CN101890643B - 加工超大构件的可移动机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械自动化加工技术领域，特别是指一种重大科技工程中单件小批、体积大、重量大的超大构件的钻铣磨加工设备，该设备采用模块化结构设计，加工时首先移动机床到超大构件的一个加工区域，机床固定定位后完成加工，然后在分别移动到其余未加工区域进行加工，最终通过子区域的加工拼接完成超大构件的整体加工。该发明兼有移动机器人灵活及机床精度高刚度好的优点，可以用于工程实际应用中，满足超大构件现场加工的要求，大大降低超大构件加工的生产成本，缩短加工制造准备时间。

Description

加工超大构件的可移动机床

技术领域

本发明涉及一种钻铣磨综合自适应定位加工机床，具体涉及一种对超大构件进行现场加工的可移动机床。

背景技术

超大构件是指重大科技工程中结构尺寸超过现有加工设备允许的尺寸上限或超过现有机床加工能力的大尺寸结构零件。随着工业技术的发展，重大科技工程设备不断更新，高品质超大构件的应用场合越来越多。为了提升装备的质量与品质，对其中使用超大构件的制造精度、制造成本和制造周期的要求越来越高。

在传统切削加工过程中，主要采用“定位-加工”方法，即首先根据工件的设计图，确定定位基准，进而设计适应加工该工件的定位卡具。通过卡具建立工件坐标系和机床坐标系的关系，确定编程坐标系，然后选择合理的切削用量，建立粗精加工的刀具路径，编制数控程序进行加工。在加工的过程中，工件固定在机床工作台上，刀架或工作台在进给机构的驱动下，沿导轨移动实现切削加工。

传统加工超大构件的机床主要是大型龙门式数控机床、大型专用机床，对于一般单件小批量生产的超大构件来说，这些机床的利用率很低，加工制造成本很高；对于多种类多规格的超大构件加工存在一定的局限性，如不同尺寸的超大构件，其加工尺寸可能会超出这些机床的加工范围；采用并联加工头的长导轨式机床价格昂贵，且适用范围不大，仅局限于航空领域中特定零部件的加工。

采用传统的加工方式加工超大构件，存在很多问题：

1.加工设备难以满足。超大构件结构尺寸超过现有加工设备允许的尺寸上限或超过现有机床加工能力，无法放置在现有机床的工作台上，现有的柔性加工系统无法满足加工的需要，若为这种单件小批量超大构件专门设计制造一个超大型专用加工设备，其制造成本将会非常大；

2.加工方法难以适合。由于超大构件的尺寸较大、重量较大，无法放置在卡具或是工作台上进行定位。利用卡具或工作台进行定位加工的方法无法满足超大构件加工的需要；

3.加工精度难以保证。现有的超大专用加工设备加工超大构件的定位方法主要采用手动安装调整方式实现，其中人为因素及环境因素引起的加工误差将会非常大，将会大大影响加工质量。

4.加工效率难以保证。为了加工现场安装的超大构件，传统方法采用在现场搭建加工平台，安装调整超大专用加工设备，其安装时间较长，调整不灵活，每隔一段时间需要重新调整设备，导致加工效率低下。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有设备的不足之处，将大尺寸空间测量技术与数字化制造技术应用到超大构件加工定位中，提供一种新型超大构件可移动加工机床。加工时，超大构件任意放置在地面上，可移动机床可以沿着大工件进行移动，把超大构件分成若干个小区域进行加工，实现“蚂蚁啃骨头式”的超大构件现场加工。

本发明的目的是这样实现的：一种超大构件可移动加工机床，包括床身、加工头、机床移动机构与主机。所述床身采用无工作台结构形式，床身下方为开放式结构，方便机床放置到工件上。所述的加工头能实现五轴联动的结构，其直接连接到床身上，采用五轴联动控制。所述的移动机构采用轮式移动结构，可以沿着大工件移动，包括升降机构及行走机构，其中所述的升降机构为蜗轮丝杆结构，与床身的四脚相连，所述的行走机构包括电机直连式减速器及驱动轮。所述的主机内含开放式数控系统模块、自适应定位系统模块及移动控制模块。所述的自适应定位系统的目的是通过输入超大构件的定位测量信息及机床定位信息，输出加工所用的数控程序，包括测量数据处理模块、CAD模型分析模块、自适应定位模块、后置处理模块、精度评价模块。

上述超大构件可移动加工机床，包括床身、加工头、移动机构与主机，其特征在于：经过激光跟踪测量仪器现场测量毛坯件在测量坐标系中的位置与姿态，建立工件坐标系，并在工件坐标系中将加工区域进行分割，并生成局部区域的刀具路径；并测量出放置在局部加工区域中机床的位置与姿态，并建立机床坐标系；通过坐标变换建立工件坐标系与机床坐标系之间的关系，将工件坐标系中的局部区域刀具路径变换到机床坐标系中，生成数控程序进行加工。该区域加工完成后，移动机床到另外一个局部区域并固定，测量机床的位置与姿态，建立机床坐标系；通过变换矩阵将工件坐标系中的局部刀具路径变换到机床坐标系中，生成数控程序进行加工。反复“移动机床-测量机床坐标系-自适应定位-加工”的步骤，最终实现超大构件整体加工。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、加工定位时不需要卡具，其加工参数由工艺系统直接优化，加工程序能够自动生成，因而能缩短机床设计周期、降低机床的制造成本，同时能缩短加工定位时间；

2、加工范围不受限制，可以根据同一类超大构件的不同结构形式，方便快捷地重组机床，非常适合超大构件的单件小批量生产要求；

3、加工精度不受机床导轨精度和卡具精度的影响，主要取决于测量精度、计算精度，及该发明自身的精度，由于目前大范围测量精度可以达到很高，因此，能在一定程度上提高工件的加工精度。

4、工件在加工过程中固定不动，该发明在加工过程中自适应地加工超大构件，在每个加工区域内，只需对该发明进行简单测量定位即可完成工件的定位，加工准备时间短。加工工艺参数在工艺系统中自动优化，加工程序可自动生成，可以提高加工效率。

5、传统机床一般都在车间里使用，不具备在装配现场加工的能力，该发明采用新型可移动结构，拥有现场加工的能力。

附图说明

图1为本发明超大构件可移动加工机床的结构示意图：1-开放式床身；2-主机；3-升降机构；4-行走机构；5-调整垫铁；6-超大构件；7-行走电机；8-行程开关；9-升降电机；10-控制柜；11-加工头；

图2为本发明加工超大构件原理示意图：12-激光测量仪器；13-超大构件毛坯；14-超大构件CAD模型；15-理论刀具路径2；16-实际刀具路径2；17-理论刀具路径1；18-实际刀具路径1；19-超大构件可移动加工机床；

图3为自适应定位原理框图：20-测量数据处理模块；21-自适应定位模块；22-开放式数控系统；23-移动机构控制系统；24-后置处理模块；25-CAD模型分析模块；26-精度分析模块。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明：

参照图1所示，是本发明超大构件可移动加工机床的结构示意图，其包括有开放式结构床身1、移动机构、加工头11、主机2。所述的移动机构包括升降机构3及行走机构4，其中升降机构3连接在开放式结构床身1的四脚上，采用蜗轮丝杆结构实现机床的升起与降落，行走机构4包括上盖、底座、轮辋、轮毂、驱动轴、深沟球轴承和实心橡胶轮胎，底座上面与升降机构固定连接，下面与上盖固定连接，构成剖分式轴承座，驱动轴设在轴承座内，中间设有深沟球轴承，驱动轴与轮毂固定连接，轮毂与轮辋固定连接，轮辋与橡胶轮胎压配一起，轴承座外侧与减速器固定连接，驱动轴伸出端直接连接减速器的输出空心轴。还具有控制柜10，对超大构件6的加工进行控制。

参考图1所示，是本发明超大构件可移动加工机床的结构示意图，其移动方式如下。同时启动升降机构3四个电机9，电机9驱动蜗轮丝杆推着行走机构4，把机床顶升起来，顶升设定高度后，通过行程开关8对升降电机9进行制动，完成机床起升。然后对启动行走机构3的两个电机7，电机7驱动减速器，减速器直接联着驱动轮，使驱动轮旋转，实现机床的移动行走，并可以用变频器控制行走电机的转速，实现差速转向。机床移动到预设位置时，停止行走机构电机7，接着启动升降电机9，使电机蜗轮丝杆拉动行走机构4，把床身1平稳的放在地面上，螺杆移动预设行程后，经行程开关8将升降电机9制动。然后调整垫铁5使机床腿与地面紧密贴合。

参照图1、图2所示，是本发明超大构件可移动加工机床加工超大构件的原理图。加工前首先采用激光测量仪12测量空间中固定的参考点建立世界坐标系World，或直接以测量坐标系为世界坐标系World，在该坐标系内建立CAD模型14，并在CAD模型14中分割加工区域，规划每个子加工区域的刀具路径15、16。然后在世界坐标系World中测量毛坯件13的特征(如法兰面及内外圆柱面)，计算CAD模型14到毛坯的坐标变换关系M。通过M可以将所有子加工区域刀具路径15与17变换到毛坯件13中，变换后的刀具路径16与18为实际的刀具路径。将超大构件可移动加工机床19移动至第一个子加工区域，并安装固定在地面或毛坯13上，测量机床坐标系在世界坐标系World中的位姿，确定机床19与工件13的位置关系。而后将变换后的实际刀具路径18变换到机床坐标系中，通过后处理程序将机床坐标系中的刀具路径生成数控程序，进行加工。后处理过程中不仅要处理刀具路径的点坐标，还应处理刀具路径点处的法向量，以确定加工刀具的摆角。在第一个区域加工完成后，移动机床19到下一个区域，并安装固定在地面或毛坯13上，测量机床坐标系在世界坐标系World中的位姿，重新确定机床19与工件13的位置关系，将变换后的实际刀具路径17变换到机床坐标系中，通过后处理将机床坐标系中的刀具路径生成数控程序，进行加工。这样，可移动机床19沿着超大构件13不断地“移动-固定-自适应定位-加工”，最终完成超大构件的整体加工。

参考图1、图3所示，超大构件可移动加工机床中的主机内含有测量数据处理模块20、CAD模型分析模块25、自适应定位模块21、后置处理模块24、精度评价模块26、移动控制模块23及开放式数控系统22。

Claims (2)

1.一种超大构件可移动加工机床，包括有开放式结构床身(1)、移动机构、加工头(11)、主机(2)，所述床身(1)采用无工作台结构形式，床身下方为开放式结构，所述加工头(11)连接到床身上，采用五轴联动控制，所述的移动机构包括升降机构(3)及行走机构(4)，其中所述升降机构(3)为蜗轮丝杆结构，与床身的四脚相连，所述的行走机构(4)包括电机直连式减速器及驱动轮，所述的主机内具有开放式数控系统、自适应定位系统模块及移动机构控制系统，其特征在于，所述升降机构(3)连接在开放式结构床身(1)的四脚上，采用蜗轮丝杆结构实现机床的升起与降落，行走机构(4)包括上盖、底座、轮辋、轮毂、驱动轴、深沟球轴承和实心橡胶轮胎，底座上面与升降机构固定连接，下面与上盖固定连接，构成剖分式轴承座，驱动轴设在轴承座内，中间设有深沟球轴承，驱动轴与轮毂固定连接，轮毂与轮辋固定连接，轮辋与橡胶轮胎压配一起，轴承座外侧与减速器固定连接，驱动轴伸出端直接连接减速器的输出空心轴。

2.根据权利要求1所述的超大构件可移动加工机床，其特征在于所述主机(2)通过开放式数控系统控制加工头及移动机构，该系统通过机床位姿测量数据自动生成数控程序。

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