【正文】 1 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計 1 概要 前言 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的介紹 數(shù)控機床是一種高效率的加工設(shè)備，當(dāng)零件被裝夾在工作臺上以后，為了盡可能完成較多工藝內(nèi)容，除了要求機床有沿 X、 Y、 Z三個坐標(biāo)軸的直線運動之外，還要求工作臺在圓周方向有進給運動和分度運動。這些運動通常用回轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)。 a、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的主要功能有兩個：一是實現(xiàn)工作臺的進給分度運動，即在非切削時，裝有工件的工作臺在整個圓周進行分度旋轉(zhuǎn)；二是實現(xiàn)工作臺圓周方向的進給運動，即在進行切削時，與 X、 Y、 Z三個坐標(biāo)軸進行聯(lián)動，加工復(fù)雜的空間曲面。 b、分度 工作臺只能完成分度運動，而不能實現(xiàn)圓周運動。由于結(jié)構(gòu)上的原因，通常分度工作臺的分度運動只限于完成規(guī)定的角度（如 45176。 60176。 或 90176。 等），即在需要分度時，按照數(shù)控系統(tǒng)的指令，將工作臺及其工件回轉(zhuǎn)規(guī)定的角度，以改變工件相對于主軸的位置，完成工件各表面的加工。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺在電火花線切割機床上的應(yīng)用： 電火花線切割加工已廣泛用于國防和民用的生產(chǎn)和科研工作中，用于加工各種難加工材料、復(fù)雜表面和有特殊要求的零件、刀具和模具。從工藝的可能性而言，現(xiàn)在的商品電火花線切割加工機床可分為三類：切割直壁二維型面的線切割加工工 藝及機床；有斜度切割功能、可實現(xiàn)等錐角三維曲面切割工藝及機床；可實現(xiàn)變錐度、上下異形面切割工藝及機床。 上述 X、 Y和 U、 V四軸聯(lián)動能切割上下異形截面的線切割機床，仍無法加工出螺旋表面、雙曲面表面和正旋曲面等復(fù)雜表面。 如果增加一個數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺附件，工件裝在用步進電機驅(qū)動的回轉(zhuǎn)工作臺上，采取數(shù)控移動和數(shù)控轉(zhuǎn)動相結(jié)合的方式編程，用θ角方向的單步轉(zhuǎn)動代替或著配合 Y軸方向的單步移動，即可完成上述這些復(fù)雜曲面加工工藝。 電火花加工的產(chǎn)生和加工原理 電火花加工又稱放電加工（ electrical discharge machining, 簡稱 EDM），在 20世紀(jì) 40年代開始研究并逐步應(yīng)用于生產(chǎn)。它是在加工過程中，使工具和工件之間不斷產(chǎn)生脈沖性的火花放電，靠放電時局部、瞬時產(chǎn)生的高溫把金屬蝕除下來。因加工時放電過程中可見到火花，故我國稱之為電火花加工 《特種加工技術(shù)》 。 電火花加工的原理是基于工具和工件（正、負(fù)電極）之間脈沖性火花放電時電腐蝕現(xiàn)象蝕除多余的金屬，以達(dá)到對零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量預(yù)定的加工要求。 電腐蝕的主要原因是：電火花放電時火花通道中瞬時產(chǎn)生大量的熱，達(dá)到 5000℃以上的溫2 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 度，足以使任何 金屬材料局部熔化、氣化而被蝕除掉，形成凹坑。這樣，人們在研究抗腐蝕辦法的同時，開始研究利用電腐蝕現(xiàn)象對金屬材料進行尺寸加工。 電火花線切割加工（ wire cut EDM, 簡稱 WEDM）是在電火花加工基礎(chǔ)上于 20 世紀(jì) 50年代末最早在前蘇聯(lián)發(fā)展起來的一種新的工藝形式，是用線狀電極（鉬絲或銅絲）靠火花放電對工件進行切割，故稱電火花線切割，有時簡稱線切割。它在國內(nèi)外已獲得廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)的線切割機床已占電加工機床的 70％以上。 電火花線切割加工的基本原理是利用移動的細(xì)金屬導(dǎo)絲作電極，對工件進行脈沖火花放電、切 割成形。 圖 11 電火花線切割原理 電火花線切割加工的現(xiàn)狀與發(fā)展 根據(jù)電極絲的運行速度，電火花線切割機床通常分為兩大類：一類是雙向快走絲（或稱高速走絲）電火花線切割機床（ WEDM— HS），這類機床的電極絲作高速往復(fù)運動，一般走絲速度為 8～ 10m/s，這是我國生產(chǎn)和使用的主要機種，也是我國獨創(chuàng)的電火花線切割加工模式，其特點是機床結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、但性能稍差；另一類是單向慢走絲（或稱低速走絲）電火花線切割機床（ WEDM— LS），這類機床的電極絲作低速單向運動，一般走絲速度低于 ，這是國外生產(chǎn)和使用的主要機種，我國也已生產(chǎn)和逐步更快的采用慢走絲機床。 隨著零件及精密模具技術(shù)要求的不斷提高，對電火花線切割加工高效、精密、完整性的要求也愈來愈高。在切割速度計切割精度方面，自本世紀(jì)初國內(nèi)“中走絲”（具有多次切割功能的高速走絲機床）機床被成功應(yīng)用于模具加工來，對國產(chǎn)高速走絲電火花切割機傳加工指標(biāo)產(chǎn)生了巨大的推動作用，采用復(fù)合工作液的條件下，第一次切割最高平均效率已超過 200mm178。/min，在 4次切割平均切割效率大于 50mm178。/min，條件下表面粗糙度達(dá)到 Ra。 但從放電加工機理方面考慮 ,“中走絲”也暴露出一些對于切割效率、精度及表面完整性而3 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計 言難以克服的問題。在切割效率及精度似乎又進入了一個瓶頸階段，在表面完整性研究方面，由于表面完整性對工件的使用性能，如耐用性、耐磨性、疲勞強度、高溫持久強度、耐腐蝕性等有重大影響。為了使電火花線切割加工工藝接近 精密磨削的水平，并滿足長壽命精密模具和苛刻使用條件下零件的質(zhì)量要求，國外對低速走絲線切割切割機理及工藝已經(jīng)進行了長久的研究，并提出了“表面完整線切割”的概念，而我國的 HSWEDM 在此領(lǐng)域的研究幾乎還處于空白狀態(tài)。 雖然國外一些發(fā)達(dá)國家的電火花線切割加工機床自動化程度高，功能多，加工質(zhì)量好，但這些先進的機床價格昂貴，國內(nèi)一般企業(yè)買不起。而結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉的國產(chǎn)高速走絲電火花線切割機床在相當(dāng)長的時期內(nèi)仍然是模具制造、新特材料及復(fù)雜曲面零件加工的重要設(shè)備。因此進一步研究高速走絲線切割加工技術(shù)，擴大其加工工藝范圍，不僅具有重要的理論意義，而且具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。 復(fù)雜直紋曲面的加工方法 所謂直紋面就是由一族連續(xù)變動的直線構(gòu)成的曲面。直紋面加工在航空零件、 模具制造加工中有著廣泛應(yīng)用 。電火花線切割多軸聯(lián)動加工系統(tǒng)是為了實現(xiàn)復(fù)雜 曲面加工而研制的數(shù)控系統(tǒng)。目前， 4軸聯(lián)動數(shù)控電火花線切割機已具備加工復(fù)雜直紋面的能力 《復(fù)雜型面摸具線切割加工新技術(shù)研究》 。 國產(chǎn)的數(shù)控線切割機床，其工作臺一般都是按直角坐標(biāo)系設(shè)計的，適合于加工二維圖形的工件。如果設(shè)想改變現(xiàn)有國產(chǎn)線切割機床工作臺的坐標(biāo)設(shè)置，即由原來的 X + Y 工作臺轉(zhuǎn)換成A (繞 X 軸轉(zhuǎn)動 ) + C (繞 Z 軸轉(zhuǎn)動 )或 B (繞 Y 軸轉(zhuǎn)動 ) + C，或 X + C，或它們之間的其它組合形式。這樣仍然是兩軸聯(lián)動控制，但是可 以加工出復(fù)雜的直紋曲面。 編程的基本思想是：在加工過程中 , 工件繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動 (C)和工件繞 X 軸的擺動 (A )之間協(xié)調(diào)配合 , 使工件下端圓周切于擺動軸中心 , 而電極絲過相切點 , 工件上端電極絲則沿所需要之圖形切割。在圖 12中 , 工件上端為正六邊形 , 下端為圓。所以 , 程序的編制應(yīng)保證工件繞OX 軸擺動和繞 Z 軸轉(zhuǎn)動時 , 電極絲下端通過切點 , 而其上端則沿正六邊形移動。 圖 12電火花加工方法 4 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 知道了復(fù)雜型面線切割加 工的運動形式后 ，可以通過建立數(shù)學(xué)模型進一步分析復(fù)雜性面零件線切割加工的運動規(guī)律。 如果在數(shù)控高速走絲電火花線切割機床上增加一個數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺附件，工件裝在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺上，采用數(shù)控移動和數(shù)控轉(zhuǎn)動相結(jié)合方式編程，用θ角方向的單步轉(zhuǎn)動來代替 y軸方向的單步移動，即可完成圖 15零件的加工工藝。 圖 13 電火花線切割加工復(fù)雜型面 如果采取數(shù)控轉(zhuǎn)動和數(shù)控擺動相結(jié)合或兩個數(shù)控擺動相結(jié)合的方式編程，采用更為先進的軟件控制系統(tǒng)，一個使工件旋轉(zhuǎn)，另外一個使工件擺 動，即可用于加工有錐度（斜度可大 30176。 ）、兩端之間平滑過渡三維型面模具，如大端為正圓，小端為正六邊形等三維斜壁的拉絲模具（如圖 16）。 圖 16 下圓上六方三維斜壁模具 設(shè)計任務(wù)與要求 在現(xiàn)有的 兩 坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控 電火花線切割 機床的工作臺上再 設(shè)計 一個具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，將其安裝在原有的工作臺上，與原有的工作臺成為一個整體，成為一個多自由度的回轉(zhuǎn)工作臺，再通過對數(shù)控系統(tǒng)的升級（不屬于此題范疇），使該機床成為五坐標(biāo)聯(lián)動的數(shù) 控機床。 這樣的回轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺不僅可以沿 X、 Y、方向作平行移動，在 A、 B兩 軸能同時運動，且能隨時停止，在 A、 B兩軸上均可在一定角度內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動 。不僅可以加工簡單的直 面 、斜 面 、圓5 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計 弧 面 ，還可適應(yīng)更 大的斜面（錐度）和更 復(fù)雜的 直紋 曲面零件的加工。 傳統(tǒng)的電火花線切割機床的兩軸平移坐標(biāo)工作臺以及偏移式絲架、雙坐標(biāo)聯(lián)動裝置的配合也只能加工出上下異性界面形狀的零件，仍然無法加工出復(fù)雜表面，因此在直線進給運動上疊加回轉(zhuǎn)或者擺動進給運動使之成為多軸聯(lián)動數(shù)控機床。 課題的主要任務(wù)（需附有技術(shù)指標(biāo)分析）： 確定總體方案； 進行必要的匹配計算，選擇 適當(dāng) 的元器件； 機械部分 總體設(shè)計（ 裝配圖 A0 1張 ） 。 零件設(shè)計，繪制零件圖若干（折合 2張 A0圖紙） ； 編寫設(shè)計說明書 1份。 設(shè)計過程 第 12周：熟悉設(shè)計任務(wù)，收集，調(diào)研 第 3 周：方案論證，作開題報告 第 46周：總體設(shè)計 第 710周：零、部件設(shè)計 第 1113周：撰寫說明書 第 14周：其他：包括翻譯和其他工作 6 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 2 工作臺設(shè)計方案及其分析 數(shù)控電火花線切割機床的機構(gòu)組成及其作用 機床本體由床身、坐標(biāo)工作臺、運絲機構(gòu)、絲架、工作液箱、 附件和夾具等幾部分組成。 （ 1） 床身部分： 床身一般為鑄件，是坐標(biāo)工作臺、繞絲機構(gòu)及絲架的支承和固定基礎(chǔ)。 （ 2） 坐標(biāo)工作臺部分： 電火花線切割機床最終都是通過坐標(biāo)工作臺與電極絲的相對運動來完成對零件加工的。 （ 3） 走絲機構(gòu)： 使電極絲以一定的速度運動并保持一定的張力。 （ 4） 錐度切割裝置： （ a） 偏移式絲架：主要用在高速走絲線切割機床上實現(xiàn)錐度切割。 （ b） 雙坐標(biāo)聯(lián)動裝置：在低速走絲線切割機床上廣泛采用，可以實現(xiàn)上下異形截面的加工。 、 傳動方案的確定 圖 21 回轉(zhuǎn)工作臺原理圖 7 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計 由于現(xiàn)有 XY 坐標(biāo)工作臺電火花線切割機床通過可以實現(xiàn)在 XY平面內(nèi)的曲線切割， 因此 不需要在 Z軸實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動， 所以為了實現(xiàn)更多的加工工藝， 且考慮到電火花切割時電極絲只能沿 Z軸垂直方向，不能有較大的偏移角度，工作臺亦不能 A、 B兩軸 進行 360176。的回轉(zhuǎn)運動，否則會造成工作臺本身與電極絲發(fā)生干涉，破壞工作臺機構(gòu)，因此 本設(shè)計中采用 A、 B兩軸在一定角度內(nèi)連續(xù)擺動運動。 兩軸擺動可聯(lián)動，也可獨立運動， 配合已有工作臺 X、 Y軸方向的平移， 再通過對數(shù)控系統(tǒng)的升級（不屬于此題范疇），使該機床成為 多 坐標(biāo)聯(lián)動的 數(shù)控機床 ， 來完成對復(fù)雜直紋曲面的加工。 A 軸結(jié)構(gòu)確定 A 軸擺動機構(gòu) 采用懸臂式結(jié)構(gòu)，即比 B軸少一個支撐座。其 運動由交流伺服電機驅(qū)動圓柱齒輪傳動，帶動渦輪蝸桿系統(tǒng)，使 工作臺 實現(xiàn) 在 A軸內(nèi)177。 30176。的連續(xù) 擺動。渦輪蝸桿傳動平穩(wěn)，振動，沖擊和噪聲均較小，能以單級傳動獲得較大的傳動比，機構(gòu)緊湊， 且當(dāng)螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角時蝸桿傳動便具有自鎖性， 有利于實現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺所要求的分度 和鎖緊 的實現(xiàn)，故選用渦輪蝸桿傳動。 當(dāng)數(shù)控工作臺接到數(shù)控系統(tǒng)的指令后，首先松開運動部分的渦輪加緊裝置，同時電機解除自鎖，然后啟動交 流伺服電機，按數(shù)控指令確定工作臺的回轉(zhuǎn)方向，回轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)角度大小等參數(shù)。 因為是渦輪蝸桿傳動與分度，所以停位不受限，并不像端齒分度盤一樣，只能分度固定的角度的整數(shù)倍（ 5176。 、 10176。 、 15176。 等），而且偏轉(zhuǎn)范圍大，能加工任何角度與傾斜度的孔與表面。齒的側(cè)隙是靠齒輪制造精度和安裝精度來保持，大齒輪的支撐軸與蝸桿軸做成一個軸這種連接方式能增大連接的剛度和精度，更能減少功率的損耗。 本設(shè)計屬于 開 環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，旋轉(zhuǎn)編碼器與交流伺服電機和支撐座的尾端連接，能將旋轉(zhuǎn)后的位置準(zhǔn)確的反饋回系統(tǒng)。 設(shè)計中應(yīng)主要減少 A軸在 X軸 方向上的結(jié)構(gòu)尺寸，以減少非加工范圍造成的 X軸無效行程，并使機構(gòu)尺寸不會超出工作臺范圍。同時降低工作臺的高度以增大工件的加工厚度，避免 A軸機構(gòu)高度超出絲架的跨度產(chǎn)生運動干涉。 B 軸結(jié)構(gòu)確定 B軸工作原理與 A軸相同， 主要零件類型相同，只是采用兩個支撐座以固定安裝在 XY坐標(biāo)工作臺上，其左支撐座 只起到支承作用，只要零件位于右支撐座內(nèi) 。 由于 B軸位于 Y軸工作臺上，其尺寸只要不超出 Y軸工作臺長度即可，因此 應(yīng)只要減少 B軸在 Y軸方向上的結(jié)構(gòu)尺寸，以 減小實際影響 Y軸加工范圍的機構(gòu)尺寸。 回轉(zhuǎn)工作臺 的鎖緊原理 8 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 在 A、 B 兩軸擺動結(jié)構(gòu)中， 雖然蝸桿傳動具有