（机械制造及其自动化专业论文）基于普通机床回转功能曲面数控加工技术的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅 速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足 市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量、特别是回转 功能曲面类零件的加工要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、 自动检测技术等先进技术，最适宜加- r d , 批量、高精度、形状复杂、生产 周期短的零件。当变更加工对象时只需要变换零件加工程序，无需对机床 作任何调整，就能很好地满足产品频繁变化的加工要求。目前，回转功能 曲面的加工主要借助于数控成形技术。因此，随着制造业自动化程度的提 高，普通机床进行数控改造后加工回转功能曲面技术应用日益成熟。本论 文以c a 6 1 4 0 车床为改造对象，通过分析回转功能曲面零件成形原理，阐 述了普通机床改造为回转功能曲面数控加工机床的方法。主要研究如下： 1 论文详细介绍了回转功能曲面零件的运动规律及特性值，深入研究 了回转功能曲面的工作原理，根据回转功能曲面零件廓面曲线展开图的特 征，给出了范成加工原理，对从动件运动规律曲线进行了修正，推导了修 正后的刀位中心轨迹坐标，同时对直线轴和旋转轴联动控制中的进给速度 进行了修正。 2 从经济性、实用性、易操作性等方面综合分析计算确定出适合本零 件数控加工的改造方案。 3 通过分析回转功能曲面零件的啮合理论和加工机理，计算确定本改 造机床的主传动系统和进给传动系统结构。 4 设计完成了c a 6 1 4 0 车床刀具部分实现回转功能曲面零件轮廓加工 的改造，是本课题的主要创新点 5 设计完成了回转功能曲面加工专用数控车床电气控制部分的数控 改造，并对改造后的数控车床进行了安装、调试及试运行验证。 最后，作者对本文的研究工作进行了总结，并对本机床数控改造的后 续工作作了展望。 关键词普通机床；数控化改造；回转功能曲面；机械部分；控制部分； 山东大学硕士学位论文 _ ! i i e | 目e s _ _ | - | e 自日_ 目目_ _ _ _ e ! 自! ! ! ! 自g ! ! ! ! 目_ e e s 目! 目_ 目e 目e s ! s | _ _ e 目_ - a b s t r a c t i no r d e rt os u c c e e di nt h ec u r r e n td y n a m i ca n dc o m p e t i t i v em a r k e t e c o n o m y , e n t e r p r i s e sh a v et or a p i d l yi n n o v a t et h e i rp r o d u c t st om e e tm a r k e t d e m a n d sw i t hl o w e rp r i c ea n db e t t e rq u a l i t yw i t h i nt h el e a s t t i m e y e t t r a d i t i o n a lm a t c h i n gt o o l sh a v ef a l l e ns h o r to ft h en e wm a n u f a c t u r i n g d e m a n d sc h a r a c t e r i z e db yr i c hv a r i e t ya n ds m a l lb a t c h ，e s p e c i a l l ys p e c i a l f u n c t i o nc n r v e b a s e do ni n t e g r a t i o no fc n ct e c h n i q u e ，m i c r o - e l e c t r o n i c sa n d a u t o m a t i cm e a s u r e ，c n ct o o l sa r ee s p e c i a l l yf i tf o rm a n u f a c t u r i n gp r o d u c t s o f h i g h a c c u r a c y , c o m p l e xs h a p ea n ds h o r tc y c l ei ns m a l lb a t c h n oa d j u s t m e n t i sn e e d e dt om a k eo nc n ct o o l st om e e tt h em a n u f a c t u r i n gd e m a n d so fv a r i e d p r o d u c t s m a c h i n i n go b j e c t s c a nb er e n e w e dw i t h r e n e w a b l em a c h i n i n g p r o g r a m s s p e c i a lf u n c t i o nc u r v ea r ea tp r e s e n tm a n u f a c t u r e db ym e a n so f c n ct e c h n i q u eo ff i g u r a t i o n t h e r e f o r e ，a st h ea d v a n c e m e n to fa u t o m a t i o ni n m a n u f a c t u r i n g ，m a c h i n i n go fs p e c i a lf u n c t i o nc u r v e a r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l y m a t u r ea f t e rt r a d i t i o n a lm a t c h i n gt o o l sa r ei n n o v a t e db yc n ct e c h n i q u e t h i s t h e s i sd e a l sw i t ht h ep r o c e s so fi n n o v a t i n gt r a d i t i o n a lm a c h i n i n gt o o l s c a 6 1 4 0t oc n ct o o l s ，a n da n a l y s i s e st h em e s ht h e o r ya n dt h em a c h i n i n g m e c h a n i s mo fs p e c i a lf u n c t i o nc u r v eo fp r o c e s s i n gm e t h o do fr o t a t i n g f u n c t i o nc u r v e t h em a i np o i n t sa r e lt h ep a p e rd e s c r i b et h em o t i o nl a w sa n dc h a r a c t e r i s t i cv a l u eo fs p e c i a l f u n c t i o nc u r v ep a r t ，i n v e s t i g a t ew o r kp r i n c i p l eo ft h es p e c i a lf u n c t i o n c u r v e ，a n a l y z et h ep r o f i l eb a s e do nt h ee x p a n d i n gc u r v eo fs p e c i a lf u n c t i o n c u r v e ，i n t r o d u c et h eg e n e r a t i o np r i n c i p l e ，m o d i f yt h em o t i o nc n r v e ，a n de d u c e t h ec u t t e r 仃a c kc o o r d i n a t e ，a tt h es a m et i m e ，m o d i f yt h ef e e ds p e e do ft h et w o a x e sl i n k a g ec o n t r 0 1 2 a s c e r t a i nt h ei n n o v a t i o no ft h ep r o j e c tt h a tf i tt h ec n cm a c h i n i n go f t h ep a r tb yc o m p u t a t i o na n da n a l y s i sb a s e do ne c o n o m i cc o n s i d e r a t i o n ， p r a c t i c a b i l i t ya n de a s eo fo p e r a t i o n 3 b ya n a l y z i n gt h em e s h i n gt h e o r ya n dm a c h i n i n gm e c h a n i s mo fr o t a t o r y f u n c t i o nc u r v e ，a s c e r t a i nt h em a i nm o v e m e n ts y s t e m sa n df e e dm o v e m e n ts y s t e m s o ft h ed e s i g n e dt o o lb yc o m p u t a t i o n 4 i n n o v a t et h ec u t t e rf r a m eo ft h et o o lc a 6 1 4 0f o rt h ep r o c e s s i n g 山东大学硕士学位论文 i i i | | ! | 目e ! 篁g | ! 目自g ! 目目日e 目! ! = e ! ! ! ! ! e ! ! ! 目e 目| 自昌! ! e e e 目_ m e t h o do fc o n t o u ro fr o t a t o r yf u n c t i o nc u r v ea n dt h i si st h em a i ni n n o v a t i o n o ft h ep r o j e c t 5 i n n o v a t et h es p e c i a le l e c t r i c a lc o n t r o ls e c t i o no ft h et o o lc a 6 1 4 0f o r t h ep r o c e s s i n gm e t h o do fs p e c i a lf u n c t i o nc u r v ea n df i x ，r e g u l a t ea n dt e s tt h e c n ct 0 0 1 f i n a l l y , t h ea u t h o rc o n c l u d e sh i sr e s e a r c hw o r ka n dp r e d i c t st h ep o s s i b l e t r e n do f c n ci n n o v a t i o no f t h et o o lc a 6 1 4 0 k e y w o r d s ：t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gt o o l s ；c n ci n n o v a t i o n ；s p e c i a l f u n c t i o n c u r v e ；c n cs y s t e mm e c h a n i c a ls e c t i o n ：c o n t r o ls e c t i o n n i 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：叠麴 墓、e t 期：业丑羔：砰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弛导师签名! 缝日期： 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 机械制造业的发展历程 制造业是“永远不落的太阳”，是现代文明的支柱之一，它既占有基 础地位，又处于前沿关键，既古老，又年轻；它是工业发展的主体，是国 民经济持续发展的基础。甚至可以讲，没有“制造”，就没有人类。恩格 斯在自然辩证法中说过，“劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开 始的。”也就是说，人类文明是从制造第一把石刀这一生产工具开始的。 在制造业中，特别重要的是机械制造业，也就是机械工业，它是制造 业的基础和核心。在今天，尽管信息科技发展如此迅猛，高新科技尽管日 新月异，仍然改变不了制造业，特别是机械制造业的基础地位。机械制造 业是生产工具、生活资料、科技手段、国防装备等的支柱及其进步的依托， 是社会现代化的动力源之一。马克思在资本论中有段描述；“大工业 必须掌握它特有的生产资料，即机器的本身，必须用机器生产机器。这样， 大工业才建立起与自己相适应的技术基础，才得以自立。”生产机器的机 器；我国称为“机床”，英文为“m a c h i n e t o o l ”( 机器工具) ，有道理；德 文叫做“w e r k z e u g m a s h i n e ”( 工具机器) ，更有道理。可以这样说，没有 制造业，就没有工业：而没有机械制造业，就没有独立的工业因此，发 展机械制造业是发展国民经济、发展生产力的一项关键性的、基础性的战 略措施。 作为“机器工具”或“工具机器”的机床，随着科技的发展也在发生 深刻的变化。自动控制技术、计算机技术、特别是内涵更为丰富的信息技 术和管理科学同机械制造技术相结合成为当今蓬勃发展的先进制造技术， 而先进制造技术的核心就是“数字化”，作为同先进制造技术相适应的先 进机床，它发展的关键技术就是数控技术。而数控技术可以说是先进制造 技术的技术基础，自然，体现着数控技术的数控机床和数控技术本身就理 所当然地成为制造业关注的焦点。有专家预言，2 l 世纪机械制造业的竞争， 其实质是数控技术的竞争。 从以上内容知道，机械制造业经历了纯手工时代机械化时代 数字化时代的过程。而且，作为已经到来的2 1 世纪，机器数字化时代已 经全面到来。 山东大学硕士学位论文 i i i i 1 2 普通机床进行回转功能曲面数控加工改造的必要性 普通机床进行回转功能曲面数控加工改造，顾名思义就是在普通机床 上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，对其机械部分进行一 定的功能改造，以实现预定的加工工艺目标的办法。 随着数控机床越来越多地普及应用，数控机床的技术经济效益为越来 越多的人们所理解。在我国企业的技术改造中，普通机床进行专用数控机 床改造已经成为重要方面。许多企业一方面通过购置数控机床；另一方面 使用工厂原有设备，利用数控、数显、p c 技术对普通机床进行数控技术 改造；来提升本企业的自动化程度，并取得了良好的经济效益。我国经济 资源有限，国家大，机床的需要量大，我国加入w t o 后，中华人民共和 国正在逐渐成为“世界制造业的中心”。机床( 特别是数控机床) 的需要 量更大，因此国家不可能拿出相当大的资金都去购买全功能型数控机床， 特别是数控专用机床，而放弃闲置原来的普通机床不用；怎样在投资少的 情况下，对原来的普通机床进行数控技术改造，使其既能满足加工需要， 又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。下面从几个方面来分 析普通机床进行回转功能曲面数控加工改造的必要性。n 。1 1 2 1 微观看普通机床进行回转功能曲面数控加工改造的必要性 微观上看，数控加工专用机床比传统机床有以下突出的优越性，而且 这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的能力。 ( 1 ) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件 本课题研究回转功能曲面类零件的数控加工就是复杂曲面加工技术。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬 时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 ( 2 ) 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传 统机床提高3 7 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序 记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。 数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单 件和小批生产得以自动化。故被称为实现了“柔性自动化”。 ( 3 ) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修 配”。 ( 4 ) 可实现多工序的集中，减少零件在机床问的频繁搬运。 ( 5 ) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可 2 山东大学硕士学位论文 实现长时间无人看管加工 由以上五条派生的好处，如：降低了工人的劳动强度；节省了劳动力 ( 一个人可以看管多台机床) ；减少了工装；缩短了新产品试制周期和生产 周期；可对市场需求作出快速反应等等。这些优越性是前人想象不到的， 是一个极为重大的突破。此外，普通机床数控化还是推行f m c ( 柔性制造 单元) 、f m s ( 柔性制造系统) 、以及c i m s ( 计算机集成制造系统) 等企业信息 化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 1 2 2 宏观看普通机床进行回转功能曲面数控加工改造的秘要性 宏观上看，工业发达国家的军工、民用等机械工业，特别是回转功能 曲面类零件的加工，在7 0 年代末、8 0 年代初已开始大规模应用数控技术。 其本质是，采用信息技术对传统产业( 包括军工，民用机械工业) 进行技术 改造。除在制造过程中采用数控机床、f m c 、f m s 外，还包括在产品开发 中推行c a d 、c a e 、c a m 、虚拟制造以及在生产管理中推行m i s ( 管理信 息系统) 、c i m s 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智 能等的含量。由于采用信息技术对国外军工、民用机械工业进行深入改造 ( 称之为信息化) ，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力 大为增强h 】。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后2 0 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重( 数控化率) 到1 9 9 5 年只有1 9 ，而日本在1 9 9 4 年已达2 0 8 ，因此每年都有大量机电产品进口。从 宏观上说明了普通机床进行回转功能曲面数控加工技术改造的必要性。 1 2 3 普通机床进行回转功能曲面数控加工技术改造的经济性 数控机床在加工精度、自动化程度、生产效率、劳动强度和加工异形 功能曲面等诸方面都有普通机床无法比拟的优势，但购买新的数控专用机 床特别是多轴联动的大型数控机床费用很高，常使许多用户望而却步，特 别是像我国这样的发展中国家资金有限，因而，大多数机械工厂想买而又 买不起。如何用比较少的投入获得高的经济效益，就是一个值得探讨的问 题。能不能不买新的数控专用机床而对原有的机床进行升级改造，使之变 成实现某种特定功能的数控机床呢? 回答是肯定的。因为普通机床数控改 造后进行回转类功能曲面加工与购买新的专用数控机床相比，具有很大的 经济优势。 一般大型机床数控技术改造只需花费购置新机床费用的l 3 。显著的 山东大学硕士学位论文 经济效益是机床数控化改造行业的发展动力，对于机床拥有者来说，只需 花费购买相同新机床3 0 以下的费用即可获得相同的使用效果根据国际 该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造，也只需花费购买 数控专用机床6 0 左右的价格。如本课题采用c a 6 1 4 0 车床改造的回转功 能曲面数控加工专用机床花费的费用经过计算大约为8 万元( 按购置新的 c a 6 1 4 0 普通机床计算) ，而购置一台相同性能的数控机床( 目前主要以立 式铣床改造为主) 要花费1 5 1 6 万元。改造后的机床机械性能稳定可靠， 而且操作者对机床的性能早已了解，操作使用和维修保养也十分方便。由 以上分析可知，使用普通车床进行回转功能曲面数控加工专用机床的改造 具有很大的经济优势。 总之，由以上几方面的分析可以看出，普通机床进行回转功能曲面数 控加工技术改造不仅很有必要，而且大有作为。 1 3 国内外普通机床回转功能曲面数控加工改造技术的研究 回转功能曲面类零件主要有圆柱凸轮、梯形螺纹丝杠、大导程螺纹零 件等，而圆柱凸轮是所有回转功能曲面零件中最具有代表性的零件，本课 题主要以圆柱凸轮廓面的数控加工技术为例分析普通机床回转功能曲面 数控加工改造技术。 1 8 1 回转功能曲面类零件传动原理 如图1 - i 所示，输入轴上的主动件( 圆柱 凸轮) 与输出盘上的周边径向( 或轴向) 分布的滚子啮合传动，将输入连续运动转 化成间歇运动输出。 图1 - 1 传动原理图 其中主动件( 凸轮) 轴线与分度盘轴线垂直交错，滚子轴线与分度盘轴线 平行。 由于传动间隙难以消除，因此高速性和精密性不如平面或弧面分度凸 轮机构，但可完成大力矩的输出( 近似于同种规格的弧面分度凸轮的2 倍) 。 回转功能曲面类零件( 圆柱凸轮) 是分度传动机构的核心部件，它的 沟槽在主动件( 圆柱体) 表面上，或者零件轮廓曲面具有特定形状。主动 件绕着本身轴线回转，但其曲面不是在半径方向变化，而是在轴向方向上 4 山东大学硕士学位论文 变化。 1 3 2 回转功能曲面类零件数控加工技术国外研究现状 从1 9 2 1 年，f d f u r m a n 发表专著对凸轮设计进行系统介绍以来，人 们对凸轮及圆柱凸轮的研究已经非常深入并有丰硕成果。随着计算机和信 息技术的发展，圆柱凸轮类零件加工技术的研究经历了从经验设计到优化 设计，从单纯的运动分析到动力学研究，从手工加工到c a m 等发展阶段， 仅八、九十年代，就有d e m e u l e n a e r e b ，j a n k o v i c m ，c h e s h a n k o v ，y w c h a n 等人先后发表了有关圆柱凸轮类零件优化设计方面的论文，而t s a y ， b a g c i ， c a m i l ， y i l m a z ，y u k s e l ，a i m a h y u d d i n ，c a r d o n a ，a i b e r t o ， t l d r e n s e r 等人先后发表了有关圆柱凸轮振动、动态响应等动力学性能方 面的论文。 在高速圆柱凸轮类零件的研究方面，t e s a r “1 在其著作中对高速圆柱凸 轮采用的多项式运动规律有较详细的论述，而t w e b e r ，a s g u t m a n ， f f r e a d u n s t e i n 等人提出了付氏级数运动规律，d a s t o d d a r t 与g f f a w e e t t 等提出了多项式运动动力规律等等。同时，m c h e w ，y s u n l u s o y 0 1 等人对 高速圆柱凸轮机构的动力学问题在进行研究。最近，德国、英国在高速圆 柱凸轮机构的研究方面又有了新的突破，对圆柱凸轮机构的研究采用了谐 分析、谐综合等分析设计方法“1 ，在基础理论如从动件运动规律、几何学、 运动学等方面也取得了很大进展n 1 ，使得高速圆柱凸轮类零件的动力学性 能有了很大改善。 目前美国的c a mc o 、日本的s a n d e x 以及德国等一些国外较大的 凸轮类零件制造公司采用传统的插补算法在专用的数控机床上对圆柱凸 轮类零件进行数控加工。加工中编程器把回转功能衄面类零件的廓面曲线 分解成微小的直线段、圆弧段，通过光缆把编程器与c n c 连接。要求采 用很小的步距角，在专用的加工机床上进行大工作量的编程，已经能够加 工出高精度的回转功能曲面类零件廓面，但加工成本高，工作量大，技术 要求高，不适合我国目前的情况。 1 3 3 回转功能曲面类零件数控加工技术国内研究现状 近些年来，我国在弧面分度凸轮方面已经进行了深入研究，同时也取 得了成熟的理论。山东大学以及诸城锻压机械厂研制成功了计算机控制的 两坐标联动的凸轮专用精密磨削装置，加工出的凸轮轮廓精度己达 山东大学硕士学位论文 0 ，0 0 2 r a m 。 我国对回转功能曲面类零件的数控加工及工艺做了理论研究与探讨， 提出了适合回转功能曲面类零件数控加工的三坐标两联动曲线插补方法， 并开发出了相应的数控系统和专用加工机床但与先进国家相比还存在着 较大差距，尤其是在回转功能曲面类( 圆柱凸轮) 零件的精密加工( 磨削) 及产品开发等方面。 1 9 8 3 年全国第三届机构学学术讨论会上关于回转功能曲面( 包括圆柱 凸轮) 的论文只有8 篇，涉及设计、运动规律、分析、廓线的综合等四个 方面。到了1 9 8 8 年第六届会议，已有关于回转功能曲面方面的论文2 0 篇， 增加了动力学、振动、优化设计等研究方向。而1 9 9 0 年第七届会议，这 方面的论文2 2 篇，又增加了c a d c a m 、误差分析等研究方向叫。关于回 转功能曲面类零件方面的研究也不断的深入，并发表了一系列论文，对回 转功能曲面类零件的共轭曲面原理、专家系统等方面也有了相当研究。 国内过去多采用展成加工法( 又叫范成法，已加工表面是刀具与工件 啮合而展成的) 、成型法( 已加工型面的母线是由刀具切削刃形成的) 、靠 模仿形加工法( 已加工表面的母线不是切削刃，而是切削刃上的一小段的 连续位置包络而成) 等进行加工回转功能曲面。用这些加工方法要制作大 量专用的样板、模具、靠模板等工艺装备，加工起来比较因难、麻烦，柔 性较差、劳动强度大、效率低同时精度也难以保证。若用数控加工方法， 在加工中心上进行加工，虽然精度有了一定程度的保证，但是数控编程极 为繁琐，加工成本高，亦不符合当前国情。 目前，国内外学者一致认为对普通机床进行数控技术改造，研究开发 经济型的回转功能曲面数控加工专用机床，是解决回转功能曲面类零件加 工的较为理想的途径。 我国目前机床总量3 8 0 余万台，而其中数控机床总数只有1 1 3 4 万台， 即我国机床数控化率不到3 。近1 0 年来，我国数控机床年产量约为0 6 0 8 万台，年产值约为1 8 亿元机床的年产量数控化率为6 。我国机床 役龄l o 年以上的占6 0 以上；1 0 年以下的机床中，自动半自动机床不到 2 0 ，f m c f m s 等自动化生产线更屈指可数( 美国和日本自动和半自动 机床占6 0 以上) 。“”可见我们的大多数制造行业和企业的生产，加工装 备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在l o 年以上的旧机床。 用这种装备加工出来的产品，特别是目前使用频繁的回转功能曲面类零 件，普遍存在质量差、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市 场上缺乏竞争力，直接影响我们国家的形象、市场、效益，影响企业的生 6 山东大学硕士学位论文 存和发展。所以必须大力提高专用机床的数控化率特别是回转功能曲面 加工专用机床的数控化尤为重要。 由以上几方面可以看出，我国普通机床进行数控技术改造的市场潜力 很大，而且也符合我国正在实行的循环经济的要求。另外，也可以避免对 不可再生资源的过度开采，为我们的子孙后代留下一些资源。所以，普通 机床进行回转功能曲面数控加工专用机床改造是我国现阶段的一个重要 内容。特别对机床数控化程度还远远不够的我国北方地区，更是势在必行。 1 4 本课题提出的现实意义 随着制造业中心向中国转移，中国已经成为制造业大国。回转功能曲 面类零件的应用与需求与日俱增。它能使从动件按某种特殊的或复杂的运 动规律进行运动，具有精度高、传动性能好、运转平稳、传动扭矩大、定 位自锁、体积小、噪音低、寿命长等优点。如回转功能曲面类零件能实现 间歇分度运动、在较大运动升程方面具有很强的适应性，并且结构简单紧 凑，易于设计，因而广泛应用于各种组合机械、机床加工中心、食品自动 送料以及包装机械、液体灌装机械、制药机械、烟草机械、印刷机械自动 生产线、电子机械等方面。尽管随着电子技术的发展，微机控制的自动定 位设备也有了较快的发展，然而由于它受运行速度、可靠性、价格和电气 “软”特性差等缺陷的限制，在较长时期内仍然不可能大量取代回转功能 曲面类零件。因此，回转功能曲面类零件在各种自动机械中，有着强大和 长久的生命力。 回转功能曲面类零件的种类有很多。由于实际工作的需要，我们在课 题中主要研究圆柱凸轮。圆柱凸轮机构适用于分度数较多的场合，但传动 精度较差，影响了工作速度的提高，多用于中、低速自动机械上 回转功能曲面类零件的廓面是运动创成的空间曲面，不能用简单的函 数来表示。国内的加工设备多是采用在原普通铣床上进行数控化改造实现 的，是基于2 轴或3 轴数控的空间一般功能曲面的创成。目前，精确加工 回转功能曲面类零件廓面，主要是借用数控成形技术通过加工中心来实 现。尽管加工的精度与效率有了保证，但是加工成本高，数控编程也比较 困难，市场普及推广有很大难度。 据我们调研，我国对回转功能曲面类零件，全国年需求量相当大，而 国产产量仅达到需求量的1 1 0 左右，而且制造精度低。其余主要靠日本、 美国、韩国和台湾供求。因此如何高效率、高质量的设计与制造回转功能 曲面类零件轮廓就成为了一个值得研究的课题，具有明显的经济效益和社 7 山东大学硕士学位论文 会效益。 在导师的指导下，我选择以“基于普通机床回转功能曲面数控加工技 术的研究”作为论文题目，用c a 6 1 4 0 车床进行回转功能曲面数控加工技 术改造。一方面是因为c a 6 1 4 0 车床在普通机床中是普遍的，数量最多的， 也是操作工人最熟悉的，用的最顺手的一种机床；它基本能占到所有普通 机床的一半左右；所以对c a 6 1 4 0 车床进行回转功能曲面数控加工改造的 研究能对我国的机床数控化程度起到一定的作用。另一方面，由于c a 6 1 4 0 车床用的多，用的广，进行数控改造的资源丰富；可再利用的资源来源广； 再一方面，我们经过调查研究，现存的对普通机床回转功能曲面数控加工 改造技术的方案都是经过普通铣床数控化改造而来，目前还没有使用普通 车床进行数控技术改造加工回转功能曲面类零件的方案。所以，我选择“基 于普通机床回转功能曲面数控加工技术的研究”作为我的硕士论文题目。 希望通过本课题的研究，能对我国的回转类功能曲面数控加工技术方面作 出一点贡献。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题主要以c a 6 1 4 0 车床为基本改造对象，研究普通机床回转功能 曲面数控加工改造技术的可行性，经济性、实用性其主要研究的内容如 下： 1 分析回转功能曲面类零件的运动规律，研究回转功能曲面类零件的 加工原理，对其廓面曲线进行平面展开分析，控制刀具和各坐标之间的运 动关系范成出所需要的曲面。是本课题研究的一个重点内容。 2 以c a 6 1 4 0 车床为改造对象，确定普通机床回转功能曲面数控加工 改造总体方案。从数控改造的可行性、经济性、实用性等方面进行比较选 择最佳方案。 3 以c a 6 1 4 0 车床为研究对象，完成从普通机床到回转功能曲面数控 加工专用机床机械部分的数控改造。通过各方面综合考察，完成c a 6 1 4 0 数控专用车床机械部分的最佳配置。是本课题研究的另一个重点内容。 4 以c a 6 1 4 0 车床为研究对象，完成从普通机床到回转功能曲面数控 加工专用机床的电路设计。针对选择的数控系统和改造的机械部分及机床 的精度要求，设计数控改造后的电路系统。 5 完成回转功能曲面数控加工专用机床改造后各部分的连接、安装、 调试及精度检钡l 工作。 山东大学硕士学位论文 1 6 本章小结 本章研究的内容和所得的结论如下： 本章阐述了制造业的发展历程、普通机床进行回转功能曲面数控加工 机床改造的必要性、国内外关于回转功能曲面数控加工技术的研究现状、 发展趋势，得出研究普通机床回转功能曲面数控加工技术是当今数控机床 改造领域的重要课题之一；阐述了本论文提出的意义、所要做的主要工作 及所用的研究方法。 9 山东大学硕士学位论文 ! e 自e ! ! ! ! ! ! 目_ i n , 自目自! ! ! ! ! ! 自! ! 目皇目e ! ! ! ! ! s ! ! 量 2 i 引言 第2 章回转功能曲面数控加工表面成形原理 回转功能曲面类零件以圆柱凸轮和梯形螺纹丝杠的应用最广，下面以圆柱凸 轮零件加工为例分析回转功能曲面零件的形成原理。 制造回转功能曲面类零件的关键在于零件轮廓表面的加工，加工回转功能曲 面类零件轮廓表面的关键在于数控成形。目前，随着数控技术的日益成熟，数控 铣床加工已经成为回转功能曲面类零件有效的加工方法。在专用数控铣床上加工 回转功能曲面类零件轮廓表面，一般需要三轴或三轴以上的运动来完成数控成形。 目前，加工回转功能曲面类零件较理想的方法是采用带有回转台的数控铣床进行 加工，但是使用带有回转台的数控铣床加工回转功能曲面类零件投资太大，经济 性差。能不能找到一种更加理想的方法来加工回转功能曲面类零件? 怎样进行运 动规律曲线的近似修正? 如何进行直线轴和旋转轴的联动控制加工? 都是值得研 究和解决的问题。 2 2 回转功能曲面类零件工作原理 回转功能曲面类零件是以啮合原理来工作的如圆柱凸轮机构的工作原理所 示：当主动件( 圆柱凸轮) 连续回转时，通过带动圆盘上的滚子( 般为固定的 圆柱销) ，在主动件的曲线部分迫使圆盘作回转运动( 转位) ，而在其直线部分( 定 位边) 则使圆盘固定不动( 定位) 。如图2 - i 所示。 输入轴3 上装有主动件( 圆柱凸轮) 2 ，输出轴5 与输入轴3 垂直交错，轴5 上装有从动转盘4 。转盘在沿圆周方向上装有若干个滚子，滚子轴线与输出轴平行； 滚子一般为圆柱形，图( a ) 中所示为圆锥形滚子，它比圆柱形滚子具有较好的预 紧调整和间隙补偿作用。图( b ) ( e ) 为主动件( 凸轮) 与滚子啮合过程示意 图，图中主动件( 凸轮) 2 用展开轮廓表示。图( b ) 为转盘停歇位置，这时转盘 4 上的n o 1 与n o 6 滚子跨夹在主动件( 圆柱凸轮) 2 的环形定位面两侧，以保证 转盘不动。图( c ) 为转盘开始转动后不久的位置，主动件( 凸轮) 按图示方向旋 转，其右侧廓线推动n o 6 滚子使转盘逆时针向转动。图( d ) 为转盘转位期间的 某一时刻，此时0 6 滚子已脱离啮合，由主动件( 凸轮) 的另一条右侧廓线推动 n o 1 滚子使转盘转动。图( e ) 为转盘转位完毕，此时由1 和n 0 2 两个滚子取 山东大学硕士学位论文 代图( b ) 所示6 和n o 1 两个滚子跨夹在主动件( 凸轮) 的环形定位面两侧， 使转盘又处于停歇位置“” 根据从动件的运动方式，该机构主要有直动从动件和摆动从动件两种类型。 对于图2 - 1 所示的回转功能曲面类零件，在沿它的轴线旋转时，从动件滚子的中 心轨迹成为圆弧形。若能求解出主动件( 圆柱形凸轮) 槽的中心轨迹的坐标数据， 则其廓型就可以在经过c a 6 1 4 0 车床改造的数控加工专用机床上加工出来。 图2 1 回转功能曲面零件工作原理简图 山东大学硕士学位论文 2 3 回转功能曲面类零件廓面曲线分析 2 3 1 回转功能曲面类零件廓面曲线展开 图2 - 1 所示的回转功能曲面类零件( 圆柱凸轮) 的槽形是比较复杂的，属于 空间曲面，有圆弧段和直线段组成。为了便于分析与设计，通常将此圆柱面展开 为平面，则其轮廓曲线也随之展为平面曲线，那么这个平面曲线上的各种参数实 际上反映出了回转功能曲面类零件( 圆柱凸轮) 的运动状况。若把这个平面曲线 放入直角坐标系中，我们就能比较容易的进行坐标处理以及数值计算。 2 3 2 回转功能曲面类零件轮廓面曲线的直线逼近 当我们用直线逼近法生成回转功能曲面类零件( 圆柱凸轮) 的曲线时，首先 要用等间隔法求出曲线上各点的坐标，即把回转功能曲面类零件廓面沿径向展开 ( 设为x 向，与数控车床工件坐标系设置相同) ，如图2 - 2 所示。则其x 向总长就 是该零件的周长徊( d 为圆柱凸轮的直径) ，假设回转功能曲面类零件( 圆柱凸轮) 的旋转轴线方向为z 向，沿x 向取相等问隔d x ( d x 足够小) ，然后由回转功能曲 面零件的运动规律曲线方程求出相应地z ，这样就可以得到曲线上各点的坐标n m 。 图2 - 2 回转功能曲面类零件轮廓展开示意图 在回转功能曲面类零件的加工中，除了铣刀的直线运动外，回转功能曲面类 零件还需要旋转，为保证加工精度，二者必须紧密联系，保持联动。由图2 2 可 知，回转功能曲面类零件( 圆柱凸轮) x 坐标的最大值就是该零件的周长存o 。此 时正对应回转功能曲面零件旋转一圈，由此可以把x 值放大到3 6 0 0 范围内，以保 证此类零件旋转一周。 若回转功能曲面类零件( 圆柱凸轮) 的直径为d ，在某一节点的x 向坐标为x ， 山东大学硕士学位论文 则相应的转角公式为： ：x 3 6 0 。 力 式中西为回转功能曲面零件的转角。 2 4 回转功能曲面类零件表面成形原理 ( 2 - 1 ) 回转功能曲面类零件轮廓表面是不可展的异型功能曲面，因此它的设计和加 工就复杂的多。从成形原理上分析，回转功能曲面类零件的加工一般是基于主动 件和从动件( 滚子) 之间间歇传动的啮合理论，采用范成加工法。即根据主动件 和从动件( 滚子) 的相互运动关系，将滚子代以相同形状和尺寸的刀具，以数控 的形式模仿两者之间实际工作时的相对运动关系，从而加工出所需轮廓表面。由 于刀具与滚子具有相同的几何特征，并且刀具和工件的啮合关系同从动件( 滚子) 与主动件的啮合关系是相同的，因而可以准确的加工出回转功能曲面零件的轮廓 曲面1 圳。 回转功能曲面类零件轮廓面和从动件表面是一对啮合曲面，在加工时往往需 要两个旋转坐标，通过控制刀具和各坐标之间的运动关系范成出所需的曲面。但 数据处理较为复杂，能进行空间坐标更换的数控系统成本高因此在实际加工中 多采用一个旋转轴和一个或两个直线轴的联动控制，并配合适当的近似修正处理 来进行回转功能曲面类零件轮廓曲面的加工“删。 回转功能曲面零件轮廓曲面的创成方法，按照加工刀具与滚子几何参数的相 对关系来分，可以分为等价加工、非等价加工两种方法。当采用的刀具的特征几 何参数与滚子的特征几何参数一致进行的加工称为等价加工，反之为非等价加工。 鉴于等价加工避免了刀具长度补偿和半径补偿，在本课题中，我们采用了等 价加工的方法。现以从动件运动规律为余弦加速度为例进行说明。由于余弦瞳线 s = 竽( 丢叼 协z ， 为非圆曲线，不能直接被数控机床接受，所以要进行平面展开以及数学处理。 图2 - 3 是从动件( 滚子) 运动轨迹及主动件理论曲线的平面展开图，由图可 以看出，滚子的运动轨迹是半径为r o 的圆弧，而回转功能曲面类零件轴线与弦0 5 重合。为使刀具与滚子的轨迹相符，加工时刀具除了沿s 向( 机床z 轴方向) 移 动外，还必须沿轴线的法向( 机床的x 轴方向) 作补充位移。也就是说数控加工 回转功能曲面类零件一般需要三个方面的运动，一方面要求回转功能曲面类零件 随机床主轴作回转运动；另一方面要求铣刀沿z 轴作直线运动；同时还要求铣刀 山东大学硕士学位论文 在x z 坐标平面上作圆弧插补运动，走出圆弧d g ( 滚子运动轨迹) 。即需要两个旋 转轴，一个直线轴才能完成加工。 图2 - 3 滚子运动轨迹及主动件曲线 在本课题中，我们进行了运动规律的修正处理，采用了三轴变两轴的加工方 法，即将上面的三种运动转化为两种运动，具体措施为：控制铣刀沿z 轴作直线 运动，同时将其在) 【z 平面上的圆弧插补运动中的x 向位移量叠加在回转功能益面 类零件的理论曲线轨迹上各点的。向位移上，即将其附加在工件的回转运动中， 得到图2 - 3 中的修正曲线。这样修正后的运动关系只需要一个旋转轴和直线轴联 动即可完成。 加工回转功能曲面类零件轮廓时，要求刀具中心轨迹与工件之间的相对运动 状态遵循刀具中心轨迹点坐标的变化规律当工件旋转到修正后的吼( 自变量) 时，刀具同步切削晟( 因变量) 到位后，将刀具退出，再调整工件转角，刀具随 之运动，两者形成一个随动控制系统。 运动规律曲线修正后的加工不可避免的存在加工误差，须经适当的光整加工， 才能实现设计的工作性能指标。 2 5 刀具中心轨迹的确定 2 5 1 回转功能曲面类零件理论l j n r 曲线 1 4 根据从动件余弦加速度运动规律的位移公式s = 警( 1 一c o s 丢甸，我们可以 山东大学硕士学位论文 得出在直角坐标系中理论曲线( 如图2 - 3 所示) 上各点的坐标：睁2 ” 乃= h os i n 2 ( 鲥刳( 2 - 3 ， 而：罢f i ( 2 - 4 ) 而2 丽尹 式中s 回转功能曲面类零件理论曲线升程值； _ j l o 曲线总升程( 轴向总位移量) ； 回转功能曲面类零件的理论曲线回转角( 自变量) ： 锄回转功能曲面类零件动程角； d 回转功能曲面类零件的直径； 乙回转功能曲面类零件平面展开后，按照s 计算出的节点的轴向位移； 五回转功能曲面类零件平面展开后，按照回转角中算出的节点的线性值。 2 5 2 回转功能曲面类零件修正加工曲线 因为从动件滚子运动规律的推导，是将其运动轨迹放在主动件展开平面内进 行的