CN102405118B - 整体螺旋桨加工机床 - Google Patents

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Abstract

一种整体螺旋桨加工机床，包括：平转台(1)；机架(2)，位于平转台(1)一侧，且能相对平转台(1)位移；框架(3)，上下滑动地设在机架(2)上；及机械臂(4)，设在框架(3)上，且能上下摆动，在机械臂(4)上设有能绕其自身轴线转动的加工前臂(41)，在加工前臂(41)上设有主轴头(9)。本发明能避免因工件翻转和重复定位造成的加工误差和叶面两侧叶面圆角的不连续性问题。

Description

整体螺旋桨加工机床
技术领域
本发明有关于螺旋桨加工机床，特别有关于一种整体螺旋桨加工机床。
背景技术
船用螺旋桨是轮船、舰艇、潜艇和航母等水上运载工具的核心部件，螺旋桨的性能对推进效率、噪声和寿命有很大的影响。船用螺旋桨分为调距螺旋桨和整体螺旋桨两大类型。其中调距螺旋桨的桨叶可在桨毂中转动，改变桨叶的攻角，以适应不同的船速，主要用于采用低速柴油机直接驱动的船舶；对于传动链中有变速装置的船舶，整体螺旋桨通常能获得更好的效果。
整体螺旋桨的外形非常复杂，需要加工的表面包括桨叶的压力面和吸力面、桨毂、桨叶与桨毂之间的过渡圆角以及桨叶导边和随边的圆角。大推力的整体螺旋桨的相邻桨叶之间可能还存在一定程度的重叠。
目前，整体螺旋桨通常是在类似五轴落地镗床或立式车铣复合加工中心形式的六轴五联动或六轴六联动机床上加工，这类设备虽然可以较好地加工桨叶的叶面，但在一次安装下通常只能加工桨叶的一侧叶面，加工另一侧叶面时还需要对工件翻转进行重新定位和安装，不仅费时费力，还会造成重复定位误差。特别是螺旋桨叶片为薄壁部件，刚性较弱，在安装时距离夹具较远的部分容易因自身重力自然下垂，因此在重新安装定位来加工叶片的另一侧叶面时，叶片两侧叶面的圆角将无法接续在一起，加工桨叶前、后缘的圆角和桨毂很困难，局部表面只能采用手工披铲，严重破坏桨叶的光顺性，而这些不光顺的部位会产生空泡，空泡消失时向心爆炸产生冲击波，会产生气蚀作用和噪声，严重的气蚀作用会破坏桨叶表面，使桨叶表面的材料剥落，螺旋桨报废。这种两侧叶面圆角无法接续的不足，在加工具有较大攻角和一定后倾角的大推力整体螺旋桨叶片两侧的叶面时，表现更为突出。
另外，这类设备的主轴头在加工叶面时无法避开与叶面的干涉问题，因此对于加工相邻桨叶重叠部分的叶面无能为力，加工桨毂和桨叶前、后缘的圆角也很困难，局部表面只能采用手工披铲。
发明内容
本发明的目的是提供一种整体螺旋桨加工机床，能避免因工件翻转和重复定位造成的加工误差和叶面两侧型面圆角的不连续性问题，大幅度节约因重复安装和定位产生的辅助工时，提高设备的利用率，减轻工人的劳动强度，减少可能导致产品质量问题的操作环节。
本发明的目的还在于提供一种整体螺旋桨加工机床，能加工相邻桨叶重叠部分的叶面，能在一次装夹下能完成全部桨叶、桨毂及全部过渡圆角表面的加工。
本发明提供的一种整体螺旋桨加工机床，包括：
平转台，能沿竖直轴线回转；
机架，位于所述平转台的一侧，且能相对所述平转台位移；
框架，上下滑动地设在所述机架上；及
机械臂，设在所述框架上并沿前后方向穿过所述框架，且能在所述框架中上下摆动，所述机械臂包括摆动后臂及与摆动后臂转动连接的加工前臂，使加工前臂能绕机械臂自身轴线转动，在所述加工前臂上设有可转动的主轴头；
驱动装置，设置在所述框架上，能带动摆动后臂上下摆动，而摆动后臂上下摆动带动加工前臂上下摆动。
优选方案中，所述机架为一立柱；所述加工前臂包括根部和主体臂部，所述主体臂部的横截面呈带有圆角的扁平矩形，所述加工前臂依由后向前的方向宽度不变、厚度渐小。
根据上述方案，本发明相对于现有技术的效果是显著的：本发明的机械臂能上下摆动，因此可使工件在一次装夹下先使主轴头以预定的角度加工叶片的一侧叶面，加工完成后再使机械臂摆动至另一位置来加工另一侧叶面，因此不必翻转工件进行重复定位，也就不存在重复定位所造成的加工误差和叶面两侧型面圆角不连续的问题，可大幅度节约因重复安装和定位产生的辅助工时，提高了设备的利用率，减轻工人的劳动强度，减少可能导致产品质量问题的操作环节。
进一步，本发明的加工前臂的主体臂部依由后向前的方向宽度不变、厚度渐小，截面呈逐渐变薄的扁平矩形，因此能够伸入到相邻叶片的重叠部分中对重叠部分的叶面进行加工，能胜任于加工例如具有较大攻角和后倾角的大推力整体螺旋桨，可在一次装夹下能完成全部桨叶、桨毂及全部过渡圆角表面的加工。
附图说明
图1为本发明的整体螺旋桨加工机床的立体图。
图2为本发明的整体螺旋桨加工机床中的机械臂摆动机构的示意图。
图3为本发明机械臂的加工前臂的局部俯视图。
图4为本发明加工前臂与摆动后臂转动连接的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种整体螺旋桨加工机床，包括：
平转台1，可呈矩形或圆形，用于安装工件，在平转台1的工作台面上设有多个平行或放射形分布的用于夹持工件端面的T型夹槽11，平转台1能沿竖直轴线回转；
机架2，优选呈立柱形式，其位于平转台1的一侧，能相对平转台1位移；
框架3，呈箱体形式，上下滑动地设在立柱上；及
机械臂4，设在框架3上，沿前后方向穿过框架3，能在框架3中上下摆动，在机械臂4上设有能绕机械臂4自身轴线转动的加工前臂41，在加工前臂41的前端设有叉形铣头42，可转动的主轴头9转动地设在叉形铣头42上。
在本发明中，机架2除立柱形式，还可为龙门架、井字架、蝶型架等形式。考虑到机架2上安装的框架3的体积较大，特别是为使机械臂4能在框架3中有足够的摆动空间，框架3必须具有足够的高度，因此机架2采用立柱形式，会具有相当的优势。
在本发明中，立柱能相对平转台1发生相对位移，是为了实现主轴头9上的刀具与工件之间所需的相对运动。可以想到的，能使立柱与平转台1发生相对位移的布局形式可有多种：例如一种布局方式是使立柱固定安装，平转台1设置在十字滑台上，使两个水平方向的移动都集中在平转台1上；第二种布局是使平转台1固定安置，而将立柱设置在十字滑台上，使两个水平方向的移动都集中在立柱上；第三种布局方式是使平转台1和立柱均滑动安装，将两个水平方向的移动分别分布在平转台1和立柱上。其中前两种移动坐标集中的布局方式，通常会降低机床的整体刚性，也难以实现重心驱动，除非采用造价昂贵的双驱动结构。而第三种移动坐标分散的布局方式采用了运动坐标分散的原点，可避免采用全动柱结构，提高了整机的刚性，也降低了设备安装调试的难度，是本发明优选的布局方式，具体结构是：
平转台1滑动地设在平转台床身5上，优选使平转台1设在一滑鞍12上，滑鞍12通过滑鞍导轨13滑动地设在平转台床身5上。可在平转台床身5上设置两根滑鞍导轨13，在滑鞍12下部设置多个配合的滑鞍滚动块14，通过例如由电机驱动的滚珠丝杠15带动平转台1沿滑鞍导轨13在水平的左右方向上滑动，构成X轴坐标。
机架2的立柱滑动地设在立柱床身6上，机架2通过立柱导轨61滑动地设在立柱床身6上。在立柱床身6上设置两根立柱导轨61，在立柱底部设置两个对应的立柱滚动块62，立柱床身6上的立柱导轨61与平转台床身5上的滑鞍导轨13垂直，保证立柱前后移动方向与平转台1的左右移动方向相互垂直，通过例如由电机驱动的滚珠丝杠63带动立柱沿立柱导轨61在水平的前后方向上滑动，构成Y轴坐标。
框架3通过设在立柱前面的两根框架导轨31滑动地设在机架2的立柱上，在框架3上对应框架导轨31设有框架滚动块32，立柱上的框架导轨31与平转台1的竖直回转轴线是平行的，因此框架导轨31与平转台床身5上的滑鞍导轨13和立柱床身6上的立柱导轨61都是垂直的，通过例如电机33驱动的滚珠丝杠34带动框架3沿框架导轨31在竖直的上下方向上滑动，构成Z轴坐标，可设置平衡油缸36，以减轻电机33和滚珠丝杠34的负荷。
本发明中最明显的特色是机械臂4具有三个摆动自由度。如图1、2所示，机械臂4由仅参与摆动、不能围绕自身轴线转动的摆动后臂40、与摆动后臂40转动连接从而可绕摆动后臂40的轴线转动的加工前臂41、设置在加工前臂41前端的叉形铣头42、以及设置在摆动后臂40的对向两侧的径向分布的两个耳轴43构成。在框架3的前面设置有两个对应的轴承座35，耳轴43通过轴承元件枢接于轴承座35内构成机械臂4的摆动支点，由于耳轴43的轴线与X轴坐标平行，其中摆动后臂40围绕耳轴43的轴线在框架3中上下摆动，构成本发明的A轴坐标；考虑到螺旋桨的叶片通常具有较大的攻角和一定的后倾角，为使叉形铣头42上的刀盘能够接触到叶片的任何位置，同时又避免加工前臂41与叶片非加工部位的干涉，机械臂4必须能够实现围绕耳轴43的轴线作较大幅度的上下摆动，本发明中机械臂24上下摆动的摆角范围为正负30度。机械臂4的加工前臂41和其前端的主轴头9构成了双摆角铣头，其中机械臂4的加工前臂41绕摆动后臂40的轴线转动构成了本发明机床的B轴坐标，为了能够对导边和随边的过渡圆角进行连续加工，机械臂4的加工前臂41能够绕机械臂4的摆动后臂40的轴线作正负180度的转动；加工前臂41前端的叉形铣头42中的主轴头9可以围绕叉形铣头42的摆动轴线进行翻转，该叉形铣头42中的摆动轴线在加工前臂41的B轴转角等于0的时候与X轴平行，主轴头9的摆动构成了本发明机床的D轴坐标，主轴头9的摆动角度范围为0～180度。这样，机械臂共包括A轴、B轴、D轴三个摆动自由度。应该指出，机械臂4上下摆动的A轴回转角度虽然也参与联动控制，但机械臂4的摆角A并不是由刀具的姿态来确定的，而是由避让加工前臂41与叶面的干涉来确定的，真正用于实现所需刀具姿态的回转自由度是加工前臂41绕机械臂自身轴线的B轴回转角度和主轴头42在叉形铣头43中摆动的D轴回转角度这两个摆动自由度。
平转台1可作正负n×360度的回转，构成本发明机床的C轴坐标。
这样，构成了本发明具有X、Y、Z三个方向的平动自由度，A、B、C、D四个回转自由度，共7个自由度的七轴七联动专用机床。在加工过程中，机械臂4能绕A轴上下摆动，能在一次装夹下加工叶片的两侧叶面，可避免重复定位所造成的加工误差和叶面两侧型面圆角不连续的问题，大幅度节约因重复安装和定位产生的辅助工时，提高了设备的利用率，减轻工人的劳动强度，减少可能导致产品质量问题的操作环节。
使机械臂4在框架3中摆动有两种可选择的驱动装置7。其中一种是在摆动臂4的摆动后臂40的两个耳轴43上分别设置一台力矩电机(图中未示出)，由力矩电机带动机械臂4摆动。另一种是采用平面连杆机构，利用伺服电机和滚珠丝杠来驱动。采用力矩电机驱动的优点是控制比较简单，缺点是体积大、造价高、粗加工时驱动力不足、堵转时能耗高；采用平面连杆机构，利用伺服电机和滚珠丝杠驱动的优点是体积小、重量轻、驱动力大、能耗低，但不足点是控制算法相对比较复杂。由于机械臂4经常在极低的摆动速度下作连续的摆动，容易使力矩电机因为过大的能耗导致过热，故优选的方案是采用平面连杆机构来驱动，详述如下：
如图2所示，驱动装置7设在框架3上，其包括：通过下铰接点71与摆动后臂40的后端相铰接的滚珠丝杠72、配合在滚珠丝杠72上的螺母回转机构73、驱动螺母回转机构73中的螺母转动的传动件74以及驱动传动件74转动的伺服电机75，螺母回转机构73通过上铰接点76铰接在框架3的上部，其中传动件74可以是皮带例如齿形皮带，具有较高的可靠性，也可以是链条、传动齿轮等等，能由伺服电机75的转动带动螺母回转机构73的螺母在滚珠丝杠72上转动即可，随螺母转动，上、下铰接点76、71之间的长度发生改变，从而可以改变摆动后臂40的摆角。这样由驱动装置7带动摆动后臂40依箭头F1上下摆动，而摆动后臂40上下摆动又会带动加工前臂41依箭头F2上下摆动，实现机械臂4依箭头F的A轴回转度。
如图2、3所示，为了实现相邻叶片重叠区域的叶面和桨毂的加工，机械臂4的加工前臂41必须要能够伸入到叶片的重叠部分中去，因此机械臂4的加工前臂应该有较小的厚度，相邻叶片重叠部分之间的空间尽管在垂直于叶面方向比较有限，沿着叶弦方向还是比较开敞的，根据叉形铣头42机械结构的需要，机械臂4的加工前臂41包括根部411和主体臂部412。该加工前臂41沿由后向前的长度方向，为由根部的正圆形截面逐渐过渡到主体臂部412至叉形铣头42起始处的扁平矩形的变截面结构。根部411的截面为正圆形，能够使机械臂4的加工前臂41顺利地绕摆动后臂40的轴线转动；由根部411向主体臂部412的前端过渡的过程中，主体臂部的宽度W始终保持不变，厚度H逐渐减小，加工前臂41的断面截形逐渐演变为带圆角的比较扁平的扁平矩形，使机械臂4具有很好的刚性，能获得良好的加工精度和加工效率，从而在满足机床刚性的同时，也满足了主轴头9能够到达叶片重叠部分的要求。
如图4所示，由于加工前臂41的主体臂部412的截面不是圆形，整个加工前臂41都要参与绕摆动后臂40轴线的转动，否则加工前臂41的主体臂部412无法进入两相邻叶片之间倾斜的空间。考虑到加工前臂41的长度很大，其转动支承不宜采用通常双摆角铣头中的转动支承结构，而必须采用类似车床主轴的支承结构形式。上述支承结构可以通过两种布局形式来实现：其一是将加工前臂41的后部向后延伸，插入呈空心筒状的摆动后臂40中(未图示)；其二是将摆动后臂40的前端向前延伸，插入至呈空心筒状的加工前臂41内，为加工前臂41提供一个前支点，可同时减小加工前臂41的绝对悬伸长度和悬伸比。上述第一种布局形式中加工前臂41的悬伸长度过大，加工前臂41的动、静态刚性都不会很好，故本发明优先选择第二种布局形式，在相套置的加工前臂41的内表面和摆动后臂40的外表面之间设有后轴承81，作为加工前臂41转动的一个支点，在摆动后臂40的前端设有直径缩小的延伸部401，在延伸部401处设有前轴承82，为加工前臂41提供另一个支点，后轴承81和前轴承82之间的距离优选占加工前臂41的三分之二的长度，也就是说摆动后臂40伸入至加工前臂41长度的三分之二处，加工前臂41的绝对悬伸长度小，动、静态刚性良好。在加工前臂41的后端外围设有控制箱8，在控制箱8内设有与加工前臂41连动的蜗轮副83，摆动后臂40的延伸部401的端部设置有中空圆光栅402，作为加工前臂41的B回转度转角的闭环控制反馈元件，由蜗轮副83及圆光栅40共同控制加工前臂41的转动角度。控制箱8会随机械臂4的摆动而摆动，在框架3上设有为控制箱8摆动提供空间的开口部37，以避免发生动作干涉，如图1所示。
但以上所述，仅为本发明的具体实施方式，当不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明的发明内容所作的等同变化与修饰，即任何他人将机械臂设计成能上下摆动，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种整体螺旋桨加工机床，其特征在于，包括： 
平转台，能沿竖直轴线回转；
机架，位于所述平转台的一侧，且能相对所述平转台位移；
框架，上下滑动地设在所述机架上；及
机械臂，设在所述框架上并沿前后方向穿过所述框架，且能在所述框架中上下摆动，所述机械臂包括摆动后臂及与摆动后臂转动连接的加工前臂，使加工前臂能绕机械臂自身轴线转动，在所述加工前臂上设有可转动的主轴头；
驱动装置，设置在所述框架上，能带动摆动后臂上下摆动，而摆动后臂上下摆动带动加工前臂上下摆动。
2．根据权利要求1所述的整体螺旋桨加工机床，其特征在于，所述平转台滑动地设在平转台床身上，所述机架为立柱，所述立柱滑动地设在立柱床身上，所述平转台和所述立柱均沿水平方向滑动且二者的滑动方向垂直。
3．根据权利要求2所述的整体螺旋桨加工机床，其特征在于，所述平转台设在一滑鞍上，所述滑鞍通过滑鞍导轨滑动地设在所述平转台床身上；所述立柱通过立柱导轨滑动地设在所述立柱床身上；所述滑鞍导轨和立柱导轨垂直。
4．根据权利要求3所述的整体螺旋桨加工机床，其特征在于，所述框架包括箱体，所述箱体通过框架导轨滑动地设在所述立柱上，所述框架导轨垂直于所述滑鞍导轨和立柱导轨。
5．根据权利要求1所述的整体螺旋桨加工机床，其特征在于，所述加工前臂的前端设有叉形铣头，所述主轴头转动地设在所述叉形铣头上。
6．根据权利要求1所述的整体螺旋桨加工机床，其特征在于，所述机械臂上下摆动的角度范围为正负30度；所述加工前臂的转动角度范围为正负180度；所述平转台的回转角度范围为正负n×360度；所述主轴头的摆动角度范围为0～180度。
7．根据权利要求1所述的整体螺旋桨加工机床，其特征在于，在所述摆动后臂的对向两侧分别设有一个径向延伸的耳轴，在所述框架的前面对应所述两个耳轴设置两个轴承座，所述摆动后臂的两个耳轴通过轴承枢接在所述两个轴承座内。
8．根据权利要求1所述的整体螺旋桨加工机床，其特征在于，所述驱动装置包括：通过下铰接点与摆动后臂的后端相铰接的丝杠、配合在丝杠上的螺母回转机构、驱动所述螺母回转机构转动的传动件以及驱动所述传动件转动的电机，所述螺母回转机构通过上铰接点铰接在框架的上部，通过改变上、下铰接点之间的长度来改变摆动后臂的摆角。
9．根据权利要求1所述的整体螺旋桨加工机床，其特征在于，所述加工前臂呈空心筒状，所述摆动后臂伸入至所述加工前臂的内部，在相套置的所述加工前臂的内表面和摆动后臂的外表面之间设有两个相隔一定距离的后轴承和前承轴。
10．根据权利要求9所述的整体螺旋桨加工机床，其特征在于，所述摆动后臂的前端设有直径缩小的延伸部，所述后轴承设在加工前臂的后端，前轴承设在所述延伸部的位置，后轴承和前轴承之间相隔的距离占加工前臂的三分之二的长度。
11．根据权利要求10所述的整体螺旋桨加工机床，其特征在于，在所述加工前臂的外围设有控制箱，在所述控制箱内设有与加工前臂连动的蜗轮副，在所述延伸部的前端设有圆光栅，由所述蜗轮副及所述圆光栅控制加工前臂的转动角度。
12．根据权利要求1所述的整体螺旋桨加工机床，其特征在于，所述加工前臂包括根部和主体臂部，所述主体臂部的横截面呈带有圆角的扁平矩形，所述加工前臂依由后向前的方向宽度不变、厚度渐小。
13．根据权利要求12所述的整体螺旋桨加工机床，其特征在于，所述根部的横截面呈圆形，由根部的圆形截面逐渐过渡到主体臂部的带有圆角的扁平矩形截面。
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