CN112317776A - 一种新型数控多面体中心 - Google Patents

Abstract

一种新型数控多面体中心，包括总机台、数控系统，总机台上设有加工装置、动力装置和冷却装置，加工装置包括加工主轴、工作台和换刀装置，加工主轴与总机台Z轴滑轨滑动连接，加工主轴包括立式主轴头和A轴分度旋转盘，立式主轴头为Z轴方向旋转的回转头，立式主轴头与A轴分度旋转盘连接，工作台包括X轴移动台和回转加工台，回转加工台内包括回转台和C轴旋转盘，C轴旋转盘为沿Z轴方向旋转的旋转盘，回转台底部沿X轴方向与X轴移动台上的滑轨滑动连接，X轴移动台沿Y轴方向与总机台Y轴滑轨滑动连接；加工主轴采用旋转轴和分度轴配合使用，完成五面及多面的一次性加工，多面体的倾斜角度的控制，实现立卧转换功能。

Description

一种新型数控多面体中心

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，特别是涉及一种新型数控多面体中心。

背景技术

科学技术的迅猛发展以及市场需求的日新月异,使得世界先进制造技术方兴未艾，数控机床行业在这些先进技术的推动下正在朝着高速化、精密化、工能、系统化、工能复合化方向发展。

目前市场上销售有各种各样的机床加工设备，但最多的还是以普通及单一性的数控设备为主。对于加工复杂箱体零件，需要进行多个面的加工，目前大多数工艺采用进口的卧式加工中心进行多次装夹完成，且卧式加工中心的加工成本较高，且不能对工件完成一次装夹全部加工完成的要求。

通常,结构复杂的产品的生产需要经过多道加工工序才能完成,传统的加工手段不仅增加了生产设备的数量和生产厂房的占地面积,也增加了不少生产辅助时间,这大大增加了企业的投入,制约了生产效率的提高。

虽然近年来国内很多机床制造厂家对该类机床的研究投入了大量的人力和物力,并且也取得了丰硕的科研成果,但是机床的关键部件和技术仍然依靠国外新型数控多面体中心引进的方式,没有真正摆脱国外的束缚,而且在加工精度和生产效率方面仍旧无法满足造船、军工、汽车、飞机、航空航天等行业的荀刻要求,故对新型数控多面体中心及其相关技术进行更加深入的研究对提升我国制造业的整体水平具有非常重要的意义。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，可以一次完成多面加工的数控多面体，采用日本FANUC数控系统，结合机械及液压实现对加工件的一次装夹，多面加工的目的。本发明提供了一种新型数控多面体中心，包括总机台、数控系统，所述总机台上设有加工装置、动力装置和冷却装置，所述动力装置给所述加工装置提供动力，所述冷却装置为所述加工装置降温；

所述加工装置包括加工主轴、工作台和换刀装置，所述换刀装置与加工主轴连接，所述工作台设于所述加工主轴下方；

所述加工主轴与所述总机台Z轴滑轨滑动连接，所述加工主轴包括立式主轴头和A轴分度旋转盘，所述立式主轴头为Z轴方向旋转的回转头，所述立式主轴头与所述A轴分度旋转盘连接，所述A轴分度旋转盘为沿X轴方向旋转的鼠齿盘；

所述工作台包括X轴移动台和回转加工台，所述回转加工台内包括回转台和C轴旋转盘，所述回转台底部与C轴旋转盘连接，所述C轴旋转盘为沿Z轴方向旋转的旋转盘，所述回转台底部沿X轴方向与X轴移动台上的滑轨滑动连接，所述X轴移动台沿Y轴方向与总机台Y轴滑轨滑动连接；

所述数控系统使用FANUC 0i MF数控系统，选配倾斜面及三维坐标转换功能，可控制加工不规则箱体。

进一步地，FANUC 0i MF数控系统包括伺服HRV控制和力矩双驱动控制，所述伺服HRV控制是实现纳米CNC系统的高速、高精度的伺服控制，所述伺服HRV控制为HRV4控制；所述力矩双驱动控制两个电机，其中一个是主驱动电机，另一个为次驱动电机；所述主驱动电机接收CNC的位置控制指令并实现实时地位置运动与定位，所述次驱动电动机接收主驱动电动机送来的速度与力矩指令以增加驱动力，两个电动机一起驱动给动力装置。

进一步地，所述动力装置包括主轴驱动单元、进给单元和刀头电机。

进一步地，所述主轴驱动单元为所述加工主轴提供连续输出的高转矩能力和恒功率运行范围，所述加工主轴为高频电主轴，主轴驱动电机与主轴部件集成为一体,无需传动环节。

进一步地，所述进给单元包括直线电机、伺服驱动系统和滚动导轨，所述直线电机通过丝杆传动为所述加工主轴和工作台沿XYZ方向滑动提供位移动力，所述滑轨均为滚动导轨，所述直线电机通过传动带传动为所述C轴旋转盘提供旋转动力，伺服驱动系统，采用半闭环伺服系统，具有检测反馈单元，检测单元设置在电动机轴或者丝杆等转动部件上，对转角的反馈来达到误差的调整的效果，抛开了机械传动系统对伺服系统的影响，使得调试和维护容易。

进一步地，所述刀头电机通过平行带传动带动立式主轴头和A轴分度旋转盘旋转，借此带动刀具旋转，达到切削目的，完成复杂加工。

进一步地，所述换刀装置包括刀库和换刀臂，所述换刀装置通过与PLC控制伺服电机配合，采用手动一体化触摸屏，通过特定的信号来控制刀库和换刀臂旋转换刀。

进一步地，所述冷却装置包括冷却液泵、冷却液箱、冷却液输送及回收装置、冷却液净化装置和主轴的冷却装置，所述主轴冷却装置为环绕主轴的一个温控装置，保证主轴温度的稳定，由冷却液泵将机械能转化成液压能，将控温油经过却装置进行循环，使油温变化始终保持在±5°的范围内。

进一步地，所述A轴分度旋转盘工作范围+30度至-120度。

进一步地，所述C轴旋转盘为360度回转。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）加工主轴采用旋转轴和分度轴配合使用，完成五面及多面（倾斜面）的一次性加工，多面体的倾斜角度的控制，实现立卧转换功能，倾斜面加工的实现，在倾斜面上实现平面加工的要求；

（2）在原有的立加基础上，将主轴加入A轴分度旋转轴，采用鼠齿盘定位，实现1°定位，重复定位精度要求0.003mm,刚性好，定位及重复定位准确。主轴采用大功率电主轴，减轻机头重量并可实现高速高扭矩；

（3）原有X轴基础上增加一个C轴旋转轴，C轴采用任意角度定位，可实现工件的任意角度加工；

（4）机床使用FANUC OI MF数控系统，选配倾斜面及三维坐标转换功能，以简化编程，方便操作。适合不规则箱体的加工,提高效率。

（5）有自动换刀装置方便自动换刀。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明立体图；

图2为本发明另一角度的立体图；

图3为本发明加工区域结构图；

图4为发明加工区域另一角度结构图；

图5 为本发明加工主轴结构图；

图6为本发明回转加工台结构图；

图7为本发明换刀装置结构图。

附图标号

总机台（1），换刀装置（2），立式主轴头（3），A轴分度旋转盘（4），X轴移动台（5），回转台（6），C轴旋转盘（7），刀库（8），换刀臂（9），Z轴滑轨（10），X轴移动台滑轨（11），Y轴滑轨（12）。

具体实施方式：

下面通过结合附图的形式来对本发明的具体实施方式来做进一步的详细的说明，但以下实施例仅列举的是较优选的实施例，其仅起到解释说明的作用来帮助理解本发明，并不能理解为是对本发明作的限定。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

一种新型数控多面体中心，包括总机台1、数控系统，所述总机台1上设有加工装置、动力装置和冷却装置，所述动力装置给所述加工装置提供动力，所述冷却装置为所述加工装置降温；

所述加工装置包括加工主轴、工作台和换刀装置2，所述换刀装置2与加工主轴连接，所述工作台设于所述加工主轴下方；

所述加工主轴与所述总机台1Z轴滑轨10滑动连接，所述加工主轴包括立式主轴头3和A轴分度旋转盘4，所述立式主轴头3为Z轴方向旋转的回转头，所述立式主轴头3与所述A轴分度旋转盘4连接，所述A轴分度旋转盘4为沿X轴方向旋转的鼠齿盘，所述A轴分度旋转盘4工作范围+30度至-120度；

所述工作台包括X轴移动台5和回转加工台，所述回转加工台内包括回转台6和C轴旋转盘7，所述回转台6底部与C轴旋转盘7连接，所述C轴旋转盘7为沿Z轴方向旋转的旋转盘，所述C轴旋转盘7为360度回转，所述回转台6底部沿X轴方向与X轴移动台5上的滑轨滑动连接，所述X轴移动台5沿Y轴方向与总机台1Y轴滑轨12滑动连接；

所述数控系统使用FANUC 0i MF数控系统，选配倾斜面及三维坐标转换功能，可控制加工不规则箱体。

FANUC 0i MF数控系统包括伺服HRV控制和力矩双驱动控制，所述伺服HRV控制是实现纳米CNC系统的高速、高精度的伺服控制，所述伺服HRV控制为HRV4控制；对于大工作台，一个电动机的力矩不足以驱动某个进给轴时，可以用两个电动机。两个电机中一个是主驱动电机，另一个为次驱动电机，所述主驱动电机接收CNC的位置控制指令并实现实时地位置运动与定位，所述次驱动电动机接收主驱动电动机送来的速度与力矩指令以增加驱动力，两个电动机一起驱动给动力装置，次驱动电动机控制回路没有位置环。

FANUC的伺服HRV控制是实现纳米CNC系统的高速、高精度的伺服控制。HRV4控制具有以下的特点：

1.作为伺服的位置指令，总是使用以纳米为单位的命令；

2.标准安装具有1600万/rev分辨率的ai脉冲编码器作为检测；

3.采用超高速的伺服控制处理器，可以在最高速下实现周期时间为31.25μs的电流控制和周期时间为250μs的速度控制；

4.利用共振跟踪型HRV过滤器来避免机械共振，同时通过畸变预测控制来降低机床的振动。通过以上功能的组合，进行纳米级别的控制，实现高质量的机械加工。

主驱动电机接收CNC的位置控制指令并实现实时地位置运动与定位。

所述动力装置包括主轴驱动单元、进给单元和刀头电机。所述主轴驱动单元为所述加工主轴提供连续输出的高转矩能力和恒功率运行范围，所述加工主轴为高频电主轴，主轴驱动电机与主轴部件集成为一体,无需传动环节。高频电主轴综合了制造技术、电机技术等多项先进技术,驱动电机与主轴部件集成为一体,无需传动环节,结构紧凑;高氮合金钢、陶瓷元件的引进,配以出色的密封和冷却技术,能够满足高转速要求,因此,高频电主轴具有体积小、转速高、能够实现无极调速等优势。

所述进给单元包括直线电机、伺服驱动系统和滚动导轨，所述直线电机通过丝杆传动为所述加工主轴和工作台沿XYZ方向滑动提供位移动力，所述滑轨均为滚动导轨，所述直线电机通过传动带传动为所述C轴旋转盘7提供旋转动力，直线电机的诞生为提高数控机床的动态性能和运动精度等关键性能指标提供了重要的解决方案。就进给速度、加速度而言,进给速度100w/min,加速度l~2g的直线电机的应用已经非常普遍了。就定位精度而言,光栅闭环控制技术的引进,使得直线电机的定位精度可以达到0.1~0.01um,结合机床优良的动态特性以及精确的插补控制,直线电机的控制精度可以达到纳米级别。就行程而言,山于受到制造工艺的限制,传统丝杠最大极限一般为4 ~ 6m。相对来说,直线电机的制造工艺简单,已经在大型高速加工中心上实现了行輕达40m的直线电机驱动。

伺服驱动系统，采用半闭环伺服系统，具有检测反馈单元，检测单元设置在电动机轴或者丝杆等转动部件上，对转角的反馈来达到误差的调整的效果，抛开了机械传动系统对伺服系统的影响，使得调试和维护容易。所述刀头电机通过平行带传动带动立式主轴头3和A轴分度旋转盘4旋转，借此带动刀具旋转，达到切削目的，完成复杂加工。

高速切削是高切削速度、高进给率和小切削量的组合，五轴联动加工中心的进给速度为传统的5～10倍。这就要求机床进给系统很高的进给速度和良好的加减速特性。

直线电机是使电能直接转变成直线机械运动的一种推力装置，将机床进给传动链的长度缩短为零，它的动态响应性能敏捷、传动刚度高、精度高、加减速度大，行程不受限制、噪音低、成本较高，在加速度大于1g的情况下，是伺服系统的唯一选择。

滚动导轨的运动灵敏度高，发热小，精度保持性好，重载低速时的运动也很平稳，没有爬行现象，对于移动精度要求高和定位精度要求高的加工中心来说是必不可少的。而且滚动导轨安装和润滑都很简单，维护起来也很方便。电滚珠丝杜杠伺服电机和滚珠丝扛的集成,它综合了传动环节少、结构紧凑等优点,不仅大大简化数控机床的传动结构,而且还保证了益精密加工新传动系统的高精确性。

所述换刀装置2包括刀库8和换刀臂9，所述换刀装置2通过与PLC控制伺服电机配合，采用手动一体化触摸屏，通过特定的信号来控制刀库8和换刀臂9旋转换刀。

热变形一直是高速运转必须面对的问题，机床工作时各相对运动处的摩擦而发热造成温差，使主轴组件在形状和位置上产生变形。比如高速旋转的主轴电机和轴承都是发热部件，而发热会造成主轴轴承的内外圈变形，以此造成轴承径向间隙减小和接触角的变化，这些对主轴转速和精度危害是极大的。所以保持主轴恒温、避免温升也是主轴冷却系统设计的一个重点。所述冷却装置包括冷却液泵、冷却液箱、冷却液输送及回收装置、冷却液净化装置和主轴的冷却装置，所述主轴冷却装置为环绕加工主轴的一个温控装置，保证主轴温度的稳定，由冷却液泵将机械能转化成液压能，将控温油经过却装置进行循环，使油温变化始终保持在±5°的范围内。

立式加工中心使用中应注意的问题：

1.立式加工中心的使用环境：立式加工中心最好使其置于有恒温的环境和远离震动较大的设备如冲床和有电磁干扰的设备。

2．电源要求

3．数控加工中心应有操作规程：进行定期的维护、保养，出现故障注意记录保护现场等。

4．数控加工中心不宜长期封存，长期会导致储存系统故障，数据的丢失。

5．注意培训和配备操作人员、维修人员及编程人员。

数控系统的维护

1．严格遵守操作规程和日常维护制度。

2．防止灰尘进入数控装置内：漂浮的灰尘和金属粉末容易引起元器件间绝缘电阻下降，从而出现故障甚至损坏元器件。

3．定时清扫数控柜的散热通风系统。

4．经常监视数控系统的电网电压：电网电压范围在额定值的85%～110%。

5．定期更换存储器用电池。

6．数控系统长期不用时的维护：经常给数控系统通电或使数控机床运行温机程序。

7．备用电路板的维护机械部件的维护。

具体加工操作

新型数控多面体中心引进新型的五轴加工机床，五轴数控机床可以在工件的一次装夹后,实现自动换刀、旋转主轴头或工作台等方式,实现多工序、多表面的复合加工。这种机床是可以配置不同的转速主轴的，所以新型数控多面体中心在精确性上非常高，并且预应力无背隙齿轮系传动在转速上也有很大的提高。这种机床配有很好的气动接口，可以为工件很好的提供夹持系统的动力的。对新型数控多面体中心来说已经实现了其高精度的要求，所以在设计上来说安全性也更高。

多面体加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成复杂的加工，擅长空间曲面加工，异型加工，镂空加工，打孔，斜孔，斜切等。

1、点接触式

点接触式加工是指加工过程中以点接触成型的加工方式，如球形铣刀加工、球形砂轮磨削等．这种加工方式的主要特点是；球形表面法矢指向全空间，加工时对曲面法矢有自适应能力，与线、面接触式加工相比较，其编程较简单、计算量较小，并且只要使刀具半径小于曲面最小曲率半径就可避免干涉．因而它适合任意曲面的加工。

2、面接触式

面接触式加工是指以面接触成型的加工方式，如端面铣削(磨削)加工。这种加工方式的主要特点是：由于切削点有较高的切削速度，周期进给量大，因而它具有较高的加工效率和精度．但由于受成型方式和刀具形状的影响，它主要适合于中凸曲率变化较平坦的曲面的加工。

3、线接触式

线接触式加工是指加工过程中以线接触成型的加工方式，如圆柱周铣、圆锥周铣、樟形窿削及砂带磨削等。这种加工方式的特点是：由于切削点处切削速度较高，因而可获得较高的加工精度，同时，由于是线接触成型，因而具有较高的加工效率，目前已发展到对任意曲面线接触加工的研究。

具体操作

针对不同的待加工零件，首先将待加工零件放于回转台上，电机先驱动加工主轴，X轴移动台和回转加工台沿XYZ轴方向移动直至立式主轴头的刀头抵接在待加工部位顶面，通过调整电机先驱动加工主轴，X轴移动台和回转加工台的位置对待加工零件进行加工，加工完上表面后，移动回转加工台沿X轴正方向移动带动回转台脱离立式主轴头正下方，将立式主轴头沿Z轴负方向向下移动，并操控A轴分度旋转盘通过鼠齿盘严格把控立式主轴头沿X轴顺时针旋转的角度并将立式主轴头固定，再将待加工零件沿X轴负方向移动至抵接立式主轴头，通过调整电机先驱动加工主轴，X轴移动台和回转加工台的位置对待加工零件进行加工，也可同时启动C轴旋转盘让回转台沿Z轴方向旋转让立式主轴头对零件的侧面同时加工。加工过程中冷却系统持续对主轴头进行降温。

加工完毕后所有设备回归到原点位置，再次驱动A轴分度旋转盘沿X轴逆时针旋转的角度并将立式主轴头固定，启动刀库和换刀臂旋转，换刀臂向上位移取得新刀头和待更换刀头，启动时旋转换刀臂将新刀头和待更换刀头调换位置，再次向上位移将调换过位置的刀头安装。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种新型数控多面体中心，包括总机台（1）、数控系统，其特征在于：所述总机台（1）上设有加工装置、动力装置和冷却装置，所述动力装置给所述加工装置提供动力，所述冷却装置为所述加工装置降温；

所述加工装置包括加工主轴、工作台和换刀装置（2），所述换刀装置（2）与加工主轴连接，所述工作台设于所述加工主轴下方；

所述加工主轴与所述总机台（1）Z轴滑轨（10）滑动连接，所述加工主轴包括立式主轴头（3）和A轴分度旋转盘（4），所述立式主轴头（3）为Z轴方向旋转的回转头，所述立式主轴头（3）与所述A轴分度旋转盘（4）连接，所述A轴分度旋转盘（4）为沿X轴方向旋转的鼠齿盘；

所述工作台包括X轴移动台（5）和回转加工台，所述回转加工台内包括回转台（6）和C轴旋转盘（7），所述回转台（6）底部与C轴旋转盘（7）连接，所述C轴旋转盘（7）为沿Z轴方向旋转的旋转盘，所述回转台（6）底部沿X轴方向与X轴移动台滑轨（11）滑动连接，所述X轴移动台（5）沿Y轴方向与总机台（1）Y轴滑轨（12）滑动连接；

所述数控系统使用FANUC 0i MF数控系统，选配倾斜面及三维坐标转换功能，可控制加工不规则箱体。

2.根据权利要求1所述的新型数控多面体中心，其特征在于：FANUC 0i MF数控系统包括伺服HRV控制和力矩双驱动控制，所述伺服HRV控制是实现纳米CNC系统的高速、高精度的伺服控制，所述伺服HRV控制为HRV4控制；所述力矩双驱动控制两个电机，其中一个是主驱动电机，另一个为次驱动电机；所述主驱动电机接收CNC的位置控制指令并实现实时地位置运动与定位，所述次驱动电动机接收主驱动电动机送来的速度与力矩指令以增加驱动力，两个电动机一起驱动给动力装置。

3.根据权利要求1所述的新型数控多面体中心，其特征在于：所述动力装置包括主轴驱动单元、进给单元和刀头电机。

4.根据权利要求3所述的新型数控多面体中心，其特征在于：所述主轴驱动单元为所述加工主轴提供连续输出的高转矩能力和恒功率运行范围，所述加工主轴为高频电主轴，主轴驱动电机与主轴部件集成为一体,无需传动环节。

5.根据权利要求3所述的新型数控多面体中心，其特征在于：所述进给单元包括直线电机、伺服驱动系统和滚动导轨，所述直线电机通过丝杆传动为所述加工主轴和工作台沿XYZ方向滑动提供位移动力，所述滑轨均为滚动导轨，所述直线电机通过传动带传动为所述C轴旋转盘（7）提供旋转动力，伺服驱动系统，采用半闭环伺服系统，具有检测反馈单元，检测单元设置在电动机轴或者丝杆等转动部件上，对转角的反馈来达到误差的调整的效果，抛开了机械传动系统对伺服系统的影响，使得调试和维护容易。

6.根据权利要求3所述的新型数控多面体中心，其特征在于：所述刀头电机通过平行带传动带动立式主轴头（3）和A轴分度旋转盘（4）旋转，借此带动刀具旋转，达到切削目的，完成复杂加工。

7.根据权利要求1所述的新型数控多面体中心，其特征在于：所述换刀装置（2）包括刀库（8）和换刀臂（9），所述换刀装置（2）通过与PLC控制伺服电机配合，采用手动一体化触摸屏，通过特定的信号来控制刀库（8）和换刀臂（9）旋转换刀。

8.根据权利要求1所述的新型数控多面体中心，其特征在于：所述冷却装置包括冷却液泵、冷却液箱、冷却液输送及回收装置、冷却液净化装置和主轴的冷却装置，所述主轴冷却装置为环绕加工主轴的一个温控装置，保证主轴温度的稳定，由冷却液泵将机械能转化成液压能，将控温油经过却装置进行循环，使油温变化始终保持在±5°的范围内。

9.根据权利要求1所述的新型数控多面体中心，其特征在于：所述A轴分度旋转盘（4）工作范围+30度至-120度。

10.根据权利要求1所述的新型数控多面体中心，其特征在于：所述C轴旋转盘（7）为360度回转。

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