为了缩短汽车开发周期，在新产品试制或样机制造过程中，覆盖件模具通常采用硅橡胶、低熔点合金等来制作快速模具，定型后再加工钢制模具。汽车的更新换代随着人机工程学，工程美学研究的深人而加快，用于制造车体覆盖件的模具业也随着汽车工业的发展而不断发展壮大。因此设计制造这些模具的原模成为车型更新换代、缩短开发周期的关键环节。国外已经开发出了用于实际生产的原模加工的机床设备，但价格普遍较高，且未能普及。国内现阶段只有少数企业引进了国外类似的机床设备进行原模的加工，但大多数企业仍然使用传统的机床设备完成这方面的工作，机床装备大多比较笨重、复杂、机时昂贵，精度不高，不能满足现代制造业的飞速发展，成为制约我国汽车工业发展的重要因素。

1 悬臂式主机的结构、工作原理

1. 1总体结构及工作原理

按照课题的要求，悬臂式主机应具有5个自由度即X,Y,Z三方向的平动以及绕X,Y二坐标轴的转动。

参照三坐标测量仪的结构，将该机床大体分为:底座、立柱、悬臂、悬箱、头箱、工作台六大部分，此外，还有双回轮臂装置，如图1所示。

图1
工作台:需要在X坐标方向安装直线导轨，用来支撑主机和起导向作用。

底座:用来支撑主机底座以上部分、安装导轨、步进电机和X坐标方向的制动装置。

立柱:用来安装悬箱、支持头箱。

悬箱:用来安装悬臂、悬臂Y坐标方向移动的传动系统和执行元件、制动装置等。

悬臂:安装在悬箱上，并能在Y坐标方向移动，一端安装有工作电机和刀具，以便进行加工。

头箱:用来安装Z坐标方向的传动系统和部分执行元件、制动装置。

双回转臂:用来完成绕X,Y二坐标轴的旋转分度，安装在悬臂的端部。

1.2总体传动及工作原理

通过对直线电机、丝杠螺母副、齿轮齿条、带传动、链传动等直线传动方案的比较，结合本课题的需要，采用传动方案如图2所示。
 

图2
1)滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副有很多优点:传动效率高、灵敏度高、传动平稳、磨损小、寿命长;可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。滚珠丝杠螺母传动广泛应用于中小型数控机床的进给传动系统。在重型数控机床的短行程进给系统中(<6m)也常被采用。但不具有自锁能力，需外加制动装置。

2)齿轮齿条

传动精确、瞬时速度均匀、容许线速度大、传动功率大、轴承压力小、寿命长、结构紧凑重量轻、且成本低。但是与滚珠丝杠螺母传动类似，要设计安装制动装置。

2具体结构设计

2. 1 X坐标方向

根据课题要求，在X坐标方向设计以下机构。

1)传动机构

采用齿轮齿条传动，即在工作台上安装固定齿条，利用步进电机带动齿轮，齿轮齿条啮合，变步进电机的旋转运动为机体的直线运动。

2)导向机构

滚珠导轨具有高精度，高硬度，可靠性高，低能耗，承载大，运动平稳，高寿命，导程误差一致性好等特点，因此，选用滚珠导轨中的HG系列直线导轨。这是一种四列式单圆弧牙型接触线性导轨，是整合最佳化结构设计之超重负荷精密线性导轨，比其他同类型之四列式线性导轨提升30%以上之负荷与刚性能力，具备四方向等负载特点及自动调心功能，并可吸收安装面的装配误差。

3)制动定位机构

在X坐标方向上的定位机构要求定位的连续性、准确性，机构应具备快速响应的特性，虽然步进电机在电机锁定情况下(电机绕组中存在电流，外部没有要求旋转的电脉冲)，仍有静止力矩的输出。但不能满足设计的可靠性要求，因此参照可涨芯轴的结构和工作原理设计如图3所示的制动定位机构。

图3
2. 2 Y坐标方向

根据课题要求，在Y坐标方向设计以下机构。

1)传动机构同X坐标方向。

2)导向机构

Y坐标方向为悬臂运动的方向，为了保证悬臂在此方向的运动精度，设计悬箱安装传动元件并在悬臂上安装镶装导轨，悬臂上所用的镶装导轨没有采用传统的金属材料，而是采用了摩擦因数更小、相对强度与抗腐蚀性能更为优良、质量更轻的TSF聚四氟乙烯软带导轨，极大地减轻了传动系统设计的压力，减小了整个系统不必要的功率损失，提高了传动效率。

3)制动定位机构

如图4所示，当悬臂在Y坐标移动到预定位置时，由计算机发出脉冲指令，控制电磁换向阀，使液压缸活塞右推，通过连杆的杠杆作用，石棉摩擦片抱紧悬臂，使悬臂位置保持不变，达到定位的作用;由计算机控制换向阀换成另一方向进油时液压缸活塞左拉，连杆恢复原状，悬臂可以沿Y坐标方向自由移动。

图4

2.3 Z坐标方向

根据课题要求，在Z坐标方向设计以下机构。

1)传动机构

采用滚珠丝杠螺母副传动，变丝杠的旋转运动为螺母的直线运动，如图5所示。

2)导向机构

在立柱上安装TSF软带导轨。

3)制动定位机构

当悬臂在Z坐标方向上移动到合适的位置时，由计算机发出脉冲信号，通过光电偶合电路、功率放大电路控制电磁离合器吸合，电磁离合器的一端安装齿轮与电机齿轮啮合，另一端固定在头箱上，电磁离合器吸合后将电机齿轮锁住进而解决滚珠丝杠不能自锁的不足，达到定位作用。与电磁离合器相连的齿轮采用工程塑料制造，以减小系统功率损失。

2. 4双回转臂设计

双回转臂是用来完成二坐标方向的手动旋转分度的装置，结构如图6所示。使用时先将螺钉旋松，两齿盘在蝶形弹簧的作用下分开但不会脱落，旋转分度盘至所需的角度之后将螺钉拧紧，两齿盘重新啮合固定已分角度，完成所需分度旋转。

3 悬臂主机控制系统设计

3. 1光电藕合电路设计

为了防止强电干扰以及其它干扰信号通过UO控制电路进人计算机，影响其工作，通常是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。光电隔离电路主要是由光电藕合器的光电转换元件组成，如图7所示。
 

图7 光电藕合电路

微机输出的控制信号经过非门74 LS04反向后，加到光电祸合器G的发光二级管正端。当输入端信号为高电平时，经过反向后加到发光二极管正端的电压为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出来。这时光敏三极管截止，输出端的电压几乎等于加在光敏三极管电极上的电源电压。当输人端信号为低电平时，发光二极管导通并且发光，光敏三极管接到发光二极管发出的光而导通，输出端的电压几乎为0，于是便达到了抗干扰的效果。

3. 2功率放大电路设计

从计算机输出日或者从环行分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电动机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电动机运转。步进电动机的A,B,C三相，每相都由一组放大器驱动。放大器的输人端和环行脉冲分配器相连。在没有脉冲输人时，功率放大器截止，绕组中没有电流通过，电机不转。当A相得电，电机转动一步。当脉冲依次加到A,B,C 3个输人端时，3组放大器分别驱动不同的绕组，使电动机一步一步的转动。电路中与绕组并联的二极管分别起到续流的作用，即在功率放大管截止时，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泻放，从而保护功放管。单相功率放大电路如图8所示。

图8 单相功率放大电路

4结语

该原模加工机床具有结构简单、加工精度高和柔性好的优点，能够实现三坐标平动和两个坐标转动，满足汽车覆盖件模具原模加工的要求。