td3=0.2749s3)抓刀

9、手运动参数：拔插刀行程：130mm回转角度：180°，抓刀角度：75°抓刀手重量：17kg，刀具最大重量：7kg手指夹持刀柄直径：（BT40）63mm抓刀手半臂长度：（主轴到机械手伸缩轴中心距）408mm（3) 机械手传动系统伺服电机的选择在凸轮设计的过程中，其曲线运动规律取为修正正弦，其最大加速度Am=5.53m/s2机械手抓刀后，180°回转交换刀具时的最大角加速度：机械手抓到后，180°回转交换刀具时的平均角速度：由前知换刀时间（刀对刀）为2s，则机械手联动轴转速：n轴=负载惯量Jl1）机械手抓刀后，180°回转交换刀具时转动惯量：刀具的

10、转动惯量J1：（R=408mm）抓刀手转动惯量J2：圆柱分度凸轮转动惯量J3（材料为45钢，密度=7.85）滚齿凸轮转动惯量J4（材料为45钢）：平面凸轮转动惯量J5（材料为45钢）：则机械手负载惯量Jl=2.024+0.8354+0.0034+0.4240+0.4240=3.711折算至电动机轴（结构设计中总传动比为42）2)按机械手抓最重的两把刀具，则仅考虑动载荷驱动机械手180°回转交换刀具需要的功率为：由于机械手传动路线中具有锥齿轮，直齿轮（两对）及滚动轴承3组，各运动副和传动副的传动效率如下：锥齿轮：=0.95 直齿轮：=0.96滚动轴承：=0.99 圆柱分度凸轮：=0.8

11、5则电动机效率：考虑实际情况复杂，并考虑一定的安全裕量，取伺服电机功率为0.75kw。3)选取FANUC公司生产的伺服电机，型号为iS 4/4000，其参数如下：额定转速：3000r/min 最高转速：4000r/min额定功率：0.75kw 堵转扭矩：3.5Nm最大扭矩：10Nm 旋转惯量：0.00052kgm2(4)刀库传动系统设计 1)查现代实用机床设计手册（上）知，推荐刀套线速度为v=22-30m/min，取v=30m/min，由结构设计知刀库-刀套旋转直径为550mm，则刀库转速：取n=17r/min查机械设计课程设计知：联轴器传递效率：=0.97滚动轴承传递效率：=0.99单头蜗轮

12、/蜗杆传递效率：=0.45则总传递效率=0.432由于刀库需要较高的转位分度精度，并且能够准停，即蜗轮/蜗杆传动具有自锁能力，则蜗杆导程角应小于3°17，并取蜗杆头数Z1=1。查机械设计手册，第二卷表8.5-6选取传动比i=82（基本传动比），蜗杆模数m=2.0，导程角=3°1328。则电动机转速nd=in=8217=1394r/min2）计算刀库负载转矩T1 由于刀库负载转矩主要来自于刀具质量的不平衡，按加工中心规格规定的最大刀具重量引起的最大重量计算，则：转换至电动机轴上的负载：考虑实际情况比计算所设定条件复杂，电动机额定转矩Ts应为负载转矩Tl的1.2-1.5倍，取1

13、.5倍，则电动机所需功率：3）刀库伺服电机选择由以上计算选择伺服电机为FANUC公司伺服电机，型号为iS 2/4000，其参数如下：额定转速：4000r/min 最高转速：4000r/min额定功率：0.5kw 堵转扭矩：2Nm最大扭矩：7Nm 旋转惯量：0.00029（5）重要部件结构设计参数（1）齿轮参数表：项目模数（mm）齿数（mm）中心距（mm）分度圆直径（mm）外径（mm）齿宽（mm）传动比锥齿轮参数主动3.52173.581.92252从动42147149.0525二级齿轮参数主动2.0261045256503从动7815616030三级齿轮参数主动2.0262085256507从

14、轮蜗杆参数蜗杆2.099.7535.539.582蜗轮82164168.515头数旋向压力角导程角长度（mm）蜗杆1右20°3°132835蜗轮（2） 凸轮参数表：项目曲线运动规律（修正正弦）基圆半径（mm）最大压力角（°）升程（mm）最大加速度Am最大速度Vm动载转矩特性值（AV）m平面沟槽凸轮5.531.765.449042.550圆柱分度凸轮参数28.9834.057.92滚齿凸轮10043.750滚子半径（mm）外径（mm）路径深度（mm）平面沟槽凸轮3036022圆柱分度凸轮参数1591.0910滚齿凸轮3036822（3）自动

15、换刀系统三维渲染图五、毕业设计计划进度序号内容和要求起止时间1调研，收集资料第1-2周2实习穿插在设计中进行3总体方案设计及总体尺寸联系图第3-4周4传动系统图第5-7周5立柱装配图设计第8-10.5周6主要零件设计第10.5-12周7编写设计计算说明书第13-13.5周8外文资料翻译第13.5-14.5周六、参考文献1.戴曙.金属切削机床.第1版.北京：机械工业出版社.2012年；2.陈志平，章鸿，李登万.数控机床机械装调技术.第1版.北京：北京理工大学出版社. 2011年；3.文怀兴，夏田.数控机床系统设计.第2版.北京：化学工业出版社.2011年；4.华楚生，王忠魁，谢黎明.机械制造技术

16、基础.第2版.重庆：重庆大学出版社.2000年；5.濮良贵，纪名刚，陈国定等.机械设计.第8版.北京：高等教育出版社.2006年；6.现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册.第1版.北京：机械工业出版社.2006年；7.闻邦椿，张义民，鄂中凯等.机械设计手册.第5版.北京：机械工业出版社.2010年；8.魏杰，潘思伟.数控机床结构.第1版.北京：化学工业出版社.2009年；9.隋秀凛，高安邦.实用机床设计手册.第1版.北京：机械工业出版社.2010年；10.张晋西，郭学琴.Solidworks及COSMOSMotion机械仿真设计.第2版.北京：清华大学出版社.2008年；11.王爱玲.现代数控机床结构与设计.第2版.北京：兵器工业出版社.2001年；12.廉元国.加工中心设计与应用.第1版.北京：机械工业出版社.1995年；13.杜君文.机械制造装备及设计.第2版.天津：天津大学出版社.1998年；14.夏川.数控加工中心设计.北京：化学工业出版社.2006年；15.毕承恩.现代数控机床.第2版.北京：机械工业出版社.1991年；16.庞针基.精密机械设计.第3版.北京：机械工业出版.2010年；17