毕业设计空间凸轮数控加工.docx

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毕业设计空间凸轮数控加工

目录

摘要……………………………………………………………………

绪论……………………………………………………………………

第一章空间凸轮数控加工方法………………………………………

1、空间凸轮廓面非等价加工……………………………………………………

1.1仿自由曲面加工方式……………………………………………………

1.2刀位补偿加工方式……………………………………………………

1.3两重包络法加工方式…………………………………………………

2、空间凸轮曲面接触式加工……………………………………………………

第二章空间凸轮（凸轮轴）数控加工实例…………………………

1.1产品基本信息………………………………………………………………

1.2凸轮轴加工工艺分析……………………………………………………

2.工艺设计………………………………………………………………………

2.0确定加工方法…………………………………………………………

2.1.1定位基准的选择………………………………………………………

2.1.2加工阶段的划分与工序顺序的安排…………………………………

2.1.3工序顺序的安排………………………………………………………

2.1.4凸轮形面的加工……………………………………………………

2.2工艺特点…………………………………………………………………

3.0凸轮廓形理论计算及加工控制参数…………………………………………

3.1凸轮轴凸轮的廓形要求…………………………………………………

3.2包络线理论………………………………………………………………

3.3凸轮廓形坐标……………………………………………………………

3.4砂轮的中心坐标…………………………………………………………

3.5磨削圆周进给量计算……………………………………………………

3.6等周速曲线………………………………………………………………

3.7砂轮座加速度……………………………………………………………

3.8光顺处理…………………………………………………………………

4、结论……………………………………………………………

结束语……………………………………………………………………

参考文献…………………………………………………………………

绪论

空间凸轮机构具有结构紧凑、性能可靠等诸多优点,因此在自动化机械中得到了广泛应用，成为一种主要的驱动和控制装置，由于空间凸轮廓面是复杂的空间不可展曲面,因此传统的凸轮制造方法,如在普通铣床上用仿形法、展开法加工空间凸轮，已不能满足现代凸轮产品高精度、高速度和高动态性能的要求，目前,空间凸轮的制造设备主要是数控机床或专用机床,采用的方法一般是共轭创成法，空间凸轮廓面和从动件滚子表面是一对共轭曲面,一般情况下,共轭曲面的加工按共轭运动方式进行,即刀具曲面与工件按给定的共轭运动进行相对创成运动,刀具曲面在相对运动中包络加工出凸轮廓面，通常采用的刀具的特征几何参数（如半径）与滚子的特征几何参数相一致,称为等价刀具,用等价刀具进行的。

加工称为等价加工，显然,等价加工可以准确加工出空间凸轮的复杂廓面。

虽然等价加工简单明了,但在实际加工中经常遇到非等价加工的情况，一是刀库中刀具有限,不一定有等价刀具可选;二是加工时不可避免的机械磨损,造成刀具半径发生变化;三是对于从动件滚子半径较大的空间凸轮,制造等价刀具不现实；另外,空间凸轮属于非标准件、非系列化的机械产品,一般是单件小批量生产,制造等价刀具意味着延长生产周期,提高生产成本,这显然与现代制造快速响应市场需要、低成本的特点相左，由此可见,开展空间凸轮的非等价加工研究具有重要的现实意义，非等价加工的目的就是在误差允许的范围内用非等价刀具加工出满足精度要求的凸轮产品，由于空间凸轮廓面是复杂的空间不可展曲面,因此非等价加工是一项技术难题，非等价加工已引起了国内外研究者的广泛兴趣,本文总结出目前已有的几种现行空间凸轮的加工方法,并进行了列举。

第一章空间凸轮数控加工方法

1、空间凸轮廓面非等价加工

非等价加工的目的就是在误差允许的范围内用非等价刀具加工出满足精度要求的凸轮产品，由于空间凸轮廓面是复杂的空间不可展曲面,因此非等价加工是一项技术难题。

非等价式轮廓面加工包括三中加工方式：

刀位补偿加工方加工方式、刀位补偿加工方式和两重包络法加工方式。

1.1仿自由曲面加工方式

如果将空间凸轮廓面当作空间自由曲面处理,采用端面铣刀或球头刀按点位加工方式就可加工出复杂的空间凸轮廓面,称为仿自由曲面加工方式

仿自由曲面加工的关键在于确定非等价刀具的位置，当采用端面铣刀进行凸轮某一廓面的仿自由曲面加工时,先用解析法求出廓面上每一点的法向矢量,再通过刀具与凸轮的空间几何关系求出非等价刀具的中心轨迹，当采用球头刀时,刀具中心应位于廓面的等距曲面上，在求得廓面方程及其上每一点的法向矢量后,根据等距曲面原理就可求得廓面的等距曲面方程只要刀具中心在等距曲面上,刀具与工件接触点的法线必定与曲面在该点的法线重合,从而实现廓面的加工。

仿自由曲面是一种点位加工方式,为防止加工中可能出现的干涉问题,刀具半径必须小于凸轮廓面的最小曲率半径。

由于是点接触加工,在切削点处切削速度趋近于零,因而切削条件差,加工精度和效率低,而且它抛弃了“凸轮廓面是从动件滚子表面运动形成的包络面”的性质,因此计算过程复杂,加工误差比较大。

1.2刀位补偿加工方式

刀位补偿方式,就是在误差许可的范围内通过有刀位补偿的共轭创成加工方法来实现凸轮廓面的加工。

文献[3]分析了空间凸轮共轭加工的非等价加工的准确性,得出了非可展廓面的非等价加工从理论上讲不可能准确得到所设计的凸轮廓面,即存在理论加工误差，而且刀具半径与滚子半径相差越多,误差越大，认为既然刀位补偿加工必然存在加工误差,其目标就是要在误差允许的范围内用非等价具加工出满足精度要求的凸轮产品。

刀位补偿加工实质上可分解为两个方面的问题：

一个是给定刀具尺寸,判定创成曲面的加工精度能否满足制造精度的要求;另一个是给定创成曲面的加工精度要求,如何确定刀具尺寸的适用范围，这两方面的问题,其实就是研究刀具尺寸、刀具补偿量、刀具补偿方向、创成曲面误差评价之间的相互作用关系。

刀位补偿问题可以抽象为一个约束满足问题,其约束函数是创成曲面的精度指标要求,而刀具尺寸是变量，在约束求解过程中,需要反复进行调整参数后虚拟制造廓面的求解及其与理想实际廓面的比较，刀位补偿加工的总体思路如下:

给定刀具尺寸值、刀具补偿量、补偿方向,然后计算刀具创成曲面的表面数据,继而进行误差评价,不通过则返回修改刀具尺寸变量,直至廓面评价通过为止。

刀位补偿加工方式的一个重要内容是刀位补偿方向和补偿量的确定，补偿量的选择有等于滚子与刀具的半径差或半径差加上修正量两种方式，采用半径差作为补偿量不会发生过切,可以为后面的精加工留下加工余量。

加上修正量后可以减小加工误差,但会发生过切,不利于以后的精加工，关于补偿方向,有些文献选用理论廓面上滚子轴线中点处的法线方向,这时产生的理论误差比较小,但该方向不一定最优;而文献[3]则充分利用计算机的高速计算性能,通过自动计算和比较来确定最优法线方向，刀位补偿加工的另一个重要内容是误差模型的建立,即对理想设计情况下的廓面与刀具创成曲面进行曲面之间的比较，简单的方法是直接对每一瞬时刀具的切削线和理想接触线进行点与点之间的比较，准确的方法是求实际廓面与理论廓面的法向误差。

刀位补偿加工是线加工,其特点是切削点处切削速度较高,可获得较高的加工精度,同时由于是线接触成型,因而具有较高的加工效率,因此其应用比较广；刀位补偿加工的不足之处在于受加工精度要求的约束,可选刀具范围很有限,一定程度上限制了它的应用范围。

1.3两重包络法加工方式

如图上图所示,两重包络定义如下:

空间曲面S0以参数α1运动,形成单参数曲面族{S0},假设{S0}的包络S1存在,则称S1为单参数曲面族{S0}的一次包络,并称S0为母面;再使一次包络S1以参数α2运动,又形成了以S1为母面的单参数曲面族{S1},又假定它的包络S2存在,则称S2为单参数曲面族{S0}的两重包络。

两重包络为非等价加工问题提供了新的解决方案:

设滚子半径为R,非等价刀具半径为r,且r

任何半径为r（r

文献[3]首次提出了两重包络加工的设想并进行了简要的分析,文献[6]则详细分析了两重包络加工的基本原理,并分析了两种走刀方式，两重包络加工方式适应范围广,柔性强,特别适应于单件小批量生产,为快速响应市场需要提供了强有力的支持，可以作为等价加工方式和仿自由曲面加工方式、刀位补偿方式的有益补充,满足实际生产的需要，当然两重包络法也是点位加工,因此加工效率受到影响。

两重包络与刀位补偿加工方式的不同之处在于,后者将理论廓面上的直母线沿一个方向补偿,即同一直母线上的所有点的误差补偿方向与大小是相同的,因此不可避免地存在理论加工误差;而两重包络法将理论廓面上每一点沿该点的法向补偿,即同一直线上的不同点其误差补偿方向是不同的,因此两重包络法加工不存在理论加工误差。

两重包络与仿自由曲面加工方式的不同之处在于,后者将凸轮轮廓面作为自由曲面来处理,丢失了凸轮廓面的包络曲面性质,造成重构出的凸轮廓面必然存在理论上的误差,加工精度低,生产率下降，而两重包络法将滚子表面的一次包络演化为刀具的两重包络,巧妙地继承了凸轮廓面的包络曲面性质,可以对凸轮廓面进行无误差重构，虽然受加工过程的影响,不可避免地存在误差,但误差较小,而且两重包络的刀具为圆柱铣刀,因此加工效率明显高于仿自由曲面加工方式。

2、空间凸轮曲面接触式加工

曲面与曲面之间的接触条件是数学几何中的常用原理,将其应用于数控加工中,解决了圆柱凸轮、非圆齿轮和复杂曲面的数控加工计算问题。

该方法是通过凸轮展开后,凸轮的轴向坐标、周向坐标和转角的几何关系及其曲线方程,解算出凸轮的向矢量,进而求出圆柱型铣刀接触点的法向矢量及其接触点的坐标,即完成凸轮转角与刀具轴向移动间的对应关系——刀具轨迹计算,实现凸轮的数控加工。

图1　圆柱凸轮的展开图

精密络筒机导轮圆柱凸轮及其展开图分别如图1、图2所示,x,ξ分别为轴向和周向坐标,轮廓曲线由x=x（ξ）

表示,见图2。

设圆柱的半径为r,圆心角为ψ,有ξ=rψ,ψ=ξ/r,则

凸轮曲线的方程可表示为：

X=xY=rcosφ,Z=rsinψ。

φ为凸轮上的角度位置坐标,当转过角后有：

X=x,Y=rcos（ψ+）,Z=rsin（ψ+）。

为凸轮转角,

切线矢量为：

Tx=1,ty=-rdψ/dxsin（ψ+φ）,z=rdψ/dxcos（ψ+φ）。

加工的刀具为圆柱指状铣刀,其半径为r，轴线中心坐标为xc,圆心角为θ,则刀具圆柱面的法向矢量与坐标为：

Xs=rscosθ+Xc,Ys=u,

Zs=rssinθ,Ns=（cosθ,θ,sinθ）

由于加工时凸轮轮廊的切线矢量必与刀具的法线矢量垂直,故有:

ns·t=0,即

cosθ+rdψ/dxcos（ψ+φ）sinθ=0

（1）

接触点的坐标应相等:

X=x=rscosθ+xc,

（2）

Y=r