vmc850自動換刀系統(tǒng)開題報告

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告學 號：11011326學 生：指導教師：專業(yè)班級：2011機械設(shè)計制造及其自動化13班題 目：VMC850加工中心總體設(shè)計及立柱進給系統(tǒng)/刀庫系統(tǒng)設(shè)計學 院：機電工程學院 開題時間：2015年 月 日2015年月日畢業(yè)設(shè)計題目VMC850加工中心總體設(shè)計及立柱進給系統(tǒng)/刀庫系統(tǒng)設(shè)計題目類型工程設(shè)計題目來源科研一、畢業(yè)設(shè)計的選題意義與背景加工中心：是帶有刀庫和自動換刀裝置的一種高度自動化的多功能數(shù)控機床。高速加工中心不斷提高的工作性能是制造業(yè)得以高效和高精度加工的重要前提。從高速加工中心不斷創(chuàng)新的過程中可以看出，充分利用當今技術(shù)領(lǐng)域里的最新成就，特別是利用驅(qū)動技術(shù)和控制

2、技術(shù)的最新成果，是不斷提高加工中心高速性能、動態(tài)特性和加工精度的關(guān)鍵。VMC850的立柱結(jié)構(gòu)與其進給系統(tǒng)對于其加工過程的效率和精度具有重要意義。如何確保其工作的順利進行和在保證工作效率的前提下，進一步提高加工精度是現(xiàn)在數(shù)控機床所要解決的重大問題之一。自動換刀系統(tǒng)是VMC850加工中心的主要附件之一。其換刀時間及換刀時的準停問題對于加工中心的工作效率起著部分決定性作用。如何解決機械手在規(guī)定時間內(nèi)準確的完成換刀動作是亟待解決的技術(shù)問題。刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響加工中心所占空間及工作人員工作時的操作。所以自動換刀系統(tǒng)設(shè)計及其結(jié)構(gòu)設(shè)計對于加工中心的自動化程度起著決定性作用。二、畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容及技術(shù)指

3、標（一）主要內(nèi)容：1加工中心的總體方案設(shè)計 2刀庫及換刀機械手系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計 3加工中心立柱進給系統(tǒng)設(shè)計（二）技術(shù)指標1.立柱進給系統(tǒng) Z軸切削進給速度：110000 mm /min Z軸快速移動速度：24000 mm /min 定位精度JB/T8771.4-1998：±0.02全長 mm重復定位精度JB/T8771.4-1998：±0.012/全長mm伺服電機及控制系統(tǒng)采用FANUC公司配套的伺服電機及控制系統(tǒng)2.自動換刀系統(tǒng)刀庫容量：20把刀柄型號：BT40最大刀具長度/重量/直徑：500mm/7Kg/80mm 換刀時間：2s 刀庫線速度：30m/min三、畢業(yè)設(shè)計

4、的關(guān)鍵問題及難點本次設(shè)計的重點是VMC850的附件自動換刀系統(tǒng)的設(shè)計。1.加工中心的總體方案設(shè)計（與其他組員的合作內(nèi)容）；2.立柱進給系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題：（1）滾珠絲杠的選型及合理的復合設(shè)計要求提及的各項指標；（2）導軌形式的選型和安裝。3.立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題：（1）立柱結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計；（2）立柱結(jié)構(gòu)的剛度如何才能達到使用所需要求。4.自動換刀系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）換刀系統(tǒng)刀對刀時間的確定和各動作的時間分配；（2）機械手傳動系統(tǒng)中聯(lián)動凸輪的參數(shù)確定及結(jié)構(gòu)設(shè)計；（3）盤型刀庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計和精確準停的結(jié)構(gòu)設(shè)計。四、畢業(yè)設(shè)計方案的制定1.加工中心總體方案設(shè)計（與其他組員合作內(nèi)容）（1）右視圖（

5、2）正視圖（3）左視圖2立柱進給系統(tǒng)設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）立柱導軌： 由于裝料高度為1000mm，主軸端面至工作臺最低高度為150mm，考慮主軸凸臺高度為100mm，并考慮主軸箱運動至最低導軌處有余量，則導軌最低端高度為1200mm。主軸箱運動至最高處時，主軸端面里工作臺面高度為690mm，考慮主軸箱高度為600mm，以及導軌運動余量（50mm），則導軌最高處高度為2440mm，即立柱導軌總長度為2440-1200=1240mm。（2）滾珠絲杠： 初選滾珠絲杠外徑d=40mm，查THK公司生產(chǎn)的絲杠螺母，按最長螺母尺寸（L1=163mm）計算，并考慮一定的運動余量（上、下各50mm），由于Z軸行

6、程為540mm，則絲杠總長度L163+540+100=803mm，取絲杠螺紋部分長度L2=810mm。取支承端距螺紋部分長度為L3=100mm，且考慮聯(lián)軸器所需軸長為100mm，則滾珠絲杠支承距離L=810+100+100+100=1110mm。以上為立柱外形尺寸的設(shè)計參數(shù)，具體絲杠選型、伺服電機選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計待定。3.自動換刀系統(tǒng)設(shè)計自動換刀系統(tǒng)包括機械手傳動系統(tǒng)和刀庫傳動系統(tǒng)。機械手傳動系統(tǒng)采用凸輪聯(lián)動方式完成機械手所有換刀動作。刀庫形式采用盤式刀庫，其傳動系統(tǒng)主要采用蝸桿減速器進行傳動。（1） 機械手傳動系統(tǒng)圖如下： 刀庫傳動系統(tǒng)圖如下：（2） 機械手換刀時間確定及動作時間分配：1） 機

7、械手換刀時間確定：刀對刀時間為2s。機械手的所有動作由滾齒凸輪進行傳動及控制機械手軸的上下移動，圓柱分度凸輪控制機械手軸的轉(zhuǎn)動和平面溝槽凸輪控制刀套翻轉(zhuǎn)來共同完成。抓刀手的動作過程包括：抓刀、拔刀、換刀、插刀、歸位五個階段，其中圓柱分度凸輪控制機械手的抓刀、旋轉(zhuǎn)180°換刀和歸位，滾齒凸輪控制機械手的拔刀和插刀動作。根據(jù)機械手的五個動作階段，相應的圓柱分度凸輪也經(jīng)歷五個運動轉(zhuǎn)角過程，分別為：換刀機械手旋轉(zhuǎn)角抓刀；：換刀機械手沿軸向伸出距離f完成拔刀；：換刀機械手旋轉(zhuǎn)180°換刀；4：換刀機械手沿軸向縮回距離f插刀；5：換刀機械手反轉(zhuǎn)角復位。由于凸輪在制造和安裝過程中，總存在

8、一定的嚙合間隙和傳動誤差，所以，在凸輪運動的最前端和最后段個加入一段靜止期，從而消除由于傳動誤差帶來的影響，兩靜止期轉(zhuǎn)角分別設(shè)為0和6。由上知，抓刀，換刀，復位5為凸輪的分度期，在分度期取較大的分度期轉(zhuǎn)角對機構(gòu)運轉(zhuǎn)情況有利。則最終確定圓柱分度凸輪的各段轉(zhuǎn)角為：=5=54°，=60°，=132°，4=48°，0=6=6°。機械手轉(zhuǎn)角循環(huán)圖如下：機械手直進循環(huán)圖如下：2） 動作時間分配：分度期時間：tf1=tf3=0.3093s tf2=0.7560s停歇期時間：td1=td4=0.0344s td2=0.3436s td3=0.2749s3)抓刀

9、手運動參數(shù)：拔插刀行程：130mm回轉(zhuǎn)角度：180°，抓刀角度：75°抓刀手重量：17kg，刀具最大重量：7kg手指夾持刀柄直徑：（BT40）63mm抓刀手半臂長度：（主軸到機械手伸縮軸中心距）408mm（3) 機械手傳動系統(tǒng)伺服電機的選擇在凸輪設(shè)計的過程中，其曲線運動規(guī)律取為修正正弦，其最大加速度Am=5.53m/s2機械手抓刀后，180°回轉(zhuǎn)交換刀具時的最大角加速度：機械手抓到后，180°回轉(zhuǎn)交換刀具時的平均角速度：由前知換刀時間（刀對刀）為2s，則機械手聯(lián)動軸轉(zhuǎn)速：n軸=負載慣量Jl1）機械手抓刀后，180°回轉(zhuǎn)交換刀具時轉(zhuǎn)動慣量：刀具的

10、轉(zhuǎn)動慣量J1：（R=408mm）抓刀手轉(zhuǎn)動慣量J2：圓柱分度凸輪轉(zhuǎn)動慣量J3（材料為45鋼，密度=7.85）滾齒凸輪轉(zhuǎn)動慣量J4（材料為45鋼）：平面凸輪轉(zhuǎn)動慣量J5（材料為45鋼）：則機械手負載慣量Jl=2.024+0.8354+0.0034+0.4240+0.4240=3.711折算至電動機軸（結(jié)構(gòu)設(shè)計中總傳動比為42）2)按機械手抓最重的兩把刀具，則僅考慮動載荷驅(qū)動機械手180°回轉(zhuǎn)交換刀具需要的功率為：由于機械手傳動路線中具有錐齒輪，直齒輪（兩對）及滾動軸承3組，各運動副和傳動副的傳動效率如下：錐齒輪：=0.95 直齒輪：=0.96滾動軸承：=0.99 圓柱分度凸輪：=0.8

11、5則電動機效率：考慮實際情況復雜，并考慮一定的安全裕量，取伺服電機功率為0.75kw。3)選取FANUC公司生產(chǎn)的伺服電機，型號為iS 4/4000，其參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速：3000r/min 最高轉(zhuǎn)速：4000r/min額定功率：0.75kw 堵轉(zhuǎn)扭矩：3.5Nm最大扭矩：10Nm 旋轉(zhuǎn)慣量：0.00052kgm2(4)刀庫傳動系統(tǒng)設(shè)計 1)查現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊（上）知，推薦刀套線速度為v=22-30m/min，取v=30m/min，由結(jié)構(gòu)設(shè)計知刀庫-刀套旋轉(zhuǎn)直徑為550mm，則刀庫轉(zhuǎn)速：取n=17r/min查機械設(shè)計課程設(shè)計知：聯(lián)軸器傳遞效率：=0.97滾動軸承傳遞效率：=0.99單頭蝸輪

12、/蝸桿傳遞效率：=0.45則總傳遞效率=0.432由于刀庫需要較高的轉(zhuǎn)位分度精度，并且能夠準停，即蝸輪/蝸桿傳動具有自鎖能力，則蝸桿導程角應小于3°17，并取蝸桿頭數(shù)Z1=1。查機械設(shè)計手冊，第二卷表8.5-6選取傳動比i=82（基本傳動比），蝸桿模數(shù)m=2.0，導程角=3°1328。則電動機轉(zhuǎn)速nd=in=8217=1394r/min2）計算刀庫負載轉(zhuǎn)矩T1 由于刀庫負載轉(zhuǎn)矩主要來自于刀具質(zhì)量的不平衡，按加工中心規(guī)格規(guī)定的最大刀具重量引起的最大重量計算，則：轉(zhuǎn)換至電動機軸上的負載：考慮實際情況比計算所設(shè)定條件復雜，電動機額定轉(zhuǎn)矩Ts應為負載轉(zhuǎn)矩Tl的1.2-1.5倍，取1

13、.5倍，則電動機所需功率：3）刀庫伺服電機選擇由以上計算選擇伺服電機為FANUC公司伺服電機，型號為iS 2/4000，其參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速：4000r/min 最高轉(zhuǎn)速：4000r/min額定功率：0.5kw 堵轉(zhuǎn)扭矩：2Nm最大扭矩：7Nm 旋轉(zhuǎn)慣量：0.00029（5）重要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)（1）齒輪參數(shù)表：項目模數(shù)（mm）齒數(shù)（mm）中心距（mm）分度圓直徑（mm）外徑（mm）齒寬（mm）傳動比錐齒輪參數(shù)主動3.52173.581.92252從動42147149.0525二級齒輪參數(shù)主動2.0261045256503從動7815616030三級齒輪參數(shù)主動2.0262085256507從

14、輪蝸桿參數(shù)蝸桿2.099.7535.539.582蝸輪82164168.515頭數(shù)旋向壓力角導程角長度（mm）蝸桿1右20°3°132835蝸輪（2） 凸輪參數(shù)表：項目曲線運動規(guī)律（修正正弦）基圓半徑（mm）最大壓力角（°）升程（mm）最大加速度Am最大速度Vm動載轉(zhuǎn)矩特性值（AV）m平面溝槽凸輪5.531.765.449042.550圓柱分度凸輪參數(shù)28.9834.057.92滾齒凸輪10043.750滾子半徑（mm）外徑（mm）路徑深度（mm）平面溝槽凸輪3036022圓柱分度凸輪參數(shù)1591.0910滾齒凸輪3036822（3）自動

15、換刀系統(tǒng)三維渲染圖五、畢業(yè)設(shè)計計劃進度序號內(nèi)容和要求起止時間1調(diào)研，收集資料第1-2周2實習穿插在設(shè)計中進行3總體方案設(shè)計及總體尺寸聯(lián)系圖第3-4周4傳動系統(tǒng)圖第5-7周5立柱裝配圖設(shè)計第8-10.5周6主要零件設(shè)計第10.5-12周7編寫設(shè)計計算說明書第13-13.5周8外文資料翻譯第13.5-14.5周六、參考文獻1.戴曙.金屬切削機床.第1版.北京：機械工業(yè)出版社.2012年；2.陳志平，章鴻，李登萬.數(shù)控機床機械裝調(diào)技術(shù).第1版.北京：北京理工大學出版社. 2011年；3.文懷興，夏田.數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計.第2版.北京：化學工業(yè)出版社.2011年；4.華楚生，王忠魁，謝黎明.機械制造技術(shù)

16、基礎(chǔ).第2版.重慶：重慶大學出版社.2000年；5.濮良貴，紀名剛，陳國定等.機械設(shè)計.第8版.北京：高等教育出版社.2006年；6.現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊編委會.現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊.第1版.北京：機械工業(yè)出版社.2006年；7.聞邦椿，張義民，鄂中凱等.機械設(shè)計手冊.第5版.北京：機械工業(yè)出版社.2010年；8.魏杰，潘思偉.數(shù)控機床結(jié)構(gòu).第1版.北京：化學工業(yè)出版社.2009年；9.隋秀凜，高安邦.實用機床設(shè)計手冊.第1版.北京：機械工業(yè)出版社.2010年；10.張晉西，郭學琴.Solidworks及COSMOSMotion機械仿真設(shè)計.第2版.北京：清華大學出版社.2008年；11.王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與設(shè)計.第2版.北京：兵器工業(yè)出版社.2001年；12.廉元國.加工中心設(shè)計與應用.第1版.北京：機械工業(yè)出版社.1995年；13.杜君文.機械制造裝備及設(shè)計.第2版.天津：天津大學出版社.1998年；14.夏川.數(shù)控加工中心設(shè)計.北京：化學工業(yè)出版社.2006年；15.畢承恩.現(xiàn)代數(shù)控機床.第2版.北京：機械工業(yè)出版社.1991年；16.龐針基.精密機械設(shè)計.第3版.北京：機械工業(yè)出版.2010年；17