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数控机床的附件研发

V. Roy bull; S. Kumar

摘要：通过概念设计，现有的数控机床（安装了快速原型附件）的车床附件已经被开发出来，数控机床是基于机电控制和叫做CAMSOFT的一个计算机界面工作的，并且在安装了各自的附件之后可以用作数控车床。概念设计阶段是从一个想法开始的，第二个阶段是车床的不同组件作为附件通过CAD建模设计出来，最后一个阶段是制造环节。车床附件被成功地开发出来并且安装在了数控机床上，通过一些加工操作比如车削和螺纹切削来验证车床附件的工作，这些加工操作被顺利的完成了。结合目前开发的车床附件和现有的快速成型附件，数控机床变成了多功能的，因此可以安装各自的附件作相应的用途。在安装了合适的附件后，数控机床对于在这两个领域开展研究工作都是有用的。

关键词： 概念设计 计算机辅助设计与建模 数控 加工

简介

一个新产品的概念包括，产品的要求、功能、可能的行为、结构布局和相关的性能。性能包括材料、装配级公差、临界表面粗糙度和硬度，还有临界尺寸。

概念设计和开发过程加速了产品设计和开发的过程。它是由创造力支持的，而创造力会导致新的有价值的创新的想法的产生。在产品开发的早期阶段这是一个非常重要的方面。它决定了产品的功能、形式和基本结构。

概念设计的过程包括以下几部分1、收集事实：为了很好的开始设计，设计者必须知道客户想要的是什么，设计者收集的信息越多，就越有可能做出好的设计使客户满意。2、过程：设计者收集了足够多的信息并且对类似的产品实例进行了了解后，创意开始发挥作用。设计过程的这一阶段主要为记录，绘图和组织工作。3、设计：客户因不熟悉而对设计产生的误解是设计师应该着重设计的地方客户应首先很好的学习前两步，如果前两步做的很好，设计过程将很流畅结果也会更准确，流程中的设计阶段可能会重复几次。4、细化：当设计师收到客户的反馈，细化的过程就发生了。在设计确定了的基础上，设计师需要使其达到行业标准，以使正在研发的这个设计能够根据其类型出版、制造或者实施。5、实施：完成的设计被送到合适的供应商。

创造力在概念设计的过程中扮演着重要的角色，合适的策略和设计目标必须非常清楚用来指导创意阶段，计算机辅助设计在设计过程中扮演着很重要的角色，当问题的定义是建立在需求的基础上的时候，它帮助得到所有可能的设计，为了优化设计对每种方案进行评估和分析，必要的话根据要求做相应的改变。得到最好的设计后，这个过程就结束了。设计过程中，诸如正常运作、成本、制造的可行性、装配的可行性、标准件的使用、零件的磨损和更换等因素必须时刻记在心中。

概念设计问题具有跨学科的性质，经常涉及客户、设计师和工程师的协作。在这个阶段，初级的设计收到了广泛的支持，这个阶段产生的概念直接影响相关产品的产生和材料的选择。概念设计开始于需求的描述，随着细节的解决方案而不断发展。每种解决路径都是通过对于一个解决原则的制作产生的，并且涉及基于大致具体的要求 产生的抽象的想法的构想。想法的产生是早期概念设计阶段的主导，然后这些想法要根据需求进行评估，如果符合要求，这些新增的想法将被纳入最终的决定。概念设计师非常重要的，尤其是在设计一个革新的的产品或者为已有的产品设计一个全新的替代品的时候。一个有效的的概念设计是与专业知识相伴的。如果概念设计是以团队为基础的，那么团队活动和充分利用生产能力就是非常重要的 。

在概念设计的过程中，细节设计（几何、拓扑、公差、尺寸、表面条件、材料等等）问题是在充分考虑了需求、功能、行为和结构之后才解决的。

在这项工作中，用于数控机床的数控车床附件已经被设计和研发。制作完成之后，被安装在数控机床上。在M.E, I.I.T-B.H.U上，带有快速成型的附件的数控机床被更早的设计和研发。数控机床使用机电控制和一个叫做CAMSOFT的计算机界面用于操作，图1即为安装了快速成型附件的数控机床。

图1安装了快速成型附件的数控机床

三个轴（垂直、水平和交叉）皆为步进电机（每轴各有一个）控制，RP的附件包括两个伺服电机（见图1），安装在水平轴的床上和垂直轴的规定安装位置。快速成型机器是基于FDM的。

控制和编程

一个八轴的Galil运动控制卡被用来容纳伺服控制器、电机、三个步进电机和自带控制器的两个伺服电机。控制系统的界面是CAMSOFT 。通过菜单（如图2）编写数控程序，同样使用菜单来运行机器。

工作的目的是为了开发一个应用于数控机床的车床附件，RP的相应附件从水平轴的床上和垂直轴的规定安装位置取出后，其附件组件也需要从数控机床上卸载。从而腾出三个轴的位置为在数控机床上安装车床附件留出空间，所有工作的想法都是基于当安装了合适的附件之后同样的数控机床可以作为快速成型机或者车床这样的理念。

卸载了快速成型机的附件之后，三个轴（由三个步进电机控制）可用，还有一个独立的伺服电机可用，所以工作的目标变成了利用现有的资源在概念设计的帮助下研发车床附件。

图2 CAMSOFT界面截图

图3 车床附件的开发流程

研发流程如下，概念设计的相关内容如图3，流程开始于问题的分类鉴别，目标在于开发出可以安装在数控机床上的车床附件，经过深入分析，附件的要求确定了，比如车床附件的不同部件在不同轴上的布置。现在不同组件和零件（主轴箱、尾座、刀架）的设计都在概念设计的帮助下完成了，概念设计生成设计概念，使用实体造型，产生初步设计，以此为基础，更多的进一步的设计的可能性被探索出来，以细化初步设计。

不同设计的关键方面都会被考虑并被用来得到准确的设计。满足所有的要求，针对所需的元件有特殊的设计。为了实现最终的设计，生产计划已经制定出来，组件被制造出来，根据要求组装好组件就可以得到所需的车床附件。

车床附件的概念设计

数控机床的三个轴中，横置的是X轴，水平放置的是Y轴，竖直放置的是Z轴，三个轴都可以在图一中看到。

任何一台车床的主要部件是主轴箱、尾座和刀架，对于机床上可用的轴这里有三个方案（A、B和C）可以用.实体建模运用了 CATIA V5 和AUTOCAD 2007。

低碳钢是用来制造车床附件的部件的零件的材料。

设计方案A 主轴箱在Z轴上 尾座在Y轴上

如图4，此设计将解除导轨架的限制，通过调节Z轴上的主轴箱可以容纳任何尺寸的工件。这个设计的主要缺点是Y轴和Z轴有严格的位置要求，还有刀架的安装位置也是个问题，安装Z轴的立柱可能会由于太大的重量而产生较大的挠度。

图4 设计方案A 主轴箱安装在Z轴上 尾座安装在Y轴上

设计方案B 主轴箱和尾座在Z轴 刀架在Y轴

如图5，本设计将消除Y轴和Z轴的严格的位置要求，主轴箱和尾座将需要一个滑道，刀架安装在Y轴上，但是安装高度将会有所限制，这样才能达到刀具和工件的接触要求。

此外，悬臂的垂直面上承受较大的重量不是一个好的设计，为了消除这个缺陷，需要在立柱的背后加一个较大的加强筋。

图5 设计方案B 主轴和尾座安装在Z轴上 刀架安装在Y轴上

设计方案C 主轴箱和尾座在Y轴上 刀架在Z轴上

如图6，在这个设计中，主轴箱和尾座都在Y轴上，该设计为机床的所有轴提供了最大限度的自由移动空间，该设计需要一个导轨，因为工件相对于主轴箱和尾座的重量是很小的，所以会比较平衡。从模型中可以看出Y轴的刚性要好于Z轴。刀架安装在Z轴上，这将使工件整个长度范围内的加工成为可能。

通过评估三种设计方案得出最合适的设计方案，主轴箱、尾座和刀架的安装位置都已经确定，现在需要建立主轴箱、尾座和刀架中的部件的模型。

图6 设计方案C 主轴箱和尾座安装在Y轴上 刀架安装在Z轴上

车床部件设计

主轴箱部件设计

主轴箱是车床非常重要的一部分，它提供了基本的旋转运动，为了实现旋转使用了一个伺服电机，还是用了钻盘，轴承与钻盘相连，是他能够旋转。

伺服电机和钻盘通过同步带相连，整个装置在支架上相互连接，所以，钻盘将容纳工件并且根据要求随着伺服电机转动，这样工件的基本的旋转运动就实现了，结构如图7所示。

图7 主轴箱组件的设计

尾座部件设计

尾座是用来支撑被加工工件的纵向旋转轴，当被加工工件长而纤细的时候尾座的作用尤其重要，不合理使用尾座可能会导致正在被切削的工件弯曲较大的部分震颤。对于尾座有两种设计。两种设计都有一个可视的孔用于容纳轴，轴是用来从另一个方向支撑旋转中的工件。设计方案一（如图8）中没有为高度调整作相应准备而且整个尾座是固定的。在设计方案二（如图9）中，为了方便调整高度分为四个模块，也有利于中心对齐。所有模块有两个螺栓连接。方案二更加合适，所以选择方案二。

图8 设计方案一 无高度调整尾座

图9 设计方案二 高度可调尾座

主轴箱和尾座装配设计

主轴箱和尾座装配在基板上（如图10），组成床。床安装在水平Y轴上。

图10 基板上主轴箱和尾座装配体

刀架部件设计

刀架负责在加工过程中夹持刀具，刀架的设计必须保证某些功能，比如用于车端面的刀具高度的调整功能；为了能够容纳各种几何形状刀具，刀具应能够自由旋转；方便加工的正交和强制模式的转换；刀具刚性保持。

计划将刀架安装在竖直的Z轴上，刀具具备竖直方向上移动的能力，所以高度的调整就得以实现。设计灵感来自传统刀架，如图11。

图11 刀架组件设计

在这个设计中，可以看到带有一个竖直螺栓的保持刀具位置的装置，刀架的转角部分钻有一个孔用于放置该装置，将刀具放在该装置上，用螺栓拧紧，刀具就被固定了。底部包装以防止换刀时候这个装置滑落。这个包装允许刀具夹持装置首先旋转然后紧固刀具，这样保证刀具可以从任意角度进行加工。

组件的制造

之前设计好的车床附件的部件的制造已经完成，低碳钢是选定的材料。制定工序时必须确保严格遵守设计初衷。

以下车床附件的部件的制造已经完成：主轴箱部件、尾座部件、底板、刀架。

图12显示了主轴箱装配体，由一个安装在轴承正时皮带轮的钻盘和安装在另一个正时皮带轮上的伺服电机共同组成主轴箱的装配体，两个正时皮带轮通过正时皮带连接，这样卡盘就随着伺服电机的转动而转动。

图13显示了尾座的装配体，对于尾座高度的调整有所规定。尾椎的一端可以在轴承帮助下进行旋转，所以尾座锥形部分可随工件转动。可根据工件的长度使用螺母调整尾椎的位置。

底板上装了主轴箱和尾座两部分，完全装配好的底板构成底座，安装在机床水平的Y轴上，底板如图12和图13，其上安装了主轴箱和尾座。

图14所示为刀架，刀架底部被封起来用于防止换刀过程中刀具保持装置从刀架底部滑落。

图12 主轴组件的制造

图13 尾座组件的制造

图14 刀架组件的制造

最终装配与测试

将装有主轴箱和尾座的底板安装在机床的水平Y轴上，刀架安装在机床竖直的Z轴上，十字轴包含Y轴，这个轴控制床身在刀具方向上的移动，因此为了获得要求的切削深度，床身将向刀具移动。纵向进给运动由Y轴的移动来实现。数控机床安装上所有的车床附件后如图15和图16。

图15 装有车床附件的数控机床 图16 车床附件

以下是上述数控车床的规格参数：

bull;中心距范围：0~120mm

bull;十字滑块行程：10mm

bull;尾座主轴行程：70mm

bull;尾椎：莫氏锥度

bull;主轴机头安装：三爪卡盘（钻盘）

bull;主轴孔径：13mm

bull;主轴锥度：莫氏锥度

bull;主轴转速范围：0~2200转每分

bull;电机功率：750w

bull;机器总体尺寸：600mm*900mm*2100mm

bull;地板所需最大空间：600mm*900mm

测量与校准

在上述机床做以下测试

bull;主轴转速测试lt;

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