专门化数控铣床的结构设计

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1、- 1 - 目录 EQUATION CHAPTER 1 SECTION 1目录 . 1 1 前言 . 3 1.1 弧面分度凸轮机构的研究现状 . 3 1.2 现有的凸轮加工方案缺陷及分析 . 5 1.3 本文研究的主要内容 . 6 2 总体方案确定 . 7 2.1 机床的设计要求 . 7 2.2 设计方案提出 . 7 2.2.1 设计方案确定 . 7 2.2.2 方案论证 . 10 3 铣床结构设计 . 11 3.1 切削力与切削功率的计算 . 11 3.1.1 弧面分度凸轮廓形的加工过程 . 11 3.1.2 切削力的计算 . 12 3.1.3 切削功率的计算 . 12 3.2 标准件的选择

2、 . 12 3.2.1 分度装置的选型 . 13 3.2.2 回转工作台的选型 . 13 3.2.3 十字工作台的选型 . 14 3.2.4 电主轴的选型 . 16 3.2.5 数控装置的选择 . 16 3.2.6 伺服电机的选择 . 17 3.3 非标准件的设计 . 17 3.3.1 支承件-床身设计 . 17 - 2 - 3.3.2 切深机构的设计 . 19 （ 1）丝杠的设计 . 20 （ 2）导轨的设计 . 21 3.3.3 中心距调整锁紧部件的设计 . 23 3.3.4 分度头卸荷支撑装置设计 . 23 结 论 . 25 参 考 文 献 . 26 - 3 - 1 前言 数控机床在当今

3、机械制造业中，已经成为能够实现机电一体化的先进性代表设备。 随着制造业的发展，数控机床的设计已经成为了摆在我们面前的一项迫切而艰巨的任务，特别是对专门化数控机床的研究的任务要求尤为迫切。而在我们实际生活的应用中，某些自动化设备或是自动化生产线往往需要用到一些分度机构或者是间歇机构， 来实现周期性的转位以及某些间歇性的运动等。而传统的间歇机构因其存在性能差、精度低、局限性等缺陷，已经越来越不能适应现代制造产业，研究与开发新型间歇传动机构已经成为一项势在必行的任务。 总而言之，数控机床的广泛应用给空间曲面的加工提供了可行性的保证。从上世纪八十年代起，国外的生产线就已开始大量采用凸轮式分度机构；而分

4、度凸轮机构在国内的普及则要追溯到九十年代之后，直至到上世纪末，才形成了一定规模的市场。 由于弧面分度凸轮的工作轮廓为空间不可展曲面，因此加工起来就有一定的困难度。 就加工设备而言，目前已知的可以进行弧面分度凸轮加工的设备理论上分为三种：一种是国内普遍使用的简单设备，大多是由铣床或滚齿机改造而成，而且只能在加工普通弧面分度凸轮时使用；另两种分别是日本和德国采用的专用加工机床以及美国和俄罗斯使用的数控加工机床，前者可以加工几乎各种类型的弧面分度凸轮，后者以其设备通用性而著称。 弧面凸轮机构的结构简单，传动平稳，传递扭矩大，可以说是一种很好的间歇传动机构。但是，由于弧面分度凸轮设计和制造技术还未达到

5、发达国家的水平，弧面分度凸轮机构还未能在生产中形成大范围的推广和应用，国产的弧面分度凸轮机构普遍缺乏市场竞争力。因此，新设备的开发、新的加工工艺的研发，具有十分重要的实际意义和远阔的市场前景。 1.1 弧面分度凸轮机构的研究现状 弧面凸轮分度机构的概念始创于20 世纪20 年代，是由一个名叫C.N.Neklutin的美国人发明的，并由其所创建的FERGUSON 公司率先进行了标准化、系列化的生产。在那之后，欧洲及日本等国也随之开展了有关弧面分度凸轮这方面的研究，并成立了专门的生产和研究机构。 而在国内，有关弧面凸轮分度机构的研究和探索则开展的较晚，直到20 世纪 70 年代才有人开始着手进行这

6、方面的研究工作。但是，经过这二十多年来的努力，目前，我国在弧面凸轮分度机构的理论研究、机构设计以及制造与检测等各个方面都做了大量的经验积累，也取得了较为丰硕的成果。并且，在弧面凸轮分度的新型结构研究方面，也做了大量的探索。 弧面分度凸轮机构的设计研究已逐步趋于完善，但在制造方面的研究仍旧相对欠- 4 - 缺。 山东大学曾与山东诸城锻压机床厂利用滚齿机改造制成简易弧面凸轮加工专用数控加工机床，该机床系统是开环控制，这种系统虽然具有结构简单、价格低廉且易于维修等优点，但由于机床的位置精度完全取决于该机床机械部分的传动精度以及步进电动机的步距角精度，故而该改造而成的机床很难达到较高的位置精度。从国内

7、总的情况来看，弧面凸轮加工的专用数控机床普遍存在有一定的缺陷，仍然有进一步发展和改进的空间存在。 弧面分度凸轮机构制造的关键是，进行弧面分度凸轮的加工。国内弧面分度凸轮加工的研究始于上世纪九十年代，主要涉及的仍然只是偏向于理论方面的工作，如数控加工系统和范成加工这些方面。近年来，由于各方面的努力，在加工误差分析、工艺参数和自动编程等理论研究方面也取得了较好的成果。然而，相比于加工理论方面的研究，在加工设备开发方面的贡献就可称得上少之又少了。在国内实际生产中，几乎全部生产厂家都是采用滚齿机改造而成的数控机床来进行弧面分度凸轮的加工，新型设备的使用率趋于零。 如图1-1 所示，弧面分度凸轮机构的输

8、入轴与输出轴交叉垂直，而滚子则分布于分度盘的径向，呈辐射状，滚子轴线与分度盘轴线相互垂直并交于一点。这就好比是弧面蜗杆传动，凸轮相当于是蜗杆，分度盘相当于是蜗轮，滚子数与蜗轮齿数相当。不同点就是，在蜗轮传动时蜗轮是连续等速转动的，而在分度凸轮机构运动时，分度盘是间歇的非等速转动。 图 1-1 弧面分度凸轮示意图 弧面分度凸轮机构的优越性主要体现在以下四个方面：第一，凸轮的廓面是按最佳动力性能的运动规律设计的，又在数控机床上按包络原理加工出来的，没有所谓的理论误差。第二，中心距是可调的，能在凸轮与滚子间产生预应力，继而消除了传动- 5 - 间隙。第三，分度盘在停歇时，分度盘上相邻两个滚子卡在凸轮

9、的背脊上，能够做到定位既准确又可靠。又兼有分度、定位、自锁三种功能。第四，它的机构刚度大，强度高，寿命长。 弧面凸轮机构以其良好的运动特性和动力特性而著称，而且具有丰富灵活的凸轮曲线可供选择，可以满足各种复杂的运动控制的要求，且不必附加别的装置，就能获得比较好的定位作用。它的分度范围较宽、承载能力较大、运动特性比较好，同时还具有设计限制少、零件的故障率低、可靠性高、控制元件少、安装调试方便、结构紧凑、易于维修等特点，因此被广泛用于加工中心刀库、高速冲床、包装机等各类机械行业。发达国家已经开始对弧面凸轮进行标准化和系列化的管理，并致力于大批量的开发研究。在我国国内，弧面凸轮机构的发展也很迅速。

10、弧面分度凸轮虽然具有性能优越的优点，但在实际应用中，凸轮曲面轮廓的精度要求比较高、形状较复杂，所以加工时制造难度较大，需要用具有双回转坐标、并且对空间位置有特定要求的数控设备来进行加工。 1.2 现有的凸轮加工方案缺陷及分析 国内弧面分度凸轮机构的设计研究理论已经趋于完善，但制造方面的研究仍旧是相对欠缺。由于加工设备的水平还不高，国内勇于弧面分度凸轮廓形的加工设备普遍采用的是两轴联动的等径加工，而这种加工方法，要求刀具的直径必须等于滚子的直径，这样刀具的磨损就会直接造成加工误差，所以为了保证加工精度，首先就必须要控制住刀具的磨损量。要克服以上这些等径加工的缺点，就必须采用非等径加工，因此国内急

11、需性能优越、价格适中的、能够实现非等径加工的、专门用于弧面分度凸轮加工的数控机床。 目前，国外用于加工弧面凸轮的设备可分为两种，一种是专用的加工机床，德国和日本多用此类加工设备，这种机床几乎可以加工各种类型的弧面分度凸轮；还有一种机床通用性很强，美国和俄罗斯多是使用这种。而国内专用数控机床种类很多，主要采用的方案有两种：一种是采用具有两个旋转坐标的专用数控铣床加工；另一种是采用五坐标数控加工中心，并且在加工时必须采用四轴联动。但是，从国内总的情况来看，高精度弧面凸轮加工的专业数控及机床都存在有一定程度的缺陷，有待进一步的提高和改进。 自动化的程度较低。国内用于加工弧面凸轮的NT-XK5001

12、专用数控立铣床由于主轴刚性较低，回转角度较小等缺点制约，导致凸轮的加工自动化程度较低。 机床的精度较低。某些高校利用滚齿机改造而成的简易专用数控加工机床，是属于开环控制系统，机床的位置精度就几乎完全取决于步进电动机的步距角精度，以及机械部分的传动精度，故而凸轮加工过程中很难达到较高的位置精度。 成本比较高。国内一些机床制造公司采用卧式加工中心改造而成的弧面凸轮加- 6 - 工中心，成本较高（约花费130 万人民币），且被加工工件中心距不能过小，导致加工范围有一定的限制。 1.3 本文研究的主要内容 本次毕业设计在综合了弧面分度凸轮机构研究现状的基础上，分析了目前弧面分度凸轮研究与生产中存在的各

13、种问题，提出了本文的主要研究内容，即设计一台性能优越、价格适中的用于专门加工弧面分度凸轮的专门化数控铣床，该铣床还要能实现非等径加工。进行弧面分度凸轮廓形加工的切削力计算，为结构设计和电机选型提供理论依据。 根据要求设计一台用于加工分度凸轮的专门化数控铣床，侧重于结构设计，控制系统选用已有的。满足给定加工要求，如加工范围，加工精度等。确保实现既定工艺方法所需要的工件和刀具的相对位置与相对运动。在既经济又合理的条件下，尽量将传动链设计的短些，使机构简化，以提高传动精度和传动效率。另外，还需确保铣床具有与所要求的加工精度相适应的刚度，抗振性、热变形及噪声水平维持在正常范围内。所设计机床应便于观察加

14、工过程，便于操作、调整和维修。尽量使结构简单，合理可靠。并注意使之体积小，重量轻等。 - 7 - 2 总体方案确定 2.1 机床的设计要求 本次毕业设计的目的是设计一台可用于加工弧面分度凸轮的专门化数控铣床。设计要求如表2-1： 表 2-1 数控铣床的设计要求 设计要求 被加工工件的中心距/mm 40-300 被加工工件的直径/mm 350 纵向进给/mm 550 主轴最高转速/ r min 6000 最高进给速度（交流伺服）/mm/min 3000 2.2 设计方案提出 现有弧面分度凸轮的加工方案主要分为两种：一种是采用带有两个旋转坐标(即刀具回转坐标和工件回转坐标)来进来加工；另一种是采用

15、五坐标数控加工中心进行铣削操作，此种操作加工时必须要四轴联动。 两轴联动的方案又可细分为三种：刀具不动，工件绕自身回转轴转动，同时绕工件转动；刀具和工件分别绕各自回转轴转动；工件不动，刀具既摆动又绕着工件转动。论证得知：第三种方案传动系统结构过于复杂，不容易实现，故实际生产中很少采用。 而五坐标数控加工中心铣削成本较高，所以此方案也不予采用。 综合以上两种可行的联动方式，在充分调研的基础上，提出了卧式和立式两种结构设计方案。 考虑到以上两种因素，提出了具有两个回转运动和一个直线运动的三轴联动铣床结构方案。 2.2.1 设计方案确定 （ 1）立式结构 通过查阅和参照已有机床结构，得出能够实现机床

16、三轴联动功能要求的结构形式主要有以下立式和卧式两种。 立式结构有两种形式。图2-1 为立式三轴联动数控加工机床的第一种方案，升降- 8 - 工作台左右移动由水平工作台带动，以此调整刀具与工件的相对位置。中心距的调整由升降工作台上下移动，实现；立式布置的回转工作台上安装刀架，刀架上面装有驱动部分电主轴。 回转工作台立式布置，该立式布置机床由于回转工作台的承载能力不大，在同样载荷的情况下，应该设计的工作台尺寸要远大于卧式布置的工作台尺寸。由于升降工作台和回转工作台都是直接作用在水平工作台上的，两者质量都比较大，对应的直线驱动电机的转矩要求也增大。又由于直线运动的惯性存在，使得运动的响应变得迟钝。

17、刀架安装在回转工作台之上，而刀架上面安装有电主轴。由于刀架的位置较高，并且是垂直放置的，使得换刀及进给的操作不大方便。 分度头水平工作台升降工作台电主轴回转工作台 图 2-立式结构方案一 图 2-2 为立式布置的第二种方案，水平工作台上安装分度头和尾座，它能够左右转动以调整刀具和工件之间的相对位置，对中心距起调节作用的是垂直工作台。回转工作台安装在垂直工作台上，并随之上下移动。刀架安装在回转工作台上，刀架上安装有电主轴。 与上一种方案相同地，刀架是垂直布置且位置较高，不便于换刀操作和进给操作的进行。回转工作台的尺寸也必须要比卧式布置的设计的大出许多以满足相同载荷的需要。不同点是，方案二里将升降

18、台和回转工作台从水平工作台上移除，回转工作台是置于垂直工作台之上的，减少了水平工作台的承重，使得直线运动的重量减小，所以对驱动电机输出转矩的要求也相应减小，直线运动的响应特性得到改善。 - 9 - 分度头水平工作台升降工作台电主轴回转工作台 图 2-2 立式结构方案二 （ 2）卧式三轴联动数控加工机床 相较于立式布置，卧式布置也有两种不同的方案。 图 2-3 为卧式三轴联动数控加工机床的第一种方案，该机床纵向工作台上安装有分度头和尾座，并依靠它来带动工件使之能够左右移动。而横向工作台左右移动，能够实现中心距的调整。卧式布置的横向工作台上安装有回转工作台，进给刀架安装在回转工作台上，最后将电主轴

19、安装置于进给刀架之上。 横向工作台回转工作台床身纵向工作台进给刀架分度头电主轴 图 2-3 卧式结构方案一 该卧式布置机床的回转工作台承载能力比立式布置的要大，在相同载荷的情况下，回转工作台的尺寸要比立式布置的要小。卧式布置机床中刀架的位置相对合适，便于进行换刀操作和进给操作。相对于立式布置机床，卧式布置的直线运动的质量减少很大一部分，对应的驱动电机输出转矩要求也随之降低，有效的改善了运动的响应- 10 - 特性。但由于该结构的横向工作台布置的较低，不便于中心距的调整。 图 2-4 为卧式结构布置的另一种方案，在床身导轨上安装分度头和尾座，在纵向工作台上面安装径向工作台，并使之左右移动。而横向

20、工作台安装在底座上，能够左右移动以实现中心距的调整。回转工作台安装在横向工作台之上，回转工作台上安装有进给刀架，刀架上安装有电主轴。刀架的位置安排合理，给机床的进给及换刀操作 带来便利。 与第一种方案相同，该卧式布置机床的回转工作台的承载能力也大于立式结构机床，在同样载荷时，应设计的工作台尺寸要比立式结构布置的机床小的多，这就节省了空间。而两者之间的不同主要是由于纵向工作台的安装位置不同造成的。方案二将纵向工作台安装到底座之上，横向工作台则安装在纵向工作台上，两者的组合使得横向工作台的位置得到提高，便于了中心距的调整。 分度头电主轴进给刀架回转工作台横向工作台纵向工作台床身尾座 图 2.4 卧

21、式结构方案二 2.2.2 方案论证 综合考虑到静刚度、抗震性、操作和维护的方便及制造成本等因素，分析上述可供选择的设计方案，比较得出：卧式结构方案二能够满足机床设计的刚度要求，而且更兼有结构紧凑以及操作方便等优点，因此最终选用卧式结构方案二。 该卧式布置的机床将横向工作台置于纵向工作台之上，两者结合可视为十字工作台。该结构提高了横向工作台的位置，使得中心距的调整变得简单方便。由于两座工作台组合安装，使得系统的刚度降低，可通过设定调整预紧力的方法来提高系统的刚度；而又因为纵向及横向工作台都设置在底座上，使得底座的承重增加，直线运动的质量增大，影响到运动响应的灵敏度，可以在设计时采用摩擦力较小的滚

22、动导轨和滚珠丝杠，来使得运动的响应特性得到很好的改进。 - 11 - 3 铣床结构设计 3.1 切削力与切削功率的计算 切削力与切削功率的计算为机床的结构设计和电机选型提供了数据上的支持，所以，要进行机床的结构设计，首先必须要进行的是在最大切削用量的基础上进行切削力和切削功率的运算。 3.1.1 弧面分度凸轮廓形的加工过程 弧面分度凸轮机构为定轴传动，一般情况下，凸轮与转盘之间的传动可以理解为直廓环面蜗杆副传动，凸轮就好比是蜗杆，而转盘相当于蜗轮，转盘上的滚子可理解为蜗轮的齿。由此即得出凸轮工作齿面的形成原理：一个直径为d 的圆柱体，其中心线通过一个回转中心，并且该中心线与凸轮轴线相交，圆柱体

23、围绕回转中心以角速度f变速旋转，同时凸轮绕其自身轴线作等角速度的旋转运动，f与是按照所需要的运动规律自行选取的，最后可得出：弧面分度凸轮的工作曲面就是该圆柱体在凸轮母体上包络出来的轨迹曲面。 弧面分度凸轮就是按其齿面的形成原理进行加工得出的，也就是在从动转盘滚子处装一把与滚子同参数的铣刀，凸轮毛坯匀速转动，工作台按照特定规律定轴同向转动，铣刀就会在凸轮的毛坯上包络出相应的曲面即为要加工的凸轮。 凸轮毛坯 刀具 f0 图 3-1 弧面分度凸轮廓形的加工过程 如图3-1 所示，凸轮绕自身轴线以转动，滚子是从动件，凸轮廓形与滚子啮合，从而带动分度盘绕轴线O以f转动，这两个转动需满足一定的函数关系，并

24、按此函数关系来保证传动规律的要求。通常情况下，凸轮轴线与滚子轴线在同一平面内。在切削过程中，立铣刀就相当于是传动过程中的滚子，切削主运动就是刀具绕自身轴线- 12 - 的转动，而进给运动则是凸轮毛坯绕自身轴线的转动f与刀具绕O的转动，f与之间满足与以下相同的函数关系，即 ) (fF （ 3-1） 进给运动是回转运动f与f的合成，进给速度矢量f是与f、刀具位置和切削点位置相关的变量。 3.1.2 切削力的计算 切削力计算公式为： zadaaCFptfeFc86. 072. 086. 0 （ 3-2） CF为圆周切削力（主切削力），ea为铣削接触弧深（ mm），fa为每齿进给量（ mm/齿） ，t

25、d铣刀直径，pa铣削深度（mm），z为铣刀齿数。 切削深度pa为30mm，铣刀直径td为30mm，铣刀齿数z为2，FC系数查表得68，铣削接触弧深ea为 30mm，每齿进给量fa取 0.15mm/齿， 最大切削速度为1.67m/s。 将数据带入公式，得到CF=1280N。 3.1.3 切削功率的计算 要进行主电机的选型，首先必须计算出弧面分度凸轮的最大切削功率，最大切削功率的公式如下： CCCPFR （ 3 3） 代入数据得到，P=2Kw。 3.2 标准件的选择 基于减少制造成本的原则，在设计过程中，尽可能地选用专业制造商生产的标准部件和通用部件，这样便能够使得机床的质量和精度得以保证，充分体

26、现了本次设计的设计意图，从而实现设计目标。 驱动的完成，需要足够大的转矩，进而促成回转进给运动的实现，而这些过程都需要通过伺服电机来执行，并经由转矩放大装置来驱动执行元件，这样做能够大幅度减少对电机输出转矩的要求，使得设备的成本能够得到有效的降低。充分考虑设计方案的要求，可设计成：数控分度头由伺服电机带动，来驱动工件夹具，以实现工件的回转进给运动。而伺服电机也能带动回转工作台运转，进而带动回转工作台上的切深机构、电主轴工作，以实现刀具的回转进给运动。 - 13 - 这就要求进对数控分度头、数控回转工作台、XY 十字工作台、电主轴等标准件进行选型。 3.2.1 分度装置的选型 分度头是用卡盘或用

27、顶尖和拨盘夹持工件并使之在两者之间能够回转和分度定位的机床附件。 分度头最主要的用途是在铣床上，也常用于钻床和平面磨床，还可放置在平台上供钳工划线用。分度头按其适用场合主要可分为通用分度头和光学分度头两类；按其传动、分度形式则可分为蜗杆副分度头、端齿盘分度头、槽盘分度头、孔盘分度头、度盘分度头和其它分度头(包括电感分度头和光栅分度头等等)。按其功能可分为万能分度头、半万能分度头以及等分分度头。按其结构形式来说，又有立卧分度头、可倾分度头、悬梁分度头之分。一般来说，分度头可作为是通用型机床附件，其结构主要由夹持部分、分度定位部分、传动部分等部分组成。 依据设计要求，工件必须要能够进行连续的旋转运

28、动并且要能够对旋转的角度进行控制。这就需要对各种不同类型的机床分度装置进行选择。 总的来说，能够实现分度功能的构件可分为分度盘和分度头等。综合考虑到工件的安装形式和尺寸，选用分度头比较合适。分度头的驱动方式有机械式、数控式等多种，但能实现连续旋转的构件只有数控式的分度头。因为数控式的分度头能与机床的数控系统相连接，从而加以控制，实现连续的旋转分度，而其他形式的分度头则无法进行连续的旋转运动。考虑到被加工工件中心距为40-300mm，直径为350mm 以下，数控分度头的中心高不能太低，否则工件将无法进行加工。 由于工件的加工精度和工件最大质量存在严格的要求，若想要达到加工所要求的精度，必先将分度

29、头的分度精度控制在10内，而最大的切向力矩要在100Nm 以上。综合比较各分度头生产厂家的资料，决定选用烟台环球机床附件集团有限公司生产的FK15125 数控分度头，其主要参数如表3-1： 表 3-1 FK12125 型数控分度头的主要参数 项目 中心高 mm 分度精度 切向最大力矩 N m 净重 kg 参数 125 10 120 80 3.2.2 回转工作台的选型 回转工作台是带有可转动的台面、用以装夹工件并实现回转和分度定位的机床附件。按其功能的不同可分为通用转台和精密转台两类。 （ 1）通用转台是镗床、钻床、铣床和插床等各类机床的重要附件，可用于加工有- 14 - 分度要求的孔、槽和斜面

30、等等，加工时工作台转动，则可进行圆弧面和圆弧槽等曲面的加工。通用转台按其结构的不同又分为水平转台、立卧转台和万能转台这几类。 水平转台的明显特征是在圆台面上有工件定位用的中心孔和夹紧用的T 型槽。它的台面外圆周上刻有360的等分刻线,蜗杆从底座伸出的一端装有细分刻度盘和手轮，且台面与底座之间设有蜗杆-蜗轮副,速比为90:1 或 120:1，用以传动和分度。若想驱动台面只需转动手轮即可，并由台面外圆周上的刻度（以度为单位）与细分刻度盘读出旋转角度。水平转台所能分度的精度一般为60。 水平转台的蜗杆伸出端也可用联轴器与机床传动装置联接，以实现动力驱动。 立卧转台的特点是底座有两个相互垂直的安装基面

31、，使转台的台面既可水平放置也可以垂直放置。 万能转台的台面可以在0 90范围内倾斜任意角度, 使得工件在空间的任何角度都能调整到准确的位置。 （ 2） 精密转台可用于在精密机床上进行加工或者是角度的计量。常见的精密转台种类有光学转台、数显转台和超精密端面齿盘转台等等。 光学转台的特征是主轴上装有玻璃或金属精密刻度盘，经由光学系统将刻度细分、放大，然后再通过目镜或光屏读出角度值。 数显转台的转台主轴上装有精密圆光栅或圆感应同步器，是经由数字显示装置读出角度值。上述的两种精密转台的分度精度最高都可以达到1的等级。 超精密端面齿盘转台是利用一对经过精密对研的端面齿盘分度定位, 齿盘可能是1440 齿

32、、720 齿或是360 齿这几种情况，其分度精度最高可以达到0.01，所以可作精密角度计量用。 根据对回转工作台上需要承受的质量的大致估算，所需设计的回转工作台的承载能力大约应不少于400kg ， 最大驱动力矩要在1000 N m，根据加工精度的要求，分度精度大约在10左右。根据以上的要求，结合各生产厂家的资料，选用的是烟台环球机床附件集团有限公司生产的TK13400B 型数控回转工作台。该回转工作台的主要结构特点为：采用的是平面滑动轴系结构，平面支承导轨结构比较大，稳定性增加，工作台总的高度较低，使得整体结构紧凑，刚性好等。其主要参数见表3-2： 表 3-2TK13400B 数控回转工作台的

33、主要参数 项目 工作台面直径 mm 承载能力 kg 最大驱动力矩 Nm 分度精度 转台重量 kg 参数 500 500 1200 10 295 3.2.3 十字工作台的选型 中心距调整机构的功能是：根据弧面分度凸轮与滚子工作时的中心距大小来调整- 15 - 中心距。开始加工之前，先根据被加工件弧面分度凸轮与滚子之间的中心距，将中心距调整机构调整到合适的位置，并通过锁紧机构进行锁紧，以保证在加工时该机构不能运动影响加工过程。 图 3-1 XY 十字工作台 表 3-3 JSK5070 型工作台主要参数 行程S(Y X) mm mm 长度Ly Lx mm mm 宽度 高度 承载台尺寸 mm mm 重

34、量 kg 500 700 840 1000 320 240 400 300 135 表 3-4 JSK5070 型工作台精度 单位：mm 重复定位精度 定位精度 运动精度 导轨安装直线度 台面运行平行度 0.009 0.060 0.070 0.030 0.040 由于中心距调整机构并非是联动的，并且对运动的要求不高，所以选用手动控制即可。另外，由于直线进给机构与中心距调整机构为垂直布置，因此可以考虑采用十字工作台。根据工作台上的回转工作台的连接尺寸，可选用宽度为400-450mm，长度为350-380mm 的工作台装置。再由加工的弧面分度凸轮的尺寸要求，选用工作台- 16 - 导轨的行程S(上

35、下)为 500700。根据以上要求，可选用由济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的JSK 数控工作台，型号为JSK-5070，并将横向的Y 工作台的伺服系统去掉，改为手动控制，主要外形见图3-1，其主要尺寸参数和精度指标表3-3、 3-4： 3.2.4 电主轴的选型 主轴组件是机床的重要组成部分，数控机床主轴单元影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力性能及稳定性对工件加工起着关键的作用。 主轴的驱动形式有很多种，如机械驱动、液压驱动、气压驱动等。各个驱动方式都有其利弊。例如：机械驱动须设有一个传动系统（是由皮带或齿轮等构成），而且该种驱动方式下的主轴箱尺寸较大，无端使得机床尺寸增大，不满足简

36、易设计的要求。并且，传动系统运行过程中必然会产生振动和发热等，对主轴精度影响很大，进而影响到加工出的凸轮的精度。液压驱动方式是以压力油为能源的，所产生的驱动力比较大，工作状态平稳，产生的噪音也较少，但是使用液压驱动需要自行设计专用液压系统，增加了制造成本，不满足经济设计的要求。综合各个驱动方式的优缺点，选用电主轴驱动为最佳方案。 电主轴具有结构紧凑、重量轻、振动小、惯性小、响应快、噪声低等显著优点，而且转速高、功率大，能够使得机床的设计结构简化，以便于实现主轴的定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。电主轴能够在额定转速范围内实现无级变速，以适应各种不同类型的工况和负载变化的要求；并能利用电机矢

37、量控制技术，以满足强力切削时所需要的大扭矩要求。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。 本次设计选用的电主轴的动力为220V 三相交流电，最高转速为8000r/min ，其恒功率段的转速为20008000r/min 。粗加工时的最大切削功率为1.98kw，主轴转速一般在700r/min左右，因此，电机的功率应为1.98 2000/700=5.66kw 。 综合各厂家实际产品情况，决定选用有洛阳轴承研究所和洛阳轴研科技股份有限公司生产的电主轴，型号为220XDS16 ，其技术参数件表3-5。 表 3-5 220XDS16

38、型电主轴的参数 电机功率 kw 安装尺寸D L mmmm 恒功率转速 r/min 轴端连接 mm 6 220352 20008000 40(7:24) 3.2.5 数控装置的选择 数控装置有很多不同的类型，例如Fanuc， Bendix，西门子，南京四开电子有限公司生产的等。综合比较它们的性能和价格等各方面，本次设计决定选用南京四开公- 17 - 司出品的SKY2000 型系统，该系统除了具有价格上的优势外，还具有如下优势性能：操作系统是以Windows98 为平台，与标准PC 计算机完全兼容，使得日后的维修、升级变得方便；该装置采用的是中文操作界面，具有程序仿真功能，以及实时动态图形显示功能

39、。 3.2.6 伺服电机的选择 数控机床伺服系统的性能在很大程度上取决于伺服驱动电动机及其驱动技术的发展。数控机床发展的初期多是采用步进电动机加液压扭矩放大器；20 世纪70 年代初期流行的是使用由步进电动机、伺服阀、液压马达组合而成的电液脉冲马达；70年代中后期，开始了永磁式宽调速直流伺服电动机时代；到了80 年代，交流伺服电机就已经逐渐取代了直流伺服电机。本次设计采用的是交流伺服电机。 选择的伺服电机，应满足下列条件： 在所有的进给速度范围内（包括快速移动）， 空载进给时的力矩应小于电动机的额定转矩； 最大切削力矩应当小于电动机额定转矩； 加、减速的时间应当符合所希望的时间常数； 快速进给

40、频繁度能够控制在希望值以内。 依据电机的选用原则，综合比较各厂家电机性价比，进给运动的驱动决定选用三菱公司生产的SFMGH09A 型交流伺服电机；而电主轴采用变频调速，选用的是三菱公司出品的FR-A540-22K-CH 型变频器。 3.3 非标准件的设计 3.3.1 支承件-床身设计 支承件是机床的基本构件，它起着连接、支承其他部件以及承受其他部件重力、切削力的作用。 支承件既是机床的基本部件，又是关键部件。支承件的主要功能是保证机床各零部件之间的相互位置和相对运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗震性、热稳定性和耐用度。并且为了使得设计出的机床具有外形美观、结构紧凑等优点，支承件的设计要给运

41、动部件留出足够的空间来。一般应满足以下几点： （ 1）应具有足够的静刚度和较高的刚度重量比。 （ 2）应具有较好的动态特性，包括较大的位移阻抗（动刚度）和阻尼；整机的低阶频率较高，各阶频率不致引起机构共振；不会因薄壁振动而产生噪声。 （ 3）应具有较好的热变形特性，使整机的热变形较小或热变形对加工精度的影响较小。 （ 4）应该具有排屑畅通、吊运安全，并具有良好的工艺性以便于制造和装配。 - 18 - 为了保证支承件具有足够的刚度，必须进行受力分析，从而有效的进行结构设计，保证机床的加工精度及质量要求，并在这个前提下尽量节约金属。 根据以上要求，参照工作条件相似已有机床，确定床身结构如下： 图

42、3-2 支承件结构 由于此工作台是水平安装的，需要考虑到冷却液的导流等问题，必须要有导流槽的设计，其结构设计为图3-3 所示的形式。这样的设计使得加工过程得以简化，并提高了工作台的加工工艺性。 工作台表面采用的是粗铣、精铣的加工方案。T 形槽的尺寸及间距1000.1。 T 形槽铣刀铣出，两侧的粗糙度为Ra3.2。 - 19 - 16+0.01606.36.31.61.63015 图 3-3 T 形槽结构 本次设计中，铣床工作时工件是支承在数控分度头和尾座之间的，而电主轴的工作区域也是在数控分度头和尾座之间。在垂直面内，切削力的主分力经过切深部件、回转工作台以及十字工作台，并作用于底座。分作用力

43、经工件，分别作用于数控分度头和尾座。在水平面内，力的分布与垂直面内类似。因此，床身变形的主要形式是在垂直面和水平面内的弯曲，以及数控分度头和主轴联合下的扭转。 机床床身主要是用来支承其他机床类零部件，保持它们之间的相互位置关系，以及承受各种作用力等。床身上附有导轨，所以床身上还需保证其所支承的部件之间有正确的相互运动轨迹及正确的相互位置关系。 本次设计机床床身材料采用HT200，使得机床整体的减振性较好；铸件需进行时效处理，彻底消除内应力，以避免支承件变形而丧失精度。床身结构设计中所有的过渡均为圆角过渡，有效的降低了内应力。 3.3.2 切深机构的设计 刀具的径向进给主要是完成弧面分度凸轮槽侧

44、表面的深度的加工，而由于凸轮工作时，对凸轮槽的深度没有具体的要求，所以从考虑经济性的基本点出发，可将机床的切深机构设计成手动进给的方式。切深部件的设计包括丝杠、导轨（上、下）、导向螺母、支承、端盖、刻度盘、手柄、把手等部分。 图 3-4 切深机构 - 20 - （1）丝杠的设计 丝杠的选择 丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。丝杠承受的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向刚度和精度应有较高的要求。丝杠主要有滚珠丝杠和滑动丝杠，滚珠丝杠因具有以下特点： 图 3-5 丝杠 与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3。 高精度的保证。 微进给可

45、能：滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 无侧隙、刚性高：滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性。 高速进给可能：滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给 (运动)。 由于滚珠丝杠的应用比较广泛，此次设计选用滚珠丝杠。 丝杠支承的选择 滚珠丝杠的支承主要有以下四种，由于支承方式不同，使容许轴向载荷及容许回转转速也有所不同，应根据自身情况适当选择。 两端均为固定，适用于长丝杠、高转速、高精度； 一端轴向固定一端自由的支承配置方式，适用于短丝杠、中等转速、高精度； 两端支承，适用于中等转

46、速，中精度； 一端固定一端浮动方式，适用于低转速，中精度，短轴向行程的丝杠。 本次设计采用的是一端固定一端浮动的支承方式，固定端采用60接触的角接触球轴承，而另一端-简支端采用的是深沟球轴承，因此只承受丝杠的重力。 丝杠的定位锁紧 - 21 - 丝杠的定位锁紧采用的是螺钉锁紧斜镶条的方法。在上下导轨的左侧安装一斜镶条，在斜镶条的外侧对应位置加工两凹槽，在上导轨左侧面加工两螺纹孔，通过锁紧螺钉一方面可以对间隙进行调整，一方面又可以进行锁紧，其具体结构如图3-6 所示： 图 3-6 定位锁紧的方式 （2）导轨的设计 导轨是由金属或其它种类的材料制成的槽或脊，可以承受、固定、引导移动装置或设备，并减

47、少其摩擦的一种装置。导轨表面上的纵向槽或脊，是用作导引、固定机器部件、专用设备或者仪器等。导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，一般用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时又可以承担一定的扭矩，可以在高负载的情况下用于实现高精度的直线运动。 导 轨的功用 导轨的功用是承受载荷和导向，它承受的是安装在导轨上的运动部件以及工件的质量和切削力，导向功能就是使得运动部件沿导轨运动。 导轨应满足的技术要求 导向精度高。导向精度说的是导轨副在空载荷，或者是切削条件下运动时，实际的运动轨迹与给定的运动轨迹之间的偏差。 承载能力大，刚度好。根据导轨所承受载荷的性质、方向和大小等三要素，合理地选择

48、导轨的截面形状和尺寸，使导轨具有足够的刚度，以保证机床的加工精度。 精度保持性好。精度的保持性主要由导轨的耐磨性决定的。 低速运动平稳。当动导轨作低速运动或微量进给时，应能够保证运动始终平稳，不能出现爬行现象。 导轨类型 直线运动导轨的截面形状主要有四种：矩形、三角形、燕尾形和圆柱形，并可互相组合，每种导轨副之中还有凸、凹之分。 矩形导轨具有刚度较高、承载能力大、制造方便、检验和维修方便等优点；但存在侧向间隙，需用镶条调整，导向性差。适用于载荷较大但是导向性要求略低的机- 22 - 床。 三角形导轨在导轨面产生磨损时，动导轨会自动下沉，自动补偿磨损量，不会产生间隙。三角形导轨的顶角 一般在90

49、-120的范围内变化， 角越小，导向性越好，但摩擦力也越大。所以，小顶角的可用于轻载精密机械，大顶角的则用于大型或重型机床。其机构有对称和不对称两种形式，当水平力大于垂直力，两侧压力分布不均时，采用不对称导轨。 燕尾形导轨可以承受较大的倾覆力矩，导轨的高度较小，结构紧凑，间隙调整比较方便，缺点就是刚度比较差，加工、检验维修都不大方便。适用于受力小、层次多、要求间隙调整方便的部件。 圆柱形导轨的制造方便，工艺性好，但磨损后较难进行调整和补偿间隙。主要用于受轴向负荷的导轨，应用较少。 综上所述，由于本次设计的机床所需的导轨是用在一个切深进给的部件中，对导轨的导向性没有很严格的要求，出于使用、制造和

50、维修方便的原则考虑，选用的是矩形导轨，对于矩形导轨存在的侧向间隙，在此设计了一个锁紧机构，使得实现锁紧定位的同时，也能实现对导轨间隙的调整。 导轨的定位方式 根据导轨的形状，在导轨的端面安装一个支承，将角接触球轴承放在支承内，定位方式如图3-7 所示： 图 3-7 丝杠导轨的定位形式 轴承外圈是通过支承和端盖来实现定位的，而内圈则是通过轴肩和套筒进行定位，支承通过螺钉安装在下导轨上，端盖通过螺钉安装在支承上。轴承内圈相对与轴承外圈，相对于支承都不能有相对的运动，必须完全的固定住，因此轴承座孔选配合选 Js7，轴选k6. 导向螺母通过圆锥销和螺钉安装在上导轨上，圆锥销起到定位的作用。在下导轨-

51、23 - 上开槽，以便于丝杆和导向螺母的安装，其结构如图3-8 所示： 图 3-8 导向螺母的安装形式 3.3.3 中心距调整锁紧部件的设计 中心距调整锁紧部件的作用就是锁紧中心距，使其在工件加工过程中保持中心距不变。 锁紧螺栓前端圆柱因为有导向的作用，并且该处的配合间隙可能会直接影响中心距的稳定性，因此可以选用H6/h5 的配合。锁紧螺栓上面安装了一只把手，机床安装时调整好相应的螺栓的位置，该锁紧把手就能在旋转180的范围之内完成锁的功能。其结构如图3-9 所示: 图 3-9 中心距调整锁紧部件 锁紧支承结构是由螺钉进行连接，固定在回转工作台的垫板之上，在锁紧支承的下端设计有一个螺纹孔，若将

52、锁紧螺栓旋紧，则会使得其端面与中心距调整机构的导轨之间的正压力增大，使得两者之间的摩擦力增大，从而实现了该支承的锁紧功能。 3.3.4 分度头卸荷支撑装置设计 在工件的加工过程中，尾座夹紧工件的时候会产生较大的轴向力，这些轴向力都施加于分度头的话，分度头就会很快由于过载荷而损坏，大大降低它的旋转精度。这- 24 - 就需要设计一个卸荷支承来承担产生的作用力，减轻分度头所承受的轴向力，从而保证分度头的精度和寿命。 图 3-10 卸荷支承部件 由于已经选用的部件不能给分度头额外的旋转阻力，因此可以考虑选用轴承，来承受轴向力，夹紧工件的心轴，使之顶在轴承的内圈，而轴承的外圈是固定不动的。夹紧工件时，

53、心轴是与轴承内圈同心轴一起转动的，轴承采用的是一对圆锥滚子轴承，安装的方式是背对背。而轴承的外圈，通过卸荷支承支架和端盖各自固定一侧，轴承的外圈相对于轴承的座孔不能有相对的运动，所以决定选用的轴承座孔的配合为Js7，通过螺栓连接，将卸荷支承固定在床身上。卸荷支承部件的结构如上图3-10 所示。 - 25 - 结 论 本文首先进行了总体方案论证，提出了4 种可供选择的方案，分析其间的利弊关系，在权衡各方案优缺点的基础上，确定了最终方案。即是：采用卧式结构，三轴联动，工件与刀具的回转进给运动分别由数控分度头和回转工作台实现，纵向运动和中心距调整由十字工作台实现，并采用电主轴及变频调速技术。 根据弧

54、面分度凸轮廓形加工特点，得出加工凸轮时的立铣刀切削力分析，演算得出切削力和切削功率计算公式，为结构设计时的切削力和切削功率的计算、结构设计以及电机的选型等提供了相应的技术支持。 本着经验设计的原则，尽量采用由专门化制造厂家生产的标准部件和通用部件，对设计中用到的的数控分度头、回转工作台、XY 字工作台及电主轴等进行了选型。而非标准件方面，则是查阅相关资料，完成切深机构、锁紧机构、支承件以及卸荷装置等所有非标准的零部件的设计。 但仍然有未能解决的问题存在。例如，若是回转工作台的回转角度较大的话,应充分考虑到在运动过程中是否会发生干涉的问题,重点还应考虑到回转工作台的右端距离回转中心的位置。 本铣

55、床属于专用数控铣床，应当能够满足各种弧面凸轮的加工要求，且具有加工精度高、加工质量稳定、生产率高、操作方便等显著特点。 - 26 - 参 考 文 献 1.王海燕，赵汝嘉，刘昌祺.弧面分度凸轮分度机构共轭曲面研究.机械设计与制造，2001.3： 12-16 2.葛荣雨, 冯显英,王庆松.弧面凸轮廓面非等径加工的刀位控制方法.农业机械学报 ,2010，（ 9） 3.史锦屏.分度凸轮数控加工机床设计与加工工艺研究.2004:1-20 4.窦湘屏,袁光明.弧面凸轮高速加工工艺.现代零部件,.2010，（ 7） 5.高文光.弧面分度凸轮在卧式加工中心上的加工.世界制造技术与装备市场.2009，（ 6）

56、6.高淑娟.弧面凸轮的数控加工技术.装备制造.2009,（ 9） 7.李丙才,吴小伟,杨青年.弧面分度凸轮的实体造型及数控加工.2008,（ 3） 8.张琣，张盛筠，关玲等.蜗形凸轮的设计方法.机械研究与应用，2001,14(2)： 13-14 9.文怀兴.数控铣床设计.北京：化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心，2006 10.刘艳申, 朱航科.弧面凸轮专用数控机床的研究.机械工程师.2008,(6) 11.李洪主.实用机床设计手册.辽宁科学技术出版社 12.赵玉刚,宋现春.数控技术.北京：机械工业出版社，2003,(6):56-59 13.邱宣怀.机械设计.北京：高等教育出版社，199

57、7 14. R. Baptista, J.F. Antune Simoe es.Three and five axes milling of sculptured surfaces. Journal of Materials Processing Technology ,103 (2000) :398403 15. J. Kopac, Z. Kampus.Incremental sheet metal forming on CNC milling machine-tool. Journal of Materials Processing Technology, 162163 (2005) :622628