CN103991008A - 锥度铣刀的七轴自动加工机床设备及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锥度铣刀的七轴自动加工机床设备，包括机座，Z向移动座，工作台，Q向回转台，A向回转台，立轴，Y向移动座，B向回转台、P向回转台以及磨轮架；Z向移动座带动工作台3可相对机座在XZ平面上运动，AQ轴构成的回转台设在工作台上，使装夹好的工件即可相对工作台绕XZ平面上任意轴向旋转，所述立轴可带动所述B向回转台和P向回转台沿Y轴上下运动，B向回转台和P向回转台又可带动磨轮架绕XZ平面上任意轴向旋转。本发明由三个直线轴X、Y、Z和四个旋转轴A、B、P、Q共七个加工轴构成，实现对铣刀的七轴方向加工，改变原来需要多组设备才能实现加工铣刀的状况，提高了生产效率和生产质量。

Description

锥度铣刀的七轴自动加工机床设备及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种铣刀加工设备及其加工方法。

背景技术

铣刀是安装在铣床上，用来加工零件的专用刀具，通过刀具的旋转使刀刃作用于工件表面而形成特定的形状和精度要求。

目前常用的铣刀加工设备均为半自动化装置，其中X、Z轴方向为伺服控制，Y轴为手动控制。按照这种操作工艺，设备只能加工铣刀工艺中的一个工序，按一把铣刀来讲，就需要另外几种设备来配套，才能生产出一把完整的铣刀，不但成本高，而且加工质量难以保证。此外，也有采用五轴或六轴联动的加工设备，但由于设备结构所限存在旋转轴等的局部部件刚性不足缺陷，造成质量不稳定及效率低下，影响铣刀加工效果，因此有必要设计出新的技术以解决上述问题。

目前，加工锥度型面铣刀的主要方法为数控铣削后再数控磨削。数控刀具磨削在国外已有很多的数控刀具、磨床及数控刀具磨削专用软件。而锥度型面刀具的数控铣削，国内外市场还没有出现专用的数控刀具铣床及相应的刀具铣削方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种锥度铣刀的七轴自动加工机床设备，由三个直线轴X、Y、Z和四个旋转轴A、B、P、Q共七个加工轴构成，实现对铣刀的七轴方向加工，改变原来需要多组设备才能实现加工铣刀的状况，提高了生产效率和生产质量。

本发明要解决的技术问题之一是这样实现的：一种锥度铣刀的七轴自动加工机床设备，其特征在于：包括机座，Z向移动座，工作台，Q向回转台，A向回转台，立轴，Y向移动座，B向回转台、P向回转台以及磨轮架；所述Z向移动座能沿Z轴滑动地设在所述机座上；所述工作台能沿X轴滑动地设在所述Z向移动座上；所述Q向回转台能绕Y轴旋转地设在所述工作台上，该Q向回转台的回转设为Q轴；所述A向回转台能绕XZ平面上任意轴向旋转地设在所述Q向回转台上，用于装夹待加工的锥度铣刀，该A向回转台的回转设为A轴；所述立轴固定在机座上，并与Y轴同向；所述Y向移动座能沿Y轴滑动地设在所述立轴上；所述B向回转台能绕Y轴旋转地设在所述Y向移动座上，该B向回转台的回转设为B轴；所述P向回转台能绕XZ平面上任意轴向旋转地设在所述B向回转台上，该P向回转台的回转设为P轴；所述磨轮架设在所述P向回转台上并位于所述工作台的上方；其中，X轴、Y轴、Z轴互相垂直。

进一步的，所述工作台的上表面还设有复数条沿X轴延伸的排液槽。

进一步的，所述工作台、Z向移动座、立轴均分别由交流伺服电动机通过同步传动齿带驱动滚珠丝杠副实现直线传动；所述A向回转台、B向回转台、P向回转台、Q向回转台均分别由交流伺服电动机通过减速器驱动蜗杆涡轮副实现回转运动。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种锥度铣刀的七轴自动加工方法，利用上述机床设备，实现对铣刀的七轴方向加工，改变原来需要多组设备才能实现加工铣刀的状况，提高了生产效率和生产质量。

本发明要解决的技术问题之二是这样实现的：一种锥度铣刀的七轴自动加工方法，利用上述的本发明锥度铣刀的七轴自动加工机床设备进行加工，包括锥刃前角磨削的过程和锥刃后角磨削的过程；

所述锥刃前角磨削的过程包括：

(1)实现X轴与Y轴的联动：所述工作台沿着磨削长度L方向运行，从X＝0运行到X＝L位置，A向回转台绕X轴回转，二者的联动实现刀具的螺旋运动，Y向移动座由磨削起点的位置按照锥角关系，向Y轴正方向运动，其运动关系为：

磨削起点： $y_1=\frac{D_1}{2}\cos R_a-h---(1-1);$

式中，D₁为锥度铣刀小端直径，R_a为前角，h为端部齿高：(1-2)；

C₁为端部芯径，由此：当磨削运动进行到x

位置时，Y轴所走过的距离为：(1-3)；

又因为C_x＝C₁+2xtanT_a                   (1-4)；

所以 $y=(\frac{C_1}{2}+x{\tan T}_a)\cos R_a---(1-5);$

式中，T_a为锥度值；

(2)实现Z轴与X轴、Y轴的联动：按照等前角R_a的关系，从磨削起点处的z＝z₁运行到任意一点z＝z_x的位置，运行距离是

$z=\frac{D_x}{2}\sin R_a---(1-6);$

其中，D_x为锥度铣刀在x位置处直径，D_x＝D₁+2xtanT_a(1-7)；

从而得出： $z=\frac{(D_1+2x\tan T_a)}{2}{\sin R}_a=(\frac{D_1}{2}+x\tan T_a)\sin R_a---(1-8);$

(3)A轴回转：按照等螺旋角S_a的关系，A向回转台沿着螺旋方向回转，在任一点的位置上，X轴向的线速度

它与转动线速度 $V_a=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}\tan S_a---(1-10);$

转动角速度为与线速度V_a的关系为

所以由式(1-7),(1-10),(1-11)得

两边积分得：

$a=\∫\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}=\∫\frac{2\tan S_a}{D_1+2x\tan T_a}\mathrm{dx}=\frac{\tan S_a}{\tan T_a}\∫\frac{\mathrm{dx}}{\frac{D_1}{2\tan T_a}+x}=\frac{\tan S_a}{\tan T_a}\ln (1+\frac{2\tan T_a}{D_1}x)+C---(1-13);$

又由于在初始相对位置，x＝0，此时a＝0，所以常数Q＝0，所以可推出：

$a=\frac{\tan S_a}{\tan T_a}\ln (1+\frac{2{\tan T}_a}{D_1}x)---(1-14);$

所述锥刃后角磨削过程包括X、Y、Z、A四个轴的联动控制关系，为：

(1)所述工作台沿着X轴向磨削长度L方向运行，从x＝0运行到x＝L的终点位置；

(2)所述立轴从Y轴零点位置运行到工件中点与磨轮中心等高的位置，设这段距离长H且保持恒定值不变；

(3)Z轴与X轴联动，按照锥度T_a的关系，从磨削起点位置运行到式中，H_a为后角，D₂为锥度铣刀大端直径；

(4)运行的距离长为 $z=z_x=\frac{D_x}{2}\cos H_a---(1-15);$

由于D_x＝D₁+2x tan T_a            (1-16)；

将其代入上式(1-15)中得出：

$z=(\frac{D_1}{2}+x\tan T_a)\cos H_a---(1-17);$

工件旋转轴A轴按照等螺旋角S_a的关系，沿着螺旋方向回转，推导得到：

$a=\frac{{\tan S}_a}{{\tan T}_a}\ln (1+\frac{2\tan T_a}{D_1}x)---(1-18).$

本发明具有如下优点：

本发明根据锥度铣刀多轴联动数学模型中各轴的运动模式，设计出符合锥度铣刀自动加工的机床设备和加工方法，实现高速高精锥度铣刀加工。机床设备由三个直线轴X、Y、Z和四个旋转轴A、B、P、Q构成，B、P两个旋转轴安装于立轴Y上，分别绕XY平面和YZ平面旋转，构成双回转头，A、Q两个旋转轴安装于工作台上，分别绕YZ平面和XY平面旋转，构成双回转台。

本发明的加工方法通过锥度铣刀多轴联动数学模型，精确控制锥度铣刀加工时在每个微段直线插补时的各轴运动分量，实现锥度铣刀的全自动加工过程，在加工精度和速度方面都要较大幅度提高。比手工操作速度控制灵敏，反应迅速，只要根据图纸输入必要的几何参数即可试磨，大大提高了效率。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明加工设备的立体结构示意图。

图2为本发明加工设备的前视结构示意图。

图3为本发明加工设备的左视结构示意图。

图4为本发明加工设备的俯结构示意图。

图5A至图5C分别为本发明加工方法的数学模型示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图4所示，本发明的锥度铣刀的七轴自动加工机床设备，包括机座1，Z向移动座2，工作台3，Q向回转台4，A向回转台5，立轴6，Y向移动座7，B向回转台8、P向回转台9以及磨轮架10。

所述Z向移动座2能沿Z轴滑动地设在所述机座1上；所述工作台3能沿X轴滑动地设在所述Z向移动座2上；这样，在Z向移动座2的作用下，工作台3即可相对机座在XZ平面上运动。

所述Q向回转台4能绕Y轴旋转地设在所述工作台3上，该Q向回转台4的回转设为Q轴；所述A向回转台5能绕XZ平面上任意轴向旋转地设在所述Q向回转台4上，用于装夹待加工的锥度铣刀，该A向回转台5的回转设为A轴；如此，AQ轴构成的回转台设在工作台3上，使装夹好的工件即可相对工作台3绕XZ平面上的任意轴旋转。

所述立轴6固定在机座上，并与Y轴同向；所述Y向移动座7能沿Y轴滑动地设在所述立轴6上；所述B向回转台8能绕Y轴旋转地设在所述Y向移动座7上，该B向回转台8的回转设为B轴；所述P向回转台9能绕XZ平面上任意轴向旋转地设在所述B向回转台8上，该P向回转台9的回转设为P轴；所述磨轮架10设在所述P向回转台上并位于所述工作台的上方；如此，所述立轴6可带动所述B向回转台8和P向回转台9沿Y轴上下运动，B向回转台8和P向回转台9又可带动磨轮架10绕XZ平面上的任意轴旋转。

其中，X轴、Y轴、Z轴互相垂直，此实施例中，Z轴为横轴，X轴为纵轴，Y轴为立轴。因此本发明由三个直线轴X、Y、Z和四个旋转轴A、B、P、Q共七个加工轴构成，工件和磨轮架10均可实现不同位置和角度调节，从而实现不同角度的加工。

另外，为了保证能更准确地控制磨轮机，在立轴Y上对对应的B、P轴方向进行旋转位置测量标识，从而方便对磨轮的不同角度的调整，为了方便冷却液排出，可在所述工作台3的上表面设置复数条沿X轴延伸的排液槽32。

所述工作台3、Z向移动座2、立轴6均分别由交流伺服电动机通过同步传动齿带驱动滚珠丝杠副实现直线传动；所述A向回转台5、B向回转台8、P向回转台9、Q向回转台4均分别由交流伺服电动机通过减速器驱动蜗杆涡轮副实现回转运动。

如图1至图5C所示，本发明的锥度铣刀的七轴自动加工方法，利用上述的本发明锥度铣刀的七轴自动加工机床设备进行加工，包括锥刃前角磨削的过程和锥刃后角磨削的过程；

所述锥刃前角磨削的过程包括：

(1)实现X轴与Y轴的联动：所述工作台3沿着磨削长度L方向运行，从X＝0运行到X＝L位置，A向回转台5绕X轴回转，二者的联动实现刀具的螺旋运动，Y向移动座7由磨削起点的位置按照锥角关系，向Y轴正方向运动，其运动关系为：

磨削起点： $y_1=\frac{D_1}{2}\cos R_a-h---(1-1);$

式中，D₁为锥度铣刀小端直径，R_a为前角，h为端部齿高：(1-2)；

C₁为端部芯径，由此：当磨削运动进行到x位置时，Y轴所走过的距离为： $y=\frac{C_x}{2}\cos R_a---(1-3);$

又因为C_x＝C₁+2xtanT_a                 (1-4)；

所以 $y=(\frac{C_1}{2}+x{\tan T}_a)\cos R_a---(1-5);$

式中，T_a为锥度值；

(2)实现Z轴与X轴、Y轴的联动：按照等前角R_a的关系，从磨削起点处的z＝z₁运行到任意一点z＝z_x的位置，运行距离是

$z=\frac{D_x}{2}\sin R_a---(1-6);$

其中，D_x为锥度铣刀x位置处半径，D_x＝D₁+2xtanT_a(1-7)；

从而得出： $z=\frac{(D_1+2x\tan T_a)}{2}{\sin R}_a=(\frac{D_1}{2}+x\tan T_a)\sin R_a---(1-8);$

(3)A轴回转：按照等螺旋角S_a的关系，A向回转台5沿着螺旋方向回转，在任一点的位置上，X轴向的线速度

它与转动线速度 $V_a=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}\tan S_a---(1-10);$

转动角速度为与线速度V_a的关系为

所以由式(1-7),(1-10),(1-11)得

两边积分得：

$a=\∫\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}=\∫\frac{2\tan S_a}{D_1+2x\tan T_a}\mathrm{dx}=\frac{\tan S_a}{\tan T_a}\∫\frac{\mathrm{dx}}{\frac{D_1}{2\tan T_a}+x}=\frac{\tan S_a}{\tan T_a}\ln (1+\frac{2\tan T_a}{D_1}x)+C---(1-13);$

又由于在初始相对位置，x＝0，此时a＝0，所以常数Q＝0，所以可推出：

$a=\frac{\tan S_a}{\tan T_a}\ln (1+\frac{2{\tan T}_a}{D_1}x)---(1-14);$

所述锥刃后角磨削过程包括X、Y、Z、A四个轴的联动控制关系，为：

(1)所述工作台3沿着X轴向磨削长度L方向运行，从x＝0运行到x＝L的终点位置；

(2)所述立轴6从Y轴零点位置运行到工件中点与磨轮中心等高的位置，设这段距离长H且保持恒定值不变；

(3)Z轴与X轴联动，按照锥度T_a的关系，从磨削起点位置运行到式中，H_a为后角，D₂为锥度铣刀大端直径；

(4)运行的距离长为 $z=z_x=\frac{D_x}{2}\cos H_a---(1-15);$

由于D_x＝D₁+2x tan T_a                      (1-16)；

将其代入上式(1-15)中得出：

$z=(\frac{D_1}{2}+x\tan T_a)\cos H_a---(1-17);$

工件旋转轴A轴按照等螺旋角S_a的关系，沿着螺旋方向回转，推导得到：

$a=\frac{{\tan S}_a}{{\tan T}_a}\ln (1+\frac{2\tan T_a}{D_1}x)---(1-18).$

综上所述，本发明具有如下优点：

本发明根据锥度铣刀多轴联动数学模型中各轴的运动模式，设计出符合锥度铣刀自动加工的机床设备和加工方法，实现高速高精锥度铣刀加工。机床设备由三个直线轴X、Y、Z和四个旋转轴A、B、P、Q构成，B、P两个旋转轴安装于立轴Y上，分别绕XY平面和YZ平面旋转，构成双回转头，A、Q两个旋转轴安装于工作台上，分别绕YZ平面和XY平面旋转，构成双回转台。

本发明的加工方法通过锥度铣刀多轴联动数学模型，精确控制锥度铣刀加工时在每个微段直线插补时的各轴运动分量，实现锥度铣刀的全自动加工过程，在加工精度和速度方面都要较大幅度提高。比手工操作速度控制灵敏，反应迅速，只要根据图纸输入必要的几何参数即可试磨，大大提高了效率。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种锥度铣刀的七轴自动加工机床设备，其特征在于：包括机座，Z向移动座，工作台，Q向回转台，A向回转台，立轴，Y向移动座，B向回转台、P向回转台以及磨轮架；

所述Z向移动座能沿Z轴滑动地设在所述机座上；

所述工作台能沿X轴滑动地设在所述Z向移动座上；

所述Q向回转台能绕Y轴旋转地设在所述工作台上，该Q向回转台的回转设为Q轴；

所述A向回转台能绕XZ平面上任意轴向旋转地设在所述Q向回转台上，用于装夹待加工的锥度铣刀，该A向回转台的回转设为A轴；

所述立轴固定在机座上，并与Y轴同向；

所述Y向移动座能沿Y轴滑动地设在所述立轴上；

所述B向回转台能绕Y轴旋转地设在所述Y向移动座上，该B向回转台的回转设为B轴；

所述P向回转台能绕XZ平面上任意轴向旋转地设在所述B向回转台上，该P向回转台的回转设为P轴；

所述磨轮架设在所述P向回转台上并位于所述工作台的上方；

其中，X轴、Y轴、Z轴互相垂直。

2.根据权利要求1所述的锥度铣刀的七轴自动加工机床设备，其特征在于：所述工作台的上表面还设有复数条沿X轴延伸的排液槽。

3.根据权利要求1所述的锥度铣刀的七轴自动加工机床设备，其特征在于：所述工作台、Z向移动座、立轴均分别由交流伺服电动机通过同步传动齿带驱动滚珠丝杠副实现直线传动；所述A向回转台、B向回转台、P向回转台、Q向回转台均分别由交流伺服电动机通过减速器驱动蜗杆涡轮副实现回转运动。

4.一种锥度铣刀的七轴自动加工方法，其特征在于：利用如权利要求1至3任一项所述的锥度铣刀的七轴自动加工机床设备进行加工，包括锥刃前角磨削的过程和锥刃后角磨削的过程；

所述锥刃前角磨削的过程包括：

(1)实现X轴与Y轴的联动：所述工作台沿着磨削长度L方向运行，从X＝0运行到X＝L位置，A向回转台绕X轴回转，二者的联动实现刀具的螺旋运动，Y向移动座由磨削起点的位置按照锥角关系，向Y轴正方向运动，其运动关系为：

磨削起点： $y_1=\frac{D_1}{2}\cos R_a-h---(1-1);$

式中，D₁为锥度铣刀小端直径，R_a为前角，h为端部齿高：

$h=\frac{D_1-C_1}{2}\cos R_a---(1-2);$

C₁为端部芯径，由此：当磨削运动进行到x位置时，Y轴所走过的距离为： $y=\frac{C_x}{2}\cos R_a---(1-3);$

又因为C_x＝C₁+2xtanT_a                (1-4)；

所以 $y=(\frac{C_1}{2}+x{\tan T}_a)\cos R_a---(1-5);$

式中，T_a为锥度值；

(2)实现Z轴与X轴、Y轴的联动：按照等前角R_a的关系，从磨削起点处的z＝z₁运行到任意一点z＝z_x的位置，运行距离是

$z=\frac{D_x}{2}\sin R_a---(1-6);$

其中，D_x为锥度铣刀在X位置处直径，D_x＝D₁+2xtanT_a        (1-7)；

从而得出： $z=\frac{(D_1+2x\tan T_a)}{2}{\sin R}_a=(\frac{D_1}{2}+x\tan T_a)\sin R_a---(1-8);$

(3)A轴回转：按照等螺旋角S_a的关系，A向回转台沿着螺旋方向回转，在任一点的位置上，X轴向的线速度 $V_x=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}---(1-9);$

它与转动线速度 $V_a=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}\tan S_a---(1-10);$

转动角速度为与线速度V_a的关系为

所以由式(1-7),(1-10),(1-11)得

两边积分得：

$a=\∫\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}=\∫\frac{2\tan S_a}{D_1+2x\tan T_a}\mathrm{dx}=\frac{\tan S_a}{\tan T_a}\∫\frac{\mathrm{dx}}{\frac{D_1}{2\tan T_a}+x}=\frac{\tan S_a}{\tan T_a}\ln (1+\frac{2\tan T_a}{D_1}x)+C---(1-13);$

又由于在初始相对位置，x＝0，此时a＝0，所以常数Q＝0，所以可推出：

$a=\frac{\tan S_a}{\tan T_a}\ln (1+\frac{2{\tan T}_a}{D_1}x)---(1-14);$

所述锥刃后角磨削的过程包括X、Y、Z、A四个轴的联动控制关系，为：

(1)所述工作台沿着X轴向磨削长度L方向运行，从x＝0运行到x＝L的终点位置；

(2)所述立轴从Y轴零点位置运行到工件中点与磨轮中心等高的位置，设这段距离长H且保持恒定值不变；

(3)Z轴与X轴联动，按照锥度T_a的关系，从磨削起点位置运行到式中，H_a为后角，D₂为锥度铣刀大端直径；

(4)运行的距离长为 $z=z_x=\frac{D_x}{2}\cos H_a---(1-15);$

由于D_x＝D₁+2x tan T_a                   (1-16)；

将其代入上式(1-15)中得出：

$z=(\frac{D_1}{2}+x\tan T_a)\cos H_a---(1-17);$

工件旋转轴A轴按照等螺旋角S_a的关系，沿着螺旋方向回转，推导得到：

$a=\frac{{\tan S}_a}{{\tan T}_a}\ln (1+\frac{2\tan T_a}{D_1}x)---(1-18).$