CN101041224A - 数字控制线接触曲面加工方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明是一种数字控制线接触曲面加工方法与设备，属数控机械加工领域。核心是四轴线接触曲面加工装置，由回转、平移、摆动、伸缩和切削组件组成。切削组件安装于伸缩组件上随上述四组件作空间运动。本发明用带有四轴线接触曲面加工装置的数控多轴运动坐标进给系统，根据加工需要可构成多种多轴数控曲面加工机床，控制刀具侧刃始终与加工面直母线相切加工，实现用一条代码就可加工一特定曲面或任意空间平面的加工方法。无理论廓形误差，效率高、精度高。用最少联动轴数和最少的数控加工代码实现曲面加工。可用于数控铣削精加工、光整加工、数控车铣加工、数控电解加工和数控电火花加工等机械精加工领域。

Description

数字控制线接触曲面加工方法与设备

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，属于数控机械加工的设备和方法。数字控制线接触曲面加工的方法与设备，是采用线接触加工方法对工件曲面加工的方法与设备。

背景技术

目前已知技术中的各种曲面数控加工如铣削、磨削等都是采用逼近或拟合的方法，将曲面转换成很小的平面片或曲面片，再采用传统的点线加工的方式，这需要大量的刀位数据，用3轴、4轴或5轴(及以上)的机床多轴联动加工，在这种加工方式中，追求加工效率与误差控制是一对难以调和的矛盾。

侧铣加工是近年来研究较多的一种加工方法，其主要优点在于加工表面质量好、加工效率高。这些研究主要集中于对扭曲直纹面及自由曲面的加工，分析由于加工方法本身所产生的加工误差，以及基于误差分析的刀位优化方法。如于源等人发表在机械工程学报2002年第6期的“基于特征的直纹面5轴侧铣精加工刀位计算方法”、蔡永林等人发表在西安交通大学学报2004年第5期的“任意扭曲直纹面叶轮数控侧铣刀位计算与误差分析”、Menzel，Cornelia等发表在CADComputer Aided Design 2004年第3期的“Triple tangent flank milling ofruled surfaces”、Larue等发表在International Journal of Machine Toolsand Manufacture 2003年第2期的“Deviation of a machined surface in flankmilling”等。上述侧铣方法虽然也都类似于线接触加工方法，但其加工曲面的方法还是以点、线方式规划刀具路径，用刀具周齿实现切削；这需要将曲面逼近成多个曲面片，并用很多条数控代码才能完成曲面加工，并存在逼近误差，同传统五轴点加工方法相比没有质的飞跃。

经对国内外专利文献和公开发表的期刊论文检索，尚未发现与本发明相同或类似的报道或文献。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术或设备存在的缺点，提供一种加工路径短，效率高，精度高，用最少联动轴数和最少的数控加工代码实现曲面加工的数字控制线接触曲面加工方法与设备。

本发明的实现在于作为一种数字控制线接触曲面加工设备，包括有数字控制系统、动力驱动源、带有数控的多轴运动的坐标进给系统，其特征在于：还必须具有四轴线接触曲面加工装置。四轴线接触曲面加工装置主要由回转组件、平移组件、摆动组件、伸缩组件和切削组件五大部分组成，回转组件固定在基座上，主要由支承架构件、下轴承、回转体及上轴承组成。两个轴承固定在支承架构件上，回转体分别和上轴承内圈和下轴承内圈静配合连接，回转电机安装在支承架构件上，回转电机的轴回转带动回转体及其延伸件构成回转运动进给轴，即C轴。平移组件安装在回转体的延伸件上，由安装在延伸件上相互平行的一对导轨和滚珠丝杠以及安装在导轨滑块上的摆动架组成。滚珠丝杠穿过摆动架，其两端支承安装在回转体的延伸件上，与导轨平行。与丝杠相连的平移运动伺服电机旋转，带动滚珠丝杠使摆动架沿平移导轨移动，由此构成平移进给轴，即U轴。摆动组件通过一对轴承安装在摆动架的下部，由这一对轴承和摆动体组成。摆动体伸出轴分别和这两个轴承的内圈静配合连接。安装在摆动架上的摆动电机往复回转，带动摆动体摆动，以构成摆动进给轴，即B轴。伸缩组件安装在摆动体上，它由一对导轨、伸缩滑块和滚珠丝杠及联接件组成。滚珠丝杠与导轨平行，穿过联接件安装，滚珠丝杠两端与摆动体固连，轴向进给电机旋转带动滚珠丝杠使导轨沿伸缩滑块运动，由此构成伸缩运动进给轴，即W轴。切削组件安装在伸缩滑块上。上述四轴线接触曲面加工装置使切削组件随回转组件、平移组件、摆动组件和伸缩组件作空间运动。

目前的多轴机床结构均不具备单轴进给完成加工不同位置，不同半径回转面的能力，即使加工由平面、锥面和柱面等简单特征面所组成的零件表面也需要多轴的联动，以点、线方式规划刀具路径，以行切法或环切法加工完成，加工路径长，不可避免的存在逼进误差和非线性误差。本发明设计了一套四轴线接触曲面加工装置，其刀具侧有两个回转轴和两个移动轴。在数控系统的控制下，直接根据被加工曲面特征，采用基于空间面加工的数控加工代码，控制刀具的伸缩、摆动、平移及旋转，使刀具侧刃始终与加工面的相切，用最少的联动轴数和最少的数控加工代码实现曲面的加工。特别是由于本发明在加工空间平面、圆柱面和圆锥面时，不存在理论廓形误差，最终的加工误差也仅来自机械误差，因而加工路径短、效率高、精度高。

本发明的实现还在于回转组件中的下轴承和上轴承用一个轴承代替，可以简化结构。

本发明的实现还在于伸缩组件中的导轨和伸缩滑块位置互换，以适应不同的加工和安装需要。

本发明的实现还在于切削组件或由主轴和刀具组成，或由主轴和抛光头构成，或由切割头构成，或由电加工阴极单元构成。刀具可以是铣削刀具，也可以是磨削刀具。

本发明的实现还是作为一种数字控制线接触曲面加工方法，其特征在于：采用权利要求1所述的数字控制线接触曲面加工设备，即用带有四轴线接触曲面加工装置的数控的多轴运动的坐标进给系统，实现对工件上不同加工区域的特征型面加工，具体的步骤有：

一.根据加工件的曲面特征编写数控加工代码；

二.将加工件的空间面加工的数控加工代码输入到数控系统；

三.通过数控系统控制四轴线接触曲面加工装置的B、C轴回转使刀具轴线矢量方向等于曲面起始加工点的切线矢量；

四.控制刀具主轴旋转；

五.通过控制X，Y和Z轴，先调整工件使得刀具的侧刃与工件的加工起始线相切触；

六.控制四轴线接触曲面加工装置的B轴回转和W轴进给，切削过程中，使刀具底刃始终与曲面导动线保持切触；

七.完成曲面加工全过程，各轴回位。

本发明的数字控制线接触曲面加工方法采用四轴线接触曲面加工装置作为刀具侧，配以不同的工件侧装置，可以实现不同加工范围及特征型面加工。同时，也由于工件侧可实现的运动功能的区别，而使加工方法产生差异。实现了用一条数控代码就可以加工一种特定的曲面，或者是用一条数控代码就可以加工任意的空间平面的加工方法。

本发明的实现还在于当曲面为圆锥面时，在进行第三步时还要调整工件位置使其圆锥面的回转轴线与C轴回转轴线重合，U轴进给调整刀具绕工件的回转半径；进行第五步时，摆动B轴进给调整刀具绕回转轴的夹角即半圆锥角，通过控制X，Y和Z轴，调整工件使得刀具的侧刃与工件的加工起始线相切触。

本发明的实现还在于加工柱面时，在进行第三步时，调整回转轴B和C轴使刀具轴线矢量方向等于柱面直母线矢量，调整U轴和W轴使刀具底刃始终与导动线保持切触，而加工中不再调整刀具矢量；进行第六步时刀具轴线始终运行在加工面的等距面上。

本发明的实现还在于加工平面时在进行第三步时先调整刀具轴线与工件加工平面平行，刀具轴线与加工平面距离等于刀具半径；第六步时，控制X，Y轴和W轴完成进给，使刀具底刃始终与平面边界保持切触从而完成加工。

本发明提出并设计了四轴线接触曲面加工装置的运动轴和结构，提供了一种能实现两个回转运动和两个移动运动的四轴线接触曲面加工装置。与数控系统结合在一起，可以构成多轴数控曲面加工机床，因而可以直接根据被加工曲面特征，采用基于空间面加工的数控加工代码，控制刀具的伸缩、摆动、平移及旋转，使刀具周刃始终与加工面的直母线相切进行加工，较好地解决加工效率与误差控制之间的矛盾。由于本发明在加工空间平面、圆柱面和圆锥面时，不存在理论误差，最终的加工误差也仅来自机械误差，因而效率高、精度高，实现了用最少的联动轴数和最少的数控加工代码实现曲面的加工。本发明不仅可应用于数控铣削精加工，而且可应用于光整加工，数控车铣加工、数控电解加工和数控电火花加工等许多方面的机械精加工。

附图说明：

图1是本发明的运动简图；

图2是本发明的设备结构示意图；

图3是本发明的四轴线接触曲面加工装置的结构图；

图4是本发明的四轴线接触曲面加工装置的平移组件结构图，也是图3中平移组件的侧视图；

图5是本发明的四轴线接触曲面加工装置的伸缩组件的结构图；

图6是本发明的四轴线接触曲面加工装置伸缩组件的结构剖视图；

图7是本发明中实现数字控制线接触曲面加工方法的设备的几种组合形式列举表，也是实施例9和10中表述的几种形式。

具体实施方式：

下面结合附图给出本发明的实施例

实施例1：

参见图3，本发明作为一种数字控制线接触曲面加工设备，包括有数字控制系统、动力驱动源、带有数控的多轴运动的坐标进给系统，关键点在于：还必须具有四轴线接触曲面加工装置，四轴线接触曲面加工装置主要由回转组件、平移组件、摆动组件、伸缩组件和切削组件五大部分组成，回转组件固定在基座1上，主要由支承架构件2、下轴承3、回转体4及上轴承5组成，两个轴承3和5固定在支承架构件2上，回转体4分别和上轴承内圈7和下轴承内圈8静配合连接，回转电机6安装在支承架构件2上，电机6的轴回转带动回转体4及其延伸件19构成回转运动进给轴，即C轴，见图1。平移组件安装在回转体4的延伸件19上，又参见图4，由安装在延伸件19上相互平行的一对导轨17和滚珠丝杠10以及安装在导轨滑块18上的摆动架16组成，滚珠丝杠10穿过摆动架16，其两端支承安装在回转体4的延伸件19上，与导轨17平行，与丝杠相连的电机20旋转，带动滚珠丝杠10使摆动架16沿导轨17移动，由此构成平移进给轴，即U轴，见图1。摆动组件通过两个轴承12安装在摆动架16的下部，由一对轴承12和摆动体15组成，摆动体15伸出轴分别和两个轴承12的内圈静配合连接，安装在摆动架16上的电机11往复回转带动摆动体15摆动以构成摆动进给轴，即B轴，见图1。伸缩组件安装在摆动体15上，又参见图5和图6，伸缩组件由一对导轨21、伸缩滑块22和滚珠丝杠13及联接件23组成，滚珠丝杠13穿过伸缩滑块22及联接件23，与导轨21平行，滚珠丝杠13两端与摆动体15固连，电机9旋转带动滚珠丝杠13使导轨21沿伸缩滑块22运动，由此构成伸缩运动进给轴，即W轴，见图1。这种导轨沿伸缩滑块运动的形式便于安装。切削组件安装在导轨21上。上述四轴线接触曲面加工装置使切削组件随回转组件、平移组件、摆动组件和伸缩组件作空间运动。

其中的电机6、电机9、电机11和电机20可以是步进电机，也可以是直流或交流伺服电机。

回转组件中的回转体4及其延伸件19为连接件，主要用于安装构成四轴线接触曲面加工装置的平移组件、摆动组件、伸缩组件和切削组件，呈台阶状回转体4及其延伸件19，可以做成一个零件。

实施例2：

总体装置同实施例1，不同之处是：回转体4及其延伸件19为连接件，分部件制造，然后安装而成。支承架构件2也是组合构件，由上下构件和盖子组成，采用分部件制造，然后安装，这样易加工，易于安装，成本低，也利于改进。

实施例3：

总体装置同实施例1，不同之处是：回转组件中的下轴承3和上轴承5用一个轴承代替，可以简化结构。

实施例4：

总体装置同实施例1，不同之处是：伸缩组件中的导轨21和伸缩滑块22位置互换，以适应不同的加工和安装需要。

实施例5：

参见图1，本发明采用如前所述的数字控制线接触曲面加工设备，由四轴线接触曲面加工装置和数控多轴运动的坐标进给系统组成，实现对工件上不同加工区域的特征型面加工，具体的步骤有：

一.根据加工件的曲面特征编写数控加工代码；

二.将加工件的空间面加工的数控加工代码输入到数控系统；

三.通过数控系统控制四轴线接触曲面加工装置的B、C轴回转使刀具轴线矢量方向等于曲面起始加工点的切线矢量；

四.控制刀具主轴旋转；

五.通过控制X，Y和Z轴，先调整工件使得刀具的侧刃与工件的加工起始线相切触；

六.控制四轴线接触曲面加工装置的B轴回转和W轴进给，切削过程中，使刀具底刃始终与曲面导动线保持切触；

七.完成曲面加工全过程，各轴回位。

实施例6：对圆锥面的加工

总体步骤同实施例5，参见图1，当曲面为圆锥面时，在进行第三步时还要调整工件位置使其圆锥面的回转轴线与C轴回转轴线重合，U轴进给调整刀具绕工件的回转半径；进行第五步时，摆动B轴进给调整刀具绕回转轴的夹角即半圆锥角，通过控制X，Y和Z轴，调整工件使得刀具的侧刃与工件的加工起始线相切触。这样，通过C轴单轴的回转进给，用最短的刀具路径即可完成该面的加工。由此可以看出，这样的加工效率是最高的。对于非平面导动线，可在回转进给的同时控制刀具轴向(W轴)进给，而使刀具底端的切触点始终落在导动线上。这样，通过两个轴的进给就可完成不同半径，不同回转轴心位置、不同圆锥角的曲边圆锥面加工，加工过程中不需调整刀具轴线矢量，简化了编程，并且在锥面上没有法向误差。特别是，当圆锥角为零时，对圆锥面的加工就变成了对圆柱面的加工。

实施例7：对柱面的加工

总体步骤同实施例5，参见图1，加工柱面，在进行第三步时，调整回转轴B和C轴使刀具轴线矢量方向等于柱面直母线矢量，使刀具底刃始终与导动线保持切触，而加工中不再调整刀具矢量；进行第六步时刀具轴线始终运行在加工面的等距面上。和圆锥面加工一样，通过C轴单轴的回转进给，用最短的刀具路径即可完成该面的加工，这样的加工效率也是最高的。对于非平面导动线，可在回转进给的同时控制刀具轴向(W轴)进给，而使刀具底端的切触点始终落在导动线上。这样，通过两个轴的进给就可完成不同半径，不同回转轴心位置的曲边圆柱面加工，加工过程中不需调整刀具矢量，简化了编程，并且在柱面上没有法向误差。

实施例8：对空间平面的加工

总体步骤同实施例5，参见图1，加工平面，在进行第三步时，先调整刀具轴线与工件加工平面平行，刀具轴线与加工平面距离等于刀具半径；第六步：控制X，Y轴和W轴完成进给，使刀具底刃始终与平面边界保持切触从而实现任意角度的曲边平面加工，其刀具轴线运行平面为加工面的等距面，完成加工。

实施例9：

总体步骤同实施例5，如图2所示。在刀具侧有两个回转进给轴和两个移动进给轴，即四轴线接触曲面加工装置，见图1。在工件侧若配以XY工作台，就是图7中序号为1的组成形式。图中：OXYZ为带有数控的多轴运动的坐标进给系统的坐标系，刀架可沿C轴(绕Z轴的回转运动)、U轴(沿回转半径作直线运动)、B轴(绕Y′摆动)和W轴(沿刀轴方向直线运动)进给；工件在工作台上沿X、Y轴进给运动。可完成空间曲面的线接触曲面加工。

实施例10：

总体步骤同实施例5，如图7所示，基本结构如实施例7。若在工件侧或刀具侧增加Z轴运动，即图7中序号为2或3的组成形式，则可以扩展Z向加工范围；若在工件侧追加A轴或B轴运动，则可以加工任意空间角度的曲面，即图7中序号为4或5的组成形式；如果在工件侧追加A轴、B轴和Z轴运动，即图7中序号为6的组成形式，则可以线接触曲面加工任意空间位置、任意空间角度的曲面。本发明还可以有更多的组合实施形式，本处不再一一列举。

实施例11：加工效率比较：

以立铣刀铣削加工为例，用半径为10mm铣刀加工工件大圆半径为40mm、小圆半径为38mm、高度为8mm的圆锥面，给定加工误差不大于1μm，分析对比本发明铣削加工与五轴联动点接触铣削加工两种方法的加工效率。本发明线接触铣削需要加工时间10秒，且不存在理论误差；而五轴联动点接触加工在允差为1μm时，需要加工时间为274～321秒。这是由于五轴联动点接触加工是点接触，将整个加工面分成很多行逐行加工。而本发明是采用线接触加工方法，使用一条数控代码，利用铣刀侧刃对面形只加工一行，节约时间264～311秒，效率提高30倍左右，大大地提高了加工效率。

Claims (8)

1.一种数字控制线接触曲面加工设备，包括有数字控制系统、动力驱动源、带有数控的多轴运动的坐标进给系统，其特征在于：还必须具有四轴线接触曲面加工装置，四轴线接触曲面加工装置主要由回转组件、平移组件、摆动组件、伸缩组件和切削组件五大部分组成，回转组件固定在基座(1)上，主要由支承架构件(2)、下轴承(3)、回转体(4)及上轴承(5)组成，两个轴承(3)和(5)固定在支承架构件(2)上，回转体(4)分别和上轴承内圈(7)和下轴承内圈(8)静配合连接，回转电机(6)安装在支承架构件(2)上，电机(6)的轴回转带动回转体(4)及其延伸件(19)构成回转运动进给轴，即C轴；平移组件安装在回转体(4)的延伸件(19)上，由安装在延伸件(19)上相互平行的一对导轨(17)和滚珠丝杠(10)以及安装在导轨滑块(18)上的摆动架(16)组成，滚珠丝杠(10)穿过摆动架(16)，其两端支承安装在回转体(4)的延伸件(19)上，与导轨(17)平行，与丝杠相连的电机(20)旋转，带动滚珠丝杠(10)使摆动架(16)沿导轨(17)移动，由此构成平移进给轴，即U轴；摆动组件通过两个轴承(12)安装在摆动架(16)的下部，由一对轴承(12)和摆动体(15)组成，摆动体(15)伸出轴分别和两个轴承(12)的内圈静配合连接，安装在摆动架(16)上的电机(11)往复回转带动摆动体(15)摆动以构成摆动进给轴，即B轴；伸缩组件安装在摆动体(15)上，它由一对导轨(21)、伸缩滑块(22)和滚珠丝杠(13)及联接件(23)组成，滚珠丝杠(13)穿过伸缩滑块(22)及联接件(23)，与导轨(21)平行，滚珠丝杠(13)两端与摆动体(15)固连，电机(9)旋转带动滚珠丝杠(13)使导轨(21)沿伸缩滑块(22)运动，由此构成伸缩运动进给轴，即W轴；切削组件安装在导轨(21)上；上述四轴线接触曲面加工装置使切削组件随回转组件、平移组件、摆动组件和伸缩组件作空间运动。

2.根据权利要求1所述的数字控制线接触曲面加工设备，其特征在于：所述的回转组件中的下轴承(3)和上轴承(5)用一个轴承代替。

3.根据权利要求1所述的数字控制线接触曲面加工设备，其特征在于：所述的伸缩组件中的导轨(21)和伸缩滑块(22)位置互换。

4.根据权利要求1所述的数字控制线接触曲面加工设备，其特征在于：所述的切削组件或由主轴(24)和刀具(14)组成，或由主轴和抛光头构成，或由切割头构成，或由电加工阴极单元构成。

5.一种数字控制线接触曲面加工方法，其特征在于：采用权利要求1所述的数字控制线接触曲面加工设备，即用带有四轴线接触曲面加工装置的数控的多轴运动的坐标进给系统，实现对工件上不同加工区域的特征型面加工，具体的步骤有：

一.根据加工件的曲面特征编写数控加工代码；

二.将加工件的空间面加工的数控加工代码输入到数控系统；

三.通过数控系统控制四轴线接触曲面加工装置的B、C轴回转使刀具轴线矢量方向等于曲面起始加工点的切线矢量；

四.控制刀具主轴旋转；

五.通过控制X，Y和Z轴，先调整工件使得刀具的侧刃与工件的加工起始线相切触；

六.控制四轴线接触曲面加工装置的B轴回转和W轴进给，切削过程中，使刀具底刃始终与曲面导动线保持切触；

七.完成曲面加工全过程，各轴回位。

6.根据权利要求5所述的数字控制线接触曲面加工方法，其特征在于：当曲面为圆锥面时，在进行第三步时还要调整工件位置使其圆锥面的回转轴线与C轴回转轴线重合，U轴进给调整刀具绕工件的回转半径；进行第五步时，摆动B轴进给调整刀具绕回转轴的夹角即半圆锥角，通过控制X，Y和Z轴，调整工件使得刀具的侧刃与工件的加工起始线相切触。

7.根据权利要求5所述的数字控制线接触曲面加工方法，其特征在于：对于柱面加工，进行第三步时，调整回转轴B和C轴使刀具轴线矢量方向等于柱面直母线矢量，使刀具底刃始终与导动线保持切触，而加工中不再调整刀具矢量；进行第六步时刀具轴线始终运行在加工面的等距面上。

8.根据权利要求5所述的数字控制线接触曲面加工方法，其特征在于：加工平面，在进行第三步时，先调整刀具轴线与工件加工平面平行，刀具轴线与加工平面距离等于刀具半径；第六步：控制X，Y轴和W轴完成进给，使刀具底刃始终与平面边界保持切触从而完成加工。

Images