CN105014478B - 带有摆头结构的多轴数控机床及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有摆头结构的多轴数控机床及该多轴数控机床的实现方法，多轴数控机床包括摆头、固定于摆头的主轴、安装在主轴末端的球刀，球刀的球头球心位于摆头的旋转轴轴线上。还包括用于检测球刀的球头球心坐标是否位于摆头的旋转轴轴线上的视觉辅助装置，视觉辅助装置包括摄像机、背光板，背光板设置于球刀的一侧，背光板的板面与摆头的旋转轴轴线垂直，摄像机与背光板相对设置。本发明采用低成本的改造使其在摆头带动刀具加工时精度不受刀具刀长的限制，对摆头用减速机的精度也不敏感，同时机床的有效行程得到充分的利用。
Description
技术领域
本发明涉及数控加工领域，具体涉及一种带有摆头结构的多轴数控机床，以及该多轴数控机床的实现方法。
背景技术
随着社会的发展，艺术品等小工件的形状越来越复杂，对精度的要求越来越高。四轴数控机床或五轴数控机床等多轴数控机床的出现为复杂零件的加工提供了必要的基础保障。
多轴数控机床进行数控加工时，在摆动过程中，刀具长度的不同会引起摆长及摆动范围的变化，由此引起加工精度的降低或者原有的数控加工程序无法继续使用。现有技术中，一般采用在多轴数控机床中设置自动补偿装置，但是该种自动补偿装置成本较高，对一般的加工小工件的低精度多轴数控机床并不适用。同时，对于带有摆头结构的多轴数控机床来说，还存在以下问题：一是要提高加工精度，对驱动摆头沿摆头旋转轴摆动一定角度的减速机精度要求也高；二是主轴安装在摆头上，刀具球头到摆头旋转轴的行程被浪费，以加工一200mm的工件为例，可能需要机床的有效行程在400mm才能达到，而这200mm的被浪费行程对机床来说，一半行程的浪费可能会造成三到四倍的成本增加。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种带有摆头结构的多轴数控机床及其实现方法，采用低成本的改造使其在摆头带动刀具加工时精度不受刀具刀长的限制，对摆头用减速机的精度不敏感，同时机床的有效行程得到充分的利用。
本发明为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：
一种带有摆头结构的多轴数控机床，包括摆头、固定于摆头的主轴、安装在主轴末端的球刀，所述球刀的球头球心位于摆头的旋转轴轴线上。
本技术方案球刀的球头球心位于摆头的旋转轴轴线上，摆头摆动过程中，不论刀具的刀长为多少，球头球心都一直位于摆头的旋转轴轴线上，不受刀具刀长的影响。
同时，对摆头用减速机即驱动主轴轴线角度变化的减速机的精度要求有所降低，不敏感。球心调节至旋转轴轴线上之后，不论如何旋转，刀具球心都在轴心上。因为是球绕球心旋转，不论如何转，都相当于球的形状相对于自己没有发生包络空间的位置变化。这时候减速机转动的角度即使和理论要转的角度之间有点差异，得到的刀具球心的位置都没有变化，不会产生加工误差。而角度差异让刀具轴线产生的误差由于是作为避让加工过程中遇到的干涉物体，本身在计算上都考虑了足够的余量，所以刀具轴线有点误差只要不超过一定临界范围，都不影响整个加工过程。综合所述把刀具球心调节到旋转轴上的之后对减速机精度不敏感了，就可以用一些低精度减速机来实现这个工位了。
同时，本技术方案将球刀的球头球心移到旋转轴轴线上，也减少了有效行程的浪费。
为了精确判断球刀的球头球心是否位于摆头的旋转轴轴线上，该机床还包括用于检测球刀的球头球心坐标是否位于摆头的旋转轴轴线上的视觉辅助装置，所述视觉辅助装置包括摄像机、背光板，所述背光板设置于球刀的一侧，背光板的板面与摆头的旋转轴轴线垂直，摄像机与背光板相对设置。当刀具发生磨损或者需要更换刀具时，可以利用该结构精确调整球头球心到旋转轴轴线上。该结构并不一直安装在多轴数控机床上，需要判断球心是否位于旋转轴轴线上时，安装上去即可，拆装方便。
如上所述的带有摆头结构的多轴数控机床，所述摄像机为工业相机。
如上所述的带有摆头结构的多轴数控机床，为了便于调整刀具的球头球心到摆头旋转轴的轴线上，所述主轴通过连续调节机构固定于摆头，所述连续调节机构用于调节主轴在摆头上的位置从而调节球刀与摆头旋转轴的相对位置，利用该连续调节机构调节主轴的位置从而调节刀具的位置。
如上所述的带有摆头结构的多轴数控机床，所述连续调节机构包括直线滑台。
如上所述的带有摆头结构的多轴数控机床，所述直线滑台为细牙螺纹滚珠丝杠，方便精确调节刀具的球心位置。
一种实现上述带有摆头结构的多轴数控机床的方法，将球刀沿主轴方向移动，直至球刀的球头球心位于摆头的旋转轴轴线上。
该方法还包括在球刀沿主轴方向移动过程中检测球刀的球头球心是否位于摆头的旋转轴轴线上的步骤。
如上所述的方法，所述检测球刀的球头球心是否位于摆头的旋转轴轴线上的方法包括：摆头带动主轴摆动，利用摄像机观察球刀的球头在背光板上的影像在摆动过程中的轨迹，判断球头影像的轨迹是否发生跳动，若球头影像的轨迹不发生跳动，球刀的球头球心位于摆头的旋转轴轴线上，反之，球刀的球头球心不位于摆头的旋转轴轴线上。
本发明能够产生的有益效果：本发明将球刀的球头球心设置到摆头的旋转轴轴线上，使得加工精度不再受刀具刀长的限制，对摆头用减速机的精度不敏感，无须在多轴数控机床上设置自动补偿刀长的装置，大大降低了成本，且改进的成本本身也较低，适合于加工小工件的低精度多轴数控机床，为木工加工机床、雕刻机床等成本较低的加工小工件的低精度多轴数控机机床的精度提高做出了巨大的贡献；同时，该改进还使机床的有效行程得到了充分的应用。
附图说明
附图1为带有摆头结构的多轴数控机床的结构示意图；
附图2为摆动过程中摄像机镜头下的球刀球头的轨迹示意图；
附图3为摆动过程中摄像机镜头下的球刀球头的轨迹示意图；
附图4为摆动过程中摄像机镜头下的球刀球头的轨迹示意图；
附图5为现有技术中加工200mm工件所需的机床有效行程示意图；
附图6为本发明中加工200mm工件所需的机床有效行程示意图。
其中：1、多轴数控机床；2、摆头；3、连续调节机构；4、主轴；5、球刀；6、旋转轴轴线；7、摄像机；8、旋转工作台；9、背光板；10、球头；11、工件；12、旋转轴轴心。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
结合图1～6说明本实施方式。如图1所述的一种带有摆头结构的多轴数控机床，为一种五轴数控机床，在三坐标数控机床的机床上带有B轴和带动工件旋转的旋转工作台8。该多轴数控机床还有很多其他的形式，可以是单摆头的多轴数控机床也可以是双摆头的多轴数控机床，摆动轴可以是A轴也可以是B轴或者C轴，可以为四轴数控机床也可以为五轴数控机床。
在本实施例中以图1所示的五轴数控机床为例进行介绍，该多轴数控机床1包括摆头2、固定于摆头2的主轴4、安装在主轴4末端的球刀5，球刀5的球头球心位于摆头2的旋转轴轴线6上。该多轴数控机床1还设有用于检测球刀5的球头球心坐标是否位于摆头2的旋转轴轴线6上的视觉辅助装置。该视觉辅助装置包括摄像机7、背光板9，背光板9设置于球刀5的一侧，背光板9的板面与摆头2的旋转轴轴线6垂直，摄像机7与背光板9相对设置。摄像机7为工业相机。主轴4通过连续调节机构3固定于摆头2，连续调节机构3用于调节主轴4在摆头2上的位置从而调节球刀5与摆头2旋转轴的相对位置。连续调节机构3包括直线滑台。直线滑台为细牙螺纹滚珠丝杠。
一种实现上述带有摆头结构的多轴数控机床的方法，将球刀5沿主轴方向移动，直至球刀5的球头球心位于摆头的旋转轴轴线6上。还包括在球刀5沿主轴4方向移动过程中检测球刀5的球头球心是否位于摆头2的旋转轴轴线6上的步骤。
其中，检测球刀5的球头球心是否位于摆头2的旋转轴轴线6上的方法包括：摆头2带动主轴4摆动，利用摄像机7观察球刀5的球头10在背光板9上的影像在摆动过程中的轨迹，判断球头10影像的轨迹是否发生跳动，由于球刀5是由摆头2带动绕球心进行旋转，若球头10影像的轨迹不发生跳动，球刀5的球头球心位于摆头的旋转轴轴线6上，反之，球刀5的球头球心不位于摆头的旋转轴轴线6上。图2、3、4分别展示了摆动过程中三种摄像机镜头下的球刀球头10的轨迹。图2中，摆动过程中，三个摆动位置处的球头影像完全重合，球头10影像的轨迹没有发生任何跳动，此时，球头球心位于摆头的旋转轴轴线6上。图3和4中，摆动过程中，三个摆动位置处的球头10影像并未完全重合，球头10影像的轨迹发生了细微的跳动，此时球头球心并不位于摆头2的旋转轴轴线6上，需要重新调整球头10的位置并再次判断。
本发明的球头球心移动到了摆头结构的旋转轴轴线上，有效行程得到了充分的利用。以加工一200mm工件为例，图5为现有技术中的带有摆头结构的多轴数控机床加工200mm工件11所需的行程示意图，假设球刀5刀头到旋转轴轴心12的距离为195mm，加工200mm的工件11大约需要400mm的机床有效行程才能实现。而利用本发明的机床，加工200mm的工件，仅需200mm的机床有效行程即可实现，行程得到了充分的利用。行程与成本的比例并非简单的一比一，浪费本身一半的行程，会将成本提高三到四倍。因此采用本发明，大大降低了加工工件的成本，对于多轴数控机床，尤其是对于木工机床、雕刻机床等低精度多轴数控机床来说，该成本的降低起到的作用非常巨大。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种带有摆头结构的多轴数控机床，包括摆头、固定于摆头的主轴、安装在主轴末端的球刀，其特征在于：所述球刀的球头球心位于摆头的旋转轴轴线上；所述主轴通过连续调节机构固定于摆头，所述连续调节机构用于调节主轴在摆头上的位置从而调节球刀与摆头旋转轴的相对位置；所述连续调节机构包括直线滑台；所述直线滑台为细牙螺纹滚珠丝杠;还包括用于检测球刀的球头球心坐标是否位于摆头的旋转轴轴线上的视觉辅助装置，所述视觉辅助装置包括摄像机、背光板，所述背光板设置于球刀的一侧，背光板的板面与摆头的旋转轴轴线垂直，摄像机与背光板相对设置；
当检测球刀的球头球心坐标是否位于摆头的旋转轴轴线上时，首先将球刀沿主轴方向移动，直至球刀的球头球心位于摆头的旋转轴轴线上；
其次包括在球刀沿主轴方向移动过程中检测球刀的球头球心是否位于摆头的旋转轴轴线上的步骤；
所述检测球刀的球头球心是否位于摆头的旋转轴轴线上的步骤包括，摆头带动主轴摆动，利用摄像机观察球刀的球头在背光板上的影像在摆动过程中的轨迹，并拍摄球刀的球头在摆动过程中的3个摆动位置的影像，根据3个摆动位置处的球头影像是否完全重合，来判断球头影像的轨迹是否发生跳动，若三个摆动位置处的球头影像完全重合，球头影像的轨迹没有发生任何跳动，球头影像的轨迹不发生跳动，球刀的球头球心位于摆头的旋转轴轴线上，反之，球刀的球头球心不位于摆头的旋转轴轴线上。
2.根据权利要求1所述的带有摆头结构的多轴数控机床，其特征在于：所述摄像机为工业相机。
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