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数控回转工作台的设计
1 概要
1.1 前言
1.1.1 数控回转工作台的介绍
数控机床是一种高效率的加工设备，当零件被装夹在工作台上以后，为了尽可能完成较多工艺内容，除了要求机床有沿X、Y、Z三个坐标轴的直线运动之外，还要求工作台在圆周方向有进给运动和分度运动。这些运动通常用回转工作台实现。
a、数控回转工作台的主要功能有两个：一是实现工作台的进给分度运动，即在非切削时，装有工件的工作台在整个圆周进行分度旋转；二是实现工作台圆周方向的进给运动，即在进行切削时，与X、Y、Z三个坐标轴进行联动，加工复杂的空间曲面。
b、分度工作台只能完成分度运动，而不能实现圆周运动。由于结构上的原因，通常分度工作台的分度运动只限于完成规定的角度（如45°60°或90°等），即在需要分度时，按照数控系统的指令，将工作台及其工件回转规定的角度，以改变工件相对于主轴的位置，完成工件各表面的加工。
数控回转工作台在电火花线切割机床上的应用：
电火花线切割加工已广泛用于国防和民用的生产和科研工作中，用于加工各种难加工材料、复杂表面和有特殊要求的零件、刀具和模具。从工艺的可能性而言，现在的商品电火花线切割加工机床可分为三类：切割直壁二维型面的线切割加工工艺及机床；有斜度切割功能、可实现等锥角三维曲面切割工艺及机床；可实现变锥度、上下异形面切割工艺及机床。
上述X、Y和U、V四轴联动能切割上下异形截面的线切割机床，仍无法加工出螺旋表面、双曲面表面和正旋曲面等复杂表面。
如果增加一个数控回转工作台附件，工件装在用步进电机驱动的回转工作台上，采取数控移动和数控转动相结合的方式编程，用θ角方向的单步转动代替或着配合Y轴方向的单步移动，即可完成上述这些复杂曲面加工工艺。
1.1.2 电火花加工的产生和加工原理
电火花加工又称放电加工（electrical discharge machining, 简称EDM），在20世纪40年代开始研究并逐步应用于生产。它是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来。因加工时放电过程中可见到火花，故我国称之为电火花加工-《特种加工技术》。
电火花加工的原理是基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时电腐蚀现象蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。
电腐蚀的主要原因是：电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，达到5000℃以上的温
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陕西科技大学毕业论文（设计说明书）
度，足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉，形成凹坑。这样，人们在研究抗腐蚀办法的同时，开始研究利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工。
电火花线切割加工（wire cut EDM, 简称WEDM）是在电火花加工基础上于20世纪50年代末最早在前苏联发展起来的一种新的工艺形式，是用线状电极（钼丝或铜丝）靠火花放电对工件进行切割，故称电火花线切割，有时简称线切割。它在国内外已获得广泛的应用，目前国内的线切割机床已占电加工机床的70％以上。
电火花线切割加工的基本原理是利用移动的细金属导丝作电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成形。
图1-1 电火花线切割原理
1.1.3 电火花线切割加工的现状与发展
根据电极丝的运行速度，电火花线切割机床通常分为两大类：一类是双向快走丝（或称高速走丝）电火花线切割机床（WEDM—HS），这类机床的电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为8～10m/s，这是我国生产和使用的主要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式，其特点是机床结构简单、价格便宜、但性能稍差；另一类是单向慢走丝（或称低速走丝）电火花线切割机床（WEDM—LS），这类机床的电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s，这是国外生产和使用的主要机种，我国也已生产和逐步更快的采用慢走丝机床。
随着零件及精密模具技术要求的不断提高，对电火花线切割加工高效、精密、完整性的要求也愈来愈高。在切割速度计切割精度方面，自本世纪初国内“中走丝”（具有多次切割功能的高速走丝机床）机床被成功应用于模具加工来，对国产高速走丝电火花切割机传加工指标产生了巨大的推动作用，采用复合工作液的条件下，第一次切割最高平均效率已超过200mm2/min，在4次切割平均切割效率大于50mm2/min，条件下表面粗糙度达到Ra<0.8μm。
但从放电加工机理方面考虑,“中走丝”也暴露出一些对于切割效率、精度及表面完整性而
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言难以克服的问题。在切割效率及精度似乎又进入了一个瓶颈阶段，在表面完整性研究方面，由于表面完整性对工件的使用性能，如耐用性、耐磨性、疲劳强度、高温持久强度、耐腐蚀性等有重大影响。为了使电火花线切割加工工艺接近精密磨削的水平，并满足长寿命精密模具和苛刻使用条件下零件的质量要求，国外对低速走丝线切割切割机理及工艺已经进行了长久的研究，并提出了“表面完整线切割”的概念，而我国的HSWEDM在此领域的研究几乎还处于空白状态。
虽然国外一些发达国家的电火花线切割加工机床自动化程度高，功能多，加工质量好，但这些先进的机床价格昂贵，国内一般企业买不起。而结构简单，价格低廉的国产高速走丝电火花线切割机床在相当长的时期内仍然是模具制造、新特材料及复杂曲面零件加工的重要设备。因此进一步研究高速走丝线切割加工技术，扩大其加工工艺范围，不仅具有重要的理论意义，而且具有显著的经济和社会效益。
1.1.4 复杂直纹曲面的加工方法
所谓直纹面就是由一族连续变动的直线构成的曲面。直纹面加工在航空零件、模具制造加工中有着广泛应用 。电火花线切割多轴联动加工系统是为了实现复杂 曲面加工而研制的数控系统。目前，4轴联动数控电火花线切割机已具备加工复杂直纹面的能力-《复杂型面摸具线切割加工新技术研究》。
国产的数控线切割机床，其工作台一般都是按直角坐标系设计的，适合于加工二维图形的工件。如果设想改变现有国产线切割机床工作台的坐标设置，即由原来的X + Y工作台转换成A (绕X 轴转动) + C (绕Z 轴转动)或B (绕Y 轴转动) + C，或X + C，或它们之间的其它组合形式。这样仍然是两轴联动控制，但是可以加工出复杂的直纹曲面。
编程的基本思想是：在加工过程中, 工件绕Z 轴的转动(C)和工件绕X 轴的摆动(A )之间协调配合, 使工件下端圆周切于摆动轴中心, 而电极丝过相切点, 工件上端电极丝则沿所需要之图形切割。在图1-2中, 工件上端为正六边形, 下端为圆。所以, 程序的编制应保证工件绕OX 轴摆动和绕 Z 轴转动时, 电极丝下端通过切点, 而其上端则沿正六边形移动。
图1-2电火花加工方法
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知道了复杂型面线切割加工的运动形式后，可以通过建立数学模型进一步分析复杂性面零件线切割加工的运动规律。
如果在数控高速走丝电火花线切割机床上增加一个数控回转工作台附件，工件装在数控回转工作台上，采用数控移动和数控转动相结合方式编程，用θ角方向的单步转动来代替y轴方向的单步移动，即可完成图1-5零件的加工工艺。
图1-3 电火花线切割加工复杂型面
如果采取数控转动和数控摆动相结合或两个数控摆动相结合的方式编程，采用更为先进的软件控制系统，一个使工件旋转，另外一个使工件摆动，即可用于加工有锥度（斜度可大30°）、两端之间平滑过渡三维型面模具，如大端为正圆，小端为正六边形等三维斜壁的拉丝模具（如图1-6）。
图1-6 下圆上六方三维斜壁模具
1.2 设计任务与要求
在现有的两坐标联动数控电火花线切割机床的工作台上再设计一个具有两个旋转自由度的数控回转工作台，将其安装在原有的工作台上，与原有的工作台成为一个整体，成为一个多自由度的回转工作台，再通过对数控系统的升级（不属于此题范畴），使该机床成为五坐标联动的数控机床。
这样的回转数控工作台不仅可以沿X、Y、方向作平行移动，在A、B两轴能同时运动，且能随时停止，在A、B两轴上均可在一定角度内连续转动。不仅可以加工简单的直面、斜面、圆