CN100537140C - 一种适用于自由曲面的磨削装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于自由曲面的磨削装置，在X轴床身上表面的X轴导轨上支撑工件台，X轴床身的旁边设置Y轴床身，该Y轴床身的上表面通过Y轴导轨支撑Z轴床身；Z轴床身面向X轴床身的表面上设有两根Z轴导轨，该Z轴导轨上支撑有滑板，滑板通过B轴回转支撑体与B轴回转电机输出轴上的齿轮联接，在回转座的顶部安装C轴驱动电机，套装在该C轴驱动电机输出轴上的驱动齿轮与从动齿轮啮合，从动齿轮与C轴回转轴固定联接，该C轴回转轴上安装磨头座，在磨头座的上端安装磨头电机，底部安装接触轮，接触轮通过砂带与磨头电机输出轴上的主动轮连接。本发明通过空间六个自由度的结合，可以实现复杂曲面工件的磨削处理，有效提高了工件的打磨精度和表面质量。

Description

一种适用于自由曲面的磨削装置

技术领域

本发明涉及一种适用于自由曲面的磨削装置，以适用于曲面形状较复杂的 零件的磨削。 背景技术

目前，国内外复杂几何形状工件（航空叶片、汽轮机叶片、人体关节、洁 具等）的磨削抛光工艺大部分是由人工完成的，不仅具有加工效率低、产品一 致性难以保证、生产人员工作环境恶劣等弊端，同时管理成本较高。这种抛光 方式虽然能实现复杂曲面的打磨与抛光，但是由于无法做到尺寸精度的有效管 控，导致加工精度较差、型面的质量难以保证，且曲面表面的质量与操作人员 的熟练程度有很大关系，不仅工人的劳动强度大，而且曲面抛光中磨削厚薄不

均的状况也无法得到有效的解决。德国metabo公司在传统机床设计的基础上，

开发出了专业的叶片磨削机床，大大提高了叶片的磨削效率，但该设备Z轴主

平面不与X轴平行，成垂直状态，导致磨头绕Y轴的旋转支撑臂太长，刚性不

好，不能适应叶片型面的大进给量磨削的要求。国内河北廊坊智通机器人公司，

与ABB公司合作开发的机械手臂，实现了复杂形状工件磨削抛光的自动化，提

高了成品率，并縮短了加工时间，但由于该设备采用串联机械手结构，设备刚

性很差，无法适应大型叶片快速磨削的功能要求。 发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种适用于自由曲面的磨削装置，以

5适用于曲面形状较复杂的零件的磨削，并有效提高工件的加工精度。

本发明的技术方案如下： 一种适用于自由曲面的磨削装置，包括X轴床身、 A轴主轴驱动机构、尾座和接触轮，其关键在于：

a、 在所述X轴床身的上表面沿其长度方向平行设置有两根X轴导轨，该X

轴导轨上支撑有工件台，工件台能在X轴导轨上滑动；在所述工件台的一端安

装A轴主轴驱动机构，能使工件绕平行于X轴的方向旋转，另一端安装尾座， 尾座能在工件台上表面的辅助导轨上滑动；

b、 在所述X轴床身的旁边设置有与之垂直的Y轴床身，该Y轴床身的上表 面通过两根Y轴导轨支撑Z轴床身，Z轴床身能在Y轴导轨上滑动；

c、 在所述Z轴床身朝向X轴床身的表面上设有两根Z轴导轨，该Z轴导轨 上支撑有滑板，滑板上安装有B轴回转支撑体，B轴回转支撑体与B轴回转电机 输出轴上的齿轮联接，所述B轴回转电机安装在回转座上，回转座能绕平行于Y 轴的方向旋转；

d、 在回转座的顶部安装C轴驱动电机，套装在该C轴驱动电机输出轴上的 驱动齿轮与从动齿轮啮合，所述从动齿轮与C轴回转轴固定联接，该C轴回转 轴上通过联接座安装磨头座，磨头座能绕平行于Z轴的C轴回转轴旋转；

e、 在所述磨头座的上端安装磨头电机，底部安装接触轮，该接触轮通过砂 带与磨头电机输出轴上的主动轮连接。

采用以上技术方案，A轴主轴驱动机构与尾座结合，可用于装夹待磨削的自 由曲面工件，尾座在工件台表面的辅助导轨上滑动，以便于适应装夹不同长度 的工件。待工件装夹到位后，磨头电机带动其轴上的主动轮转动，主动轮通过 砂带带动接触轮同步旋转，即可对工件进行磨削处理。本发明在空间上具有六个自由度，即：工件台在X轴导轨上滑动，实现工件在X轴方向的轴向移动；A 轴主轴驱动机构带动工件绕其轴线旋转，实现A轴方向的运动；Z轴床身在Y轴 导轨上滑动，实现接触轮在Y轴方向的轴向移动；滑板连同磨头座在Z轴导轨 上滑动，实现接触轮在Z轴方向的上下移动；B轴回转支撑体与回转座上的伺服 电机结合，可控制回转座、磨头座连同接触轮在B轴回转支撑体轴线上作左右 摆动，实现B轴方向的运动；回转座顶部的C轴驱动电机还可以驱动C轴回转

轴，带动整个磨头座绕c轴回转轴转动，实现磨头座及接触轮c轴方向的运动。

本发明通过空间六个自由度的结合，可以实现复杂曲面工件的磨削处理， 并且加工效率高、工人的劳动强度小、加工精度及型面的表面质量均有保障。

在上述x轴床身上表面的一端安装有X轴伺服电机，该X轴伺服电机通过 联轴器与X轴滚珠丝杆的一端联接，X轴滚珠丝杆通过轴承支承与X轴床身相联， 在X轴滚珠丝杆上套装有丝杆螺母座，该丝杆螺母座固定在工件台的底部。工 件台移动的动力由X轴伺服电机提供，当X轴伺服电机运转时，带动X轴滚珠 丝杆一起转动，与X轴滚珠丝杆配合的丝杆螺母座带动工件台在X轴导轨上滑 动，以便于对工件长度方向的不同部位进行磨削处理。

在上述Y轴床身上部靠近X轴床身端安装Y轴伺服电机，该Y轴伺服电机 通过联轴器与Y轴滚珠丝杆的一端联接，Y轴滚珠丝杆通过轴承支承与Y轴床身 相联，在Y轴滚珠丝杆上套装有丝杆螺母座，该丝杆螺母座固定在Z轴床身的 底部。Z轴床身移动的动力由Y轴伺服电机提供，当Y轴伺服电机运转时，带动 Y轴滚珠丝杆一起转动，与Y轴滚珠丝杆配合的丝杆螺母座带动Z轴床身在Y轴 导轨上滑动，即可实现接触轮在Y轴方向的轴向移动。

在上述Z轴床身的顶部安装Z轴伺服电机，该Z轴伺服电机通过联轴器与Z轴滚珠丝杆的一端联接，z轴滚珠丝杆通过轴承支承与z轴床身相联，在z轴滚

珠丝杆上套装有丝杆螺母座，该丝杆螺母座与滑板固定连接。滑板连同磨头座

上下移动的动力由z轴伺服电机提供，当z轴伺服电机运转时，带动z轴滚珠 丝杆一起转动，与z轴滚珠丝杆配合的丝杆螺母座带动滑板在z轴导轨上滑动，

即可实现接触轮在z轴方向的上下移动，以适应不同直径大小工件的加工要求。 为进一步提高磨削的精度，上述B轴回转支撑体的轴线与接触轮的底部相 切。B轴回转支撑体类似于轴承结构，B轴回转支撑体的内圈与回转座固定联接， B轴回转支撑体的外圈齿轮固定在滑板上，并且该外圈齿轮与所述B轴回转电机 输出轴上的齿轮相啮合，B轴回转电机运转时，B轴回转支撑体的内圈连同回转 座可整体相对于外圈齿轮的轴线做回转运动，即可实现接触轮在B轴回转支撑 体轴线上的左右摆动。

为了简化结构，便于拆装，上述从动齿轮为扇形，该从动齿轮的圆弧边设 置外齿，直线边通过平键与所述C轴回转轴联接。

在上述磨头座的顶部安装有张紧轮，所述砂带从该张紧轮上绕过。张紧轮 能调节主动轮与接触轮之间砂带的张紧度，防止砂带发生脱落，保障对工件的 磨削处理能顺利进行。

在上述张紧轮与接触轮之间设置有惰轮，所述砂带从该惰轮上绕过。 由于工件型面允许一定量的变形存在，磨削时要求等深度磨削，接触轮必 须能够实现浮动。因此，在上述磨头座的底部设有导柱并装有气缸，在导柱上 活套有呈"n "形的滑动板，该滑动板的横板与气缸的活塞杆固定连接，所述

接触轮通过支臂安装在滑动板的竖板上。通过气缸活塞杆的伸縮可调节接触轮 的高度位置，以实现Z轴方向上的微调，适应工件型面变形的需要。气缸的进气口处装有比例阀，用来调节进气量的大小；磨头电机的电路接入端口处装有 电流互感器，用来测量磨头电机的电流变化状态。当理论数据与工件变形不相 吻合时，接触轮磨削深度必将发生变化，而这一变化将导致磨削力加大或减少， 相应磨头电机的功率必然也发生变化，电机电流亦相应增长或减少。为了保证 磨削功率或电流一致，即磨削深度一致，必须改变磨削压力，而磨削压力的大 小由与接触轮直接联接的气缸压力大小决定的，因此为保证磨削压力能在一个 较小的范围内变化，磨头电机的测量电流值被传送到数控电路系统中去，并与 设定的电机工作电流做比较。当磨削压力变大，电机实际功率增大时，电机电 流增大，相对应的比例阀的进气量减少，接触轮沿Z轴方向微量上移，磨削压 力减少，直至达到设定的平衡状态，反之亦然。

有益效果：本发明通过空间六个自由度的结合，可以实现复杂曲面工件的

磨削处理，在接触轮高速旋转时，能保证接触轮与工件之间接触稳定，从而有 效提高了工件的尺寸精度，并能保障工件型面的表面质量。同时，本发明还降 低了产品的不良率，具有加结构简单、成本低、工效率高、工人的劳动强度小、 产品一致性好、加工精度有保障、适用范围广等特点。 附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1的左视图。

图4为图3的A-A剖视放大图。

图5为本发明中X轴床身的俯视图。

图6为本发明中Y轴床身的结构示意图。图7为图6的俯视图。 具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一歩说明：

如图l、图2、图5所示，在X轴床身1的上表面沿其长度方向平行设置有 两根X轴导轨5， X轴导轨5上支撑有工件台6。在X轴床身1上表面的一端安 装X轴伺服电机24，该X轴伺服电机24通过联轴器25与X轴滚珠丝杆26的一 端联接，X轴滚珠丝杆26通过两个轴承支承在对应的轴承座41上，轴承座41 固定在X轴床身1的上表面。在X轴滚珠丝杆26上套装有丝杆螺母座27,该丝 杆螺母座27固定在工件台6的底部，当X轴伺服电机24运转时，带动X轴滚 珠丝杆26 —起转动，与X轴滚珠丝杆26配合的丝杆螺母座27带动工件台6在 X轴导轨5上滑动，以便于对工件长度方向的不同部位进行磨削处理。

从图1、图2、图5中可知，在工件台6上表面的一端安装A轴主轴驱动机 构2，工件台6上表面的另一端铺设两根辅助导轨7，辅助导轨7平行于X轴导 轨5，且辅助导轨7上支撑有尾座3，尾座3能在辅助导轨7上滑动。A轴主轴 驱动机构2与尾座3结合，可用于装夹待磨削的工件，且A轴主轴驱动机构2 能带动工件绕其轴线旋转，实现A轴方向的运动；尾座3在辅助导轨7上滑动， 以便于适应装夹不同长度的工件。A轴主轴驱动机构2由电机、主轴箱和夹具等 部件组成，电机、主轴箱、夹具以及尾座3的结构均与现有技术相同，在此不 做赘述。

如图l、图2、图3、图6和图7所示，在X轴床身1旁边的中部设置Y轴 床身8，该Y轴床身8垂直于X轴床身1， Y轴床身8的上表面铺设有两根Y轴 导轨9， Y轴导轨9垂直于X轴导轨5，且Y轴导轨9上支撑有Z轴床身10。在所述Y轴床身8上部靠近X轴床身1端安装Y轴伺服电机28，该Y轴伺服电机 28通过联轴器29与Y轴滚珠丝杆30的一端联接，Y轴滚珠丝杆30通过两个轴 承支承在对应的轴承座42上，轴承座42固定在Y轴床身8的上表面。在Y轴 滚珠丝杆30上套装有丝杆螺母座31，该丝杆螺母座31固定在Z轴床身10的底 部，当Y轴伺服电机28运转时，带动Y轴滚珠丝杆30—起转动，与Y轴滚珠 丝杆30配合的丝杆螺母座31即可带动Z轴床身10在Y轴导轨9上滑动。

如图1、图2、图3所示，在Z轴床身10朝向X轴床身1的表面上设有两 根竖直分布且相互平行的Z轴导轨11，该Z轴导轨11上支撑有滑板12。在Z 轴床身10的顶部安装Z轴伺服电机32，该Z轴伺服电机32通过联轴器33与Z 轴滚珠丝杆34的上端联接，Z轴滚珠丝杆34通过两个轴承支承在对应的轴承座 43上，该轴承座43固定在Z轴床身10的表面。在Z轴滚珠丝杆34上套装有丝 杆螺母座35，该丝杆螺母座35与滑板12固定连接，当Z轴伺服电机32运转时， 带动Z轴滚珠丝杆34 —起转动，与Z轴滚珠丝杆34配合的丝杆螺母座35即可 带动滑板12在Z轴导轨11上滑动，以适应不同直径大小工件的加工要求。

从图1、图2和图3中可知，B轴回转支撑体13的内圏通过螺钉与回转座 15固定联接，B轴回转支撑体13的外圈齿轮通过螺钉固定在滑板12上，并且 该外圈齿轮与B轴回转电机14输出轴上的齿轮相啮合，B轴回转电机14安装在 回转座15上。B轴回转电机14运转时，B轴回转支撑体13的内圈连同回转座 15可整体相对于外圈齿轮的轴线做回转运动。在回转座15的顶部安装C轴驱动 电机16， C轴驱动电机16的输出轴上套装驱动齿轮17，该驱动齿轮17与从动 齿轮18啮合。所述从动齿轮18为扇形，该从动齿轮L8的圆弧边设置外齿，直 线边通过平键与C轴回转轴19联接。C轴回转轴19通过轴承支承在回转座15上，磨头座21通过联接座20与C轴回转轴19固定连接。

从图1、图2、图3和图4中进一步可知，在磨头座21的上端安装磨头电 机22，磨头电机22的输出轴上套装主动轮。在磨头座21的底部设有导柱38并 装有气缸40，呈"n "形的滑动板39通过其横板活套在导柱38上，并且滑动 板39的横板与气缸40的活塞杆固定连接，在滑动板39的竖板上通过支臂安装 接触轮4，该接触轮4通过砂带23与磨头电机22输出轴上的主动轮连接，并且 所述B轴回转支撑体13的轴线与接触轮4底部相切。在磨头座21顶部磨头电 机22的旁边安装有张紧轮36，所述砂带23从该张紧轮36上绕过。张紧轮36 能调节主动轮与接触轮之间砂带23的张紧度，防止砂带发生脱落，保障对工件 的磨削处理能顺利进行。在所述张紧轮36下方的磨头座21以及滑动板39的竖 板上均装有惰轮37，所述砂带23从惰轮37上绕过。主动轮的转动由磨头电机 22提供动力，主动轮通过砂带23带动接触轮4同步旋转，即可对工件进行磨削 处理。

本发明在空间上具有六个自由度，即：工件台6在X轴导轨5上滑动，实 现工件在X轴方向的轴向移动；A轴主轴驱动机构2带动工件绕其轴线旋转，实 现工件在A轴方向的运动；Z轴床身10在Y轴导轨9上滑动，实现接触轮4在 Y轴方向的轴向移动；滑板12连同磨头座21在Z轴导轨11上滑动，实现接触 轮4在Z轴方向上下移动；B轴回转支撑体13与B轴回转电机14结合，可控制 接触轮4做左右摆动，实现B轴方向的运动；回转座15顶部的C轴驱动电机16 还可通过C轴回转轴19带动整个磨头座21实现C轴方向的运动。本发明通过 空间六个自由度的结合，可以实现复杂曲面工件的磨削处理，并且加工效率高、 工人的劳动强度小、尺寸精度及型面的表面质量均有保障。

Claims (9)

1、一种适用于自由曲面的磨削装置，包括X轴床身(1)、A轴主轴驱动机构(2)、尾座(3)和接触轮(4)，其特征在于：a、在所述X轴床身(1)的上表面沿其长度方向平行设置有两根X轴导轨(5)，该X轴导轨(5)上支撑有工件台(6)，工件台(6)能在X轴导轨(5)上滑动；在所述工件台(6)的一端安装A轴主轴驱动机构(2)，该A轴主轴驱动机构(2)能使工件绕平行于X轴的方向旋转，在所述工件台(6)的另一端安装尾座(3)，尾座(3)能在工件台(6)上表面的辅助导轨(7)上滑动；b、在所述X轴床身(1)的旁边设置有与之垂直的Y轴床身(8)，该Y轴床身(8)的上表面通过两根Y轴导轨(9)支撑Z轴床身(10)，Z轴床身(10)能在Y轴导轨(9)上滑动；c、在所述Z轴床身(10)朝向X轴床身(1)的表面上设有两根Z轴导轨(11)，该Z轴导轨(11)上支撑有滑板(12)，滑板(12)上安装有B轴回转支撑体(13)，B轴回转支撑体(13)与B轴回转电机(14)输出轴上的齿轮联接，所述B轴回转电机(14)安装在回转座(15)上，回转座(15)能绕平行于Y轴的方向旋转；d、在回转座(15)的顶部安装C轴驱动电机(16)，套装在该C轴驱动电机(16)输出轴上的驱动齿轮(17)与从动齿轮(18)啮合，所述从动齿轮(18)与C轴回转轴(19)固定联接，该C轴回转轴(19)上通过联接座(20)安装磨头座(21)，磨头座(21)能绕平行于Z轴的C轴回转轴(19)旋转；e、在所述磨头座(21)的上端安装磨头电机(22)，底部安装接触轮(4)，该接触轮(4)通过砂带(23)与磨头电机(22)输出轴上的主动轮连接。

2、 根据权利要求l所述的一种适用于自由曲面的磨削装置，其特征在于： 在所述X轴床身（1)上表面的一端安装有X轴伺服电机（24)，该X轴伺服电 机（24)通过联轴器（25)与X轴滚珠丝杆（26)的一端联接，X轴滚珠丝杆（26) 通过轴承支承与X轴床身（1)相联，在X轴滚珠丝杆（26)上套装有丝杆螺母 座（27)，该丝杆螺母座（27)固定在工件台（6)的底部。

3、 根据权利要求l所述的一种适用于自由曲面的磨削装置，其特征在于： 在所述Y轴床身（8)上部靠近X轴床身（1)端安装Y轴伺服电机（28),该Y 轴伺服电机（28)通过联轴器（29)与Y轴滚珠丝杆（30)的一端联接，Y轴滚 珠丝杆（30)通过轴承支承与Y轴床身（8)相联，在Y轴滚珠丝杆（30)上套 装有丝杆螺母座（31)，该丝杆螺母座（31)固定在Z轴床身（10)的底部。

4、 根据权利要求l所述的一种适用于自由曲面的磨削装置，其特征在于： 在所述Z轴床身（10)的顶部安装Z轴伺服电机（32)，该Z轴伺服电机（32) 通过联轴器（33)与Z轴滚珠丝杆（34)的一端联接，Z轴滚珠丝杆（34)通过 轴承支承与Z轴床身（10)相联，在Z轴滚珠丝杆（34)上套装有丝杆螺母座(35)，该丝杆螺母座（35)与滑板（12)固定连接。

5、 根据权利要求l所述的一种适用于自由曲面的磨削装置，其特征在于： 所述B轴回转支撑体（13)的轴线与接触轮（4)的底部相切，B轴回转支撑体(13)的内圈与回转座（15)固定联接，B轴回转支撑体（13)的外圈齿轮固定 在滑板（12)上，并且该外圈齿轮与所述B轴回转电机（14)输出轴上的齿轮 相啮合。

6、 根据权利要求l所述的一种适用于自由曲面的磨削装置，其特征在于：所述从动齿轮（18)为扇形，该从动齿轮（18)的圆弧边设置外齿，直线边通 过平键与所述C轴回转轴（19)联接。

7、 根据权利要求l所述的一种适用于自由曲面的磨削装置，其特征在于：在所述磨头座（21)的顶部安装有张紧轮（36)，所述砂带（23)从该张紧轮（36) 上绕过。

8、 根据权利要求7所述的一种适用于自由曲面的磨削装置，其特征在于： 在所述张紧轮（36)与接触轮（4)之间设置有惰轮（37)，所述砂带（23)从 该惰轮（37)上绕过。

9、 根据权利要求1或7或8所述的一种适用于自由曲面的磨削装置，其特 征在于：在所述磨头座（21)的底部设有导柱（38)并装有气缸（40)，在导柱(38)上活套有呈"n "形的滑动板（39)，该滑动板（39)的横板与气缸（40) 的活塞杆固定连接，所述接触轮（4)通过支臂安装在滑动板（39)的竖板上。