vmc850自动换刀系统开题报告Word文档格式.docx
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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：
1—10000mm/min
Z轴快速移动速度：
24000mm/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
（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轴行程为540mm，则丝杠总长度L≥163+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：
θ₁：
换刀机械手旋转φ角抓刀；
θ₂：
换刀机械手沿轴向伸出距离f完成拔刀；
θ₃：
换刀机械手旋转180°
换刀；
θ4：
换刀机械手沿轴向缩回距离f插刀；
θ5：
换刀机械手反转φ角复位。
由于凸轮在制造和安装过程中，总存在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θ0和θ6。
由上知，抓刀θ₁，换刀θ₃，复位θ5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：
θ₁=θ5=54°
，θ₂=60°
，θ₃=132°
，θ4=48°
，θ0=θ6=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=0.2749s
3）抓刀手运动参数：
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Jl
1）机械手抓刀后，180°
回转交换刀具时转动惯量：
①刀具的转动惯量J1：
（R=408mm）
②抓刀手转动惯量J2：
③圆柱分度凸轮转动惯量J3（材料为45钢，密度ρ=7.85
）
④滚齿凸轮转动惯量J4（材料为45钢）：
⑤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：
=0.85
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βiS4/4000，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/蜗杆传递效率：
=0.45
则总传递效率η=
=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γ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γ=3°
13′28″。
则电动机转速nd=i
n=82
17=1394r/min
2）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1.5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βiS2/4000，其参数如下：
4000r/min最高转速：
0.5kw堵转扭矩：
2Nm
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
3.5
21
73.5
81.92
25
2
从动
42
147
149.05
二级齿轮参数
2.0
26
104
52
56
50
3
78
156
160
30
三级齿轮参数
208
7
182
364
368
蜗轮蜗杆参数
蜗杆
99.75
35.5
39.5
82
蜗轮
164
168.5
15
头数
旋向
压力角
导程角
长度（mm）
1
右
20°
3°
13′28″
35
（2）凸轮参数表：
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
5.53
1.76
5.44
90
42.5
圆柱分度凸轮参数
28.98
34.0
57.92
滚齿凸轮
100
43.7
滚子半径（mm）
路径深度（mm）
360
22
91.09
10
（3）自动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
调研，收集资料
第1-2周
实习
穿插在设计中进行
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
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
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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；
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化学工业出版社.2011年；
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重庆大学出版社.2000年；
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高等教育出版社.2006年；
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机械工业出版社.2006年；
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机械工业出版社.2010年；
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化学工业出版社.2009年；
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清华大学出版社.2008年；
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兵器工业出版社.2001年；
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机械工业出版社.1995年；
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天津大学出版社.1998年；
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化学工业出版社.2006年；
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机械工业出版社.1991年；
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机械工业出版.2010年；
[17].张超英.《数控编程技术》.第2版.北京：
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七、指导教师意见
年月日
八、开题审查小组意见
备
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