四轴联动数控加工大中心距弧面凸轮
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参考文献： Ｉ 骆涵秀． ｌ ｌ 试验机电液控制系统． 机械工业出版社，１ １ １ ９． ９１ ［ 李洪人． ２ １ 液压控制系统． 国防工业出版社，１ １ ９． ８６ ［ 陈维山． ３ ｌ 机电系统计算机控制． 哈尔滨工业大学出版社，１９． ９９ ４ ［ 滕召胜＿ ４ １ 智能检测系统与数据融合． 机械工业出 版社， ００ ２０． １
关键词：弧面凸轮 ； 数控编程 ； 中心距
０ 引言
由于弧面凸轮的空间不可展特性 ，只能通过两个旋 转坐标加工而不能转换成直角坐标加工。无论是在专用 数控机床还是在通用多坐标数控机床上加工弧面凸轮， 两个旋转轴不但应满足啮合传动时的运动要求，同时还 应保证其中心距不变。对于一台机床来说，可加工凸轮 的中心距参数范围一般是有限的，当中心距参数超出机
毅｝ ＾ ｘ
＼ 石
１ ＿． ＿
Ｂ ／ Ｒ
６ ９
图２ 坐标变换示意图 《 机电产品开发与创新》２０ 年第２ ０３ 期
万方数据
数 下控 荃机 ） 圣世 圣界 床
中心距的机床来加工大中心距的弧面凸轮
从 图中几何关系可以导出：
（－ ＇ｓ Ｂ二 （－ ＇ｓ Ｂ Ｒ Ｒ） ｉ ｎ Ｃ Ｃ） ｉ ｎ ： 二Ｒｃｓ－ ｏ － Ｃ） ｏ ［ｃｓ （－ ＇ Ｂ Ｒ Ｂ Ｃ ］ （ Ｃ） 一（－ ＇ＣＳ Ｃ ＇ － ＣＣ） Ｂ Ｏ （－ ＇ １ ｃｓ） Ｃ Ｃ） － Ｂ （ ｏ 可以看出补偿值只与弧面凸轮的中心距参数 Ｃ 、机 床中心距 Ｃ和摆角 Ｂ有关， 与凸轮转角 Ａ无关 ， 而 实际应用中，Ｃ 、Ｃ为已知量， ＇ 刀具摆角 Ｂ由运动规 率 Ｂ二ｆ 确定，在加工中也为已知量。因此，通过 （） Ａ 两个旋转坐标 Ａ 、 Ｂ和两个直线坐标 Ｘ 、ｚ的四轴联 动控制，理论上可实现任意中心距弧面凸轮的加工，不 但可以用小中心距机床加工大中心距弧面凸轮；反之， 也可以用大中心距机床加工小中心距弧面凸轮。
（ 上接第 ６ ５页）
我们在设计系统时严格遵循人与测量数据分离的原 则，对数据库进行加密，避免了人为因素的影响，保证 了 测量数据的真实性口 系统软件采用 Ｖ ＋６ 编写，人机界面友好 ，操作 Ｃ ＋． ０
简单方便
相关国家标准要求。该系统的研制成功，对于提高我国 建工材料检侧水平，保证建筑工程质量，加速实现建工 站测试实验室测量控制自动化和信息化，维护质量监督 的公平公正具有重要意义，拥有良好的应用前景。
（－ ＇ （ ｃｓ） 计算出任意Ａ Ｂ转角下， Ｃ Ｃ） － Ｂ， １ ｏ ， 对应的ｘ 和ｚ 坐标值。 利用Ｘ ７６ ５ 专用五坐标数控机床成功地加工出上述 Ｈ 弧面凸轮，经用户实际使用证明，各种参数均达到或超
过设计指标 。同时 ，这是 目前国内最大 中心距 的弧面凸
轮。
２ 数控加工程序的编制 ． ２
３０ ，大于机床最大可调范围４－ ８ｍ ５－ ０２０ ．，所以不能 用范成法加工。 当机床中心距大于 ２０ ．时，刀具至主轴端面的长 ２ｍ 度将大于 ３０二 ，主轴伸长将大于 ５０ ，机床主轴 ５ ２－ 刚度将明显变差，加工震动过大，加工精度很差。 考虑到主轴刚度的要求，在不产生运动干涉的前提 下将机床中心距调整到 ２０ ．，这时的Ｃ ５ｍ ， ０． ＝ ０ ｍ Ｃ二 ３ ‘ ２０ ｍ，即可根据：ｘ二 （－ ＇ ｓ Ｂ二 （－ ＇ ｓ Ｂ ０ｍ Ｒ Ｒ） ｉ ｎ Ｃ Ｃ） ｉ ｎ ； ｚ二Ｒｃｓ － ｃｓ 一（ － ＇ ＝ ｏＢ ［ ｏＢ Ｃ Ｃ） Ｒ １
参考文献 ：
３ 实际加工
现以玻璃机械中使用的弧面凸轮为例，参数为：
型号 ： Ｈ ５ ３０ Ｔ
形式：Ｉ 型，左旋
中心距： ０ ｍ ５ｍ ３
分度数 ：８
动静比 ：１５／２０ ３０２５ 辊子直径 ９ｍ ： ０ ｍ
Ｅ 王其超 滚子齿形凸轮分 ｌ ｌ 度机 构的运动学与Ｃ ＤＣ Ｍ 一Ｄ Ａ ／Ａ ［ １
学 院硕 ＋ 论 空 １９ ９１
由于弧面凸轮 Ｘ ７６ Ｈ ５ ￣ 卜一 卜． 卜 ， 一 － 叫 ． 一 卜 奋 币 小 叫 卜加冲 ‘ 咔 ，十 ．十 一 卜￣ 卜￣ 卜 一 卜一 十 一 小 － 一 ， 十
￣ 峪 卜． ． 申 ，泞 ・ 卜・ 卜 州 ￣ ． 一礴 ，叫 ￣ “ 伞 ”冲 ， 卜 州 － ￣ 卜 一 井 叫 叫 卜￣ 卜 斗 卜 令 ￣ 叫 卜￣ 卜￣ 卜一 渗 ， 嘴 ” 十 二十 ￣
根据上述坐标变换关系，将 ｘ和 ｚ 作数学处理后 ， 作为一个专用模块，放人由笔者开发研制的具有靠刀算 法、偏心算法、进给速度修正、凸轮曲面修型和计算误 差控制等功能的弧面凸轮自动编程软件中，该凸轮自动 编程系统即可自动实现坐标的转换，产生数控加工程
序
实际切削结果证明 ，该方法 扩大 了机床的原有加工
数控加工程序的编制作为一个专用模块放入由笔者开发研制的具有靠刀算法偏心算法进给速度修正凸轮曲面修型和计算误差控制等功能的弧面凸轮自动编程软件中该凸轮自动结论使用专用五坐标数控机床加工弧面凸轮不但可以实现靠刀法加工而且还可以通过多坐标联动控制来调整数控机床的加工范围
数 荃控 荃机 ）床 圣世 圣界
四轴联动数控加工大中心距弧面凸轮
刘兴国 （ 山东轻工业学院， 济南 ２００） ５１０
摘
要 ：本 文提 出一种通过 多坐标联 动增 大弧 面分度 凸轮数控机 床加 工 范围的方 法 ，推导 出各个参数之间的关
Ｔ 八 ４ ！ ｝
系并应用于编程软件中。实际应用表明该法不但可以用于扩大机床的原有加工范围。还可以用于调整 加工参数使机床刚度和加工效率大大提高。
心。Ｒ为刀具实际加工半径，Ｒ为理论回转半径。当刀 ‘ 具摆过 Ｂ角时， 对应加工位置为 ｂ 点，而实际刀具位置 为ａ 点。比较 ａ ｂ两点可知其 Ｘ， ， Ｚ方向上的距离分别 为ｘ ２ 和 。即当刀具按 ｘ 值进行补偿时，就可以用小 和２
１专用五坐标数控机床的结构及坐标
Ｘ ７６ Ｈ ５ 专用五坐标数控机床的结构及坐标关系如图 １ ａ 该机床为卧式结构，其中直线轴为Ｘ Ｙ和Ｚ轴，行程分 ， 别为 ８０－， ＝ 和７０ｍ Ｂ轴为转盘式结构，位于 ５ｎ ７０ ０ ０ｍ ｏ Ｘ ，Ｙ轴组成的工作台之上，采用双导程蜗轮蜗杆驱动和 高精度光栅编码器及大直径、 高强度滚动轴承支撑，运动 范围为ｆ５ Ａ轴位于Ｂ轴转盘之上， ６％ 采用中心高２０ 的 ５－ 高精度数控旋转分度头， 运动范围３－６０ Ａ轴和 Ｂ轴之 ０３０． 间装有调整两轴中心距的Ｗ轴和数显装置， 可调范围： ０ ４－ ２０ 。由于机床结构和工装设计保证了工件中心和 Ｂ轴 ８＝ 中心都通过主轴轴线，因此Ｚ轴进给只用于控制加工凸轮 图１ 数控机床坐标系示意图
ｚ 坐标变换及数控编程
２１坐标变换 ．
如图 ２ ，以刀具摆动的加工方法来进行研究， 所示
图中 ０ 为刀具实际摆动 中心 ，０为从 动盘理论摆 动 中 ，
加工弧面凸轮的专用数控机床除具备两个旋转坐标 外，中心距是可调节的，用来满足不同中心距的凸轮加 工要求。这种专用数控机床结构简单、刚性好、成本低， 但加工范围有限，只能采用范成法加工。通用五坐标数 控机床受机床运动结构和工装的限制，加工弧面凸轮时 其中心距是靠数学算法保证的；除了弧面凸轮所需的Ａ － Ｂ旋转运动外 ，还需两个直线坐标 Ｘ Ｚ进行位置补偿， － 以保证刀具轴线始终通过理论回转中心并和摆动中心重 合。因此加工范围几乎不受限制。但编程计算复杂，设 备成本较高。Ｘ ７６ Ｈ ５ 专用五坐标数控机床，在结构设计 上综合了上述两种机床的优点，所以在功能和使用性能 上都有了较大的改进。现以该机床为例，讨论大中心距 弧面凸轮的加工方法。
范围，使机床原设计的中心距由４－８ｍ ０ ２０ ｍ扩大到几乎 不受限制。还可用于调整加工时的机床参数，使机床主 轴刚度提高，大大提高了加工精度和加工效率。
４ 结论 ．
使用 Ｘ ７６ ５ 专用五坐标数控机床加工弧面凸轮，不 Ｈ 但可以实现靠刀法加工，而且还可以通过多坐标联动控 制来调整数控机床的加工范围。 由各个坐标之间的关系编制出数控加工程序，通过 灵活运用来充分发挥机床的功能，提高机床的加工效 率，制造出高质量的弧面凸轮。
床可调范围时将无法加工。
的槽深， 从而使得编程和操作较为简单。这种结构的缺点 是当凸轮中心距较大时，主轴刀柄悬伸较长，使主轴刚度
降低。
卧式结构比立式结构的优越性在于机床结构相对简 单、刚性好和运动范围大，特别是在靠刀法加工时坐标 变换简单。这些特点对降低设计、制造成本，提高加工 效率和精度，快速换刀等非常有利。
３ 结论
建工质检站测试实验室 自动控制测量系统结构简 单，控制及测量精度高，可靠性好，性能指标完全符合
７ ０
《 机电产品开发与创新》２０ 年第２ ０３ 期
万方数据
西北轻工业学院硕士论文，１８ ． ９９
槽深： ８ ｍ ４ｍ 蜗弧半径： ９ｍ １７ ｍ
凸轮宽度 ５ｍ ：２（ ｍ
［ 刘兴国． Ｈ ５ 五轴联动Ｃ Ｃ ２ １ Ｘ ７６ Ｎ 机床的研制＿ ［ 机械工程师 ｉ ｌ
２０ ， （０ ０ ２ ８ ）． ２
［ 刘兴国 Ｘ ５０ 四轴联动Ｃ Ｃ ３ １ Ｋ０１ Ｎ 机床的研制．［」 西北轻工业 Ｄ
关键词：弧面凸轮 ； 数控编程 ； 中心距
０ 引言
由于弧面凸轮的空间不可展特性 ，只能通过两个旋 转坐标加工而不能转换成直角坐标加工。无论是在专用 数控机床还是在通用多坐标数控机床上加工弧面凸轮， 两个旋转轴不但应满足啮合传动时的运动要求，同时还 应保证其中心距不变。对于一台机床来说，可加工凸轮 的中心距参数范围一般是有限的，当中心距参数超出机
毅｝ ＾ ｘ
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１ ＿． ＿
Ｂ ／ Ｒ
６ ９
图２ 坐标变换示意图 《 机电产品开发与创新》２０ 年第２ ０３ 期
万方数据
数 下控 荃机 ） 圣世 圣界 床
中心距的机床来加工大中心距的弧面凸轮
从 图中几何关系可以导出：
（－ ＇ｓ Ｂ二 （－ ＇ｓ Ｂ Ｒ Ｒ） ｉ ｎ Ｃ Ｃ） ｉ ｎ ： 二Ｒｃｓ－ ｏ － Ｃ） ｏ ［ｃｓ （－ ＇ Ｂ Ｒ Ｂ Ｃ ］ （ Ｃ） 一（－ ＇ＣＳ Ｃ ＇ － ＣＣ） Ｂ Ｏ （－ ＇ １ ｃｓ） Ｃ Ｃ） － Ｂ （ ｏ 可以看出补偿值只与弧面凸轮的中心距参数 Ｃ 、机 床中心距 Ｃ和摆角 Ｂ有关， 与凸轮转角 Ａ无关 ， 而 实际应用中，Ｃ 、Ｃ为已知量， ＇ 刀具摆角 Ｂ由运动规 率 Ｂ二ｆ 确定，在加工中也为已知量。因此，通过 （） Ａ 两个旋转坐标 Ａ 、 Ｂ和两个直线坐标 Ｘ 、ｚ的四轴联 动控制，理论上可实现任意中心距弧面凸轮的加工，不 但可以用小中心距机床加工大中心距弧面凸轮；反之， 也可以用大中心距机床加工小中心距弧面凸轮。
（ 上接第 ６ ５页）
我们在设计系统时严格遵循人与测量数据分离的原 则，对数据库进行加密，避免了人为因素的影响，保证 了 测量数据的真实性口 系统软件采用 Ｖ ＋６ 编写，人机界面友好 ，操作 Ｃ ＋． ０
简单方便
相关国家标准要求。该系统的研制成功，对于提高我国 建工材料检侧水平，保证建筑工程质量，加速实现建工 站测试实验室测量控制自动化和信息化，维护质量监督 的公平公正具有重要意义，拥有良好的应用前景。
（－ ＇ （ ｃｓ） 计算出任意Ａ Ｂ转角下， Ｃ Ｃ） － Ｂ， １ ｏ ， 对应的ｘ 和ｚ 坐标值。 利用Ｘ ７６ ５ 专用五坐标数控机床成功地加工出上述 Ｈ 弧面凸轮，经用户实际使用证明，各种参数均达到或超
过设计指标 。同时 ，这是 目前国内最大 中心距 的弧面凸
轮。
２ 数控加工程序的编制 ． ２
３０ ，大于机床最大可调范围４－ ８ｍ ５－ ０２０ ．，所以不能 用范成法加工。 当机床中心距大于 ２０ ．时，刀具至主轴端面的长 ２ｍ 度将大于 ３０二 ，主轴伸长将大于 ５０ ，机床主轴 ５ ２－ 刚度将明显变差，加工震动过大，加工精度很差。 考虑到主轴刚度的要求，在不产生运动干涉的前提 下将机床中心距调整到 ２０ ．，这时的Ｃ ５ｍ ， ０． ＝ ０ ｍ Ｃ二 ３ ‘ ２０ ｍ，即可根据：ｘ二 （－ ＇ ｓ Ｂ二 （－ ＇ ｓ Ｂ ０ｍ Ｒ Ｒ） ｉ ｎ Ｃ Ｃ） ｉ ｎ ； ｚ二Ｒｃｓ － ｃｓ 一（ － ＇ ＝ ｏＢ ［ ｏＢ Ｃ Ｃ） Ｒ １
参考文献 ：
３ 实际加工
现以玻璃机械中使用的弧面凸轮为例，参数为：
型号 ： Ｈ ５ ３０ Ｔ
形式：Ｉ 型，左旋
中心距： ０ ｍ ５ｍ ３
分度数 ：８
动静比 ：１５／２０ ３０２５ 辊子直径 ９ｍ ： ０ ｍ
Ｅ 王其超 滚子齿形凸轮分 ｌ ｌ 度机 构的运动学与Ｃ ＤＣ Ｍ 一Ｄ Ａ ／Ａ ［ １
学 院硕 ＋ 论 空 １９ ９１
由于弧面凸轮 Ｘ ７６ Ｈ ５ ￣ 卜一 卜． 卜 ， 一 － 叫 ． 一 卜 奋 币 小 叫 卜加冲 ‘ 咔 ，十 ．十 一 卜￣ 卜￣ 卜 一 卜一 十 一 小 － 一 ， 十
￣ 峪 卜． ． 申 ，泞 ・ 卜・ 卜 州 ￣ ． 一礴 ，叫 ￣ “ 伞 ”冲 ， 卜 州 － ￣ 卜 一 井 叫 叫 卜￣ 卜 斗 卜 令 ￣ 叫 卜￣ 卜￣ 卜一 渗 ， 嘴 ” 十 二十 ￣
根据上述坐标变换关系，将 ｘ和 ｚ 作数学处理后 ， 作为一个专用模块，放人由笔者开发研制的具有靠刀算 法、偏心算法、进给速度修正、凸轮曲面修型和计算误 差控制等功能的弧面凸轮自动编程软件中，该凸轮自动 编程系统即可自动实现坐标的转换，产生数控加工程
序
实际切削结果证明 ，该方法 扩大 了机床的原有加工
数控加工程序的编制作为一个专用模块放入由笔者开发研制的具有靠刀算法偏心算法进给速度修正凸轮曲面修型和计算误差控制等功能的弧面凸轮自动编程软件中该凸轮自动结论使用专用五坐标数控机床加工弧面凸轮不但可以实现靠刀法加工而且还可以通过多坐标联动控制来调整数控机床的加工范围
数 荃控 荃机 ）床 圣世 圣界
四轴联动数控加工大中心距弧面凸轮
刘兴国 （ 山东轻工业学院， 济南 ２００） ５１０
摘
要 ：本 文提 出一种通过 多坐标联 动增 大弧 面分度 凸轮数控机 床加 工 范围的方 法 ，推导 出各个参数之间的关
Ｔ 八 ４ ！ ｝
系并应用于编程软件中。实际应用表明该法不但可以用于扩大机床的原有加工范围。还可以用于调整 加工参数使机床刚度和加工效率大大提高。
心。Ｒ为刀具实际加工半径，Ｒ为理论回转半径。当刀 ‘ 具摆过 Ｂ角时， 对应加工位置为 ｂ 点，而实际刀具位置 为ａ 点。比较 ａ ｂ两点可知其 Ｘ， ， Ｚ方向上的距离分别 为ｘ ２ 和 。即当刀具按 ｘ 值进行补偿时，就可以用小 和２
１专用五坐标数控机床的结构及坐标
Ｘ ７６ Ｈ ５ 专用五坐标数控机床的结构及坐标关系如图 １ ａ 该机床为卧式结构，其中直线轴为Ｘ Ｙ和Ｚ轴，行程分 ， 别为 ８０－， ＝ 和７０ｍ Ｂ轴为转盘式结构，位于 ５ｎ ７０ ０ ０ｍ ｏ Ｘ ，Ｙ轴组成的工作台之上，采用双导程蜗轮蜗杆驱动和 高精度光栅编码器及大直径、 高强度滚动轴承支撑，运动 范围为ｆ５ Ａ轴位于Ｂ轴转盘之上， ６％ 采用中心高２０ 的 ５－ 高精度数控旋转分度头， 运动范围３－６０ Ａ轴和 Ｂ轴之 ０３０． 间装有调整两轴中心距的Ｗ轴和数显装置， 可调范围： ０ ４－ ２０ 。由于机床结构和工装设计保证了工件中心和 Ｂ轴 ８＝ 中心都通过主轴轴线，因此Ｚ轴进给只用于控制加工凸轮 图１ 数控机床坐标系示意图
ｚ 坐标变换及数控编程
２１坐标变换 ．
如图 ２ ，以刀具摆动的加工方法来进行研究， 所示
图中 ０ 为刀具实际摆动 中心 ，０为从 动盘理论摆 动 中 ，
加工弧面凸轮的专用数控机床除具备两个旋转坐标 外，中心距是可调节的，用来满足不同中心距的凸轮加 工要求。这种专用数控机床结构简单、刚性好、成本低， 但加工范围有限，只能采用范成法加工。通用五坐标数 控机床受机床运动结构和工装的限制，加工弧面凸轮时 其中心距是靠数学算法保证的；除了弧面凸轮所需的Ａ － Ｂ旋转运动外 ，还需两个直线坐标 Ｘ Ｚ进行位置补偿， － 以保证刀具轴线始终通过理论回转中心并和摆动中心重 合。因此加工范围几乎不受限制。但编程计算复杂，设 备成本较高。Ｘ ７６ Ｈ ５ 专用五坐标数控机床，在结构设计 上综合了上述两种机床的优点，所以在功能和使用性能 上都有了较大的改进。现以该机床为例，讨论大中心距 弧面凸轮的加工方法。
范围，使机床原设计的中心距由４－８ｍ ０ ２０ ｍ扩大到几乎 不受限制。还可用于调整加工时的机床参数，使机床主 轴刚度提高，大大提高了加工精度和加工效率。
４ 结论 ．
使用 Ｘ ７６ ５ 专用五坐标数控机床加工弧面凸轮，不 Ｈ 但可以实现靠刀法加工，而且还可以通过多坐标联动控 制来调整数控机床的加工范围。 由各个坐标之间的关系编制出数控加工程序，通过 灵活运用来充分发挥机床的功能，提高机床的加工效 率，制造出高质量的弧面凸轮。
床可调范围时将无法加工。
的槽深， 从而使得编程和操作较为简单。这种结构的缺点 是当凸轮中心距较大时，主轴刀柄悬伸较长，使主轴刚度
降低。
卧式结构比立式结构的优越性在于机床结构相对简 单、刚性好和运动范围大，特别是在靠刀法加工时坐标 变换简单。这些特点对降低设计、制造成本，提高加工 效率和精度，快速换刀等非常有利。
３ 结论
建工质检站测试实验室 自动控制测量系统结构简 单，控制及测量精度高，可靠性好，性能指标完全符合
７ ０
《 机电产品开发与创新》２０ 年第２ ０３ 期
万方数据
西北轻工业学院硕士论文，１８ ． ９９
槽深： ８ ｍ ４ｍ 蜗弧半径： ９ｍ １７ ｍ
凸轮宽度 ５ｍ ：２（ ｍ
［ 刘兴国． Ｈ ５ 五轴联动Ｃ Ｃ ２ １ Ｘ ７６ Ｎ 机床的研制＿ ［ 机械工程师 ｉ ｌ
２０ ， （０ ０ ２ ８ ）． ２
［ 刘兴国 Ｘ ５０ 四轴联动Ｃ Ｃ ３ １ Ｋ０１ Ｎ 机床的研制．［」 西北轻工业 Ｄ