CN100509439C - 一种带进给运动的雕刻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供的带进给运动的雕刻头，其由雕刻头控制系统和执行机械系统组成；雕刻头控制系统由依靠电接触进行对刀的单片机系统组成，执行机械系统包括进给运动和高速旋转切削运动机构，二者一体化嵌套实现。单片机系统的输入接口接受数控系统的标准数控指令信号，经单片机内部处理后转化为步进电机的专用控制信号，再经指令转换接口输出给步进电机，实现了雕刻头的独立进给运动控制；同时对刀过程由单片机系统对电接触信号进行循环检测实现，并且数控系统可全程监控和随时解除。本发明将进给移动机构和高速旋转主轴嵌套组合在一起，缩小了雕刻头体积，克服了常规主轴在增设进给装置后的空间受限问题，提高了整体性能和生产效率，也保证了产品质量。

Description

一种带进给运动的雕刻头

技术领域

本发明涉及雕刻领域，尤其涉及一种带进给运动的雕刻头。

背景技术

目前由专业电主轴厂家生产的雕刻头，一般为立式固定使用，且价格较高。其本质上是一种由变频驱动控制的高速高刚度精密的电动机，主要采用精密滚动轴承支承，油脂润滑，外循环水冷却。

而在市场上投放的多主轴数控雕刻机床，在进给深度控制上多采用龙门式结构，也有采用雕刻头独立进给控制的。由于龙门结构本身的特点，在加工深度控制时，易造成龙门横梁体的扭斜，控制精度不高，而且体积大；同时由于工件安装的不一致性，特别是在圆柱、圆锥面上多工位雕刻时，采用龙门结构统一实现深度控制时，为保证产品质量的一致性，通常采用的浮动主轴，手动微调方法校正对刀，增加了对刀难度，降低了生产效率；同时对零件的夹具的制造精度也提出了更高的要求。而采用雕刻头独立进行雕刻深度控制是一种很好的解决方法。但是，专业电主轴在实现雕刻运动时，由于自身无移动进给装置，在圆柱面、圆锥面、平面上雕刻各种文字、曲线和图样时，就需要增设进给运动机构，这样一来就会使得雕刻头体积较大，同时也使得雕刻头的中心高增大。在一些空间受限的多工位场合中使用受到一定限制。中心高的加大又会对机床支撑立柱的刚性提出了更高的要求，提高了机床制造成本，也与数控雕刻机在设计上力求轻巧的原则相违背。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型的带进给运动的雕刻头，并具有自动对刀功能，以满足在空间受限场合下实现多工位高精度数控雕刻的要求。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的带进给运动的雕刻头，由雕刻头控制系统和执行机械系统组成。

雕刻头控制系统：由依靠电接触进行对刀的单片机系统组成。其中，单片机的输入接口接受由数控系统发出的“差分方式的指令+脉冲”的标准数控指令信号，经单片机内部处理后转化为步进电机的“三相六拍”专用控制信号，再经指令转换接口输出给步进电机的驱动电路，实现雕刻头的独立进给运动控制。对刀过程由单片机循环检测电接触信号负责完成，并且由数控系统全程监控和随时解除。

执行机械系统：包括进给运动和高速旋转切削运动机构，高速旋转切削运动机构嵌套在进给运动机构内，二者一体化实现。具体如下：

进给运动机构：设有套筒螺旋副和支撑套筒，两者的右端套连处设有定向键。套筒螺旋副的左端有与之套连的且由同步驱动机构带动的主驱动铜螺母，该螺母由支撑套筒内腔中的角接触球轴承对定位。

高速旋转切削运动机构：设有位于套筒螺旋副内腔中的对主轴进行径向定位的高精密轴承对，以及用于轴向定位的主轴轴肩和迷宫式端盖；还设有联轴器，其将安装在电机法兰上的高速直流无刷电机的轴和主轴联结。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

常规的多工位数控雕刻机床，或采用龙门式结构统一进给控制或采用雕刻头独立进给控制。采用龙门式结构统一进给控制，对工件装夹一致性要求较高，特别是在对一些圆柱、圆锥面上进行多工位雕刻时，采用的浮动主轴微调手动对刀，对刀难度大，降低了生产效率；采用雕刻头独立进给控制，则各雕刻头均需要独立的伺服驱动控制器进行进给控制，而且还需增设进给移动机构，体积大，成本较高。而采用本发明的雕刻头后，利用单片机的中断技术可实时转化数控标准指令信号为步进电机的专用控制信号，达到了利用低价格的步进驱动装置取代伺服驱动控制器的效果，降低了的制造成本；采用的电接触自动对刀技术，降低了对工件装夹一致性的要求，克服了多主轴雕刻系统手动对刀的难度，也提高了生产效率。带进给运动的高速旋转主轴机械系统，将移动进给运动和高速旋转切削运动嵌套集成到一起，不同于常规主轴在增设移动机构过程中的叠加实现结构，即将雕刻主轴的旋转运动附着在一移动进给机构上，最大限度地减小了雕刻头的中心距，也解决了常规主轴在增设移动机构后体积较大的弊端；达到了在较小空间内实现多主轴雕刻任务。移动进给运动和高速旋转切削运动的一体化的解决方法，提高了雕刻头的整体性能；合理的冷却、润滑系统设计有助于提高了雕刻头的使用寿命。

本发明由于采用了这种带进给运动的雕刻头主轴，因此对于在圆柱、圆锥面上进行多工位雕刻时，很好地解决了由于工件装夹不一致，以及夹具回转精度带来的对刀难度大和雕刻深度质量难以保证的问题；保证了产品质量，提高了生产率，也缩小了增设移动机构后雕刻头的体积，同时还降低了多头主轴数控雕刻机床的制造成本。

附图说明

图1是本发明单片机控制系统实现数控进给指令的转换和自动对刀检测方框图。

图2是本发明自动对刀检测原理图。

图3是本发明实现数控进给指令转换的单片机中断原理图。

图4是本发明带进给运动的高速旋转主轴机械系统的结构示意图。

图5是图4中主轴单元中实现进给运动的结构示意图。

图6是图4中主轴单元中实现旋转运动的结构示意图。

图7是图4中主轴单元中实现冷却的结构示意图

图中：1.密封套；2.主轴；3.端盖；4.支撑套筒；5.主驱动铜螺母；6.套筒螺旋副；7.冷却室；8.隔离套；9.第一迷宫式端盖；10.第二迷宫式端盖；11.夹头锁紧螺帽；12.夹头锥套；13.内锥孔；14.0型密封圈；15.冷却室套；16.高精密轴承对；17.润滑室；18.底板；19.定向键；20.角接触球轴承对；21.挡圈；22.键；23.同步皮带；24.传动轮；25.步进电机；26.同步轮；27.冷却液管道；28.铜刷压板；29.铜刷；30.铜套；31.联轴器；32.高速直流无刷电机；33.电机法兰；34.小口；35存油环。

具体实施方式

本发明提供的带进给运动的雕刻头，由雕刻头控制系统和执行机械系统组成(见图1至图7)。其中：雕刻头控制系统由依靠电接触进行对刀功能的例如MCS51单片机系统组成，单片机的输入接口接受由数控系统发出的“差分方式的指令+脉冲”的标准数控指令信号，经单片机内部处理后转化为步进电机的“三相六拍”专用控制信号，再经指令转换接口输出给步进电机的驱动器，实现雕刻头的进给运动控制。对刀过程由单片机系统不断监测对刀检测接口的电接触信号，进行对刀过程的控制，并且由数控系统全程监控和随时解除。电接触信号检测装置其由与电源“地”相接的机床、工作台、夹具和工件组成的良导体，以及绝缘安装在机床上的雕刻头组成。在进行自动对刀前，由于安装在雕刻头主轴上的刀具未与工件接触，单片机对刀检测的电接触信号开路；当刀具接触到工件时，即接“地”，就形成闭路，从而实现对刀。数控系统由硬件和软件两部分组成，硬件采用以工业控制计算机、运动控制卡、数字式伺服系统构成的开放式数控系统，它们通过数据线依次相连，其中，工业控制计算机与运动控制卡一起组成控制核心，运动控制卡控制至少有3个控制轴；软件是采用Visual C++编制Windows2000/XP下运行的应用程序。数控系统的详细内容，请见本申请人同日申请的发明专利文献“多工位数控雕刻专用控制系统”。

本发明执行机械系统包括进给运动和高速旋转切削运动机构，二者一体化，其中：

进给运动机构：见图4和图5，设有套筒螺旋副6和支撑套筒4，其右端套连处设有定向键19，套筒螺旋副6的左端设有与之套连的且由同步驱动机构带动的主驱动铜螺母5，该螺母由支撑套筒4内腔中的角接触球轴承对20定位，角接触球轴承对20采用螺纹联结在支撑套筒4上的端盖3锁紧外圈。

上述的角接触球轴承对20可由端盖3、挡圈21定位在支撑套筒4的内腔中。支撑套筒4固定在底板18上，当雕刻头安装到机床上时，需要在底板18间采用绝缘板进行绝缘隔离。

上述的同步驱动机构可由步进电机25，与步进电机25输出轴相连的传动轮24，以键22与传动轮24相连的同步轮26，以及与同步轮26相连的同步皮带23组成，同步皮带23另一端套在主驱动铜螺母5上。

上述的套筒螺旋副6，其上开有便于装卸联轴器31的小口34。该套筒螺旋副可采用小导程螺旋方牙螺纹副，并且设有存油环35。联轴器31为弹性联轴器。存油环35主要用于支撑套筒4内壁与套筒螺旋副6间的润滑存油。

高速旋转切削运动机构：见图4和图6，设有对位于套筒螺旋副6内腔中的主轴2进行径向定位的高精密轴承对16，以及轴向定位的第一迷宫式端盖9、第二迷宫式端盖10和主轴2轴肩。还设有联轴器31，其将安装在电机法兰33上的高速直流无刷电机32的轴和主轴2联结。

设有以增大主轴2支撑范围，提高主轴刚性的隔离套8，其套在主轴2上且位于高精密轴承对16之间。

上述的高精密轴承对16位于冷却室套15中，采用螺纹联结在主轴2刀具端的迷宫式端盖10锁紧内圈，冷却室套15位于套筒螺旋副6中，且由第一迷宫式端盖9、第二迷宫式端盖10和主轴2轴肩轴向定位。高精密轴承对16的冷却系统由冷却室套15与套筒螺旋副6间的冷却室7、冷却室套15和冷却液管道27组成，冷却水从安装在密封套1上的快换接头的冷却液管道27的进水孔进入冷却室7的下方内腔，循环后经冷却室7的上方内腔的冷却液管道27的出水孔流出；冷却室7设有O型密封圈14。

由隔离套8、冷却室套15、高精密轴承对16和迷宫式端盖所围的空间是润滑室17。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但不限定本发明。

1.单片机控制系统实现数控进给指令的转换和自动对刀；

由依靠电接触进行对刀的MCS51单片机系统组成如图1所示。包括：输入接口、控制单元、信号输出、指令转换、对刀检测；主要实现输入接口接受“差分方式的指令+脉冲”的标准数控指令信号，经控制单元转化为步进电机的“三相六拍”专用控制信号，再经指令转换接口输出给步进驱动，实现精确进给运动控制；以及在接受到数控系统对刀指令后，进入自动对刀。即在自动对刀过程中，单片机系统不断监测对刀检测接口的电接触信号，如果为开路则不断进刀；当接触到工件时，电接触信号的对刀检测接口形成闭路，从而实现精确对刀，并将对刀结束信号反馈给数控系统，以便数控系统的下一步控制，并且对刀过程由数控系统全程监控并随时解除。

高速切削进给速度通常小于250mm/min(由于已接触到工件，实际使用通常为200mm/min)，故在系统分辨率0.001mm/Plus的数控系统发出的指脉冲频率小于4Khz，脉宽大于250us。这相当与在12MHZ晶振MCS51单片机的250条单周期指令中进行步进电机的一个步距控制，这个时间用来处理中断响应程序是充足的，指令转换见中断处理原理图3。采用单片机的2个外部中断接口分别接收指令脉冲的高低电平边沿信号，当数控系统每发出一个进给命令脉冲后，单片机的一个中断源就自动响应中断，进入中断处理程序，即依据步进电机前一工作相拍和数控指令的方向信号，进行步进电机的一个当前步距控制，并将步进电机的当前工作相拍记录到一固定内存单元中；由于数控指令是高低电平的脉冲信号，故在进给控制时，电平每改变一次只有一个中断处理程序响应，从而实现了步进电机的无差跟随控制。

实现自动对刀时，如图3中虚线部分，上述中断程序不会执行，将被加工工件和绝缘安装在机床上雕刻头分别作为电接触检测信号的“地”和“端子”，当刀具以已故化在单片机内一较快速度去接触工件时，此速度不受单片机外部中断响应时间限制，可以预设得相对较高，单片机每进给一个步距，就检测一次此时刀具位置是否接触到工件，并修改中断程序中的步进电机当前工作相拍的内存单元，为确保对刀的安全和可靠，还采用了延时冗余检测手段，对刀完毕即为雕刻深度进给控制起点，保证了雕刻进刀前刀具都处于工件表面，特别在高精度雕刻中可保证雕刻深度的一致性和可靠性。对于多主轴雕刻时，采用自动对刀技术，大大降低了由于工件安装的不一致性，而需进行手动微调对刀带来的不必要的对刀难度，提高了生产效率。退到时与自动对刀控制相同，只是运动方向相反，由于本发明的移动进给行程范围＝<50mm，对于绝大多数情况下的零件更换，空间是足够的；但对于机床的维修，空间将受到限制，故还需在机床上增设有立柱手动长行程移动机构。对于一些进给行程要求较大的场合，也可采用一伺服机构实现，如果采用伺服机构，则可对本发明进行一定简化，即不需将数控标准指令接入单片机系统的外部中断口上，也就不会进行指令的变换，而只保留自动对刀和退刀功能，进给运动就可采用采用伺服机构进行类龙门雕刻机的统一进给控制。

2.带进给运动的高速旋转主轴机械系统：

组成包括：高精度进给运动和高速旋转切削运动的一体化机构。

带进给运动的高速旋转主轴机械系统组成包括：高精度进给运动机构和高速旋转切削运动机构，如图2所示。用于机械固定支撑的底板18和支撑套筒4；实现精密回转运动由高速直流无刷电机32、联轴器31、主轴2、高精密轴承对16构成；实现精密进给运动由驱动的步进电机25、同步皮带23、传动轮24、同步轮26、键22、主驱动铜螺母5、用于支撑主驱动铜螺母5的角接触球轴承对20、套筒螺旋副6、变旋转运动为直线运动的定向键19构成；刀具装夹机构由主轴2的内锥孔13、HSK系列的夹头锁紧螺帽11、HSK系列的夹头锥套12构成，通过夹头锁紧螺帽11的锁紧将刀具安装在夹头锥套12内，更换刀具时，卸下夹头锁紧螺帽11，夹头锥套12将一起被卸下；冷却系统由密封套1、冷却液管道27、冷却室套15、冷却室7、o型密封圈14构成；脂润滑系统由冷却室套15、迷第一迷宫式端盖9、第二迷宫式端盖10、润滑室17构成；对刀检测装置由铜套30、铜刷29、铜刷压板28组成，这种配置方式提高了对刀检测的可靠性，也便于铜刷29的更换。

所述实现精密进给的运动机构，其结构图如图5所示。由步进电机25经传动轮24、同步皮带23、同步轮26、键22对主驱动铜螺母5施加驱动力矩，由于主驱动铜螺母5被端盖3、挡圈21、角接触球轴承对20固定在支撑套筒4上，以实现套筒螺旋副6在定向键19的作用下，变旋转运动为直线运动沿支撑套筒4内壁移动，挡圈21由与主驱动铜螺母5轻过盈配合的同步轮26轴向压紧，采用小导程旋方牙的套筒螺旋副6，增大了数控指令相对位移的增益，从而实现了切削时的高精度进给运动；角接触轴承对20安装在支撑套筒4内，通过带螺纹的端盖3压紧其外圈，并且由主驱动铜螺母5、同步轮26和挡圈21一起轴向对角接触轴承对20内圈进行定位，从而实现进给运动轴向无窜动。支撑套筒4和套筒螺旋副6大端长圆柱面接触实现径向定位和定向，此处的接触面要求采用精密研磨工艺保证，定向键19实现导向作用。这种双端支撑结构保证了雕刻头的刚性。方牙螺纹反向间隙对加工的影响可通过加工工艺消除，即每次均退出工件再进行自动对刀到工件表面，然后接受数控指令进行深度控制。

所述实现高速精密回转运动机构，其结构图如图6所示。在联轴器31作用下，将安装在电机法兰33上的高速直流无刷电机32的轴和主轴2联结，传递力矩，实现雕刻的旋转切削运动。高精密轴承对16对主轴2进行径向定位，保证雕刻头主轴旋转精度；隔离套8、第一迷宫式端盖9、第二迷宫式端盖10、冷却室套15、主轴2轴肩轴向定位基础上实现了高精度的轴向精度。高精密轴承对16的隔离式装配，增大了有效支撑，有利于提高主轴2的旋转精度和刚度；同时主轴2采用弹性的联轴器31联结高速直流无刷电机32端，允许装配中其与高速直流无刷电机32有小的不同轴度，同时还有一定的减振作用，大大减小了由于主轴2高速旋转带来的主轴直流电机端的摆动。同时基于装配后的主轴2的内锥孔13自磨削工艺，进一步保证了回转运动机构的精度，因为最后的旋转精度都集中于安装在HSK夹头内的雕刻刀具上。为便于主轴的维修，还在套筒螺旋副6上开有小口34(图7所示)，以便于弹性联轴器31装卸。采用这种嵌套式结构在雕刻头上同时实现旋转运动和进给运动，大大减小需要增设进给运动机构的雕刻头的体积，解决了多工位雕刻时空间受限问题。

冷却和润滑系统进一步提高了其使用工作寿命，也降低了雕刻头精度因主轴热变形而带来的影响。其结构见前述。

Claims (10)

1.一种带进给运动的雕刻头，其特征是由雕刻头控制系统和执行机械系统组成，

雕刻头控制系统由依靠电接触进行对刀的单片机系统组成，单片机的输入接口接受由数控系统发出的“差分方式的指令+脉冲”的标准数控指令信号，经单片机内部处理后转化为步进电机的“三相六拍”专用控制信号，再经指令转换接口输出给步进电机的驱动电路，实现雕刻头的独立进给运动控制；对刀过程，由单片机系统不断循环监测对刀检测接口的电接触信号进行控制，并且由数控系统全程监控和随时解除，

执行机械系统包括进给运动和高速旋转切削运动机构，高速旋转切削运动机构嵌套在进给运动机构内，二者一体化实现，其中：

进给运动机构：设有套筒螺旋副(6)和支撑套筒(4)，两者的右端套连处设有定向键(19)，套筒螺旋副(6)的左端有与之套连的且由同步驱动机构驱动的主驱动铜螺母(5)，该螺母由支撑套筒(4)内腔中的角接触球轴承对(20)进行定位；

高速旋转切削运动机构：设有位于套筒螺旋副(6)内腔中的对主轴(2)进行径向定位的高精密轴承对(16)，以及用于轴向定位的主轴轴肩和迷宫式端盖；还设有联轴器(31)，其将安装在电机法兰(33)上的高速直流无刷电机(32)的轴和主轴(2)联结。

2.如权利要求1所述的雕刻头，其特征在于：角接触球轴承对(20)由端盖(3)、挡圈(21)轴向定位在支撑套筒(4)的内腔中。

3.如权利1要求所述的雕刻头，其特征在于：设有以增大主轴(2)支撑范围的隔离套(8)，其套在主轴(2)上且位于高精密轴承对(16)之间。

4.如权利要求3所述的雕刻头，其特征在于：所述套筒螺旋副(6)设有冷却室套(15)；高精密轴承对(16)位于冷却室套(15)中，且由迷宫式端盖与主轴(2)轴肩轴向定位。

5.如权利要求4所述的雕刻头，其特征是在套筒螺旋副(6)和冷却室套(15)之间设有冷却室(7)和冷却液管道(27)，所述冷却室(7)、冷却室套(15)和冷却液管道(27)组成冷却系统，其中：冷却水从安装在密封套(1)上的快换接头的冷却液管道(27)的进水孔进入冷却室(7)的下方内腔，再经冷却室(7)的上方内腔的冷却液管道(27)的出水孔流出；冷却室(7)设有O型密封圈(14)。

6.如权利要求4或5所述的雕刻头，其特征在于：由隔离套(8)、冷却室套(15)、高精密轴承对(16)和迷宫式端盖所围的空间是润滑室(17)。

7.如权利要求1所述的雕刻头，其特征在于：套筒螺旋副(6)上开有便于装卸联轴器(31)的小口(34)，该联轴器为弹性联轴器。

8.如权利要求1或7所述的雕刻头，其特征在于：套筒螺旋副(6)采用小导程螺旋方牙螺纹副，并且设有存油环(35)。

9.如权利要求1所述的雕刻头，其特征在于：以铜刷压板(28)固定电机法兰(33)内导电用铜刷(29)，铜套(30)套联在高速直流无刷电机(32)轴上。

10.如权利要求1所述的雕刻头，其特征在于：进给驱动机构由步进电机(25)，与步进电机(25)输出轴相连的传动轮(24)，同步轮(26)，以及与同步轮(26)相连的同步皮带(23)组成；同步皮带(23)一端套在传动轮(24)上，另一端套在以键(22)与主驱动铜螺母(5)上相连的同步轮(26)上。

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