CN103926878A - 涡旋式工件加工设备以及工件加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡旋式工件加工设备以及工件加工方法，所述涡旋式工件加工设备其包括一控制中心、一径向进给驱动器、一轴向进给驱动器、一旋转驱动器、一径向进给电机、一轴向进给电机以及一用于转动一旋转台的旋转电机，所述控制中心包括一参数输入模块、一换算模块和一运动控制模块，所述工件加工方法包括：步骤1、向所述参数输入模块输入加工参数；步骤2、利用所述换算模块将所述加工参数转换为加工路径；步骤3、所述运动控制模块根据所述加工路径和加工参数对所述径向进给驱动器、所述轴向进给驱动器和所述旋转驱动器进行控制和驱动。通过本发明的运用，有效减少加工周期长、降低了设备的技术要求、同时操作简单，加工效率极高。

Description

涡旋式工件加工设备以及工件加工方法

技术领域

本发明涉及一种涡旋式工件加工设备以及工件加工方法。

背景技术

目前，公知的涡旋式工件加工方法是人工画加工的3D图，使用市场上通用的CAM软件，编制数控程序，再使用三轴铣床进行加工。

如图1所示，图中：数控中心100控制驱动器201、驱动器301、驱动器401，由每个驱动器控制对应的电机202、电机303、电机402，通过各电机配合丝杆使得铣刀5(或者成形刀)能在X、Y、Z三轴移动，从而加工零件。存在问题是：

1、此方法的缺点是周期长，费神费力，需要人工建立3D模型。

2、对三轴铣床的要求极高，要求三轴运动速度极快。

3、需要第三方通用软件进行数控程序处理。

4、由加工路径知道，X、Y轴需要往复运动，往复运动的次数为2N，N为涡旋圈数，这样不仅效率较低，对轴的要求也很高，否则会导致象限凸起，

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术加工周期长、技术要求高、操作困难、效率低的缺陷，提供一种涡旋式工件加工设备以及工件加工方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种涡旋式工件加工设备，其特点在于，其包括一控制中心、一径向进给驱动器、一轴向进给驱动器、一旋转驱动器、一径向进给电机、一轴向进给电机以及一用于转动一旋转台的旋转电机，所述控制中心包括一参数输入模块、一换算模块和一运动控制模块，其中，

所述径向进给电机与所述径向进给驱动器电连接，所述轴向进给电机与所述轴向进给驱动器电连接，所述旋转电机与所述旋转驱动器电连接；

所述参数输入模块用于接收工件的加工参数，并将所述加工参数传递到所述换算模块和所述运动控制模块；

所述换算模块用于将所述加工参数转换为加工路径，并将所述加工路径传递到所述运动控制模块；

所述运动控制模块用于接收所述加工路径和所述加工参数，并对所述径向进给驱动器、所述轴向进给驱动器和所述旋转驱动器进行控制驱动。

本方案中轴向进给电机主要完成工件深度方向(即Z轴)进给。Z轴单独定位，无需与径向进给电机和旋转电机联动，只是定位Z轴方向的铣削深度。(径向进给即径向进给电机和旋转电机配合完成涡旋形状的铣削)。本方案通过换算模块的换算，可以将加工参数转换为加工路径，该加工路径能用于分别传递给径向进给驱动器、轴向进给驱动器以及旋转驱动器，从而实现了三轴的进给运动(直线、直线、旋转)，与现有技术的进给(直线、直线、直线)有着本质的区别。而且，本发明的进给过程中，通过旋转台的旋转，轴向进给和径向进给分别始终是沿着同一个方向进行的，避免了往复运动，有效提高了效率。

较佳地，所述径向进给电机和轴向进给电机均为直线电机，所述旋转电机为DD直驱电机。DD是direct driver的简称。DD直驱电机由于其输出力矩大，也称为力矩伺服。与传统的电机不同，该产品的大力矩使其可以直接与运动装置连接，从而省去了诸如减速器，齿轮箱，皮带轮等连接机构。

较佳地，所述加工参数包括涡旋线结构参数和速度曲线参数，

所述参数输入模块用于将所述涡旋线结构参数传递到所述换算模块，并将所述速度曲线参数传递到所述运动控制模块。涡旋线结构参数表现的是涡旋线的形状结构，而速度曲线参数主要是加工过程中的一些工艺参数，主要用于限定工件的加工条件。

较佳地，所述涡旋线结构参数包括涡旋线基圆半径、涡旋线起始角、涡旋线壁厚和涡旋线终点角，所述加工路径为一角度-距离关联路径，所述换算模块包括一路径生成模块、一路径修正模块和一坐标转换模块，其中，

所述路径生成模块用于将所述涡旋线基圆半径、涡旋线起始角和涡旋线终点角转换为一涡旋线直角坐标路径；

所述路径修正模块用于根据所述涡旋线壁厚，将所述涡旋线直角坐标路径指令转换为一直角坐标修正路径；由于加工中需要留出一定的壁厚，通过路径修正模块实现了修正功能。

所述坐标转换模块用于将所述直角坐标修正路径转换为所述角度-距离关联路径；

所述运动控制模块用于根据所述速度曲线参数，将所述角度-距离关联路径转换为一径向进给电机进给指令、一轴向进给电机进给指令和一旋转电机进给指令；

所述运动控制模块还用于根据所述径向进给电机进给指令对所述径向进给驱动器进行控制和驱动，根据所述轴向进给电机进给指令对所述轴向进给驱动器进行控制和驱动，并根据所述旋转电机进给指令对所述旋转驱动器进行控制和驱动。

本方案中，通过将涡旋线的直角坐标方程转换为极坐标方程，可以将原本涡旋线上各点的坐标从直角坐标(距离-距离)转换为极坐标(角度-距离)，从而转换成能够控制旋转电机和径向进给电机的指令，高效的实现了换算和控制，提高了加工效率。

较佳地，所述速度曲线参数包括旋转电机转速、旋转电机最大加速度、旋转电机加速时间、径向进给电机最大加速度。

所述运动控制模块用于根据所述旋转电机转速、旋转电机最大加速度、旋转电机加速时间、径向进给电机最大加速度，将所述角度-距离关联路径指令转换为所述径向进给电机进给指令和旋转电机进给指令。本方案中径向进给电机的进给速度和旋转电机的速度是直接关联的，所以根据旋转电机转速，可以确定径向进给电机的进给速度。

较佳地，所述控制中心还包括一判断模块，其中

所述参数输入模块还用于接收一刀具实际尺寸参数，

所述判断模块用于根据所述涡旋线结构参数计算出一刀具理论尺寸参数；

所述判断模块还用于在所述刀具实际尺寸参数和所述刀具理论尺寸参数不一致时，停止运行所述换算模块。本方案中，加工出的实际涡旋线壁厚和刀具实际尺寸有关，通过涡旋线结构参数计算出理论的刀具尺寸，可以自动防止错误的刀具的使用。

一种工件加工方法，其采用所述的涡旋式工件加工设备，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1、向所述参数输入模块输入加工参数；

步骤2、利用所述换算模块将所述加工参数转换为加工路径；

步骤3、所述运动控制模块根据所述加工路径和加工参数对所述径向进给驱动器、所述轴向进给驱动器和所述旋转驱动器进行控制和驱动。

较佳地，所述加工参数包括涡旋线结构参数和速度曲线参数，方法步骤为：

步骤1、向所述参数输入涡旋线结构参数和速度曲线参数；

步骤2、利用所述换算模块将所述涡旋线结构参数转换为加工路径；

步骤3、所述运动控制模块根据所述加工路径和速度曲线参数对所述径向进给驱动器、所述轴向进给驱动器和所述旋转驱动器进行控制和驱动。

较佳地，所述涡旋线结构参数包括涡旋线基圆半径、涡旋线起始角、涡旋线壁厚和涡旋线终点角，所述加工路径为一角度-距离关联路径，所述换算模块包括一路径生成模块、一路径修正模块和一坐标转换模块，步骤2包括以下几个步骤：

步骤2.1、利用所述路径生成模块将所述涡旋线基圆半径、涡旋线起始角和涡旋线终点角转换为一涡旋线直角坐标路径指令；

步骤2.2、利用所述路径修正模块，根据所述涡旋线壁厚，将所述涡旋线直角坐标路径指令转换为一直角坐标修正路径；

步骤2.3、利用所述坐标转换模块，将所述直角坐标修正路径转换为所述角度-距离关联路径。

较佳地，所述速度曲线参数包括旋转电机转速、旋转电机最大加速度、旋转电机加速时间、径向进给电机最大加速度，

步骤3中，利用所述运动控制模块，根据所述旋转电机转速、旋转电机最大加速度、旋转电机加速时间、径向进给电机最大加速度，将所述角度-距离关联路径指令转换为所述径向进给电机进给指令、轴向进给电机进给指令和旋转电机进给指令。

本方案不仅实现了加工方式的改变，而且采用了高效的换算，减少了不必要的手工运算。

较佳地，所述控制中心还包括一判断模块，在步骤1中，还向所述参数输入模块输入一刀具实际尺寸参数，其中步骤1和步骤2之间还包括步骤A和步骤B，

步骤A、利用所述判断模块，根据所述涡旋线结构参数计算出一刀具理论尺寸参数；

步骤B、利用所述判断模块比较所述刀具实际尺寸参数和所述刀具理论尺寸参数，

当所述刀具实际尺寸参数和所述刀具理论尺寸参数不一致时，停止运行所述换算模块，返回步骤1；

当所述刀具实际尺寸参数和所述刀具理论尺寸参数一致时，进入步骤2。

本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明的各较佳实施例。

本发明的积极进步效果在于：通过本发明的运用，有效减少加工周期长、降低了设备的技术要求、同时操作简单，加工效率极高。

附图说明

图1为本现有技术的涡旋式工件加工设备结构示意图。

图2为现有技术的加工方式示意图。

图3为本发明较佳实施例的涡旋式工件加工设备结构示意图。

图4为本发明较佳实施例的加工方式示意图。

图5为本发明的较佳实施例的旋转台结构示意图。

图6为本发明较佳实施例的涡旋线结构示意图。

图7为本发明较佳实施例的涡旋线点坐标示意图。

图8为本发明较佳实施例的控制中心结构框图。

图9为本发明较佳实施例的工件加工方法的流程图。

具体实施方式

下面举出较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

如图3-5所示，本发明的涡旋式工件加工设备包括铣刀5、一控制中心100、一径向进给驱动器401、一轴向进给驱动器301、一旋转驱动器201、一径向进给电机402、一轴向进给电机302以及一用于转动一旋转台7的旋转电机202。其中，径向进给电机402与径向进给驱动器401电连接，轴向进给电机302与轴向进给驱动器301电连接，旋转电机202与旋转驱动器201电连接.

如图8所示，控制中心100包括一参数输入模块110、一换算模块120和一运动控制模块130，其中，

参数输入模块110用于接收工件6的加工参数，并将加工参数传递到所述换算模块120和运动控制模块130；

换算模块120用于将所述加工参数转换为加工路径，并将所述加工路径传递到运动控制模块130；

运动控制模块130用于接收所述加工路径和所述加工参数，并对径向进给驱动器401、轴向进给驱动器301和旋转驱动器201进行控制驱动。

所述加工参数包括涡旋线结构参数和速度曲线参数，参数输入模块100用于将所述涡旋线结构参数传递到换算模块120，并将所述速度曲线参数传递到运动控制模块130。

涡旋线结构参数包括涡旋线基圆半径r、涡旋线起始角α、涡旋线壁厚t和涡旋线终点角β，所述加工路径为一角度-距离关联路径，换算模块120包括一路径生成模块121、一路径修正模块122和一坐标转换模块123，其中，

路径生成模块121用于将涡旋线基圆半径r、涡旋线起始角α和涡旋线终点角β转换为一涡旋线直角坐标路径：(其中表示的当前点的角度)

由此，如图7所示，内渐开线的点A(x₁,y₁)，外渐开线的点B(x₂,y₂)和点C(x₃,y₃)均可以结合涡旋线壁厚t得到坐标值相关方程，

其中，点B的坐标为：

同样的，点A的坐标为：

其中，点A的角度比点B的角度大2π。

由此铣刀或成型刀的位置E(x,y)为：

$\left\{\begin{array}{c}x=(x_1+x_2)/2\\ y=(y_1+y_2)/2\end{array}\right.$

路径修正模块122因此得到了直角坐标修正路径：

坐标转换模块123将其极坐标化：使得

$X=\sqrt{x^2+y^2}$

最终转换为角度-距离关联路径X-C路径。即每转到一个角度，指令点到旋转中心距离为X，这样只要工件连续转动到角度C，铣刀运动到对应到旋转中心距离为X的位置即可。当旋转台高速旋转时，X轴跟随运动，从而实现本实用到达高效加工的目标。

运动控制模块130用于根据所述速度曲线参数，将所述角度-距离关联路径转换为一径向进给电机进给指令、一轴向进给电机进给指令和一旋转电机进给指令；

运动控制模块130根据所述径向进给电机进给指令对所述径向进给驱动器401进行控制和驱动，根据所述轴向进给电机进给指令对所述轴向进给驱动器301进行控制和驱动，并根据所述旋转电机进给指令对所述旋转驱动器201进行控制和驱动。

所述速度曲线参数包括旋转电机转速、旋转电机最大加速度、旋转电机加速时间、径向进给电机最大加速度，

运动控制模块130用于根据所述旋转电机转速、旋转电机最大加速度、旋转电机加速时间、径向进给电机最大加速度，将所述角度-距离关联路径指令转换为所述径向进给电机进给指令和旋转电机进给指令。本方案中径向进给电机的进给速度和旋转电机的速度是直接关联的，所以根据旋转电机转速，可以确定径向进给电机的进给速度。

控制中心100还包括一判断模块，其中

参数输入模块110还用于接收一刀具实际尺寸参数d，

判断模块140根据下式，将所述涡旋线结构参数计算出一刀具理论尺寸参数；

涡旋线节距P＝2πr(根据基圆半径，自动计算)

刀具理论尺寸参数：D＝P-t(系统自动判断D是否满足加工要求)

在刀具实际尺寸参数d和刀具理论尺寸参数D不一致时，停止运行所述换算模块120。本方案中，加工出的实际涡旋线壁厚和刀具实际尺寸有关，通过涡旋线结构参数计算出理论的刀具尺寸，可以自动防止错误的刀具的使用。

如图9所示，本发明还公开一种工件加工方法，其采用所述的涡旋式工件加工设备，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤901、向所述参数输入涡旋线结构参数、速度曲线参数和刀具实际尺寸参数；

步骤902、利用所述判断模块，根据所述涡旋线结构参数计算出一刀具理论尺寸参数；

步骤903、利用所述判断模块比较所述刀具实际尺寸参数和所述刀具理论尺寸参数，

当所述刀具实际尺寸参数和所述刀具理论尺寸参数不一致时，停止运行所述换算模块，返回步骤901；

当所述刀具实际尺寸参数和所述刀具理论尺寸参数一致时，进入步骤904。

步骤904、利用所述路径生成模块将所述涡旋线基圆半径、涡旋线起始角和涡旋线终点角转换为一涡旋线直角坐标路径指令；

步骤905、利用所述路径修正模块，根据所述涡旋线壁厚，将所述涡旋线直角坐标路径指令转换为一直角坐标修正路径；

步骤906、利用所述坐标转换模块，将所述直角坐标修正路径转换为所述角度-距离关联路径；

步骤907、所述运动控制模块根据所述加工路径和速度曲线参数对所述径向进给驱动器、所述轴向进给驱动器和所述旋转驱动器进行控制和驱动。具体的利用所述运动控制模块，根据所述旋转电机转速、旋转电机最大加速度、旋转电机加速时间、径向进给电机最大加速度，将所述角度-距离关联路径指令转换为所述径向进给电机进给指令、轴向进给电机进给指令和旋转电机进给指令。

本方案中轴向进给电机主要完成工件深度方向(即Z轴)进给。Z轴单独定位，无需与径向进给电机和旋转电机联动，只是定位Z轴方向的铣削深度。(径向进给即径向进给电机和旋转电机配合完成涡旋形状的铣削)。本方案通过换算模块的换算，可以将加工参数转换为加工路径，该加工路径能用于分别传递给径向进给驱动器、轴向进给驱动器以及旋转驱动器，从而实现了三轴的进给运动(直线、直线、旋转)，与现有技术的进给(直线、直线、直线)有着本质的区别。而且，本发明的进给过程中，通过旋转台的旋转，轴向进给和径向进给分别始终是沿着同一个方向进行的，避免了往复运动，有效提高了效率。

本方案中，通过将涡旋线的直角坐标方程转换为极坐标方程，可以将原本涡旋线上各点的坐标从直角坐标(距离-距离)转换为极坐标(角度-距离)，从而转换成能够控制旋转电机和径向进给电机的指令，高效的实现了换算和控制，提高了加工效率。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种涡旋式工件加工设备，其特征在于，其包括一控制中心、一径向进给驱动器、一轴向进给驱动器、一旋转驱动器、一径向进给电机、一轴向进给电机以及一用于转动一旋转台的旋转电机，所述控制中心包括一参数输入模块、一换算模块和一运动控制模块，其中，

所述径向进给电机与所述径向进给驱动器电连接，所述轴向进给电机与所述轴向进给驱动器电连接，所述旋转电机与所述旋转驱动器电连接；

所述参数输入模块用于接收工件的加工参数，并将所述加工参数传递到所述换算模块和所述运动控制模块；

所述换算模块用于将所述加工参数转换为加工路径，并将所述加工路径传递到所述运动控制模块；

所述运动控制模块用于接收所述加工路径和所述加工参数，并对所述径向进给驱动器、所述轴向进给驱动器和所述旋转驱动器进行控制驱动。

2.如权利要求1所述的涡旋式工件加工设备，其特征在于，所述径向进给电机和轴向进给电机均为直线电机，所述旋转电机为DD直驱电机。

3.如权利要求1所述的涡旋式工件加工设备，其特征在于，所述加工参数包括涡旋线结构参数和速度曲线参数，

所述参数输入模块用于将所述涡旋线结构参数传递到所述换算模块，并将所述速度曲线参数传递到所述运动控制模块。

4.如权利要求3所述的涡旋式工件加工设备，其特征在于，所述涡旋线结构参数包括涡旋线基圆半径、涡旋线起始角、涡旋线壁厚和涡旋线终点角，所述加工路径为一角度-距离关联路径，所述换算模块包括一路径生成模块、一路径修正模块和一坐标转换模块，其中，

所述路径生成模块用于将所述涡旋线基圆半径、涡旋线起始角和涡旋线终点角转换为一涡旋线直角坐标路径；

所述路径修正模块用于根据所述涡旋线壁厚，将所述涡旋线直角坐标路径指令转换为一直角坐标修正路径；

所述坐标转换模块用于将所述直角坐标修正路径转换为所述角度-距离关联路径；

所述运动控制模块用于根据所述速度曲线参数，将所述角度-距离关联路径转换为一径向进给电机进给指令、一轴向进给电机进给指令和一旋转电机进给指令；

所述运动控制模块还用于根据所述径向进给电机进给指令对所述径向进给驱动器进行控制和驱动，根据所述轴向进给电机进给指令对所述轴向进给驱动器进行控制和驱动，并根据所述旋转电机进给指令对所述旋转驱动器进行控制和驱动。

5.如权利要求4所述的涡旋式工件加工设备，其特征在于，所述速度曲线参数包括旋转电机转速、旋转电机最大加速度、旋转电机加速时间、径向进给电机最大加速度，

所述运动控制模块用于根据所述旋转电机转速、旋转电机最大加速度、旋转电机加速时间、径向进给电机最大加速度，将所述角度-距离关联路径指令转换为所述径向进给电机进给指令和旋转电机进给指令。

6.如权利要求2-5任意一项所述的涡旋式工件加工设备，其特征在于，所述控制中心还包括一判断模块，其中

所述参数输入模块还用于接收一刀具实际尺寸参数，

所述判断模块用于根据所述涡旋线结构参数计算出一刀具理论尺寸参数；

所述判断模块还用于在所述刀具实际尺寸参数和所述刀具理论尺寸参数不一致时，停止运行所述换算模块。

7.一种工件加工方法，其采用如权利要求1-6任意一项所述的涡旋式工件加工设备，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1、向所述参数输入模块输入加工参数；

步骤2、利用所述换算模块将所述加工参数转换为加工路径；

步骤3、所述运动控制模块根据所述加工路径和加工参数对所述径向进给驱动器、所述轴向进给驱动器和所述旋转驱动器进行控制和驱动。

8.如权利要求7所述的工件加工方法，其特征在于，所述加工参数包括涡旋线结构参数和速度曲线参数，方法步骤为：

步骤1、向所述参数输入涡旋线结构参数和速度曲线参数；

步骤2、利用所述换算模块将所述涡旋线结构参数转换为加工路径；

步骤3、所述运动控制模块根据所述加工路径和速度曲线参数对所述径向进给驱动器、所述轴向进给驱动器和所述旋转驱动器进行控制和驱动。

9.如权利要求8所述的工件加工方法，其特征在于，所述涡旋线结构参数包括涡旋线基圆半径、涡旋线起始角、涡旋线壁厚和涡旋线终点角，所述加工路径为一角度-距离关联路径，所述换算模块包括一路径生成模块、一路径修正模块和一坐标转换模块，步骤2包括以下几个步骤：

步骤2.1、利用所述路径生成模块将所述涡旋线基圆半径、涡旋线起始角和涡旋线终点角转换为一涡旋线直角坐标路径指令；

步骤2.2、利用所述路径修正模块，根据所述涡旋线壁厚，将所述涡旋线直角坐标路径指令转换为一直角坐标修正路径；

步骤2.3、利用所述坐标转换模块，将所述直角坐标修正路径转换为所述角度-距离关联路径。

10.如权利要求9所述的工件加工方法，其特征在于，所述速度曲线参数包括旋转电机转速、旋转电机最大加速度、旋转电机加速时间、径向进给电机最大加速度，

步骤3中，利用所述运动控制模块，根据所述旋转电机转速、旋转电机最大加速度、旋转电机加速时间、径向进给电机最大加速度，将所述角度-距离关联路径指令转换为所述径向进给电机进给指令、轴向进给电机进给指令和旋转电机进给指令。

11.如权利要求10任意一项所述的工件加工方法，其特征在于，所述控制中心还包括一判断模块，在步骤1中，还向所述参数输入模块输入一刀具实际尺寸参数，其中步骤1和步骤2之间还包括步骤A和步骤B，

步骤A、利用所述判断模块，根据所述涡旋线结构参数计算出一刀具理论尺寸参数；

步骤B、利用所述判断模块比较所述刀具实际尺寸参数和所述刀具理论尺寸参数，

当所述刀具实际尺寸参数和所述刀具理论尺寸参数不一致时，停止运行所述换算模块，返回步骤1；

当所述刀具实际尺寸参数和所述刀具理论尺寸参数一致时，进入步骤2。