曲面加工定位基准平面自动找正装置设计说明书

1、毕业设计说明书 曲面加工定位基准平面 自动找正装置设计 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2012 年 6 月 机电工程学院 飞行器制造工程 曲面加工定位基准平面自动找正装置设计 摘要： 随着CAD、CAM技术的发展和数控加工技术的迅速普及，越来越 多的零件加工需要对曲面进行加工，而曲面零件在数控机床上的装夹 定位成为曲面加工技术发展的关键技术。曲面加工定位基准平面自动 找正装置正是为了解决这一问题。 本课题的主要工作是以数控机床进给系统的各轴的进给方式为原 理，在数控在线检测技术的基础上，对自动找正装置的结构进行设计， 并且对各零部件的连接方式进行设计。先进行各零件三维实体

2、造型， 然后将各部件装配起来。同时根据夹具的相关知识，对装置配套的夹 紧装置进行设计，最终画出各部件的零件图和工程图。本题是对大学 学习的总结，学习了和巩固了知识，对以后工作有重要的意义。 关键词：曲面定位，在线检测，夹具 The design of the device of surface processing position datum plane automatic find Abstract：With the development of CAD/CAM technology and the rapid popularization of NC machining technolo

3、gy, more and more parts of the surface processing need to carry on the processing, and the surface parts on the NC machine clamping positioning become curved surface processing technology development key technology. Surface processing position datum plane automatic find are device it is in order to

4、solve this problem. This topic is the main job of CNC machine feeding system of the axis of the way into the principle of the device to for the structure design, and parts of the connection mode design, to the parts three-dimensional molding, and then all the parts together. And according to the rel

5、ated knowledge fixture, form a complete set of equipment of clamping device design, final draw of all parts of the detail drawing and engineering drawings. Ontology is to study at the universitys summary, learn and consolidated the knowledge, to work after it is of important significance. Keywords:

6、Surface positioning, On-line inspection, Fixture 目 录 1 绪论.1 1.1 曲面加工定位基准平面自动找正装置概述 .1 1.2 国内外研究现状 .1 1.3 本文重难点分析 .2 1.4 本次毕业设计的过程 .3 2 曲面加工定位基准平面自动找正装置的基本原理.4 2.1 数控进给系统传动结构 .4 2.1.1 滚珠丝杠螺母副传动 .4 2.1.2 其它进给传动机构 .8 2.1.3 进给传动导轨 .9 2.2 数控机床对传动系统的要求 .10 2.3 进给系统的装配 .11 2.3.1 滚珠丝杆螺母副的安装 .12 2.3.2 电动机与丝杆

7、间的连接 .13 3曲面加工定位基准平面自动找正装置的整体设计.14 3.1 丝杠的固定方式 .14 3.2 伺服电机与丝杠的连接 .15 3.3 电机与水平固定板的连接 .19 3.4 丝杠螺母与顶杆的连接 .19 3.5 导轨的设计 .20 3.6 外部结构设计 .22 3.7 装置的最终结构 .23 4 数控机床在线检测技术.24 4.1 数控机床在线检测系统的组成 .24 4.2 数控机床在线检测的工作原理 .26 4.3 数控机床在线检测编程 .26 4.4 数控机床在线检测系统仿真 .27 4.5 结束语 .28 5 夹具的设计.29 5.1 夹具设计的原则、原理 .29 5.1.

8、1 夹紧装置的组成 .29 5.1.2 典型夹紧机构 .29 5.2 夹具设计的重点难点 .29 5.2.1 对夹紧装置的基本要求 .29 5.2.2 夹紧力的确定 .30 5.3 夹具设计的结果 .32 6 伺服电机的选型.35 6.1 机电领域中伺服电机的选择原则 .35 6.2 一般伺服电机选择考虑的问题 .36 6.3 伺服电机选择的步骤、方法以及公式 .37 6.4 伺服电机的选择结果 .37 7 总结与展望.39 参 考 文 献.40 致 谢.42 1 1 绪论绪论 1.11.1 曲面加工定位基准平面自动找正装置概述曲面加工定位基准平面自动找正装置概述 制造业是国民经济发展的基础产

9、业，是支撑整个工业和国民经济 发展的基石。随着科学技术的高速发展，制造业发生了根本性的变化， 普通机械将逐步被高效率、高精度的数控机械所替代。 随着市场经济的发展，市场竞争的加剧，工业产品越来越向多品 种、小批量、高质量、低成本的方向发展，同时具有复杂曲面的产品 也越来越多，复杂曲面的加工也越来越成为制约加工效率和开发周期 及生产周期的“瓶颈” 。 在柔性、小批量制造中，工件定位直接造成当前制造技术的瓶颈， 因为工件调整、重新装夹和尺寸在线检测需要大量费用。传统的工件 装夹方法是使用机械夹具和量规。但是，给定典型加工工件的精度需 求，经常需要设计和制造全新的专用夹具，这既需要时间又需要金钱 1

10、。特别地，对于难于识别参考点(或基准特征)的复杂表面工件或复 杂、笨重的大型工件可能需要花费几个小时来装夹却只为了几分钟的 加工。同时，对于外形以自由曲面为主的毛胚，要实现其的精加工， 必须有一种复杂曲面精确定位的方法。找到该曲面的定位平面，实现 正确装夹，否则会造成加工的不均匀，出现过切和欠切现象，废品率 的提高。 为此，设计一种曲面加工定位自动找正装置，能够满足现今绝大 多少自由曲面的定位，并实现精确装夹，从而实现零件的精加工。 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 目前在国内外的夹具设计研究中，其研究对象主要集中在表面形 状为平面、圆柱面、球面等一次、二次曲面较为规则的零件之上。夹

11、 具是用于将零件定位、夹紧，以保证零件与机床之间相对位置关系的 装置。随着用户对产品可靠性、实用性、美观性要求的不断增加自由 曲面在产品设计中的应用范围越来越广泛。诸如光学仪器、航空航天、 水利机械、车身设计等领域都大量运用了自由曲面。但是，国内外有 关文献对这一类夹具设计研究的报道不多，这在一定程度上反映了当 前对表面形状为自由曲面零件的夹具设计研究的不足。在对表面形状 为自由曲面零件的夹具设计中的零件装夹深人研究的基础上，力图在 一定程度上解决自由曲面零件夹具设计中的这一难题。 复杂曲面常见于航空、航天、汽车、模具以及水轮机叶片等产品 中，每种复杂曲面都各有其独特的特点，与具有规则几何形状

12、的零件 相比，被加工复杂曲面如果缺乏清晰定义的基准特征，将会使得加工 前的定位变得十分困难，或者若在工作台上定位不当，则会造成大幅 度的余量起伏，增加了后续加工的难度，严重影响零件的加工效率与 效益。因此在加工前完成毛坯与模型曲面间的最佳定位就显得尤为重 要。实际上应用曲面匹配技术，可以实现复杂业面的加工检测以及定 位安装2。 加工零件在机床工作台上的定位，是数控加工中一个重要的基础 问题。传统的定位、夹紧方法需要繁琐的准备和调整，往往很少的加 工量却需要耗费数小时进行工件的定位安装。当加工自由曲面工件， 特别是复杂大型工件时，由于加工件变形大，这一问题显得更加明显. 与一般规则零件相比，其待

13、加工表面形状极不规则，工件重量大，在 安装时工件吊运需要借助起重设备，因此导致零件的定位安装工作量 比较大。如果零件在工作台上定位不当，则会造成加工余量不均，影 响工件的加工效率，增加工件的加工成本。 模具复杂曲面定位的好坏，使得模具加工时的加工余量尽可能均 匀。复杂曲面加工主要存在于航空、航天、造船、汽车、模具等机械 制造领域以及外观要求美观的产品中。复杂曲面在数控机床出现以前 主要以手工方式制造，即通过手工放样，手工打磨或辅助电脉冲的加 工方法来完成。为了便于在生产过程中进行检测，还需要制作大量样 板。因此，生产效率低，加工精度低，制造周期长，成本高，很难满 足实际生产的需要，而且严重影响

14、产品的更新换代周期。70 年代以后， 随着数控机床的出现，复杂曲面的加工通常采用数控铣削加工。80 年 代初期，随着数控技术的提高以及五轴铣床的应用，加工后的复杂曲 面精度较以前有所提高，但精加工工序仍采用手工打磨抛光的方式进 行生产3。80 年代末期以后，由于高速数控加工技术、刀具技术的发 展，高速铣削加工的广泛应用，复杂曲面加工的精度、效率与以前相 比得到了很大的提高。高速加工应用在塑胶模具复杂曲面加工后，甚 至不经过手工打磨就可以达到使用的精度要求。但到目前为止，大型 的具有复杂曲面产品的加工如大型汽车覆盖件模具等仍是普遍采用三 轴数控铣床加工，其半精加工、精加工后的精度以及加工效率仍有

15、待 提高4。 1.31.3 本文重难点分析本文重难点分析 复杂曲面的加工首先是定位安装，定位安装时一是要使得加工余 量尽可能的均匀，二是尽可能减少复杂曲面的加工余量，以提高复杂 曲面的加工效率。主要创新点体现在曲面匹配的应用方法上，通常的 曲面匹配是寻找曲面上的点与曲面上的点进行直接的匹配，这样的结 果是在计算上比较复杂5。在匹配上是将匹配转化为曲面上的点到特 定的平面上的距离来实现测量点与理论曲面的匹配，从而实现工件的 定位，以便减少复杂曲面的加工余量，将曲面上的加工余量转到底面 加工，减少曲面的加工余量，从而有利于高效加工。针对模具型面加 工余量不均匀的问题，提出将模具型面毛坯曲面测量数据

16、与毛坯设计 曲面及其等距面离散数据进行比较，以便确定优先加工区域，可去除 原有无用的刀具路径，减少空走刀路径，提高数控加工的效率6。 1.41.4 本次本次毕业设计毕业设计的过程的过程 论文的主要内容及章节安排如下； 首先，查找相关资料。我查找了曲面零件定位方法的相关资料和 零件装夹的基本方法，并对数控机床进给系统的传动结构进行了认真 分析，对课题的来源和研究背景进行了研究，了解了国内外曲面加工 定位基准平面自动找正装置的发展现状。 其次，在深入了解了数控机床进给系统结构和零件装夹方法的基 础上，对装置的结构外形进行了简单的设计，初步用三维造型软件对 结构进行了绘制。 再次，对装置中各零部件进

17、行了计算选型，用三维软件对各零件 进行绘制，最后用软件将其装配后，验证装置的合理性。结构合理后， 用二维软件画出各零件的零件图，并画出装配图。 最后，撰写设计说明书，修改错误，总结设计过程中的得与失， 准备答辩。 2 2 曲面加工定位基准平面自动找正装置的曲面加工定位基准平面自动找正装置的基本原理基本原理 2.12.1 数控进给系统传动结构数控进给系统传动结构 在数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有：滚珠丝 杠螺母副、静压蜗杆-蜗母条、预加载荷双齿轮-齿条及双导程蜗杆等。 2.1.1 滚珠丝杠螺母副传动 为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度，必须减 少运动件的摩擦阻力和动

18、静摩擦力之差。为此，在中小型数控机床中， 滚珠丝杠螺母副是采用最普遍的结构7。 (1）滚珠丝杠副的工作原理。滚珠丝杠副是回转运动与直线运动 相互转换的新型传动装置，是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺 旋传动元件。其结构原理示意如图，图中丝杠和螺母上都加工有弧形 螺旋槽，将它们套装在一起时，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形 成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，滚 珠则既自转又沿着滚道流动。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母 的滚道两端用返回装置（又称回珠器）连接起来，使滚珠滚动数圈后 离开滚道，通过返回装置返回其入口继续参加工作，如此往复循环滚 动。 （2）滚珠丝杠副的特

19、点。由以上滚珠丝杠螺母副传动的工作过程， 可以明显看出滚动丝杠副的丝杠与螺母之间是通过滚珠来传递运动的， 使之成为滚动摩擦，这是滚珠丝杠区别于普通滑动丝杠的关键所在， 其特点主要有以下几点： 1）传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达 95%98%，是普通梯 形丝杠的 34 倍，功率消耗减少 2/33/4. 2）灵敏度高、传动平稳。由于是滚动摩擦，动静摩擦系数相差极 小。因此低速不易爬行，高速传动平稳。 3）定位精度高、传动刚度高。用多种方法可以消除丝杠螺母的轴 向间隙，使反向无空行程，定位精度高，适当预紧后，还可以提高轴 向刚度。 4）不能自锁、有可逆性。即能将旋转运动转换成直线运动，也能 将

20、直线运动转换成旋转运动。因此丝杠在垂直状态使用时，应增加制 动装置或平衡块。 5）制造成本高。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度及表面粗糙度 等要求高，制造工艺较复杂，成本高8。 （3）滚珠丝杠副的循环方式。 常用的循环方式有两种：滚珠在循环反向过程中，与丝杠滚道脱 离接触的称为外循环；而在整个循环过程中，滚珠始终与丝杠各表面 保持接触的称为内循环。 外循环回流方式 内循环回 流方式 图 2.1 滚珠丝杠副的循环方式 1） 外循环 外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表的螺旋槽或插管返 回丝杠螺母间重新进入循环。 如图 2.2 所示，外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式 主要有端盖式、插管

21、埋入式、插管突出式和螺旋槽式。 如图 2.2（a）所示为端盖式。在螺母末端加工出以纵向孔，作为 滚珠的回程管道，螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口，滚珠由此进 入回程管，形成循环。 如图 2.2（b）所示为插管式。它用弯管作为返回管道，在螺母外 圆上装有螺旋形的插管口，其两端接入滚珠螺母工作始末两端孔中， 以引导滚珠通过插管，形成滚珠的多圈循环链。这种形式结构简单， 工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。目前应用最为广泛，也 可用于重载传动系统中。 如图 2.2（c）所示为螺旋槽式。它在螺母的外圆上铣出螺旋槽， 槽的两端钻出通孔并与螺纹管道相切，形成返回通道，这种结构径向 尺寸较小，但制造较复

22、杂。 图 2.2 常用的外循环方式 （a）端盖式（b）插管式（3）螺旋槽式 2）内循环 如图 3-8 所示为内循环滚珠丝杠。内循环均采用反向器实现滚珠 循环，它靠螺母上安装的反向器接通相邻两滚道，形成一个闭合的循 环回路，使滚珠成单圈循环。反向器 2 的数目与滚珠圈数相等，一般 有 24 个，且沿圆周等分分布。 这种类型的结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小效率 高；适用于高灵敏、高精度的进给系统，不宜用于重载传动，且制造 较困难。 反向器有两种类型：圆柱凸键反向器和扁圆镶块反向器。 如图 2.3（a）所示为圆柱凸键反向器，他的圆柱部分嵌入螺母内， 端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其

23、上端的圆键定位，以保证 对准螺纹滚道方向。 如图 2.3（b）所示为扁圆镶块反向器，反向器为一般圆头平键形 镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽，用镶块的外轮廓 定位。 两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及 缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要 求较高。 图 2.3 内循环滚珠丝杠 滚珠丝杠的螺旋滚道型面 螺旋滚道型面（即滚道法向截形）的形状有多种，常见的截形有 单圆弧型面和双圆弧型面两种。 如图 2.4 所示为螺旋滚道型面的简图，图中钢球与滚道表面在接 触点处的公法线与螺纹轴线的垂线间的夹角称为接触角 ，理想接触 角 =45。 图 2.4

24、滚珠丝杠副螺旋滚道型面的形状 （a）单圆弧（b）双圆弧（c）矩形滚道 （4）滚珠丝杠副轴向间隙调整和预紧方法 滚珠丝杠副的轴向间隙，是指负载时滚珠与滚道型面接触的弹性 变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和，它直接影响其传动 刚度和精度。 （5）滚珠丝杠副的使用防护。 滚珠丝杠副和其它滚动摩擦的传动元件一样，如有硬质的灰尘或 切屑等脏物落进滚道，就会妨碍滚珠的运转并加速磨损，因此有效地 防护密封和保持润滑油的清洁就显得十分必要。常用的防尘密封装置 有密封圈和防护罩相结合，密封圈系在滚珠螺母的两端，和丝杠直接 接触，其材料有毛毡圈、耐油橡皮或尼龙等，防尘效果好。但有接触 压力、摩擦力矩增加的

25、现象，所以有时采用非接触式、由聚氯乙烯等 塑料制成的迷宫密封圈。 对于暴露在外面的丝杠一般采用伸缩套筒式、折叠式的塑料或人 造革等形式的防护罩，以防止空气中尘埃或粘附在丝杠表面。 滚珠丝杠副和普通滑动丝杠螺母副一样，要用润滑剂来提高耐磨 性及传动效率。润滑剂可分为润滑油或润滑脂两大类。润滑油可采用 一般机械油或 90180 号透平油或 140 号主轴油，经过壳体上的油孔而 注入螺纹的空间内。润滑脂可采用锂基油脂，油脂则加在螺纹滚道和 安装螺母的壳体空间内。 2.1.2 其它进给传动机构 （1）静压蜗杆-蜗母条传动。蜗杆-蜗母条机构是丝杠螺母机构的 一种特殊形式，蜗杆可看作长度很短的丝杠，蜗母条

26、则可看作一个很 长的螺母沿轴向剖开后的一部分。 液体静压蜗杆-蜗母条机构是在蜗杆-蜗母条的啮合齿面间注入压 力油，以形成一定厚度的油膜，使两啮合面形成液体摩擦，特别适宜 重型数控机床的进给传动系统。进给伺服电动机通过联轴器与蜗杆相 联，产生旋转运动。蜗母条与运动部件（工作台）相联，以获得往复 直线运动。这种形式常用于龙门式铣床的工作台进给驱动。 （2）双齿轮-齿条传动。齿轮-齿条是行程较长的大型数控机床上 常用的进给传动形式。适用于传动刚性要求高，传动精度不太高的场 合。采用齿轮-齿条传动时，必须采取消除齿侧间隙的措施。通常采用 两个齿轮 2，3 与齿条啮合的方法，专用的预加载机构使两齿轮以相

27、反 方向预转过微小的角度，使两齿轮分别与齿条的两侧齿面贴紧，从而 消除间隙。 （3）双导程蜗杆传动。为了扩大工艺范围，提高生产效率，数控 机床除了直线进给运动之外，还有圆周进给运动。可由回转工作台来 实现，其进给传动一般采用蜗轮-蜗杆传动。用于这种传动的蜗轮-蜗 杆除应有较高的制造精度和装配精度外，还要采取一定的措施来消除 蜗轮-蜗杆副的传动间隙，通常的方法是双导程蜗杆传动。它的啮合原 理与普通蜗杆-蜗轮传动无本质的差别，区别在于蜗杆的左右齿面具有 不同的节距（导程） ，而同侧齿面的节距（导程）是相等的，各齿中间 点节距 L0（导程）也是相等的。如左侧齿面的节距为 Ll = L0 -L 时，

28、而右侧齿面的节距为 Lr = L0 +L，比左侧都大了 2L 的数值，这就 会造成蜗杆的齿面从左到右逐渐变厚。与之啮合的蜗杆则和普通蜗轮 一样，当蜗杆沿轴向向左移动时，啮合间隙逐渐减小直至消除。 2.1.3 进给传动导轨 导轨是伺服进给系统的重要环节之一，它对数控机床的刚度、精 度与精度保持性等有着重要地影响，现代数控机床的导轨，对导向精 度、精度保持性、摩擦特性、运动平稳性和灵敏度都有更高地要求， 在材料和结构上起了“质”地变化，已不同于普通机床的导轨。 1、塑料滑动导轨 为了进一步降低普通滑动导轨的摩擦系数，防止低速爬行，提高 定位精度，为此在数控机床上普遍采用塑料作为滑动导轨的材料，使

29、原来铸铁-铸铁的滑动变为铸铁-塑料或钢-塑料的滑动。 塑料软带：也称聚四氟乙烯导轨软带，导轨材料是以聚四氟乙烯 为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结，并做成软 带状，厚度约 1.2mm。 塑料软带用特殊的粘结剂粘贴在短的或动导轨上，它不受导轨形 状的限制，各种组合形状的滑动导轨均可粘贴；导轨各个面，包括下 压板面和镶条也均可以粘贴。 由于这类导轨软带采用粘贴的方法，习惯上也称为“贴塑导轨” 。 （2）塑料涂层。是以环氧树脂为基体，加入铁粉、二硫化钼和胶 体石墨，加入增塑剂，混合成液膏状为一组份，与固化剂为另一组份， 而组成的双组份塑料涂层。 由于这类涂层导轨采用涂刮或注入膏状塑料

30、的方法，习惯上也称 为“涂塑导轨”或“注塑导轨” 。 （3）塑料导轨的特点。 1)摩擦特性好。2)耐磨性好。3)减振性好。4)工艺性好。 除此之外，塑料导轨还以其良好的经济性、结构简单、成本低， 目前在数控机床上得到广泛地使用。 2、滚动导轨 滚动导轨是在导轨工作面之间安装滚动体（滚珠、滚柱和滚针） ， 与滚珠丝杠的工作原理类似，使两导轨面之间形成的摩擦为滚动摩擦。 动、静摩擦系数相差极小，几乎不受运动速度变化的影响。 3、静压导轨 静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮 起。工作过程中，导轨面上油腔中的油压能随着外加负载的变化自动 调节，以平衡外负荷，保证导轨面始终处于纯液

31、体摩擦状态。 静压导轨的摩擦系数极小（约为 0.0005） ，功率消耗少，由于系 统液体摩擦，故导轨不会磨损，因而导轨的精度保持性好，寿命长。 油膜厚度几乎不受速度的影响，油膜承载能力大、刚性好、吸振性良 好，导轨运行平稳，既无爬行，也不产生振动。但静压导轨结构复杂， 并需要有一个具有良好过滤效果的液压装置，制造成本较高。目前， 静压导轨较多地应用在大型、重型数控机床上。 2.22.2 数控机床对传动系统的要求数控机床对传动系统的要求 为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，在设计机 械传动装置时，提出如下要求。 （1）高传动精度与定位精度 （2）宽的进给调速范围 （3）响应速度要快

32、（4）无间隙传动 （5）稳定性好、寿命长 （6）大的转矩输出 （7）机床可逆运行。 （8）减小运动惯量 （9）减小摩擦阻力 （10）使用维护方便 （11）高谐振 2.32.3 进给系统的装配进给系统的装配 装配是按规定的技术要求,将零件或部件进行配合和联系,使之成 为半成品或成品的工艺过程。整机装配是生产过程中的最后一个阶段 ,它 包括装配、调整、检验和试验等工作 ,且产品的最终质量由装配保证。 装配的工艺配合法和工作组织形式是根据产品的结构、零件大小、 制造精度、生产规模等因素来选择的。工艺配合法与尺寸链的解算密 切相关。选择工艺配合法需找出装配的全部尺寸链,结合设计要求和制 造的经济性,经

33、过合理的技术计算,把封闭环的公差值分配给各组成环, 确定各环的公差和极限尺寸。装配的最终精度,从有关尺寸链的解算而 获得。 工艺配合法分为四种: (1) 互换装配法; (2) 选配法; (3) 修配 法; (4) 调整法。 互换装配法是在装配时各配合零件不经修理、选择或调整即可达 到装配精度的方法。其实质就是用控制零件的加工误差的方法来保证 装配精度。军工所目前多为单件小批量生产方式,因而装配中为保证质 量大多数选用互换装配法。稳定平台 中关键件纵横摇的空间正交精度0. 02mm ,同轴度为0. 03mm 和0. 04mm ,就是靠加工予以保证的。重要件方位旋转关节(转动部分波导管 和固定部分

34、波导管) 中的主要精度尺寸,是经两部分波导装配后,通过 精心换算工艺尺寸链,靠加工予以保证的。其中尺寸链的解算略。选配 法(适用于大批量生产方式)选配法是将尺寸链中组成环的公差放大到 经济可行的程度,然后选择合适的零件进行装配,以保证规定的精度。 它按形式不同可分为三类:直接选配法、分组选配法和复合选配法,如 屏蔽罩等。 修配法是在装配时,根据实际测量的结果,改变尺寸链中某预定的 修配件(修配环) 的尺寸,使封闭环达到规定的装配精度的方法。如波 导管与法兰盘、轴与轴承等的配合均采用此法。 调整法是将尺寸链中组成环在按经济加工的加工精度确定公差时, 选择其中一个或几个适当尺寸的调节件(调节环)

35、进行调整,来保证规 定的装配精度要求。这种调整件可起到补偿装配累积误差的作用,故亦 称补偿件。如偏心轴承套、轴承端盖、锁紧 螺母等。 2.3.1 滚珠丝杆螺母副的安装 （1）一端装推力轴承（固定自由式） 如图 a 所示，这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，只适用 于短丝杠，一般用于数控机床的调节或升降台式数控铣床的立向（垂 直）坐标中。 （2）一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承（固定支承式） 如图 b 所示，这种方式可用于丝杠较长的情况。应将推力轴承远 离液压马达等热源及丝杠上的常用段，以减少丝杠热变形有影响。 （3）两端装推力轴承（单推单推式或双推单推式） 如图 c 所示，把推力轴承装在滚

36、珠丝杠的两端，并施加预紧拉力， 这样做的好处是：这样有助于提高刚度，丝杠不会因温升而伸长，从 而保持丝杠的精度；减少丝杠因自重引起的弯曲变形；在推力轴承预 紧力大于丝杠最大轴向载荷 1/3 的条件下，丝杠拉压刚度可提高四倍。 但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感，轴承的寿命较两端装推力 轴承及向心球轴承方式低。 （4）两端装推力轴承及深沟球轴承（固定固定式） 如图 d 所示，为使提高丝杠的刚度，它的两端可用双重支承，即 推力轴承加深沟球轴承，并施加预紧拉力。这种结构方式不能精确地 预先测定预紧力，预紧力的大小是由丝杠的温度变形转化而产生的， 丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力。但设计时要求提高

37、推力轴承 的承载能力和支架刚度。 图 2.5 滚珠丝杠的支撑方式 滚珠丝杠的支撑方式 (a)仅一端装推力轴承; (b)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴 承； (c)两端装推力轴承; (d)两端装推力轴承和深沟球轴承 近年来出现一种滚珠丝杠轴承，其结构如下图所示。这是一种能 够承受很大轴向力的特殊角接触球轴承，与一般角接触球轴承相比， 接触角增大到 600，增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。 这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高两倍以上，使用极 为方便。产品成对出售，而且在出厂时已经选配好内外环的厚度，装 配调试时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧，就能获得出厂时已经 调整好的预紧力，使用

38、极为方便。 2.3.2 电动机与丝杆间的连接 数控机床进过传动对位置精度、快速响应性能、调速范围有较高 的要求：实现进给传动的电动机主要有三种：步进电动机、直流伺服 电动机和交流伺服电动机。目前，步进电动机只用于经济型数控机床， 交流伺服电动机作为比较理想的执行元件正逐步替代直流伺服电动机。 当采用不同的执行元件时，数控机床进给系统会有所不同。电动机与 丝杆间的联接主要有三种形式，如图所示。 1）齿轮传动方式 数控机床在进给传动装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降 速要求，由于齿轮存在一定的齿侧间隙，会使运动造成反向传动间隙， 对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副 常

39、采用消隙机构来尽量减小齿侧间隙。 2）同步带轮传动形式 这种联接形式的结构比较简单。同步带轮传动综合了带传动和链 传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适用于 低转矩特性要求的场合，安装时中心距要求严格，带宇带轮的制造工 艺复杂。 3）联轴器传动型式 通常电动机轴宇丝杆之间采用锥环无键联接或高精度联轴器联接， 从而使进给系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了传动 机构。在加工中心和精度较高的数控机床的进给系统传动中，普遍采 用这种联接方式。 3 3曲面加工定位基准平面自动找正装置的整体设计曲面加工定位基准平面自动找正装置的整体设计 根据数控机床传动系统的原理，用伺服电机

40、带动螺母丝杠副，从 而支撑起曲面毛胚，如图 3.1 所示。 图 3.1 自动找正装置工作原理 3.13.1 丝杠的固定方式丝杠的固定方式 用三个螺母丝杠的运动来寻找毛胚的位置，丝杠的固定方式有多 种，如图 3.2 所示 图 3.2 丝杠的固定方式 考虑到装置对精度和准确度的要求较高，宜采用两端固定的方式。 丝杠通过角接触球轴承固定，保证了丝杠可绕 z 轴自由旋转，然后通 过轴承套和轴承端盖把轴承和丝杠固定在水平固定板上。结构如图所 示，自上而下，依次为丝杠、轴承端盖、轴承、轴承套、水平固定板。 图 3.3 丝杠的装配方式 3.23.2 伺服电机与丝杠的连接伺服电机与丝杠的连接 属于轴类连接，采

41、用联轴器连接。联轴器-用于将两轴联接在 一起，机器运转时两轴不能分离，只有在机器停车时才可将两轴分离。 联轴器的分类： 一、刚性联轴器 （1）凸缘联轴器 1）结构：半联轴器通过键与轴相连，用螺栓将两个半联轴器的凸 缘连接在一起。 2）形式：普通凸缘联轴器靠铰制孔螺栓对中。 有对中榫的凸缘联轴器靠榫头对中。 3）制造与安装要求：半联轴器的凸缘端面应与轴线垂直，安装时 应使两轴精确对中。 4）特点：结构简单、使用方便、传递扭矩较大，但不能缓冲减震。 5）应用：用于载荷较平稳的两轴连接。 图 3.4 凸缘联轴器 （2）套筒联轴器 1）结构：用一个套筒通过键将两轴连接在一起。用紧定螺钉来实 现轴向固定

42、。 2）形式：半圆键、普通平键 3）特点：结构简单、使用方便、传递扭矩较大，但不能缓冲减震。 图 3.5 套筒联轴器 （3）夹壳联轴器 1）结构：将套筒做成剖分夹壳结构，通过拧紧螺栓产生的预紧力 使两夹壳与轴联接，并依靠键以及夹壳与轴表面之间的摩擦力来传递 扭矩。 2）特点：无需沿轴向移动即可方便装拆，外形复杂且不易平衡， 高速旋转时会产生离心力。 3）应用：用于低速传动轴，常用于垂直传动轴的联接。 图 3.6 夹壳联轴器 二、挠性联轴器 （1）十字滑块联轴器 1）结构：两个端面开有径向凹槽的半联轴器，两端各具有凸榫的 中间滑块，且两端榫头互相垂直，嵌入凹槽中，构成移动副。 2）工作原理：当两

43、轴存在不对中和偏斜时，滑块将在凹槽内滑动。 3）优缺点：结构简单、制造容易。滑块因偏心产生离心力和磨损， 并给轴和轴承带来附加动载荷。 图 3.7 十字滑块联轴器 （2）滑块联轴器 1）结构：与十字滑块联轴器结构相似，只是沟槽很宽，中间为不 带凸牙的方形滑块，其材料为夹布胶木。 2）工作特点：由于中间滑块质量小，且有弹性，故允许较高的极 限转速。 3）优点：结构简单、尺寸紧凑。 4）应用：适用于小功率，高转速而无剧烈冲击的场合。 (3)齿式联轴器 1）结构：两个有内齿的外壳，两个有外齿的套筒，两者齿数相同， 外齿做成球形齿顶的腰鼓齿。套筒与轴用键接，两外壳用螺栓联接。 两端密封，空腔内储存润滑

44、油。 2）功用：能补偿轴不对中和偏斜。 图 3.8 齿式联轴器 (4)链条联轴器 1）应用：用于重型传动。 2）结构：利用一条公用的双排链条同时与两个齿数相同的并列链 轮啮合来实现两半链轴器的联接。 (5)万向联轴器 1）作用：用于传递两相交轴之间的动力和运动，而且在传动过程 中，两轴之间的夹角还可以改变。共轴、有夹角 2）应用：广泛应用于汽车、机床等机械传动系统中。 (1)弹性套柱销联轴器 结构特点：外观与凸缘联轴器相似，用带橡胶弹性套的柱销联接两个 半联轴器。 (2)弹性柱销联轴器 1）结构：用尼龙制成的柱销置于两个半联轴器凸缘的孔中。结构 简单、更换柱销方便。 2）特点：上述两种联轴器的

45、动力通过弹性元件传递，缓和冲击、 吸收振动。 3）应用：适用于正反向变化多，启动频繁的高速轴。能补偿较大 的轴向位移，并允许微量的径向位移和角位移。 (3)）轮胎式弹性联轴器 1）结构：中间为橡胶制成的轮胎环，用止退垫板与半联轴器联接。 2）特点：结构简单、易于变形。允许较大的综合 hdv x 位移。 3）应用：适用于启动频繁、正反向运转、有冲击振动、有较大轴 向位移、潮湿多尘的场合。 (4)梅花形弹性联轴器 结构：半联轴器与轴的配合可以做成圆柱形或圆锥形，中间的弹性元 件形状似梅花，故得名。选用不同硬度的矩胺酯橡胶，铸形尼龙等材 料制造。 (5)膜片联轴器 1）结构：弹性元件为多个环形金属薄

46、片叠合而成的膜片组，膜片 圆周上有若干个螺栓孔。用铰制孔螺栓交错间隔与半联轴器联接。 2）特点：结构简单、弹性元件的联接之间没有间隙，不需要润滑， 维护方便、质量小、对环境的适应性强。但扭转减振性能差。 3）应用：主要用于载荷平稳的高速传动。如直升机尾翼轴。 综合分析，采用十字滑块联轴器，不仅能够使两轴准确连接，同 时可以满足刚度和强度要求，并且结构简单，制造方便，有很强的互 换性。 3.33.3 电机与水平固定板的连接电机与水平固定板的连接 由于伺服电机与丝杠用联轴器连接，受轴的长度影响，无法直接 固定在水平固定板上，需要设计一个装置，可以装下联轴器，通过该 装置可以使伺服电机和水平固定板间

47、接连接起来。 图 3.9 电机与水平固定板的连接 3.43.4 丝杠螺母与顶杆的连接丝杠螺母与顶杆的连接 为了将毛胚准确的支撑起来，这就需要准确的将顶杆安装在丝杠 螺母上，但是由于结构的特殊性，无法将顶杆直接安装在螺母上，这 就需要我们设计一个方箱，将方箱安装在丝杠螺母上，然后将顶杆安 装在方箱上，这样就可以准确的将毛胚支撑。 图 3.10 丝杠螺母与顶杆的连接 3.53.5 导轨的设计导轨的设计 考虑到这个结构可能造成受力不均的问题，在支柱的另一侧设计 一个导轨，使螺杆受力合理。 导轨副：机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副。动导 轨相对于支承导轨只有一个自由度。 （1）导轨的功用：导

48、向和承载。 导轨主要用来支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动。 （2）导轨的截面形状与组合 直线运动滑动导轨截面形状：主要有三角形、矩形、燕尾形、圆 柱形，都有凹凸之分。 图 3.11 导轨的截面形状 1） 形导轨：磨损后，能自动补偿间隙，导向精度随其顶角的减小 而提高，但顶角的减小使承载能力和刚性下降；三角形导轨的制 造工艺较复杂。 2） 矩形导轨：承载能力大，刚性较高，形状规则，制造和维修方 便；但矩形导轨侧面有间隙，导向精度较低。 3） 燕尾形导轨：高度尺寸小，结构紧凑，能承受颠覆力矩；但燕 尾形导轨磨擦阻力大，制造工艺复杂。 4） 圆柱形导轨：导向性好，刚性高；但其制造精度要求较高，磨

49、 损后，导轨间隙调整较困难。 导轨应满足的要求： 导轨性能的好坏，直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿 命。 （1）导向精度 1）导向精度:指动导轨运动轨迹的准确度。 它是保证导轨工作质 量的前提，是对导轨的基本要求。 2）影响因素:导轨的几何精度和接触精度、结构型式、装配质量、 导轨与支承件的刚度、热变形及油膜刚度（指动、静压导轨） 。 （2）精度保持性（耐磨性） 影响精度保持性的主要因素是磨损。 必须提高导轨的耐磨性，尽可能减小导轨的磨损的不均匀程度 （沿导轨全长的均匀和不均匀磨损都会影响其精度） ，并使磨损后能自 动补偿或调整。 影响因素：导轨的材料、热处理、加工的工艺方法、磨擦性质

50、及受力 情况（即导轨的比压、润滑和防护）等有关。 （3）低速运动平稳性 当动导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平稳性， 即不出现爬行现象。 1）进给运动爬行，影响被加工工件的粗糙度、加工精度。 2）定位运动爬行，将降低定位精度。 3）垂直运动不可能出现爬行现象。 4）影响因素：导轨的结构、材料、润滑；动、静摩擦系数的差值； 运动部件的质量；传动导轨运动的传动链的刚度等。 消除爬行现象的主要措施： 减少动、静摩擦系数的之差和改变动摩擦系数随速度变化的特性。 1）用滚动摩擦代替滑动摩擦； 2）采用卸荷导轨和静压导轨； 3）采用减摩材料； 4）采用导轨油。 （4）结构简单、工艺性好，提高传

51、动机构的刚度。 1）在可能的情况下，应尽量使导轨结构简单，便于制造和维护。 2）对于刮研导轨，应尽量减少刮研量。 3）对于镶装导轨，应做到更换容易。 3.63.6 外部结构设计外部结构设计 考虑到装置设计的通用性和制作的工艺性，采用一个底板、两个 水平固定板、两个壁板的结构。上、下水平固定板用来将丝杠螺母固 定，并用于安装导轨，保证结构受力的均匀。 图 3.12 外部结构设计 3.73.7 装置的最终结构装置的最终结构 图 3.13 装置的最终结构 4 4 数控机床在线检测技术数控机床在线检测技术 数控机床是现代高科技发展的产物，每当一批零件开始加工时， 有大量的检测需要完成，包括夹具和零件的

52、装卡、找正、零件编程原 点的测定、首件零件的检测、工序间检测及加工完毕检测等。目前完 成这些检测工作的主要手段有手工检测、离线检测和在线检测。在线 检测也称实时检测，是在加工的过程中实时对刀具进行检测，并依据 检测的结果做出相应的处理。在线检测是一种基于计算机自动控制的 检测技术，其检测过程由数控程序来控制。闭环在线检测的优点是： 能够保证数控机床精度，扩大数控机床功能，改善数控机床性能，提 高数控机床效率。 4.14.1 数控机床在线检测系统的组成数控机床在线检测系统的组成 数控机床在线检测系统分为两种，一种为直接调用基本宏程序， 而不用计算机辅助；另一种则要自己开发宏程序库，借助于计算机辅

53、 助编程系统，随时生成检测程序，然后传输到数控系统中，系统结构 如图 1 所示。 图 4.1 计算机辅助在线检测系统组成 数控机床的在线检测系统由软件和硬件组成。硬件部分通常由以 下几部分组成： (1) 机床本体 机床本体是实现加工、检测的基础，其工作部件是实现所需基本 运动的部件，它的传动部件的精度直接影响着加工、检测的精度。 (2) 数控系统 目前数控机床一般都采用 CNC 数控系统，其主要特点是输入存储、 数控加工、插补运算以及机床各种控制功能都通过程序来实现。计算 机与其他装置之间可通过接口设备联接，当控制对象或功能改变时， 只需改变软件和接口。CNC 系统一般由中央处理存储器和输入输

54、出接 口组成，中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。 (3)伺服系统 伺服系统是数控机床的重要组成部分，用以实现数控机床的进给 位置伺服控制和主轴转速(或位置)伺服控制。伺服系统的性能是决定 机床加工精度、测量精度、表面质量和生产效率的主要因素。 (4)测量系统 测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成， 是数控机床在线检测系统的关键部分，直接影响着在线检测的精度。 其中关键部件为测头，使用测头可在加工过程中进行尺寸测量，根据 测量结果自动修改加工程序，改善加工精度，使得数控机床既是加工 设备，又兼具测量机的某种功能。 目前常用的雷尼绍测头，是英国雷尼绍公司的产品，如

55、图 2 所示。 它们用于数控车床、加工中心，数控磨床、专机等大多数数控机床上。 测头按功能可分为工件检测测头和刀具测头；按信号传输方式可分为 硬线连接式、感应式、光学式和无线电式；按接触形式可分为接触测 量和非接触测量。用户可根据机床的具体型号选择合适的配置。 图 4.2 雷尼绍 RMP60 无线电式测头 (5)计算机系统 在线检测系统利用计算机进行测量数据的采集和处理、检测数控 程序的生成、检测过程的仿真及与数控机床通信等功能。在线检测系 统考虑到运行目前流行的 Windows 和 CAD/CAM/CAPP/CAM 以及 VC+等 软件，以及减少测量结果的分析和计算时间，一般采用 Penti

56、um 级别 以上的计算机。 4.24.2 数控机床在线检测的工作原理数控机床在线检测的工作原理 实现数控机床的在线检测时，首先要在计算机辅助编程系统上自 动生成检测主程序，将检测主程序由通信接口传输给数控机床，通过 G31 跳步指令，使测头按程序规定路径运动，当测球接触工件时发出 触发信号，通过测头与数控系统的专用接口将触发信号传到转换器， 并将触发信号转换后传给机床的控制系统，该点的坐标被记录下来。 信号被接收后，机床停止运动，测量点的坐标通过通信接口传回计算 机，然后进行下一个测量动作。上位机通过监测 CNC 系统返回的测量 值，可对系统测量结果进行计算补偿及可视化等各项数据处理工作。 测

57、量典型几何形状时检测路径的步骤为： （1）确定零件的待测形状特征几何要素； （2）确定零件的待测精度特征； （3）根据测量的形状特征几何要素和精度特征，确定检测点数及 分布； （4）根据测点数及分布形式建立数学计算公式； （5）确定检测零件的工件坐标系； （6）根据检测条件确定检测路径。 4.34.3 数控机床在线检测编程数控机床在线检测编程 在线检测技术的关键主要体现在检测程序的编制上，检侧程序编 制质量的优劣直接影响到检测效果。目前检测软件有商业化软件和自 主开发的软件。商业化软件如英国 DELCAM 公司新版本的 PowerInspect，是一款开放的检测软件，不受测量设备的限制，既可

58、以在线检测，也可以脱机检测。不仅提供在线检测的功能，还能够在 检测前针对读取的 CAD 模型进行检测路径的编程工作，并进行检测的 仿真。随后可以把编制好的程序传输给 CNC 检测设备，进行自动检测。 又如雷尼绍公司基于 PC 机的在机检测软件 OMV（on machine verification） ，该软件专为数控机床配用系统而编写，主要应用于： 根据原始 CAD 数据，检测样件、复杂零件及大型零件、多工序零件以 及模具。 自主开发软件的编程方式有：基于 C、 C+、 VC+、 VB、 Delphi 开发平台的在线检测编程和基于 CAD 开发平台的在线检测编程。 基于 VC+ 语言的在线检测

59、编程结构框图如图 3 所示。 图 4.3 基于 VC+ 语言的在线检测系统结构框图 检测部分主要模块的功能如下： (1) 测量主程序自动生成模块：主要完成零件待测信息的输入， 生成检测主程序。 (2) 误差补偿模块：对测量过程中所产生的误差进行补偿，提高 测量精度。 (3) 通信模块：完成主程序与被调用宏程序的发送及测量点坐标 信息的接收。 (4) 测量宏程序模块：实现宏程序的管理和内部调用。主模块要 实现对宏程序的查找、增添、修改及删除等操作。 (5) 数据处理模块：对测量点坐标进行补偿，完成各种尺寸及精 度计算。通过打开测量结果数据文件，获得测量点坐标信息，经过相 应的运算过程最终得到所测

60、值。 基于 CAD 开发平台的在线检测自动编程是采用 AutoCAD 作为系统 集成开发平台，并采用 ObjectARY 作为二次开发工具，开发该系统可 弥补 CAD/CAM 系统所欠缺的功能，实现检测程序的图形化编制，即 CAD 在线检测。 4.44.4 数控机床在线检测系统仿真数控机床在线检测系统仿真 目前数控机床在线检测借鉴于 CAD/ CAM 技术的发展思路可开发相 应的在线检测仿真系统。仿真系统以图形化的方式再现数控机床在线 检测过程，可形象直观地对检测路径规划进行检查，提前发现宏程序 编制中的错误，以避免在真实检测过程中对在线检测系统所造成的破 坏。 以 VC+作为系统开发工具，O