CN113199264B - 一种多主轴数控加工中心及使用方法 - Google Patents

一种多主轴数控加工中心及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多主轴数控加工中心及使用方法，包括基座、立柱、横梁、工作台、刀库、光栅尺；横梁通过立柱固定支撑在基座上；横梁上设置有多个独立的主轴滑座，如第一主轴滑座和第二主轴滑座；每个主轴滑座通过主轴滑座上滑块和主轴滑座侧滑块支撑在横梁上，并通过直线电机驱动；光栅尺设置在横梁上；具有多组完全独立运行同时可独立换刀加工装置，加工更为灵活而且生产效率大幅提高，保证了加工精度，设置直线电机，行进速度快可快速准确的到达工作位置也可使换刀时间缩短，光栅尺可保证工作装置的位置精度，进而提高了多主轴加工中心的实用性，值得推广。

Description

一种多主轴数控加工中心及使用方法
技术领域
本发明涉及一种加工设备，具体涉及一种多主轴数控加工中心及使用方法。
背景技术
在机械加工机床身行业中，现有钻攻中心机床身对零件的加工方式主要有两种，一种是采用单主轴单刀库结构对零件进行加工，其可实现自动切换刀库中的不同刀具，来对同个零件进行不同的加工工序，但其却不能同时加工多个零件；另一种是在单主轴单刀库结构的基础上，对主轴箱的结构进行改进，使其能装入多个主轴，这样，采用多个主轴，虽然可实现同时加工多个零件，但各个主轴需统一动作，无法独立于其他主轴运行，生产效率仍然不高。
业内也有人研发出双头数控钻攻中心，例如CN108262612A，可实现两组完全独立运行同时可独立换刀加工，生产效率大幅提高；其虽然配备了直线电机和光栅尺，但由于Y轴方向采用的螺母螺杆，导致整体加工精度不高，直线电机仅仅提高了X轴方向的加工范围；另外，由于刀库设置在主轴箱上，导致加工需要一直拖着刀库移动，浪费能量；此外，Y轴滑轨设置在X轴拖板上，导致Y轴导轨的基础刚性不强，进一步导致进度下降；因此CN108262612A的技术方案，虽然解决了双轴独立加工的问题，但是其机台尺寸大而Y轴方向加工范围有限，加工精度大幅下降，能耗高，严重降低了其实用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多主轴数控加工中心，解决了现有的钻攻中心加工效率不高的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多主轴数控加工中心，包括基座、立柱、横梁、工作台、刀库、光栅尺；所述的横梁通过立柱固定支撑在基座上；所述横梁上设置有至少两个独立的主轴滑座；当设置两组独立的主轴滑座时即第一主轴滑座和第二主轴滑座；每个主轴滑座通过主轴滑座上滑块和主轴滑座侧滑块支撑在横梁上，并通过直线电机驱动；所述的光栅尺设置在横梁上。
优选的，所述的基座上部固定设置有工作台滑轨、工作台马达螺杆；所述的工作台底部设置有工作台滑块、工作台螺杆螺母；所述的工作台马达螺杆与所述的工作台螺杆螺母相匹配，所述的工作台滑块与所述的工作台滑轨相匹配，驱动所述的工作台沿工作台滑轨前进或后退。
优选的，所述的基座上部固定设置有刀库滑轨、刀库马达螺杆；所述的刀库底部设置有刀库滑块、刀库螺杆螺母；所述的刀库马达螺杆与所述的刀库螺杆螺母相匹配，所述的刀库滑块与所述的刀库滑轨相匹配，驱动所述的刀库沿刀库滑轨前进或后退。
优选的，所述的刀库为双刀盘刀库，包括刀库罩、两个独立的刀盘；所述的刀库罩上设置有两扇刀库门。
优选的，所述的横梁上固定设置有与主轴滑座上滑块相匹配的主轴滑座上滑轨、以及与主轴滑座侧滑块相匹配的主轴滑座侧滑轨；每个主轴滑座内部固定设置有主轴基座马达螺杆，每个主轴滑座侧面固定设置有直线电机动子座，所述的横梁的侧面设置有直线电机定子。
优选的，与设置有直线电机动子座侧面相对应的主轴滑座另一侧面固定设置有主轴基座导轨；所述的主轴滑座内部固定设置有主轴基座马达螺杆。
优选的，主轴基座上设置有主轴基座螺杆螺母和主轴基座滑块；所述的主轴基座螺杆螺母和主轴滑座上的主轴基座马达螺杆相匹配；所述的主轴基座滑块与主轴滑座的主轴基座导轨相匹配，驱动所述的主轴基座上升或下降。
本申请还涉及一种提高多主轴数控加工中心的加工精度的使用方法，采用如下步骤：首先在工件水平面上计算刀具中心与显微镜的十字刻线中心的位移差ΔX和ΔY；在工件水平面上相对于显微镜中心位置的Y轴另一方向计算ΔX’和ΔY’；第二步、计算Y轴螺纹间隙/ΔY-ΔY’/；第三步、判断在对刀前是否出现Y轴位移方向变化；第四步、若无Y轴位移方向变化，则主轴中心与显微镜的十字刻线中心的相对位置为（ΔX，ΔY）；若存在Y轴位移方向变化，则主轴中心与显微镜的十字刻线中心的相对位置为（ΔX，ΔY+//ΔY/-/ΔY’//）。
进一步地，所述的ΔX=[XA+XB+XC+XD]/4 – u；ΔY= [YA+YB+YC+YD]/4 – w；
其中在工件水平面上，沿 X 方向加工一条合适长度的直线L１，记下 Y轴坐标值w，然后再沿Y轴方向加工一条直线L１垂直相交的直线 L2，记下X轴坐标值u，这样就得到了两条垂直相交直线，其交点O1，其坐标为（ｕ，ｗ）；由于刀具的直径为 2r，在交叉点处就会有下面的情形，如图 3-7 左上角部分，出现一个“十”字型垂直相交的图形，垂直相交“十”字型宽为刀具直径 2r，交叉处有四个顶点，分别为 A，B，C，D；由几何关系知，它们的坐标分别为 A（u - r，w - r）；B（ｕ+ r，w - r）；C（ｕ- r，w + r）； D（ｕ+ r，w + r）；移动工作台，使显微镜的十字刻线的交点与 A 点重合，得到 A’点，记下A’点坐标(XA,YA)；坐标B’(XB，YB)；C’(XC，YC )；D’(XD，YD )。
进一步地， Y轴位移方向每发生一次变化，待加工工件的剩余部位的Y轴坐标自动加或减//ΔY/-/ΔY’//。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1. 本发明与常规钻攻中心相比，具有至少两组完全独立运行同时可独立换刀加工装置，且X轴向采用直线电机驱动，无磨损、无间隙，电机稳定可靠，节约电能，结构精简，无接触、无磨损，噪声低、速度快、精度高、组合灵活、速度范围宽，加工更为灵活而且生产效率大幅提高。
2. 本发明通过“基座上部固定设置有工作台滑轨、工作台马达螺杆；工作台底部设置有工作台滑块、工作台螺杆螺母；工作台马达螺杆与工作台螺杆螺母相匹配，工作台滑块与工作台滑轨相匹配”的设置，驱动工作台沿工作台滑轨前进或后退；并通过“基座上部固定设置有刀库滑轨、刀库马达螺杆；刀库底部设置有刀库滑块、刀库螺杆螺母；刀库马达螺杆与刀库螺杆螺母相匹配，刀库滑块与刀库滑轨相匹配”的设置，驱动刀库沿刀库滑轨前进或后退；从而简化主轴基座的结构，降低主轴的重量，使得加工过程中能耗降低；由于基座的刚性大，工作台滑轨和刀库滑轨都直接固定在基座上，可提高工作台滑轨和刀库滑轨的尺寸规格，大幅提高Y轴方向加工范围。
3. 本发明的每个主轴滑座通过主轴滑座上滑块和主轴滑座侧滑块支撑在横梁上，由常规的单线支撑变成了多线支撑，提高主轴滑座的支撑刚度，从而提高了机床的加工精度和稳定度。
4. 本发明结合X轴直线驱动、Y轴为螺纹螺杆驱动，采用提高多主轴数控加工中心的加工精度的对刀方法，先在工件水平面上计算刀具中心与显微镜的十字刻线中心的位移差ΔX和ΔY；和在工件水平面上相对于显微镜中心位置的Y轴另一方向计算ΔX’和ΔY’；并计算Y轴螺纹间隙/ΔY-ΔY’/；用于补偿对刀前出现Y轴位移方向变化时导致对刀精度降低的情况，利用X轴直线电机与光栅尺的精度来对Y轴的加工精度进行补正，从而极大的提高了加工精度。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明隐藏工作台以及部分盖板示意图；
图3为本发明刀库结构示意图；
图4为本发明主轴滑座某一视角侧视图；
图5为本发明主轴滑座另一视角侧视图；
图6为本发明主轴基座某一视角的透视图；
图7为本发明刀具中心与显微镜中心位置偏差示意图；
图8为本发明十字刻线偏差示意图；
图中：1、基座；2、立柱；3、横梁；4、工作台；5、刀库；6、第一主轴滑座；7、第一主轴基座；8、工作台滑块；9、刀库马达螺杆；10、工作台马达螺杆；11、工作台螺杆螺母；12、第二主轴基座；13、第二主轴滑座；14、光栅尺；15、刀盘；16、刀库螺杆螺母；17、刀库滑块；18、刀库门；19、刀库罩；20、主轴基座马达螺杆；21、主轴滑座上滑块；22、直线电机；23、主轴滑座侧滑块；24、主轴基座螺杆螺母；25、主轴基座滑块；26、刀具夹爪。
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。
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种多主轴数控加工中心，包括基座1、立柱2、横梁3、工作台4、刀库5、光栅尺14；所述的横梁3通过立柱2固定支撑在基座1上；所述横梁3上设置有两个独立的主轴滑座即第一主轴滑座6和第二主轴滑座13；每个主轴滑座通过主轴滑座上滑块21和主轴滑座侧滑块23支撑在横梁3上，并通过直线电机22驱动；所述的光栅尺14设置在横梁3上。
进一步地，所述的基座1上部固定设置有工作台滑轨、工作台马达螺杆10；所述的工作台4底部设置有工作台滑块8、工作台螺杆螺母11；所述的工作台马达螺杆10与所述的工作台螺杆螺母11相匹配，所述的工作台滑块8与所述的工作台滑轨相匹配，驱动所述的工作台4沿工作台滑轨前进或后退。
进一步地，所述的基座1上部固定设置有刀库滑轨、刀库马达螺杆9；所述的刀库5底部设置有刀库滑块17、刀库螺杆螺母16；所述的刀库马达螺杆9与所述的刀库螺杆螺母16相匹配，所述的刀库滑块17与所述的刀库滑轨相匹配，驱动所述的刀库5沿刀库滑轨前进或后退。
进一步地，所述的刀库5为双刀盘刀库，包括刀库罩19、两个独立的刀盘15；所述的刀库罩19上设置有两扇刀库门18。
进一步地，所述的横梁3上固定设置有与主轴滑座上滑块21相匹配的主轴滑座上滑轨、以及与主轴滑座侧滑块23相匹配的主轴滑座侧滑轨；每个主轴滑座内部均固定设置有主轴基座马达螺杆20，每个主轴滑座侧面固定设置有直线电机22的动子座，所述的横梁3的侧面设置有直线电机22的定子。
进一步地，与设置有直线电机22的动子座侧面相对应的主轴滑座另一侧面固定设置有主轴基座导轨。
进一步地，每个主轴基座上均设置有主轴基座螺杆螺母24和主轴基座滑25块；所述的主轴基座螺杆螺母24和主轴滑座上的主轴基座马达螺杆20相匹配；所述的主轴基座滑块25与主轴滑座的主轴基座导轨相匹配，驱动所述的主轴基座上升或下降。
本申请还涉及一种提高双头数控钻攻中心的加工精度的使用方法，采用如下步骤：首先在工件水平面上计算刀具中心与显微镜的十字刻线中心的位移差ΔX和ΔY；在工件水平面上相对于显微镜中心位置的Y轴另一方向计算ΔX’和ΔY’；第二步、计算Y轴螺纹间隙/ΔY-ΔY’/；第三步、判断在对刀前是否出现Y轴位移方向变化；第四步、若无Y轴位移方向变化，则主轴中心与显微镜的十字刻线中心的相对位置为（ΔX，ΔY）；若存在Y轴位移方向变化，则主轴中心与显微镜的十字刻线中心的相对位置为（ΔX，ΔY+//ΔY/-/ΔY’//）。
进一步地，所述的ΔX=[XA+XB+XC+XD]/4 – u；ΔY= [YA+YB+YC+YD]/4 – w；
其中在工件水平面上，沿 X 方向加工一条合适长度的直线L１，记下 Y轴坐标值w，然后再沿Y轴方向加工一条直线L１垂直相交的直线 L2，记下X轴坐标值u，这样就得到了两条垂直相交直线，其交点O1，其坐标为（ｕ，ｗ）；由于刀具的直径为 2r（r为刀具的旋转半径），在交叉点处就会有下面的情形，如图 3-7 左上角部分，出现一个“十”字型垂直相交的图形，垂直相交“十”字型宽为刀具直径 2r，交叉处有四个顶点，分别为 A，B，C，D；由几何关系知，它们的坐标分别为 A（u - r，w - r）；B（ｕ+ r，w - r）；C（ｕ- r，w + r）； D（ｕ+ r，w+ r）；移动工作台，使显微镜的十字刻线的交点与 A 点重合，得到 A’点，记下A’点坐标(XA,YA)；坐标B’(XB，YB)； C’(XC，YC )；D’(XD，YD )。
进一步地， Y轴位移方向每发生一次变化，待加工的部位的Y轴坐标自动加或减//ΔY/-/ΔY’//。
工作原理：本发明使用时的对刀过程中，首先，通过人工目视对刀，在一个块体毛坯上加工出一个平面，然后，将刀具移离工件，并把电感测头对准刚加工完毕的平面，调整千分螺杆，使电感测头与所加工的平面接触，调整电感测量系统使系统的读数为零，此时，可以认为测头的垂直方向位置与刀具的刀尖位置相同；在零件正式装夹后，通过该电感测量装置测得零件的尺寸参考点的垂直方向的位置，可以得到零件相对于刀尖的垂直间距，然后，通过零件坐标系和机床坐标系的换算，就可以完成机床在垂直方向的对刀。垂直方向的对刀过程在每次换刀之后都必须重新进行。
显微视频系统主要是解决水平对刀问题。由于主轴和显微镜轴是平行放置，而不是同心的，要测出主轴中心的位置，就要先测量出主轴和显微镜轴在水平方向上的距离:即ΔX和ΔY。这样，只要用显微镜物镜上的“十”字中心对准实际加工位置，再将 X 向和 Y向工作台移动相应的距离ΔX和ΔY，就可将主轴移到实际加工位置，再通过垂直方向上的对刀就可直接加工了。根据机床的本身特性以及加工性质用“十”字型法来测量ΔX 和ΔY。下面来介绍一下“十”字型法：
在工件水平面上，沿 X 方向加工一条合适长度的直线L１，记下 Y轴 坐标值w，然后再沿Y轴方向加工一条合适长度的直线 L2（要与直线L１垂直相交），记下X轴坐标值 u，这样就得到了两条垂直相交直线，其交点O1，其坐标为（ｕ，ｗ）。由于刀具的直径为 2r，在交叉点处就会有下面的情形，如图 8 左上角部分，出现一个“十”字型垂直相交的图形，垂直相交“十”字型宽为刀具直径 2r，交叉处有四个顶点，分别为 A，B，C，D；由几何关系知，它们的坐标分别为 A（u - r，w - r）；B（ｕ+ r，w-r）；C（ｕ- r，w + r）； D（ｕ+ r，w + r）。
移动工作台，使显微镜的十字刻线的交点与 A 点重合，得到 A’点，记下A’点坐标(XA,YA)；同理得到其他三点的坐标B’(XB，YB)； C’(XC，YC )；D’(XD，YD )。
计算ΔX和ΔY：
由几何关系有
ΔX=[XA-(u-r)+XB-(u+r)+XC-(u-r)+XD-(u+r)]/4
=[XA+XB+XC+XD]/4 - u
ΔY=[YA-(w-r)+YB-(w+r)+YC-(w-r)+YD-(w+r)]/4
=[YA+YB+YC+YD]/4 - w
实时计算Y轴螺纹间隙：
①在工件水平面上相对于显微镜中心位置的Y轴另一方向，重复沿 X 方向加工一条合适长度的直线L3，记下 Y轴 坐标值w’，然后再沿Y轴方向加工一条合适长度的直线 L4（要与直线L3垂直相交），记下X轴坐标值 u’，这样就得到了两条垂直相交直线，其交点O1’，其坐标为（ｕ’，ｗ’）。由于刀具的直径为 2r，在交叉点处就会有下面的情形，出现一个“十”字型垂直相交的图形，垂直相交“十”字型宽为刀具直径 2r，交叉处有四个顶点，分别为A’，B’，C’，D’；由几何关系知，它们的坐标分别为 A（u’- r，w’ - r）；B（ｕ’+ r，w’- r）；C（ｕ’- r，w’+ r）； D（ｕ’+ r，w’+ r）。
②移动工作台，使显微镜的十字刻线的交点与 A 1点重合，得到 A1’点，记下A1’点坐标(X’A,Y’A)；同理得到其他三点的坐标B1’(X’B，Y’B)； C1’(X’C，Y’C )；D1’(X’D，Y’D )。
③计算ΔX’和ΔY’：
ΔX’=[X’A-(u’-r)+X’B-(u’+r)+X’[C-(u’-r)+X’D-(u’+r)]/4
=[X’A+X’B+X’C+X’D]/4 – u’
ΔY’=[Y’A-(w’-r)+Y’B-(w’+r)+Y’C-(w’-r)+Y’D-(w’+r)]/4
=[Y’A+Y’B+Y’C+Y’D]/4 – w’
将//ΔY/-/ΔY’//即为Y轴螺纹间隙；Y轴位移方向每发生一次变化，待加工工件剩余部位的Y轴坐标自动加或减//ΔY/-/ΔY’//，/ΔY/表示ΔY的绝对值。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种多主轴数控加工中心的使用方法，其特征在于对刀采用如下步骤：首先在工件水平面上计算刀具中心与显微镜的十字刻线中心的位移差ΔX和ΔY；在工件水平面上相对于显微镜中心位置的Y轴另一方向计算ΔX’和ΔY’；第二步、计算Y轴螺纹间隙/ΔY-ΔY’/；第三步、判断在对刀前是否出现Y轴位移方向变化；第四步、若无Y轴位移方向变化，则主轴中心与显微镜的十字刻线中心的相对位置为：ΔX，ΔY；若存在Y轴位移方向变化，则主轴中心与显微镜的十字刻线中心的相对位置为：ΔX，ΔY+//ΔY/-/ΔY’//；
所述的ΔX＝[XA+XB+XC+XD]/4–u；ΔY＝[YA+YB+YC+YD]/4–w；
其中在工件水平面上，沿X方向加工一条合适长度的直线L1，记下Y轴坐标值w，然后再沿Y轴方向加工一条直线L1垂直相交的直线L2，记下X轴坐标值u，这样就得到了两条垂直相交直线，其交点O1，其坐标为：u，w；由于刀具的直径为2r，在交叉点处出现一个“十”字型垂直相交的图形，垂直相交“十”字型宽为刀具直径2r，交叉处有四个顶点，分别为A，B，C，D；由几何关系知，它们的坐标分别为A坐标为：u-r，w-r；B坐标为：u+r，w-r；C坐标为：u-r，w+r；D坐标为：u+r，w+r；移动工作台，使显微镜的十字刻线的交点与A点重合，得到A’点，记下A’点坐标为：XA,YA；坐标B’点坐标为：XB，YB；C’点坐标：XC，YC；D’点坐标为：XD，YD；
所述的ΔX’＝[X’A+X’B+X’C+X’D]/4–u’；ΔY’＝[Y’A+Y’B+Y’C+Y’D]/4–w’；在工件水平面上相对于显微镜中心位置的Y轴另一方向，重复沿X方向加工一条合适长度的直线L3，记下Y轴坐标值w’，然后再沿Y轴方向加工一条合适长度的直线L4要与直线L3垂直相交，记下X轴坐标值u’，这样就得到了两条垂直相交直线，其交点O1’，其坐标为：u’，w’；由于刀具的直径为2r，在交叉点处出现一个“十”字型垂直相交的图形，垂直相交“十”字型宽为刀具直径2r，交叉处有四个顶点，分别为A’，B’，C’，D’；由几何关系知，它们的坐标分别为A:u’-r，w’-r；B:u’+r，w’-r；C:u’-r，w’+r；D：u’+r，w’+r；移动工作台，使显微镜的十字刻线的交点与A1点重合，得到A1’点，记下A1’点坐标:X’A,Y’A；同理得到其他三点的坐标B1’:X’B，Y’B；C1’:X’C，Y’C；D1’:X’D，Y’D。
2.根据权利要求1所述的一种多主轴数控加工中心的使用方法，其特征在于：Y轴位移方向每发生一次变化，待加工工件的剩余部位的Y轴坐标自动加或减//ΔY/-/ΔY’//。
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