CN1009995B - 具有能绕两个相交轴旋转的工作台的数控机床的使用方法 - Google Patents

Abstract

利用数控机床在工件的斜面上加工的方法，它包括一个装在可沿三个正交轴移动的主轴上的切削刀具，一个可绕它本身的轴和另外一个与之成45°角的轴旋转的工作台。刀具沿三个轴的移动以及工作台绕两个轴的旋转都是用一个数控系统控制，控制方法是把有关需加工的特定工件的上述数据输入数控系统。数控系统按编制的程序使机床工作。侧如，在锥面上工作或在斜面上预先指定的位置钻一个，两个或更多的孔。

Description

我们的发明是关于数控机床的使用方法，特别是关于这样一种机床的使用方法，它因具有一个能沿三个正交轴移动的主轴和一个固定工件用的且能围绕它本身的轴和另一个与水平面成45°角的轴旋转的工作台，所以能对工件的5个不同表面进行加工。

标准结构的通用机床能对工件的4个面进行加工。改进这样的机床，使主轴的方向（或装在其上的刀具）或者工件的方向能改变90°，就能得到一种更为通用的机床，可加工工作的5个不同的工作面，对于这样的机床，基本构造有两种设计，至于使用哪一种则取决于所要求部件旋转90°的轴，如何安排而定。一种是普通的工作台结构，其旋转轴平行于其他3个正交轴之中的任一个轴。另一种是倾斜的工作台结构，其旋转轴和三个正交轴之中的两个成45°角。

这种普通工作台型的结构较为简单。而且，因为旋转轴可以固定在角位移为90°的两个极端位置之间的任何位置上，所以这种机床不仅可以加工5个不同的表面，而且能够完成所谓“坡面加工，意思是它可以对斜面进行加工，抵消这些优点的是机床体积较大，因为主轴（刀具）或工件随着旋转轴90°的角位移必须移动相当的距离。

倾斜工作台型机床已在例如英国2，023，027A号专利申请中公开过。其优点是结构紧凑，主轴（刀具）或工件可以绕它本身的倾斜轴旋转。然而，这个倾斜轴虽使机床结构紧凑却使结构变得很复杂。还有一个不利之处是：一般说，如上述英国专利申请所提到的，工件只能在两个预先确定的，彼此相隔90°角的位置上进行加工，相对刀具而言，在两个位置之间没有固定位置。这样，倾斜工作台型的机床就不具备坡面加工能力。

我们的发明为这一类型的数控机床提供了新的使用方法，可以把工件切割成任何所要求的角度，特别是切成锥形体，而机床本身的结构又十分紧凑。

我们的发明还提供了这样一种方法，可以在工作的斜面上并垂直于斜面方向钻孔。

我们的发明还进一步提供了这样一种方法，可以在工件斜面上预先指定的不同位置，并垂直于斜面方向加工二个或更多的孔。

通过阅读下述说明和权利要求并参照附图，这些都说明了本发明的方法，对本发明上述或其它特征和优点以及实现它们的方法，将变得十分明显，而对本发明就能理解得更为清楚。

图1是在本发明的方法中实际使用的数控机床的最佳形状的侧视图，一起显示的有控制和操作这种机床的数控（NC）系统。

图2到图8是按照本发明的方法对图1所示的机床的操作方法进行分析研究的简图。

图9为简略的示意图，表明按照本发明的方法，怎样利用图1所示机床在工件上钻孔。

图10为图9的X箭头视向的示意图。

图11是按照本发明的方法在一个工件上钻出的两个孔之间相对位置的简略示意图。

图12是一个按照本发明的方法，加工工件实例的平面视图。

图13表示3图12中箭头Ⅷ视向缩小尺寸的

立面图，为清楚起见部分剖视了图12所示的工件和装工件的工作台。

图14为图12中箭头ⅪⅤ视向，工件和工作台的示意图。

图15也是图12中箭头ⅩⅤ视向，工件和工作台的示意图。

图16是图12中箭头ⅩⅥ视向工件的局部放大示意图。

图17是按照本发明的方法，用以分析研究图1所示的机应，在图12到图16所示的工件上，加工两个孔的操作方法。

图18是按照本发明的方法，可以加工的工件实例的透视图。

图19是按照本发明的方法，可以加工的工件的又一个实例的透视图。

我们已经在图1中表明了一个典型的，在我们加工方法实践中使用的数控机床。这种机床有一个床座1，其上装着一个滑鞍2，可以沿x轴滑动，x方向是在水平面上并且垂直于这张附图的纸。为了使滑鞍2沿着x轴移动，装置了一个x轴刀具进给电机Mx。在滑鞍2上装着立柱3，可以沿z轴方向滑动，z轴也是在水平面上伸展，并且和x轴成直角，它靠一个z轴刀具进给电机Mz来驱动。在立柱3上还装着一个滑块或主轴支架4，其上装着可旋转的主轴5。主轴支架在y轴刀具进给电机My驱动下，可以相对立柱3沿y轴在垂直方向移动，并和x和z轴成直角。主轴5上装有一把可卸除的各种不同的切削刀具6，按通常方式水平伸出。Ms为刀具驱动电机用来使主轴5旋转，因而也就便装在其上的刀具6旋转。主轴5的旋转轴以及刀具6的旋转轴平行于z轴。

这种机床还包括一个工作台底座7，它相对于床座1的位置，使立柱3沿z轴移动时，移向或移离工作台底座。

工作台底座7上有一个斜向安装绕A轴旋转的支承台8，A轴相对y轴z轴成45°角，支承台驱动电机Ma可控地驱动支承台8。从支承台8伸出一个支架9，其上装着可绕B轴旋转的工作台10，B轴和A轴成45°角。一个工作台驱动电机Mb适当地和工作台10联接，从而使之产生一个可控的旋转运动。当工作台10是在图1中实线所示的水平位置时，工作台的B轴是垂直的或平行 于y轴;当工作台10是在虚线所示的垂直位置时，B轴是水平的或平行于轴。

11所示为一数控（NC）系统或“控制器”，其输出联接轴刀具进给电机Mx，z轴刀具进给电机Mz，y轴进给电机My，刀具驱动电机Ms，支承台驱动电机Ma和工作台驱动电机Mb。按照本发明的方法用这种机床加工工件时，必须以数码形式给数控（NC）系统11输入下列数据：

1.工作台10上的被加工的工件（没有在图1上表示）的斜面相对于B轴的角θ。

2.支承台A轴和工作台B轴的交点O与主轴5的旋转轴（切削刀具6也装于此）和B轴的交点之间的距离h。这时，刀具的垂直对向位于工作台10上的工件的倾斜面。

3.倾斜工作面和包含有A轴与B轴交点O且平行于倾斜工作面的平面之间的距离l。

当然，上述列出的因素θ，h和l都会随着所需完成的某一特定的加工操作而发生变化。数控（NC）系统11读出这些代码信息，并且把它转化成机床指令，按照本发明指示的方法，个别地控制上面提到的电机Mx，Mz，My，Ms，Ma和Mb。

如图2所示，在随后的加工方法的讨论中，将使用下面的附加符号：

P＝工作台10顶面的几何中心。

Q＝当工作台的B轴垂直于如图1或图2的实线所示的水平面时，工作台中心P的位置。

R＝当工作台10绕A轴和支承台8一起从图1和图2的实线位置回转180°，转到虚线位置时的工作台中心P的位置。

如图2所示，假定 OP是上述定义的距离h，将会看到，在支承台8绕A轴旋转期间，工作台10的中心P沿假想的矢量半径为 OP，圆锥顶点为O而圆锥角为90°。的圆锥底圆的圆周运动。让a代表圆锥底圆的中心。那么，支承台8绕A轴旋转相当于矢量半径 a绕A轴旋转。

让我们假定一个固定在空间的坐标系统，坐标轴分别是x，y和z，利用这个坐标系统并参照图3和图4，我们就能够定出，当支承台8绕A轴转一个α角时工作台10的中心P（x、y、z）的位置。如果从P点到x-y平面作垂直线通过交点O（参考平面），并和这个参考平面交于P′点，那么P′点可以表示为P′（x、y、o）。x、y、z可以定义为：

x= apsinα= $\frac{h}{\sqrt{z}}$ sinα（1）

y＝ (h)/2 + (h)/2 （cosα）＝（1+cosα）（2）

$\mathrm{z=}\frac{1}{\sqrt{z}}(\frac{n}{\sqrt{z}}-\frac{n}{\sqrt{z}}\mathrm{cos\alpha )=(1-cos\alpha )}$

如果 OP和参考平面的角度为θ，那么根据△OPP′（实角θ），

∴cosα＝1-2sinθ（4）

α＝cos^-1（1-2sinθ）（5）

那么当支承台8绕A轴旋转一个角度α，工作台10的中心就移到P（x，y，z）点，可用公式（1），（2），（3）表示，而且OP相对参考平面的角度为θ。相应的，如果工作台10装上了一圆锥顶点为O点，圆锥角为2θ的锥形工作，这个锥形工件的锥面将沿着 OP接触x-y平面。假定还有一个直角坐标系，如图4所示，它的Y轴沿着OP′，相应的X轴与之成直角。这样将可以看到，这个具有顶角2θ的工件的圆锥面可以用主轴5上刀具6的刀尖沿OP′方向移动而切成。P′点可以写成P′（x，y，o），定义为：

x= $\frac{h}{\sqrt{z}}\mathrm{sin\alpha }$ （1）

y＝ (h)/2 （1-cosα）（2）

z＝0（3）

前已假定h是O和P之间的距离，而P点又是工作台10顶面的中心。因而，如图5所示，不论P点在B轴何处，而工作台10是绕B轴旋转的，那么上述假定都是正确的。

而且，还可从图6看到，图1所示的用在上述情况的机床不仅可以切削具有2θ顶角的圆锥面，而且能加工沿z轴方向移动一段距离l的斜面。刀具6可以沿z轴从x-y平面退回一段距离l。

现在让我们研究，为了使图1所示的机床能够对位于工作台10上的工件的斜平面进行加工而必须绕B轴旋转的情况。

图7表示了当支承台8绕A轴转180°并把工作台10的中心点P从Q移到R时，固定在工作台10上的坐标系u，v和w的运动情况，同时工作台锁住，不能绕B轴旋转。坐标轴u和v都平行于工作台10的平面，在工作台的中心点P相交，而坐标轴w正交于工作台的平面。假定工作台10如上述绕A轴旋转而P点保持和主轴5的顶点相接触。现在问题是平行于z轴而且在u-v平 面上的主轴5的投影如何在u-v面上旋转，研究当z固定时，工作台中心点P从Q回转到R的情况，等同于将坐标轴u，v和w固定时对z轴转动的情况，也就是等同于研究主轴5相对于工作台10的运动或z轴相对于坐标轴u，v和w的运动。

相应地，从图8可以看到，平行 z轴的主轴有一个矢径 PS，而且S是从L移动到M;也就是说它是在一个具有顶点P，顶角90°，矢径 PL的圆锥面上运动。设S′为S在u-v面上的投影，＜LPS′＝β，那么这个角β就是我们所找的角。为了在工件所要求的斜平面上加工，仅仅把支承台8绕A轴旋转α角而且把刀具相对于新坐标系的坐标轴X和Y定位是不够的，因为工作台10也得转一个β角。

这个缺点当然可以通过把工作台转一个所需的β角而得到弥补，这个角在图4中是＜QOP′，它可以通过90°的圆锥在U-V面上的投影而获得，而且它也等于坐标系x及y和坐标系X及Y之间的夹角。因此：

$\mathrm{tan\beta =}\frac{x}{y}=\frac{\mathrm{hsin\alpha }}{\sqrt{2}}·\frac{2}{\mathrm{h(l+cos\alpha )}}=\frac{\sqrt{2}\mathrm{sin\alpha }}{\mathrm{l+con\alpha }}$

现在我们获得了用图1所示的机床进行坡面切削的所有公式，即方程（1），（2），（3），（4），（7），借助θ来重写这些方程：

$\mathrm{cos\alpha =}\sqrt{\mathrm{1-2sin\theta }}$

以它代入相同的方程

$\mathrm{sin\alpha =}\sqrt{\mathrm{1-cos}{}^2\alpha }$

那么：

$\mathrm{sin\alpha =}\sqrt{\mathrm{1-(1-2sin\theta )}{}^2}=\sqrt{\mathrm{1-(1-4sin\theta +4sin}{}^2\mathrm{\theta )}}$

$\mathrm{=2}\sqrt{\mathrm{sin\theta (l-sin\theta )}}$

把方程（4′）和（8）代入方程（1），（2），（3）和（7），

x= $\frac{h}{\sqrt{2}}\mathrm{sin\alpha =}\sqrt{2}\mathrm{·h}\sqrt{\mathrm{sin\theta (1-sin\theta )}}$

x= $h\sqrt{\mathrm{2sin\theta (1-sin)\theta }}$ （9）

y＝ (h)/2 （1+cosα）＝ (h)/2 （1+1-2sinθ）

＝h（1-sinθ）（10）

z＝ (h)/2 （1-cosα）＝ (h)/2 （1-1+2sinθ）

＝hsinθ（11）

$\mathrm{tan\beta =}\frac{x}{y}=\frac{\sqrt{\mathrm{2sin\theta (1-sin\theta )}}}{\mathrm{l-sin\theta }}=\sqrt{\frac{\mathrm{2sin\theta }}{\mathrm{1-sin\theta }}}=\sqrt{\frac{\mathrm{2-(2-2sin\theta )}}{\mathrm{1-sin\theta }}}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{1-sin\theta }}\mathrm{-2}}$

${\mathrm{\beta =tan}}^{\mathrm{-1}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{1-sin\theta }}\mathrm{-2}}$

方程5不需要重写，

α＝cos^-1（1-2sinθ）

上述考虑可以用图9到图11的图形简略表示。为了在工件斜平面的垂直方向上钻孔，需要支承台8，工作台10和刀具6作相应的位移如图9到图11所示：

支承台8的旋转角：

A_O＝α＝cos^-1（1-2sinθ）

工作台10的旋转角：

$B_o\mathrm{=\beta +r=tan}{}^{\mathrm{-1}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{l-sin\theta }}\mathrm{-2+r}}$

刀具沿x轴的位移

$\mathrm{x=h}\sqrt{\mathrm{2sin\theta (1-sin\theta )}}$

刀具沿y轴的位移：

y＝h（1-sinθ）

刀具沿z轴的位移：

z＝1

现在可参照图12到图16来进行讨论，看如何在和B轴成θ角的工作台10上的工件12的斜面上，垂直于斜面，按预定的不同位置，钻两个孔13和14，为了钻第一个孔，需要确定θ，h，l，和γ这几个参数并把它们输入数控（NC）系统11（图1）。数控（NC）系统按程序把支承台8的位置定在

A_O＝cos^-1（1-2sinθ）

把工作台10的位置定在

$B_o\mathrm{=tan}{}^{\mathrm{-1}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{l-sin\theta }}\mathrm{-2}}\mathrm{+r}$

把刀具6的刀尖的位置定在

x= $h\sqrt{\mathrm{2sin\theta (1-sin\theta )}}$

y＝h（1-sinθ）

z＝1

使刀具6沿z轴向前进刀便可钻出第一个孔13。

为了钻第二个孔14，这个孔在图16中相对于第一个孔13的位置（m，n）必须知道并输入数控（NC）系统11中去。数控（NC）系统按程序改变刀具刀尖的位置，从位置（x，y）沿X轴移动距离m，沿Y轴移动距离n。X和Y构成3如图 17所示的坐标系，它和x，y坐标系构成的夹角为：

${\mathrm{\beta =tan}}^{\mathrm{-1}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{l-sin\theta }}\mathrm{-2}}$

使刀具沿z轴进刀就能钻出第二个孔14。遵照类似的程序可以钻出3个或更多的孔。

这样，按照本发明的一个方面，提供了其构造大体上如图1所示的数控机床的使用方法。这方法包括给数控（NC）系统11输入编码数据，这些数据是：工作台上的工件的待加工面相对于B轴的角θ;A轴和B轴交点O和B轴与旋轴刀具轴线的交点之间的距离h（刀具被夹持的位置，垂直对向工件的待加工面）;工件待加工面和平行于工件待加工面并通过A轴与B轴交点O的平面之间的距离l。给数控（NC）系统编制的程序，给出指令，使工件台绕A轴旋转一个如下式所定义的角

A_O＝cos^-1（1-2sinθ）

使刀具定位于下式给出的点

x= $h\sqrt{\mathrm{2sin\theta (1-sin\theta )}}$

y＝h（1-sinθ）

z＝1

并加工工作台上的工件。这样就能把工件上的锥形面加工出来。

按照本发明的另一个方面，给数控（N/C）系统另一个程序，赋予工作台一个正确的相对于B轴的旋转，旋转角定义如下：

$B_o\mathrm{=tan}{}^{\mathrm{-1}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{l-sin\theta }}\mathrm{-2}}$

这样，就可以在工件的斜平面的预定位置，垂直于斜平面的方向钻孔，如图18所示，按照本发明的另外的一个方面，可以用图1所示的数控机床，提供在工件斜面的垂直方向，至少两个预先确定的不同位置上进行钻孔的方法，如图19的加工实例。这种方法包括给数控（NC）系统11输入关于工作台上的工件的斜面相对于B轴的角度θ;A轴和B轴的交点O和B轴与刀具旋转轴的交点之间的距离h，这时刀具是处在预先确定的垂直于工作斜面的，第一个孔的位置上;工作斜面和平行于工作斜面并通过A轴和B轴交点O的平面之间的距离l;和工件的斜面上准备加工的平两个孔之间预先确定的两上相关位置（m，n）;给数控（NC）系统的编程将发出指令，使工作台绕A轴转一个如下式所定义的角

A_O＝cos^-1（1-2sinθ）

使刀具定位于下式给出的点的位置

x= $h\sqrt{\mathrm{2sin\theta (1-sin\theta )}}$

y＝h（1-sinθ）

z＝1

并在工件的斜面上按预定位置钻出第一个孔，数控装置下一步程序，使刀具定位在另一点，这一点是从点（x，y）分别沿X，Y轴移动m和n距离而得到，X和Y轴构成的坐标系与x和y轴的坐标构成的夹角为：

$B_o\mathrm{=tan}{}^{\mathrm{-1}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{l-sin\theta }}\mathrm{-2}}$

然后根据x和y的座标系统，在工件的斜面上加工第二个孔。

Claims (3)

1、一种数控机床的使用方法，该机床具有一个装在主轴上的刀具，可随主轴沿着水平伸展的x轴、垂直伸展的y轴和水平伸展并与x轴成直角的Z轴移动，刀具可随主轴绕与z轴平行的轴旋转，在z轴方向刀具的前方有一个工作台，能绕z-y平面上相对水平线成45°角的固定轴A旋轴，还能绕在同平面上的相对A轴成45°角的工作台本身的轴B旋转，用数控装置来控制刀具沿x、y和z轴的移动以及工作台绕A轴和B轴旋转，其特征在于所述方法包括以下步骤：

给数控装置输入关于工作台上工件待加工面相对于B轴的角度θ，A轴与B轴交点O和B轴与刀具旋转轴的交点之间距离h(这时刀具垂直对向工件的待加工的面)工件待加工的面和平行于工件待加工面并且通过A轴和B轴交点O的平面之间的距离1的编码数据；

给数控制装置编制程序，使之给出指令，使工作台绕A轴旋转一个如下式所定义的角Ao：

Ao=cos^-1(1-2sinθ)

以及使刀具定位于由下式确定的点的位置：

X＝ h $\sqrt{\mathrm{2sin\theta (1-sin\theta )}}$

y= h(l-sinθ)

z= y

从而进行对工作台上的工件的加工。

2、根据权利要求1所述的机床使用方法，其特征在于该方法包括对数控装置进一步编制程序的步骤，使工件台能正确地绕B轴旋转，旋转角如下式所定义：

${\mathrm{Bo=tan}}^{\mathrm{-1}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{1-sin\theta }}\mathrm{-2}}$

3、一种数控机床，其刀具装在主轴上并能随之沿着水平伸展的x轴，垂直伸展的y轴和水平伸展并和x轴成直角的z轴移动，刀具可随主轴一起绕与z轴平行的轴旋转，具有一个工作台，沿z轴方向位于刀具前方并能绕z-y平面上的相对水平线成45°角的固定轴A和绕同平面上相对A轴成45°角的自身轴B旋转，具有数控装置用来控制刀具沿x，y，z轴的移动以及工作占绕A轴和B轴的旋转，一种在位于工作台上的工件的斜面上，按两个预定的不同位置并且垂直斜面的方向上加工孔的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

给数控装置输入关于位于工作台上的工件的斜面相对于B轴的角θ，A轴与B轴交点O和B轴与刀具旋转轴的交点之间的距离h（这时刀具垂直于工件斜面并处于预先确定的第一个孔的位置上），工件斜面和平行于工件斜面并且通过A轴与B轴交点O的平面之间的距离1，以及工件斜面上准备加工的两孔之间预先确定的相关位置（m，n）的编码数据。

给数控系统编制程序，使之能发出指令使工作台绕A轴转一个如下式所定义的角Ao：

Ao＝cos^-1（1-2sinθ）

使刀具定位在由下式确定的点的位置上：

X＝ h $\sqrt{\mathrm{2sin\theta (1-sin\theta )}}$

y＝ h（1-sinθ）

z＝ 1

在工件斜面的预先确定位置上加工第一个孔，

对数控装置编制下一个程序，把刀具定位于另一点，该点从点（x，y）沿着x和y轴偏移m和n距离，x和y轴构成坐标系，相对x和y轴的坐标系的夹角为Bo：

${\mathrm{Bo=tan}}^{\mathrm{-1}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{1-sin\theta }}\mathrm{-2}}$

然后在工件的斜面上加工出第二个孔。

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