CN108746783A - 基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统和加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于铣‑铣复合加工原理的高柔性加工系统和加工方法，包括支撑进给机构、控制机构、辅助加工机构和动力头机构，支撑进给机构采用工业机器人，动力头通过转接板安装在工业机器人的机械臂末端，辅助加工机构包括可转位工作台，待加工工件放置在可转位工作台上；工业机器人、可转位工作台和动力头机构均与控制机构中的数控模块信号连接；动力头的刀盘上周向均布固定有多个立铣刀，每个立铣刀在围绕刀盘轴线转动的同时还绕自身轴线转动，相邻的行星立铣刀的旋转方向相反。本发明的基于铣‑铣复合加工原理的高柔性加工系统和加工方法，具备切削力小，切削温度低，切削振动小、刀具磨损少刀具寿命高和加工效率高等优势。

Description

基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统和加工方法

技术领域

本发明涉及切削加工技术领域，特别是涉及基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统和加工方法。

背景技术

现有铣削加工有车-铣复合加工和大型龙门铣床加工。车-铣复合加工机床主要由主轴系统、动力刀架、进给系统、床身和辅助系统如数控系统、液压气动系统、冷却系统等部分组成。主轴系统主要用于带动工件做回转运动，动力刀架主要用于驱动回转刀具做切削运动或夹持可转位刀片做进给运动，辅助系统主要作用是进行加工控制、冷却和润滑等。车-铣复合加工主要用于中小型回转件复杂型面的切削加工，但车-铣复合加工不适用于板料和块料的加工，更不适用于大平面加工。

现有大型龙门铣削加工大平面的加工方法，机床的外形尺寸随着工件外形尺寸的增大而不成比例的增大，虽然其具备刚性优良的特点，但由于体型过大，显得过于笨重，极大的限制了工件的加工尺寸范围。大部分龙门机床只有一根主轴，只能装夹一把螺旋刃立铣刀或一个端铣刀盘，在切削加工过程中刀具由于不断受到工件表面和切屑的摩擦和挤压，易产生高温和切削力增大，进而引起刀具磨损加剧，并由此引起工件不同加工区域的表面质量存在差异。为了保证加工精度，必须在刀具磨损一定程度之后停机换刀，增加了加工总工时。若采用螺旋刃立铣刀进行大平面铣削加工，由于其吃刀面积小，导致铣削加工效率低下。

现有的用于大平面铣削加工的设备多为上述的大型龙门铣床，使用该机床进行难加工材料大平面铣削加工时存在诸多缺点，具体如下：(1)加工过程中切削力大(2)刀具磨损严重(3)加工效率低(4)加工尺寸范围受限，柔性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统和加工方法，以解决上述现有技术存在的问题，具备切削力小，切削温度低，切削振动小、刀具磨损少刀具寿命高和加工效率高等优势。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，包括支撑进给机构、控制机构、辅助加工机构和动力头机构，所述支撑进给机构采用工业机器人，所述动力头通过转接板安装在所述工业机器人的机械臂末端，所述辅助加工机构包括可转位工作台，待加工工件放置在所述可转位工作台上；所述工业机器人、可转位工作台和动力头机构均与所述控制机构中的数控模块信号连接；所述动力头的刀盘上周向均布固定有多个立铣刀，每个所述立铣刀在围绕刀盘轴线转动的同时还绕自身轴线转动，相邻的行星立铣刀的旋转方向相反。

优选的，所述工业机器人的基座固定在导轨小车上，所述导轨小车可自由移动。

优选的，所述可转位工作台上设置有工件夹具，待加工工件通过工件夹具进行固定。

优选的，所述可转位工作台的底端四角的支撑杆采用可伸缩的气杆，四个丝杆分别与所述数控模块电连接。

优选的，所述动力头机构包括动力头机架、动力主轴和多个电主轴，所述动力主轴通过伺服挠性联轴器与主轴电机的转轴连接，所述主轴电机与控制器连接，所述主轴电机通过主轴电机固定架和螺钉固定在所述动力头机架上；所述动力主轴的下端键连接有电主轴转盘，多个所述电主轴周向均布固定在所述电主轴转盘上；所述电主轴的输出端上安装立铣刀或盘铣刀。

优选的，所述动力头机构包括冷却系统，所述冷却系统包括冷却水出口管和冷却水进口管，冷却水经过外部冷却装置后通过所述冷却水进口管进入所述动力头内部，并通过电气液集成滑环和冷却水环进入所述电主轴内部吸收热量，然后循环到所述冷却水出口管。

优选的，所述冷却系统还包括与气泵连接的气管，所述气管将过滤后的空气通入到动力头中。

优选的，所述加工系统还包括激光跟踪机构，所述激光跟踪机构用于跟踪所述动力头机构的加工情况并与所述数控模块信号连接。

本发明还提供一种基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工方法，应用于上述的基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，

将待加工工件通过夹具固定在可转位工作台上，动力头机构通过转接板安装在工业机器人的机械臂末端，控制机构开启，支撑进给系统中通过工业机器人的机械臂关节转角的改变和导轨小车的平动来控制动力头机构的运动；

根据待加工工件的加工要求，在所述控制机构的数控模块中输入相关加工数据，进而控制所述机械臂的位姿和可转位工作台的四个气杆进行高度调整，实现不同角度的工件铣削；

铣削时动力头机构中的立铣刀在围绕刀盘轴线转动的同时还绕自身轴线转动，相邻的行星立铣刀的旋转方向相反；

激光跟踪机构实时为动力头机构切削平面位姿进行数据采集和反馈，加工完成后关闭控制结构和电源，将待加工工件从夹具中取下。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统和加工方法的高柔性体现在其适用的加工尺寸范围更大。工业机器人的六个转动关节可以实现多自由度平面铣削加工，不仅局限于垂直平面和竖直平面。为了进一步拓展工业机器人的加工尺寸范围，还可以借助导轨小车和激光跟踪系统进行超大型零件的表面铣削加工。激光跟踪系统实现实时为刀具切削平面位姿数据采集和反馈，实现对加工精度的闭环控制，保障被加工表面的质量。导轨小车的主要作用则是延展工业机器人的加工空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统的整体结构示意图；

图2为动力头机构加工原理图；

其中，1激光跟踪机构；2导轨小车；3控制机构；4工业机器人；5待加工工件；6可转位工作台；7动力头机构；8立铣刀；9动力主轴；10转盘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统和加工方法，以解决上述现有技术存在的问题，具备切削力小，切削温度低，切削振动小、刀具磨损少刀具寿命高和加工效率高等优势。

本发明提供的基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，包括支撑进给机构、控制机构、辅助加工机构和动力头机构，支撑进给机构采用工业机器人，动力头通过转接板安装在工业机器人的机械臂末端，辅助加工机构包括可转位工作台，待加工工件放置在可转位工作台上；工业机器人、可转位工作台和动力头机构均与控制机构中的数控模块信号连接；动力头的刀盘上周向均布固定有多个立铣刀，每个立铣刀在围绕刀盘轴线转动的同时还绕自身轴线转动，相邻的行星立铣刀的旋转方向相反。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-2，其中，图1为本发明基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统的整体结构示意图；图2为动力头机构加工原理图。

如图1-2所示，本发明提供一种基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统和加工方法，是将端面铣加工和立铣加工复合的一种切削加工方法。在进行铣-铣复合加工时，刀盘带动多把立铣刀8围绕刀盘轴线转动的同时，每把立铣刀8绕自身轴线转动的一种平面铣削加工方式。按照这种原理进行装置设计，便初步形成了铣-铣动力头加工设备。

具体地，基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，包括支撑进给机构、控制机构3、辅助加工机构和动力头机构7，支撑进给机构采用工业机器人4，动力头通过转接板安装在工业机器人4的机械臂末端，辅助加工机构包括可转位工作台6，待加工工件5放置在可转位工作台6上；工业机器人4、可转位工作台6和动力头机构7均与控制机构3中的数控模块信号连接；动力头的刀盘上周向均布固定有多个立铣刀8，每个立铣刀8在围绕刀盘轴线转动的同时还绕自身轴线转动，相邻的行星立铣刀8的旋转方向相反。

辅助加工机构中，工业机器人4的基座固定在导轨小车2上，导轨小车2可自由移动，可转位工作台6上设置有工件夹具，待加工工件5通过工件夹具进行固定；可转位工作台6的底端四角的支撑杆采用可伸缩的气杆，四个丝杆分别与数控模块电连接。

动力头机构7包括动力头机架、动力主轴9和多个电主轴，动力主轴9通过伺服挠性联轴器与主轴电机的转轴连接，主轴电机与控制器连接，主轴电机通过主轴电机固定架和螺钉固定在动力头机架上；动力主轴9的下端键连接有电主轴转盘10，多个电主轴周向均布固定在电主轴转盘10上；电主轴的输出端上安装立铣刀8。本实施例中立铣刀8可以选用螺旋刃立铣刀或盘铣刀(此处的用于切削的刀具不仅仅局限于立铣刀，针对硬度不是很高的一般材料的大中型工件来说，为了提高加工效率，还可以选择使用盘铣刀)。

动力头机构7包括冷却系统，冷却系统包括冷却水出口管和冷却水进口管，冷却水经过外部冷却装置后通过冷却水进口管进入动力头内部，并通过电气液集成滑环和冷却水环进入电主轴内部吸收热量，然后循环到冷却水出口管。冷却系统还包括与气泵连接的气管，气管将过滤后的空气通入到动力头中。

气管外接气泵，将过滤后的空气通入到动力头机构7中，在装置内腔中形成高于外界的高压，防止在工作状态下切屑和灰尘进入装置内部。冷却水经过冷却系统和冷却水进口管进入动力头机构7内部，并通过电气液集成滑环和冷却水环进入电主轴内部吸收热量，并循环到冷却水出口管，再进入冷却系统进行处理后，进入下一次循环。

加工系统还包括激光跟踪机构1，激光跟踪机构1用于跟踪动力头机构7的加工情况并与数控模块信号连接。

一种基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工方法，应用于上述的基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，

将待加工工件5通过夹具固定在可转位工作台6上，动力头机构7通过转接板安装在工业机器人4的机械臂末端，控制机构3开启，支撑进给机构组成及进给实现方式：进给系统主要由导轨小车2和机械臂，其中进给运动的实现主要依靠机械臂关节转角的改变和导轨小车2的平动；

根据待加工工件5的加工要求，在控制机构3的数控模块中输入相关加工数据，进而控制机械臂的位姿(机械臂的作用除了对铣刀头起到支撑的作用以外，另外一个很重要的作用就是可以通过改变关节转角实现不同位姿之间的转换，从而实现对不同角度的平面进行铣削加工)和可转位工作台6的四个气杆进行高度调整，实现不同角度的工件铣削；

铣削时动力头机构7中的立铣刀8在围绕转盘10轴线转动的同时还绕自身轴线转动，相邻的行星立铣刀8的旋转方向相反；

激光跟踪机构1实时为动力头机构7切削平面位姿进行数据采集和反馈，加工完成后关闭控制结构3和电源，将待加工工件从夹具中取下。

本发明中的基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，具有以下多种优势：

(1)高柔性：适用的加工尺寸范围更大，可进行大中型甚至超大型零件的表面切削加工。原因在于机器人加工具有较高柔性，其六个转动关节可以在工作范围内实现多位姿变换和多自由度切削加工。另外借助导轨小车2，使得工业机器人4末端可达到的空间范围进一步扩大。

(2)切削力小：与传统端面铣加工相比，螺旋刃的立铣刀8由于具有较大的刃倾角，理论上已经证实刃倾角有助于改善；每把立铣刀8上的每个刀齿的运动轨迹均为摆线，具有与摆线铣切削力小的优势；由于切削力大小与实际切削层厚度成正比，相对于端面铣加工实际切削层厚度减小，铣削力降低；采用复合加工思想，立铣刀8由高速电主轴驱动，所以在刀盘转速较低的情况下仍然可以实现高速甚至超高速切削，理论证明在高速和超高速切削范围内，切削力呈现降低的趋势。

(3)切削温度低：切削力越大，切削温度就越高，所以切削力降低必然导致切削温度的降低；铣-铣复合加工加工相对于传统端面铣加工断屑更容易，加工过程中产生的切屑多为月牙状，和传统端面铣加工产生的长条状切屑相比，月牙状切屑更短小，离开刀具前刀面的速度更快，切屑上的热量来不及传导到刀具上，且切屑对刀具前刀面的挤压和摩擦作用减小，因此，切削温度会进一步降低。

(4)切削振动小：切削振动和切削力大小有着密切的联系，所以切削力的降低使得加工过程更加平稳，即切削振动减小；由于相邻两把立铣刀8的转动方向相反，理论和实验上都已证明这在一定程度上可以抵消部分切削力，切削振动对应降低；由于铣-铣复合加工过程中产生更短小的月牙状切屑，刀具受到的反作用力更小，切削振动进一步得到改善。

(5)刀具磨损少及刀具寿命高：刀具磨损量和切削力及切削温度有关，当切削力和切削温度降低时，刀具磨损也相应减少；刀具磨损量还与刀齿在工件表面的滑动距离有关，由于铣-铣复合加工相对传统端面铣加工将总的滑动距离平均分配到每把立铣刀8的每条切削刃上，通过这种方式将总的磨损量均摊到了每把立铣刀8的每条切削刃上，从而提高了刀具的寿命。

(6)加工效率高：铣-铣复合加工方法采用多把立铣刀8同时参与切削，且在高速电主轴的驱动下更容易实现高速切削，所以这种方法具备更高的材料去除效率；由于相对于传统端面铣加工方式，铣削力明显降低，因此在一定范围内可以适当提高切削用量来提高切削加工的效率；刀具寿命增加，从而减少了更换刀具的次数，也在一定程度上提高了加工效率。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，其特征在于：包括支撑进给机构、控制机构、辅助加工机构和动力头机构，所述支撑进给机构采用工业机器人，所述动力头通过转接板安装在所述工业机器人的机械臂末端，所述辅助加工机构包括可转位工作台，待加工工件放置在所述可转位工作台上；所述工业机器人、可转位工作台和动力头机构均与所述控制机构中的数控模块信号连接；所述动力头的刀盘上周向均布固定有多个立铣刀，每个所述立铣刀在围绕刀盘轴线转动的同时还绕自身轴线转动，相邻的行星立铣刀的旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，其特征在于：所述工业机器人的基座固定在导轨小车上，所述导轨小车可自由移动。

3.根据权利要求1所述的基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，其特征在于：所述可转位工作台上设置有工件夹具，待加工工件通过工件夹具进行固定。

4.根据权利要求3所述的基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，其特征在于：所述可转位工作台的底端四角的支撑杆采用可伸缩的气杆，四个丝杆分别与所述数控模块电连接。

5.根据权利要求1所述的基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，其特征在于：所述动力头机构包括动力头机架、动力主轴和多个电主轴，所述动力主轴通过伺服挠性联轴器与主轴电机的转轴连接，所述主轴电机与控制器连接，所述主轴电机通过主轴电机固定架和螺钉固定在所述动力头机架上；所述动力主轴的下端键连接有电主轴转盘，多个所述电主轴周向均布固定在所述电主轴转盘上；所述电主轴的输出端上安装立铣刀或盘铣刀。

6.根据权利要求5所述的基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，其特征在于：所述动力头机构包括冷却系统，所述冷却系统包括冷却水出口管和冷却水进口管，冷却水经过外部冷却装置后通过所述冷却水进口管进入所述动力头内部，并通过电气液集成滑环和冷却水环进入所述电主轴内部吸收热量，然后循环到所述冷却水出口管。

7.根据权利要求6所述的基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，其特征在于：所述冷却系统还包括与气泵连接的气管，所述气管将过滤后的空气通入到动力头中。

8.根据权利要求1所述的基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，其特征在于：所述加工系统还包括激光跟踪机构，所述激光跟踪机构用于跟踪所述动力头机构的加工情况并与所述数控模块信号连接。

9.一种基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工方法，应用于权利要求1-8中任一项所述的基于铣-铣复合加工原理的高柔性加工系统，其特征在于：

将待加工工件通过夹具固定在可转位工作台上，动力头机构通过转接板安装在工业机器人的机械臂末端，控制机构开启，支撑进给系统中通过工业机器人的机械臂关节转角的改变和导轨小车的平动来控制动力头机构的运动；

根据待加工工件的加工要求，在所述控制机构的数控模块中输入相关加工数据，进而控制所述机械臂的位姿和可转位工作台的四个气杆进行高度调整，实现不同角度的工件铣削；

铣削时动力头机构中的立铣刀在围绕刀盘轴线转动的同时还绕自身轴线转动，相邻的行星立铣刀的旋转方向相反；

激光跟踪机构实时为动力头机构切削平面位姿进行数据采集和反馈，加工完成后关闭控制结构和电源，将待加工工件从夹具中取下。