CN103406623B - 真圆弧插补线切割机床用旋转工作台 - Google Patents
真圆弧插补线切割机床用旋转工作台 Download PDFInfo
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Abstract
一种真圆弧插补线切割机床用旋转工作台，涉及线切割加工机床技术领域，主要解决传统线切割机床在插补加工圆弧和斜线时用X轴方向和Y轴方向的阶梯直线段来逼近圆弧曲线和斜线所造成的表面粗糙、光洁度差等问题。该旋转工作台包括有Z轴圆形导轨、X＇轴导轨及丝杠螺母副、Y＇轴导轨及丝杠螺母副。将该旋转工作台安装在线切割机床原有的二自由度工作台上，结合控制程序，可使加工圆弧曲线时的插补动作由旋转的Z轴来完成，实现真圆弧插补；利用该工作台加工斜线时，将工作台的Z轴旋转一个角度，使待加工斜线与X轴或Y轴方向一致，从而变斜线插补为在X轴方向或Y轴方向的直线插补。
Description
技术领域
本发明涉及线切割加工机床技术领域，特别涉及线切割机床在加工圆弧和斜线时用的真圆弧插补线切割机床用旋转工作台，主要解决传统线切割机床在插补加工圆弧和斜线时用X轴方向和Y轴方向的阶梯直线段来逼近圆弧曲线和斜线所造成的表面粗糙、光洁度差等问题。
背景技术
目前，已知的电火花线切割机床的工作台都是由X轴和Y轴组成的二自由度工作台，加工时的插补原理都是用X轴方向和Y轴方向的直线插补方式实现任意轮廓形状工件的加工。但用直线插补方式加工轮廓为圆弧或斜线的零件时，所形成的加工轮廓线从微观上看，实际是用一系列沿X轴方向和Y轴方向的阶梯直线段来近似逼近圆弧曲线和斜线，这样加工出来的零件，表面粗糙、光洁度差，无法满足现代化高精度精密零部件的加工要求，使得电火花线切割技术在工程中的应用受到一定程度的限制。
因此，设计一种在加工圆弧或斜线时能大幅度降低加工零件表面粗糙度和提高光洁度的线切割机床工作台具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是：克服传统线切割技术在切割圆弧和斜线时存在表面粗糙、光洁度差的缺点，提供一种真圆弧插补线切割机床用旋转工作台，利用该旋转工作台能实现光滑的真圆弧插补，能将斜线插补变为在一个方向上的直线插补，从而大大地降低加工表面的粗糙度，提高表面光洁度和加工效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：真圆弧插补线切割机床用旋转工作台，它包括旋转的Z轴、X＇轴和Y＇轴共三个自由度，其中一个是可在Z轴方向旋转的旋转自由度，另外两个是可沿X＇轴和Y＇轴移动的自由度，其特征在于：X＇轴安装在Z轴的环形上导轨（6）上，Y＇轴安装在X＇轴上，X＇轴和Y＇轴相互垂直，利用Z轴的旋转进行真圆弧插补，实现光滑的圆弧曲线加工，利用Z轴的旋转将待加工斜线旋转到与X轴或Y轴平行的位置，实现变斜线插补为在X轴方向或Y轴方向的直线插补。
所述旋转工作台其特征在于：工作台的支撑座（3）通过螺栓固定在机床原有Y轴工作台（2）上，Z轴的环形下导轨（4）与支撑座（3）相连，Z轴的环形上导轨（6）与Z轴的环形下导轨（4）之间用滚珠（5）相连，Z轴的环形上导轨（6）内沿设有内齿圈，内齿圈与齿轮（26）相啮合，在齿轮（26）的带动下，Z轴的环形上导轨（6）可绕回转中心自由旋转，齿轮（26）安装在支撑架（28）上，支撑架（28）安装固定在Y轴工作台（2）上，齿轮（26）由步进电机（29）带动旋转。
所述的X＇轴运动部分特征在于：X＇轴方向的两个支撑架（8）通过螺栓固定在Z轴的环形上导轨（6）上，支撑架（8）上安装有X＇轴的两根导轨（9）和参数相同的两套丝杠（23），X＇轴的导轨滑块（10）与Y＇轴的支撑座（11）以及X＇轴的丝杠螺母（22）相连，X＇轴的两套丝杠（23）由步进电机（24）带动，并通过丝杠螺母带动工件固定台（16）沿X＇轴轴向移动，在X＇轴方向的两套丝杠（23）由同步带（25）和两个参数相同的同步带轮（27）相连，以实现两丝杠（23）同步旋转，保证两端的支撑座（11）在X＇轴上同步移动。
所述的Y＇轴运动部分特征在于：Y＇轴方向的两个支撑座（11）通过螺栓与X＇轴的导轨滑块（10）以及丝杠螺母（22）相连，支撑座（11）上安装有Y＇轴的两根导轨（20）和Y＇轴的参数相同的两套丝杠（15），Y＇轴的导轨滑块（21）以及丝杠螺母（17）与工件固定台（16）相连，Y＇轴的两套丝杠（15）由步进电机（12）带动，并通过丝杠螺母（17）带动工件固定台（16）沿Y＇轴轴向移动，在Y＇轴方向的两套丝杠（15）由同步带（14）和两个参数相同的同步带轮（13）相连，以实现两丝杠（15）同步旋转，保证两工件固定台（16）在Y＇轴上同步移动。
所述的两工件固定台（16）用带T型槽的连接板（18）相连，工件（19）固定安装在连接板（18）上。
所述利用Z轴的旋转进行真圆弧插补，其原理是分别利用X轴和X＇轴配合，Y轴和Y＇轴相配合，使X轴和X＇轴向相反方向以相同的速度和相同的步数移动，使Y轴和Y＇轴向相反的方向以相同的速度和相同的步数移动，最终将Z轴的旋转中心O＇移动到加工圆弧的中心O＇＇处，使O＇和O＇＇重合，再利用Z轴的旋转实现真圆弧插补。
所述利用Z轴的旋转将待加工斜线旋转到与X轴或Y轴平行的位置，实现变斜线插补为在X轴方向或Y轴方向的直线插补，其原理是分别利用X轴和X＇轴配合，Y轴和Y＇轴相配合，使X轴和X＇轴向相反的方向以相同的速度和相同的步数移动，使Y轴和Y＇轴向相反的方向以相同的速度和相同的步数移动，最终将Z轴的旋转中心O＇移动到和斜线的起点位置重合，然后旋转Z轴，使待加工斜线与X轴或Y轴平行，最后只需进行X轴或Y轴方向的直线插补。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：第一，由旋转自由度Z轴实现真圆弧插补，其加工轨迹为光滑的圆弧曲线，克服了传统方法用X轴、Y轴方向的直线插补线段来逼近圆弧曲线加工所带来的误差，提高了圆弧加工表面的质量。第二，利用该工作台加工与X轴或Y轴成一定夹角θ的斜线时，可将工作台的Z轴旋转一个角度θ，使待加工斜线与X轴或Y轴方向一致，从而变斜线插补为在X方向或Y方向的直线插补，提高了斜线插补的加工质量。第三，传统的圆弧插补和斜线插补轨迹是由一系列在X轴方向和Y轴方向的阶梯直线段构成，利用该工作台后，缩短了圆弧插补和斜线插补加工轨迹的长度，提高了加工效率。
附图说明
图1为真圆弧插补线切割机床用旋转工作台的结构示意图。
图2为传统圆弧插补原理示意图。
图3为利用旋转工作台进行真圆弧插补原理示意图。
图4为传统斜线插补原理示意图。
图5为利用旋转工作台进行斜线插补原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示：真圆弧插补线切割机床用旋转工作台包括三个自由度，即Z轴的旋转运动、X＇轴方向移动和Y＇轴方向移动。
所述Z轴由支撑座（3）、Z轴的环形下导轨（4）、Z轴的环形上导轨（6）、滚珠（5）、导轨压板（7）、齿轮（26）、步进电机的支撑架（28）和步进电机（29）组成，支撑座（3）通过螺钉固定在机床原有的Y轴工作台（2）上，Z轴的环形下导轨（4）与支撑座（3）相连，Z轴的环形上导轨（6）与Z轴的环形下导轨（4）之间用滚珠（5）相连，Z轴的环形上导轨（6）内沿设有内齿圈，内齿圈与齿轮（26）相啮合，在齿轮（26）的带动下，Z轴的环形上导轨（6）可自由旋转，齿轮（26）安装在支撑架（28）上，支撑架（28）安装固定在Y轴工作台（2）上，齿轮（26）由步进电机（29）带动旋转。
所述X＇轴由支撑架（8）、X＇轴的两根导轨（9）、导轨滑块（10）、X＇轴的参数相同的两套丝杠（23）、两个参数相同的同步带轮（27）、同步带（25）和步进电机（24）组成，X＇轴方向的两个支撑架（8）通过螺钉固定在Z轴的环形上导轨（6）上，支撑架（8）上安装有X＇轴的两根导轨（9），导轨滑块（10）与Y＇轴的支撑座（11）以及X＇轴的丝杠螺母（22）相连，X＇轴的两套丝杠（23）由步进电机（24）带动，并通过丝杠螺母（22）带动工件固定台（16）沿X＇轴轴向移动，在X＇轴方向的两套丝杠（23）由同步带（25）和两个参数相同的同步带轮（27）相连，以实现两套丝杠（23）同步旋转，保证两端在X＇轴上同步移动。
所述Y＇轴由支撑座（11）、Y＇轴的两根导轨（20）、导轨滑块（21）、Y＇轴的参数相同的两套丝杠（15）、两个参数相同的同步带轮（13）、同步带（14）和步进电机（12）组成，Y＇轴方向的两个支撑座（11）通过螺钉与X＇轴的滑块（10）相连，支撑座（11）上安装有Y＇轴的两根导轨（20）和Y＇轴的两套丝杠（15），Y＇轴的导轨滑块（21）与工件固定台（16）相连，Y＇轴的两套丝杠（15）由步进电机（12）带动，并通过丝杠螺母（17）带动工件固定台（16）沿Y＇轴轴向移动，在Y＇轴方向的两套丝杠（15）由同步带（14）和两个参数相同的同步带轮（13）相连，以实现两套丝杠（15）同步旋转，保证工件固定台（16）的两端在Y＇轴上同步移动。
所述连接板（18）安装在Y＇轴的工件固定台（16）上，工件（19）通过螺钉压板安装在连接板（18）上。
实施例1。
现结合图1、图2和图3对真圆弧插补的工作原理作进一步说明。传统的圆弧插补原理如图2所示：其实质是用在X轴方向和Y轴方向交替进行的一系列直线插补线段来逼近圆弧曲线，因此造成加工的圆弧面粗糙、光洁度差。利用真圆弧插补线切割机床用旋转工作台进行真圆弧插补的工作原理如图1和图3所示：X轴（1）、Y轴（2）为机床原有两个运动轴，旋转的Z轴环形上导轨（6）带动X＇轴、Y＇轴及工件（19）绕O＇（Z轴）旋转，30为待加工的圆弧轨迹，31为机床钼丝的位置，钼丝的位置固定不动，如图3（a）所示。在加工圆弧轨迹（30）之前，首先将旋转轴Z轴的中心O＇移动到圆弧轨迹（30）的中心O＇＇处，移动过程分两步实现：第一步先将X轴右移，同时X＇轴左移，使Y＇轴移到O＇＇处重合，如图3（b）所示；第二步将Y轴向上移，同时Y＇向下移，使O＇和O＇＇重合，如图3（c）所示。当O＇和O＇＇重合后，就只需通过步进电机（29）带动齿轮（26）转动，再由齿轮（26）带动Z轴的环形上导轨（6）旋转，最终带动工件（19）旋转，就可加工出光滑的圆弧轨迹曲线，以实现真圆弧插补加工。在移动Z轴中心O＇到圆弧轨迹（30）中心O＇＇的过程中，为了保证工件（19）和钼丝的相对位置固定不动，必须使X轴和X＇轴相互配合、Y轴和Y＇轴相配合，即X轴向右运动时，会带动整个回转工作台和工件一起向右运动，此时为保证工件和钼丝位置不动，就必须使X＇轴向左以相同的速度和相同的步数运动，Y轴向上运动时，会带动整个回转工作台和工件一起向上运动，此时为保证工件和钼丝位置不动，就必须使Y＇轴向下以相同的速度和相同的步数运动，从而保证Z轴中心O＇移动到待加工的圆弧轨迹（30）中心O＇＇过程中工件（19）相对于钼丝的位置始终不变。传统圆弧插补钼丝加工轨迹的长度如图2所示，假设待加工的圆弧直径为d，则钼丝在X轴方向的所有插补线段的长度之和为2d，在Y轴方向的所有插补线段的长度之和为2d，故钼丝按传统的圆弧插补所经过的轨迹总长度为4d。而采用真圆弧插补原理，钼丝走过的轨迹长度为圆的周长πd，比传统的圆弧插补轨迹的长度短（4-π）d，故加工效率提高了（4-π）d/4d=21.46%。
实施例2。
如图1、图4和图5所示。传统的斜线插补原理如图4所示：其实质是用在X轴方向和Y轴方向交替进行的一系列直线插补线段来逼近斜线，造成加工面粗糙、光洁度差。利用真圆弧插补线切割机床用旋转工作台加工如图5（a）所示的斜线时，首先将旋转轴Z的中心点O＇移动到线段AB的起点（即钼丝位置点）。实现的方法是：利用X轴和X＇轴相互配合，即X轴带动旋转工作台向右运动的同时，为保证工件相对于钼丝的位置不动，就必须使X＇轴向左以相同的速度和相同的步数运动，从而将Y＇轴沿X轴方向移到与A点重合，如图5（b）所示，然后利用Y轴和Y＇轴配合，即Y轴带动旋转工作台向上运动的同时，为保证工件相对于钼丝的位置不动，就必须使Y＇轴向下以相同的速度和相同步数运动，从而将O＇沿Y轴方向移到A点，最终使旋转轴Z的中心O＇与加工轨迹的起点A重合，如图5（c）所示，然后将旋转工作台绕O＇旋转θ角度，使待加工的AB线段与X轴平行，如图5（d）所示，最后只需在X方向进行直线插补加工，故加工出的轨迹线表面光洁度高。同时加工轨迹较现有的斜线插补的轨迹短，提高了加工的效率。传统斜线插补轨迹长度如图4所示，在X轴方向钼丝走过的轨迹长度之和为AC，在Y轴方向钼丝走过的轨迹长度之和为BC，故钼丝走过的轨迹长度总和为AC+BC，采用旋转工作台后的插补轨迹长度为线段AB的长度，根据三角形两边长度之和大于第三边，故利用本发明加工斜线时，加工轨迹缩短。以θ=45°为例，AC=BC，AB=1.414AC，加工轨迹缩短了AC+BC-AB，故效率提高了(AC+BC-AB)/2AC=29.29%。
Claims (3)
1.真圆弧插补线切割机床用旋转工作台，它包括旋转的Z轴、X＇轴和Y＇轴，其特征在于：X＇轴安装在Z轴的环形上导轨（6）上，Y＇轴安装在X＇轴上，X＇轴和Y＇轴相互垂直，利用Z轴的旋转进行真圆弧插补，实现光滑的圆弧曲线加工，利用Z轴的旋转将加工斜线旋转到与X轴或Y轴平行的位置，实现变斜线插补为在X轴方向或Y轴方向的直线插补，所述Z轴的环形下导轨（4）通过支撑座（3）与机床原有的Y轴工作台（2）相连，Z轴的环形上导轨（6）通过滚珠（5）与Z轴的环形下导轨（4）相连，Z轴的环形上导轨（6）内沿设有内齿圈，内齿圈与齿轮（26）相啮合，齿轮（26）由步进电机（29）带动旋转，最终带动Z轴的环形上导轨（6）旋转，所述X＇轴通过支撑架（8）与Z轴的环形上导轨（6）相连，X＇轴方向设有两根导轨（9）、参数相同的两套丝杠（23），两套丝杠（23）通过同步带（25）和两个参数相同的同步带轮（27）相连，由步进电机（24）带动实现两套丝杠（23）同步转动，所述Y＇轴通过支撑座（11）与X＇轴相连，Y＇轴设有两根导轨（20）、参数相同的两套丝杠（15），两套丝杠（15）通过同步带（14）和两个参数相同的同步带轮（13）相连，由步进电机（12）带动实现两套丝杠（15）同步转动。
2.根据权利要求1所述的真圆弧插补线切割机床用旋转工作台，其特征在于：所述利用Z轴的旋转进行真圆弧插补，其原理是分别利用X轴和X＇轴配合，Y轴和Y＇轴相配合，使X轴和X＇轴向相反方向以相同的速度和相同的步数移动，使Y轴和Y＇轴向相反的方向以相同的速度和相同的步数移动，将旋转轴的中心O＇移动到加工圆弧的中心O＇＇处，使O＇和O＇＇重合，再利用Z轴的旋转实现真圆弧插补。
3.根据权利要求1所述的真圆弧插补线切割机床用旋转工作台，其特征在于：所述利用Z轴的旋转将加工斜线旋转到与X轴或Y轴平行的位置，实现变斜线插补为直线插补，其原理是分别利用X轴和X＇轴配合，Y轴和Y＇轴相配合，使X轴和X＇轴向相反的方向以相同的速度和相同的步数移动，使Y轴和Y＇轴向相反的方向以相同的速度和相同的步数移动，将Z轴的旋转中心O＇移动到和斜线的起点位置重合，然后旋转Z轴，使加工轨迹与X轴或Y轴平行，然后只需进行X轴或Y轴方向的直线插补。
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