CN112317771A - 一种双床鞍数控车床及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种双床鞍数控车床及制造方法,包括加工电机壳体、火车轴专机,其特征是在平床身卧式数控车床上增加一套床鞍、滑板、刀架和X轴Z轴结构,左、右X轴分别安装在左、右床鞍上,X轴垂直于各自Z轴;Z轴伺服电机安装在各Z轴后端,左、右Z轴同轴相向安装在床身上,中间为行程中断区域,左Z轴配短丝杠、右Z轴配长丝杠;方法:使用GSK988TD双通道数控系统用作两个独立的作业加工程序CNC系统,分别控制各自伺服电机,使一个X轴、Z轴独自运动,两通道共用同一主轴,以主轴输出转速为基础,并设两通道相互等待的主机停车程序,可在一次回转运动中同时完成对工件两端加工部位的切削,极大的降低了加工的成本,提升效率和工件精度。

Description

一种双床鞍数控车床及制造方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域,一种双床鞍数控车床及制造方法。
背景技术
对于电机壳体这类前后两端,尤其是两端面均需车削加工的大中型零件,通常使用普通平床身卧式数控车床来加工。加工方式是用这种普通数控车床,一套床鞍、滑板、刀架和X轴Z轴结构,只能分成两道工序,先加工电机壳体一端,之后调头转卡,打表找正,加工另一端。工件体积质量较大,两次装卡,工人劳动强度大;分两道工序,加工辅助时间加长,生产效率低;尤其是当两端有较高的形位公差要求时,重复装卡造成的精度损失往往使得加工出的零件难以达到精度要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种双床鞍数控车床的及制造方法,可在一次回转运动中同时完成对前后两端加工部位的切削,极大的降低了加工的成本,提升效率,提高工件精度。
一种双床鞍数控车床,采用广数GSK988TD的双通道数控系统控制主传动轴,其特征是双通道数控系统分别执行两个作业加工程序,在平床身卧式数控车床基础上增加一套床鞍、滑板、刀架和X轴Z轴结构,构成的双床鞍结构是:床身采用有床腿结构的高刚性整体铸造床身,在其上安装大扭矩床头箱、高刚性台尾、主电机,两套左、右X轴系统分别安装在左、右床鞍上,左、右床鞍通过各自的溜板箱与各自左Z轴、右Z轴连接,各X轴垂直于各自Z轴;将各Z轴伺服电机安装在各自Z轴后端,左Z轴、右Z轴同轴相向串联安装在床身上,中间相对部分为行程中断区域,此处两丝杠间距离保证安装调整的方便,两根Z轴丝杠的长度及行程要根据工件的加工部位来决定;所述双床鞍结构亦即作为加工电机壳体专机或者加工火车轴专机的结构;并有适用各专机的电机壳体工装、火车轴工装。
制造方法:使用GSK988TD双通道数控系统,其特征在于双通道数控系统用作两个作业加工程序控制CNC系统:将工件两端的加工程序分别输入通道一和通道二的CNC系统,两套X轴Z轴相对独立,一次启动,完成在一个主轴回转运动中对工件前后两端的各自加工;设置机床的双通道控制系统中通道一对应左Z轴和左X轴、通道二对应右Z轴和右X轴,各通道分别控制各自伺服电机使其控制的一个X轴与一个Z轴独自运动,通道二与通道一共用同一主轴,设置主轴在通道一中,以主轴输出转速为基础,各通道分别编制各自的加工程序,并另设两通道相互等待的主机停车程序,使耗时短的程序等待耗时长的程序,保证主电机得到耗时长的程序的加工完成信号后再停车,保证两个通道的加工程序同时结束;主电机根据两处同时加工时切削抗力叠加因素及机床结构整体条件,只选择合适的功率上限;电路连接:GSK988TD双通道系统通过系统的总线端口CN51连接到通道一使用的主轴驱动的总线端口CN5口上,并通过主轴驱动的总线端端CN4连接到通道一的X轴驱动的总线端口CN5上,以此类推,连接顺序是主轴驱动模块、通道一的X轴驱动模块、通道一的Z轴驱动模块、通道二的X轴驱动模块、通道二的Z轴驱动模块,最后是IO模块;所述驱动模块都通过其编码器反馈端口CN2与各自的伺服电机的编码器端口X32相连,形成一个闭环;驱动模块上的电源端口TB连接到各自伺服电机的电源端口X31,控制各自电机的运动;装配方法:主轴轴线对床鞍溜板移动的平行度和刀架横向移动对主轴轴线的垂直度是机床精度的重要控制点,采用先装配距离主轴较远的右侧床鞍滑板,此时无左床鞍,将右床鞍移动到左侧,可直接使用主轴检棒调整精度,调整好精度后推到右侧与右溜板箱连接,之后正常安装左床鞍滑板;两Z轴中间为行程中断区域,此处两丝杠间距离保证安装调整的方便,两根Z轴丝杠的长度及行程要根据工件的加工部位来决定,给右丝杠行程预留一定余量来满足不同长度的工件。
按本发明的双床鞍结构设计的专机,可在一次回转运动中同时完成对前后两端加工部位的切削,一台设备就可以完成两道工序,省去调头装卡、打表找正等工序,极大的降低了加工的成本,提升效率,提高工件精度。双床鞍平床身卧式数控车床,除去两套两轴、数控系统及相关防护件外,其余零部件均可通用普通数控车床,给组织生产带来便利,改造成本较低。由于机床的结构和整体强度所限,主电机17只能选择合适的功率,无法做到无上限加大,在进行两处同时加工时,所产生的切削抗力要叠加,因此本发明设备不适合做大切削量的粗加工,只做半精加工和精加工工序。由于只做半精加工和精加工,加工抗力较小,对刚性要求不是太大,所以可以使用短床鞍,使用短床鞍的好处是:当左床鞍移动到右极限位置时,如果是标准长度的床鞍,会有一部分伸出到右床鞍的行程区间内,影响右床鞍的行程,短床鞍则是去除了伸出的这一部分,保证了右床鞍的行程,在机床整体长度不变的条件下能使右床鞍行程得到提升。将原来的一根Z轴丝杠分成行程相适的两根,装配时,采用先装配距离主轴较远的右侧床鞍滑板的方法确保精度。
附图说明
图1为本发明双床鞍数控车床即电机壳专机的结构正面示意图;
图2为双床鞍数控车床加工火车轴专机结构正面示意图;
图3为双床鞍数控车床加工电机壳体工件a的设备状态剖视图;
图3a为电机壳体工件a的剖视图;
图3b为电机壳体工装的剖视图;
图4为双床鞍数控车床加工火车轴工件c的设备状态示意图;
图4a为火车轴工件c示意图;
图4b为火车轴工装示意图;
图5为加工火车轴专机用于加工车桥工件d的设备状态示意图;
图6为本发明设备的电路连接示意图;
图7为本发明设备的双通道系统控制框图;
图8为利用双通道系统的CNC控制加工工件的时序框图;
图9为本发明双床鞍数控车床设备加工盘形工件b的设备状态演示图;
图9a为盘形工件b的剖视图;
图9b为车桥工件d的剖视图;
图10为本发明双床鞍数控车床加工盘形工件b控制流程框图。
具体实施方式
本发明的双床鞍数控车床,只做半精加工和精加工,采用广数GSK988TD的双通道数控系统控制主传动轴,见图1,为本发明双床鞍数控车床或即电机壳专机的结构正面示意图,其特征是在平床身卧式数控车床基础上增加一套床鞍、滑板、刀架和X轴Z轴结构,床身1采用有床腿结构的高刚性整体铸造床身,在其上安装大扭矩床头箱2、高刚性台尾3、主电机17,左、右X轴系统19、20分别安装在左、右床鞍6、7上,左、右床鞍6、7通过各自的溜板箱与各自左Z轴4、右Z轴5连接,各X轴垂直于各自Z轴,仍是原结构无需变动;左Z轴4、右Z轴5同轴相向串联安装在床身1上,中间相对部分为行程中断区域,左、右Z轴丝杠8、9的长度及行程要根据工件的加工部位决定。
在加工电机壳专机中,如图1所示,加工电机壳体专机因为工件较小,可以选择左Z轴4短、右Z轴5长,可用相应长度的丝杠和短床鞍,为配合短的左Z轴4,左床鞍6要相应短的左Z轴4而短一些,靠近台尾的右床鞍7是正常床鞍的尺寸。缩短左床鞍6的原因在于标准长度的左床鞍在右极限位置时会影响右床鞍7行程。参见图2,加工火车轴专机的零件标号21~30、37与图1、图3中标号1~20、17相对应,指的是加工火车轴专机机床中的相同零件,不同的是图2在床身下正中,增加了床腿,以适应火车轴工件的重量。图1~5所示结构,所述双床鞍结构亦即制造加工电机壳体专机或者加工火车轴专机的结构,两专机结构相同,也有区别:1.由于工件尺寸不同使用的机床床身规格不同,加工电机壳体专机的床身长1.5米,而加工火车轴专机的床身长3米;2.对设备刚性要求不同,加工电机壳体专机可用短的左Z轴和短的左床鞍,加工火车轴专机使用标准长度床鞍;因此可根据工件强度,专机的结构选择相应规格的机床床身。制造方法
本机床使用广数GSK988TD的双通道数控系统,设置通道一对应左Z轴4和左X轴19、通道二对应右Z轴5和右X轴20,各通道分别控制各自伺服电机,使其控制的一个X轴与一个Z轴独自运动,其特征在于各自独立的两个通道只共用主轴的输出转数,以主轴的输出转数为基准,分别编制各自通道的加工程序,并另设两通道相互等待指令,使耗时短的程序等待耗时长的程序,保证两个通道的加工程序同时结束;设置主轴在通道一中,主电机17根据两处同时加工时切削抗力叠加的因素,只能选择合适的功率上限。电路连接见图3:电路连接:GSK988TD双通道系统通过系统的总线端口CN51连接到通道一使用的主轴驱动的总线端口CN5口上,并通过主轴驱动的总线端端CN4连接到通道一的X轴驱动的总线端口CN5上,以此类推,连接顺序是主轴驱动模块、通道一的X轴驱动模块、通道一的Z轴驱动模块、通道二的X轴驱动模块、通道二的Z轴驱动模块,最后是IO模块;所述驱动模块都通过其编码器反馈端口CN2与各自的伺服电机的编码器端口X32相连,形成一个闭环;驱动模块上的电源端口TB连接到各自伺服电机的电源端口X31,控制各自电机的运动。见图5,机床的双通道控制系统中设置通道一对应左Z轴4、左X轴19、通道二对应右Z轴5、右X轴20,各通道分别控制各自伺服电机使其一个X轴与一个Z轴独自运动,增加的一套X轴Z轴与原有的共用同一主轴。将工件两端的加工程序分别输入通道一和通道二CNC系统,两套X轴Z轴相对独立,一次启动,完成在一个主轴回转运动中对工件前后两端的各自加工。
在装配过程中,主轴轴线对床鞍溜板移动的平行度和刀架横向移动对主轴轴线的垂直度是机床精度的重要控制点,双床鞍机床右侧床鞍滑板由于距离主轴较远,无法直接用检棒打表的方式调整其相对主轴轴线的位置精度。本发明采用的装配方法是先装配距离主轴较远的右侧床鞍滑板,此时无左床鞍6,将右床鞍移动到左侧,可直接使用主轴检棒调整精度,调整好精度后推到右侧,通过右溜板箱与右丝杠9连接,之后正常安装左床鞍滑板。两套Z轴系统在床身1同侧同一高度位置串联,将各Z轴伺服电机安装在各自Z轴后端,分别置于床身1前端及尾端,保证两丝杠尾端相向部分不干扰的前提下,尽量减少左丝杠8、右丝杠9之间的空白距离,以减少Z轴的行程损失;Z轴走刀方向为从两端相向而行,即从工件两端面开始加工,分别向内走刀。两套X轴均采用前置刀架,在靠近工件方向把刀,X轴全行程可加工。两套X轴Z轴相对独立,可满足在一个主轴回转运动中对工件前后两端的加工。
各个专机均有专用工装,专用工装应根据工件的具体结构及尺寸来设计制造。
加工电机壳体需要配合专用工装,通常采用一卡一顶或者两顶的装卡方式进行装卡;如图3、3b中所示,对于电机壳体工件a的加工,电机壳体工装15是长圆柱体芯轴,其大径外周支撑工件内孔,长度适于车床的卡盘与台尾3的顶尖之间,中部有大径凸台,其尺寸与工件孔内径匹配。使用本双床鞍的加工电机壳体专机加工电机壳体工件a的加工流程,见图7,电机壳体工件a为45#钢材质,加工部位为两端面,左侧止口和倒角,右侧空刀槽,质量达到了18.6kg,若由人工进行调头装卡将会非常困难。作业时,先将电机壳体工件a与工装15组合起来,然后使用卡盘10及台尾3将电机壳体工装15及电机壳体工件a装卡在机床上,各自床鞍的左右刀架11、12分别在靠近工件侧装卡刀具13、14,主轴转动时卡盘10带动电机壳体工装15及电机壳体工件a一起回转,两刀架相向而行,从工件两端向中间走刀,可加工零件两端面及部分外圆。由于Z轴是两根左短丝杠8、右长丝杠9串联,行程有中断区域,无法覆盖零件的全部外圆,如有需求,可以选用加长刀杆增加对外圆的加工范围。本设备选用加大冷却液泵18,分两路,经过分水块21分成两冷却液管路,分别对两个加工区进行冷却。针对于电机壳体工件a的加工特点,即大部分电机壳体加工部位为端面、止口及空刀槽,没有要求长行程外圆车削,因此,选用左Z轴4短行程即可满足加工要求。为满足不同长度的电机壳体加工,右Z轴5保留了较长行程。由于机床的结构和整体强度所限,主电机17只能选择合适的功率,无法做到无上限加大,在进行两处同时加工时,所产生的切削抗力要叠加,因此本结构不适合做大切削量的粗加工,只做半精加工和精加工工序。
本双床鞍数控车床使用广州数控设备有限公司生产的GSK988TD的双通道系统来实现电机壳体工件a或火车轴工件c两端的同时加工,通过通道一中的指令来控制通道一中的主轴、X轴与Z轴的运动。通过通道二中的指令来控制通道二中的X轴与Z轴的运动,并且由于本机床只具备一个主轴,所以主轴在通道一中控制。与CNC系统建立总线通信的伺服驱动单元超过一台时,需要设置与CNC系统对应的伺服从机号,确保CNC系统对某一台伺服驱动单元的唯一控制。为此连接同一台CNC系统的伺服驱动单元不能设置重复的伺服从机号。首先,程序中给每个驱动器一个编号,例如,通道一的X轴的驱动器编号为1,将驱动器PA156号参数设为1,同时将系统上对应通道一的X轴的参数也设为1,这样系统主机对应的编号与伺服从机的编号一致,就能实现系统对伺服驱动的唯一控制。举例说明,如图7所示,当同时执行通道一与通道二的加工程序时,系统会逐条识别驱动器编号来实现各轴的运动控制,当系统需要通道一的X轴运动时,系统会发出指令,通过总线向通道一的X1轴的驱动发出指令,通道一的X1轴的驱动接到指令后,按照指令控制它所连接的伺服电机按照指令运动。一台普通的数控车床,是由一个系统控制一个主轴、一个X轴与一个Z轴。双通道系统就相当于两个系统,可以分别控制两组伺服电机运动,但是双通道系统比起两个系统同步性更好。可以把通道一想象成普通的数控车床的控制系统,负责控制主轴、一个X轴与一个Z轴。通道二可以想象成另一个系统,不过这个系统仅控制一个X轴与一个Z轴。通道一与通道二分别有自己的加工程序,用来分别加工自己负责加工的工件端。其中通道一负责负责主轴的运转,还有电机壳体工件a或火车轴工件c左端的加工,通道二负责工件右端的加工。其中由于通道一负责主轴的运转,工件在加工时的转速与主轴统一,要使通道一需要与通道二的加工程序一起结束,才能使工件加工一起完成,所以在加工程序结束前增加一个等待的指令,以便两个通道的加工程序一起结束。
电机壳体工件a的加工程序:
通道一中的程序:
Figure BDA0002730343740000071
通道二中的程序
Figure BDA0002730343740000072
图8为利用双通道系统的CNC控制加工工件的时序框图。加工程序只对应所要加工的工件,并不能区分机床结构的特点。由于本机床是在普通平床身卧式数控车床基础上增加一套X轴Z轴系统所得到的专机,虽然受到Z轴行程所限,但是也可以加工一些普通平床身卧式数控车床能加工的零件,例如盘类工件b,图9为加工盘类工件b时设备状态示意图,使用普通卡盘装卡,将右床鞍移动到安全位置,仅使用左侧X轴Z轴进行加工。
盘类工件b的的加工程序:
Figure BDA0002730343740000081

Claims (6)

1.一种双床鞍数控车床,采用广数GSK988TD的双通道系统控制主传动轴,其特征是双通道数控系统分别执行两个作业加工程序,在平床身卧式数控车床基础上增加一套床鞍、滑板、刀架和X轴、Z轴结构,构成的双床鞍结构是:床身(1)采用有床腿结构的高刚性整体铸造床身,在其上安装大扭矩床头箱(2)、高刚性台尾(3)、主电机(17),两套左、右X轴系统(19、20)分别安装在左、右床鞍(6、7)上,左、右床鞍(6、7)通过各自的溜板箱与各自左Z轴(4)、右Z轴(5)连接,各X轴垂直于各自Z轴;将各自Z轴伺服电机安装在各自Z轴后端,左Z轴(4)、右Z轴(5)同轴相向串联安装在床身(1)上,中间相对部分为行程中断区域,左、右Z轴丝杠(8、9)的长度及行程应根据工件的加工部位决定;此双床鞍结构亦即作为加工电机壳体专机或加工火车轴专机结构,并有适用各专机的电机壳体工装(15)、火车轴工装(35)。
2.根据权利要求1所述的双床鞍数控车床,其特征是双床鞍结构的加工电机壳专机中,左Z轴(4)短、右Z轴(5)长,左Z轴(4)配置的左Z轴丝杠(8)短、右Z轴(5)配置的右Z轴丝杠(9)长,左床鞍(6)相应短的左Z轴(4)而短、右床鞍(7)是正常床鞍的尺寸;右Z轴(5)具有较长行程以适用不同长度的电机壳体工件a。
3.根据权利要求1所述的双床鞍数控车床,其特征是加工电机壳体一卡一顶用的工装:加工电机壳体工装(15)是长圆柱体芯轴,长度适于车床的卡盘与台尾(3)的顶尖之间,中部有大径凸台,其尺寸与工件孔内径相等,大径外周支撑工件内孔。
4.根据权利要求1所述的双床鞍数控车床,其特征是加工火车轴工件c用的火车轴工装(35):底座(35a)是类似床鞍的结构,其底部有两处凹槽与床身的山型导轨和平导轨相配合,在凹槽边有压板(35b)将底座(35a)固定在床身(1)上,底座(35a)上面有支座(35c)及其升降机构,保证支撑起工件,底座(35a)一侧上面有垂直的挡板(35d),阻挡火车轴工件c的齿轮箱随火车轴转动。
5.一种制造权利要求1所述双床鞍数控车床的方法,使用GSK988TD双通道数控系统,其特征在于双通道数控系统分别执行两个作业加工程序:设置机床的双通道数控系统中通道一对应左Z轴(4)和左X轴(19)、通道二对应右Z轴(5)和右X轴(20),各通道分别控制各自伺服电机使其控制的一个X轴与一个Z轴独自运动,通道二与通道一共用同一主轴,设置主轴在通道一中,以主轴输出转速为基础,各通道分别编制各自的加工程序,将工件两端的加工程序分别输入通道一和通道二的CNC系统,两套X轴Z轴相对独立,一次启动,完成在一个主轴回转运动中对工件前后两端的各自加工;并另设两通道相互等待的主机停车程序,使耗时短的程序等待耗时长的程序,保证两个通道的加工程序同时结束;主电机(17)根据两处同时加工时切削抗力叠加因素及机床结构整体条件,只选择合适的功率上限;电路连接:GSK988TD双通道系统通过系统的总线端口CN51连接到通道一使用的主轴驱动的总线端口CN5口上,并通过主轴驱动的总线端端CN4连接到通道一的X轴驱动的总线端口CN5上,以此类推,连接顺序是主轴驱动模块、通道一的X轴驱动模块、通道一的Z轴驱动模块、通道二的X轴驱动模块、通道二的Z轴驱动模块,最后是IO模块;所述驱动模块都通过其编码器反馈端口CN2与各自的伺服电机的编码器端口X32相连,形成一个闭环;驱动模块上的电源端口TB连接到各自伺服电机的电源端口X31,控制各自电机的运动。
6.根据权利要求5所述制造双床鞍数控车床的方法,其特征在于装配方法:主轴轴线对床鞍溜板移动的平行度和刀架横向移动对主轴轴线的垂直度是机床精度的重要控制点,采用先装配距离主轴较远的右侧床鞍滑板,此时无左床鞍(6),将右床鞍(7)移动到左侧,可直接使用主轴检棒调整精度,调整好精度后推到右侧,通过右溜板箱与右丝杠(9)连接,之后正常安装左床鞍滑板;两套Z轴系统在床身同侧同一高度位置串联,Z轴伺服电机分别置于床身(1)前端及尾端,在两Z轴的行程中断区域两丝杠间距离应保证安装调整的方便,尽量减少左丝杠(8)、右丝杠(9)之间的空白距离,以减少Z轴的行程损失;Z轴走刀方向为从工件两端相向开始加工,分别向内走刀;两套X轴均采用前置刀架,在靠近工件方向把刀,X轴全行程可加工。
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