CN102689263B - 多拖板双主轴对称式磨削加工中心 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多拖板双主轴对称式磨削加工中心。本发明的前床身座上滑动连接有第一拖板，工作台滑动连接在第一拖板上，工作台中设置有旋转台；后床身座上设置左右对称的第一立柱和第二立柱，第二拖板设置于第一立柱和第二立柱之间，卧磨头龙门内抱式滑动连接于十字形第二拖板的前后端；在第一立柱和第二立柱的外侧对称滑动连接有两个第三拖板，两个第三拖板上又分别滑动连接有左滑板和右滑板；立磨头设置于右滑板前端，并能120度自动旋转，立磨头配置有自动换刀装置；在第二拖板上和左边第三拖板的左滑板前端设置有砂轮仿形修整装置。本发明的加工能力强、加工效率和加工精度高，能适应复杂形状工件的磨削加工。

Description

多拖板双主轴对称式磨削加工中心

技术领域

本发明属于机加工设备技术领域，具体涉及一种多拖板双主轴对称式磨削加工中心。

背景技术

现有的磨床结构为与磨头整体外挂,该类磨床存在机床稳定性差、加工精度不高的问题；拖板移动式磨床加工范围窄；龙门式导轨磨床，其体积过于庞大，占用生产场地大，同时存在依靠人工和液电半自动修整砂轮、修整精度低、其加工方法和加工功能单一的问题。工作时，工作台和工件只能沿床身座上的导轨左右运动，不能一次性装夹完成平面、立面、端面等复杂曲面大部和全部加工，加工效率较低，无法实现在线检测，加上重复装夹造成的积累误差，加工精度不高。特别是半球面、非圆性磨削、圆套类工件的内圆和外圆，都无法磨削加工。同时，缺乏自主开发的高档数控系统和磨削加工工艺智能应用系统软件，机床无法满足高精、高效、智能的加工要求，产品竞争力低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种加工能力强、加工效率和加工精度高的多拖板双主轴对称式磨削加工中心。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该多拖板双主轴对称式磨削加工中心，包括床身座、工作台、立柱、拖板、卧磨头和立磨头；前床身座上滑动连接有第一拖板，所述工作台滑动连接在第一拖板上，工作台中设置有旋转台，第一拖板能在前床身座上前后滑动，工作台能在第一拖板上左右滑动；后床身座上设置左右对称并构成门形的第一立柱和第二立柱，第二拖板设置于第一立柱和第二立柱之间，所述卧磨头龙门内抱式滑动连接于十字形第二拖板的前后端，第二拖板能带动卧磨头上下滑动，卧磨头也能在第二拖板内前后滑动；在第一立柱和第二立柱的外侧对称滑动连接有两个第三拖板，两个第三拖板上又分别滑动连接有左滑板和右滑板，两个第三拖板能分别沿第一立柱和第二立柱上下滑动，左滑板和右滑板又分别能在两个第三拖板上前后滑动；所述立磨头设置于第二立柱连接的右边第三拖板上的右滑板前端，并能120度自动旋转，立磨头配置有自动换刀装置；在第二拖板上和左边第三拖板的左滑板前端设置有砂轮仿形修整装置，并成35度仰角保证三轴联动对卧磨头在线检测和仿形修整。

更具体地说，所述砂轮仿形修整装置包括砂轮修整组件和激光检测装置，砂轮对应处配置有磨削屑吸附装置；所述砂轮修整组件包括金刚笔、与金刚笔连接的丝杠、驱动丝杠的伺服电机；所述激光检测装置包括光栅尺；砂轮修整组件和激光检测装置与计算机数控系统相连；所述磨削屑吸附装置包括分别设在砂轮主轴中心与砂轮磨削面附近的第一电极和第二电极。

所述立磨头自动换刀装置包括刀库和机械手，以换各种砂轮和铣刀解决加工要求。

所述第一拖板设有多个第一丝杠，床身座设第一伺服电机和第二伺服电机通过丝杠驱动第一拖板移动；所述第二拖板设第二丝杠，第二丝杠连接第二伺服电机；所述第一立柱和第二立柱设多个导轨，第一立柱和第二立柱之间的右边设有传动箱，传动箱连接第三伺服电机和第三丝杠，第三丝杠设于第二立柱并和右边第三拖板相联，左边第三拖板与第二拖板共第二丝杠；两个第三拖板上分别设有第四丝杆和驱动左滑板、右滑板移动的第四伺服电机；各伺服电机与计算机数控系统相连。

所述第一拖板和前床身采用两个V型导轨和两个平型导轨实现硬轨滑动连接，并用滚珠丝杠驱动第一拖板移动。

所述第一立柱中间开有一窗口以保证供左边第三拖板和第二拖板相连。

所述前床身座高度不超过470mm，后床身座高度不低于600mm，工作台厚度不低于320mm；所述第二拖板的挠曲度H不超过0.10mm。

所述工作台中的旋转台为静压式转台，位于立磨头中心，其旋转精度为径向≤1μm，轴向窜动≤1μm。

本发明的多拖板双主轴对称式磨削加工中心，采用砂轮仿形修整装置对卧磨头进行在线检测和自动仿形修整，修整精度高；采用床身座、拖板和工作台相对的前后、左右运动以及旋转台的旋转运动，可以一次性装夹完成平面、立面、端面、复杂曲面、半球面、非圆性磨削、圆套类工件的内圆和外圆磨削加工，采用计算机数控系统实现在线检测加工，使加工精度增加，本发明的加工工件的表面粗糙度<Ra0.16μm。

附图说明

图1是本发明磨削加工中心实施例的整体结构示意图。

图2是图1中的磨削吸附装置的原理结构示意图。

图3是图1中的砂轮修整组件的安装结构示意图。

图4是立磨头配置有自动换刀装置的磨削加工中心的整体结构示意图。

图5为本发明智能控制系统硬件结构框图。

图6为本发明智能控制系统各模块之间相互关系框图。

图7为自动磨削模块流程图。

图8为平面自动磨削模块流程图。

图9为曲面自动磨削模块流程图。

图10为手摇移动模块流程图。

图11为总控模块，即调度模块示意图。

图12为系统硬件模块实现框架图。

图13、图14、图15是七轴伺服电机与伺服放大电路的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本实施例中，前床身座1的双V双平型四条导轨上设有经滚珠丝杠驱动前后运行的第一拖板2，第一拖板2的双V型导轨上设有经丝杠驱动左右运行的工作台3，工作台3中间的凹部中设有360度旋转的静压旋转台4。后床身座5上设置左右对称并构成门形的多导轨第一立柱6和第二立柱7，立柱龙门导轨中设有经丝杠传动驱动上下运行的第二拖板8。第二拖板8里内抱式有经丝杠传动驱动前后运行的卧磨头9，第二拖板8带动卧磨头9上、下滑动，卧磨头9也能在第二拖板8内前后滑动。旋转台4位于立磨头中心，其旋转精度为径向≤1μm，轴向窜动≤1μm。在第一立柱6和第二立柱7的外侧两条平行导轨上分别滑动连接有两个第三拖板即左拖板10和右拖板11，左拖板10和右拖板11里面又分别滑动连接有左滑板12和右滑板13，左拖板10和右拖板11分别沿第一立柱6和第二立柱7的导轨上下滑动，左滑板12和右滑板13又分别在左拖板10和右拖板11里前后滑动。立磨头14设置于右拖板11上的右滑板13前端的可转位转盘上，伺服电机通过转盘内的涡轮涡杆驱动转盘转动，并带动立磨头14作120度的旋转。参见图4，立磨头14配置有自动换刀装置25，立磨头自动换刀装置包括刀库和机械手，以换各种砂轮和铣刀解决加工要求。刀库存储砂轮刀具并把下一把即将要用的砂轮刀具准确地送到换刀位置,供机械手完成新旧砂轮刀具的交换。其中，斗蓬式刀库的结构简单紧凑，砂轮和刀具单环排列，刀具数量一般不超过36把；盘式结构置于立式主轴侧。机械手的驱动采用伺服电机驱动或机械式凸轮联动。在第二拖板8上和左滑板12前端设置有砂轮仿形修整装置，砂轮仿形修整装置包括砂轮修整组件15和激光检测装置16，从图1中可见，激光检测装置16即光栅尺安装于左滑板12前端的下方。参见图3，砂轮修整组件15包括金刚笔21，与金刚笔21连接的丝杠安装座22内的纵向丝杠，驱动丝杠的伺服电机23，图中24是砂轮罩。参见图2，卧磨头对应处配置磨削屑吸附装置，磨削屑吸附装置包括设在砂轮主轴中心与砂轮磨削面附近砂轮罩上的第一电极和第二电极，当电极中通电以后，两个电极会形成一个由轴心指向外的电磁场，磨削颗粒和粉尘就会被砂轮的外侧的电极吸引，从而保证砂轮的清洁和光滑，保证磨削出来的工件表面更光洁，图2中，18是磨削砂轮，19是工件，20是化学冷却液。砂轮仿形修整装置与计数机数控系统相连，并成35度仰角以保证三轴联动对卧磨头在线检测和仿形修整。

第一拖板2设有多个第一丝杠，床身座设第一伺服电机和第二伺服电机通过丝杠驱动第一拖板2移动，一种伺服电机用于在前面拉动拖板，另一种伺服电机用于在后面推动拖板；第二拖板8设第二丝杠，第二丝杠连接第二伺服电机；第一立柱6和第二立柱7设多个导轨，第一立柱6和第二立柱7之间的右边设有传动箱17，传动箱17连接第三伺服电机和第三丝杠，第三丝杠设于第二立柱7并和右边第三拖板11相联，左边第三拖板10与第二拖板8共第二丝杠，第一立柱6中间开有一窗口以保证供左边第三拖板10和第二拖板8相连。两个第三拖板上分别设有第四丝杆和驱动左滑板、右滑板移动的第四伺服电机；各伺服电机与计算机数控系统相连。

本发明实施例中，前床身座1高度不超过470mm，后床身座5高度不低于600mm，其工作台3厚度不低于320mm。

其对称式多导轨立柱龙门导轨中内抱式的第二拖板8的导轨挠曲度H不超过0.10mm。

本发明中，工作台的左右纵向运动轴定义为X轴，卧磨头的上下运动轴定义为Z1轴，卧磨头的前后横向运动轴定义为Y1轴；立磨头的上下运动轴定义为Z2轴，立磨头的前后横向运动轴定义为Y2轴，立磨头随可转位转盘作120度的旋转轴定义为A轴；工作台中间可作360度旋转的静压旋转台的旋转轴定义为C轴。参见图12，驱动上述七轴的各伺服电机通过伺服驱动放大电路连接到现场总线上，现场总线与运动控制器连接，运动控制器与触摸屏连接，同时运动控制器通过交换机连接到以太网上，这样，配合专门设计的控制软件，通过计算机数控系统可实现磨削中心的七轴五联动。图13、图14、图15是驱动上述七轴的伺服电机与伺服放大电路的连接示意图。

本发明的砂轮加工精度控制是一项综合性的系统调节与控制方式的组合，并非一项单纯的技术，采用砂轮轨迹补偿、加工参数优化调节、工艺系统构成环节调整等多种手段并用，最终达到对加工精度的综合控制。数控磨削加工过程中砂轮轨迹干涉比数控车削、铣削加工更加复杂，对加工精度影响非常严重。因此综合考虑砂轮轨迹规划误差和充分考虑砂轮干涉影响，通过合理选择砂轮尺寸和砂轮走刀轨迹和姿态建立有效的精度控制措施。①对于砂轮端面磨削，根据允许的加工误差来确定干涉量然后确定允许采用的最大砂轮半径值。②对于内凹曲面，采用砂轮圆柱面磨削减小砂轮与被加工表面之间的干涉，当加工曲面为可展直纹曲面，选择砂轮半径小于加工表面任意被磨曲面曲率半径就可完全避免轨迹干涉。③对于加工截形基本保持不变的曲面，采用三轴联动修整后的成型砂轮磨削，砂轮工作面与被磨曲面完全啮合，从而避免了砂轮干涉。④对于不可展复杂曲面，基于允许的加工误差确定允许残余高度和编程误差设计砂轮走刀轨迹，生成初步砂轮空间姿态，然后进行砂轮干涉检查，对砂轮参数和砂轮姿态进一步调整优化。采用综合比较、测量或取剖面分析，以连续渐变颜色直观揭示工件理论廓面与砂轮包络面两者之间误差过切和欠切变化规律。在产生误差的部位，通过砂轮轨迹的补偿，实现对误差的补偿处理，对于逐一针对单一曲面求解出来的轨迹数据缺乏整体和统一的规划优化和调整，在零件模型几何分析过程中所获得的砂轮轨迹初步数据的基础上，基于恒去除率、等残余高度、少（无）干涉、小冗余误差、减少空程等方法对砂轮轨迹进一步优化，建立相应砂轮轨迹自适应路径优化算法获得整体最佳的轨迹规划方案优化中还考虑砂轮切入和切出路径优化以及对走刀总时间进行理论预测，从而实现加工精度的控制。

本发明的工艺智能应用技术进一步的措施是，其对双主轴加工成功开发出基于PLC的多轴联动软件，主要特点是：

（1）采用国外知名品牌的PLC作为运动控制核心，控制精度高，可靠性强。

（2）采用触摸屏作为人机操作界面，操作简单方便。

（3）采用国外知名品牌的交流伺服系统作为执行机构，控制精度高，响应速度快，运行平稳

（4）具有平面和成型磨削功能。

（5）具有曲面，半球面，非圆性磨削，圆套类工件的内圆和外圆磨削功能。

（6）具有反向间隙自动补偿功能。

（7）具有丝杠螺距自动补偿功能。

本发明的多拖板对称式磨削加工中心的专用控制方法是，伺服电机经现场总线与计算机连接，再经交换机连接以太网组成控制系统，其远程计算机包括设有基于ARM+FPGA专用运动数控芯片的双CPU构建的触摸屏硬件平台与设有数据库、工艺智能应用系统，加工软件平台直接将CAD数据输入数控系统，具有自动中断循环功能。

复杂零件磨削加工自动编程技术：根据砂轮的工艺参数，结合当前数控系统类型进行后置处理，生成与数控系统相对应的数控加工代码。经运动仿真模块测试成功后，借助数据通讯传输到数控机床进行实际磨削加工，从而建立基于复杂零件磨削加工的自动编程平台。

嵌入式计算机数控系统，基于ARM+FPGA专用运动数控芯片的双CPU构建计算机数控系统硬件平台，其中ARM控制器的主要作用是负责运行系统中纺与管理相关的任务，是系统的主控制CPU；FPGA专用运动控制芯片负责运行插补计算机等运算量大、对任务的实时性要求较高的任务，专用于繁重的插补运算，减轻ARM处理器的负担。

控制系统由各个子系统模块部分组成，主要包括丝杠补偿模块、快速移动模块、手摇移动模块、间隙补偿模块、平面手动磨削模块、平面自动磨削模块、曲面自动磨削模块、自动换刀模块、调度模块和报警模块。PLC根据人机界面设定的参数以及丝杠误差补偿参数，经过处理和计算后，向伺服驱动器发出相应的脉冲信号，而与伺服电机同轴安装的增量式编码器通过测量角位移间接地测量出运动轴的位移量，然后反馈到伺服控制器中，与位置指令设定值进行比较，用比较后的差值控制各坐标轴按照预定的轨迹运动。

润滑系统为回圈自流式自动润滑系统，自流式对导轨进行恒压供油，解决电磁泵间隙供油给工作导轨精密造成误差，解决开机后重新开机润滑不足的缺点，从而减少维修，确保机床的正常运转。

本发明的机床结构可满足多种加工成形技术和不间断修整,在砂轮护罩中的磨削吸附装置可以提高加工表面质量；增加了复杂零件磨削加工工艺智能应用技术和磨削加工的自动编程平台，该控制技术系统属国内首创。解决了复杂零件的三维曲面加工精度和表面质量，减少重复装夹,提高生产效率和加工稳定性，简化生产工艺流程，降低生产成本。

本发明采用于前低后高床身座主要解决卧磨头的有效行程和机床高度，双V双平型四条导轨上设置前后移动的第一拖板，可满足机床的横向几何精度和沉重稳定性，第一拖板上有左右往返运动的工作台，专用工作台中间的凹部中有静压旋转台，解决立式磨削加工的要求，对称式多导轨的立柱龙门导轨中内抱式的第二拖板下面平行悬挂卧磨头，可以满足平面，曲面成形和导轨面一般性加工，对称式多导轨立柱的左右两侧设两条平行导轨供连接左右拖板上下，左右拖板控制前后移动的左右滑板，在右滑板上120度转台配套设置立磨头，主要满足半球面，非圆性磨削，圆套类工件的内圆和外圆磨削加工，第二拖板控制着左拖板，左拖板中左滑板上装有光栅尺和砂轮修整器，使它具有了各项加工要求，拓宽了加工范围。

本发明前低后高的床身座和第一拖板均采用双V双平型四条导轨配合,静压卸荷贴塑导轨，运行平稳且精度高、刚性好、抗振性好；对称式多导轨立柱适合机床的平衡和功能分工。

本发明坐标轴采用超低床身座重心驱动原理，极大地提高了磨削工作质量和机床使用寿命。

本发明适合多种高档磨削加工设备，特别适合作三维加工要求的高精智能数控磨削设备。

图5为本发明智能控制系统硬件结构框图，通过人机界面控制加工中心运动，运动指令发到PLC中，PLC驱动伺服驱动器，进而控制电机运转，伺服电机带编码器和伺服控制实现闭环控制。

图6为本发明智能控制系统各模块之间相互关系框图。

图7为自动磨削模块流程图。循环开始后，Y轴、Z轴按照设定参数自动运行，完成设定的磨削量后，循环自动结束。

图8为平面自动磨削模块流程图。平面自动磨削分为粗磨、精磨以及无进给磨削；当无进给磨削完成后，循环自动结束。

图9为曲面自动磨削模块流程图。自动磨削开始后，若Y轴目标位置大于Y轴最低位置，Y轴、Z轴自动进行插补运算，然后根据运算结果进行脉冲输出；若Y轴目标位置小于Y轴最低位置，曲面磨削自动结束。

图10为手摇移动模块流程图。

图11为总控模块，即调度模块示意图。

下面介绍本发明实施例之一的主要性能指标：

可磨削的最大宽度：800×1500

可磨削的最大高度：800

工件磨削表面的粗糙度：Ra0.16

工件磨削表面对基面的平行度：500/0.004

可磨削成型曲面的最大高度差：150

半球面，非圆性磨削，630

套类外圆，630

套类内圆，130

数控分辨率：0.001MM

数控系统插补周期：4ms

机床定位精度：X(mm)    0.005/1500

重复定位精度：X、Y1、Y2、Z1、Z2(mm)0.003

Claims (8)

1.一种多拖板双主轴对称式磨削加工中心，包括床身座、工作台、立柱、拖板、卧磨头和立磨头；前床身座上滑动连接有第一拖板，所述工作台滑动连接在第一拖板上，第一拖板能在前床身座上前后滑动，工作台能在第一拖板上左右滑动；后床身座上设置左右对称并构成门形的第一立柱和第二立柱，第二拖板设置于第一立柱和第二立柱之间，第二拖板能带动卧磨头上下滑动，卧磨头也能在第二拖板内前后滑动；在第一立柱和第二立柱的外侧对称滑动连接有两个第三拖板，两个第三拖板上又分别滑动连接有左滑板和右滑板，两个第三拖板能分别沿第一立柱和第二立柱上下滑动，左滑板和右滑板又分别能在两个第三拖板上前后滑动；所述立磨头设置于第二立柱连接的右边第三拖板上的右滑板前端；其特征在于：工作台中设置有旋转台，所述卧磨头龙门内抱式滑动连接于十字形第二拖板的前后端，所述立磨头能120度旋转，并配置有自动换刀装置；在第二拖板上和左边第三拖板的左滑板前端设置有砂轮仿形修整装置，并成35度仰角保证三轴联动对卧磨头在线检测和仿形修整。

2.根据权利要求1所述的多拖板双主轴对称式磨削加工中心，其特征在于：所述砂轮仿形修整装置包括砂轮修整组件和激光检测装置，砂轮对应处配置有磨削屑吸附装置；所述砂轮修整组件包括金刚笔、与金刚笔连接的丝杠、驱动丝杠的伺服电机；所述激光检测装置包括光栅尺；砂轮修整组件和激光检测装置与计算机数控系统相连；所述磨削吸附装置包括分别设在砂轮主轴中心与砂轮磨削面附近的第一电极和第二电极。

3.根据权利要求1或2所述的多拖板双主轴对称式磨削加工中心，其特征在于：所述立磨头自动换刀装置包括刀库和机械手。

4.根据权利要求3所述的多拖板双主轴对称式磨削加工中心，其特征在于：所述第一拖板设有多个第一丝杠，床身座设第一伺服电机和第二伺服电机，第一伺服电机通过丝杠驱动第一拖板移动；所述第二拖板设第二丝杠，第二丝杠连接第二伺服电机；所述第一立柱和第二立柱设多个导轨，第一立柱和第二立柱之间的右边设有传动箱，传动箱连接第三伺服电机和第三丝杠，第三丝杠设于第二立柱并和右边第三拖板相联，左边第三拖板与第二拖板共用第二丝杠；两个第三拖板上分别设有第四丝杆和驱动左滑板、右滑板移动的第四伺服电机；各伺服电机与计算机数控系统相连。

5.根据权利要求4所述的多拖板双主轴对称式磨削加工中心，其特征在于：所述第一拖板和前床身采用两个V型导轨和两个平型导轨实现硬轨滑动连接，并用滚珠丝杠驱动第一拖板移动。

6.根据权利要求5所述的多拖板双主轴对称式磨削加工中心，其特征在于：所述第一立柱中间开有一窗口以保证供左边第三拖板和第二拖板相连。

7.根据权利要求6所述的多拖板双主轴对称式磨削加工中心，其特征在于：所述前床身座高度不超过470mm，后床身座高度不低于600mm，工作台厚度不低于320mm；所述第二拖板的挠曲度H不超过0.10mm。

8.根据权利要求7所述的双主轴对称式磨削加工中心，其特征在于：所述工作台中的旋转台为静压式转台，位于立磨头中心，其旋转精度为径向≤ 1μm，轴向窜动≤1μm。