CN106271627A - 一种龙门动梁式立式车铣复合加工中心 - Google Patents

Abstract

一种龙门动梁式立式车铣复合加工中心，其特征在于基于互联网条件下的底层运动控制系统i5CNC，直接用互联网与其他终端进行通讯，采用EtherCAT总线协议控制PLC、电机驱动；龙门动梁式框架床身前侧水平面上固定立式车削主轴单元；立车主轴竖直固定在立车支撑座内，中实卡盘同轴固定于立车主轴上，锁紧油缸与拉杆固定在立车主轴下端，控制锁紧油缸带动拉杆、中实卡盘卡紧或松开；Y轴采用双驱动，主轴动力单元倒置于主轴箱内，斗笠式刀库固定于床身后侧，通过X、Y、Z三轴实现主轴取刀功能。有益效果是：增加一个轴，集成在一个主轴单元中即可实现铣和车功能，可高速旋转，也可定位，主轴单元减少了车刀滑板总成部分，节约成本，性价比高。具有更好的高低速特性和动态性能。

Description

一种龙门动梁式立式车铣复合加工中心

技术领域

本发明属于金属切削机床制造领域，尤其是涉及一种立式车主轴单元在龙门动粱式框架上的车铣复合加工中心。

背景技术

目前现有的数控立式车铣复合机床，采用横梁固定方式，只有X、Z轴，加工调整不便。且X轴运动方向包括主轴总成和车刀滑板总成两个部分，来实现车铣复合功能，成本高。

计算机数控(Computerized numerical control，简称CNC)系统是用计算机控制加工功能，实现数字控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数字控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置，用于控制自动化加工设备的专用计算机系统。

当今机床行业的数控系统品牌有很多，主流的西门子、FANUC、三菱、海德汉等等，国产的也有很多种，例如：华中、广数、KND、大森等等。我国数控系统虽取得了较大发展，但是我国高档数控机床配套的数控系统90％以上的都是国外产品，特别是对于国防工业急需的高档数控机床，高档数控系统是决定机床装备的性能、功能、可靠性和成本的关键因素，而国外对我国至今仍进行封锁限制，成为制约我国高档数控机床发展的瓶颈。

目前沈阳机床股份有限公司也有机床采用i5控制系统，i5是指(Industry、Information、Internet、Integrate、Intelligent)，工业化、信息化、网络化、集成化、智能化的有效集成。计算机数控(Computerized numerical control，简称CNC)系统是用计算机控制加工功能，实现数字控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数字控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置，用于控制自动化加工设备的专用计算机系统。i5采用PC平台，全软件式结构，而非嵌入式系统，把数控控制核心部分全部写在CPU上，用软件实现，这种结构最大的优点在于使数控系统相当于一个透明的智能终端，能够与互联网天然连接。i5的操作系统选择Linux，不同于其他基于PC系统使用的Windows系统，Linux是一个开源系统，源代码开放且免费。PC平台和开放架构使得数控机床和电脑之间的界限变得模糊(相当于数控机床内嵌高性能的计算机)。由于计算机天然能联网，所以采用“i5”数控系统的机床就可以联网。其他传统的系统也可以实现联网，但需要增加网卡模块，由于框架的原因，用过网络传输的数据内容和速度都会有局限，嵌入式芯片有限的处理能力无法支撑高级的网络应用。

传统工业机床大部分采用现场总线的总线类型，例如：Profibus，i5智能系统的总线类型采用EtherCAT总线，代替了传统的现场总线。开放性的总线更符合互联网思维：由于设备之间的通讯协议是标准的、开放的，所以数控系统相当于一个开放的平台，可以接入不同厂商的设备，可以根据需求的变化增加接入的设备，系统的延展性更好，更新换代速度更快，i5系统就成了一个用户可以参与开发的平台。

对数控系统寻找技术突破口，沈阳机床(集团)设计研究院有限公司上海分公司已经申请了专利“一种软PLC模块的远程在线数据更新系统及方法”申请号:CN201410461049.7，其包括：远端EtherCAT主站、用于发送远程升级的更新数据；EtherCAT总线，用于数据传输；存储模块，其进一步包括：工厂配置，用于备份安全配置，以及应用配置，用于实现应用功能；以及FPGA模块，其进一步包括：EtherCAT IP核模块，用于接收通过EtherCAT总线传输过来的更新数据，远程更新IP模块，用于重配置FPGA，以及NIOS II处理器，用于将通过EtherCATIP核模块接收的更新数据写入存储模块，并控制远程更新IP模块，发起FPGA重配置过程，用该更新数据来重新配置FPGA并执行新的NIOS II软件应用程序。软PLC模块的远程在线数据更新方法，其包括：远端EtherCAT主站发送远程升级的更新数据，EtherCAT IP核模块接收通过EtherCAT总线传输过来的更新数据，NIOS II处理器将该更新数据写入存储模块，并控制远程更新IP模块，发起FPGA重配置，用该更新数据来重新配置FPGA。这可能是下一阶段引领我国高档数控机床的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种龙门动梁式立式车铣复合加工中心，在龙门动梁式框架结构下，床身增加立式车削主轴单元，造价低、提高效率。

本发明的技术方案是：

本发明的这种龙门动梁式立式车铣复合加工中心，包括龙门动梁式机床设置及操作系统，龙门动梁式框架包括左右立柱固定于床身上，横梁固定于导轨滑块上在立柱上前后Y轴移动，与主轴箱连接的滑鞍固定于导轨滑块上在横梁上左右X轴移动，并且主轴箱还在竖立导轨的滑鞍上上下Z轴移动，其特征在于：基于互联网条件下的底层运动控制系统i5CNC，采用EtherCAT总线协议控制PLC、电机驱动，i5CNC作为智能终端直接用互联网与其他终端进行通讯，接受指令或发送机床信息；结构模块化：所述的龙门动梁式框架床身前侧水平面上固定立式车削主轴单元，；立式车削主轴单元结构：立车主轴竖直固定在立车支撑座内，中实卡盘同轴固定于立车主轴上，锁紧油缸与拉杆连接在一起固定在立车主轴下端，通过控制锁紧油缸带动拉杆上下移动，拉杆带动中实卡盘卡紧或松开；Y轴采用双驱动，主轴动力单元倒置于主轴箱内，斗笠式刀库固定于床身后侧，主轴动力单元通过X、Y、Z三轴实现主轴取刀功能。

本发明的有益效果是：

本发明在原有立式车铣复合加工中心基础上，增加Y轴，且采用双驱动，加工稳定性强，便于调整。主轴单元可高速旋转，也可以实现定位功能，集成在一个主轴单元，即可实现铣和车两种功能，减少了车刀滑板总成部分，节约成本，性价比高。

1、本发明机构合理，具有高精度、高可靠性、精确分度的优点，具有更好的高低速特性和更好的动态性能，且简化了机床的结构，降低了故障率。

2、龙门动梁式车床比传统车床增加一个轴，且采用双驱动模式，工作状态更稳定，可实现主轴自主取刀，加工移刀功能，便于复杂零件的加工。

i5是指(Industry、Information、Internet、Integrate、Intelligent)，工业化、信息化、网络化、集成化、智能化的有效集成。本发明i5CNC系统是基于互联网条件下的底层运动控制系统，使机床直接与互联网连接通讯，因而提升机床智能没有时差、不受地域限制，实现智能补偿、智能诊断、智能控制、智能管理。这样i5智能机床不在以一个单体的机床而存在，它将是一个智能终端，将机床的数据通过以太网传入“云”端，经过“大数据”的处理运算，远程指示机床作业，该系统误差补偿技术领先、控制精度达到纳米级、使用i5系统的机床产品在不用光栅尺反馈的情况下其精度可通过补偿优化达到3μm。可以做到智能补 偿、智能诊断、智能控制、智能管理。无论用户身在何处，使用一般的智能移动设备即可对设备进行操作、管理、监控，实时传递交换机床的加工信息。加以创造性的应用，形成一个工业制造的“物联网”，这就是所谓的“物大云端”。

i5智能系统的总线类型采用EtherCAT总线，代替了传统的现场总线。采用EtherCAT的优势在于：1广泛性使用，任何计算机都可以成为EtherCAT控制系统。2完全符合以太网标准。3无须从属子网。4高效率，最大化利用以太网带宽进行用户传输。5刷新周期短，可以达到小于100us的数据刷新周期，用于伺服技术中低层的闭环控制。6同步性好，各从站节点设备可以达到1us的时钟同步。这样可以更好的使系统与互联网相连。

附图说明

图1为本龙门动梁式立式车铣复合加工中心示意图；

图2-a为本发明立式车主轴单元的示意图；

图2-b为本发明立式车主轴单元的前视剖视图；

图3为系统总线硬件连接示意图；

图4为智能机床PLC控制模块关系框图；

图5为是i5智能机床通过互联网与i平台通讯控制框图。

图中，1床身；2立柱；3横梁；4滑鞍；5主轴箱；6主轴动力单元；7斗笠式刀库；8立式车削主轴单元；9立车支撑座；10中实卡盘；11立车主轴；12拉杆；13锁紧油缸；14油缸挡板；15防护罩；16调整垫。

具体实施方式

本发明的一种龙门动梁式立式车铣复合加工中心，结构和实施方案如图1-2-a、2-b所示，包括龙门动梁式机床设置，其特征在于：基于互联网条件下的底层运动控制系统i5CNC，采用EtherCAT总线协议控制PLC、电机驱动，i5CNC作为智能终端直接用互联网与其他终端进行通讯，接受指令或发送机床信息；结构模块化：所述的龙门动梁式框架床身1前侧水平面上固定立式车削主轴单元8；龙门动梁式框架设置包括床身1，左右立柱2固定于床身1上，横梁3固定于导轨滑块上在立柱2上前后Y轴移动，与主轴箱5连接的滑鞍4固定于导轨滑块上在横梁3上左右X轴移动，并且主轴箱5还在竖立导轨的滑鞍4上上下Z轴移动，主轴动力单元6倒置于主轴箱5内，斗笠式刀库7固定于床身1后侧，主轴动力单元6可通过X、Y、Z三轴实现主轴取刀功能。

立式车削主轴单元8结构：立式车削主轴单元8中间的立车主轴11通过螺钉竖直固定在立车支撑座9内，中实卡盘10通过螺钉固定于立车主轴11上，锁紧油缸13与拉杆12连接在一起固定在立车主轴11下端，通过控制锁紧油缸13带动拉杆12上下移动，拉杆12实现中实卡盘10卡紧或松开。防护罩15固定于立车支撑座9下方，用于防止冷却液体溅入，油缸挡板14固定于防护罩15外侧立车支撑座9上，防止锁紧油缸13上的旋转接头在立车主轴11转动时发生旋转现象。立车主轴11与床身1、立车支撑座9底面垂直，通过调整垫16调整立车主轴11轴心位与整机的配合精度。

立车支撑座9的横截面为直角三角形，其斜边为上表面向内长边倾斜，利于导水、导屑；中心有孔，垂直于底面，中心孔安装立车主轴11。

图3～5为控制系统框图，基于互联网条件下的底层运动控制系统i5CNC作为智能终端直接用互联网与其他终端进行通讯，通过EtherCAT总线协议，把PLC控制信息电气传输给本机床的执行部件各轴电机。PLC程序控制关系通过图4所示关系，实施等级控制：主程序的主函数：分别调用各个一级模块，一级模块中再分别调用二级模块，以此类推，分别实现机床各功能部件的动作并实时监控部件的状态，触发相关报警，对机床加以限制；I/O输入输出：此模块将PLC与CNC，PLC与外部IO引脚相联接，实时读取与写入CNC及外部I/O的状态，主要起到联接各模块通信的作用；

1.基础功能模块：此模块中包含机床常用的功能部件，如液压站、机床照明、三色灯、排屑器、按钮站类型、水冷等，这些常用部件的控制、类型的选择、使能以及相关报警都在此模块中实现；

2.刀库模块：M8机床采用基辅圆盘式刀库，各子模块中根据M6换刀子程序中的步骤，通过定位、数刀等接近开关以及相关接触器对电机的开断，实现自动及手动取刀、换刀、更新刀具信息等过程；

3.车床模块：分别实现CAPTO主轴的松夹动作、尾台等车床专用功能部件的相关控制。

图5中i5智能机床通过Ethernet总线与i平台进行互联网通讯，接受i平台的指令或向i平台发送机床的数据。

本发明的工作原理是：

龙门动梁式立式车铣复合加工中心，采用龙门框架设置，坐于地脚上的床身与左右两侧立柱、立柱上有导轨、滑块支撑垂直相交的横梁，通过电机、丝杠形成对横梁的Y轴双驱动；滑鞍带主轴箱在横梁左右X轴移动，并且主轴箱还与竖立导轨连接，滑块、滑鞍与主轴箱一起在电机运行状态下，带动丝杠，上下Z轴移动；主轴驱动单元倒置于主轴箱内，斗笠式刀库固定于床身后侧，主轴动力单元可通过X、Y、Z三轴实现主轴取刀功能，根据机床不同类型，实现铣或车的功能。

车削作业：当装配有刀具的主轴动力单元6停止不动，试料装卡于中实卡盘10上，与中实卡盘10同轴的立车主轴11高速旋转，通过X、Y、Z轴移动，可实现车削功能。

铣削作业：当主轴动力单元6高速旋转，立车主轴11停止不动，通过X、Y、Z轴移动，可实现铣削功能，所以实现了立式车铣复合加工中心。

Claims (4)

1.一种龙门动梁式立式车铣复合加工中心，包括龙门动梁式机床设置及操作系统，龙门动梁式框架包括左右立柱固定于床身上，横梁固定于导轨滑块上在立柱上前后Y轴移动，与主轴箱连接的滑鞍固定于导轨滑块上在横梁上左右X轴移动，并且主轴箱还在竖立导轨的滑鞍上上下Z轴移动，其特征在于：基于互联网条件下的底层运动控制系统i5CNC，采用EtherCAT总线协议控制PLC、电机驱动，i5CNC作为智能终端直接用互联网与其他终端进行通讯，接受指令或发送机床信息；结构模块化：所述的龙门动梁式框架床身(1)前侧水平面上固定立式车削主轴单元(8)，Y轴采用双驱动，主轴动力单元倒置于主轴箱内，斗笠式刀库固定于床身后侧，主轴动力单元可通过X、Y、Z三轴实现主轴取刀功能；立式车削主轴单元(8)结构：立车主轴(11)竖直固定在立车支撑座(9)内，中实卡盘(10)同轴固定于立车主轴(11)上，锁紧油缸(13)与拉杆(12)连接在一起固定在立车主轴(11)下端，通过控制锁紧油缸(13)带动拉杆(12)上下移动，拉杆(12)实现中实卡盘(10)卡紧或松开。

2.根据权利要求1所述的一种龙门动梁式立式车铣复合加工中心，其特征在于立车支撑座(9)的结构：横截面为直角三角形，其斜边为上表面，向内长边倾斜，利于导水、导屑；中心有孔，垂直于底面。

3.根据权利要求1所述的一种龙门动梁式立式车铣复合加工中心，其特征在于立式车削主轴(11)与床身(1)、立车支撑座(9)底面垂直，通过调整垫(16)调整立式车削主轴(11)轴心位与整机的配合精度。

4.根据权利要求1所述的一种龙门动梁式立式车铣复合加工中心，其特征在于防护罩(15)固定于立车支撑座(9)下方，用于防止冷却液体溅入，油缸挡板(14)固定于防护罩(15)外侧立车支撑座(9)上，防止锁紧油缸(13)上的旋转接头在立车主轴(11)转动时发生旋转现象。